У безпрецедентному дослідженні вчені здійснили дивовижний прорив: вони успішно перенесли шлюбну поведінку від одного виду до іншого, спонукавши приймаючу істоту виконувати цю абсолютно чужу дію так, ніби вона була її власною. Хоча раніше гени вже обмінювалися між видами для впливу на окремі риси, повна генетична передача раніше невідомої поведінки іншій тварині сталася вперше.
Цього визначного досягнення дослідники з Нагойського університету в Японії досягли, маніпулюючи лише одним геном. Їм вдалося створити нові нейронні зв’язки та перенести поведінку між двома різними видами плодових мушок – Drosophila subobscura та D. melanogaster. Обидва види належать до родини Drosophilidae, проте вони мають відмінні нейронні мережі, які керують дуже різною шлюбною поведінкою.
Це кульмінація майже десятирічної праці кількох членів японської наукової групи. Зокрема, співавтор дослідження Рьоя Танака, викладач Вищої школи наук Нагойського університету, ще у 2017 році очолював роботу з картографування та порівняння шлюбних мереж двох видів мух. D. melanogaster заманює самок співом, тоді як D. subobscura демонструє романтичний жест, відригуючи їжу як подарунок. Використовуючи оптогенетику – передову біотехнологію, що дозволяє контролювати діяльність нейронів за допомогою світла, – вчені викликали “дарування подарунків” у D. subobscura. Це підтвердило, що ген під назвою Fruitless (Fru), присутній в обох видах, відіграє головну роль у шлюбних ритуалах, але керує абсолютно різними типами поведінки у кожного з них.
Співочі мушки стають “дарувальниками”
Тепер японські дослідники вивели це дослідження на абсолютно новий рівень, використовуючи генетичні маніпуляції, щоб перетворити самців D. melanogaster, які еволюційно розійшлися з іншим видом близько 35 мільйонів років тому, на дарувальників подарунків замість співаків. Важко сказати напевно, але коли ці види, що ставали все більш відмінними, продовжували свій власний еволюційний шлях від спільного предка, зовнішні тиски та шлюбні уподобання, ймовірно, формували їхню “мову кохання”. Один вид удосконалив свої крилові м’язи та співочі центри для створення звукового шлюбного ритуалу, інший – візуальні та рухові центри для відригування та презентації їжі самці. По суті, перетворення D. melanogaster на дарувальників подарунків – це не те, що можна просто “розблокувати”; ця поведінка зникла, можливо, десятки мільйонів років тому.
Вчені тепер кардинально змінили цей еволюційний шлях, генетично перепрограмувавши мозок D. melanogaster. Вони “увімкнули” ген Fru в інсулін-продукуючих нейронах співочих мух – саме там, де цей ген знаходиться в головах дарувальників. Це дозволило маніпулювати ним для формування абсолютно нових нейронних зв’язків, що призвело до передачі поведінки іншому виду. Це перший приклад маніпуляції одним геном для перенесення такої чужої поведінки до іншого виду.
Генетичне перепрограмування мозку
Для досягнення цього результату, вчені вводили ДНК в ембріони D. subobscura таким чином, щоб певні клітини мозку виробляли білки, які активуються під дією тепла. Короткочасно нагріваючи мух, вони могли “вмикати” ці цільові нейрони. Це виявило скупчення 16-18 інсулін-продукуючих нейронів у pars intercerebralis — нейросекреторному центрі мозку комах — які виробляють чоловіко-специфічний білок FruM. Порівняння цієї ділянки з D. melanogaster показало, що у виду-дарувальника (D. subobscura) інсулінові нейрони були включені в шлюбний контур, тоді як у співочого виду (D. melanogaster) – ні.
У D. melanogaster інсулін-продукуючі нейрони не пов’язані зі шлюбним контуром, керованим геном Fru, що означає, що відригування просто не є частиною їхніх здібностей – їхня нейронна проводка та генетична програма роблять це неможливим. Однак дослідники з’ясували, як увімкнути ген Fru у цих нейронах, фактично перепрограмувавши контур таким чином, щоб співочі мухи могли виконувати чужу поведінку дарування подарунків. Що примітно, це поведінкове перемикання відбулося без будь-якого навчання чи соціального впливу – воно виникло винятково через переналаштування нейронних мереж.
Співавтор дослідження Рьоя Танака підкреслив: “Коли ми активували ген fru в інсулін-продукуючих нейронах співочих мух для вироблення білків FruM, клітини розвинули довгі нейронні відростки і з’єдналися з шлюбним центром у мозку, створюючи нові мозкові контури, які вперше викликали поведінку дарування подарунків у D. melanogaster“.
Приховані поведінкові програми
Цей генетично інженерний перенос шлюбної поведінки наочно демонструє, як деякі тварини можуть нести приховані, еволюційно сплячі форми поведінки у своїй нейронній архітектурі. Таким чином, активація відповідного генетичного перемикача може пробудити ці давні програми – навіть якщо вони є абсолютно чужими для даного виду.
“Наші висновки показують, що еволюція нової поведінки не обов’язково вимагає появи нових нейронів; натомість, невеликі генетичні переналаштування в кількох існуючих нейронах можуть призвести до поведінкової диверсифікації і, зрештою, сприяти диференціації видів”, – додав співавтор Юсуке Хара з Національного інституту інформаційних та комунікаційних технологій (NICT), що знаходиться в Японії та є провідною установою у сфері інформаційних та комунікаційних технологій.
Проте це більше, ніж просто науковий експеримент. Види плодових мушок, хоча й відрізняються один від одного, поділяють близько 60% свого генетичного матеріалу з людьми. А вчені вважають, що три з чотирьох генетичних захворювань людини мають паралельні стани у плодових мушок. Не дивно, що дослідження на плодових мушках – зокрема, на модельному виді D. melanogaster – принесли вченим шість Нобелівських премій. Наприклад, у 2024 році дослідники створили найбільш детальну нейронну карту мозку мухи, відому як конектом.
Останнє дослідження надає реальний доказ того, що незначні генетичні зміни – у цьому випадку, всього один ген – у нейронних контурах можуть перепроектувати поведінку на рівні виду. Хоча ніхто не припускає, що ми незабаром будемо створювати нові інстинкти у людей, ця робота показує, що можливо активувати абсолютно нові форми поведінки, змінюючи проводку мозку на генетичному рівні. Це натякає на те, що деякі поведінки можуть залишатися сплячими в нашій власній біології – запрограмованими, але безмовними – чекаючи на відповідний молекулярний “перемикач”, щоб їх активувати.
“Ми показали, як ми можемо простежити складну поведінку, таку як дарування шлюбних подарунків, до її генетичних коренів, щоб зрозуміти, як еволюція створює абсолютно нові стратегії, які допомагають видам виживати та розмножуватися”, – заявив старший автор Дайсуке Ямамото з NICT.
Дослідження було опубліковано у престижному журналі Science.
