CC BY
16Интегративная физиология, 2023, т. 4, № 1 Integrative Physiology, 2023, vol. 4, no. 1 _www.intphysiology.ru
Щ Check for updates
УДК 575.224 EDN TTTVUU
https://doi.org/10.33910/2687-1270-2023-4-1-91-102
Обучение и память у дрозофилы: роль мутации white
Е. А. Никитина012
1 Институт физиологии им. И. П. Павлова РАН, 199034, Россия, г. Санкт-Петербург, наб. Макарова, д. 6 2 Российский государственный педагогический университет им. А. И. Герцена, 191186, Россия, г. Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, д. 48
Сведения об авторе
Екатерина Александровна Никитина, SPIN-код: 7844-8621, Scopus AuthorlD: 56603106300, ResearcherlD: L-5761-2014, ORCID: 0000-0003-1897-8392, e-mail: [email protected]
Для цитирования: Никитина, Е. А. (2023) Обучение и память у дрозофилы: роль мутации white. Интегративная физиология, т. 4, № 1, с. 91-102. https://doi.org/10.33910/2687-1270-2023-4-1-91-102 EDN TTTVUU Получена 12 декабря 2022; прошла рецензирование 7 февраля 2023; принята 9 февраля 2023. Финансирование: Работа выполнена при поддержке Государственной программы РФ 47 ГП «Научно-технологическое развитие Российской Федерации» (2019-2030) (тема 63.1).
Права: © Е. А. Никитина (2023). Опубликовано Российским государственным педагогическим университетом им. А. И. Герцена. Открытый доступ на условиях лицензии CC BY-NC 4.0.
Аннотация. С момента открытия Т. Х. Морганом в 1910 г. ген white дрозофилы стал одним из наиболее интенсивно изучаемых и широко использовался в качестве генетического маркера. Многочисленные ключевые научные открытия были сделаны с привлечением трансгенных линий Drosophila melanogaster, многие из которых сконструированы на генетическом фоне мутантных линий white. Кодируемый геном white ABC-переносчик критически важен не только для биосинтеза глазных пигментов, но и для транспортировки многих молекулярных субстратов, в том числе биогенных аминов и нейротрансмиттеров. Этим обусловлен тот факт, что данная мутация приводит к образованию сложного фенотипа, затрагивающего не только нарушения зрения, но и двигательную и половую активность, устойчивость к действию стресса, способность к обучению и формированию памяти. Ген white играет роль в нескольких парадигмах обучения, ухудшая оперантное обучение и не затрагивая ольфакторное. Цель данной работы состояла в оценке роли мутации w1118 дрозофилы в обучении и формировании памяти в парадигме условно-рефлекторного подавления ухаживания, основанного на ольфакторных стимулах. Впервые показано, что мутантная линия w1118 является способной к обучению и характеризуется нормальным протеканием процессов среднесрочной и долгосрочной памяти, как в нормальных условиях, так при воздействии теплового шока.
Ключевые слова: дрозофила, мутация white, обучение, память, условно-рефлекторное подавление ухаживания
Экспериментальные статьи
Learning and memory in Drosophila: Role of white mutation
E. A. Nikitina01' 2
1 Pavlov Institute of Physiology, Russian Academy of Sciences, 6 Makarova Emb., Saint Petersburg 199034, Russia 2 Herzen State Pedagogical University of Russia, 48 Moika Emb., Saint Petersburg 191186, Russia
Author
Ekaterina A. Nikitina, SPIN: 7844-8621, Scopus AuthorlD: 56603106300, ResearcherlD: L-5761-2014, ORCID: 0000-00031897-8392, e-mail: [email protected]
For citation: Nikitina, E. A. (2023) Learning and memory in Drosophila: Role of white mutation. Integrative Physiology, vol. 4, no. 1, pp. 91-102. https://doi.org/10.33910/2687-1270-2023-4-1-91-192 EDN TTTVUU
Received 12 December 2022; reviewed 7 February 2023; accepted 9 February 2023.
Funding: This study was supported by the Government Program of the Russian Federation 47 GP "Scientific and Technological Development of the Russian Federation" (2019-2030) (63.1).
Copyright: © E. A. Nikitina (2023). Published by Herzen State Pedagogical University of Russia. Open access under CC BY-NC License 4.0.
Abstract. Since the discovery by T. H. Morgan in 1910, Drosophila white gene has become one of the most intensively studied and has been widely used as a genetic marker. Numerous key scientific discoveries have been made involving Drosophila melanogaster transgenic stocks, many of which are engineered against the genetic background of white mutant stocks. The white gene encoded ABC-transporter is critical not only for the biosynthesis of eye pigments, but also for the transport of many molecular substrates, including biogenic amines and neurotransmitters. This is due to the fact that this mutation leads to the formation of a complex phenotype that affects not only vision, but also locomotor and sexual activity, resistance to stress, learning and memory formation. The white gene plays a role in several learning paradigms, degrading operant learning and not affecting olfactory. The aim of this study was to assess the role of Drosophila w1118 mutation in learning and memory formation in the conditioned courtship suppression based on olfactory stimuli. For the first time, it has been shown that the w1118 mutant is capable of learning and has normal medium-term and long-term memory, both under normal conditions and under the influence of heat shock.
Keywords: Drosophila, white mutation, learning, memory, conditioned courtship suppression
Белый — это вовсе не нейтральный цвет.
Это цвет спокойствия—яркий, но не кричащий.
