Студопедия — Генетика поведінки круглих черв’яків.
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Генетика поведінки круглих черв’яків.






Основні закономірності біології прокаріот установлені в роботах на E.coli, біології еукаріот – на дріжджах Saccharomyces cerevisiae, а серед багатоклітинних тварин найбільш вивченою, мабуть, є Caenorhabditis elegans (вимовляється як «ценорабдитис элеганс»). Це тварина, яку легко культивувати, вона швидко розвивається. Це маленька (близько 0,5 мм у довжину) нематода, яка вільно живе.

Нематода (круглий хробак) C. elegans – чудовий модельний об'єкт для найрізноманітніших досліджень. У 2002 році Сіднею Бреннеру, який першим почав використовувати цього хробака як модельний об'єкт у генетичних і ембріологічних дослідженнях, була присуджена Нобелівська премія.

Рис. 5.1. Сідней Бреннер

 

Одним з перших завдань, що поставив перед собою Сідней Бреннер і його співробітники, було з'ясування повної діаграми будови нервової системи хробака.

Тіло кожної нормальної особини C. elegans містить рівно 302 нейрона й 56 глієподібних клітини. Всі ці клітини, їхня морфологія, розташування в просторі, а також способи їхніх сполучень між собою й з мускульними клітинами були повністю описані через багато років після початку проекту. В 1986 році вийшла об'ємна праця, що узагальнила багаторічні дослідження, з підзаголовком, що дав йому Бреннер: «Свідомість хробака» («The Mind of a Worm»).

Учені з'ясували, що процес розвитку C. elegans є дуже строго впорядкованим. Це значить, що доля кожної клітини ембріона визначена із самого початку, і можна з дуже високим ступенем точності прогнозувати, які клітини розів'ються з даної клітини личинки. Кожна ембріональна клітина-родоначальниця дає початок певній лінії клітин дорослого організму, що формують певну тканину.

Бреннер і його група описали всі існуючі в C. elegans клітинні лінії й простежили їхню долю під мікроскопом. Вирішальну роль у цих дослідженнях зіграв Джон Салстон.

Рис.5.2. Джон Салстон.

 

Тепер, якщо виникає необхідність визначити значення якого-небудь впливу (або мутації) для розвитку хробака, це можна зробити дуже коректно, тому що завдяки роботі групи Бреннера весь розвиток C. elegans на клітинному рівні описаний до дрібних деталей.

 

Рис. 5.3. Caenorhabditis elegans

 

Сам Бреннер сфокусував дослідження на наборі генів хробака, зміни в яких, як він продемонстрував, впливали на роботу мускулатури й пересування C. elegans. Він назвав їх unc - генами, через те, що мутації в них призводили до некоординованих (uncoordinated) рухів. Згодом стало ясно, що unc -гени впливають не тільки на координацію рухів, але також залучені у формування й розвиток нервової системи.

Бреннер, поряд із Салстоном, став натхненником проекту опису геному C. elegans, повне картування якого було завершено до кінця 1998 року.

Генетичний апарат C. elegans досить простий: в 6-ох парах гомологічних хромосом міститься, близько 3000 генів. Гаплоїдний геном містить 80 млн. пар нуклеотидів (в 17 разів більше, ніж в E.coli і в 38 разів менше, ніж у людини).

За допомогою мутаційного аналізу ідентифіковано близько 800 генів. Серед них гени, що впливають на форму й поведінку хробаків, гени, що кодують міозин і гени, що контролюють характер і напрямок розвитку, гени загибелі й довголіття. Отримано бібліотеку геному у вигляді великого набору фрагментів ДНК, що перекриваються.

Тіло нематоди прозоре, тому можна прижиттєво спостерігати поділ, міграцію й диференціювання клітин, а також описувати генеалогічні відносини й поведінку всіх клітин, починаючи зі стадії одноклітинного яйця й кінчаючи дорослою твариною.

Бреннер індукував в C. elegans безліч поведінкових мутацій і спробував виявити кореляцію поведінкових реакцій зі структурними й молекулярними особливостями цих мутантів.

