Половое поведение и обучение у C. elegans регулируется пептидом, похожим на окситоцин

Нервная система C. elegans. Нейроны помечены зеленым флуоресцирующим белком. Изображение с сайта www.sfu.ca

У млекопитающих важную роль в регуляции поведения (особенно полового и социального) играют нейропептиды окситоцин и вазопрессин. У многих других животных обнаружены родственные пептиды со сходными функциями. Два исследовательских коллектива, европейский и американский, независимо друг от друга идентифицировали аналогичный пептид, названный нематоцином, у важнейшего модельного объекта — круглого червя Caenorhabditis elegans. Показана роль нематоцина в обучении, а также в мотивации и координации полового поведения у самцов C. elegans. По-видимому, регуляция поведения при помощи окситоциноподобных пептидов появилась у животных свыше 700 млн лет назад — еще до разделения на первично- и вторичноротых.

«Элементы» не раз писали о роли нейропептидов окситоцина, вазопрессина и их аналогов в регуляции социального и репродуктивного поведения у животных (см. ссылки внизу). Лучше всего изучено их действие у позвоночных, особенно у людей и грызунов, однако родственные пептиды с аналогичными функциями задействованы в системах нейро-гормональной регуляции поведения (а также водно-солевого баланса) у многих других животных, включая кольчатых червей, моллюсков и насекомых (см.: Гены управляют поведением, а поведение — генами, «Элементы», 12.11.2008).

В недавнем выпуске журнала Science сразу две команды ученых — одна из Бельгии и Нидерландов, другая из США — сообщили об открытии похожего пептида, а также рецепторов, реагирующих на него, в нервной системе важнейшего модельного объекта — нематоды C. elegans.

Нервная система C. elegans устроена проще, чем у большинства других двусторонне-симметричных животных, и изучена в мельчайших подробностях (см. C. elegans nervous system). Она состоит из 294 нейронов, общих для обоих полов (самцов и гермафродитов; см.: Чтобы превратить самок в гермафродитов, достаточно двух мутаций, «Элементы», 16.11.2009), к которым добавляется 8 «полоспецифичных» нейронов у гермафродитов и 89 — у самцов. Число синапсов тоже подсчитано: около 5000 химических синапсов, 500 электрических и 2000 нервно-мышечных. Каждый нейрон имеет фиксированную форму и расположение и выполняет строго определенную функцию. Отростки нервных клеток почти не ветвятся и часто даже не делятся однозначно на «входные» дендриты и «выходные» аксоны, совмещая функции приема и передачи сигналов. При всей своей простоте нервная система C. elegans обеспечивает довольно сложное поведение и даже способна к обучению (выработке условных рефлексов). Понятно, что обнаружение в нервной системе у такого животного фундаментальных свойств, характерных для более сложных организмов, открывает перед исследователями уникальные возможности.

Обе команды исследователей идентифицировали в геноме C. elegans ген ntc-1, кодирующий белок-предшественник, из которого затем производится нейропептид. Белок этот очень похож на белки-предшественники окситоцина и вазопрессина. Нейропептид, который из него образуется, получил название «нематоцин». Он, правда, состоит из 11 аминокислот, а не из 9 (как окситоцин и вазопрессин), но имеет похожую структуру. Во всех случаях это кольцо из шести аминокислотных остатков с цистеином в позициях 1 и 6, замкнутое при помощи дисульфидного мостика. К кольцу приделан короткий линейный «хвост», начинающийся с пролина и состоящий у нематоцина из 5 аминокислот, у окситоцина и вазопрессина — из трех.

Нашлись в геноме C. elegans и два гена белков-рецепторов, похожих на рецепторы окситоцина и вазопрессина: ntr-1 и ntr-2. Эксперименты с культурами клеток, в которые были вставлены эти гены, подтвердили, что рецептор NTR-1 (в одиночку или в комплексе с NTR-2) избирательно реагирует на нематоцин.

Изучение трансгенных червей, у которых гены нематоцина и его рецепторов были соединены с генами флюоресцирующих белков, позволило выяснить, в каких клетках экспрессируются (работают) эти гены. Оказалось, что рецепторы нематоцина производятся в основном в сенсорных (чувствительных) нейронах, в том числе — во «вкусовом» нейроне ASEL и хемосенсорных нейронах ASH и ADF, а у самцов также в нейронах, имеющихся только у этого пола, которые контролируют мужское брачное поведение. Сам нематоцин производится в термосенсорных нейронах AFD, нейросекреторных нейронах NSM, вставочных нейронах AVK, глоточном нейроне M5, механосенсорном нейроне DVA и в имеющихся только у самцов моторных нейронах CP, которые управляют специфическими движениями во время спаривания.

Для выявления функций новооткрытой регуляторной системы оба исследовательских коллектива изготовили генно-модифицированных червей с отключенными генами нематоцина и его рецепторов. Такие черви оказались жизнеспособными, но специальные тесты выявили в их поведении любопытные отклонения от нормы (то же самое, кстати, можно сказать и о мышах с отключенной окситоциновой системой).

