Генетика поведения. Предмет науки
О возможности передачи особенностей поведения от родителей к потомкам было известно давно, поскольку при разведении сельскохозяйственных и домашних животных человек не только видел своеобразие их поведения, но и научился получать желаемые комбинации признаков поведения у новых пород. Наиболее отчетливые межпородные различия в поведении известны у собак.
Время существования научной дисциплины принято отсчитывать от появления первого исследования в этой области. Описанное в 1913 г. американской исследовательницей Дцой Иеркс наследование комплекса злобности, пугливости и дикости у крыс (Rattus пог-vegicus) – первая экспериментальная работа по генетике поведения.
Началом самоопределения генетики поведения обычно считают год публикации первой обобщающей монографии американских ученых Дж. Фуллера и У. Томпсона "Генетика поведения" (Fuller, Thompson, 1960). Книга имела огромный успех у биологов разных специальностей. Оба автора по своему образованию не были генетиками, но, приступив к исследованию поведения, четко осознали значение генетического подхода. Не прибегая к сложным генетическим рассуждениям, они смогли убедительно показать необходимость оценки роли генотипа в формировании поведения и привести экспериментальные свидетельства этого. Еще одной работой, важной для становления этого направления, была монография Дж. Скотта и Дж. Фуллера по генетике поведения собак (см.: 8.6.1).
Значительную роль в формировании генетического подхода к анализу поведения сыграли работы сотрудников специальной генетической лаборатории в США, так называемой Джексоновской лаборатории в штате Мэн. Это учреждение – всемирно известный центр, основанный в 1929 г. генетиком К. Литтлом. В нем поддерживаются инбредные и селектированные линии мышей, число которых в настоящее время очень велико (см. также: 8.2.4). В этой коллекции имеется много десятков мутаций, затрагивающих строение мозга и поведение.
Джексоновская лаборатория может предоставить любое число животных, имеющих нужный исследователям генотип. Такая возможность позволила ученым разных стран не только скринировать множество линий и выявить межлинейные различия поведения и нейрохимических признаков, но и послужила основой для разработки новых подходов к изучению генетики количественных признаков (метода рекомбинантных инбредных линий – см.: 8.6.7.2 и метода картирования QTL – quantitative trait loci;, см.: 8.6.7.3), которые используются и в генетике поведения.
В нашей стране первым генетическим исследованием признаков поведения была выполненная в 20-х годах работа М.П. Садовнико-вой-Кольцовой. В ней была сделана попытка селекции крыс на скорость побежки в экспериментальной установке (см.: Крушин-ский, 1991). В последние годы жизни И.П. Павлова в Колтушах была организована лаборатория генетики высшей нервной деятельности, задачей которой должно было стать изучение генетических основ индивидуальных особенностей условнорефлекторной деятельности (т.е. типов ВНД) собак.
В этой лаборатории в конце 30-х годов Л.В. Крушинский начал исследования генетики поведения собак. По своему содержанию и методологии они практически не имеют себе равных и по сей день (см.: 8.6.1).
В нашей стране генетические исследования поведения животных проводились в нескольких лабораториях, в каждой из которых разрабатывалось свое оригинальное направление. Лаборатории, созданные в 30–40-е годы М.Е. Лобашевым (1907–1971) и В.К. Федоровым (1914–1972) в Колтушах (Институт физиологии им. Павлова АН СССР), изучали проблемы генетической детерминированности свойств нервной системы, а также (совместно с кафедрой генетики ЛГУ) вопросы сравнительной генетики поведения.
Следует также упомянуть об оригинальных генетических исследованиях Р.А. Мазинг, изучавшей проявление некоторых морфологических мутаций дрозофилы (Bar, eyeless, white и др.). Поведение мух, а именно их реакция на свет и выбор места для откладки яиц, при этих мутациях зависели от генетического фона линии, несущей мутации.
