Влияние перестроек кариотипа на поведение мышей

Еще одна категория мутационных изменений — хромосомные аберрации — также могут влиять на функции ЦНС. Из млекопитающих наиболее изученными в этом отношении оказались мыши.

Как известно, существует целый ряд хромосомных аномалий, возникновение которых в той или иной степени нарушает баланс физиологических процессов в организме. Наиболее известный и яркий пример трагического следствия подобного дисбаланса — так называемый синдром Дауна (см.: раздел 8.6.5.6). В кариотипе мыши описаны практически все известные типы аномалий хромосом, достаточно подробно проанализировано их влияние на эмбриогенез (см.: Дыбан, Баранов, 1977), однако исследование поведения таких мутантов проводилось лишь в некоторых случаях.

В кариотипе мыши описано большое число хромосомных транслокаций[1]. Линии мышей – носителей мутаций этой категории поддерживаются в лабораториях и питомниках, как, например, в Джексоновской лаборатории, наряду с другими инбредными мутантными линиями (см.: раздел 8.1.1).

Влияние хромосомных аномалий на функцию ЦНС и поведение мышей одним из первых предложил исследовать отечественный эмбриолог проф.А.П.Дыбан (1976). На основании данных по специфическому влиянию такого рода аномалий на ход эмбриогенеза мыши, он предположил, что характер влияния хромосомных перестроек на поведение также может зависеть от типа хромосомной перестройки. Первой работой в этой области был анализ способности к обучению реакции активного избегания у мышей-трисомиков по маркерной хромосоме Т6, возникшей в результате транслокации — изменения строения хромосом 13 и 14 (Федоров и др., 1973). Мыши-трисомики, исследованные этими авторами, обнаружили достоверное отставание в скорости приобретения данного навыка.

Далее в совместной работе А.П.Дыбана, В.С.Баранова с Л.В.Крушинским и его сотрудниками было проанализировано поведение мышей-носителей так называемых робертсоновских транслокаций[2]. Мыши-носители таких хромосомных перестроек не обнаруживают видимых отличий ни в физическом развитии, ни в плодовитости. В лабораторных условиях их разводят так же, как обычные лабораторные линии.

Для анализа возможных особенностей поведения мышей с робертсоновскими транслокациями был использован тест на способность к экстраполяции направления движения раздражителя, предложенный ранее Л.В.Крушинским (1986) для сравнения элементарной рассудочной деятельности животных разных видов и, в частности, крыс разного генотипа.

Суть методики заключалась в следующем: через небольшое отверстие в стенке камеры предварительно лишенное пищи животное начинало пить молоко. Кормушка с молоком, расположенная за этим отверстием, могла свободно перемещаться вправо или влево от мыши, причем ей был виден только начальный участок этой траектории. Иными словами, мышь получала информацию об исчезновении пищи и о направлении, в котором она исчезла. Задача заключалась в том, чтобы подойти к той стороне этой стенки, в направлении которой переместилась кормушка. Если доля правильных решений такой задачи (от всего числа предъявлений теста) достоверно отличалась от 50% случайного уровня, то можно было сделать вывод о неслучайном выборе "правильного" направления поиска животными данной группы. Следует сразу отметить, что подавляющее большинство тестированных мышей инбредных линий и аутбредных стоков давали в среднем именно 50% (т.е. случайный) уровень решения этого теста.

Способность к экстраполяции была проанализирована у значительного числа мышей, имевших в кариотипе робертсоновские транслокации (слияния) разных хромосом. У животных с робертсоновскими транслокациями Rb(6,15)1Ald, Rb(9,14)6Bnr, Rb(16,17)7Bnr, Rb(5,19)1Wh (в скобках указаны номера хромосом, вовлеченных в слияние) доля правильных решений этого теста также не отличалась от 50% случайного уровня. В то же время было обнаружено, что при слиянии хромосом 8 и 17 (это были транслокации Rb(8,17)1Iem и Rb(8,17)6Sic, возникшие совершенно независимо и найденные в разных лабораториях) мыши обнаруживают способность к экстраполяции (Крушинский и др., 1986). Мыши с этой транслокацией отличались и по способности к пространственной ориентации в лабиринте Морриса (см.: раздел 8.6.7.2), но в данном тесте их показатели были достоверно хуже, чем у мышей с нормальным кариотипом (Leitinger et al., 1994). Специальные эксперименты показали, что обнаруженные отклонения поведения связаны именно с наличием в кариотипе данной робертсоновской транслокации, поскольку они обнаруживались у мышей с разным генетическим фоном (Крушинский и др., 1986). Эта хромосомная мутация – слияние хромосом 8 и 17 — вызывает также изменения в содержании мозговых моноаминов (Салимов и др., 1995). Обнаруженные особенности мышей с этой транслокацией несомненно свидетельствуют о ее влиянии на фунцкию ЦНС. По-видимому этот феномен отражает так называемый эффект положения – изменение функции генетических элементов в зависимости от местоположения их в геноме. Нельзя исключить, что слияние хромосом изменяет пространственное их расположение в интерфазном ядре, а это, в свою очередь, может повлиять на процессы экспрессии некоторых генов.