Уолтер Айзексон «Стив Джобс: биография»
2011
Введение
История изучения гена white (w) дрозофилы насчитывает уже свыше 100 лет. Впервые он описан в 1910 г. Томасом Хантом Морганом, отметившим, что этот ген наследуется сцеплен-но с полом (Morgan 1910). Мэлвин Грин полагает это открытие началом современной генетики (Green 2010). Экспериментальные доказательства связи гена white с Х-хромосомой были получены в 1916 г. Кэлвином Бриджесом (Bridges 1916). Роль данного гена в становлении и развитии генетики невозможно переоценить. К его изучению обращались ученые при исследовании гетерохроматина и эффекта положения, дозовой компенсации, мобильных генетических элементов, механизмов инсерционного мутагенеза, кроссинговера (Green 2010).
Однако по вопросу природы этого гена ученые долго не могли прийти к единому мнению. Эдвард Льюис отмечает, что Альфред Генри Стёртевант считал это специфичной мутацией, а Джордж Уэлс Бидл — набором аллелей, включающим дикий тип (Lewis 1995). На сегодняшний день известно, что локус white характеризуется достаточно сложной аллельной структурой. Согласно FlyBase насчитывается 1024 классических или инсерционных аллельных варианта, 313 хромосомных аберраций и 436 трансгенных конструктов. Изменения, лежащие в основе этой вариабельности, разнообразны по своей природе: от единичных замен нуклеотидов до де-леций, инсерций и дупликаций. Вследствие этого образуются различные фенотипические варианты (от полной депигментации глаз до коричневых оттенков) (рис. 1).
Ген white+ кодирует трансмембранный ABC-переносчик (рис. 2), который осуществляет транспорт 3-гидроксикинуренина — предшественника глазного пигмента оммохрома. Одна
Рис. 1. Аллели локуса white Drosophila melanogaster. А — дикий тип, В — white1118, С — whitem4h
(Gibert, Peronnet 2021)
Fig. 1. Drosophila melanogaster white locus alleles. A—wild type, B—white1118, C—whitem4h
(Gibert, Peronnet 2021)
из функций пигментных гранул глаза мухи — улучшить остроту зрения за счет оптической изоляции рабдомеров внутри каждого оммати-дия. Соответственно, мухи w- имеют повышенную светочувствительность (Wu, Wong 1977), но недостаточную остроту зрения (Kalmus 1943). Другая функция белка white заключается в защите фоторецепторов сетчатки от чрезмерного воздействия света (Richard et al. 2022). Данный ген экспрессируется в основном в пигментных клетках глаз, мальпигиевых канальцах и семен-
никах (Evans et al. 2008; Sullivan, Sullivan 1975). Очень низкие уровни экспрессии отмечены в глии и нейронах мозга (Borycz et al. 2008). Кроме того, белок white транспортирует биоамины, нейромедиаторы, промежуточные продукты метаболизма, вторичные посредники (Borycz et al. 2008; Evans et al. 2008). Ген white является геном домашнего хозяйства в центральной нервной системе в дополнение к своей классической роли в пигментации глаз (Xiao, Robertson 2017).
Рис. 2. Модель субъединицы, кодируемой white. Числа внутри петель указывают количество аминокислот в петле. Распределение заряженных аминокислот обозначено + или - (Ewart et al. 1994)
Fig. 2. A model of the white-encoded subunit. The numbers inside the intra-helical loops indicate the number of amino acids in the loop. The relative distribution of charged amino acids is indicated by + or - (Ewart et al. 1994)
Продукт гена white участвует в метаболизме гуанина и триптофана, необходимых для синтеза красного (дрозоптерина) и коричневого (оммохрома) пигментов насекомых (Ewart et al. 1994). У дрозофилы метаболизм данных аминокислот связан с биосинтезом допамина и серотони-на (рис. 3). Мутанты по гену white характеризуются измененным количеством и распределением в тканях этих нейротрансмиттеров (Borycz et al. 2008). Таким образом, ген white вовлечен в ней-рональный контроль различных форм поведения.
Различные мутантные линии по локусу white характеризуются отличиями в уровне локомоторной активности, лежащей в основе большинства поведенческих актов — с увеличением интенсивности пигментации возрастали значения локомоторной активности самок и самцов, наименьшими показателями характеризовались белоглазые мухи w1 (Kostenko, Vorobyova 2012). При этом мутация w1118 приводит к избирательному увеличению высокочастотных (> 0,1 Гц) двигательных компонентов (Xiao, Qiu 2021).
Рис. 3. Вовлеченность белка white в биосинтез глазных пигментов дрозофилы и нейротрансмиттеров
серотонина и допамина
Fig. 3. Involvement of white protein in the biosynthesis of Drosophila eye pigments and neurotransmitters
serotonin and dopamine
Также выявлена вовлеченность гена white в восстановление двигательной активности — по сравнению с диким типом мутанты w1118 значительно медленнее восстанавливали локомоторную активность после аноксии (Xiao, Robertson 2016). Это подтверждает плейотроп-ное действие мутации white (Hersh 2016).
Допамин у дрозофилы модулирует широкий спектр поведения, от сна и движения до ухаживания и обучения. Его повышенный уровень приводит к увеличению общего возбуждения, что влечет за собой повышенную поведенческую реактивность, а именно более энергичные акты ухаживания (Van Swinderen, Andretic 2011). Это согласуется с результатами исследования агрессивности мутантов white. Мутантные самцы, несущие нулевую аллель w1118, демонстрировали резко сниженный уровень агрессии (лишь 3% от уровня дикого типа). Это может быть объяснено необходимостью для реализации агрессивного поведения полноценного зрительного восприятия, нарушенного у белоглазых мух. Однако у трансгенных мух с нормальным цветом глаз на генетическом фоне w1118 склонность к агрессии восстанавливалась лишь частично (Hoyer et al. 2008). Нетривиальные данные получены при изучении сна у дрозофилы, отличающегося выраженными межлинейными различиями. Для мутантов w1118 характерна большая продолжительность ночного сна самцов по сравнению с самками и оплодотворенных самок по сравнению с девственными (Zimmerman et al. 2012).
