Серотонин матери определяет тип поведения молодой улитки

Рис. 1. Большой прудовик (Lymnaea stagnalis)

Рис. 1. Большой прудовик (Lymnaea stagnalis). Фото с сайта en.wikipedia.org

Улитки большие прудовики (Lymnaea stagnalis), которые появились на свет осенью или зимой, большую часть времени проводят в поисках пищи и не склонны к далеким перемещениям. Улитки, которые вышли из яиц весной или летом, активно расселяются, прикрепляясь к подвижным объектам, и много двигаются. Такая разница в поведении вызвана сезонными колебаниями содержания серотонина в матке прудовика-родителя. Этот серотонин регулирует активность белков в клетках эмбрионов улиток, связываясь с ними напрямую, еще до того, как у зародышей появляются нейроны.

На большей части суши одно время года сменяется другим, и погода в январе и июле может сильно отличаться. У существа, которое только появилось на свет, нет времени разбираться, будет ли в ближайший месяц тепло или холодно, оно должно быть приспособленным к имеющимся условиям. Как молодые особи видов, живущих в изменчивом климате, понимают, какую стратегию поведения им использовать в данное время года, если до этого они никогда не переживали смену зимы и лета?

Есть предположение, что адаптация к погодным условиям и другим важным факторам внешней среды у таких организмов появляется во время внутриутробного развития благодаря эпигенетическим изменениям в клетках материнского организма. Слово «эпигенетический» означает «не затрагивающий последовательность нуклеотидов ДНК». Набор генов остается тем же, но их доступность меняется: для одних транскрипция облегчается, для других — затрудняется. То есть в результате внешних воздействий на организм (холод, голод, жара, скученность, конфликты с себе подобными) активность ряда его генов в определенных клетках меняется. Если эпигенетические изменения произойдут и в половых клетках, то потомки смогут иметь такие же уровни активности генов, как и их родители. Эпигенетические изменения способны сохраняться до трех поколений подряд (см.: Tim Burton, Neil B. Metcalfe, 2014. Can environmental conditions experienced in early life influence future generations?).

Примеров эпигенетических изменений известно много. Например, у диких млекопитающих детеныши самок, имеющих повышенный уровень кортизола, растут быстрее (см.: B. Dantzer et al., 2013. Density Triggers Maternal Hormones That Increase Adaptive Offspring Growth in a Wild Mammal), а у прерийных полевок после полового акта деацетилируются некоторые гистоны, из-за чего эти грызуны становятся моногамными (см.: H. Wang et al., 2013. Histone deacetylase inhibitors facilitate partner preference formation in female prairie voles). Подобные случаи можно найти не только среди млекопитающих, но и среди растений (см.: C. Becker et al., 2011. Spontaneous epigenetic variation in the Arabidopsis thaliana methylome), и среди беспозвоночных (см.: J. M. Kramer et al., 2011. Epigenetic Regulation of Learning and Memory by Drosophila EHMT/G9a). Вариантов много, но точный механизм передачи эпигенетических изменений в строении ДНК до конца не расшифрован.

Есть еще один хороший пример: в результате постоянного социального стресса (слишком много соседей и слишком мало места) у крысы-матери меняется поведение. За поведение, понятное дело, отвечают нейроны, а значит, эпигенетические перестройки произошли в них. Но чтобы эти перестройки передались потомству, нужно, чтобы их несли в себе гаметы крысы. Как яйцеклетки и эмбрионы «узнают» от нейронов, что нужно изменить активность генов, и как именно ее менять? Точного ответа на этот вопрос пока нет, по крайней мере, для млекопитающих.

Существует несколько механизмов эпигенетического наследования. Метилирование-деметилирование ДНК и ацетилирование-деацетилирование гистонов встречаются чаще остальных. В статье группы российских ученых, опубликованной недавно в журнале Cell, описана новая функция механизма, отдаленно напоминающего эти два. Эпигенетическим его можно назвать лишь в смысле негенетической передачи информации, потому что меняется активность не ДНК, а белков, и происходит это за счет действия серотонина. Случаи прямого влияния серотонина на белки были известны и раньше, однако здесь удалось впервые показать роль этих процессов в раннем развитии.

