Генетика поведения грызунов.
Первыми исследованиями по генетике поведения грызунов были попытки селекции крыс на способность к обучению. Большинство из этих работ имеет лишь исторический интерес, однако проведенная С. Трайоном работа по отбору крыс на быструю и медленную обучаемость в сложном лабиринте при пищевом подкреплении составляет исключение.
Начатая в середине 20-х годов ХХ века, эта работа увенчалась созданием двух линий, получивших название Trayon maze-bright (TMB) и Tray on maze-dull (TMD), которые существуют и сейчас и поддерживаются без дополнительного отбора.
В многочисленных исследованиях способности к обучению и ряда физиологических признаков у крыс этих линий было показано, что успешность обучения в лабиринте «умной» линии и большое число ошибок у «глупой» специфичны только для лабиринтов данного типа. При других тестах на обучение результаты могут быть иными.
Выведение линий, различающихся по каким-то параметрам поведения, представляет собой первый этап работы. Искусственный отбор проводится на базе исходной популяции животных, которая всегда бывает малочисленной. В этом случае существует достаточно большая вероятность случайной «фиксации» у отбираемых по выбранному признаку аллелей других генов, не имеющих отношения к изучаемому признаку поведения. Поэтому корреляцию каких-либо двух и более признаков у селектированных линий нельзя трактовать как свидетельство общности их физиологической основы. Это одно из основных правил в исследованиях по генетике сложных форм поведения. Чтобы доказать наличие общих причин изменчивости таких коррелированных признаков, необходимо провести дополнительные исследования.
Например, в работе голландского ученого X. Ван-Абилена на основе популяции гибридов между линиями мышей C57BL/6J и DBA/2J были выведены две линии, контрастные по уровню исследовательской активности в установке «открытое поле», точнее по количеству исследовательских «стоек». Данные линии были также контрастны и по уровню активности ацетилхолинестеразы в коре головного мозга. Однако у гибридов второго поколения и у беккроссов этой корреляции не было, что свидетельствует об отсутствии непосредственной связи между признаками.
Рис.8.8. Мышь линии C57BL/6J.
Это одна из самых широко используемых в лабораторных исследованиях чистых линий домовой мыши (Mus musculus). Сокращение BL означает black (черный), то есть эти мыши не альбиносы, в отличие от мышей ряда других лабораторных линий, таких как BALB/c (где ALB означает albino).
При селекции мышей на большой и малый вес мозга, проведенной в четырех независимых экспериментах, было обнаружено, что мыши с большим весом мозга обладают достоверно более высокой обучаемостью навыкам разной природы. Это означает, что действительно больший вес мозга является фактором, благоприятствующим обучению у мышей.
Для грызунов характерно исследовательское поведение, вызываемое новой обстановкой и новыми предметами. Оно представлено поведенческими актами и позами, которые способствуют сбору информации о незнакомых элементах ситуации. Как упоминалось выше, существование генетического компонента изменчивости исследовательского поведения проиллюстрировал X. Ван-Абилен. У мышей двух инбредных линий C57BL/6J и DBA/2J число вертикальных стоек в установке «открытое поле» достоверно различалось. Как показал анализ гибридов первого и второго поколения, этот типично количественный признак имеет полигенный тип наследования.
На основе популяции межлинейных гибридов была начата селекция мышей на высокие и низкие значения признака — числа стоек в ситуации «открытого поля». В результате этого эксперимента в начале 70-х годов ХХ века были получены линии, достоверно различающиеся по уровню исследовательской активности. Они представляли собой удобную физиолого-генетическую модель для исследования особенностей морфологической и биохимической организации мозга, обеспечивающих различия в этом виде поведения мышей.
Другой известный эксперимент на грызунах был проведен английским исследователем П. Бродхерстом в 1975 году с линиями крыс (Maudsl Reactive и Maudsley Nonreactive strains), контрастными по уровню эмоциональной реактивности (оценивалась по числу актов дефекации в «открытом поле».
Оказалось, что разные уровни активности и разная «эмоциональность» оказываются как бы в антагонизме друг с другом. То есть отбор на контрастные значения одного признака, ведет к появлению противоположных по уровню, но также достаточно выраженных различий по другому признаку. Высоко активные животные оказываются «мало эмоциональными».
Но в истории исследования поведения грызунов разных видов и групп, различающихся по полу, возрасту и функциональному состоянию, имеется много примеров, когда этот антагонизм отсутствует, и отрицательная корреляция между уровнями двигательной активности и эмоциональной реактивности не является строго обязательным явлением.
