果蝇的基因与行为

果蝇的基因与行为摘要 本文首先简单回顾了在果蝇研究历史中一些具有里程碑性的研究成果,然后着重介绍了以果蝇为实验模型所具有的诸多优势,以及在基因、脑、行为框架下的一些最新研究成果和未来的研究方向。关键词 果蝇 基因 行为前言在对果蝇近百年的研究历史上,人类取得了举世瞩目的成就,为此有多位科学家获得了诺贝尔奖。1910 年摩尔根(T. H. Morgan) 首先选择果蝇作为研究对象,将基因定位于染色体上,提出了遗传的染色体理论,开创了经典遗传学的新时代,并于 1933 年摩尔根获得了诺贝尔奖。1927 年摩尔根的学生穆勒(H. J . Muller) 采用 X - 射线照射方法获得大量果蝇突变体,从而找到了一种人为产生突变体的有效手段,为进一步研究基因的结构和功能开辟了一个新领域。1946 年的诺贝尔奖授予了穆勒。随着 DNA 双螺旋结构的发现, 进入了遗传学的分子时代, 刘易斯( E. B.Lewis) 、努斯莱英 - 福尔哈特(C. Nuesslein -Volhard) 和维绍斯( E. F. Wieschaus) 在研究果蝇的发育过程中,发现了控制果蝇早期胚胎发育的一些基因。随后的研究表明这些基因具有高度的保守性,控制着所有动物胚胎发育中的躯体结构设计。1995 年这三位科学家分享了诺贝尔奖。果蝇的基因特征果蝇具有二倍体的染色体组,并且只有四对染色体。第一对是性染色体,其它三对为常染色体。其中,第二、三两对常染色体,包含了近 80 %的遗传信息。第四对常染色体很小,只包含近 2 %的遗传信息。这样一套“小”而“全”的染色体组使我们更容易操作。果蝇具有大量影响神经系统和行为的单基因突变体。神经系统功能是由基因的调控和蛋白质的合成来实现的。大多数果蝇突变体是用物理、化学和分子生物学方法改变果蝇的基因结构获得的,由于基因的改变造成其调节失控或蛋白质产物的改变或缺失,进一步影响了特定的生理功能或行为。可以通过研究蛋白质在神经元及组织中的时空表达模式,来发现基因是怎样调控神经系统的发育和功能,并能更好地理解基因和行为的关系。美国科学杂志 2000 年 3 月 24 日报道:果蝇基因组的测序工作已经结束,并确定了果蝇细胞中包含约 13600 个基因。这些工作是果蝇基因组计划(The Drosophila Genome Project) 的一个重要组成部分,是进一步确定果蝇基因的结构及其生物学意义的重要基础,为最终完成人类基因组计划(Human Genome Project) 提供理论指导和技术支持。在对果蝇与人类基因的比较中发现,三分之二引发人类疾病的基因(包括与脑疾病、神经分化以及癌症有关的基因) 在果蝇基因组中存在着相似基因。这些发现说明以果蝇为模型进行基础研究为最终战胜人类疾病有着巨大的实用价值。果蝇的脑结构果蝇的脑主要指食管上神经节,大约有 105 个神经元,可分为 3 个区域: 前脑,中脑和后脑。前脑包括高级感觉中心,如蘑菇体(Mushroom Bodies) 和中央复合体(Central Complex) 。蘑菇体是果蝇脑中一对对称的结构,每个包括大约 2500 个神经元。蘑菇体经其萼叶(Calyx) 接收从嗅叶 (Antennal Lobe)来得嗅觉信息。蘑菇体对于嗅觉学习记忆非常重要,类似哺乳动物的海马(Hippocampus) ,是整合多种感觉输入及形成记忆的部位。中脑主要包括天线触觉区(Antenna) ,而后脑主要包括内分泌神经元和控制进食与消化的运动神经元。果蝇脑中神经元之间的信息传递是通过神经肽来实现的。神经肽由蛋白质前体经修饰得来,大小从 3 个氨基酸残基到 50 多个氨基酸残基不等。目前许多编码神经肽的基因已经确认,并运用分子遗传学方法分析神经肽受体和第二信使通路取得了显著的进展。神经肽作为信使在果蝇的神经系统中已发现了 100 多种,这些神经肽在果蝇神经系统中分别承担着荷尔蒙、神经递质和神经调质的作用。一种神经肽可能会在不同的位点和不同的水平(中央神经回路,外周神经回路以及外周靶位) 起作用。