Портал | Содержание | О нас | Авторам | Новости | Первая десятка | Дискуссионный клуб | Чат Научный форум --> Первая десятка "Русского переплета" Темы дня:

Президенту Путину о создании Института Истории Русского Народа. |Нас посетило 40 млн. человек | Чем занимались русские 4000 лет назад?

| Кому давать гранты или сколько в России молодых ученых?

Рассмотрены современные данные о возможности генетического регулирования сложных поведенческих функций у дрозофилы и человека. Контроль биоритмов, способности к обучению, комплексы поведенческих реакцийпри половом ухаживании, зрение, обоняние, предрасположенность к различным типам поведения контролируются простыми генными системами.

И ЧЕЛОВЕКА

И. Ф. ЖИМУЛЕВ

Новосибирский государственный университет

ВВЕДЕНИЕ

Хорошо известно, что гены всех живых организмов кодируют информацию для синтеза белковых молекул, из которых создаются все компоненты клеток и которые катализируют биохимические процессы. Фактически каждую биохимическую функцию или элемент морфологии тела у дрозофилы удалось связать с действием того или иного гена. Другое дело - поведенческие и психические функции, такие, как мотивация поступков, приверженность привычкам, расположенность к определенной сфере деятельности или психическим болезням, способность к обучению, половое поведение. Не утихают споры о том, контролируются ли эти поведенческие реакции генами, или они развиваются за счет взаимодействия с социальной средой и являются, таким образом, результатом обучения и воспитания. Сложность изучения генетического контроля этих признаков связана как со слаборазработанной частной генетикой человека, так и с чисто этическими проблемами, с которыми всегда сталкиваются исследователи поведения человека. Поэтому там, где это возможно, генетику поведения изучают на модельном объекте - дрозофиле.

ГЕНЕТИКА ПОВЕДЕНИЯ ДРОЗОФИЛЫ

Лучше всего изучены гены, контролирующие такие простые функции, как зрение, обоняние, брачное поведение, способность к обучению.

Зрение

К настоящему времени изучены несколько генов, контролирующих зрительные функции:

Ген sevenless (sev). Мутанты по гену не обнаруживают нормального фототаксиса на ультрафиолетовый свет. Изменяется и стереотип поведения: самки, у которых этот ген поврежден, предпочитают откладывать яйца на поверхности, окрашенные в голубой цвет вместо обычных серого, желтого и коричневого.

Ген optomotor-blind (omb). Гомозиготы по мутациям этого гена не реагируют на вращающиеся вертикальные полосы, особенно сильно во время ходьбы, в полете действие мутаций проявляется слабее. У мутантов по гену (omb) отсутствует гигантский тяж нейронов в оптической доле головного мозга. У других двукрылых насекомых, более крупных, чем дрозофилы, эти тяжи необходимы для обнаружения передвигающихся предметов. Молекулярные размеры гена omb велики - около 100 тыс. пар нуклеотидов (т.п.н.). С этого гена считывается около 20 видов различных молекул мРНК.

Ген small-optic-lobes (sol). У мутантных куколок дегенерирует около 50% клеток в оптической доле головного мозга. В результате у мух нарушаются система ориентировки и правильность поведения при посадке после полета. Ген sol клонирован, он располагается в участке ДНК размером 14 т.п.н. С него считываются два транскрипта длиной 5,8 и 5,2 т.п.н. Больший транскрипт кодирует белок, состоящий из 1597 аминокислот. Этот белок имеет способность связываться с ДНК, то есть может блокировать активность регулируемых им генов.

Обоняние

Дрозофилы могут различать большое количество различных запахов как на личиночной, так и на имагинальной стадии.

Эксперименты по хирургии показали, что запахи улавливаются особыми чувствительными органами, расположенными на антенне. В этом органе есть поры, через которые различные химические вещества могут проникнуть и приближаться к нервным окончаниям. От антенн идут нейроны к головному мозгу. Нейронов очень много, около тысячи, поэтому неудивительно, что муха так легко различает многочисленные запахи.