C. elegans — гермафродит, для якого характерне самозапліднення, причому спочатку продукується й запасається сперма, а потім розвиваються й відкладаються яйця, близько 300 у кожної особини. Тривалість життєвого циклу при температурі 20° С становить від 3 до 4 діб.

Самозапліднення сприяє виникненню гомозиготності, але в однієї й тієї ж особини можуть виникати різні індуковані мутації, тому в результаті нерозходження хромосом у мейозі постійно з'являється деяке число самців (0.1%), які при схрещуванні з гермафродитами переносять ту або іншу мутацію, що її використовують у якості генетичної мітки.

C. elegans досить зручна для вивчення генетики поведінки, оскільки її легко розводити в лабораторних умовах, він має гаплоїдний набір із шести хромосом, що відповідають шести групам зчеплення.

У C. elegans досить високий відсоток клітин, підданих апоптозу в ході нормального розвитку: одна з кожних шести клітин генетично запрограмована до загибелі. Ця загибель статьспецифічна, так що загибель однієї клітини в ембріонів однієї статі не означає, що загинуть гомологічні клітини в ембріонів іншої статі.

Симетрія в C. elegans також формується своєрідно, часом не в результаті симетричного розподілу клітин, а завдяки їхнім активним переміщенням.

Як і в інших організмів, важливу роль у розвитку нематод відіграють гомеозисні гени. В C. elegans, наприклад, у мутантів по локусу Пп-12 порушений розвиток вульви, ці мутанти стерильні. Імовірно, як і у дрозофіли, функціонування гомеозисних генів регулює процес регіоналізації нервової системи нематод.

Caenorhabditis elegans має циліндричне, волосоподібне, несегментоване тіло, що залишає на агарі в чашці Петрі легко помітний слід, який можна реєструвати й аналізувати. Ці видимі борозенки в агарі можуть проходити уздовж градієнта атрактантів, хімічних сполук (циклічні нуклеотиди), катіонів, лужних значення рН.

Характер розташування борозенок відбиває особливості поведінки:

· орієнтацію – рух уздовж градієнта концентрації, включаючи «бічний» рух голови хробака;

· скупчення – постійне скупчення великого числа нематод у якій-небудь особливій точці градієнта;

· звикання – спостерігається після того, як контейнер і його вміст робляться звичними для особини.

Аналіз різних мутантів, що характеризуються дефектами кутикули, дозволив дійти висновку, що орієнтування в хімічному градієнті зумовлюється сенсорними органами, розташованими на голові тварини. Мутантні хробаки зі здуттями в дистальній частині хвоста орієнтуються нормально, у той час як наявність таких здуттів на голові робить орієнтацію неможливої.

Ще на початку роботи з C. elegans була описана мутація age-1, при якій тривалість життя особини збільшується до 34 днів.

Інша група мутацій, що впливають на тривалість життя, пов'язана з особливостями життєвого циклу цієї нематоди. По закінченні ембріогенезу з яйця виходить личинка першої стадії (L1), що потім проходить фази L2, L3 і L4, після чого особина стає статевозрілою.

Однак у життєвому циклі C. elegans може включатися ще одна, специфічна стадія – стадія личинки, що покоїться, називаної «дауером» (dauer) – стадія d. У такому стані тварина успішна переживає несприятливі умови середовища, наприклад перенаселення або нестачу їжі.

Стадія d може наступити в період після стадії L2 замість L3. При відновленні придатних для життя зовнішніх умов зі стадії d хробак переходить у стадію L4.

Учені припускають, що на стадії d у тварини відбувається своєрідне вимикання процесів старіння, оскільки подібні личинки, що покоїться, можуть залишатися життєздатними на строк до 1 року.

 

Рис. 5.4. Життєвий цикл Caenorhabditis elegans

 

Виявлено сімейство генів daf, що беруть участь у формуванні стадії личинки, що покоїться. Маніпулюючи умовами вирощування личинок з мутацією гена daf-2, можна одержати особин, які майже настільки ж життєздатні, як і особини дикого типу, але тривалість їхнього життя значно збільшена – до 43 днів.

