Twoja wewnętrzna mucha

Genomom towarzyszył dający wiele do myślenia artykuł neurobiolog specjalizującej się w Drosophila, Leslie Vosshall z Rockefeller University. W artykule tym, zatytułowanym “Into the mind of the fly”  [Zrozumieć umysł muchy], Leslie podsumowuje rozmaite badania behawioralne nad Drosophilą, większość z prac Seymoura Benzera, który stał za odkryciem pierwszego genu zegara biologicznego, jak również mutacji wpływającej na uczenie się. Nie tylko istnieją takie złożone zachowania i geny, ale okazało się, że są w wysokim stopniu konserwatywne: na przykład, te same geny, które kontrolują zegary muszki, kontrolują też część ludzkiego zegara biologicznego. Innymi słowy, podzielasz pewne interesujące kawałki fizjologii z muchą.

Leslie kończy artykuł tym śmiałym twierdzeniem:

Wydaje się teraz możliwe zbadanie bardziej złożonych zachowań, a nawet emocji muszki, których podstaw neurobiologicznych na poziomie genetycznym i funkcjonalnym nie rozumiemy zbyt dobrze u żadnego zwierzęcia: stadność, zdrowy rozsądek, altruizm, empatia, frustracja, motywacja, nienawiść, zazdrość, nacisk grupy i tak dalej. Jedynym ograniczeniem a priori badania którejkolwiek z tych cech jest przekonanie, że muszka może okazywać takie emocje i zaprojektowanie przekonującego paradygmatu behawioralnego do mierzenia ich.

Wtedy myślałem, że jest to pycha muszej neuronauki. Teraz jednak uważam, że prawdopodobnie ma ona rację – wszystkie nasze ludzkie cechy będące pod wpływem genów muszą mieć jakichś mglistych poprzedników u zwierząt; wiele może mieć głębokie korzenie ewolucyjne i dlatego możemy mieć je wspólne nawet z tak odległym krewnymi jak muchy.

Wskazówką, że Leslie miała rację, jest artykuł, który właśnie ukazał się w “Cell”, jednego z jej uczniów Kenty Asahina. Asahina i jego koledzy pokazali, że biochemiczna podstawa agresji wydaje się angażować neuropeptyd, który jest także zaangażowany w agresji u ssaków, włącznie z ludźmi.

Muszki Drosophila są normalnie dość pokojową gromadką, spędzając czas wokół gnijących owoców, kopulując i tak dalej. Jeśli jednak dasz parze samców ograniczoną ilość pokarmu, to potrafią stać się bardzo agresywne i najwyraźniej terytorialne, jak można zobaczyć na tym eleganckim wideo Amber McCartney (trwa ono niemal 4 minuty – rozumiesz sytuację po około 15 sekundach; po 2:15 minuty pojawia się samica, ale chłopaków bardziej interesuje dawanie sobie wzajem wycisku niż flirtowanie z laską, która i tak nie ma na flirt ochoty).

Agresję okazują przede wszystkim samce i udział w tym biorą sygnały chemiczne – jeśli stworzysz samicę pokrytą męskimi feromonami (naukowcy od muszek uwielbiają robić takie rzeczy), samce traktują ją agresywnie zamiast próbować z nią kopulować. W komórkach zaangażowanych w kontrolę tego zachowania  ekspresji ulega gen zwany fruitless, który jest bardzo złożony – ma różne postaci u samców i samic – i robi wiele rzeczy związanych z typowym dla danej płci zachowaniem muszki.

Kenta i jego koledzy (większość z nich z Cal Tech) wykonali elegancki eksperyment; podejrzewali, że neuropeptydy mogą być zaangażowane w kontrolę agresji u muszek, ponieważ substancje te znajdują się także w obwodach neuronowych kontrolujących złożone zachowania. Wzięli 40 linii rodowych muszek reprezentujących w sumie około 20 genów neuropeptydów i zmodyfikowali je tak, że geny mogły działać tylko w temperaturze 29º C (to także jest rodzaj rzeczy, które ludzie od muszek lubią robić). Umieścili parami samce w stadium przepoczwarzania się i potem automatycznie obserwowali ich ruchy.

Szóstego dnia zmienili temperaturę na 29ºC i obserwowali, co się działo. Jak pokazuje poniższy wykres, dwie z linii, w których ekspresji ulegał neuropeptyd o nazwie tachykinina, wykazywały wysokie poziomy zachowania polegającego na rzucaniu się  (jest to kluczowa część agresji samczej), co sugeruje, że ten neuropeptyd jest zaangażowany w kontrolowanie agresji.

