Генетика поведінки молюсків.

Слимаки, равлики, устриці, восьминоги – все це представники типу Молюсків, що нараховує майже 100000 видів. Ці м'якотілі тварини демонструють дуже різноманітну поведінку. Деякі молюски, наприклад восьминоги, мають складну поведінку і яскраво виражені здатностями до розв'язання різного роду експериментальних завдань, а інші – демонструють тільки досить прості й примітивні поведінкові реакції.

Найбільш досліджуваними поведінковими реакціями в молюсків є харчова поведінка, гальванотаксис, статева поведінка, а також захисні реакції й реакції нападу.

Об'єкт, на якому проведені класичні експерименти з фізіології поведінки молюсків – це Aplysia californica або морський заєць (Рис. 5.5). Аплізія – один з найкрупніших представників задньозябрових молюсків. Зябра у аплізії розташовані на правому боці тіла під складкою мантії (у мантійній порожнині). З боків тіло аплізії прикрите парою масивних лопатей, які розправляються й, хвилеподібно скорочуючись, дозволяють їй плисти досить довгий час.

Нервова система Aplysia californica складається всього з 20000 нервових клітин. Вони настільки великі (у діаметрі можуть досягати до 1 мм), що їх видно неозброєним оком. Нервові клітини аплізії добре відрізняються: вони пофарбовані в різні кольори.

На Aplysia californica проведені класичні експерименти з фізіології поведінки молюсків. У них показана роль індивідуальних нервових клітин (так званих ідентифікованих нейронів) у формуванні поведінкових реакцій організму.

Рис.5.5. Aplysia californica – об'єкт, на якому проведені класичні експерименти з фізіології поведінки молюсків

 

Використовуючи як модель нервову систему Aplysia californica, Эрик Кандел відкрив молекулярні механізми роботи синапсів. Він довів, що зміни в діяльності синапса є основними в механізмі пам'яті. Ученому вдалося також довести, що той самий тип формування пам'яті, який був виявлений під час вивчення Aplysia californica, існує й у ссавців.

Эрику Канделу в 2000 році присудили Нобелівську премію в області фізіології й медицини за відкриття за відкриття механізмів перетворення сигналів у нервовій системі, за пояснення того, як у найпростішій системі із трьох нейронів формується короткочасна й довгострокова пам'ять (Рис.5.6.)

Рис. 5.6. Эрик Кандел

 

Нервова система аплізії складається із чотирьох парних гангліїв у головному кінці тварини. Один з головних гангліїв іннервує очі й щупальця; другий - м'язи рота. Інші два парних ганглії іннервують ногу. Черевний ганглій контролює такі основні вісцеральні функції як циркуляція, подих і розмноження.

Рис. 5.7. Черевний ганглій Aplysia californica

 

У своїх дослідженнях Эрику Канделу та його співробітникам удалося виявити й скласти детальні карти ідентифікованих нейронів у гангліях аплізії, особливо – у черевному ганглії. Таку назву – «ідентифіковані» – ці клітини одержали тому, що вони досить великі й схожі в різних особин.

 

Рис. 5.8. Схема черевного ганглія Aplysia californica

 

У нервовій системі аплізії виявилося багато ідентифікованих клітин. Це дало можливість трасувати нервові мережі, що опосередковують різні поведінкові реакції цієї тварини.

Эрик Кандел і його колеги зуміли показати на аплізії, що для формування пам'яті – як короткочасної, так і довгострокової – достатньо усього трьох нейронів, певним чином з'єднаних між собою. Пам'ять вивчали на прикладі формування умовного рефлексу: молюскові обережно торкали сифон, і негайно слідом за цим сильно били по хвосту. Після такої процедури молюск якийсь час реагує на легкий дотик до сифона бурхливою захисною реакцією, але незабаром все забуває. Якщо «навчання» повторити кілька разів, формується стійкий умовний рефлекс.

Виявилось, що процес навчання й запам'ятовування повністю пояснюється досить простими й зовсім автоматичними подіями на рівні окремих нейронів. Весь процес можна повністю відтворити на найпростішій системі із трьох ізольованих нервових клітин. Один нейрон (сенсорний) одержує сигнал від сифона (у цьому випадку – «відчуває» легкий дотик). Сенсорний нейрон передає імпульс моторному нейрону, що, у свою чергу, змушує скорочуватися м'язи, що беруть участь у захисній реакції (аплізія втягує зябра й викидає у воду порцію червоного чорнила). Інформація про удар по хвосту надходить від третього нейрона, що у цьому випадку відіграє роль модулятора. Нервовий імпульс від одного нейрона до іншого передається за допомогою викиду сигнальних речовин (нейромедіаторів).

