КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ПРИЗНАКИ В ГЕНЕТИКЕ ПОВЕДЕНИЯ

8.6.6.1. некоторые общие положения. Как уже упоминалось, огромное большинство признаков поведения характеризуется непрерывной изменчивостью, и подобные ряды нельзя подразделить на фенотипически дискретные классы. Такой характер фенотипичес-кой изменчивости можно объяснить одновременным действием большого числа генов в сочетании с фенотипическими отклонениями, которые вызываются влиянием средовых факторов.

В разделе, посвященном проблемам нейрогенеза (см.: 8.5.1), говорилось о компонентном составе фенотипической изменчивости в применении к проблеме относительной роли генотипа и среды при формировании признака. При оценке количественных признаков сформированного организма выступают сходные по структуре, но несколько иные по природе закономерности. Ниже будет дан их анализ.

Вклад генетической изменчивости в фенотипическую подразделяется на три части: аддитивные генетические эффекты, отклонения доминирования и эпистатические взаимодействия. Основная модель количественной генетики представлена на рис. 8.24.

Если мы возьмем инбредную линию, гомозиготную практически по всем локусам, поскольку она прошла много поколений братско-сестринских скрещиваний, то фенотипический признак, определяющийся большим числом генов, можно обозначить как т + (d+) + (d-) ; где (</+) – суммарный эффект генов, представленных в данном фенотипе усиливающими аллелями; (d-) – то же для ослабляющих аллелей; параметр т – постоянная, которая отражает средние средовые эффекты, общие у двух сравниваемых линий, а также генетические эффекты для локу-сов, в которых сравниваемые линии имеют одинаковые аллели.

Различия в величине признака для двух инбредных линий будут выражаться как 2[(d+) + (</-)]; эту величину мы будем обозначать для краткости как 2[d]. Точно также величина признака у гибрида первого поколения выразится как т + (А+) + (А-), далее обозначается как т +[А].

Отметим, что А – это суммарное, связанное с доминированием, отклонение для многих генов. Если эффекты этих генов противоположны по направлению, то [А] будет малым или равным нулю, даже если доминирование имеет место. То же относится и к [и?]: даже когда у двух инбредных линий, несущих разные аллели в существенных для признака локусах, фенотип определяется аддитивными генетическими эффектами, межлинейные различия необязательно будут заметными. С другой стороны, у гибридов может возникнуть ситуация, когда две родительские линии имеют доминантные аллели, равно распределенные между ними. Тогда в случае направленного доминирования (т.е. когда все отклонения доминирования имеют одно направление) все гибриды будут обладать крайними значениями признака. Из-за этого фактическая величина [А] может оказаться больше, чем [d]. Это явление называется гетерозис.

Сложнее описать участие генотипа в определении изменчивости признака при эпистатических (т.е. межлокусных, или неаллельных) взаимодействиях. Этими терминами обозначают явления, когда эффекты разных генов не суммируются простым образом, а феноти-пический эффект аллелей одного локуса зависит от генотипа другого локуса. Наиболее простой и известный пример эпистатического взаимодействия – это взаимодействие локусов, влияющих на окраску шерсти у мышей. Например, локус b определяет черный или коричневый цвет шерсти. Однако, если мыши гомозиготны по ло-кусу альбинизма с, то пигмент просто не образуется и никакие ал-лельные замены в локусе Ь ничего изменить не смогут. Эпистати-ческие взаимодействия элементов полигенной системы настолько сложны, что ее точное описание невозможно. Для простоты описания обычно постулируется отсутствие значимых межаллельных взаимодействий. Более подробное знакомство с методами генетики количественных признаков помогает в оценке результатов генетических исследований признаков поведения и позволяет построить модели, которые описывают достаточно сложные генетические феномены, такие как, например, плейотропия.

Важным понятием в генетике количественных признаков является также наследуемость "в узком" и " в широком" смысле. Наследуемость в узком смысле определяют как долю всей фенотипической дисперсии, которая определяется генами с аддитивными эффектами. Наследуемость в широком смысле – это доля всей генетической изменчивости в фенотипической.

Из этих определений следует, что величина наследуемости зависит от генетических особенностей особей изучаемой популяции, от сре-довых условий, а также от степени точности, с которой определяется фенотип.

