УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2015, том 46, № 1, с.76-92
УДК 575.162
обучение И память у ДРОЗОФИЛЫ: ФИЗИОЛОГО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
© 2015 г. А. В. Журавлев1, Е. А. Никитина1,2, Е .В. Савватеева-Попова1
'Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН,
Санкт-Петербург
2Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена,
Санкт-Петербург
В нейробиологии существенный прогресс достигнут в раскрытии молекулярных механизмов когнитивной деятельности. Во многом это стало возможным благодаря изучению организации простых нервных систем, таких как ЦНС D. melanogaster. Ряд функциональных особенностей сближает ее с ЦНС высших позвоночных. Это: 1) консервативность генов и молекулярных систем, регулирующих процессы обучения и памяти; 2) наличие дифференцированных сенсорных, ассоциативных и моторных отделов; 3) использование сходных принципов кодирования и анализа информации; 4) наличие всех основных форм обучения, как неассоциативного, так и ассоциативного; 5) многообразие форм памяти, краткосрочной и долгосрочной, зависимой от синтеза белка; 6) наличие в мозге аминергических систем подкрепления; 7) влияние на когнитивные процессы циркадных биоритмов, текущего опыта и индивидуальных особенностей организма. В данном обзоре основное внимание уделяется двум наиболее изученным у дрозофилы видам обучения - ольфакторному и условно-рефлекторному подавлению ухаживания (УРПУ). Отдельно рассматривается влияние на процессы памяти кинурениновых метаболитов и компонентов сигнального каскада ремоделирования актина.
Ключевые слова: дрозофила, ольфакторное обучение и память, условно-рефлекторное подавление ухаживания,кинуренины, ¿/М-киназа.
1. ДРОЗОФИЛА КАК МОДЕЛьНЫЙ ОБЪЕКТ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ
нормальных и патологических
ПРОЦЕССОВ В ЦНС
Процессы обучения и памяти напрямую связаны с регуляцией функционирования в нервной клетке специфических молекулярных систем. К их числу относятся: 1) рецепторы и ионные каналы; 2) внутриклеточные сигнальные каскады; 3) хроматин-ремоделирующие комплексы; 4) факторы транскрипции и трансляции; 5) белки цитоскелета; 6) внеклеточный матрикс, молекулы межклеточной адгезии и компоненты синаптических структур. Координация активности этих систем в нервных сетях в ответ на сигналы внешней среды опосредует формирование, сохранение и воспроизведение следов памяти, а их функциональные нарушения являются первопричиной развития тяжелых когнитивных расстройств.
К числу модельных объектов, адекватных для изучения молекулярных основ нейрональной пластичности, а также поведенческих и когнитивных нарушений, относится дрозофила. Преимущества работы с дрозофилой - это короткий жизненный цикл, облегчающий проведение генетических экспериментов, малый размер, дешевое содержание и отсутствие законодательных ограничений на работу с животными. Реализация проектов "Геном человека" и "Геном дрозофилы" показала, что более 75% генов человека, связанных с развитием наследственных заболеваний, имеют гомологи у D. melanogaster [1]. Гены, мутации которых у дрозофилы специфически нарушают ту или иную функцию, могут быть локализованы in situ на хромосомах человека в локусах, ответственных за развитие аналогичных патологий. Это обусловило развитие нового методического подхода - сравнительной геномики, позволяющей обнаруживать функции секвенированных генов болезней человека по их гомологии с уже изученными генами дрозофилы, для которых известны
мутации с определенным эффектом. Дрозофилу <
активно используют в исследованиях механизмов :
заболеваний ЦНС у человека, таких как сениль- 1
ная деменция, синдром Уильямса, нейродегенера- ]
тивные болезни и др. [2, 3, 4], а также в тестиро- ; вании активности лекарственных препаратов.
Мозг дрозофилы, насчитывающий порядка < ста тысяч нейронов, является высокоорганизованной структурой, обеспечивающей сложные формы поведенческой активности. Исследования ] нейрофизиологических процессов в ЦНС дрозофилы из-за ее миниатюрности в течение долгих лет ограничивались изучением функций отдельных генов и сигнальных каскадов в тех или иных структурах мозга. Бурное развитие на протяже- < нии последнего десятилетия молекулярно-гене-тических методов и методов оптического анализа предоставило экспериментаторам возможность работать с единичными нейронами и мозговыми центрами, направленно регулируя их активность, а также визуализировать связи между отдельно взятыми нервными клетками [5]. Широкое при- ( менение данных методов приближает исследователей к созданию целостной модели мозга дрозофилы, учитывающей как общевидовые, так и индивидуальные особенности его функционирования.
