Генетика и развитие циркадианных ритмов беспозвоночных
Созревание колебателя и наблюдаемых ритмов
Настоящая глава охватывает процесс созревания в ходе онтогенеза и генетику ведущего осциллятора и наблюдаемых (ведомых) ритмов у беспозвоночных. Обсуждение в основном ограничено многоклеточными организмами, кроме тех случаев, когда представляется важным сопоставление с низшими организмами. Термины «колебатель» и «осциллятор» обычно будут употреблять в единственном числе, хотя действительный физиологический колебатель может состоять из многих компонентов или, по меньшей мере, может быть представлен двумя симметричными центрами в разных полушариях мозга. Суточные ритмы, наблюдаемые только при чередовании света и темноты, а в постоянных условиях затухающие, не обсуждаются.
При исследовании онтогенетического развития циркадианных ритмов возникает важный вопрос: может ли какая-либо информация о ритмах передаваться потомкам через яйцо? Иными словами, существует ли какое-то кодированное сообщение о фазе или периоде колебаний, переходящее от поколения к поколению? Мутации, изменяющие свободнотекущий период, действительно встречаются. Из этого следует, что информация о длине периода может быть закодирована в ДНК и затем воспроизведена в следующем поколении. Каких-либо других данных по этому вопросу очень мало. Одно чрезвычайно интересное сообщение касается плодовой мушки, у которой фаза ритма куколочной линьки будто бы может передаваться потомству от матери. Правда, эти сведенья до сих пор остаются неподтвержденным. Такая передача фазы могла бы означать, что, либо в яйце продолжаются колебания, фаза которых установлена матерью, либо информация о фазе сохраняется во время отсутствия колебаний в закодированной форме. Подобное кодирование фазы, возможно, происходит у пчел, поскольку было показано, что заученное время кормления (т.е. определенная точка (циркадианного цикла) может быть передано необученной пчеле путем пересадки замороженной ткани мозга пчелы-донора.
Другой важный вопрос касается взаимоотношения между появлением наблюдаемого ритма и созреванием осциллятора, который его контролирует. Например, у дрозофилы момент выхода взрослой особи из куколки ограничен «воротами», контролируемыми циркадианными осциллятором. Ступенчатый переход от света к темноте на стадии личинки, а также импульсы света или изменения температуры на стадии куколки способны определить фазу ритма выведения. Информация о фазе в принципе могла бы запасаться в какой-то «свернутой» форме на стадии личинки и куколки, а проявляется лишь после созревания циркадианных колебателей; или же на этих стадиях могли бы происходить скрытые колебания, проявление которых в виде наблюдаемых ритмов отсрочено до взрослой стадии. На самом деле имеет место второй вариант, что было показано в изящных экспериментах с измерением кривой смещения фазы (КСФ) при воздействии вспышек света через регулярные промежутки времени на стадии куколки. В каждый из пяти дней существования куколки были получены сходные КСФ, откуда следует, что в это время действительно продолжались циркадианные колебания.
Циркадианные осцилляторы способны ограничивать «воротами» определенные этапы индивидуального развития. Например, у Drpsophilapseudoobscura время окукливания, момент появления желтой окраски глаз и окрашивания глазковой щетинки не зависит от циркадианного осциллятора, хотя его колебания в это время происходят. Между тем момент выхода куколки находится под циркадианным контролем. Так же обстоит дело у D.meLanogaster. Это можно объяснить с помощью механизма сцепления: фактор, которому предстоит связать ведущий осциллятор с определенными событиями индивидуального развития, сам созревает лишь на стадии поздней куколки. Совершенно иная картина наблюдается у D. Victoria. Здесь окукливание так же ритмично, как и выход из куколки, хотя все промежуточные события на стадии куколки, включая выворачивание головы, появление желтого пигмента глаза и окрашивание глазковых щетинок, аритмичны. Таким образом, у D. Victoriaдействует два независимых осциллятора или же один осциллятор, но с двумя разными механизмами сцепления.
У бабочки Pectinophoraэмбриональный период достаточно продолжителен(10-13 дней при 20С), чтобы можно было исследовать созревание осциллятора, контролирующего ритм вылупления из яйца. Минис и Питтендрих показали, что импульсные и ступенчатые воздействия светом и изменения температуры способны синхронизировать ритмы вылупления в популяции яиц, не ранее, чем на 6-й день эмбрионального развития. Таким образом, на этом этапе информация из внешней среды может быть усвоена, с тем, чтобы проявиться спустя несколько дней, после выхода гусениц из яиц. Вероятно, на 6-й день эмбрионального развития начинает действовать осциллятор, контролирующий вылупление.