Мутация white также приводит к изменению поведения ухаживания и способности к обучению. Еще в 1915 г. Стёртевант писал, что самцы white менее успешны в ухаживании за самками, нежели самцы дикого типа (Sturtevant 1915). Однако до сих пор нет прямых доказательств вовлеченности этого гена в успешность спаривания самца и самки. Исследование Костенко, посвященное анализу полового поведения, показало, что мутанты по локусу white с более интенсивной пигментацией характеризуются активным поведением на стадиях ухаживания. Выявлена связь между временными признаками полового поведения и степенью пигментации глаз имаго, которая показывает, что для интенсивно пигментированных особей характерным является меньшая задержка копуляции и, следовательно, более длительный ее процесс (Kosten-ko 2017). Сходные данные получены и канадскими учеными: 82,5% мух дикого типа копулировали в течение 60 мин, в то время лишь единичные мутанты w1118 вступали в копуляцию, причем эта способность была нарушена именно
у самцов (Xiao et al. 2017). По-видимому, наблюдаемые изменения полового (Kostenko 2017) и двигательного поведения (Kostenko, Voro-byova 2012) на модели локуса white имеют общую природу и связаны с плейотропным эффектом мутаций, нарушающих обмен триптофана и приводящих к накоплению промежуточных метаболитов в организме мухи (Zhuravlev et al. 2020).
Упомянутое выше увеличение общего возбуждения самцов w, приводящее к возрастанию интенсивности ухаживания, может иметь косвенным эффектом усиленное ухаживание самца за самцом. В ряде исследований показано, что эктопическая экспрессия гена white индуцирует ухаживание самца за самцом. При этом в группе насекомых могут образовываться цепочки и круги из ухаживающих друг за другом самцов (Anaka et al. 2008; Zhang, Odenwald 1995).
Мутация white влияет на поведение ухаживания. У самцов w1118 активность ухаживания была резко снижена по сравнению с диким типом при дневном свете, но не в темноте. Авторы полагают, что наблюдаемые ими изменения поведения ухаживания могут быть обусловлены низким уровнем серотонина (Krstic et al. 2013). К рассмотрению роли серотонина обратились и Ситараман с соавторами, показавшие нарушение оперантного пространственного обучения и памяти у мутанта w1118. Анализ данных по фармакологической коррекции уровней серотонина и допамина позволяет предположить, что именно серотонин может быть вовлечен в формирование пространственной памяти у дрозофилы (Sitaraman et al. 2008). Однако уровни серотонина в головах дикого типа в этом исследовании были выше по сравнению с другими работами. Более того, Ярали с соавторами не обнаружили различий в уровнях серотонина в мозге мутанта w1118 и мух дикого типа (Yarali et al. 2009). В этой связи внимание исследователей было направлено на другие биохимические пути. Майерс с коллегами связывают обнаруженные ими дефекты ольфактор-ного ассоциативного обучения у мутанта w1118 с нарушениями гомеостаза холестерина (Myers et al. 2021). Авторы показали, что в парадигме ольфакторного ассоциативного обучения с негативным подкреплением электрошоком мутантные самцы w1118 обучаются хуже по сравнению с диким типом. Крайне интересным является тот факт, что при дополнительных тренировках мутантные самцы w1118 достигали уровня обучения дикого типа. Подобный эффект был показан и ранее другими исследователями — предварительные тренировки повышали частоту
копуляции у мутанта w1118 (Xiao et al. 2017). Опыт спаривания способствует и улучшению эпизодической двигательной активности, сниженной у мутанта w1118 (Qiu et al. 2021).
В этой связи возникает обоснованный вопрос — влияет ли мутация white на обучение и память дрозофилы в парадигме условно-рефлекторного подавления ухаживания? Преимущество данной методики — ее естественность и физио-логичность, в отличие от метода обучения с негативным подкреплением электрошоком (Zhuravlev et al. 2015). Кроме того, показано, что у мутантов w1118 нарушена устойчивость к различным видам стресса (голод, обогащенная сахаром диета, воздействие перекисью водорода) (Ferreiro et al. 2018). Каков же будет эффект других видов стресса, в частности, теплового шока (ТШ)? В предыдущих работах нами было выявлено влияние ТШ на обучение и формирование памяти у дрозофилы, приводившее как к их ухудшению (Nikitina et al. 2003; 2012; Zhuravlev et al. 2022), так и к восстановлению до уровня дикого типа (Nikitina et al. 2014), а также отсутствие такового влияния (Savvateeva-Popova et al. 2007; 2008).
Таким образом, цель данной работы состояла в оценке роли мутации w1118 дрозофилы в обучении и формировании памяти в парадигме условно-рефлекторного подавления ухаживания.
Материал и методы
Линии дрозофилы
Работа проведена на животных из ЦКП «Биоколлекция ИФ РАН для исследования интегра-тивных механизмов деятельности нервной и висцеральных систем». Использовали следующие линии Drosophila melanogaster:
1) Canton S (CS) — линия дикого типа; темно-красный цвет глаз.
2) white1118 (w1118) — мутантная линия, несущая частичную делецию локуса white (X: 3B6-3B6); отсутствие глазных пигментов, белый цвет глаз.
Мух выращивали в стаканчиках объемом 160 мл на стандартной изюмно-дрожжевой среде при +25 оС ± 0,5 °С, 60% влажности и свето-темновом цикле 12 : 12 ч.
Предъявление теплового шока
Тепловое воздействие проводили в водяном термостате GFL 1086 (GFL, Германия) при температуре +37°С в течение 30 мин на стадии самцов-имаго, которых помещали в термостат в предварительно прогретых пробирках,
погруженных в воду. ТШ осуществляли за один час до проведения поведенческого эксперимента (Nikitina et al. 2003).