Бельгийско-голландский коллектив изучил хемотаксис червей. Нормальных C. elegans привлекает поваренная соль в небольшой концентрации, а в высокой — отпугивает. Отвечают за данное поведение нейроны ASEL, ADF и ASH, в которых активны гены рецепторов нематоцина. У червей с отключенной нематоциновой системой врожденная реакция на соль не изменилась, однако они утратили способность менять эту реакцию на основе приобретенного опыта. Если нормального червя подержать 15 минут в слабом растворе соли, но без пищи, то слабый вкус соли перестает привлекать червя и даже начинает отпугивать. Черви с отключенной нематоциновой системой оказались почти неспособны к такому обучению. Для восстановления обучаемости достаточно включить экспрессию ntr-1 (рецептора) во «вкусовом» нейроне ASEL, а ntc-1 (нематоцина) — во вставочных нейронах AVK.

Интересно, что у млекопитающих вазопрессин участвует в поддержании водно-солевого баланса (другое название вазопрессина — «антидиуретический гормон»), а окситоцин необходим для некоторых видов обучения. Например, мыши с отключенной окситоциновой системой страдают от «социальной амнезии»: они не запоминают сородичей и не узнают их по запаху, что, конечно, плохо сказывается на их социальной адаптации.

Нормальное половое поведение самца C. elegans. Слева направо: реакция на контакт, движение вдоль тела гермафродита к его хвосту, поворот, поиск вульвы и передача спермы. Изображение из обсуждаемой статьи Garrison et al.

Американская команда сосредоточилась на половом поведении червей-мутантов. Оказалось, что гермафродиты с отключенной нематоциновой системой не отличаются от нормальных ни по своему половому поведению, ни по репродуктивному успеху (плодовитости). Однако у самцов отключение этой системы резко снижает репродуктивный успех. Такие самцы реагируют на потенциальных половых партнеров (то есть гермафродитов, которые при спаривании выступают в роли самок) гораздо менее энергично. Нормальный самец пытается спариться с первым же гермафродитом, к которому случайно прикоснется его хвост (см. рисунок). Самцы-мутанты предпринимали первые вялые попытки «ухаживания» лишь после двух-трех таких прикосновений. Кроме того, эти попытки были на редкость неуклюжими и часто заканчивались неудачей. Авторы разделили стандартное брачное поведение самца на пять последовательных элементов (см. рисунок) и показали, что на каждом из этих этапов самцы-мутанты чаще ошибаются, сбиваются и реже переходят к следующему этапу, чем нормальные самцы.

В поведении мутантных самцов был выявлен еще один дефект. Нормальные самцы, если дать им много еды, но не дать половых партнеров, довольно быстро покидают изобильное место и уползают на поиски любовных приключений. Самцы с отключенной нематоциновой системой в такой ситуации остаются у «кормушки» в 3-4 раза дольше. Авторы заключают, что нематоцин усиливает сексуальную мотивацию самцов и координирует их половое поведение.

По-видимому, в работе нематоциновой системы важную роль играет обратная связь. Вставочные нейроны, экспрессирующие ntc-1, получают сигналы о событиях в окружающем мире от сенсорных нейронов, экспрессирующих нематоциновые рецепторы. В ответ на определенные сигналы вставочные нейроны начинают выделять нематоцин. Нейропептид модулирует работу сенсорных нейронов, каким-то образом меняя их «настройки», что, в свою очередь, активирует программу полового поведения или способствует выработке рефлексов.

Полученные результаты согласуются с гипотезой, согласно которой регуляторная система, основанная на окситоцино- и вазопрессиноподобных нейропептидах и отвечающая за координацию полового поведения, водно-солевой баланс и некоторые виды обучения, сложилась более 700 млн лет назад у древнейших билатерально-симметричных животных, которые в те времена еще не успели подразделиться на первичноротых (к которым относится C. elegans, насекомые, моллюски и кольчатые черви) и вторичноротых, к которым относятся позвоночные.

Источники:
1) Jennifer L. Garrison, Evan Z. Macosko, Samantha Bernstein, Navin Pokala, Dirk R. Albrecht, and Cornelia I. Bargmann. Oxytocin/Vasopressin-Related Peptides Have an Ancient Role in Reproductive Behavior // Science. 2012. V. 338. P. 540–543.
2) Isabel Beets, Tom Janssen, Ellen Meelkop, Liesbet Temmerman, Nick Suetens, Suzanne Rademakers, Gert Jansen, and Liliane Schoofs. Vasopressin/Oxytocin-Related Signaling Regulates Gustatory Associative Learning in C. elegans // Science. 2012. V. 338. P. 543–545.
3) Scott W. Emmons. The Mood of a Worm // Science. 2012. V. 338. P. 475–476.

См. также:
1) Нейронные сети, отвечающие за социальное поведение, эволюционируют очень медленно, «Элементы», 14.06.2012.
2) Гены управляют поведением, а поведение — генами, «Элементы», 12.11.2008.
3) Окситоцин делает людей более чуткими к добрым словам, «Элементы», 17.12.2008.
4) Самцы после спаривания становятся спокойнее и смелее, «Элементы», 16.10.2007.
5) Найден ген, влияющий на склонность к добрым поступкам, «Элементы», 21.05.2009.
6) Биохимические основы любви закладываются в младенчестве, «Элементы», 02.12.2005.
7) Окситоцин усиливает любовь к «своим», но не улучшает отношения к чужакам, «Элементы», 17.06.2010.
8) Голос и объятия одинаково важны, «Элементы», 18.05.2010.