У насекомых претерпевающих полный метаморфоз, большой интерес представляют взаимоотношения осцилляторов, контролирующих циркадианные ритмы на разных стадиях развития. Этому вопросу есть данные о четырех организмах. У бабочек–сатурний часы, контролирующие ритм линьки, выдают гормональный сигнал, тогда как контроль ритма полетной активности осуществляется с помощью электрических сигналов, поскольку для сохранения ритма необходим интактный проводящий путь от мозга до грудных ганглиев. Таким образом, эти два ритма либо задаются разными осцилляторами, либо одним осциллятором, но с участием разных механизмов сцепления. У бабочек Pectinophora исследованы ритмы вылупления из яиц, линьки и яйцекладки. При изучении регуляции циркадианных ритмов необходимо различать наблюдаемые ритмы, с одной стороны, и контролирующие их колебатели – с другой. Один и тот же колебатель может быть сцеплен с различными ритмами по-разному (либо посредством вынужденных колебаний, либо через колебательные механизмы), что приводит к многообразию наблюдаемых фаз и профилей ритмов. Pectinophora при СТ 14:10 обычно откладывает яйца в темноте, а выход гусениц и имаго происходит в светлое время суток, причем пик для второго из этих процессов на 3ч позже, чем для первого. Таким образом, каждый ритм имеет свою особую фазу относительно циклов освещенности. Эти ритмы в разной мере поддаются направленному отбору на более раннюю и более позднюю фазы. Последовательный искусственный отбор проводился в отношении ритма выхода имаго, и именно по этому признаку были получены наибольшие различия между «ранней» и «поздней» линиями.
Ритм вылупления из яиц тоже может заметно сдвинуться по фазе, в то время как фаза ритма яйцеклетки остается у всех линий одинаковой. Результаты отбора можно интерпретировать либо как наследственное изменение свойств колебателя, либо как изменения «выходных» механизмов – может быть, механизма сцепления колебателя с подневольными наблюдаемыми ритмами. Поскольку КСФ у ранней и поздней мутантных линий не измерялись, ни одному из этих вариантов пока нельзя отдать предпочтение. Аналогичным образом, все три ритма с их различными фазами могут различаться не ведущими осцилляторами, а лишь связующими и «выходными» механизмами. Одно наблюдение, однако, можно истолковать в пользу различия самих осцилляторов: свободнотекущий период ритма выхода из яиц близок к 24ч, тогда как периоды двух других ритмов составляют 22,5ч.
Правда, это различие периодов может быть обусловлено тем, что один и тот же осциллятор на постэмбриональных стадиях развития укорачивает свой период в результате созревания входных сенсорных путей или дополнительных клеток-часов.
У Drosophilamelanogasterнайдены мутации, затрагивающие периодичность выхода из куколок и подвижности взрослых особей. Эти мутации действуют на оба ритма сходным образом. Еще одна мутация, недавно выявленная в отдельном локусе, удлиняет период обоих ритмов на 1,5 ч. Кроме того, оба ритма могут захватываться на стадиях личинки и куколки, и КСФ колебателя дикого типа для обоих ритмов близки по форме и амплитуде. Эти результаты, как и данные о Pectinophore, позволяют предположить, что оба ритма контролируются сходными, если не тождественными осцилляторами.
Мультигенный анализ
Нейман изучал у комара Clunio, обитающего в приливной зоне, различия между природными популяциями по времени выведенного имаго. Линии, выделенные в разных местах европейского побережья, различаются по этому признаку, так как они приспособлены к местным особенностям приливов и отливов. После скрещиваний двух линий с разным временем выхода имаго первое поколение потомков выводилось в какое-то промежуточное время. Возвратное скрещивание первого поколения с одной из родительских линий тоже давало промежуточное время. Таким образом, время выхода взрослой формы у Clunio контролируется продуктами одного или нескольких генных локусов. У гетерозигот это время выхода зависит от средней активности продуктов всех локусов, а не от простого сложения их эффектов, так как в последнем случае получился бы двухвершинный ритм с пиками, соответствующими временами выхода имаго у двух родительских форм.
Ренсинг и др. исследовали межлинейное различия в суточном профиле потребления кислорода у Drosophilamelanogaster. В результате сравнения линий с разными соотношениями числа Х-хромосом и аутосом был сделан вывод, что Х-хромосома существенно влияет на положение вечернего максимума потребления кислорода при режиме СТ 12:12. У дрозофилы и бабочки пектинофоры путем отбора можно получить линии с ранним и поздним временем выведения. Отбор в лабораторной популяции Drosophilamelanogaster дикого типа привел к большему размаху вариации по этому признаку, чем отбор в природной линии мух; это свидетельствуют о том, что длительное разведение в лаборатории ослабило давление отбора. В результате селекции D. pseudoobscura на протяжении 50 поколений были получены две стабильные линии с ранним и поздним временем выведения имаго, различия между которыми составляло около 4 ч. Однако КСФ для обеих линий, как выяснилось, совпадают; значит, отбор, вероятно, затронул лишь внешние ведомые системы (которые сами по себе могут быть колебательными), но не ведущий осциллятор, способный непосредственно реагировать на свет.