Оценка способности к обучению и формированию памяти
Для поведенческих опытов использовали самцов дрозофилы в возрасте пяти суток, которых собирали без эфирного наркоза и содержали индивидуально на изюмно-дрожжевой среде. В качестве объектов ухаживания использовали оплодотворенных за сутки до опыта самок линии CS в возрасте пяти суток. Тренировку и тестирование проводили в экспериментальных камерах из оргстекла (диаметр — 15 мм, высота — 5 мм).
Для оценки способности к обучению и формированию среднесрочной (ССП) и долгосрочной (ДСП) памяти самцов дрозофилы была использована методика условно-рефлекторного подавления ухаживания (УРПУ) (Kamyshev et al. 1999). Для выработки условно-рефлекторного подавления ухаживания (тренировки) пятисуточного самца исследуемой линии, не имеющего опыта полового поведения, помещали вместе с оплодотворенной пятису-точной самкой CS: для оценки способности к обучению и формированию ССП — в экспериментальную камеру на 30 мин; для оценки способности к обучению и формированию ДСП — в стакан с питательной средой (объем свободного пространства — около 3 см3) на пять часов. Память тестировали через разные интервалы времени после тренировки: для оценки способности к обучению и формированию ССП — 0 и 3 ч; для оценки способности к обучению и формированию ДСП — 0, 2 и 8 суток. В качестве контроля использовали самцов, не имеющих опыта полового поведения. Этограмму поведения самца регистрировали в течение 300 с, фиксируя время начала отдельных элементов ухаживания (ориентация и преследование, вибрация, лизание, попытка копуляции), а также время исполнения элементов, не связанных с ухаживанием (побежка, прининг, покой). Регистрацию начинали через 45 с после помещения мухи в камеру. В каждой группе (контрольной, сразу после тренировки и через определенные интервалы времени после тренировки) тестировали не менее 20 пар мух.
Для каждого самца вычисляли индекс ухаживания (ИУ), т. е. время ухаживания самца за самкой, выраженное в процентах от общего времени наблюдения. Для количественной оценки результатов обучения вычисляли индекс обучения (ИО) по следующей формуле:
ИО = [(ИУН - ИУТ) / ИУН] х 100% = (1 - ИУТ / ИУН) х 100%,
где ИУ и ИУ — средние индексы ухаживания для независимых выборок самцов, не имеющих опыта полового поведения, и самцов, прошедших тренировку (КашувЬеу е! а1. 1999; Бока1, ИоЬИ 1995).
Статистическую обработку результатов проводили при помощи рандомизационного анализа (ак < 0,05).
Результаты
Оценка способности к обучению
и формированию среднесрочной памяти
У линии дикого типа CS в интактном контроле происходила выработка УРПУ, что говорит о способности к обучению. Через три часа ИО не снижался по сравнению с уровнем, достигнутым сразу после окончания тренировки, что свидетельствует о нормальном формиро-
вании процессов ССП (рис. 4А). Это вполне согласуется с нашими предыдущими работами (Nikitina et al. 2021).
У мутанта w1118 в интактном контроле также тренировка приводила к выработке УРПУ, и ИО длительное время сохранялся на исходном уровне, не отличаясь от показателей линии дикого типа (рис. 4А). Это еще раз убеждает в отсутствии нарушений обучения и ССП, недавно продемонстрированном нами (Zat-sepina et al. 2021; 2022).
Сопоставляя полученные результаты, мы задались закономерным вопросом — будет ли мутация white влиять на процессы обучения и памяти при стрессе? Однако воздействие ТШ не оказывало влияния на процессы обучения и ССП у обеих исследуемых линий. ИО сразу после тренировки и через три часа после нее были сопоставимы с таковыми в интактном контроле как у линии CS, так и у мутанта w1118 (рис. 4В). Межлинейных различий также не наблюдали.
Рис. 4. Динамика сохранения условно-рефлекторного подавления ухаживания при тестировании среднесрочной памяти у самцов линии дикого типа Canton S и мутанта white1118 Drosophila melanogaster. А — интактный контроль, В — воздействие тепловым шоком. По оси абсцисс: время после завершения тренировки (мин); по оси ординат: LI — индекс обучения (learning index), у. е.
Fig. 4. Dynamics of learning acquisition and medium-term memory retention of conditioned courtship suppression in D. melanogaster males of wild type strain Canton S and white1118 mutant. A—intact control, B—exposure to heat shock. Abscissa: time after training (min); ordinate: LI—learning index, standard units
Таким образом, ни у линии дикого типа CS, ни у мутанта w1118 не выявлено дефектов обучения и ССП ни в норме, ни в условиях стресса.
Оценка способности к обучению и формированию долгосрочной памяти
Учитывая сложную нейрофизиологическую основу процессов ДСП (7Ьцгау1еу е! а1. 2015), мы отдельно проанализировали ее формирование и сохранение у исследуемых линий.
У линии дикого типа CS в интактном контроле наблюдали выработку УРПУ после пятичасовой тренировки. ИО сохранялся на высоком уровне на протяжении восьми суток после тренировки, что является свидетельством нормального протекания процессов обучения и формирования ДСП (рис. 5А) и находится в русле наших предыдущих исследований.
У мутанта ц>1118 в интактном контроле при пятичасовой тренировке не отмечено нарушений способности к обучению так же, как и при
30-минутной. ИО сохранялся на высоком уровне и через двое суток после тренировки. Через восемь суток отмечено снижение ИО, однако не выявлено достоверных отличий ни от ИО сразу после тренировки, ни от линии дикого типа (рис. 5А). Это подтверждает отсутствие нарушений ДСП у мутанта w1118 (7а!8ерта е! а1. 2021; 2022).
