Моделирование на животных

Преимущества генетических исследований на животных очевидны - это широкие возможности для скрещивания и отбора, контроля условий среды, в которых развивается потомство, отсутствие этических преград для проведения любых манипуляций на всех уровнях функционирования, начиная с геномного и кончая популяционным. Спектр возможностей исследований человека гораздо уже. Поэтому психогенетика часто использует методы моделирования на животных различных состояний, некоторых психических заболеваний, элементарных форм научения.
У человека и других млекопитающих гораздо больше общности, чем различий. Например, число нуклеотидов в ДНК человека и мыши составляет примерно три миллиарда, причем более 99% генов у них являются общими. Любое поведение является результатом деятельности мозга. Известно, что многие механизмы деятельности мозга у человека и животных также идентичны. Поэтому нет ничего удивительного в том, что эксперименты на животных, как на более простых системах, позволяющих к тому же осуществлять вмешательство в деятельность этих систем, позволяют подойти к решению некоторых проблем генетики поведения человека. Вообще генетика поведения животных является самостоятельной областью генетики поведения, и в данной области ведутся различные исследования, прямым образом не связанные с генетикой человека. Мы не будем подробно касаться этой сферы, а упомянем лишь несколько примеров исследований на животных, которые способствуют пониманию проблем генетики поведения человека. В дальнейшем, особенно в том разделе, где речь пойдет об индивидуальном развитии, мы еще не раз столкнемся с модельными экспериментами, ведущимися на животных. Воспользуемся несколькими примерами модельных экспериментов на животных.

Способность к обучению. Никто не станет отрицать, что способность к обучению присуща не только человеку, но и животным. Эта способность широко исследуется в генетике поведения животных. Исследования проводятся также в основном на инбредных линиях крыс или мышей. В этой области преимущество экспериментов на животных заключается в том, что по результатам скрещивания особей разных линий, т.е. животных с разными "поведенческими" генами, можно составить представление о характере наследования способности к обучению, а возможность выращивать потомство в различных условиях среды помогает определить характер средовых влияний на формирование способности к обучению, что в экспериментах с человеком, естественно, невозможно.
В ряде экспериментов изучались различия между линейными животными по обучению условной реакции избегания. Животных помещали в специальную клетку, разделенную на два отсека. В один из отсеков подавался электрический ток, вызывающий неприятные ощущения. Чтобы избежать неприятного воздействия, животное должно было перепрыгнуть в другой, безопасный отсек клетки. Сначала животное обучается этой реакции, а затем перед включением тока подается сигнал в виде вспышки света, и животное постепенно обучается реагировать на включение вспышки, а не на сам ток. Показателем скорости обучения служит число вспышек, необходимое для формирования условной реакции избегания. Оказалось, что инбредные линии мышей значительно отличаются по скорости обучения. Скрещивание линий с высокой и низкой скоростью обучения показало, что в основе различий лежит простой моногенный тип наследования.
Другой тип поведения, связанного с обучением, - обучение в лабиринте - в отличие от поведения избегания, оказался подвержен не только генетическим, но и средовым влияниям. Чтобы добраться до кормушки, крысам необходимо было преодолеть лабиринт. В исходной популяции встречались животные, которые быстро находят путь и делают мало ошибок, и, наоборот, такие, которые затрачивают на это много времени и часто ошибаются. Выборочная селекция в нескольких поколениях позволила выделить неперекрывающиеся субпопуляции "умных" и "глупых" животных. Это говорит о том, что в исходной популяции существовала заметная генетическая изменчивость по способности к обучению в лабиринте.
Затем был осуществлен эксперимент, который чрезвычайно важен для формулировки гипотезы в отношении способности к обучению у человека. Детенышей каждой из линий - "умной" и "глупой" - разделили на 3 группы. Крысята первой группы выращивались в обычных условиях. Детеныши из второй группы с момента рождения были лишены тех факторов среды, которые способствуют познавательной или исследовательской деятельности, т.е. росли в условиях депривации. Третья группа крысят, наоборот, была помещена в обогащенную среду - внутри клетки находились трапы, зеркала, туннели и другие приспособления, способствующие развитию разнообразных видов активности. Самое интересное заключается в том, что межлинейные различия в этой ситуации наблюдались только в группах животных, выращиваемых в обычных условиях. Депривированные животные обеих линий одинаково плохо справлялись с лабиринтом, а вот животные, росшие в сенсорно-обогащенной среде, независимо от принадлежности к линии, почти одинаково хорошо обучались поведению в лабиринте (рис. 8.10). Из этого опыта следует, что депривация в раннем возрасте отрицательно сказывается на способности к обучению в дальнейшем, и, наоборот, сенсорно-обогащенная среда может улучшить эту способность, несмотря на существующие генетические различия.
Подчеркнем еще раз, что генетические различия, заметные в одном диапазоне сред, могут не проявиться в фенотипе при перемещении тех же генотипов в другой диапазон (см. тему 4), и что генетическая детерминации вариативности признака не означает невозможности его изменения путем изменения среды. Здесь же хочется обратить внимание читателей на гипотетический график нормы реакции для интеллекта человека (рис. 8.11), демонстрирующий критическое значение депривации для развития нормального интеллекта. Так что между генетическими исследованиями поведения животных и человека существует множество точек соприкосновения, и некоторые схемы эксперимента, которые мы можем осуществить на животных, позволяют проверять наши гипотезы в отношении человека.

