果蠅的基因與行為.doc

果蠅的基因與行為摘要 本文首先簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退哂械闹T多優(yōu)勢(shì),以及在基因、腦、行為框架下的一些最新研究成果和未來(lái)的研究方向。關(guān)鍵詞 果蠅 基因 行為前言在對(duì)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(jiǎng)。1910 年摩爾根(T. H. Morgan) 首先選擇果蠅作為研究對(duì)象,將基因定位于染色體上,提出了遺傳的染色體理論,開(kāi)創(chuàng)了經(jīng)典遺傳學(xué)的新時(shí)代,并于1933 年摩爾根獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。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(kāi)辟了一個(gè)新領(lǐng)域。1946 年的諾貝爾獎(jiǎng)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(shí)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(guò)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(dòng)物胚胎發(fā)育中的軀體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。1995 年這三位科學(xué)家分享了諾貝爾獎(jiǎng)。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(duì)染色體。第一對(duì)是性染色體,其它三對(duì)為常染色體。其中,第二、三兩對(duì)常染色體,包含了近80 %的遺傳信息。第四對(duì)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(lái)實(shí)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?cè)斐善湔{(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^(guò)研究蛋白質(zhì)在神經(jīng)元及組織中的時(shí)空表達(dá)模式,來(lái)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(guó)科學(xué)雜志2000 年3 月24 日?qǐng)?bào)道:果蠅基因組的測(cè)序工作已經(jīng)結(jié)束,并確定了果蠅細(xì)胞中包含約13600 個(gè)基因。這些工作是果蠅基因組計(jì)劃(The Drosophila Genome Project) 的一個(gè)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(jì)劃(Human Genome Project) 提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。在對(duì)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(shuō)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(shí)用價(jià)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(gè)神經(jīng)元,可分為3 個(gè)區(qū)域:前腦,中腦和后腦。前腦包括高級(jí)感覺(jué)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(duì)對(duì)稱的結(jié)構(gòu),每個(gè)包括大約2500 個(gè)神經(jīng)元。蘑菇體經(jīng)其萼葉(Calyx) 接收從嗅葉(Antennal Lobe)來(lái)得嗅覺(jué)信息。蘑菇體對(duì)于嗅覺(jué)學(xué)習(xí)記憶非常重要,類似哺乳動(dòng)物的海馬(Hippocampus) ,是整合多種感覺(jué)輸入及形成記憶的部位。中腦主要包括天線觸覺(jué)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(dòng)神經(jīng)元。果蠅腦中神經(jīng)元之間的信息傳遞是通過(guò)神經(jīng)肽來(lái)實(shí)現(xiàn)的。神經(jīng)肽由蛋白質(zhì)前體經(jīng)修飾得來(lái),大小從3 個(gè)氨基酸殘基到50 多個(gè)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(huì)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(gè)神經(jīng)回路都包括感覺(jué)神經(jīng)元、中間神經(jīng)元和運(yùn)動(dòng)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(guò)調(diào)節(jié)不同神經(jīng)回路的時(shí)空活動(dòng)模式來(lái)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(gè)動(dòng)力學(xué)過(guò)程,涉及有機(jī)體的功能和對(duì)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(dòng)、梳理、進(jìn)食、相互通信、飛行、遷移、學(xué)習(xí)、繁殖以及對(duì)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(dòng)物對(duì)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(méi)有明顯的刺激條件下,也會(huì)產(chǎn)生一些自發(fā)的行為。因此對(duì)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(duì)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(shí)別,信號(hào)傳遞,信息整合,反應(yīng)或運(yùn)動(dòng)輸出。對(duì)果蠅的行為的分析需要嚴(yán)格地控制環(huán)境條件,因?yàn)樵跍y(cè)試條件下即使微小的條件變化都會(huì)影響對(duì)行為的評(píng)價(jià)?？陀^的評(píng)價(jià)果蠅的行為還應(yīng)包括在一定條件下對(duì)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(duì)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(dòng)和學(xué)習(xí)記憶) 。果蠅與學(xué)習(xí)記憶在不同的實(shí)驗(yàn)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(kāi)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(guò)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(lái)。