8.6.4.3. Влияние на поведение генов, вызывающих неврологические отклонения.

Выше (см.: раздел 8.5.4), рассматривая способы выявления первичного эффекта действия гена, мы уже касались проблемы нейрогенеза при неврологических мутациях. Вместе с тем, неврологические мутации интересны для генетики поведения еще по ряду причин. Генетические особенности поведения инбредных и селектированных линий мышей и крыс, а также мутантных линий и стоков, с мутациями, затрагивающими отдельные звенья метаболизма, как правило, обнаруживаются в виде слабых, хотя и достоверных отклонений. В то же время моногенные неврологические мутации, выявление которых стало возможным в условиях массового разведения мышей в питомниках, обнаруживают четко заметные отклонения в поведении. Эти мутации, как правило, сопровождаются снижением жизнеспособности животных, у них бывают сильно выраженные отклонения в двигательной сфере, а морфология мозга или отдельных его структур бывает сильно изменена.

Все неврологические мутации — это моногенные нарушения. Наблюдения за мутантными животными позволяют составить "реестр" нарушений в двигательной и сенсорной сферах, а также нарушений поведения.

Поскольку одновременно проводится исследование первичных причин этих неврологических мутаций (см.: раздел 8.5.4.), то сопоставление всего набора плейотропных эффектов первичного генетического дефекта с нарушением синтеза структурных или регуляторных белков на определенных стадиях развития поможет создать более полное представление о формировании, по крайней мере, наиболее простых функций мозга. В этом отношении неврологические мутации — это потенциально мощный источник будущих знаний о мозге млекопитающих.

Внешне неврологические мутации проявляются в первую очередь в виде аномальной походки, трудностей в поддержании позы, нарушении способности к плаванию, к исследовательскому поведению, в развитии судорожных состояний разной степени тяжести (Полетаева, Романова, 1990).

Первоначально эти дефекты связывали с нарушениями строения мозжечка и/или внутреннего уха, а также (у другой группы мутаций) с демиелинизацией мозга. Более подробные исследования позволили установить, что у таких мутантов существуют нарушения и в строении продолговатого, среднего и переднего мозга, в том числе и гиппокампа.

Ниже приведен краткий и по этой причине неполный перечень аномалий поведения при неврологических мутациях мыши. Поскольку почти все неврологические мутации рецессивны, а гомозиготные по ним особи мало жизнеспособны — у них укорочена продолжительность жизни и резко снижена способность к размножению — мутантные линии поддерживают, скрещивая между собой гетерозиготных мышей. При этом в потомстве обнаруживаются как гомо-, гетерозиготы, так и нормальные особи, которые обычно и служат контролем при проведении исследований поведения мутантов.

Судорожные состояния. Судороги обнаруживаются при мутациях демиелинизации (например, quacking), а также при мутациях weaver, Lurcher и tottering. Судороги в ответ на действие сильного звука (так называемая аудиогенная эпилепсия) обнаружены у мышей линии 101/HY, у которых мутация локализована в локусе, отвечающем за репарацию ДНК.

При мутации tottering (tg — ген локализован в 8-й хромосоме) обнаруживается целый ряд аномальных фенотипических признаков. К их числу относятся повышенное содержание в мозге норадреналина и увеличение числа норадренергических терминалей нейронов голубого пятна (locus coeruleus — ядро продолговатого мозга). В другой мощной норадренергической системе мозга — в латеральных отделах покрышки (tegmentum) изменений не обнаруживается. У гомозиготных особей tg/tg увеличено число адренергических аксонных терминалей нейронов голубого пятна на клетках новой коры, латерального коленчатого тела, гиппокампа, коры мозжечка, кохлеарного ядра. Ни размеры мозга, ни структура клеток, ни число норадренергических нейронов голубого пятна не обнаруживают отклонений от нормы. В то же время у мутантов tg/tg обнаруживаются периодически возникающие эпилептиформные разряды в ЭЭГ, так называемые комплексы "пик-волна", а также судорожные припадки.