Potem przyjrzeli się w jaki sposób gen Tachykinin (‘Tk’) ulegał ekspresji w mózgach muszek i odkryli, że tylko w niewielkiej liczbie komórek u samców ten gen ulegał ekspresji. Okazało się, że te komórki były także specyficzne dla męskiej postaci genu fruitless. Poniżej można zobaczyć kunsztowną naukę, jaką potrafią dzisiaj uprawiać neuroanatomowie - kolor zielony oznacza komórki w mózgu muszki, w których ekspresji ulega Tk, kolor fioletowy pokazuje wzór ekspresji męskiego fruitless (A2, B2).

Aby dowieść, że te komórki są rzeczywiście zaangażowane w kontrolowanie agresji, zmodyfikowali muszki w taki sposób, że mogły włączać i wyłączać Tk tylko w tych specyficznych komórkach. I rzeczywiście stwierdzili, że kiedy gen był włączony, muszki wykazywały zachowanie agresywne.

Jest w tym artykule znacznie więcej, włącznie z pokazaniem, że dotyczyło to tylko agresji, że mutacja w genie Tk anulowała agresję, aktywowanie komórek Tk powodowało agresywność muszek i tak dalej, ale dla zwykłych czytelników możemy przejść do pièce de résistance. (Przepraszam naukowców, którzy wykonali tak wielką robotę, w żaden sposób nie umniejszam waszych wysiłków!)

W części “Dyskusja” autorzy podkreślają, że to, co ludzie od much nazywają tachykininą, jest homologiczne do tego, co u ssaków nazywa się „Substancją P”, która jest zaangażowana w kontrolowanie agresji u ssaków. Innymi słowy, neuropeptyt, który umożliwia tym muszkom agresję, znajduje się także w tobie i we mnie. Autorzy przechodzą następnie do śmiałych twierdzeń w oparciu o to niewiarygodnie szczegółowe i dobrze podbudowane badanie. Kilka lat temu mógłbym zlekceważyć i odrzucić te twierdzenia, ale obecnie traktuję je niezwykle poważnie. Przytaczam ich końcowy akapit (bez odnośników). Część z tego może być trudna, ale to jest wspaniały materiał z potencjalnie olbrzymimi implikacjami, jeśli mają oni rację:

Spośród trzech wariantów neuropeptydów o charakterze tachykininy, Substancja P jest zaangażowana bezpośrednio lub pośrednio, w rozmaite postaci agresji, włącznie z wściekłością obronną i atakiem na ofiarę u kotów oraz agresją między samcami u szczurów. Choć nie wszystkie funkcje Substancji P są zachowawcze, (takie jak nocycepcja u ssaków i modulacja węchowa u much), dane sugerują, że ten neuropeptyd jest szeroko zaangażowany w kontrolę zachowania agonistycznego zarówno u kręgowców, jak i bezkręgowców. Dołączają więc one do rosnącej liczby układów neuropeptydowych, które pokazują niezwykłą zachowawczość ewolucyjną funkcji regulujących wrodzone „zachowania sprzyjające przeżyciu”, takie jak odżywianie się i kojarzenie. Aminy biogenne kontrolują także agresję w całym rozwoju filogenetycznym. Chociaż w wypadku serotoniny kierunek jej wpływu jest przeciwny u much i u ludzi.

Nasze odkrycia wskazują, że badania zachowań agonistycznych u Drosophila mogą umożliwić identyfikację genów odgrywających istotną rolę w regulacji agresji również u kręgowców. Co ciekawe, u ludzi koncentracja w płynie mózgowordzeniowym substancji o immunoreaktywności podobnej do Substancji P, pozytywnie koreluje z tendencjami agresywnymi u pacjentów z zaburzeniami osobowości. U ludzi testowano preparaty o działaniu antagonistycznym w stosunku do Substancji P w charakterze leków przeciwlękowych i przeciwdepresyjnych, ale nie wykazały one skuteczności. Obecne odkrycia, w połączeniu z badaniami nad ssakami, sugerują, że może być cenne zbadanie potencjału tych antagonistów dla zmniejszenia agresywnej przemocy wśród ludzi.

Źródła

Leslie B. Vosshall (2007) Into the mind of a fly Nature 450:193-197 (FREE!)

Kenta Asahina et al. (2014) Tachykinin-Expressing Neurons Control Male-Specific Aggressive Arousal in Drosophila. Cell 156:221-235. (abstract free, article = $$$)

Your inner fly: fighting dipterans share genes with you and me

Why Evolution Is True, 19 stycznia 2014

Tłumaczenie M.K. [Podziękowania dla dr Karola Zuba za sprawdzenie tłumaczenia.]

Matthew Cobb

Biolog i pisarz, mieszka i pracuje w Manchesterze, niedawno w Stanach Zjednoczonych ukazała się jego książka „Generation”, a w Wielkiej Brytanii „The Egg & Sperm Race”. Systematycznie publikuje w "LA Times", "Times Literary Supplement", oraz "Journal of Experimental Biology".