每个神经回路都包括感觉神经元、中间神经元和运动神经元,而不同神经回路在神经元水平存在着重叠。神经肽是通过调节不同神经回路的时空活动模式来影响行为输出。果蝇的行为行为是有机体最复杂的表现形式,它是一个动力学过程,涉及有机体的功能和对不断变化的外部环境的反应。果蝇的行为主要包括运动、梳理、进食、相互通信、飞行、迁移、学习、繁殖以及对环境变化,如温度、湿度等产生的各种反应。一般认为行为是动物对外界刺激或环境所进行的反应,这些反应应该可观察得到的和可描述的行为,然而果蝇在没有明显的刺激条件下,也会产生一些自发的行为。因此对果蝇行为的研究应包括:果蝇是如何从环境中获得信息的 ,信息是如何被处理的以及行为反应。由于中枢神经系统需要对信息进行整合,因此在刺激和反应输出之间存在着延迟。所以行为应该包括这样一些连续步骤:刺激的识别,信号传递,信息整合,反应或运动输出。对果蝇的行为的分析需要严格地控制环境条件,因为在测试条件下即使微小的条件变化都会影响对行为的评价。客观的评价果蝇的行为还应包括在一定条件下对其生理和形态的变化进行分析。分子遗传学技术成为分析果蝇行为的强有利工具。应用分子生物学手段可以对感兴趣的基因进行克隆,进一步判定其 DNA 序列和蛋白质产物,并可经 P - element 介导外源基因获得转基因果蝇,使我们能够在细胞、分子水平上分析受基因影响的诸多行为(如生物钟、求偶行为、运动和学习记忆) 。果蝇与学习记忆在不同的实验条件下,果蝇能表现出习惯化、敏感化、经典条件化和可操作条件化等学习能力。在七十年代,科学家开始尝试训练果蝇将电击与躲避一种气味建立联系。通过这样一种方法将具有正常气味分辨能力和躲避电击但不能将二者之间建立联系的果蝇突变体筛选出来。果蝇 dunce 突变体是因其嗅觉联想学习缺陷而被分离出来的第一个学习记忆突变体。这种突变体能表现出正常的趋光性,能感觉到气味。在对其进行的联想学习检验中发现,其学习指数都要比正常野生型果蝇的低。突变体 dunce 的记忆是相当不稳定的,只能保持几分钟,而正常野生型果蝇可以保持几天。Dunce 基因长大约 140kb ,由于转录起始位点不同以及外显子连接的不同,可以产生 8 - 10 个 RNA 分子,大小从 412 -915kb。Dunce 基因包含一个 79kb 的内含子,在这个内含子中又包含两个基因。这种基因套基因的生物学意义还不清楚。现在发现 dunce 是编码 cAMP cycle adenosine monophosphate) 磷酸二酯酶的结构基因。果蝇至少有两种环核苷酸磷酸二酯酶(PED1、PED2) , 它们具有不同的分子量和温度稳定性。Dunce 的所有等位基因突变体都降低或破坏了 PED2 的活性,而 PDE1 的活性不受影响。另外dunce 基因明显是一保守基因,通过对 dunce 基因的克隆和序列分析,发现它与其它物种的磷酸二酯酶基因有着广泛的同源性,并且在蛋白质水平推测出与 cAMP 连接的区域。另外,Dunce 基因产物与 Aplysia 产卵激素( Egg - Laying Hormone , ELH) 的前体有一定的同源性,这可能就是造成 dunce 雌性果蝇不育的原因。基因的活性可以用 enhancer - trap 技术来确定,这一技术包括将一报告基因(reporter gene) 加入到 P - element 中,当报告基因插入到染色体中特异的 enhancer 后,导致报告基因在特定组织的特殊阶段表达。通过组织切片确定在蘑菇体中特异表达的突变体,发现有 50 多个突变体影响其嗅觉联想学习, 其中包括 rutabaga 的几个等位基因。果蝇突变体rutabaga 在嗅觉联想学习过程中学习能力要比野生型的差,同时对所学的几乎立即忘却。Rutabaga 基因定位于 X 染色体,与 Ca2 + 激腺苷酸环化酶(Adenylyl Cyclase , AC) 的活性成正比 ,编码腺苷酸环化酶的催化亚单位。因此 rutabaga 在果蝇的学习记忆过程中也参与 cAMP 的代谢。