В Институте цитологии и генетики СО АН СССР (Новосибирск) под руководством Д.К. Беляева 1917–1987 в 60-е годы была начата селекционная работа по созданию доместицированной линии серебристо-черных лисиц. Отбор на спокойное и на агрессивное отношение к человеку вызвал к жизни сложнейшие перестройки эндокринной и нейромедиаторной систем организма, которые широко исследуются в настоящее время (Трут, 1987).
На биологическом факультете МГУ в лаборатории, созданной и возглавленной Л.В. Крушинским (в 1968 г. она получила название лаборатории физиологии и генетики поведения), была выведена линия крыс с высокой чувствительностью к звуку (линия Крушин-ского-Молодкиной – КМ) и исследована генетическая детерминированность аудиогенной эпилепсии (см.: 8.6.5.1) у этих животных. В этой же лаборатории под руководством Л.В. Крушинского были проведены исследования роли генотипа в формировании сложного адаптивного поведения – способности животных к экстраполяции направления движения стимула (см.: Крушинский, 1986).
Генетическое исследование поведения позволяет выяснить, в какой степени изменчивость интересующего нас признака поведения связана с изменчивостью генотипов данной группы животных, а в какой – с внешними по отношению к генотипу событиями, воздействующими на ЦНС, и следовательно, на поведение. Для этого необходимо использование так называемых генетических моделей – групп животных, состоящих из генетически идентичных (или почти идентичных) особей, имеющих определенные физиологические или биохимические особенности. С этой целью используют линии животных. Это могут быть инбредные линии (мышей и крыс), между которыми обнаружены межлинейные различия по поведению. Наряду с ними используются линии, сформированные путем селекции (искусственного отбора) на высокие и низкие значения какого-либо признака поведения.
Выявление межлинейных различий или выведение специальных линий – обычно первый этап исследования. Следующим шагом в классических исследованиях по генетике поведения бывает проведение скрещиваний животных из линий, обнаруживших контрастные значения признака.
Тестирование поведения гибридов первого поколения дает информацию о доминантном, промежуточном или рецессивном наследовании интересующего нас признака. Если данный признак определяется одним, двумя или тремя генами, то это можно определить по картине его распределения у гибридов второго поколения и потомков возвратного скрещивания. Если же в определении признака участвует большее число генов, то необходимо применять методы генетики количественных признаков (см.: 8.6.6).
Современный этап развития науки обогатил генетику поведения новыми методами. Кроме упомянутых выше методов рекомбинант-ных инбредных линий и QTL, это создание и исследование мозаичных и химерных животных, а также трансгенных организмов (см.: 8.5.3; 8.6.4.4). Очевидно, что подобные исследования можно проводить на объектах, которые хорошо изучены генетически.
Генетика поведения и нейрогенетика как ее часть сформировались в большой степени благодаря использованию плодовой мушки дрозофилы в качестве объекта исследования. Это относится и к исследованию процесса нейрогенеза, и к выявлению универсальных генных комплексов, работающих в живых системах разного уровня организации (дрожжевые грибки, амфибии, млекопитающие), названных гомеобоксом. Другой важнейшей группой работ, выполненных на дрозофиле, является исследование белка CREB, связанного с процессом формирования памяти и, по-видимому, имеющего универсальную природу (см.: 8.4.3.6).
Чрезвычайно перспективным экспериментальным объектом ней-рогенетики и генетики поведения считаются мыши. Помимо задач общебиологического плана, связанных с исследованием генетических вариаций в строении мозга (см.: раздел 8.6.7) и их адаптивной значимости, на мышах широко изучаются нейробиологические основы процесса обучения. Исследование генетики поведения мышей дает возможность моделировать целый ряд неврологических и психических заболеваний человека, таких как эпилепсия, алкоголизм, депрессивные состояния, болезнь Альцгеймера и др. (см.: 8.6.5).
