А задумывались ли вы, как борются за еду червяки? Наверняка, нет. А ведь это важно. В условиях ограниченного количества еды, то, сколько получите именно вы, зависит от поведения других участников группы. Поэтому естественный отбор в эволюции направлен на развитие сразу нескольких поведенческих стратегий, которые будут применяться в зависимости от ситуации и поведения товарищей. Как работают разные стратегии по поиску пищи на уровне генов и нейронных путей – необычайно темный лес, даже для нейробиологии. Поэтому начинать надо с самого простого – смотреть, как приспосабливаются к присутствию товарищей (они же одновременно конкуренты за еду) нематоды Caenorhabditis elegans, одни из излюбленных модельных объектов нейробиологов. Именно это и сделали авторы статьи в Nature.
Caenorhabditis elegans
Контекст
Caenorhabditis elegans (C.elegans) — это микроскопические (длинной 1.5 мм, на рыбалку с ними не сходишь) червячки, живущие в почве. В 1965 году Сидни Бреннер переселил этих червячков из почвы в лабораторную чашку Петри и начал использовать их как объект для исследований. Одна из причин того, что C. elegans стали так популярны, это то, что с этими червячками очень легко работать: они очень быстро растут (жизненный цикл — 3 дня), и на одной чашке можно вырастить около тысячи червяков.
Тысяча червяков на одной чашке — это много, еды (а это бактерии) может на всех не хватить, отдельным особям надо приспосабливаться: поэтому у червяков периоды активного перемещения по чашке, её «исследования» чередуются с несколькими минутами сидения на одном месте. Такое пищевое поведение зависит от населенности чашки: чем больше червяков на одной чашке, чем меньше они двигаются – оно ведь и интуитивно понятно, что, если отползти от источника еды, то, когда вернешься, еда может быть уже съедена товарищем.
Детектировать плотностей червей на чашке позволяют феромоны, вырабатывающиеся отдельными червями (в случае с C. elegans эти феромоны называются аскорозидами). При увеличении плотности червей концентрация аскорозидов увеличивается, соответственно, поведение червей меняется.
Исследователи обнаружили, какой конкретно феромон менял пищевое поведение червей: при добавлении аскорозида # 9 (icas#9) черви переставали исследовать чашку Петри в поисках еды. Более того, только один подвид червей был чувствителен к этому феромону, тогда как другой не был. Подобная ситуация идеальна для того, чтобы найти участок ДНК, ответственный за реакцию на этот феромон. Те, кто преимущественно следят за исследованиями на млекопитающих, подумают, что сейчас исследователи отсеквенируют много геномов червяков и попытаются найти отличие между ними.
Однако, Caenorhabditis elegans — это весьма элегантная модель. Здесь в дело вступает другое преимущество червей – с ними легко проводить генетические скрещивания, поэтому участок ДНК, ответственный за определенный признак можно было обнаружить задолго до появления доступных технологий секвенирования. Поэтому исследователи использовали методы «старой» школы и картировали участок ДНК, влияющий на чувствительность к аскорозиду # 9 и соответственно определяющий, будут ли черви перемещаться в поисках пищи. Эта область из 37 kb ДНК была названа roam-1.
Следующий анализ, уже используя секвенирование и анализ мутаций, показал, что из пяти генов, расположенных в roam-1 области, именно ген srx-43 определяет чувствительность к аскорозиду #9. Он кодирует рецептор, который связывается с феромоном, что в итоге ведет к изменению транскрипции генов.
Ну и напоследок исследователи провели соревнования между червями с нормальным геном srx-43 (такие черви чередуют свой поиск между активным поиском и просто «сидением» на месте) и червями с дефектной копией srx-43 (никуда не стремятся, остаются на своем месте с едой). «Победители» были разные — в зависимости от среды и других мутаций в геноме выигрывали или черви с нормальным геном srx-43 или с его дефектной копией. Это самый что ни на есть классический пример взаимодействия генов и среды — при одних условиях мутация в гене будет выгодна, при других нет. Интересно, что в этом случае признак – поведение при поиске пищи.
Текст: Даша Овсянникова
Balancing selection shapes density-dependent foraging behaviour
Joshua S. Greene, Maximillian Brown, May Dobosiewicz, Itzel G. Ishida, Evan Z. Macosko, Xinxing Zhang, Rebecca A. Butcher, Devin J. Cline, Patrick T. McGrath & Cornelia I. Bargmann
Nature 539, 254–258 (10 November 2016) doi:10.1038/nature19848