Можно кратко проанализировать случай, когда необходимо оценить корреляцию между двумя признаками, каждый из которых находится частично под контролем общих генов. Иными словами, в данном случае нас больше интересует ковариация между признаками, чем просто их изменчивость.

Фенотипическая коварианса двух признаков имеет генетическую и средовую составляющие. В свою очередь генетическая составляющая может быть подразделена на компоненты, связанные с аддитивным эффектом и с эффектом доминирования.

Если мы определили величины генетических коварианс и дисперсий (варианс), то вслед за этим можно вычислить генетическую корреляцию между признаками. Отметим, что подобные расчеты проводятся на основе математических моделей со значительным числом допущений (например, об отсутствии неравновесия при сцеплении см.: Айала, 1988). Если фенотипические корреляции между признаками могут оказаться следствием целого ряда случайностей и/или побочных эффектов, то генетические корреляции отражают реальное существование "общего пути" в формировании двух признаков, иными словами, реальное существование общих генов, которые детерминируют интересующие нас признаки.

Фенотипическая изменчивость есть не только сумма эффектов изменчивости генотипа и среды, она включает в себя также величину, связанную со взаимодействием этих факторов. На основе этого соотношения были разработаны методы оценки наследуемости, степени доминирования аллелей, а также так называемые многопараметрические статистические методы в применении к генетике количественных признаков (см.: Мазер, Джинкс, 1985; Crusio, 1992).

Для популяционной генетики, этологии и общей биологии генетика количественных признаков важна как способ оценки так называемой "генетической архитектуры признака". При анализе поведения животных исследователь, как говорилось выше, руководствуется одним из четырех основных вопросов, которые в наиболее четкой форме были сформулированы Тинбергеном (Tinbergen, 1963).

Два из них относятся к "непосредственным причинам" наличия данного признака в репертуаре поведения, т.е. к его нейрофизиологическим механизмам и/или его развитию в онтогенезе, два других касаются: один – функциональной значимости признака в настоящий момент, т.е. его адаптивной роли, а другой – его роли в процессе эволюции вида, т.е. в филогенетическом аспекте. Два вопроса "функциональной" группы часто называют анализом причин (causation) данного поведения в филогенетическом и феногенети-ческом аспектах. Генетическую архитектуру признака поведения также можно рассмотреть с этих позиций.

Филогенетический аспект.Как правило, для подобного анализа необходима информация о составе генетической изменчивости. В соответствии с генетической теорией естественного отбора (Fisher, 1958; Айала, 1988) отбор на высокие величины какого-либо признака имеет результатом низкий уровень его аддитивной генетической изменчивости и большую величину генетической изменчивости, связанной с доминированием. Для подобных признаков величина наследуемости в узком смысле бывает невысокой, в отличие от значительной наследуемости (в широком смысле).

В случае стабилизирующего отбора, т.е. отбора на средние значения признака, его генетическая архитектура будет характеризоваться большой величиной аддитивного компонента изменчивости (дисперсии) и либо отсутствием доминирования, либо двусторонним доминированием. Наследуемость в узком смысле будет в таких случаях высокой, а доминирование – относительно малым.

Оценка признака поведения в условиях лабораторных тестов зависит, как правило, от многих переменных (не имеющих, разумеется, экологической ценности). Они могут дать некую величину аддитивной изменчивости, что, однако, ни в какой мере не может быть индикатором какой бы то ни было адаптивной значимости признака (как это принято считать для "естественных" нелабораторных признаков).

В этом отношении интересны данные американского исследователя Н. Хендерсона (Henderson, 1978). Уровень двигательной активности 12-дневных мышат разных генотипов он оценивал в двух ситуациях: при помещении мышонка в установку "открытое поле", т.е. в типичном лабораторном тесте, и при "возвращении" вынутого из гнезда детеныша назад, в привычные комфортные условия. Оказалось, что аддитивная компонента дисперсии признака "уровень двигательной активности", т.е. быстроты перемешения животного, была высокой в первом, и низкой – во втором случае. Двигательная активность животного в разных условиях контролируется разными физиологическими механизмами. Возвращение мышонка в гнездо – реакция с четкой адаптивной функцией. Низкие величины аддитивного компонента дисперсии этого признака свидетельствуют о том, что формирование его в ходе эволюции происходило с отбором на крайние значения (большую скорость перемещения). В то же время "активность в открытом поле" (т.е. выполнение практически тех же движений, но, видимо, с иным мотивационным фоном) имеет другую генетическую архитектуру с большой величиной аддитивной компоненты дисперсии. Возможно, что последние результаты связаны с неадекватным характером теста "открытое поле" для детенышей столь раннего возраста.