8.1.1. ЗАДАЧИ ГЕНЕТИКИ ПОВЕДЕНИЯ
Основная задача генетики поведения – выяснение роли генетических факторов в определении особенностей поведения. Очевидно, что она состоит из нескольких достаточно самостоятельных проблем. Одна из них – определение относительной роли и взаимодействия генетических и средовых влияний при формировании поведения в онтогенезе. Вторая задача – исследование механизмов действия генов, определяющих формирование нервной системы. Третья задача связана с изучением механизмов реализации действия мутантных генов, затрагивающих функцию ЦНС, которые могут служить моделями заболеваний нервной системы человека. Четвертая задача – изучение генетико-популяционных механизмов формирования поведения и его изменений в процессе микроэволюции. Вторую и третью задачи нередко выделяют в направление, получившее название нейрогенетики.
Интеграция целостного, "организменного" и молекулярно-био-логического подходов для создания возможно более полной картины роли генотипа в формировании мозга, в развитии его отдельных реакций и поведения в целом составляет общую задачу генетики поведения. Таким образом, две ее основные части – собственно генетика поведения и нейрогенетика дополняют друг друга, причем следует отметить, что в последнее время нейрогенетика начинает приобретать все большее значение.
Наряду с конкретными экспериментальными исследованиями, проведенными в середине и даже в начале века, истоком современной генетики поведения служит также феногенетика – направление, зародившееся в начале в 30-х годов (см.: 8.2.1). Задачей фено-генетики является изучение закономерности становления признака под влиянием данного набора генов и определенной констелляции средовых воздействий (Астауров, 1968).
В настоящее время генетические исследования поведения и нейрофизиологических процессов проводятся по нескольким направлениям.
Условно они подразделяются на две группы: исследование функции гена на молекулярном и физиологическом уровне с последующим анализом влияния этого гена на поведение (подход "от гена к поведению") и изучение генетической компоненты изменчивости целостного поведения с последующим более детальным анализом феноменологии на уровне отдельных хромосом и генных комплексов или же отдельных генов (подход "от поведения к гену").
Исследования первой группы проводятся по ряду направлений. Во-первых, изучаются особенности влияния генов, кодирующих белки-предшественники пептидов, ферменты, структурные белки, определяющие общие и специфические признаки нервных и глиаль-ных клеток (рецепторные структуры и молекулы, медиаторные системы, формирование клеточных органелл и отростков – дендритов и аксонов, синапсов и др.), а также белки, связанные с функцией ЦНС как целого. Сюда относятся также исследования влияния отдельных локусов, детерминирующих взаимодействие мозга и эндокринной системы, а также генов, участвующих в синтезе веществ химической сигнализации (например, гормона откладки яиц у ап-лизии, феромонов), и генов, детерминирующих специфику поведения у беспозвоночных животных, в особенности у насекомых (например, исследование мутаций, влияющих на половое поведение дрозофилы – см.: 8.4).
Во-вторых, это четкие и часто хорошо изученные поведенческие эффекты мутаций отдельных генов у млекопитающих. Это и мутации, мало влияющие на общую приспособленность организма в условиях содержания животных в лаборатории (их можно было бы отнести к "нейтральным"), и "вредные" неврологические мутации. Последние представляют большой практический интерес как модели генетических заболеваний нервной системы человека, а также как объект для изучения нормальных процессов развития и функции мозга (см.: 8.6.4).
Поиск четких "единиц" физиологической регуляции поведения заставляет исследователей переходить ко все более простым объектам.
Сложность генетической регуляции "примитивных" реакций у низших организмов будет показана в разделе 8.3, посвященном генетике "поведения" Escherichia coli и примитивных реакций нематоды Caenorhabditis elegans и др.
Вторая группа исследований использует подход "от поведения к генам", который нельзя назвать альтернативным предыдущему (см.: 8.6). Однако экспериментальные методы, используемые в таких работах, часто совсем иные, нежели при анализе работы отдельных генов. Именно в исследованиях такого рода, которые можно назвать генетикой поведения "per se", чрезвычайно важны выбор адекватного признака для анализа (см.: 8.2) и владение набором четких правил, составляющих основу генетического анализа поведения.
8.2.