К настоящему времени обнаружены шесть генов, контролирующих чувствительность к запахам альдегидов и эфиров: olfA, olfB, olfC, olfD, olfE, sbl. Ген olfE клонирован, он имеет небольшие размеры, около 14 т.п.н. С него считываются два транскрипта: 5,4 и 1,7 т.п.н.

Способность к обучению

Взрослые мухи дрозофилы обладают способностью связывать ощущения запахов с болевыми ощущениями от электрического тока, то есть у них можно вызывать формирование условного рефлекса. К настоящему времени открыты два гена, влияющие на эффективность обучения. Это гены dunce (dnc) и rutabaga (rut); dunce ("тупицы") - мутанты, не способные обучаться. Этот ген кодирует фермент - ц-АМФ-циклическую фосфодиэстеразу. Ген замечателен тем, что имеет колоссальные размеры - более 140 т.п.н. С него считывается много различных типов матричной РНК. Функция осуществляется в клетках определенной доли головного мозга (ганглия) мух - в грибовидном теле. Если у древесных муравьев хирургически разрушить это тело, у них нарушаются основы их "социального" поведения. Эти данные свидетельствуют о роли грибовидного тела в осуществлении сложных поведенческих реакций. Интересно, что у молодых мух в грибовидном теле быстро возрастает число новых нейронов, что связывают с накоплением опыта в процессе обучения; ген rutabaga кодирует определенный продукт - фермент аденилатциклазу, индуцируемую ионами кальция. Его находят также у млекопитающих, у которых этот фермент нужен в процессах осуществления запоминания. Таким образом, по крайней мере некоторые этапы обучения у насекомых и млекопитающих имеют общие черты.

Брачное поведение

После проведения первых исследований в 1956 году к настоящему времени брачное поведение мух описано во всех деталях. И самцу и самке присущи довольно сложные наборы движений, так называемые брачные танцы. В это время инициатива принадлежит самцу, он трогает самку, бегает вокруг нее, преследует, исполняя при этом "песню любви". Песня представляет собой вибрацию крыльев (рис. 1, а) продолжительностью 55 с и состоящую из импульсов в 20-30 мс и межимпульсового промежутка в 30-40 мс (рис. 1, б ).

Очевидно, что процесс ухаживания довольно сложен и любые мутации, влияющие на остроту зрения, обоняния, слуха, способность выдерживать генетически закрепленную периодичность "песни любви", приводят к нарушению процесса ухаживания и его эффективности, заключающейся в скрещивании. Так, слепой самец не может увидеть самку, в свою очередь, глухая самка не может услышать "песню любви", исполняемую самцом. Оба пола, не различающие запахи, все-таки могут вступить в копуляцию, но у них на это уходит больше времени, по крайней мере до начала ухаживания. Эти нарушения полового поведения ожидаемы, однако есть и более тонкие механизмы. В результате исследований американского ученого Дж. Холла обнаружены мутации по крайней мере трех типов, влияющие на исполнение "песни любви". В результате мутации cacophony резко увеличивается амплитуда колебаний во время импульса, мутация dissonans изменяет песню таким образом, что вместо правильного чередования импульсов и межимпульсовых промежутков наблюдается один мощный продолжительный импульс (рис. 1, в-д).

Мутации гена clock (часы) изменяют продолжительность одного цикла "песни любви". Вместо общей продолжительности одного цикла песни в 55 с некоторые мутации уменьшают ее до 40 с, другие увеличивают до 80 с. Изменение акустической структуры "песни любви" резко меняет и эффективность ухаживания самца за самкой.