对 Aplysia 经典条件化过程的研究发现:cAMP 是神经元中第二信使信号通路中的重要一员 ,协助形成联想记忆。同样的结果在对果蝇的研究中也得到了证实。在实验中发现 dunce 突变体降低或减少了 PDE2 活性,从而引起突变体脑中 cAMP 含量增高,另一方面 rutabaga 突变体降低了腺苷环化酶的活性,从而导致突变体脑内 cAMP 含量的降低。虽然两种果蝇突变体对 cAMP 代谢产生了相反的影响,但是它们都同样影响了学习与记忆。用干扰 cAMP 代谢的药物如 ceffeine 处理正常果蝇,影响其学习。这种处理不可能引起神经系统形态的改变。因此正常的 cAMP 水平对于学习是必须的。第二信使 cAMP 含量的减少或增加都影响学习,表明嗅觉联想学习不受cAMP 含量的直接影响。这就意味着在代谢过程中各个组份有一个最佳平衡状态,增加或减少代谢过程中的某种组份都将引起整个系统输出的降低。另一方面dunce 和rutabaga 双基因突变体具有正常的 cAMP 含量,但是这种双基因果蝇突变体学习能力更差,这表明腺苷环化酶和 PDE2 活性对果蝇具有正常学习记忆是必不可少的。虽然干扰了正常的生化过程是导致突变体学习不能的直接原因,但是,这种突变体也同样影响了果蝇脑中神经元结构的正常发育,改变了神经元之间的连接。引人注目的进展是研究影响学习记忆基因在果蝇脑内发挥作用的部位。采用cAMP PDEase 抗体免疫组化的方法发现,果蝇成虫脑内染色最强烈的区域是蘑菇体。原位杂交显示 dunce RNA 在蘑菇体的核周体含量丰富。果蝇幼虫蘑菇体也显示强烈染色,说明 dunce PDEase 在蘑菇体区域的神经元发育过程中起着重要作用。正常野生型果蝇,羽化后第一周内蘑菇体的神经元数量有一个暂时的增加,在这一阶段神经元的数量依赖于先前的经验,果蝇饲养在隔离的或没有嗅觉经验的环境中,将使蘑菇体中神经元的数量减少。突变体 dunce 羽化前其神经元数量要比野生型果蝇多,但是在其羽化后的一周内神经元的数量陡减到与嗅觉经验被剥夺的水平。而 rutabaga 突变体在羽化时神经元的数量就低 ,并且在羽化后一周没有显著的增加。除了对果蝇嗅觉经典条件化研究外,对果蝇视觉操作式条件化(Operant Conditioning) 的研究也取得了重要进展。在以视觉目标或颜色为线索,以温度等感觉输入为强化因子的视觉飞行定向的操作式条件化中,证明单只果蝇具有学习和记忆的能力。同时果蝇能够对视觉信息进行归纳。在存在两个或多个视觉信息输入的条件下,果蝇能够在实践中从两个或多个视觉信息输入中归纳出条件刺激,而忽略其它视觉信息输入。果蝇的蘑菇体可能对环境中各种视觉刺激进行动态分析,并在时间参量上能与非条件刺激进行比较,把与非条件刺激同步改变的视觉刺激作为条件刺激,而忽略在时间参量上与非条件刺激不同步变化的视觉刺激信号。采用药理学和分子遗传学技术除去果蝇的蘑菇体后,果蝇将无法对视觉信息输入进行归纳。蘑菇体缺失的果蝇不能对各种刺激进行归纳,可能因为它们不能将各种视觉信息分开,把它们构成了一个复合体。因此当背景信息改变后,复合体也改变了,这样就阻止了对视觉刺激信号的归纳。这些最新的研究成果为我们进一步运用分子遗传学和行为学的研究手段和方法了解果蝇脑的基本认知功能开辟了崭新的前景。无论结构相对简单的脑还是相对复杂的脑,都在进化和发育过程中逐渐获得了各自不同水平的认知功能,而基本的认知功能更可能存在于结构相对简单的脑中。因此通过对相对简单的果蝇的脑的研究,使我们可以发现脑在由小到大、由简单到复杂的进化过程中获得了什么新功能。结语果蝇作为神经遗传学研究的理想动物模型,在脑科学的研究中也必将发挥出其巨大的潜力。一方面在分子水平上研究基因在调控脑结构的发育及功能方面的重要作用;另一方面,行为作为脑的主要功能表现形式 ,通过研究不同的行为变化与脑的关系,最终实现基因、脑和行为的有机结合。参考文献1 Andretic R , Chaney S , Hirsh J . 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