Для оценки ориентировочно-исследовательского поведения лабораторных животных применяются разные экспериментальные установки и методы, что может быть причиной наблюдаемых различий в поведении заведомо стандартных линий мышей и крыс.
При исследовании форм поведения млекопитающих и анализе дифференциального участия в них некоторых отделов мозга все большее значение начинают приобретать так называемые фармако-генетические исследования. Речь идет об оценке реакций на известные (или новые) фармакологические препараты или химические агенты у животных разных генотипов. Эти работы можно условно подразделить на несколько направлений:
§ оценку генетической изменчивости в продукции того или иного метаболита, участвующего в осуществлении какой-то реакции;
§ определение изменчивости числа и строения молекул-рецепторов;
§ исследования генетических особенностей эффекторной реакции.
Необходимо отметить и еще одно направление исследований в генетике поведения. Это изучение агрессивности. Термин «агрессивность» относится в целом к поведению животных при конфликтах. Существуют разные формы конфликтов: это агрессия хищника, конфликты между самцами, материнская агрессия, агрессивное поведение в ситуации, вызывающей страх.
Генетические исследования агрессии хищника обнаружили не только межлинейные различия, но и доминирование у мышей высокого уровня агрессии хищника. Данные генетического анализа свидетельствуют о наличии у мышей двух главных генов, которые контролируют признак «агрессия хищника».
Агрессивность по отношению к человеку — весьма специфический тип поведенческих реакций, который был исследован большим коллективом ученых под руководством академика Д.К. Беляева. В длительных селекционных экспериментах, проведенных в институте цитологии и генетики СО АН СССР в Новосибирске получены линии серебристо-черных лисиц и серых крыс, различающиеся по уровню агрессивности, возникающей при контакте с человеком. Выведены такие же линии норок.
Эксперименты показали, что крысы, агрессивные в отношении человека, не показывают столь же выраженной агрессии хищника. К 20-му поколению селекции крыс на высокую и низкую агрессивность по отношению к человеку у них не произошло изменений в уровнях агрессии хищника и межсамцовой агрессии. Это означает, что «агрессия хищника» и «агрессия к человеку» имеют разные физиолого-генетические механизмы.
Нейрохимические исследования показали, что отбор на разные уровни агрессивности, адресованной человеку, позволяет получить линии с измененным гормональным статусом, специфика которого проявляется как в состоянии покоя, так и в состоянии испуга и стресса.
Химическая коммуникация, которой принадлежит важнейшая роль при формировании социальных контактов в сообществах грызунов находится под генотипическим контролем.
Межлинейные различив экспрессивности и пенетрантности разных показателей антагонистического поведения носят сложный характер и определяются разными генетическими системами.
Эксперименты, в которых проводили классический менделевский генетический анализ признаков, связанных с реакцией нападения, показали, что целый ряд ее характеристик генетически детерминирован, и их наследование можно описать как моно- или двухфакторное.
Но на поведение животных (агрессивных и неагрессивных) могут оказывать большое влияние факторы внешней среды, такие как опыт предыдущих конфликтов, воздействия на животных в ходе онтогенеза, или изменение гормонального фона особи.
Уровни секреции гормонов, в частности тестостерона, также находятся под контролем генотипа.
Были проведены исследования роли генов, локализованных в У-хромосоме, при формировании агрессивного фенотипа самца мыши.
В У-хромосоме выделяют два участка. Один из них называется псевдоаутосомным. Он может рекомбинировать в мейозе с Х-хромосомой, располагается в теломерном участке длинного плече У-хромосомы и передается как дочерям, так и сыновьям данного самца.
Другой, истинно моносомный (т.е. специфичный для половой хромосомы) участок, передается строго от отца к сыну и называется непсевдоаутосомным. Непсевдоаутосомный участок содержит гены, ответственные, например, за детерминирование развитие гонад в семенники.
Поскольку этот участок может передаваться только от отца к сыну, разработаны системы скрещиваний, позволяющие определять, влияют ли расположенные в нем гены на реакцию нападения. Можно, например, сравнить реакцию нападения у самцов — реципрокных гибридов первого поколения от скрещивания линий грызунов, контрастных по данному признаку. Если поведение таких самцов-детей и их отца окажется сходным, то это можно истолковать как свидетельство участия одного или более генов непсевдоаутосомного участка в формировании признака.