Ген fruitless (fru) - бесплодный. Мутации этого гена полностью изменяют половое поведение самцов - возникают сразу три нарушения: 1) они не делают попыток ухаживать за самками, 2) ухаживают только за самцами - такими же гомозиготами по этой мутации, 3) стимулируют нормальных самцов ухаживать за собой. Естественно, эти самцы потомства не оставляют, это мухи-гомосексуалисты. Мутанты fru выделяют специфическое вещество с соответствующим запахом, привлекающим других самцов. Ген fru активен в небольшой антеннальной доле головного мозга ("грибовидное тело"), которая получает информацию о запахах. Первые данные свидетельствуют о наличии небольшой доли мозга, оценивающей информацию о запахах, в которой происходит выбор, по какому пути пойдет половое поведение - по типу самца или самки. И этот выбор контролируется геном fru. Ген локализуется в узком интервале третьей хромосомы. Эти данные удивительны: одна-единственная мутация приводит к выделению только одного нового вещества и самец, имеющий все остальные признаки самца, становится гомосексуалистом.

Гены, влияющие на биоритмы

У дрозофилы ген period (per) контролирует правильное осуществление биоритмов. Биоритмика у мух обнаружена при откладке яиц, вылуплении эмбрионов и имаго из куколок. Биоритмична также брачная песня у самцов. Выделены три группы мутаций: perS укорачивают биоцикл с 24 до 19 ч, мутации группы perL удлиняют до 29 ч и per01 полностью нарушают ритмику биологических процессов. Установлено, что ген функционирует в клетках головного мозга, он кодирует белок размером 1200 аминокислот. В середине белковой молекулы находится 20-кратный повтор пары аминокислот треонин-глицин. Именно этот повтор влияет на продолжительность "песни любви". Если его экспериментально удалить, длина песни укорачивается с 55 до 40 с. Таким образом, даже такая сложная функция, как следование биоритмам или "ощущение времени", контролируется только одним геном, работающим в мозгу.

ГЕНЕТИКА ПОВЕДЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА

При изучении генетики поведения человека используют главным образом метод анализа идентичных близнецов, то есть таких близнецов, которые имеют одинаковые наборы генов. Используют тесты - серии вопросов и задач, в зависимости от числа и качества решения которых выводится количественная оценка ответа, такая же условная, как школьные баллы. Эти баллы сравнивают у двух близнецов. Так оценивают различные психические функции, как ум, внимание, темперамент, фантазия, память и т.д.

При внутрипарных сравнениях идентичных близнецов по различным признакам, характеризующим интеллект, около 60% пар обнаруживают разницу в 2,5 балла, остальные 40% - от 2,5 до 15 баллов. При аналогичных сопоставлениях неидентичных близнецов 40% пар имеют разницу в 2,5 балла, 20% - 7,5, остальные 40% - от 7,5 до 45 баллов. Такие сопоставления ясно свидетельствуют о том, что люди, имеющие одинаковые генотипы, обладают очень близкими интеллектуальными возможностями.

Были проведены сопоставления пар идентичных и неидентичных близнецов по признакам, характеризующим предрасположенность к определенным сферам занятий, таким, как научные интересы, способность к занятиям бизнесом, религиозной или артистической деятельностью. Результаты показали, что у идентичных близнецов коэффициенты корреляции между проявлением одинаковых признаков значительно выше, чем у неидентичных близнецов.

О возможности наследования определенного уровня интеллектуальных способностей свидетельствуют результаты следующих экспериментов. Определяли степень связанности между общей интеллигентностью (IQ) у людей, состоящих в разной степени родства. Оказалось, что самая низкая сцепленность проявления найдена у людей из различных неродственных групп. У них коэффициент корреляции составляет 0-0,2. Корреляция между приемным отцом и ребенком также невелика - в пределах 0,15-0,35. Корреляции между отцом и любым из детей значительно выше - 0,2-0,8. Широкий размах варьирования может свидетельствовать о зависимости этого сцепления от расщепления хромосом. У идентичных близнецов коэффициенты корреляции еще выше - 0,35-0,85.

Особый интерес представляют данные о корреляциях в проявлении свойств интеллекта у идентичных близнецов, особенно если есть возможность сравнить между собой братьев и сестер, которых от рождения воспитывали в разных семьях. В данном случае один и тот же генотип реализуется в разных условиях окружающей среды. У идентичных близнецов, развивавшихся раздельно, коэффициент корреляции варьировал в пределах 0,6-0,85, у близнецов при совместном воспитании значения были 0,75-0,95. Различия в 0,10-0,15 можно целиком отнести на счет окружающей среды. Видно, что это влияние невелико и основной вклад в формирование интеллектуальных характеристик вносит генотип.

