果蠅的基因與行為.doc

果蠅的基因與行為摘要 本文首先簡單回顧了在果蠅研究歷史中一些具有里程碑性的研究成果,然后著重介紹了以果蠅為實驗?zāi)Ｐ退哂械闹T多優(yōu)勢,以及在基因、腦、行為框架下的一些最新研究成果和未來的研究方向。關(guān)鍵詞 果蠅 基因 行為前言在對果蠅近百年的研究歷史上,人類取得了舉世矚目的成就,為此有多位科學(xué)家獲得了諾貝爾獎。1910 年摩爾根(T. H. Morgan) 首先選擇果蠅作為研究對象,將基因定位于染色體上,提出了遺傳的染色體理論,開創(chuàng)了經(jīng)典遺傳學(xué)的新時代,并于1933 年摩爾根獲得了諾貝爾獎。1927 年摩爾根的學(xué)生穆勒(H. J . Muller) 采用X - 射線照射方法獲得大量果蠅突變體,從而找到了一種人為產(chǎn)生突變體的有效手段,為進(jìn)一步研究基因的結(jié)構(gòu)和功能開辟了一個新領(lǐng)域。1946 年的諾貝爾獎授予了穆勒。隨著DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn),進(jìn)入了遺傳學(xué)的分子時代, 劉易斯( E. B.Lewis) 、努斯萊英- 福爾哈特(C. Nuesslein -Volhard) 和維紹斯( E. F. Wieschaus) 在研究果蠅的發(fā)育過程中,發(fā)現(xiàn)了控制果蠅早期胚胎發(fā)育的一些基因。隨后的研究表明這些基因具有高度的保守性,控制著所有動物胚胎發(fā)育中的軀體結(jié)構(gòu)設(shè)計。1995 年這三位科學(xué)家分享了諾貝爾獎。果蠅的基因特征果蠅具有二倍體的染色體組,并且只有四對染色體。第一對是性染色體,其它三對為常染色體。其中,第二、三兩對常染色體,包含了近80 %的遺傳信息。第四對常染色體很小,只包含近2 %的遺傳信息。這樣一套“小”而“全”的染色體組使我們更容易操作。果蠅具有大量影響神經(jīng)系統(tǒng)和行為的單基因突變體。神經(jīng)系統(tǒng)功能是由基因的調(diào)控和蛋白質(zhì)的合成來實現(xiàn)的。大多數(shù)果蠅突變體是用物理、化學(xué)和分子生物學(xué)方法改變果蠅的基因結(jié)構(gòu)獲得的,由于基因的改變造成其調(diào)節(jié)失控或蛋白質(zhì)產(chǎn)物的改變或缺失,進(jìn)一步影響了特定的生理功能或行為?？梢酝ㄟ^研究蛋白質(zhì)在神經(jīng)元及組織中的時空表達(dá)模式,來發(fā)現(xiàn)基因是怎樣調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育和功能,并能更好地理解基因和行為的關(guān)系。美國科學(xué)雜志2000 年3 月24 日報道:果蠅基因組的測序工作已經(jīng)結(jié)束,并確定了果蠅細(xì)胞中包含約13600 個基因。這些工作是果蠅基因組計劃(The Drosophila Genome Project) 的一個重要組成部分,是進(jìn)一步確定果蠅基因的結(jié)構(gòu)及其生物學(xué)意義的重要基礎(chǔ),為最終完成人類基因組計劃(Human Genome Project) 提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。在對果蠅與人類基因的比較中發(fā)現(xiàn),三分之二引發(fā)人類疾病的基因(包括與腦疾病、神經(jīng)分化以及癌癥有關(guān)的基因) 在果蠅基因組中存在著相似基因。這些發(fā)現(xiàn)說明以果蠅為模型進(jìn)行基礎(chǔ)研究為最終戰(zhàn)勝人類疾病有著巨大的實用價值。果蠅的腦結(jié)構(gòu)果蠅的腦主要指食管上神經(jīng)節(jié),大約有105 個神經(jīng)元,可分為3 個區(qū)域:前腦,中腦和后腦。前腦包括高級感覺中心,如蘑菇體(Mushroom Bodies) 和中央復(fù)合體(Central Complex) 。蘑菇體是果蠅腦中一對對稱的結(jié)構(gòu),每個包括大約2500 個神經(jīng)元。