Обратимся к рассмотрению влияния ТШ на процессы ДСП у исследуемых линий.
У линии дикого типа CS ИО сразу после тренировки сопоставим с интактным контролем, что указывает на сохранность способности к обучению. ИО через двое и восемь суток после тренировки снижены по сравнению с интактным контролем, однако достоверных отличий не выявлено (рис. 5В).
У мутанта w1118 ТШ не оказывает влияния на процессы формирования и сохранения ДСП, подтверждением чему служат сходные величины ИО на всех временных интервалах в интактном контроле и при действии ТШ (рис. 5В).
Рис. 5. Динамика сохранения условно-рефлекторного подавления ухаживания при тестировании долгосрочной памяти у самцов линии дикого типа Canton S и мутанта white1118 Drosophila melanogaster. А — интактный контроль, В — воздействие тепловым шоком. По оси абсцисс: время после завершения тренировки (дни); по оси ординат: LI — индекс обучения (learning index), у. е.
Fig. 5. Dynamics of learning acquisition and long-term memory retention of conditioned courtship suppression in D. melanogaster males of wild type strain Canton S and white1118 mutant. A—intact control, B—exposure to heat shock. Abscissa: time after training (days); ordinate: LI—learning index, standard units
Итак, у обеих линий не обнаружено нарушений обучения и ДСП ни в интактном контроле, ни при действии ТШ.
Резюмируя результаты экспериментов, можно сказать, что обе линии (CS и w1118) являются способными к обучению при различном режиме тренировок (30 минут и пять часов) и характеризуются нормальным протеканием процессов как среднесрочной, так и долгосрочной памяти. При этом ТШ не влияет на обучение и формирование различных типов памяти у этих линий. Если для линии дикого типа CS это было ожидаемо, то для мутанта w1118 показано впервые.
Обсуждение
У человека существует по меньшей мере восемь гомологов гена white дрозофилы. Полиморфизмы одного из них, ABCG1, связаны с паническими расстройствами у мужчин (Nakamura et al. 1999). Известно о вовлеченности этих генов в фосфолипидный метаболизм и в этиопатогенез болезни Танжера (Schmitz et al. 2001), а также в развитие атеросклероза (Matsuo 2022). Таким образом, в то время как различия между мозгом и поведением человека и дрозофилы неоспоримы, ген white дрозофилы крайне важен для проведения модельных исследований, являясь высококонсервативным и кодируя АВС-переносчик метаболитов с широкой специфичностью, что может обусловливать множественные биологические роли, включая нейрональный контроль различных форм поведения.
Половое поведение дрозофилы представляет собой сложный репертуар действий, включающих обмен зрительными, звуковыми и хе-мосенсорными сигналами между партнерами (Sturtevant 1915). Этот обмен происходит в определенном порядке и зависит от динамической обратной связи, причем каждый партнер изменяет свое поведение в ответ на принимаемые сигналы. Большинство аспектов поведения ухаживания дрозофилы имеет полигенную природу, причем вовлеченные гены часто имеют плейотропные эффекты (Hall 1994).
Разработка методов трансформации зародышевой линии привела к получению тысяч трансгенных линий дрозофилы, используемых для изучения широкого спектра биологических вопросов, в том числе и поведения. Это технология основана главным образом на использовании white-мутантных эмбрионов для конструирования трансгенных линий мух (St. Johnston 2013). В этой связи необходимо скрупулезно интерпретировать результаты экспериментов
с использованием трансгенных линий, полученных с использованием мутантов white, особенно в области исследований поведения. Это обусловлено тем, что данная мутация приводит к образованию сложного фенотипа, затрагивающего не только нарушения зрения, но и продолжительность жизни, двигательную и половую активность, устойчивость к действию стресса, способность к обучению и формированию памяти.
Критический вопрос, возникающий в данном контексте, — влияет ли нарушение зрения у мутанта w1118 на поведение ухаживания, требующее обмена зрительными сигналами? Здесь крайне важно учитывать специфику методик исследования полового поведения. При использовании методик, основанных на ольфакторном обучении, ведущими являются обонятельные стимулы. Хотя, безусловно, нельзя отвергать роль зрительных сигналов. Так, в наших экспериментах мутанты w1118 демонстрировали сниженную по сравнению с диким типом интенсивность ухаживания, сопоставимую с наблюдаемой нами в ранних работах для белоглазого мутанта l(1)ts403, несущего также мутации brown и scarlet, взаимодействие которых дает белый цвет глаз (Nikitina et al. 2003). Низкий уровень ухаживания может быть обусловлен нарушением зрения, а не специфичным действием мутации white, т. к. мухи l(1)ts403; bw; st несут аллель w+. Следует отдельно отметить, что ИО, используемый для количественной оценки результатов обучения, непосредственно не зависит от интенсивности ухаживания.