При анализе предрасположенности к совершению преступлений был использован семейный метод. Предположение, что генетические факторы могут быть среди причин криминального поведения, было проверено на 14 427 осужденных приемных детях путем сравнения их с биологическими и приемными родителями. Никакой корреляции не было обнаружено между приемными детьми и родителями. Однако между детьми и их биологическими родителями обнаружена достоверная корреляция между частотой привлечения к уголовной ответственности детей и числом осуждений у их биологических отцов. Таким образом, обстановка приемной семьи мало повлияла на развитие наклонностей приемыша.

С середины прошлого века изучают предрасположенность к алкоголизму. Уже в начале этого века по результатам анализа 4 тысяч алкоголиков, которых на протяжении 35 лет лечили в одной из клиник, было показано, что эта болезнь имеет семейные корни. За более чем 80 лет после этой первой публикации основные ее выводы имели все новые и новые подтверждения. Однако семейные еще не значит наследственные. И здесь близнецовый метод анализа дал хорошие результаты. Наиболее известна работа, проведенная во второй половине этого века на 902 парах близнецов из финской популяции. Анализировали алкоголиков по трем показателям: а) частоте выпивок, б) количеству выпитого и в) наличию потери контроля над собой при опьянении. Только по последнему признаку не было обнаружено генетической детерминированности. По первым двум признакам коэффициенты корреляции составляли 0,39 и 0,40 соответственно. Аналогичные данные были получены несколько позже опять на финской, шведской и американской группах близнецов.

Анализ семей с приемными детьми показал, что около 5% приемных детей становятся алкоголиками в приемных семьях, если ни у биологических родителей, ни в приемных семьях алкоголизм не был отмечен. Однако уже 18% (в 3,5 раза чаще) приемных детей становятся алкоголиками, если у биологических родителей отмечен алкоголизм, а в приемных семьях нет.

Итак, рассмотренные выше результаты экспериментов, выполненных на дрозофиле, позволяют сделать два вывода: даже сложные типы поведения, например процесс ухаживания, можно разделить на серию простых реакций. Огромную роль играют формирование зрительных и осязательных образов, восприятие определенных типов звуковых колебаний и их ритмики. Твердо установлено, что за осуществление всех этих более простых признаков отвечают обычные гены, кодирующие белки и ферменты. Исследование генетического контроля наиболее сложных поведенческих реакций у человека, таких, как мотивация поступков, предрасположенность к определенному типу поведения, выбор сферы деятельности, еще только начинается. Тем не менее не вызывает сомнения, что и здесь роль наследственности является решающей.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Канаев И.И. Близнецы и генетика. Л.: Наука, 1968.

2. Крушинский Л.В. Генетика и феногенетика поведения животных. В кн.: Актуальные вопросы современной генетики. М.: Изд-во МГУ, 1965. С. 281-301.

3. Актуальные проблемы генетики поведения. Л.: Наука, 1975.

4. Нейрогенетика и генетика поведения: Успехи современной генетики. М.: Наука, 1991. Т. 17.

5. Крушинский Л.В., Зорина З.А., Полетаева И.И., Романова Л.Г. Введение в этологию и генетику поведения. М.: Изд-во МГУ, 1983.

6. Полетаева И.И., Романова Л.Г. Генетические аспекты поведения животных. В сб.: Итоги науки и техники. М.: ВИНИТИ, 1990. Т. 42.

* * *

Игорь Федорович Жимулев, доктор биологических наук, зав. лабораторией молекулярной цитогенетики Института цитологии и генетики СО РАН, профессор кафедры цитологии и генетики Новосибирского государственного университета, академик Европейской академии наук, член-корреспондент Российской академии естественных наук, автор около 180 научных публикаций, в том числе четырех монографий.