蘑菇體經(jīng)其萼葉(Calyx) 接收從嗅葉(Antennal Lobe)來得嗅覺信息。蘑菇體對于嗅覺學(xué)習(xí)記憶非常重要,類似哺乳動物的海馬(Hippocampus) ,是整合多種感覺輸入及形成記憶的部位。中腦主要包括天線觸覺區(qū)(Antenna) ,而后腦主要包括內(nèi)分泌神經(jīng)元和控制進(jìn)食與消化的運(yùn)動神經(jīng)元。果蠅腦中神經(jīng)元之間的信息傳遞是通過神經(jīng)肽來實現(xiàn)的。神經(jīng)肽由蛋白質(zhì)前體經(jīng)修飾得來,大小從3 個氨基酸殘基到50 多個氨基酸殘基不等。目前許多編碼神經(jīng)肽的基因已經(jīng)確認(rèn),并運(yùn)用分子遺傳學(xué)方法分析神經(jīng)肽受體和第二信使通路取得了顯著的進(jìn)展。神經(jīng)肽作為信使在果蠅的神經(jīng)系統(tǒng)中已發(fā)現(xiàn)了100 多種,這些神經(jīng)肽在果蠅神經(jīng)系統(tǒng)中分別承擔(dān)著荷爾蒙、神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)調(diào)質(zhì)的作用。一種神經(jīng)肽可能會在不同的位點(diǎn)和不同的水平(中央神經(jīng)回路,外周神經(jīng)回路以及外周靶位) 起作用。每個神經(jīng)回路都包括感覺神經(jīng)元、中間神經(jīng)元和運(yùn)動神經(jīng)元,而不同神經(jīng)回路在神經(jīng)元水平存在著重疊。神經(jīng)肽是通過調(diào)節(jié)不同神經(jīng)回路的時空活動模式來影響行為輸出。果蠅的行為 行為是有機(jī)體最復(fù)雜的表現(xiàn)形式,它是一個動力學(xué)過程,涉及有機(jī)體的功能和對不斷變化的外部環(huán)境的反應(yīng)。果蠅的行為主要包括運(yùn)動、梳理、進(jìn)食、相互通信、飛行、遷移、學(xué)習(xí)、繁殖以及對環(huán)境變化,如溫度、濕度等產(chǎn)生的各種反應(yīng)。一般認(rèn)為行為是動物對外界刺激或環(huán)境所進(jìn)行的反應(yīng),這些反應(yīng)應(yīng)該可觀察得到的和可描述的行為,然而果蠅在沒有明顯的刺激條件下,也會產(chǎn)生一些自發(fā)的行為。因此對果蠅行為的研究應(yīng)包括:果蠅是如何從環(huán)境中獲得信息的,信息是如何被處理的以及行為反應(yīng)。由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)需要對信息進(jìn)行整合,因此在刺激和反應(yīng)輸出之間存在著延遲。所以行為應(yīng)該包括這樣一些連續(xù)步驟:刺激的識別,信號傳遞,信息整合,反應(yīng)或運(yùn)動輸出。對果蠅的行為的分析需要嚴(yán)格地控制環(huán)境條件,因為在測試條件下即使微小的條件變化都會影響對行為的評價。客觀的評價果蠅的行為還應(yīng)包括在一定條件下對其生理和形態(tài)的變化進(jìn)行分析。分子遺傳學(xué)技術(shù)成為分析果蠅行為的強(qiáng)有利工具。應(yīng)用分子生物學(xué)手段可以對感興趣的基因進(jìn)行克隆,進(jìn)一步判定其DNA 序列和蛋白質(zhì)產(chǎn)物,并可經(jīng)P - element 介導(dǎo)外源基因獲得轉(zhuǎn)基因果蠅,使我們能夠在細(xì)胞、分子水平上分析受基因影響的諸多行為(如生物鐘、求偶行為、運(yùn)動和學(xué)習(xí)記憶) 。果蠅與學(xué)習(xí)記憶在不同的實驗條件下,果蠅能表現(xiàn)出習(xí)慣化、敏感化、經(jīng)典條件化和可操作條件化等學(xué)習(xí)能力。在七十年代,科學(xué)家開始嘗試訓(xùn)練果蠅將電擊與躲避一種氣味建立聯(lián)系。通過這樣一種方法將具有正常氣味分辨能力和躲避電擊但不能將二者之間建立聯(lián)系的果蠅突變體篩選出來。果蠅dunce突變體是因其嗅覺聯(lián)想學(xué)習(xí)缺陷而被分離出來的第一個學(xué)習(xí)記憶突變體。