Генетика поведения моллюсков.
Слизни, улитки, устрицы, осьминоги – все это представители типа Моллюсков, который включает в себя почти 100000 видов. Эти мягкотелые животные демонстрируют очень разнообразное поведение. Некоторые моллюски, например осьминоги, обладают сложным поведением и ярко выраженными способностями к решению различного рода экспериментальных задач, а другие - демонстрируют только весьма простые и примитивные поведенческие реакции.
Наиболее изучаемыми поведенческими реакциями у моллюсков являются пищевое поведение, гальванотаксис, половое поведение, а также защитные реакции и реакции нападения.
Объект, на котором проведены классические эксперименты по физиологии поведения моллюсков – это Aplysia californica или морской заяц. Аплизия — один из крупнейших представителей заднежаберных моллюсков. Жабры у аплизии расположены на правой стороне тела под складкой мантии (в мантийной полости). С боков тело аплизии прикрыто парой массивных лопастей, которые расправляются и, волнообразно сокращаясь, позволяют ей плыть довольно долгое время.
Нервная система Aplysia californica состоит всего из 20 000 нервных клеток. Они настолько крупные (в диаметре могут достигать до 1 мм), что их видно невооруженным глазом. Нервные клетки аплизии хорошо различаются: они окрашены в разные цвета.
На Aplysia californica проведены классические эксперименты по физиологии поведения моллюсков. В них показана роль индивидуальных нервных клеток (так называемых индентифицируемых нейронов) в формировании поведенческих реакций организма.
Рис.5.5. Aplysia californica - объект, на котором проведены классические эксперименты по физиологии поведения моллюсков
Используя в качестве модели нервную систему Aplysia californica, Эрик Кандел открыл молекулярные механизмы работы синапсов. Он доказал, что изменения в деятельности синапса являются основными в механизме памяти. Ученому удалось также доказать, что такой же тип формирования памяти, который был обнаружен во время изучения Aplysia californica, существует и у млекопитающих.
Эрику Канделу в 2000 году присудили Нобелевскую премию в области физиологии и медицины за открытия, касающиеся преобразования сигналов в нервной системе, за объяснение того, как в простейшей системе из трех нейронов формируется кратковременная и долговременная память
Рис.5.6. Эрик Кандел
Нервная система аплизии состоит из четырёх парных ганглиев в головном конце животного. Один из головных ганглиев иннервирует глаза и щупальца; второй – мышцы рта. Другие два парных ганглия иннервируют ногу. Брюшной ганглий контролирует такие основные висцеральные функции как циркуляция, дыхание и размножение.
Рис.5.7. Брюшной ганглий Aplysia californica
В своих исследованиях Эрику Канделу и его сотрудникам удалось обнаружить и составить детальные карты идентифицируемых нейронов в ганглиях аплизии, особенно – в брюшном ганглии. Своё название – «идентифицируемые» – эти клетки получили потому, что они довольно крупные и похожи у разных особей.
Рис.5.8. Схема брюшного ганглия Aplysia californica
В нервной системе аплизии оказалось много идентифицируемых клеток. Это дало возможность трассировать нервные сети, опосредующие различные поведенческие реакции этого животного.
Эрик Кандел и его коллеги сумели показать на аплизии, что для формирования памяти — как кратковременной, так и долговременной — достаточно всего трех нейронов, определенным образом соединенных между собой. Память изучали на примере формирования условного рефлекса: моллюску осторожно трогали сифон, и тотчас вслед за этим сильно били по хвосту. После такой процедуры моллюск некоторое время реагирует на легкое прикосновение к сифону бурной защитной реакцией, но вскоре всё забывает. Если «обучение» повторить несколько раз, формируется стойкий условный рефлекс.
Оказалось, что процесс обучения и запоминания полностью объясняется довольно простыми и совершенно автоматическими событиями на уровне отдельных нейронов. Весь процесс можно полностью воспроизвести на простейшей системе из трех изолированных нервных клеток. Один нейрон (сенсорный) получает сигнал от сифона (в данном случае — чувствует легкое прикосновение). Сенсорный нейрон передает импульс моторному нейрону, который, в свою очередь, заставляет сокращаться мышцы, участвующие в защитной реакции (аплизия втягивает жабру и выбрасывает в воду порцию красных чернил). Информация об ударе по хвосту поступает от третьего нейрона, который в данном случае играет роль модулирующего. Нервный импульс от одного нейрона к другому передается посредством выброса сигнальных веществ (нейромедиаторов). Схема этого процесса представлена на Рис.5.9.