Алкоголизм. При изучении наследственных причин алкоголизма у человека широко используются эксперименты на мышах и крысах. Исследователям удалось путем инбридинга (близкородственного скрещивания) получить чистые линии мышей с различной потребностью в алкоголе (напомним, что все животные, принадлежащие к одной линии, имеют почти одинаковые генотипы). Мыши некоторых линий полностью избегают алкоголя, тогда как другие предпочитают в среднем до 2/3 дневной нормы жидкости получать в виде 10% раствора алкоголя. Были исследованы межлинейные различия в свойствах мозга и печени животных. Основные различия между животными, принадлежащими к контрастным линиям, выявились в двух сферах - в метаболизме алкоголя и в его воздействии на физиологию мозга. Было показано, что повышенная потребность в алкоголе сочетается с высокой чувствительностью мозга к его наркотическому действию (Хрестомат. 8.2).
Эксперименты на животных позволили очертить те области, в которых необходимо было искать генетические различия между людьми - это метаболизм алкоголя, т.е. комплекс его превращений в организме, и нейрофизиологические реакции на алкоголь. В исследованиях на близнецах было обнаружено существенное генетическое влияние на метаболизм алкоголя, а в нейрофизиологических экспериментах с регистрацией электроэнцефалограммы (ЭЭГ) было показано, что лица, склонные и не склонные к потреблению алкоголя, имеют разный характер ЭЭГ и разную ее реактивность на введение алкоголя. Оказалось, что родственники алкоголиков, не страдающие алкоголизмом, имели похожий характер биоэлектрической активности мозга, а МЗ близнецы, в отличие от ДЗ, демонстрировали высокое сходство по реактивности ЭЭГ на алкоголь. Все эти эксперименты позволили заключить, что некоторые особенности метаболизма и характер чувствительности нервной системы к алкоголю являются генетически обусловленными причинами различий между людьми в склонности к потреблению алкоголя. Возникновение же алкоголизма как болезни, со всем комплексом поведенческих и личностных расстройств, определяется в основном внешними обстоятельствами, т.е. средой. В обществе, где алкоголь доступен и традиционно является одним из элементов среды при общении людей, генетически восприимчивый к алкоголю человек имеет больше шансов заболеть алкоголизмом.
Помимо способности к обучению и алкоголизма на животных моделируются агрессивность, склонность к беспокойству и страху, а также такие заболевания человека, как эпилепсия и болезнь Альцгеймера (Хрестомат. 8.3 и 8.4).
С развитием генной инженерии стали появляться принципиально новые возможности исследований эффектов единичных генов. В последние годы все чаще исследуются так называемые трансгенные мыши и мыши-нокауты. Разработаны методы внедрения в геном чужеродного гена (трансгенные мыши) и выключения (нокаута) одного из естественных генов. При нокауте один из нормальных генов полностью инактивирован. Нокаут напоминает прием, используемый в нейрофизиологии для изучения последствий удаления отдельных областей мозга. В случае генного нокаута изучаются последствия удаления отдельного гена, т.е. фактически последствия лишения организма того генного продукта, который вырабатывается на основе изучаемого гена.
Оба метода сложны в осуществлении. Работа ведется в несколько этапов, которые включают клонирование нужного гена в бактериях, работу с генной ДНК, внедрение измененной ДНК в эмбриональные клетки на ранних стадиях развития, различные ухищрения для отбора нужных клеток, в которых произошла инактивация гена или, наоборот, был внедрен "чужой" ген, последовательные скрещивания для получения поколения мышей с нужным геномом. В дальнейшем это потомство тщательно исследуется для выявления морфологических, физиологических и поведенческих нарушений, являющихся последствиями вмешательства. К сожалению, такие методически сложные процедуры нередко заканчиваются лишь констатацией наличия плейотропного эффекта действия гена. Плейотропный, или множественный, эффект означает, что генный продукт может быть включен в столь важные процессы метаболизма, что они существенно влияют на самые разнообразные признаки, в том числе и на поведение. Однако уже сейчас получены первые результаты, демонстрирующие, что утеря некоторых важных биохимических субстанций в нервной клетке в связи с нокаутом или внедрение новых генов могут вызывать специфические изменения поведения (Хрестомат. 8.5).
Еще один интересный факт заслуживает внимания. Не так давно исследователи генетики поведения животных провели своеобразные "эксперименты-близнецы". В трех независимых лабораториях (в штатах Орегон и Нью Йорк в США и в штате Альберта в Канаде) были выполнены идентичные исследования. В каждой из лабораторий ученые постарались максимально уравнять все генетические и средовые переменные: выбрали генетически идентичные линии животных (мышей), применили одну и ту же схему эксперимента, максимально контролировали все условия среды (питание животных, световой режим, время проведения тестирования и т.п.). Однако, несмотря на это, ни в одной из лабораторий не удалось получить полностью совпадающих результатов. Этот факт свидетельствует о том, что существует множество средовых эффектов и случайностей, которые трудно уравнять, например, запахи в лабораториях. Среда оказывается настолько вариабельной, что не поддается полному контролю. Этот эксперимент продемонстрировал, что даже незначительные различия в среде могут приводить к заметным изменениям в поведении. Тем более важно это учитывать в исследованиях, проводимых на человеке.

