Брачная песня дрозофилы запускает экспрессию генов иммунной защиты

В процессе ухаживания за самкой самец Drosophila melanogaster издает акустический сигнал, отводя одно крыло в сторону и вибрируя им. Изображения с сайтов fatimaclotho.xanga.com и wwwuser.gwdg.de/~neuro

Какие генетические изменения происходят в организме самки, когда она слушает любовную песню самца? Английские биологи сравнили уровень активности генов у самок дрозофилы, прослушавших песенку своего и чужого видов, и выявили группы генов повышенной экспрессии. Среди этих генов оказались гены иммунной защиты, функции которых обсуждаются в контексте брачного поведения.

Не секрет, что исследования на модельных организмах дают возможность изучать генетические основы многих сложных процессов, к которым, несомненно, относится и поведение. Например, недавно было показано, как меняется транскрипция (синтез РНК с матричной ДНК) определенных генов при социальных взаимодействиях самцов у плодовой мушки Drosophila melanogaster (см.: Ellis, Carney, 2011. Socially-Responsive Gene Expression in Male Drosophila melanogaster Is Influenced by the Sex of the Interacting Partner). Другое исследование было проведено на аквариумных рыбках меченосцах, у которых были зафиксированы изменения генной экспрессии при зрительном предъявлении самке самца с предпочтительной окраской (см.: Cummings et al., 2008. Sexual and social stimuli elicit rapid and contrasting genomic responses, PDF, 285 Кб). Биологи из Сент-Эндрюсского университета (Шотландия) поставили задачу исследовать, как меняется генная экспрессия у самки дрозофилы, когда за ней ухаживает самец.

Поведение ухаживания у D. melanogaster относительно хорошо исследовано. Ухаживание включает в себя химические, акустические, зрительные и тактильные сигналы, которые генерирует самец, причем последовательность этих сигналов достаточно стереотипная. Акустический сигнал считается ключевым у D. melanogaster, так как показано, что он существенно влияет на успешную копуляцию. Акустические сигналы D. melanogaster и других близкородственных видов различаются по интервалу между пульсами, причем этот параметр часто является ключевым в распознавании особей своего вида. Уже более 40 лет изучаются акустические сигналы разных видов дрозофил, но при этом на удивление мало известно о генетических основах реакции самки на акустический сигнал.

Перед тем как проводить генетические исследования, английские биологи экспериментально подтвердили тот факт, что используемая линия мух D. melanogaster отличает сигнал своего вида от близкородственного D. simulans. У этих двух видов песни похожи по структуре, но в песне D. melanogaster интервал между пульсами равен 35 мс, а у D. simulans — 55 мс. Девственных самок, которым было 5 дней со дня линьки на имаго, сажали вместе с самцами, у которых были отрезаны крылья, и одновременно проигрывали синтезированный сигнал через динамик. Самцы без крыльев вполне успешно ухаживали и спаривались. Однако самки D. melanogaster достоверно больше спаривались с самцами под песенку своего вида, чем под песенку D. simulans (рис. 1).

Рис. 1. Пропорция спарившихся самок D. melanogaster (средние значения и стандартные ошибки) в процессе проигрывания им песни своего вида (кружки) и песни D. simulans (квадраты). Изображение из обсуждаемой статьи в Proceedings of the Royal Society B

Чтобы узнать, какие гены по-разному экспрессируются в отсутствие и при проигрывании сигнала, одним самкам D. melanogaster проигрывали сигнал своего вида, другим — сигнал D. simulans, а третьим — белый шум в качестве контроля. В процессе эксперимента самки были изолированы от самцов, чтобы все остальные сигналы ухаживания (химические, зрительные и т. д.) были исключены и не влияли на экспрессию генов. Для исследования изменений в экспрессии генов авторы использовали замечательную методику ДНК-микрочипов, которые представляют собой пластинки с нанесенными на них кусочками ДНК. На чип наносятся РНК исследуемого организма, и, если на чипе имеются кусочки ДНК с комплементарной последовательностью нуклеотидов, молекулы РНК «прилипают» к ним. По количеству таких «прилипших» молекул РНК и судят об уровне активности гена.