Личинковий розвиток C. elegans контролюється активністю чотирьох класів хемосенсорних нейронів. При цьому вибір між нормальним розвитком і розвитком у згадану личинкову форму – «dauer larva» – регулюється конкуруючими стимулами середовища: їжа й «dauer pheromon» (специфічний феромон).

Загибель нейронів класів ADF, ASG, ASI і ASJ призводить до того, що тварини розвиваються як «dauer»-личинки незалежно від умов середовища. Аналіз мутантів, дефектних по «dauer formation» показує, що хемосенсорні нейрони активні під час відсутності сенсорних входів і що «dauer» феромон гальмує здатність цих нейронів генерувати сигнали, необхідні для нормального розвитку.

Було показано, що в нематод є два різних стани – активний й відносно нерухливий. За допомогою відеокамери дослідники фіксували положення хробака кожні 10 секунд і потім, порівнюючи картинки, оцінювали активність руху хробака на бактеріальному живильному середовищі У результаті такого відеоспостереження з'ясувалося, що перед кожною линькою (а линяє він 4 рази) хробак рухається значно рідше й менше й зберігає нерухомість порівняно довше.

Між линьками проходило приблизно 10-11 годин, з яких період малої активності займав близько 2 годин. Цей період відносного спокою був названий летаргічним.

Летаргічний період сам по собі не є однорідним: кілька разів за цей час хробак робить швидкі рухи, тобто на тлі спокою фіксуються 10 - 15-секундні сплески активності.

Звичайно, виявлений в нематод летаргічний стан справжнім сном ніхто не вважає, хоча деякі риси цього стану повторюють властивості сну у вищих тварин: по-перше, це вповільнена реакція на подразники в порівнянні з активним станом; по-друге, якщо якийсь час не давати хробакові «спати», потім реакція на подразники ще сильніше послаблюється, тобто летаргія стає більш глибокою.

Реакцію на подразники дослідники перевіряли за швидкістю й розмаїттям рухових відповідей на хімічний стимул і на механічний поштовх – в обох випадках було відзначено явне вповільнення реакції й зниження їх розмаїття у тварин у летаргічному стані. Депривация (позбавлення сну) досягалася шляхом механічного подразнення хробака. У результаті нематода змушена була постійно рухатися. Коли депривацию припиняли, хробак негайно переходив до летаргічного стану, і можна було перевіряти реакцію на стимули.

І дійсно, після 20–30-хвилинної депривации реакції на стимули вповільнювалися, тобто «сон» ставав більш глибоким.

Таким чином, C. elegans переживає стани спокою, під час яких чутливість нейронів залишається на колишньому рівні, тому що специфічні реакції на подразники все-таки фіксуються. Але зате в цей час знижені швидкість і ефективність обробки сигналів, що йдуть від чутливих нейронів до мускулатури. У результаті вповільнюються й стають менш різноманітними рухи хробака.

Однією з найпоширеніших поведінкових моделей, використовуваних для аналізу генетики поведінки C. elegans, є харчова поведінка.

Глотка цієї нематоди є «харчовим насосом», що складається із трьох частин:

· тіла (corpus), що поглинає бактерій;

· перемички (isthmus), що проводить бактерій до термінальної цибулини

· термінальної цибулини (terminal bulb), у якій бактерії розмелюються й проводяться в кишку.

Глотка оточена базальною мембраною й містить 80 клітин, 20 з яких - нейрони фарингеальної нервової системи (гомолог інтрамуральної нервової системи травної трубки хребетних). Ця система пов'язана з іншою нервовою системою парою нервів.

Наявність автономної іннервації дозволяє глотці нормально функціонувати у випадку її ізоляції in vitro. Тільки один з 20 нейронів (М4) є істотним для життя. Він іннервує задній відділ перемички, і у випадку його відсутності вона залишається закритою, бактерії не транспортуються для розмелювання й переварювання, так що тварина голодує.