果蠅dunce突變體是因其嗅覺(jué)聯(lián)想學(xué)習(xí)缺陷而被分離出來(lái)的第一個(gè)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(jué)到氣味。在對(duì)其進(jìn)行的聯(lián)想學(xué)習(xí)檢驗(yàn)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(zhǎng)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(gè)RNA 分子,大小從412 -915kb。Dunce 基因包含一個(gè)79kb 的內(nèi)含子,在這個(gè)內(nèi)含子中又包含兩個(gè)基因。這種基因套基因的生物學(xué)意義還不清楚?，F(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(guò)對(duì)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(cè)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(lái)確定,這一技術(shù)包括將一報(bào)告基因(reporter gene) 加入到P - element 中,當(dāng)報(bào)告基因插入到染色體中特異的enhancer 后,導(dǎo)致報(bào)告基因在特定組織的特殊階段表達(dá)。通過(guò)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(gè)突變體影響其嗅覺(jué)聯(lián)想學(xué)習(xí), 其中包括rutabaga 的幾個(gè)等位基因。果蠅突變體rutabaga 在嗅覺(jué)聯(lián)想學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)習(xí)能力要比野生型的差,同時(shí)對(duì)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(guò)程中也參與cAMP 的代謝。對(duì)Aplysia 經(jīng)典條件化過(guò)程的研究發(fā)現(xiàn):cAMP 是神經(jīng)元中第二信使信號(hào)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(duì)果蠅的研究中也得到了證實(shí)。在實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)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(jué)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(guò)程中各個(gè)組份有一個(gè)最佳平衡狀態(tài),增加或減少代謝過(guò)程中的某種組份都將引起整個(gè)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(duì)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(guò)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(chóng)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(chóng)蘑菇體也顯示強(qiáng)烈染色,說(shuō)明dunce PDEase 在蘑菇體區(qū)域的神經(jīng)元發(fā)育過(guò)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(gè)暫時(shí)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(yàn),果蠅飼養(yǎng)在隔離的或沒(méi)有嗅覺(jué)經(jīng)驗(yàn)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(jué)經(jīng)驗(yàn)被剝奪的水平。而rutabaga突變體在羽化時(shí)神經(jīng)元的數(shù)量就低,并且在羽化后一周沒(méi)有顯著的增加。除了對(duì)果蠅嗅覺(jué)經(jīng)典條件化研究外,對(duì)果蠅視覺(jué)操作式條件化(Operant Conditioning) 的研究也取得了重要進(jìn)展。在以視覺(jué)目標(biāo)或顏色為線索,以溫度等感覺(jué)輸入為強(qiáng)化因子的視覺(jué)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(shí)果蠅能夠?qū)σ曈X(jué)信息進(jìn)行歸納。在存在兩個(gè)或多個(gè)視覺(jué)信息輸入的條件下,果蠅能夠在實(shí)踐中從兩個(gè)或多個(gè)視覺(jué)信息輸入中歸納出條件刺激,而忽略其它視覺(jué)信息輸入。果蠅的蘑菇體可能對(duì)環(huán)境中各種視覺(jué)刺激進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,并在時(shí)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(jué)刺激作為條件刺激,而忽略在時(shí)間參量上與非條件刺激不同步變化的視覺(jué)刺激信號(hào)。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(wú)法對(duì)視覺(jué)信息輸入進(jìn)行歸納。蘑菇體缺失的果蠅不能對(duì)各種刺激進(jìn)行歸納,可能因?yàn)樗鼈儾荒軐⒏鞣N視覺(jué)信息分開(kāi),把它們構(gòu)成了一個(gè)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(duì)視覺(jué)刺激信號(hào)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(kāi)辟了嶄新的前景。無(wú)論結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的腦還是相對(duì)復(fù)雜的腦,都在進(jìn)化和發(fā)育過(guò)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(duì)簡(jiǎn)單的腦中。因此通過(guò)對(duì)相對(duì)簡(jiǎn)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(jiǎn)單到復(fù)雜的進(jìn)化過(guò)程中獲得了什么新功能。結(jié)語(yǔ)果蠅作為神經(jīng)遺傳學(xué)研究的理想動(dòng)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(guò)研究不同的行為變化與腦的關(guān)系,最終實(shí)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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