Рис.5.9. Механизм запоминания, показанный на нейронах аплизии.
На рисунке 5.9. показаны два синапса. Нижний синапс (1) служит для передачи импульса от сенсорного нейрона к моторному. Тот, что выше (2) - передает импульс от модулирующего нейрона к окончанию сенсорного. Если в момент прикосновения к сифону модулирующий нейрон «молчит» (то есть по хвосту не бьют), в синапсе 1 выбрасывается мало нейромедиатора, и моторный нейрон не возбуждается.
Удар по хвосту приводит к выбросу нейромедиатора в синапсе 2, что вызывает важные изменения в поведении синапса 1. В окончании сенсорного нейрона вырабатывается сигнальное вещество цАМФ. Оно активизирует регуляторный белок — протеинкиназу А.
Протеинкиназа А, в свою очередь, активизирует другие белки, что, в конечном счете, приводит к тому, что синапс 1 при возбуждении сенсорного нейрона (т.е. в ответ на прикосновение к сифону) начинает выбрасывать больше нейромедиатора, и моторный нейрон возбуждается.
Это и есть кратковременная память: пока в окончании сенсорного нейрона много активной протеинкиназы А, передача сигнала от сифона к мышцам жабры и чернильного мешка осуществляется более эффективно.
Если же прикосновение к сифону сопровождалось ударом по хвосту много раз подряд, то протеинкиназы А становится так много, что она проникает в ядро сенсорного нейрона. Это приводит к активизации другого регуляторного белка — транскрипционного фактора CREB. Белок CREB «включает» целый ряд генов, работа которых, в конечном счете, приводит к разрастанию синапса 1 или к тому, что у окончания сенсорного нейрона вырастают дополнительные отростки, которые образуют новые синаптические контакты с моторным нейроном.
В обоих случаях эффект один: теперь даже слабого возбуждения сенсорного нейрона оказывается достаточно, чтобы возбудить моторный нейрон. Это и есть долговременная память. Как показали дальнейшие исследования, у высших животных память основана на тех же принципах, что и у аплизии.
Исследование некоторых нейронных механизмов физиологических процессов у аплизии, например, особенностей гормональной регуляции реакции откладки яиц, для которой известны все этапы, позволило перейти на молекулярно-генетический уровень и установить генную регуляцию поведенческих реакций.
С помощью процедуры дифференциальной гибридизации клонированы гены и мРНК, специфически экспрессирующиеся в отдельных нейронах ЦНС аплизии. В их число входят гены, продукты которых уже идентифицированы. Например, ген, кодирующий гормон откладки яиц, и четыре родственных ему гена, кодирующих биоактивные пептиды.
Откладка яиц у аплизии обеспечивается цепью действий, включающую торможение локомоции, усиление дыхательных движений, специфические движения головы, с помощью которых жгут с яйцами вытягивается, сворачивается и приклеивается к субстрату. Эти события происходят вследствие активации сетей нейронов, которая является результатом координированного выделения нескольких пептидов.
Пептиды, выделяющиеся железами репродуктивного тракта после копуляции, возбуждают нейросекреторные «пазушные» клетки. Они, в свою очередь, выделяют набор пептидов, которые воздействуют на разные нейроны моллюска. Возбуждение (или модуляция работы) пазушных клеток запускает сложную последовательность действий аплизии.
Была выделена последовательность ДНК, кодирующая белок-предшественник, содержащий аминокислотные последовательности упомянутых пептидов. Установлено, что за формирование набора химических агентов запускающих фиксированные комплексы действий (ФКД) откладки яиц у аплизии, отвечает один ген.
Сердечнососудистые реакции аплизии исследованы достаточно подробно в аспекте анализа функции пептидов (и их белков-предшественников), запускающих соответствующие нейроны. Пептид и последовательностью аминокислот Phe-Met-Arg-Phe, описанный впервые у моллюсков, известен тем, что иммунореактивность к нему обнаруживается у всех представителей животного царства.
Аплизия оказалась необыкновенно удобной моделью выявления молекулярно-генетической детерминации нейронных связей и изучения генетики поведения.