В то же время оценка остроты обоняния не выявила значимых различий между мутантами w и линией дикого типа CS (Diegelmann et al. 2006), что крайне важно для интерпретации результатов исследований с использованием методик ольфакторного обучения. Авторы сопоставили разные парадигмы обучения — оль-факторное и оперантное. Было выявлено нарушение оперантного пространственного обучения и памяти у мутанта w1118, подтвержденное впоследствии другими исследователями (Sitaraman et al. 2008). Однако в парадигме ольфакторного ассоциативного обучения с негативным подкреплением электрошоком данный мутант не демонстрировал нарушений обучения и краткосрочной памяти. Напротив, при низких значениях напряжения (10-30 В) уровень обучения w1118 выше по сравнению с диким типом CS (Diegelmann et al. 2006). Эти результаты не согласуются с недавней работой Майерс с коллегами, показавшими ухудшение обучения и краткосрочной памяти w1118 по сравнению
с диким типом в данной парадигме (Myers et al. 2021). Необходимо указать на методические детали постановки экспериментов — разные временные интервалы между ударами током, так называемая короткая программа по сравнению с классической длинной. А ведь в работе Ярали с коллегами как раз подмечено, что величина временных интервалов является критической (Yarali et al. 2009). Важно отметить, что Майерс с соавторами применяли напряжение 90 В, хотя известно, что мутант w1118 характеризуется повышенной чувствительностью к электрическому шоку (Diegelmann et al. 2006). Кроме того, авторы отмечают, что проведение дополнительных тренировок приводит к сопоставимым уровням обучения w1118 и CS. В контексте обсуждаемой проблемы хочется согласиться с мнением Сёрена Дигельманна о неидеальности метода ольфакторного ассоциативного обучения с негативным подкреплением электрошоком.
Возвращаясь к ключевому вопросу об интерпретации результатов поведенческих экспериментов с привлечением трансгенных линий на генетическом фоне white, необходимо акцентировать внимание на необходимости тщательного продумывания методических подходов, основываясь в том числе на их физиологичности. Также важно учитывать особенности мутантов white, в частности, известно, что дефекты, вызванные мутацией w1118, слабо выражены в молодом возрасте (Ferreiro et al. 2018).
Заключение
Использование мутантной линии white при конструировании трансгенных линий дрозофилы оправданно в свете наличия легко и однозначно определимых генетических маркеров. Однако это привносит сложности в интерпретацию экспериментальных результатов, так как данный ген характеризуется плейотропным действием, затрагивающим не только зрение, но и другие аспекты жизнедеятельности, включая поведение, обучение и память. Отсутствие светоэкранирующих пигментов ухудшает способность самца визуально отслеживать партнера, уменьшая успех при спаривании. Ген white играет роль в нескольких парадигмах обучения, ухудшая оперантное обучение и не затрагивая ольфакторное, что подтверждает различия механизмов их реализации. Особенности как обучения, так и поведения ухаживания мутанта white могут быть обусловлены нейромедиато-рами, уровни которых зависят от кодируемого этим геном ABC-переносчика. Хотя многочисленные исследования связывают проявления white с изменением уровня серотонина, их биохимические механизмы пока детально неясны.
Конфликт интересов
Автор заявляет об отсутствии потенциального или явного конфликта интересов.
Conflict of Interest
The author declares that there is no conflict of interest, either existing or potential.
References
Anaka, M., MacDonald, C. D., Barkova, E. et al. (2008) The white gene of Drosophila melanogaster encodes a protein with a role in courtship behavior. Journal of Neurogenetics, vol. 22, no. 4, pp. 243-276. https://doi. org/10.1080/01677060802309629 (In English) " Borycz, J., Borycz, J. A., Kubow, A. et al. (2008) Drosophila ABC transporter mutants white, brown and scarlet have altered contents and distribution of biogenic amines in the brain. Journal of Experimental Biology, vol. 211, no. 21, pp. 3454-3466. https://doi.org/10.1242/jeb.021162 (In English) Bridges, C. B. (1916) Non-disjunction as proof of the chromosome theory of heredity (Concluded). Genetics, vol. 1,
no. 2, pp. 107-163. https://doi.org/10.1093/genetics/L2.107 (In English) Diegelmann, S., Zars, M., Zars, T. (2006) Genetic dissociation of acquisition and memory strength in the heat-box spatial learning paradigm in Drosophila. Learning & Memory, vol. 13, no. 1, pp. 72-83. https://doi.org/10.1101/ lm.45506 (In English)
Evans, J. M., Day, J. P., Cabrero, P. et al. (2008) A new role for a classical gene: White transports cyclic GMP. Journal
of Experimental Biology, vol. 211, no. 6, pp. 890-899. https://doi.org/10.1242/jeb.014837 (In English) Ewart, G. D., Cannell, D., Cox, G. B., Howells, A. J. (1994) Mutational analysis of the traffic ATPase (ABC) transporters involved in uptake of eye pigment precursors in Drosophila melanogaster. Implications for structure-function relationships. Journal of Biological Chemistry, vol. 269, no. 14, pp. 10370-10377. PMID: 8144619 (In English) Ferreiro, M. J., Pérez, C., Marchesano, M. et al. (2018) Drosophila melanogaster white mutant w1118 undergo retinal degeneration. Frontiers in Neuroscience, vol. 11, article 732. https://doi.org/10.3389/fnins.2017.00732 (In English) Gibert, J.-M., Peronnet, F. (2021) The paramount role of Drosophila melanogaster in the study of epigenetics: From simple phenotypes to molecular dissection and higher-order genome organization. Insects, vol. 12, no. 10, article 884. https://doi.org/10.3390/insects12100884 (In English)
Green, M. M. (2010) 2010: A century of Drosophila genetics through the prism of the white gene. Genetics, vol. 184,
no. 1, pp. 3-7. https://doi.org/10.1534/genetics.109.110015 (In English) Hall, J. C. (1994) The mating of a fly. Science, vol. 264, no. 5166, pp. 1702-1714. https://doi.org/10.1126/science.8209251 (In English)
Hersh, B. M. (2016) More than meets the eye: A primer for "Timing of locomotor recovery from anoxia modulated by the white gene in Drosophila melanogaster". Genetics, vol. 204, no. 4, pp. 1369-1375. https://doi.org/10.1534/ genetics.116.196519 (In English) Hoyer, S. C., Eckart, A., Herrel, A. et al. (2008) Octopamine in male aggression of Drosophila. Current Biology,
vol. 18, no. 3, pp. 159-167. https://doi.org/10.1016/jxub.2007.12.052 (In English) Kalmus, H. (1943) The optomotor responses of some eye mutants of Drosophila. Journal of Genetics, vol. 45,
pp. 206-213. https://doi.org/10.1007/BF02982936 (In English) Kamyshev, N. G., Iliadi, K. G., Bragina, J. V. (1999) Drosophila conditioned courtship: Two ways of testing memory.