В этом контексте следует упомянуть еще об одном понятии, которое часто используется при обсуждении адаптивной и/или функциональной роли признака – о так называемой приспособленности организма, т.е. о его способности выжить и оставить способное к размножению потомство.

Признаки, имеющие высокую величину компоненты доминирования в величине общей генетической дисперсии, связаны с приспособленностью.

Естественный отбор благоприятствовал сохранению особей с наибольшими величинами такого признака. В то же время затруднительно делать подобные выводы о признаках с двусторонним доминированием, т.е. о тех, у которых предположительно был отбор на средние значения. В таких случаях наиболее благоприятными для выживания могли оказаться средние значения признака. Очевидно, что разделение признаков, влияющих и не влияющих на приспособленность, достаточно условно, поскольку базируется на результатах вычислений с целым рядом допущений.

Феногенетический аспект.Этот подход мы обозначили выше как путь "от гена к признаку". В его рамках проводятся исследования корреляций между поведением и физиологическими, нейроанато-мическими и нейрохимическими переменными, которые могут пролить свет на происхождение этих связей (см.: 8.6.7.2).

Метод выявления генетических корреляций позволяет обнаружить совместное варьирование генетических эффектов. Такие корреляции выражают либо плейотропные эффекты (см.: 8.2.2), либо так называемое неравновесие, или неравновесность, по сцеплению" (linkage disequilibria; см.: Айала, Кайгер. 1988). Если для анализа генетических корреляций выбирать неродственные между собой группы, например инбредные линии разного происхождения, то вероятность неравновесности по сцеплению будет невелика, поскольку, если у них и существуют "коадаптированные локусы", у гибридов они не сохранятся. В этом случае генетическая корреляция, между двумя признаками будет свидетельствовать о том, что, по меньшей мере, часть пути "от гена к признаку" для этих двух признаков оказывается общей.

Это делает достаточно высокой вероятность существования между ними функциональной связи. Напомним, что наличие фенотипической корреляции между признаками еще не может быть указанием на общность их генетической детерминации (см.: 8.6.1). Корреляционные решетки, полученные для величин генетических корреляций, можно далее анализировать с использованием стандартных многопараметрических методов, например факторного анализа.

* Термином "неравновесие по сцеплению" называют явление, когда какое-то сочетание аллелей двух разных локусов дает более "приспособленный" фенотип, чем сочетание других аллелей этих же локусов. На практике это может означать неслучайную ассоциацию признаков в данном генотипе, причем это не связано с общими физиологическими механизмами их реализации.

Конкретные методы оценки состава генетической изменчивости и величин наследуемости достаточно многочисленны, и рассмотреть их здесь не представляется возможным (см.: Эрман и Парсонс, 1984; Мазер, Джинкс, 198S). Наряду с определением регрессии родители–потомки, а также селекции линий на разные величины признака, в генетике поведения большое распространение получили методы анализа инбредных линий. Один из таких методов – так называемое диаллельное скрещивание.

8.б.б.2. метод диаллельного скрещивания. Это один из наиболее употребительных приемов генетического анализа при исследовании генетической детерминации признаков поведения. Суть его заключается в оценке средних величин признака и их дисперсии у животных нескольких (минимум трех) инбредных линий, а также гибридов всех возможных сочетаний. В результате такого скрещивания получается р² групп, различающихся по генотипам, где р – число исходных линий. На животных в соответствующем возрасте измеряют интересующие нас признаки. Очевидно, что условия содержания таких животных должны быть идентичными. Кроме того, непременное условие диаллельных экспериментов – это применение методов рандомизированных блоков: каждый вариант скрещивания должен быть осуществлен как минимум дважды.