Выводы

• 8.1. Геномика и психогенетика
1. Геномом называется полный состав ДНК клетки.
2. Геномика - это молодая интенсивно развивающаяся отрасль генетики, изучающая принципы построения геномов и их структурно-функциональную организацию.
3. Структурная геномика изучает нуклеотидные последовательности ДНК, в том числе строение и локализацию генов. Одной из задач структурной геномики является построение генетических карт организмов.
4. Функциональная геномика решает задачи идентификации функций отдельных участков генома и механизмы их взаимодействий в клеточном ансамбле.
5. Современные представления о геноме человека базируются на нескольких открытиях молекулярной биологии 70-х годов ХХ века, основными из которых являются открытие полимеразной цепной реакции (ПЦР), позволяющей получать достаточное количество ДНК для анализа, и разработка методов секвенирования, которые позволяют расшифровывать точную последовательность нуклеотидов в цепях ДНК.
6. В конце 80-х годов ХХ столетия началось осуществление международного проекта "Геном человека", основной задачей которого было секвенирование генома человека. Полное секвенирование генома человека было завершено в 2000 году.
7. Секвенирование генома человека привело к открытию огромного количества однонуклеотидных полиморфизмов (ОНП) - генетических вариантов последовательностей нуклеотидов одного и того же участка ДНК у разных людей. Распределенные по всему геному ОНП используются в качестве генетических маркеров.
8. По расчетам генетиков люди оказываются идентичными по нуклеотидным последовательностям на 99,9%. Таким образом, генетическая вариативность людей возникает за счет различий лишь в 0,1% генома.
9. Данные секвенирования показали, что в геноме человека чуть более 30000 генов. Большинство генов имеют размеры до 50000 пар нуклеотидов. Число синтезируемых белковых продуктов превышает число генов в 1,5-2 раза. Это является результатом альтернативного сплайсинга.
10. В современной психогенетике используются три основных подхода к изучению поведенческой геномики: анализ сцепления, анализ ассоциаций, непосредственный анализ ДНК (секвенирование и идентификация мутаций).
• 8.2. Анализ сцепления
1. Классический вариант анализа сцепления использован на использовании явления кроссинговера. В процессе кроссинговера гены, расположенные в одной хромосоме (сцепленные), рекомбинируют тем чаще, чем дальше они отстоят друг от друга. Т.Морган в начале ХХ века предложил использовать явление сцепления для создания генетических карт, т.е. схем расположения конкретных генов на конкретных хромосомах.
2. Для локализации гена на хромосоме необходим маркер, т.е. ген, локализация которого известна, либо морфологический или молекулярный маркер.
3. При анализе сцепления мерой "генетического расстояния" служит частота рекомбинации между маркером и исследуемым геном. Расстояние между генами измеряется в сантиморганидах (сМ). Одна сантиморганида соответствует расстоянию между генами, рекомбинация которых происходит с частотой 1%. При частоте рекомбинации 50% считается, что гены наследуются независимо.
4. Классический анализ сцепления чаще всего используется для локализации генов альтернативных (качественных) признаков. Для количественных признаков используется несколько иная модель картирования.
5. Локусы количественных признаков (ЛКП) - это полигенные системы, обеспечивающие непрерывную вариативность признака в популяции.