Схема цього процесу представлена на Рис.5.9.

 

Рис. 5.9. Механізм запам'ятовування, показаний на нейронах аплізії.

 

На малюнку 5.9. показані два синапса. Нижній синапс (1) слугує для передачі імпульсу від сенсорного нейрона до моторного. Той, що вище (2) - передає імпульс від нейрона, що модулює, до закінчення сенсорного. Якщо в момент дотику до сифона нейрон, що модулює, «мовчить» (тобто по хвосту не б'ють), у синапсі 1 викидається мало нейромедіатору, і моторний нейрон не збуджується.

Удар по хвосту призводить до викиду нейромедіатору в синапсі 2, що викликає важливі зміни в поведінці синапса 1. У закінченні сенсорного нейрона виробляється сигнальна речовина цАМФ. Вона активізує регуляторний білок - протеїнкіназу А.

Протеїнкіназа А, у свою чергу, активізує інші білки, що, в остаточному підсумку, призводить до того, що синапс 1 при збудженні сенсорного нейрона (тобто у відповідь на дотик до сифона) починає викидати більше нейромедіатору, і моторний нейрон збуджується.

Це і є короткочасна пам'ять: поки в закінченні сенсорного нейрона багато активної протеїнкінази А, передача сигналу від сифона до м'язів зябра й чорнильного мішку здійснюється більш ефективно.

Якщо ж дотик до сифона супроводжувався ударом по хвосту багато разів підряд, то протеїнкінази А стає так багато, що вона проникає в ядро сенсорного нейрона. Це призводить до активізації іншого регуляторного білка – транскрипційного фактора CREB. Білок CREB «вмикає» цілий ряд генів, робота яких, в остаточному підсумку, приводить до розростання синапса 1 або до того, що в закінчення сенсорного нейрона виростають додаткові відростки, які утворять нові синаптичні контакти з моторним нейроном.

В обох випадках ефект один: тепер навіть слабкого збудження сенсорного нейрона виявляється досить, щоб збудити моторний нейрон. Це і є довгострокова пам'ять. Як показали подальші дослідження, у вищих тварин пам'ять заснована на тих же принципах, що й в аплізії.

Дослідження деяких нейронних механізмів фізіологічних процесів аплізії, наприклад, особливостей гормональної регуляції реакції відкладання яєць, для якої відомі всі етапи, дозволило перейти на молекулярно-генетичний рівень і встановити генну регуляцію поведінкових реакцій.

За допомогою процедури диференціальної гібридизації клоновані гени й мРНК, що специфічно експресуться в окремих нейронах ЦНС аплізії. До їх числа входять гени, продукти яких уже ідентифіковані. Наприклад, ген, що кодує гормон відкладання яєць, і чотири споріднених йому гена, що кодують біоактивні пептиди.

Відкладання яєць у аплізії забезпечується ланцюгом дій, що включає гальмування локомоції, посилення дихальних рухів, специфічні рухи голови, за допомогою яких джгут із яйцями витягається, згортається й приклеюється до субстрату. Ці події відбуваються внаслідок активації мереж нейронів, що є результатом координованого виділення кількох пептидів.

Пептиди, що виділяються залозами репродуктивного тракту після копуляції, збуджують нейросекреторні «пазушні» клітини. Вони, у свою чергу, виділяють набір пептидів, які впливають на різні нейрони молюска. Збудження (або модуляція роботи) пазушних клітин запускає складну послідовність дій аплізії.

Була виділена послідовність ДНК, яка кодує білок-попередник, що містить амінокислотні послідовності згаданих пептидів. Установлено, що за формування набору хімічних агентів, що запускають фіксовані комплекси дій (ФКД) відкладання яєць аплізії, відповідає один ген.

Серцево-судинні реакції аплізії досліджені досить докладно в аспекті аналізу функції пептидів (і їхніх білків-попередників), що запускають відповідні нейрони. Пептид із послідовністю амінокислот Phe-Met-Arg-Phe, описаний уперше в молюсків, відомий тим, що імунореактивність до нього виявляється у всіх представників тваринного світу.

Аплизия виявилася надзвичайно зручною моделлю виявлення молекулярно-генетичної детермінації нейронних зв'язків і вивчення генетики поведінки.

 

Питання для повторення й обговорення.

1. Які поведінкові реакції у молюсків вивчає генетика поведінки?

2. Доведіть, що Aplysia californica є хорошим модельним об'єктом для вивчення генетики поведінки.

3. Як влаштована нервова система Aplysia californica?

4. Які відкриття зробив Ерік Кандела, використовуючи в якості моделі нервову систему Aplysia californica?

5. Як у аплізії формується короткочасна і довготривала пам'ять?