Серотонин больше известен как нейромедиатор, чем в какой-либо другой ипостаси. Меж тем, у млекопитающих эта древняя небольшая молекула выделяется и клетками стенок кровеносных сосудов, и клетками стенок тонкого кишечника, влияя на кровяное давление и аппетит соответственно. Вообще, серотонин у животных появился задолго до образования нейронов. Быть может, именно он служит для гамет и зародышей передатчиком сигнала о необходимостях эпигенетических изменений.

Стремление к расселению у ювенильных особей улиток, живущих в умеренном климате, а также их пищевое и половое поведение зависит от времени года (рис. 2). Это характерно даже для популяции большого прудовика (Lymnaea stagnalis), которая уже 40 лет поддерживается в лабораторных условиях. Поэтому исследователи использовали этого моллюска в качестве модельного объекта.

Рис. 2. Схема, объясняющая различие в поведении улиток, появившихся на свет в разное время года

Рис. 2. Схема, объясняющая различие в поведении улиток, появившихся на свет в разное время года. Весной и летом серотонина (5-HT) в клетках матки прудовика (выделена красным) много. Он воздействует на бластомеры зародыша (F1), определяя его активное поведение и стремление к расселению. Потомки таких улиток (F2) в природе рождаются не в тех водоемах, где выросли их родители. Зимой и осенью серотонина в клетках матки прудовика (выделена розовым) мало, из-за чего осеннее потомство менее мобильно. Изображение из обсуждаемой статьи в Cell Reports

В ходе многолетних наблюдений за колонией из 300 улиток, подсчета их кладок, а также определения уровня серотонина в различных органах прудовиков удалось выяснить следующее. Прудовики откладывают яйца круглый год, но больше всего — летом, а меньше всего — в конце осени. Многие органы прудовика несут в себе клетки, содержащие серотонин. Концентрация этого вещества меняется со временем года практически во всех органах, но в матке это выражено особенно четко. В матке уровень серотонина выше всего летом, а осенью он самый низкий (рис. 3). Исследователи обнаружили, что в этом органе существует целая сеть серотонинергических клеток, весьма восприимчивых к примененным экспериментальным воздействиям. По всей видимости, эта сеть — часть системы, передающей серотониновый сигнал от материнской особи потомкам.

Рис. 3. Зависимость разных поведенческих и физиологических параметров улиток от времени года

Рис. 3. Зависимость интенсивности откладывания яиц (вверху слева), содержания серотонина в половых органах и ЦНС прудовика (внизу слева), а также скорости перемещения молодых прудовиков (мм/мин, вверху справа) от времени года. Разными цветами показаны данные по улиткам, родившимся в разное время года. Рисунок из обсуждаемой статьи в Cell Reports

Особи, которые вылупились из осенних и зимних оотек (кладок яиц) с низким содержанием серотонина, малоподвижны и не стремятся расселяться. Их весенние и летние собратья, напротив, много двигаются в возрасте 12–25 дней. Это время, когда в природе молодые прудовики активно перемещаются, выползают из воды и прикрепляются к разным объектам (в том числе живым). Иногда это помогает прудовикам попасть в другой водоем.

Ученые ввели в осенний период группе материнских особей улиток дополнительные количества непосредственного предшественника серотонина — 5-гидрокситриптофана. Поведение потомства, которое в скором времени появилось у этих особей, было ближе к «летнему» типу. Хотя родились эти прудовики осенью, перемещались они в полтора раза больше, чем их собратья, на родителей которых не действовали 5-гидрокситриптофаном. Помимо этого, такие прудовики меньше питались, быстрее росли и лучше переносили физиологический стресс — например, нехватку кислорода. Они были потенциально более приспособлены к расселению, чем «контрольные» улитки, появившиеся на свет осенью.

Полученный от матери серотониновый сигнал воздействует на поведение зародышей улиток только в определенный период развития, когда нейронов у эмбрионов еще нет. На стадии двух клеток, а затем и на стадии четырех клеток, рецепторы к серотонину равномерно распределены по всем бластомерам будущих прудовиков. Когда эмбрион достигает стадии велигера, серотонин остается только в нейронах (рис. 4). Если в этот период развития прудовикам вводить дополнительные количества 5-гидрокситриптофана, их поведение впоследствии не будет отличаться от сверстников из контрольной группы.