Более подробный анализ показал, что этот судорожный синдром, по-видимому, относится к категории типичных вторичных эффектов. Полагают, что повышенный уровень норадреналина в мозге этих мутантов вызывает компенсаторные изменения, снижение числа адренорецепторов на нейронах, что может повлечь за собой снижение чувствительности к норадреналину и далее развитие судорог (см. также: раздел 8.6.5.1).

Гнездостроительное и материнское поведение. Мышь-самка с мутацией staggerer (sg, 9 хромосома, гибель почти 75% клеток Пуркинье и почти всех клеток-зерен) не поедает плаценту и не слизывает амниотические оболочки новорожденных мышат, не собирает детенышей в гнездо, а, наоборот, разбрасывает их. Она даже не перекусывает пуповины. Однако, если собственный помет такой самки на несколько дней забрать от матери и подложить для выкармливания нормальной приемной матери, а самой мутантной самке подложить более старших по возрасту – 4-дневных детенышей, то впоследствии материнское поведение у нее может проявиться. Для этого самку с детенышами следует поместить в очень тесную клетку, в которой она не может "раскидать" детенышей и поэтому оказывается в состоянии вырастить большую часть помета. При этом помимо кормления молоком самка обнаруживает способность вылизывать детенышей, однако ни строить гнездо, ни подтаскивать их к гнезду она не может. Было также показано, что при мутации sg изменены уровни лютеинизирующего и фолликулостимулирующего гормонов в плазме крови (Guastavino et al., 1992).

Плавание. При некоторых неврологических мутациях, затрагивающих внутреннее ухо и органы равновесия, эта способность полностью отсутствует, тогда как у мозжечковых мутантов плавание менее нарушено, чем ходьба. Возможно, что этот тип локомоции, как более древний и более примитивный, базируется на более простых, а следовательно, менее затронутых анатомическими аномалиями сетях нейронов.

Исследовательское поведение. При мутации nervous (nv), повреждающей клетки Пуркинье мозжечка и его центральные ядра, эта форма поведения практически мало изменена. Число норковых реакций — заглядываний в отверстия, проделанные в полу камеры — не отличается от нормы. В то же время nv и другие мутанты характеризуются персеверацией реакций, т.е. повторным обследованием одних и тех участков пространства — отверстий-норок. По сравнению с нормальными животными у мутантов резко ослаблен процесс привыкания исследовательского поведения, иными словами у них нарушен один из наиболее универсальных процессов адаптации к внешним условиям. Следует, однако, помнить, что причиной сильных аномалий исследовательского поведения этих мутантов может быть, по крайней мере, частично, измененная моторика.

Pеакция чередования. Попеременное перемещение то вправо, то влево при обследовании пространства, при поисковом поведении, при помещении в достаточно знакомую обстановку — характерная черта лабораторных мышей и крыс. У мутантов sg эта способность полностью отсутствует.

Аналогичный дефект отмечен у rl, wv и при мутации purkinje cell degeneration (pcd). Полагают, что данное нарушение есть следствие аномалий в анатомии и/или нейрохимии гиппокампа.

Обучение в лабиринте; пространственная память. Аномальное строение гиппокампа с нарушением расположения слоев при мутации Hippocampal lamination defect (Hld), свойственное линии BALB/c, выявляется только гистологически, а специфических изменений поведения, характерных для данной мутации, не описано. При мутации rl обнаруживаются также и нарушения поведения. Обучение реакции пассивного избегания не страдает при Hld, но резко изменено у rl. У rl были нарушены даже начальные этапы формирования навыка поиска пищи в радиальном лабиринте. Несмотря на фенотипическое сходство особенностей поведения мутантов rl и sg, аномалии поведения в радиальном лабиринте и в водном лабиринте Морриса были более сильными у rl.

[1] Транслокация – разрыв одной или двух хромосом, вследствие чего происходит перенесение участка одной хромосомы на другую и.или образование отдельной дополнительной хромосомы.

[2] Робертсоновская транслокация — это слияние двух акроцентрических (т.е. палочковидных) хромосом с образованием одной мета- или субметацентрической. Цитогенетические исследования показывают, что заметного изменения количества генетического материала при этих транслокациях не происходит (хотя область околоцентромерного гетерохроматина по некоторым данным оказывается измененной).