2. молекулярно-генетические основы процессов обучения
И ПАМЯТИ у ДРОЗОФИЛЫ
2.1. Ольфакторная память 1
Исследования генетических основ поведенческой пластичности у D. melanogaster актив- ] но проводятся, начиная с последней четверти XX в. Опыты С. Бензера [6] впервые продемонстрировали специфическое влияние на поведение дрозофилы мутаций отдельно взятых генов. В группе Бензера также была показана способ- 1 ность дрозофилы к ольфакторному обучению с негативным подкреплением в оперантной парадигме [7] и был выделен первый мутант, dunce, 1 с нарушением этой функции [8]. Ассоциативное • ольфакторное обучение у дрозофилы также осуществляется в классической павловской пара- 1 дигме [9]. Идентифицирован целый ряд генов, регулирующих формирование ольфакторной памяти у дрозофилы, активность которых связана с определенными структурами мозга [10]. Мно- ] гочисленные эксперименты доказывают, что у высокоразвитых беспозвоночных, включая дрозофилу, аплизию и др., имеются все основные ]
формы обучения, как неассоциативные (сенсити-зация, габитуация), так и ассоциативные (классический и оперантный условный рефлекс), молекулярные механизмы которых сходны с таковыми у млекопитающих [11, 12].
Ольфакторное обучение дрозофилы в павловской парадигме предполагает ряд тренировочных сессий, в каждой из которых: а) условный стимул (УС; запах А) сочетается с негативным безусловным стимулом (БС; 12 импульсов электрического тока) в течение одной минуты; б) запах Б предъявляется без сочетания с БС в течение одной минуты [9]. От числа тренировочных сессий и наличия между ними промежутков зависит характер формирующейся памяти, которая подразделяется на несколько стадий [11, 13]:
1. Немедленная память, фиксирующая новово-спринятую информацию, или собственно обучение. Гены: latheo [14], linotte [15], PKA [16].
2. Краткосрочная память (КСП): 3-7 мин после обучения, одна тренировка. Гены: dunce [8], rutabaga [17].
3. Среднесрочная память (ССП): 30 мин - 3 ч, одна тренировка. Гены: amnesiac [18], DC0/PKA [19]. В составе ССП также выделяют:
3.1. Память, чувствительная к анестезии (АЧП). Гены: rutabaga [20].
3.2. Память, устойчивая к анестезии (АУП): до четырех сут.; 2-10 тренировок без перерывов. Гены: radish [21], DaPKM [22]. АУП часто выделяют в особую форму памяти, возникающую вслед за ССП.
4. Долгосрочная память (ДСП): > 3-6 ч - до 9 сут.; 10 тренировок с перерывами по 15 мин. Гены: CREB2 [23, 24].
Указаны лишь некоторые из генов, мутации которых вызывают снижение или полное исчезновение соответствующих форм памяти. Многие из них кодируют белки сАМР-зависимых сигнальных каскадов, что говорит об исключительной важности данной системы для процессов обучения и памяти. В регуляции этих процессов также участвуют гены рецепторов, белков клеточной адгезии, сигнальных каскадов, регуляторов репликации ДНК, трансляции и др. [10].
Формирование памяти на ранних стадиях не требует синтеза белка и связано с временными ковалентными модификациями предсуществую-щих белков-мишеней [11, 25]. Это, главным образом, сАМР-зависимое фосфорилирование ионных каналов, определяющих проводимость клеточной мембраны и возбудимость нейрона. У аплизии
возникновение следов памяти связано с РКА-зависимым блокированием специфических К+-ка-налов, что вызывает деполяризацию мембраны и увеличение входа Ca2+ в клетку. РКА также влияет на экзоцитоз медиатора в синаптическую щель. Ген linotte кодирует рецепторную тирозин-киназу [26], а latheo регулирует синаптическую пластичность и внутриклеточную Са2+-сигнали-зацию [27].
Формирование КСП и ССП напрямую связано с регуляцией продукции сАМР. Гены dunce и rutabaga кодируют соответственно cAMP-специфичную фосфодиэстеразу II (PDE II) [28] и Са2+/СаМ-зависимую аденилатциклазу I (AC I) [29, 30]. AC I, по-видимому, является связующим молекулярным звеном между УС и БС [31]. Мутация в гене DC0 каталитической субъединицы РКА вызывает дефекты обучения и быстрое угасание ССП [32]. Ген amnesiac кодирует нейропеп-тид, предположительно, активирующий адени-латциклазу (PACAP) [33].
сАМР-зависимые каскады также играют ключевую роль в процессах консолидации памяти. Стабильное повышение активности РКА является связующим звеном между краткосрочной и долгосрочной памятью у аплизии и дрозофилы [34, 35]. Формирование ДСП связано с процессом синтеза белка de novo, который регулируется транскрипционным фактором CREB [12, 23, 24]. У аплизии серотонин при многократном воздействии на сенсорный нейрон индуцирует РКА-зависимое фосфорилирование CREB по Ser119, запуская транскрипцию [36]. У дрозофилы изоформа dCREB2-a активирует транскрипцию, а dCREB2-b является репрессором dCREB2-a. dCREB2-a активируется при фосфорилировании остатка, гомологичного Ser133 CREB млекопитающих [24]. Данный фактор также содержит последовательности для фосфорилирования другими киназами, включая РКС и СаМКП. Активация dCREB2-a проявляется в уменьшении числа тренировок (от 10 до 1), после которых формируется ДСП. Это позволяет считать dCREB2-a "молекулярным переключателем", запускающим процессы консолидации [23].
Согласно некоторым авторам [37], в головах дрозофил dCREB2-a конститутивно фосфори-лирован по сайту РКА и казеинкиназы, и в его регуляции ключевую роль могут играть другие факторы. Была предложена следующая модель активации тран
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.