Хробаки з інтактним М4 нейроном і відсутніми 19 іншими життєздатні, хоча ці нейрони необхідні для нормального патерна.

Леон Эйвери ізолював і охарактеризував гени, які контролюють присутність або відсутність, патерн іннервації й функції 20 нейронів, відповідальних за харчову поведінку. Було виявлено 35 генів, локалізованих у всіх 6 хромосомах, і передбачається, що є ще стільки ж, відповідальних за дану форму поведінки. Виявлені цим ученим 52 мутації за своїм фенотиповим ефектом можна розділити на три групи:

· Мутації eat діють на рухливість фарингеальних м'язів і, крім того, на функціонування м'язів стінки тіла. Багато мутацій цього типу викликають порушення функцій деяких нейронів.

· Мутації pha викликають дефекти фаринкса, які запобігають нормальній харчовій поведінці й часто викликають дефекти морфогенезу й клітинної специфікації.

· Мутації phm обумовлюють слабкі або нерегулярні скорочення фарингеальних м'язів. Вони можуть також порушувати нейральний контроль м'язової функції.

У Caenorhabditis виявлена також система генів, що контролюють розвиток хеморецепторів, які реагують на водорозчинні атрактанти (біотин, лізин, цАМФ, іони натрію й хлору), летючі репеленти (октанол), летючі атрактанти (діацетил, піразин, інідазол, бензальдегід, ізоаміловий спирт, тіазол), а також система генів, що контролюють розвиток температурних рецепторів.

Було ідентифіковано більше 40 генів, що кодують трансмембранні рецептори. Ці «рецептороподібні» гени можна підрозділити на 6 сімейств (sra, srb, srg, srd, sre, srd), ґрунтуючись на подібності послідовностей їх ДНК.

Гени того самого сімейства часто зібрані в один кластер.Деякі із цих кластерів можуть коекспресуватися на зразок оперонної системи, однак, у деяких випадках гени з одного кластера експресуються в різних нейронах. Передбачається, що в цілому геномі Caenorhabditis elegans міститься більше 100 генів, які експресються в хеморецепторах.

Останнім часом ідентифіковані гени, які контролюють нейрогенез Caenorhabditis elegans: mec-3, що визначає, на зразок гена cut в Drosophila, специфічність типу нервової клітини й гени иnс-5, иnс-6, иnс-40, на зразок гена fas-l Drosophila, щоконтролюють характер росту нервових відростків.

У C. elegans були отримані різні поведінкові мутанти. Приблизно в половини мутантів з порушеною поведінкою були знайдені відхилення в будові нервової системи. Їх можна розділити на 4 групи.

1. Зміни в клітинах-попередницях нейронів. Оскільки хід нормального розвитку нейронів з нейробластів вивчений у цього виду досить добре, мутації в цих елементах легко виявити. Вони можуть проявлятися у вигляді особливостей поведінки на різних стадіях розвитку організму.

2. Зміни в специфічності синаптичних зв'язків. Оскільки з'єднання нейронів дорослої особини дикого типу вже відомі, виникаючі внаслідок мутацій структурні зміни синаптичних з'єднань можна з достатньою надійністю зіставити з аномаліями поведінки таких тварин.

3. Зміни в розташуванні відростків нейронів. Створено повну топографічну карту нервової системи C. еlegans, щодозволяє виділити таких мутантів, у яких відростки нейронів ідуть до аномальних мішеней. Такі мутації змінюють напрямок проростання й характер контактів у нейронів відразу декількох класів. Очевидно, що зміни поведінки при цьому досить різноманітні.

4. Зміни у функції нейромедіаторів. Цю категорію ефектів виявилося можливим проаналізувати з розвитком методів імуноцитохімії та біохімії. Дані про медіаторну специфічність конкретних нейронів, як правило, виявляються неточними.

