Разгадана связь между генетической мутацией и спариванием у плодовых мух

Более века назад ранние генетики показали, что наследование одной мутации у плодовых мух может изменить цвет тела насекомого и одновременно нарушить его брачное поведение. Эти исследования, проведенные в лаборатории Томаса Ханта Моргана, стали первым доказательством генетической основы некоторых форм поведения и ранним примером плейотропии — явления, когда один ген влияет на несколько признаков.

В последующие десятилетия ученые не могли удовлетворительно объяснить, как одна мутация меняет цвет тела самца мухи с коричневого на желтый и одновременно влияет на спаривание. Некоторые предполагали, что мутация вызывает изменения в мозге.

Однако в исследовании, опубликованном 15 октября в журнале eLife, биологи из Мичиганского университета показали, что разгадка тайны "желтых мух" кроется не в их мозге, а в изменении морфологии специализированных структур на ногах — половых гребней.

Используя серию генетических скринингов и высокоскоростную видеосъемку спаривания, исследователи продемонстрировали, что у самцов желтых мух, лишенных пигментов в половых гребнях, нарушена способность захватывать самок для копуляции после ухаживания. Это объясняет, почему желтые мухи плохо спариваются, и раскрывает функцию половых гребней — видоизмененных щетинок на передних ногах.

Результаты работы могут найти применение в борьбе с вредителями и в сфере общественного здравоохранения, считает первый автор статьи Джонатан Мэсси. "Мы хотели решить загадку желтой мухи, чтобы лучше объяснить, как гены, контролирующие морфологию животного, могут также влиять на его поведение", — сказал Мэсси.

У насекомых пигменты синтезируются из дофамина, который также известен как нейромедиатор в мозге. Из-за этой связи предполагалось, что у желтых мух изменен уровень дофамина в мозге, что и вызывает аномальное спаривание.

Но Мэсси и его коллеги показали, что проблема связана с ролью дофамина в синтезе пигмента, а не с его функцией нейромедиатора. У желтых мутантов отсутствует пигмент меланин, который у плодовых мух также отвечает за упрочнение различных частей тела, включая половые гребни.

Исследователи предположили, что без меланина гребни теряют жесткость, необходимую для захвата брюшка самки. Сканирующая электронная микроскопия подтвердила структурные изменения гребней у мутантов, включая трещину в одном из зубцов.

"Мы провели множество дополнительных экспериментов, подтверждающих, что все дело в влиянии меланина на способность гребня захватывать самок", — сказал Мэсси. "Разгадав тайну желтой мухи, мы смогли показать, как ген, изменяющий пигментацию насекомого, одновременно может быть критически важен для его брачного поведения".

Исследование началось в 2016 году с сотрудничества Мэсси и студентки-нейробиолога Дааюн Чунг. Мэсси продолжил работу над этой темой для своей докторской диссертации в лаборатории Патриции Витткопп, а затем два года работал в лаборатории Дэвида Стерна в исследовательском кампусе Janelia Медицинского института Говарда Хьюза, где и были сделаны высокоскоростные видео.