Диаллельный анализ – это вариант дисперсионного анализа, правила которого изложены в специальных руководствах (см.: Heyman, 1954; Турбин и др., 1974). В зависимости от задачи, стоящей перед исследователями, для диаллельного анализа можно применять разные теоретические модели. В любом случае результатом проведения подобного исследования бывает получение величин компонент дисперсии, а также величин, характеризующих уровни ковариации признаков у разных генетических групп, участвующих в эксперименте.

Первое исследование такого рода провели при скрещивании шести инбредных линий крыс, проанализировав уровни дефекации и двигательной активности в "открытом поле". Для уровня дефекации наследуемость в узком смысле (см.: 8.6.6.1) оказалась равной 0,62, а для уровня двигательной активности (оценивалась по числу пересеченных квадратов) – 0,59. Это означает, что в условиях лабораторного тестирования в установке "открытое поле" аддитивная компонента дисперсии для этих признаков достаточно велика (Бродхерст, 1975).

Ряд примеров использования данного метода в работах по генетике поведения дрозофилы можно найти в книге Эрман и Парсонса (1984).

Метод диаллельного скрещивания имеет ряд преимуществ по сравнению с классическим генетическим анализом. Первое из них состоит в том, что проведение такого эксперимента занимает меньше времени, поскольку можно ограничиться исследованием признака у первого поколения гибридов. Группа (популяция) исследуемых животных позволяет измерять нужный признак и у родительских генотипов – инбредных линий, и у их потомков-гибридов, что бывает очень важно при исследовании признаков поведения, которые зависят от сезона, температуры, особенностей питания и других факторов. Третье преимущество заключается в том, что потомки диаллельного скрещивания представляют собой популяцию с известным генетическим составом, которая может служить для оценки генетических (и микроэволюционных) эффектов тех или иных экологических факторов. П.М. Бородин (1981) дал краткое описание статистических методов анализа диаллельных экспериментов, а также интерпретировал его результаты.

Помимо данных о характере генетической изменчивости признака поведения, результаты диаллельного эксперимента иногда дают информацию, существенную для понимания физиологических процессов, лежащих в основе этого признака. Обратимся вновь к психофизиологическим особенностям условной реакции избегания у крыс и мышей в челночной камере, когда животные вынуждены возвращаться в отсек, где они только что получили болевое раздражение (см.: 8.6.3.2). По данным диаллельного скрещивания, проведенного Дж. Вилкоком и Д. Фалкером, т.е. при сопоставлении генетической изменчивости показателей обучения у родительских линий и соответствующих гибридных животных, картина оказалась сложной. Низкий уровень выполнения реакции избегания на первых этапах эксперимента имел доминантное наследование (см.: Вилкок, 1975). Иными словами, аллели, определяющие замедленную двигательную реакцию животного в ответ на боль в первые дни обучения, были доминантными. На более поздних этапах выработки условной реакции доминантное наследование обнаруживается у аллелей, определяющих высокую частоту выполнения навыка. В то же время следует отметить, что у животных некоторых исследованных генотипов имелись аллели, определявшие быструю реакцию уже в первые дни обучения.

Итак, казалось бы, внешне (фенотипически) один и тот же признак поведения – выполнение реакции избегания в челночной камере – на разных стадиях обучения находится под генетическим контролем разных систем, или, другими словами, на разных этапах выработки этой реакции задействованы разные физиологические процессы. Именно этот вывод и сделали авторы, предположив существование двух физиологических систем, влияющих на признак в начальной и конечной стадии формирования реакции избегания, генетический контроль которых осуществляется независимо.

Авторы этого исследования полагали, что генетическое разнообразие в частоте выполнения реакции на первой стадии обучения, по-видимому, связано с изменчивостью порогов реакций животных на болевую стимуляцию (затаивания или бегства), где доминантной была тенденция к затаиванию. По мере формирования ассоциативной связи в ходе повторения сочетаний условного и безусловного раздражителей ситуация меняется, и генетическое разнообразие по измеряемому признаку теперь уже связано с изменчивостью в скорости формирования условной связи и/или в выполнении навыка (т.е., видимо, с изменчивостью собственно способности к обучению).