Learning & Memory, vol. 6, no. 1, pp. 1-20. PMID: 10355520 (In English) Kostenko, V. V. (2017) Sravnitel'nyj analiz priznakov polovogo povedeniya u mutantov lokusa white imago Drosophila melanogaster [Comparative analysis of mating behavior characteristics of mutants at the white locus of Drosophila melanogaster]. Uchenye zapiski Kazanskogo universiteta. Seriya: Estestvennye nauki — Proceedings of Kazan University. Natural Sciences Series, vol. 159, no. 2. pp. 293-305. (In Russian) Kostenko, V. V., Vorobyova, L. I. (2012) Vliyanie alelej lokusa white i geneticheskogo fona na lokomotornuyu aktivnost' imago Drosophila melanogaster [The influence of white alleles and genetic background on locomotor activity of adult Drosophila melanogaster]. VestnikKhar'kovskogo natsional'nogo universiteta im. V. N. Karazina. Seriya: Biologiya — The Journal of V. N. Karazin Kharkiv National University. Series: Biology, vol. 16, no. 1035. pp. 90-96. (In Russian)
Krstic, D., Boll, W., Noll, M. (2013) Influence of the white locus on the courtship behaviour of Drosophila males.
PLoS One, vol. 8, no. 10, article e77904. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0077904 (In English) Lewis, E. B. (1995) Remembering Sturtevant. Genetics, vol. 141, no. 4, pp. 1227-1230. https://doi.org/10.1093/
genetics/141.4.1227 (In English) Matsuo, M. (2022) ABCA1 and ABCG1 as potential therapeutic targets for the prevention of atherosclerosis. Journal of Pharmacological Sciences, vol. 148, no. 2, pp. 197-203. https://doi.org/10.1016/jjphs.2021.11.005 (In English)
Morgan, T. H. (1910) Sex limited inheritance in Drosophila. Science, vol. 32, no. 812, pp. 120-122.
https://doi.org/10.1126/science.32.812.120 (In English) Myers, J. L., Porter, M., Narwold, N. et al. (2021) Mutants of the white ABCG transporter in Drosophila melanogaster have deficient olfactory learning and cholesterol homeostasis. International Journal of Molecular Sciences, vol. 22, no. 23, article 12967. https://doi.org/10.3390/ijms222312967 (In English) Nakamura, M., Ueno, S., Sano, A., Tanabe, H. (1999) Polymorphisms of the human homologue of the Drosophila white gene are associated with mood and panic disorders. Molecular Psychiatry, vol. 4, no. 2, pp. 155-162. https://doi.org/10.1038/sj.mp.4000515 (In English) Nikitina, E. A., Kaminskaya, A. N., Molotkov, D. A. et al. (2014) Effect of heat shock on courtship behavior, sound production, and learning in comparison with the brain content of LIMK1 in Drosophila melanogaster males with altered structure of the limk1 gene. Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology, vol. 50, no. 2, pp. 154-166. https://doi.org/10.1134/S0022093014020082 (In English) Nikitina, E. A., Medvedeva, A. V., Dolgaya, Yu. F. et al. (2012) Involvement of GDNF and LIMK1 and heat shock proteins in Drosophila learning and memory formation. Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology, vol. 48, no. 5-6, pp. 529-539. https://doi.org/10.1134/S0022093012050076 (In English) Nikitina, E. A., Tokmatcheva, E. V., Savateeva-Popova, E. V. (2003) Heat shock during the development of central structures of the Drosophila brain: Memory formation in the l(1)ts403 mutant of Drosophila melanogaster. Russian Journal of Genetics, vol. 39, no. 1, pp. 25-31. https://doi.org/10.1023/A:1022062609102 (In English) Nikitina, E. A., Zhuravlev, A. V., Savvateeva-Popova, E. V. (2021) Vliyanie narusheniya sinteza kinureninov na pamyat' u drozofily [Effect of impaired kynurenine synthesis on memory in Drosophila]. Integrativnaya fiziologiya — Integrative Physiology, vol. 2, no. 1, pp. 49-60. https://doi.org/10.33910/2687-1270-2021-2-1-49-60 (In Russian)
Qiu, S., Li, C., Cao, G., Xiao, C. (2021) Mating experience modifies locomotor performance and promotes episodic motor activity in Drosophila melanogaster. Zoology, vol. 144, article 125854. https://doi.org/10.1016/j. zool.2020.125854 (In English) Richard, M., Doubkovâ, K., Nitta, Yo. et al. (2022) A quantitative model of sporadic axonal degeneration in the Drosophila visual system. Journal of Neuroscience, vol. 42, no. 24, pp. 4937-4952. https://doi.org/10.1523/ JNEUR0SCI.2115-21.2022 (In English) Savvateeva-Popova, E. V., Popov, A. V., Grossman, A. et al. (2007) Pathogenic chaperone-like RNA induces congophilic aggregates and facilitates neurodegeneration in Drosophila. Cell Stress & Chaperones, vol. 12, no. 1, pp. 9-19. (In English)
Savvateeva-Popova, E. V., Popov, A. V., Grossman, A. et al. (2008) Non-coding RNA as a trigger of neuropathologic disorder phenotypes in transgenic Drosophila. Journal of Neuronal Transmission, vol. 115, no. 12, pp. 1629-1642. https://doi.org/10.1007/s00702-008-0078-8 (In English) Schmitz, G., Langmann, T., Heimerl, S. (2001) Role of ABCG1 and other ABCG family members in lipid metabolism.
