Рецепторы пищевых запахов запускают ухаживание у дрозофилы

Антенны самца дрозофилы воспринимают как запахи пищи, так и запахи самки. Обонятельные сенсорные нейроны передают информацию в антеннальные доли (antennal lobe), откуда она поступает в центральный отдел мозга (pheromone-processing centre). В центральном отделе информация об обоих стимулах суммируется и анализируется, что приводит к запуску поведения ухаживания. Схема из статьи Prud’homme, Gompel, 2011

У многих животных привлечение половых партнеров происходит путем выделения летучих половых феромонов. Феромоны у Drosophila melanogaster относительно хорошо изучены. Однако до сих пор не были идентифицированы ни феромоны, ни рецепторы, ни обонятельные сенсорные нейроны, которые непосредственно запускают поведение ухаживание у самцов дрозофилы. Только сейчас удалось показать, что ионотропный рецептор 84a (IR84a), относящийся к глутаматным рецепторам обонятельных нейронов, участвует в регуляции ухаживания дрозофилы. Оказалось, что этот рецептор активируется не собственно мушиными феромонами, а ароматическими веществами, встречающимися во фруктах и других растениях, которые активно поедаются дрозофилами. Активация этого рецептора запускает также поведение ухаживания самцов, что является иллюстрацией изящного эволюционного решения координации питания и репродуктивного поведения.

У многих животных особи противоположного пола выделяют летучие химические вещества (феромоны), которые помогают им находить друг друга на больших расстояниях. Например, для привлечения самцов самки бабочек выделяют половые феромоны, которые распространяются на несколько километров. Как нервная система воспринимает и анализирует эти химические сигналы и как эти химические вещества изменяют поведение?

Drosophila melanogaster — удобный модельный объект для решения таких вопросов. Сигналы разной модальности, выделяемые самкой, определенным образом изменяют половое поведение самца и запускают ряд стереотипных реакций. Но биологам из университетов Швейцарии, Франции и Великобритании удалось показать, что поведение ухаживания может запускаться веществами, совершенно не связанными с самкой. Эти вещества — фенилацетатная кислота (Phenylacetic acid) и фенилацетальдегид (Phenylacetaldehyde), ароматические составляющие, встречающиеся во фруктах и других растениях. Оказывается, они специфически активируют обонятельный рецептор IR84a, который относится к группе глутаматных рецепторов (Glutamate receptor), встречающихся в основном на мембранах нервных клеток (глутамат — аминокислота, которая часто функционирует как нейромедиатор). Рецептор IR84a характерен для нейронов определенной области мозга, одной из гломерул обонятельной доли. Примечательно, что именно в эту область проецируются нейроны, в которых экспрессируются изоформы гена fruitless (FRU^M). Ген fruitless известен тем, что кодирует несколько вариантов транскрипционных факторов, необходимых для нормального поведения ухаживания самцов.

С помощью репортерного гена авторы показали экспрессию IR84a во FRU^M-экспрессирующих нейронах, которые проецируются в гломерулу VL2a (рис. 1). VL2 — одна из трех гломерул антеннальной доли мозга, которые заметно больше по размеру у самцов, чем у самок. При этом не было выявлено полового диморфизма в количестве нейронов, имеющих рецептор IR84a, что говорит о том, что FRU^M не влияет на развитие этих нейронов.

Рис. 1. Антеннальная доля мозга дрозофилы с прокрашенными обонятельными нейронами. На левом и среднем рисунках показаны результаты иммунофлуоресцентного окрашивания с использованием разных антител: anti-GFP (зеленый), anti-CD8 (пурпурный) и nc82 (синий). На правом рисунке — результат слияния обеих картинок. Нейроны, экспрессирующие IR84a, OR47b и OR67d, локализованы в разных гломерулах, помеченных в скобках. Длина масштабной линейки 10 мкм. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Далее авторы решили проверить, отвечают ли нейроны, имеющие рецептор IR84a, на вещества, выделяемые девственной самкой или самцом. Для этого проводили экстраклеточные отведения от обонятельных сенсилл ac4, которые иннервируются нейронами, экспрессирующими IR84a. Оказалось, что феромоны обоих полов практически не вызывают ответа сенсилл. Таким образом, авторы показали, что рецептор IR84a не «настроен» на мушиные феромоны. Затем авторы протестировали 163 различных запаха. Только три из них вызывали ощутимый ответ, когда сенсиллы отвечали с частотой более 50 импульсов в секунду. Эти вещества — фенилацетальдегид, фенилацетатная кислота и фенилэтиламин. Первые два из них были найдены в продуктах, предпочитаемых дрозофилами: перезрелые бананы и кактус опунция (Opuntia ficus-indica) (рис. 2), а также в лабораторном корме дрозофил. Небольшое количество этих веществ было найдено в экстрактах кутикулы самцов и девственных самок самих мух, что говорит о том, что эти вещества попадают в насекомых через пищу.