8.6.6.3. метод РЕКОМБИНАнтных инвРЕДНых линий. Исследование генетических закономерностей наследования количественных признаков в селекционных экспериментах и при сравнении инбредных линий обеспечивает как бы базис для оценки наследования сложных признаков поведения. Эти методы не могут ответить на вопрос о числе генов, обеспечивающих генетическую изменчивость по данному признаку и, тем более, об их локализации.

Метод рекомбинантных инбредных линий (РИЛ), разработанный Н. Бейли еще в 70-е годы (ВаИу, 1971), в целом ряде случаев позволяет выявить участие небольшого числа "главных" генов (т.е. генов, которые обеспечивают наибольший вклад в изменчивость данного полигенного признака), а также дать информацию об их локализации на хромосоме.

Рекомбинантные инбредные линии не следует путать с линиями коизогенными (идентичными по генотипу, за исключением некоего локуса, в котором произошла мутация) и линиями конгенными (идентичными по генотипу за исключением некоего локуса с геном-маркером, введенным в генотип специальными скрещиваниями), которые были кратко описаны выше (см.: 8.6.4.1).

РИЛ получают на основе популяции гибридов второго поколения, в свою очередь полученных от скрещивания гибридов первого поколения двух инбредных линий, контрастных по изучаемому признаку. Инбредные линии, как известно, гомозиготны по всем локу-сам. Гибриды первого поколения двух неродственных между собой инбредных линий гетерозиготны по всем аллелям, а все особи генетически идентичны друг другу. У гибридов второго поколения происходит расщепление (1:2:1) по каждому гену. Путем инбридинга (братско-сестринского скрещивания), начатого с особей-гибридов второго поколения и осуществляющегося в течение обычно 10–12 поколений, получают серию новых инбредных линий, гомозиготных по всем локусам. Это и есть рекомбинантные инбредные линии. Каждая из них представляет собой "зафиксированный" в гомозиготном состоянии один из вариантов расщепления признаков, т.е. результат серии событий расщепления и рекомбинации при формировании гибридов второго поколения.

Если про обычные инбредные линии можно сказать, что каждая из них представляет собой некий гомозиготный генотип, повторенный неограниченное число раз, то каждая из РИЛ данной серии – это также воспроизведенный многократно и зафиксированный в гомозиготной форме вариант перекомбинации аллелей двух линий в том виде, как это произошло у гибридов второго поколения. При этом, поскольку внутри каждой линии все животные идентичны друг другу генетически, линии можно сравнивать как между собой, так и с родительскими линиями.

В случаях, когда взятые в исследование исходные инбредные линии различаются по аллелям какого-то интересующего нас гена, половина новых линий будет гомозиготна по одному его аллелю (от родителя А), а вторая половина – по другому аллелю (от родителя В}. Ясно, что в этом случае мы можем обнаружить две группы (два "кластера") новых линий. Если эти кластеры по значению интересующего нас признака не перекрываются между собой, это четко свидетельствует о его моногенном наследовании, а именно такие случаи можно анализировать далее методом РИЛ. И наоборот, если у набора РИЛ обнаруживается непрерывное распределение значений признака, это свидетельствует о полигенном характере наследования. В последнее время разработан метод, позволяющий анализировать и такие случаи. Это метод картирования QTL (см.: 8.6.6.4).

В случаях, когда данная группа РИЛ, тестированная на проявление интересующего нас признака, показывает бимодальное распределение его величин, т.е. если признак имеет моногенное наследование, вступает в действие следующая процедура. Характер распределения значений изучаемого признака в нашей группе РИЛ (в англоязычной литературе это – strain distribution pattern, SDP), сопоставляется с SDP других признаков, которые контролируются уже ранее картированными генами, т.е. генами, чья локализация на хромосомах известна (часто это гены тканевой совместимости), и которые в данном случае выполняют роль маркеров.

Если такие SDP совпадают, имеются основания говорить о локализации гена, ответственного за формирование интересующего нас признака достаточно близко к маркеру. Близкое расположение этих двух генов предполагается потому, что в ходе гибридизации и последующего инбридинга хромосомы претерпевают несколько крос-синговеров, и сходное распределение двух генов – сходные SDP- могут обнаружиться только при близком их топографическом расположении.

В пионерской работе Д. Бейли (Bailey, 1971) описывался метод создания РИЛ на основе линий BALB/c и C57BL/6 (серия Сх£). В