Journal of Lipid Research, vol. 42, no. 10, pp. 1513-11520. PMID: 11590207 (In English) Sitaraman, D., Zars, M., LaFerriere, H. et al. (2008) Serotonin is necessary for place memory in Drosophila. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, vol. 105, no. 14, pp. 5579-5584. https://doi.org/10.1073/ pnas.0710168105 (In English) Sokal, R. R., Rohlf, F. J. (1995) Biometry: The principles and practice of statistics in biological research. 3rd ed.
New York: W. H. Freeman Publ., 887 5. (In English) St. Johnston, D. (2013) Using mutants, knockdowns, and transgenesis to investigate gene function in Drosophila. Wiley Interdisciplinary Reviews: Developmental Biology, vol. 2, no. 5, pp. 587-613. https://doi.org/10.1002/ wdev.101 (In English)
Sturtevant, A. H. (1915) Experiments on sex recognition and the problem of sexual selection in Drosophila. Journal
of Animal Behavior, vol. 5, no. 5, pp. 351-366. https://doi.org/10.1037/h0074109 (In English) Sullivan, D. T., Sullivan, M. C. (1975) Transport defects as the physiological basis for eye color mutants of Drosophila melanogaster. Biochemical Genetics, vol. 13, no. 9-10, pp. 603-613. https://doi.org/10.1007/BF00484918 (In English)
Van Swinderen, B., Andretic, R. (2011) Dopamine in Drosophila: Setting arousal thresholds in a miniature brain. Proceedings of the Royal Society. Series B: Biological Sciences, vol. 278, no. 1707, pp. 906-913. https://doi.org/10.1098/rspb.2010.2564 (In English) Wu, C. F., Wong, F. (1977) Frequency characteristics in the fly visual system of Drosophila: Genetic dissection of electroretinogram components. Journal of General Physiology, vol. 69, no. 6, pp. 705-724. https://doi.org/10.1085/jgp.69.6.705 (In English) Xiao, C., Robertson, R. M. (2016) Timing of locomotor recovery from anoxia modulated by the white gene in Drosophila. Genetics, vol. 203, no. 2, pp. 787-797. https://doi.org/10.1534/genetics.115.185066 (In English) Xiao, C., Robertson, R. M. (2017) White—cGMP interaction promotes fast locomotor recovery from anoxia in adult Drosophila. PLoS One, vol. 12, no. 1, article e0168361. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0168361 (In English)
Xiao, C., Qiu, S. (2021) Frequency-specific modification of locomotor components by the white gene in Drosophila melanogaster adult flies. Genes, Brain and Behavior, vol. 20, no. 2, article e12703. https://doi.org/10.1111/ gbb.12703 (In English)
Xiao, C., Qiu, S., Robertson, R. M. (2017) The white gene controls copulation success in Drosophila melanogaster.
Scientific Reports, vol. 7, article 7712. https://doi.org/10.1038/s41598-017-08155-y (In English) Yarali, A., Krischke, M., Michels, B. et al. (2009) Genetic distortion of the balance between punishment and relief learning in Drosophila. Journal ofNeurogenetics, vol. 23, no. 1-2, pp. 235-247. https://doi.org/10.1080/01677060802441372 (In English)
Zatsepina, O. G., Chuvakova, L. N., Nikitina E. A. et al. (2022) Genes responsible for H2S production and metabolism are involved in learning and memory in Drosophila melanogaster. Biomolecules, vol. 12, no. 6, article 751. https://doi.org/10.3390/biom12060751 (In English) Zatsepina, O. G., Nikitina, E. A., Shilova, V. Y. et al. (2021) Hsp70 affects memory formation and behaviorally relevant gene expression in Drosophila melanogaster. Cell Stress and Chaperones, vol. 26, no. 3, pp. 575-594. https://doi.org/10.1007/s12192-021-01203-7 (In English) Zhang, S. D., Odenwald, W. F. (1995) Misexpression of the white (w) gene triggers male-male courtship in Drosophila. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, vol. 92, no. 12, pp. 5525-5529. https://doi.org/10.1073/ pnas.92.12.5525 (In English) Zhuravlev, A. V., Nikitina, E. A., Savvateeva-Popova, E. V. (2015) Obuchenie i pamyat' u drozofily: fiziologo-geneticheskie osnovy [Learning and memory in Drosophila: Physiologic and genetic bases]. Uspekhifiziologicheskikh nauk, vol. 46, no. 1, pp. 76-92. (In Russian) Zhuravlev, A. V., Nikitina, E. A., Savvateeva-Popova, E. V. (2020) Rol' kinureninov v regulyatsii povedeniya i protsessov pamyati u drozofily [Role of kynurenines in regulation of behavior and memory processes in Drosophila]. Integrativnaya fiziologiya — Integrative Physiology, vol. 1, no. 1, pp. 40-50. https://doi.org/10.33910/2687-1270-2020-1-1-40-50 (In Russian) Zhuravlev, A. V., Shchegolev, B. F., Zakharov, G. A. et al. (2022) 3-hydroxykynurenine as a potential ligand for hsp70 proteins and its effects on Drosophila memory after heat shock. Molecular Neurobiology, vol. 59, pp. 1862-1871. https://doi.org/10.1007/s12035-021-02704-3 (In English) Zimmerman, J. E., Chan, M. T., Jackson, N. et al. (2012) Genetic background has a major impact on differences in sleep resulting from environmental influences in Drosophila. SLEEP, vol. 35, no. 4, pp. 545-557. http://doi.org/10.5665/sleep.1744 (In English)