Рис. 4. Распределение серотонина по клеткам эмбриона улитки

Рис. 4. Распределение серотонина (зелёная флуоресценция) по клеткам эмбриона улитки. Пока зародыш состоит из нескольких бластомеров (A, B, C), серотонин присутствует во всех клетках. Позже, на стадии бластулы (D, E), это вещество по-прежнему находится во многих клетках. На стадии велигера (F) серотонин обнаруживается почти исключительно в нейронах. Изображение из обсуждаемой статьи в Cell Reports

Есть еще одна важная особенность. Для определения поведения будущего прудовика имеет значение не только количество серотонина в бластомерах, но и его содержание снаружи клеток. Летом его много и внутри бластомеров, и вне их, а зимой — мало и там, и там.

Напоследок — самое интересное: механизм действия серотонина в данной ситуации. Все изменения поведения молодых улиток, вызванные сезонными колебаниями уровня серотонина в матке улитки, сходили на нет, если потомков матерей с повышенным серотонином на чувствительной стадии инкубировали в блокаторе фермента трансглутаминазы. Активность трансглутаминазы обеспечивает присоединение серотонина к белкам — серотонилирование (рис. 5) — механизм, открытый не так давно (см.: D. J. Walther et al., 2011. Novel roles for biogenic monoamines: from monoamines in transglutaminase-mediated post-translational protein modification to monoaminylation deregulation diseases).

Рис. 5. Предполагаемый механизм действия серотонина в бластомерах прудовика

Рис. 5. Предполагаемый механизм действия серотонина в бластомерах прудовика. Молекулы этого вещества присоединяются к белкам при помощи фермента трансглутаминазы (TGase). Часть серотонина удаляет из клетки его транспортер — SERT. Изображение из обсуждаемой статьи в Cell Reports

Похожие процессы происходят у других животных с участием дофамина и гистамина, и называются они соответствующе. Их общее название — моноаминилирование, так как дофамин, гистамин и серотонин относятся к классу моноаминов (аминокислот, которые лишились свой кислотной группы –COOH). Надо сказать, что моноаминилирование у эмбрионов и молодых организмов ранее никто не находил, хотя были все основания предполагать, что оно существует: все компоненты системы моноаминилирования по отдельности были известны у зародышей множества организмов еще на стадии дробления.

Автор заметки благодарит Е. Г. Ивашкина, автора обсуждаемой статьи в Cell Reports, за ценные комментарии.

Источник: Evgeny Ivashkin, Marina Yu. Khabarova, Victoria Melnikova, Leonid P. Nezlin, Olga Kharchenko, Elena E. Voronezhskaya, Igor Adameyko. Serotonin Mediates Maternal Effects and Directs Developmental and Behavioral Changes in the Progeny of Snails // Cell Reports. 2015. V. 12. P. 1144–1158. DOI: 10.1016/j.celrep.2015.07.022.

См. также:
Алексей Ржешевский, Александр Вайсерман. Эпигенетика: гены и кое-что сверху // «Популярная механика» №2, 2015.

О серотонине см. также:
1) Раки тоже тревожатся, «Элементы», 20.06.2014.
2) Чтобы получать удовольствие от общения, необходима согласованная работа окситоцина и серотонина в прилежащем ядре, «Элементы», 16.09.2013.
3) Избыток серотонина в крови превращает мышей в аутистов, «Элементы», 28.04.2012.
4) Серотонин за два часа превращает скромную пустынную саранчу в хищных налетчиков, «Элементы», 10.02.2009.

Светлана Ястребова


1
Показать комментарии (1)
Свернуть комментарии (1)

  • Rubik  | 17.11.2015 | 07:16 Ответить
    А как улитки "узнавали", когда зима? То есть в зависимости от чего менялась секреция серотонина? Влияла температура окружающей среды или световой день? Ещё и 40 лет в лаборатории...
    Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»