這種突變體能表現(xiàn)出正常的趨光性,能感覺到氣味。在對其進(jìn)行的聯(lián)想學(xué)習(xí)檢驗中發(fā)現(xiàn),其學(xué)習(xí)指數(shù)都要比正常野生型果蠅的低。突變體dunce 的記憶是相當(dāng)不穩(wěn)定的,只能保持幾分鐘,而正常野生型果蠅可以保持幾天。Dunce 基因長大約140kb ,由于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)不同以及外顯子連接的不同,可以產(chǎn)生8 - 10 個RNA 分子,大小從412 -915kb。Dunce 基因包含一個79kb 的內(nèi)含子,在這個內(nèi)含子中又包含兩個基因。這種基因套基因的生物學(xué)意義還不清楚。現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)dunce 是編碼cAMP cycle adenosine monophosphate) 磷酸二酯酶的結(jié)構(gòu)基因。果蠅至少有兩種環(huán)核苷酸磷酸二酯酶(PED1、PED2) , 它們具有不同的分子量和溫度穩(wěn)定性。Dunce 的所有等位基因突變體都降低或破壞了PED2 的活性,而PDE1 的活性不受影響。另外dunce 基因明顯是一保守基因,通過對dunce 基因的克隆和序列分析,發(fā)現(xiàn)它與其它物種的磷酸二酯酶基因有著廣泛的同源性,并且在蛋白質(zhì)水平推測出與cAMP 連接的區(qū)域。另外,Dunce 基因產(chǎn)物與Aplysia產(chǎn)卵激素( Egg - Laying Hormone , ELH) 的前體有一定的同源性,這可能就是造成dunce 雌性果蠅不育的原因?；虻幕钚钥梢杂胑nhancer - trap 技術(shù)來確定,這一技術(shù)包括將一報告基因(reporter gene) 加入到P - element 中,當(dāng)報告基因插入到染色體中特異的enhancer 后,導(dǎo)致報告基因在特定組織的特殊階段表達(dá)。通過組織切片確定在蘑菇體中特異表達(dá)的突變體,發(fā)現(xiàn)有50 多個突變體影響其嗅覺聯(lián)想學(xué)習(xí), 其中包括rutabaga 的幾個等位基因。果蠅突變體rutabaga 在嗅覺聯(lián)想學(xué)習(xí)過程中學(xué)習(xí)能力要比野生型的差,同時對所學(xué)的幾乎立即忘卻。Rutabaga 基因定位于X 染色體,與Ca2 + 激腺苷酸環(huán)化酶(Adenylyl Cyclase , AC) 的活性成正比,編碼腺苷酸環(huán)化酶的催化亞單位。因此rutabaga 在果蠅的學(xué)習(xí)記憶過程中也參與cAMP 的代謝。對Aplysia 經(jīng)典條件化過程的研究發(fā)現(xiàn):cAMP 是神經(jīng)元中第二信使信號通路中的重要一員,協(xié)助形成聯(lián)想記憶。同樣的結(jié)果在對果蠅的研究中也得到了證實。在實驗中發(fā)現(xiàn)dunce 突變體降低或減少了PDE2 活性,從而引起突變體腦中cAMP 含量增高,另一方面rutabaga 突變體降低了腺苷環(huán)化酶的活性,從而導(dǎo)致突變體腦內(nèi)cAMP 含量的降低。雖然兩種果蠅突變體對cAMP 代謝產(chǎn)生了相反的影響,但是它們都同樣影響了學(xué)習(xí)與記憶。用干擾cAMP 代謝的藥物如ceffeine處理正常果蠅,影響其學(xué)習(xí)。這種處理不可能引起神經(jīng)系統(tǒng)形態(tài)的改變。因此正常的cAMP 水平對于學(xué)習(xí)是必須的。第二信使cAMP 含量的減少或增加都影響學(xué)習(xí),表明嗅覺聯(lián)想學(xué)習(xí)不受cAMP 含量的直接影響。這就意味著在代謝過程中各個組份有一個最佳平衡狀態(tài),增加或減少代謝過程中的某種組份都將引起整個系統(tǒng)輸出的降低。