Рис. 2. Одновременное питание и ухаживание на фруктах — совмещение приятного с полезным. Рисунок из статьи Prud’homme, Gompel, 2011

Экспрессия IR84a во FRU^M-экспрессирующих нейронах свидетельствует о том, что этот рецептор участвует в регуляции поведения ухаживания. Чтобы это проверить экспериментально, самца и мертвую самку (самку замораживали, после чего при комнатной температуре она продолжала пахнуть, как живая) помещали в маленькую камеру, в которой пол был заменен сеткой. Под эту сетку помещали фильтровальную бумагу, пропитанную тем или иным веществом. После этого проверяли, насколько самец активно ухаживает за самкой. Фенилацетатная кислота вызывала ухаживание, почти в два раза более интенсивное, чем в случае с контрольным растворителем (рис. 3). Этот эффект исчезал у мутантов (IR84a^–/–), у которых отсутствовала эндогенная экспрессия IR84a, и опять появлялся, хоть и не в полной силе, у трансгенных мух (rescue), у которых экспрессия рецептора возобновлялась. Другое вещество, этилбутират, не активировавшее IR84a, не вызывало усиленного ухаживания. Авторы также проверили действие мушиного лабораторного корма на ухаживание — и опять оказалось, что ухаживание усиливается в присутствии пищи.

Рис. 3. Интенсивность ухаживания (courtship index) самцов Drosophila в камере с сетчатым полом, под который подкладывали фильтровальную бумагу, пропитанную контрольным раствором (solvent), фенилацетатной кислотой, этилбутиратом (левый рисунок), лабораторной стандартной пищей или чистую бумагу (правый рисунок). Wild type — дикий тип, IR84a^–/– — мутанты, у которых отсутствовала эндогенная экспрессия IR84a, и Rescue — трансгенные мухи, у которых экспрессия рецептора возобновлялась. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Известно, что другие обонятельные нейроны, посылающие свои аксоны из антеннальных долей в центральный отдел мозга, экспрессируют другие рецепторы, такие как OR67d, воспринимающие cамцовый феромон cVA (см. Обнаружены нейроны, отвечающие за отличия мужского поведения от женского), или OR47b, которые активируются неидентифицированными мушиными запахами обоих полов, возможно используемыми в локализации полового партнера. Авторы задались целью посмотреть, как сенсорная информация, воспринимаемая IR84a, взаимодействует с другими сенсорными путями. Для этого были прослежены аксональные проекции нейронов из антеннальных долей в центральный отдел мозга. Как уже известно, нейроны, экспрессирующие IR84a, иннервируют гломерулу VL2a, тогда как нейроны, экспрессирующие OR47b и OR67d, — VA1lm и DA1 соответственно. На рис. 4 видно, как тесно переплетаются ветвления аксонов именно этих трех типов нейронов. Особенно тесно они переплетаются в боковых рогах (lateral horns) протоцеребрума — переднего мозга насекомых. Такая анатомическая конвергенция позволяет предполагать интеграцию обонятельных сигналов FRU^M-экспрессирующими нейронами более высокого уровня для контроля поведения ухаживания. Хотя надо признать, что остается неясно, каким образом такая интеграция приводит к принятию решения «ухаживать или нет».

Рис. 4. Анатомическая интеграция проекций нейронов (PNs) из разных гломерул антеннальной области в центральные отдела мозга, грибовидное тело (mushroom body) и боковой рог (lateral horn). Нейроны, экспрессирующие IR84a, OR47b и OR67d, посылающие свои аксоны из гломерул VL2a, VA1lm и DA1, соответственно, являются одновременно FRU^M-экспрессирующими. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Известно, что многие обонятельные рецепторы достаточно консервативны у насекомых. С рецептором IR84a ситуация иная. Несмотря на то, что ортологи (то есть имеющие общее происхождение) этого гена найдены у многих видов дрозофил, они отсутствуют у других представителей отряда двукрылых и у других насекомых. Таким образом, этот рецептор специфичен именно для дрозофил. Ранее признавалось, что феромоны участвуют в коммуникации дальнего действия этих насекомых, но подробно эта коммуникация не исследовалась. Находка рецептора IR84a доказывает, что летучие химические вещества действительно могут запускать поведение ухаживания. Причем это поведение вызывается исключительно в присутствии пищи, что представляет собой особый путь эволюции обонятельного механизма сближения особей противоположного пола. Вопрос, насколько этот путь распространен среди других животных, остается открытым.

Источник: Yael Grosjean, Raphael Rytz, Jean-Pierre Farine, Liliane Abuin, Jérôme Cortot, Gregory S. X. E. Jefferis, Richard Benton. An olfactory receptor for food-derived odours promotes male courtship in Drosophila // Nature. V. 478. P. 236–240.

См. также:
1) Обнаружены нейроны, отвечающие за отличия мужского поведения от женского, «Элементы», 08.12.2010.
2) Феромоны не привлекают, а заставляют задуматься, «Элементы», 19.10.2009.

Варвара Веденина