Учёные определили ген, влияющий на брачную песню самцов дрозофил
Установить точную связь между генами и поведением — сложная задача для биологов. Учёные из Janelia Research Campus разработали новые стратегии для её решения. Используя новые технологии, группа под руководством Дэвида Штерна идентифицировала ген, из-за которого самцы Drosophila производят разные брачные песни: один поёт на высокой ноте, другой — на низкой.
"Хотя биологи десятилетиями пытались отследить гены, вызывающие вариации в поведении, данных по этому поводу до обидного мало", — говорит Штерн. Он надеется, что результаты и методология, опубликованные 10 августа 2016 года в Nature, послужат дорожной картой для определения других генетических корней поведения.
Вариация в песне плодовой мушки, которую группа Штерна изначально картировала между двумя видами, Drosophila simulans и Drosophila mauritiana, сводится к мутации в гене, кодирующем ионный канальный белок slowpoke. Причинной мутацией является вставка крупного ретроэлемента в интрон гена slowpoke, то есть мутация находится в некодирующей области гена. "Это один пример того, как гены эволюционируют для создания вариаций", — говорит Штерн. — "Но чтобы получить общее представление об эволюции поведения, нам нужно много примеров".
Перед идентификацией slowpoke как ответственного гена, команда преодолела ряд препятствий, начав с создания специальной звукозаписывающей студии для дрозофил.
Для привлечения партнёрши самцы плодовых мух "поют", взмахивая крыльями, производя два звука: импульсную песню (напоминающую мини-вертолёт) и синусоидальную песню (непрерывное гудение постоянной частоты). Песни очень тихие — самки слышат их только с расстояния около сантиметра. Поэтому команда создала крошечные кабинки для записи.
"Мы называем это 'courtship-orama'", — говорит Штерн. — "Она может одновременно записывать 32 пары [мух] с помощью массива из 32 микрофонов. Наши усилители усиливают звук в 1000 раз, а программное обеспечение автоматически анализирует каждую характеристику песни".
В сочетании с методом высокопроизводительного секвенирования multiplexed shotgun genotyping группа сначала провела количественное картирование локусов признаков (QTL), выявив статистическую связь между поведенческим признаком (частотой синусоидальной песни) и участками генома. Они обнаружили, что вариация тона песни связана с участком ДНК длиной около 1 миллиона пар оснований.
Затем Штерн и постдок Юнь Дин сузили этот участок до ~140 000 пар оснований с помощью целевой стратегии скрещивания. Дин увидел, что потомки, поющие на более низкой частоте (как у D. simulans), всегда несли этот участок ДНК от D. simulans, а мухи с этим участком от D. mauritiana пели на более высокой частоте.
Чтобы повысить разрешение картирования, команда использовала CRISPR/Cas9-опосредованное редактирование генома для введения флуоресцентных маркеров в определённые сайты генома. Это позволило визуально отбирать мух с событиями рекомбинации в нужном регионе. С помощью этой стратегии они локализовали причину различия в песне до участка менее 1000 пар оснований внутри гена slowpoke.
Затем с помощью CRISPR они удалили предполагаемую причинную мутацию — интронный ретроэлемент, — что подтвердило её роль в создании низкочастотных песен. Удивительно, но этот ретроэлемент был найден только в штамме D. simulans, использованном для картирования, но не в других изученных штаммах. Это означает, что это эволюционно недавняя, редкая вариация в популяциях D. simulans. Для выяснения её истории требуются дальнейшие исследования. Этот результат также указывает, что не только slowpoke, но и другие гены влияют на вариацию тона у D. simulans и D. mauritiana.
"Это исследование — настоящий tour de force, поскольку оно идентифицирует генетическое происхождение вариации поведения", — говорит эволюционный биолог Бенджамин Прудомм. — "Оно задаёт новый стандарт для генетического анализа, в том числе для видов, не являющихся классическими генетическими моделями. Большинство техник редактирования генома из этого исследования можно перенести на большинство видов".
Сейчас группа Штерна расширяет свою работу, используя высокопроизводительные методы для поиска других генов, вызывающих вариации в брачной песне (например, скорости импульсов). Но они смотрят и на более широкую картину.
"Речь не только об идентификации ответственных генов; важно понять, как эти генетические изменения меняют функцию нейронов, чтобы генерировать эти вариации", — говорит Штерн.
"Святой Грааль всего этого — объединить нейроанатомию, нейрофизиологию и эволюционную генетику, чтобы выяснить, существуют ли общие принципы, лежащие в основе эволюции мозга".