6. Метод картирования ЛКП основан на исследовании ДНК у пар близких родственников (чаще всего сибсов). Идея метода состоит в том, что любой ребенок в семье может иметь от 0 до 2 общих аллелей с любым из своих братьев и сестер. Если разница в количестве совпадающих аллелей никак не сказывается на количественных соотношениях признака у сибсов, значит тестируемый ген не имеет отношения к признаку. Соответственно, обратная картина говорит о причастности гена к детерминации изучаемого признака.
7. Целью картирования ЛКП является поиск не единичного гена, а, скорее, групп генов, принимающих участие в формировании популяционной вариативности по количественному признаку. Метод картирования ЛКП эффективен для выявления эффектов главных генов, вносящих основной вклад в формирование количественного признака.
• 8.3. Анализ ассоциаций. Метод гена-кандидата
1. Метод анализа ассоциаций по сравнению с обычным анализом сцепления, может обнаруживать ЛКП, которые отвечают за меньший процент вариативности. Ассоциация - это корреляция между отдельными аллелями и признаками в популяции.
2. В исследованиях, использующих метод ассоциаций. сначала формируется гипотеза о связи какого-либо гена с признаком или заболеванием. Такой ген носит название гена-кандидата.
3. Гены, кодирующие белки, участвующие в процессах передачи информации в нервной системе, привлекают внимание исследователей как возможные гены-кандидаты для поведенческих признаков (например, гены кодирующие информацию для синтеза серотонина или дофамина).
4. В ассоциативных исследованиях сопоставляется встречаемость определенного аллеля гена-кандидата в популяции в целом и у лиц, обладающих интересующим признаком или пораженных болезнью. Если данный аллель чаще встречается у носителей более выраженного признака или заболевания, можно предположить участие этого аллеля в наследственной детерминации данного признака.
• 8.4. Прямой анализ ДНК и выявление мутаций
1. Определение местоположения гена на хромосоме не является основной целью молекулярных исследований в психогенетике. Важнее знать, не где расположен ген, а как он работает и как факторы среды влияют на его активность и формирование изучаемой поведенческой характеристики.
2. В основе молекулярно-генетического анализа лежат методы генной инженерии. Основные этапы прямого анализа ДНК включают:
• получение образцов ДНК;
• амплификацию ДНК с помощью ПЦР;
• рестрикцию (разрезание) ДНК на фрагменты;
• электрофорез смеси фрагментов ДНК, позволяющий дифференцировать фрагменты различной длины;
• блот-гибридизацию фрагментов ДНК, позволяющую получить схему (своеобразный штрих-код) участков ДНК, идентичных для конкретных родственников;
• секвенирование ДНК (определение конкретной последовательности пар нуклеотидов) изучаемого отрезка ДНК.
• 8.5. Моделирование на животных
1. Генетические исследования животных, в отличие от человека, обладают более широким спектром возможностей (скрещивания, селекция, манипуляции со средой, возможность вмешательства в функционирование организма для изучения внутренних механизмов и т.п.).
2. Благодаря значительной общности в организации геномов млекопитающих и человека, а также сопоставимости функционирования их нервной системы, в психогенетике используются методы моделирования на животных различных психических состояний, заболеваний, элементарных форм научения и др.
3. Модельные эксперименты на животных широко используются при изучении наследственности алкоголизма, эпилепсии, болезни Альцгеймера, агрессивности, склонности к беспокойству и страху, способности к научению.
   