Прикладом мутацій, що порушують рухи, може служити мутація roller, при якій хробак переміщається, перевертаючись через головний і хвостовий кінці, і bent head: при цій мутації змінена анатомія головного кінця, і замість звичайних «рухів, що нишпорять» переміщення йде по спіралі. Рухи хробака забезпечуються елементами черевного нервового ланцюжка. Його нейрони і їхні з'єднання добре описані, відомі також і ембріональні клітини-попередниці цих нейронів. Виділяють п'ять класів нейронів, які підрозділяються на два головних типи: збуджувальні нейрони, що ініціюють рух тварини вперед або назад, і гальмівні нейрони, що координують скорочення м'язів двох боків тіла.

Одними з перших, описаними у Caenorhabditis elegans, були мутації групи Unc (uncoordinated).

Фенотипова група мутацій Unc підрозділяється на 3 категорії:

· тварини або зберігають нерухомість, або при стимуляції, що у нормі спонукає їх рухатися вперед або назад, скорочуються всі м'язи одночасно;

· тварини не здатні рухатися в одному з напрямків (уперед або назад), а при відповідній стимуляції закручуються або дорсальною, або вентральною стороною догори;

· тварини нездатні рухатися по прямій, не звиваючись.

Незважаючи на відносну простоту, поведінка Caenorhabditis elegans може видозмінюватися в результаті нагромадження індивідуального досвіду. Експериментально показано, що в цих тварин можуть відбуватися процеси: неасоціативного навчання – звикання до регулярно діючого стимулу (механічний струс), розгальмовування звикання й сенситизація.

Мікроскопічна нематода як об'єкт генетики поведінки дає можливість досліджувати нейроморфологічні основи примітивних поведінкових реакцій.

Питання для повторення й обговорення.

1. Доведіть, що нематода Caenorhabditis elegans - чудовий модельний об'єкт для досліджень генетики поведінки.

2. Як влаштована нервова система Caenorhabditis elegans?

3.Що являє собою генетичний апарат Caenorhabditis elegans?

4. Опишете особливості поведінки Caenorhabditis elegans?

5. У чому особливості життєвого циклу Caenorhabditis elegans?

6. Як Caenorhabditis elegans переживає стану спокою?

7. Які поведінкові мутації Caenorhabditis elegans вивчає генетика поведінки?

8. Які відхилення в будові нервової системи були виявлені у мутантів Caenorhabditis elegans з порушеним поведінкою?

9. Чи може поведінку Caenorhabditis elegans видозмінюватися в результаті накопичення індивідуального досвіду?

 







Дата добавления: 2015-08-12; просмотров: 573. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Шрифт зодчего Шрифт зодчего состоит из прописных (заглавных), строчных букв и цифр...

Картограммы и картодиаграммы Картограммы и картодиаграммы применяются для изображения географической характеристики изучаемых явлений...

Практические расчеты на срез и смятие При изучении темы обратите внимание на основные расчетные предпосылки и условности расчета...

Функция спроса населения на данный товар Функция спроса населения на данный товар: Qd=7-Р. Функция предложения: Qs= -5+2Р,где...

Дренирование желчных протоков Показаниями к дренированию желчных протоков являются декомпрессия на фоне внутрипротоковой гипертензии, интраоперационная холангиография, контроль за динамикой восстановления пассажа желчи в 12-перстную кишку...

Деятельность сестер милосердия общин Красного Креста ярко проявилась в период Тритоны – интервалы, в которых содержится три тона. К тритонам относятся увеличенная кварта (ув.4) и уменьшенная квинта (ум.5). Их можно построить на ступенях натурального и гармонического мажора и минора.  ...

Понятие о синдроме нарушения бронхиальной проходимости и его клинические проявления Синдром нарушения бронхиальной проходимости (бронхообструктивный синдром) – это патологическое состояние...

Типология суицида. Феномен суицида (самоубийство или попытка самоубийства) чаще всего связывается с представлением о психологическом кризисе личности...

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ МОЗГА ПОЗВОНОЧНЫХ Ихтиопсидный тип мозга характерен для низших позвоночных - рыб и амфибий...

Принципы, критерии и методы оценки и аттестации персонала   Аттестация персонала является одной их важнейших функций управления персоналом...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.012 сек.) русская версия | украинская версия