另一方面dunce 和rutabaga 雙基因突變體具有正常的cAMP 含量,但是這種雙基因果蠅突變體學(xué)習(xí)能力更差,這表明腺苷環(huán)化酶和PDE2 活性對果蠅具有正常學(xué)習(xí)記憶是必不可少的。雖然干擾了正常的生化過程是導(dǎo)致突變體學(xué)習(xí)不能的直接原因,但是,這種突變體也同樣影響了果蠅腦中神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的正常發(fā)育,改變了神經(jīng)元之間的連接。引人注目的進(jìn)展是研究影響學(xué)習(xí)記憶基因在果蠅腦內(nèi)發(fā)揮作用的部位。采用cAMP PDEase 抗體免疫組化的方法發(fā)現(xiàn),果蠅成蟲腦內(nèi)染色最強(qiáng)烈的區(qū)域是蘑菇體。原位雜交顯示dunce RNA 在蘑菇體的核周體含量豐富。果蠅幼蟲蘑菇體也顯示強(qiáng)烈染色,說明dunce PDEase 在蘑菇體區(qū)域的神經(jīng)元發(fā)育過程中起著重要作用。正常野生型果蠅,羽化后第一周內(nèi)蘑菇體的神經(jīng)元數(shù)量有一個暫時的增加,在這一階段神經(jīng)元的數(shù)量依賴于先前的經(jīng)驗,果蠅飼養(yǎng)在隔離的或沒有嗅覺經(jīng)驗的環(huán)境中,將使蘑菇體中神經(jīng)元的數(shù)量減少。突變體dunce 羽化前其神經(jīng)元數(shù)量要比野生型果蠅多,但是在其羽化后的一周內(nèi)神經(jīng)元的數(shù)量陡減到與嗅覺經(jīng)驗被剝奪的水平。而rutabaga突變體在羽化時神經(jīng)元的數(shù)量就低,并且在羽化后一周沒有顯著的增加。除了對果蠅嗅覺經(jīng)典條件化研究外,對果蠅視覺操作式條件化(Operant Conditioning) 的研究也取得了重要進(jìn)展。在以視覺目標(biāo)或顏色為線索,以溫度等感覺輸入為強(qiáng)化因子的視覺飛行定向的操作式條件化中,證明單只果蠅具有學(xué)習(xí)和記憶的能力。同時果蠅能夠?qū)σ曈X信息進(jìn)行歸納。在存在兩個或多個視覺信息輸入的條件下,果蠅能夠在實踐中從兩個或多個視覺信息輸入中歸納出條件刺激,而忽略其它視覺信息輸入。果蠅的蘑菇體可能對環(huán)境中各種視覺刺激進(jìn)行動態(tài)分析,并在時間參量上能與非條件刺激進(jìn)行比較,把與非條件刺激同步改變的視覺刺激作為條件刺激,而忽略在時間參量上與非條件刺激不同步變化的視覺刺激信號。采用藥理學(xué)和分子遺傳學(xué)技術(shù)除去果蠅的蘑菇體后,果蠅將無法對視覺信息輸入進(jìn)行歸納。蘑菇體缺失的果蠅不能對各種刺激進(jìn)行歸納,可能因為它們不能將各種視覺信息分開,把它們構(gòu)成了一個復(fù)合體。因此當(dāng)背景信息改變后,復(fù)合體也改變了,這樣就阻止了對視覺刺激信號的歸納。這些最新的研究成果為我們進(jìn)一步運(yùn)用分子遺傳學(xué)和行為學(xué)的研究手段和方法了解果蠅腦的基本認(rèn)知功能開辟了嶄新的前景。無論結(jié)構(gòu)相對簡單的腦還是相對復(fù)雜的腦,都在進(jìn)化和發(fā)育過程中逐漸獲得了各自不同水平的認(rèn)知功能,而基本的認(rèn)知功能更可能存在于結(jié)構(gòu)相對簡單的腦中。因此通過對相對簡單的果蠅的腦的研究,使我們可以發(fā)現(xiàn)腦在由小到大、由簡單到復(fù)雜的進(jìn)化過程中獲得了什么新功能。結(jié)語果蠅作為神經(jīng)遺傳學(xué)研究的理想動物模型,在腦科學(xué)的研究中也必將發(fā)揮出其巨大的潛力。一方面在分子水平上研究基因在調(diào)控腦結(jié)構(gòu)的發(fā)育及功能方面的重要作用;另一方面,行為作為腦的主要功能表現(xiàn)形式,通過研究不同的行為變化與腦的關(guān)系,最終實現(xiàn)基因、腦和行為的有機(jī)結(jié)合。參考文獻(xiàn)1 Andretic R , Chaney S , Hirsh J . 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