Исследования показали, что изменчивость агрессивного поведения самцов связана с группой генов псевдоаутосомного участка У-хромосомы, т.е. той части генома, которая рекомбинирует с Х-хромосомой самки.
На грызунах проводились генетические исследования условной реакции активного избегания.
Реакция активного избегания удара электрического тока в челночной камере — это четкий, легко поддающийся количественному учету тест на обучаемость у лабораторных грызунов. Поскольку в качестве условного раздражителя можно выбрать звук, то при использовании этого теста можно включать в сравнение и животных-альбиносов, не опасаясь, что низкая острота их зрения повлияет на успешность выполнения навыка. Челночные камеры, в которых животные обучаются попеременно переходить из одного отсека в другой при предъявлении условного сигнала, легко автоматизировать, что способствует получению данных на большом числе животных в унифицированных условиях. Все это сделало данную методику очень популярной среди исследователей и с ее помощью выполнено множество работ. Особенно велико число фармакологических и фармакогенетических исследований.
В начале 1960-х годов на основе популяции крыс Вистар итальянский исследователь Дж. Биньями начал селекцию на высокую и низкую способность крыс к обучению реакции активного избегания в челночной камере. Уже через несколько лет эти линии были сформированы. С начала 70-х ХХ века годов селекция и разведение этих крыс проводились независимо в Швейцарии, Великобритании и Канаде.
Рис.8.9. Институт Вистар (Wistar institute) в США известен, в том числе, и одноименной линией крыс. Так выглядит линия Wistar.
Межлинейные различия по селектируемому признаку высоко достоверны. Эти линии получили название римских (Roman High Avoidance, RHA, Roman Low Avoidance, RLA) и интенсивно исследуются во многих лабораториях мира.
Сравнение результатов огромного числа работ, полученных на этих линиях с использованием практически всех существующих методик оценки поведения, привело исследователей к заключению, что межлинейные различия у RHA и RLA связаны с эмоциональностью и разным типом реакции на стрессоры.
В 1970-е годы были созданы путем селекции еще две линии (Syracuse High Avoidance, SHA, Syracuse Low Avoidance, SLA), различающиеся по обучению реакции активного избегания, но не обнаруживающие, в отличие от римских линий, различий в уровне двигательной активности. Исходной популяцией для этой селекционной работы служили крысы Лонг-Иване.
Генетические модели способности к обучению, какими являются линии крыс RHA и RLA, а также SHA и SLA, используются в исследованиях роли наиболее изученных медиаторных систем в формировании межлинейных различий реакции на стресс, в обучении, в организации болевой чувствительности.
В современных исследованиях показано, что выполнение поведенческих актов как самим животным, так и в отношении него может приводить к изменениям в нервной системе на тканевом и клеточном уровнях, а так же к изменению экспрессии генов.
Известно, что общение с молодыми особями стимулирует проявление материнского инстинкта у многих животных, например, мышей и хомяков. В период вынашивания и кормления потомства у женских особей грызунов стимулируется рост новых нейронов.
Исследователи связывают обнаруженное явление с выделением гормона пролактина (prolactin), стимулирующего материнское поведение и появление новых нейронов во время беременности. Возможно, увеличение клеток мозга помогает матери научиться лучше выделять своё потомство среди всех остальных молодых крыс. Этот вывод был сделан на том основании, что исследованная часть мозга — субвентрикулярная зона (subventricular region) – включает клетки, влияющие на распознавание запахов (и, вероятно, запахов молодняка).
Взаимоотношения с сородичами могут приводить и к долговременным устойчивым изменениям экспрессии генов в мозге, причем эти изменения могут даже передаваться из поколения в поколение. Данное явление основано на эпигенетических модификациях ДНК, например на метилировании промоторов, что приводит к долговременному изменению экспрессии генов.
Было замечено, что если крыса-мать очень заботлива по отношению к своим детям, часто их вылизывает и всячески оберегает, то и ее дочери, скорее всего, будут такими же заботливыми матерями. Думали, что этот признак предопределен генетически и наследуется обычным образом. Можно было еще предположить культурное наследование — передачу поведенческого признака от родителей к потомкам путем обучения. Однако обе эти версии оказались неверными. В данном случае работает эпигенетический механизм: частые контакты с матерью приводят к метилированию промоторов определенных генов в мозге крысят, в частности генов, кодирующих рецепторы, от которых зависит реакция нейронов на некоторые гормоны (половой гормон эстроген и гормоны стресса — глюкокортикоиды). Правда, подобные примеры пока единичны.