Авторы нашли 412 генов с разной степенью активности у самок, простимулированных конспецифической песней (песней своего вида) и белым шумом. А вот разница в экспрессии у самок, прослушавших свою и чужую песни, была поменьше — всего 222 гена. Разница в экспрессии оказалась достоверной для нескольких кластеров генов, отвечающих за активность гормонов, нейропептидов, связывание феромонов и феромонных рецепторов, но, кроме того, генов иммунной защиты и ответа на стресс. Из пяти генов иммунной защиты, которые показали различную активность после проигрывания своей и чужой песни, четыре принадлежат к семейству генов Turandot. Внимание авторов привлекло именно это семейство генов, и поэтому они более точно исследовали изменение генной экспрессии двух из них, TotM и TotC, с помощью метода ПЦР в реальном времени.

Экспрессию генов TotM и TotC меряли после 5- и 15‑минутного проигрывания своей и чужой песни. Проигрывание в течение 5 минут не привело к достоверным изменениям в уровне активности обоих генов (рис. 2а). Зато проигрывание в течение 15 минут дало достоверные изменения в экспрессии обоих генов (рис. 2b).

Рис. 2. Изменения в экспрессии генов TotC (a) и TotM (b) после 5- и 15‑минутного проигрывания самкам D. melanogaster песни своего вида (conspecific song), песни D. simulans (heterospecific song) и белого шума в качестве контроля. Показаны средние значения и 95-процентные доверительные интервалы. Изображение из обсуждаемой статьи в Proceedings of the Royal Society B

Как же авторы объясняют повышение уровня активности генов иммунной защиты после проигрывания своей песни? Как уже раньше отмечалось, песня у D. melanogaster служит ключевым фактором для распознавания полового партнера, а следовательно, может приводить к скорой копуляции. Ранее было показано, что непосредственно перед и во время копуляции повышается экспрессия многих генов иммунной защиты у самок дрозофил. Авторы считают, что это может быть связано с защитой от проникновения бактериальной инфекции в процессе копуляции, а также с защитой от специфических белков спермы, так называемых sex peptides. Эти специфические белки, которые обнаружены в сперме многих видов животных, способствуют снижению сексуальной активности самки. Зачем это нужно? Это является некоторой гарантией, что самка не будет в скором времени спариваться с другим самцом, а потому большое число ее яйцеклеток будет оплодотворено спермой именно этого самца. Но поскольку самки склонны к промискуитету не менее, чем самцы (см., например, книгу О. Джадсон «Каждой твари — по паре»), то самки стараются усилить иммунную защиту, чтобы подавить активность белков спермы.

Кроме этих разумных объяснений увеличения активности генов иммунной защиты, которые дали авторы, я, со своей стороны, хочу добавить еще одно. В 2006 году А. В. Марков и А. М. Куликов предложили гипотезу «иммунологического тестирования» брачных партнеров (см. Видообразование — личное дело каждого, «Элементы», 15.02.2006). Известно, что многие животные стараются выбирать в качестве брачных партнеров не слишком близких, но и не слишком дальних родственников, чтобы избежать инбридинга и отдаленной гибридизации. Гипотеза Маркова и Куликова основана на том простом соображении, что для предполагаемого тестирования партнера по принципу «свой или чужой» многим организмам было бы очень удобно использовать уже имеющееся у них мощное средство различения «своего» и «чужого» на биохимическом уровне — иммунную систему. Можно определять степень родства партнера, например, по силе иммунологической реакции на его запах: чем она сильнее, тем ниже вероятная степень родства. Этому есть подтверждения: например, у многих позвоночных особый орган полового обоняния, вомероназальный орган, распознает белки главного комплекса гистосовместимости, которые образуют уникальный «персональный запах». По этому запаху, как показали эксперименты, млекопитающие получают исчерпывающую информацию о своих сородичах, включая степень их родства или генетической близости. Если вернуться к дрозофилам, то песенка, несомненно, также несет в себе информацию о генетической близости. И тот факт, что она может запускать иммунную систему, служит, на мой взгляд, убедительным подтверждением гипотезы иммунологического тестирования. Примечательно, что теперь есть доказательства, что не только химический, но и акустический сигнал может запускать это тестирование.

Источник: E. Immonen, M. G. Ritchie. The genomic response to courtship song stimulation in female Drosophila melanogaster // Proceedings of the Royal Society B. 2012. V. 279. № 1732. Pp. 1359–1365.

Варвара Веденина