   

Словарь терминов

1. Геномика
2. Структурная геномика
3. Функциональная геномика
4. Протеомика
5. Полиморфизм
6. Однонуклеотидный полиморфизм
7. Хромосомный полиморфизм
8. Генетический маркер
9. Сцепление
10. Кроссинговер
11. Рекомбинация
12. Анализ сцепления
13. Группа сцепления
14. Плейотропный эффект действия гена
15. Генетическая карта
16. Сантиморганида
17. Мера "генетического расстояния"
18. Локусы количественных признаков (ЛКП)
19. Главные гены
20. Неравновесное сцепление
21. Анализ ассоциаций
22. Ген-кандидат
23. Генетическая инженерия
24. Рекомбинантные ДНК
25. Обратная транскрипция
26. Полимеразная цепная реакция (ПЦР)
27. Геномная ДНК
28. Рестрикция
29. Секвенирование
30. Блот-гибридизация
31. Гель-электрофорез
32. Альтернативный сплайсинг
33. Экзон
34. Интрон
35. Трансгенные животные
36. Мыши-нокауты
    
    

Вопросы для самопроверки

1. Что такое геномика?
2. Какие направления геномики вы знаете?
3. Что вы знаете о программе "Геном человека"?
4. Что такое геномные полиморфизмы?
5. Что такое однонуклеотидные полиморфизмы?
6. Какие гены называются сцепленными?
7. Каков основной принцип анализа сцепления?
8. Что такое генетические карты?
9. Как измеряется расстояние между генами?
10. Что такое картирование генов?
11. Какие генетические маркеры могут использоваться при анализе сцепления?
12. Для каких признаков анализ сцепления имеет смысл?
13. Что такое локусы количественных признаков (ЛКП)?
14. Какие методы картирования ЛКП вы знаете?
15. Что такое главные гены?
16. Что такое метод ассоциаций в генетике?
17. Что такое ген-кандидат?
18. Дайте общее представление о современном направлении в генетике, называемом генной инженерией, и подумайте о его возможностях для изучения генетики поведения.
19. Какие методы прямого анализа ДНК используются в генетике поведения?
20. Что такое секвенирование ДНК?
21. Что такое методика генного нокаута и каковы ее перспективы в изучении поведения?
22. Что такое плейотропный эффект?
23. Почему в психогенетике приходится прибегать к моделированию на животных?
24. Почему, изучая генетику поведения животных, мы можем косвенно судить о генетике поведения человека?
25. Какие конкретные примеры моделирования на животных вы можете привести?
26. Что вы знаете о влиянии раннего опыта на обучаемость животных?
27. Какие аналогии между генетикой обучаемости у животных и генетикой интеллекта человека можно провести?
28. Почему генетически обусловленные различия между "умными" и "глупыми" животными проявляются не во всех условиях среды?
29. Можно ли в экспериментах с животными идеально уравнять условия среды?
    
    

Список литературы

1. Бочков Н.П. Клиническая генетика. М.: ГЭОТАР-МЕД, 2002.
2. Зорина З.А., Полетаева И.И., Резникова Ж.И. Основы этологии и генетики поведения. М.: Изд-во МГУ, 1999.
3. Иллариошкин С.Н., Иванова-Смоленсккая И.А., Маркова Е.Д. ДНК-диагностика и медико-генетическое консультирование в неврологии. М.: МИА, 2002.
4. Пузырев В.П., Степанов В.А. Патологическая анатомия генома человека. Новосибирск: Наука, 1997.
5. Сингер М., Берг П. Гены и геномы. В 2 т. М.: Мир, 1998.
6. Фогель Ф., Мотульски А. Генетика человека. В 3 т. М.: Мир, 1989-1990.
7. Lathrop G. M. Lalouel J. M., Julier C., Ott J. Strategies for multilocus linkage analysis in humans. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1984. V. 81. P. 3443-3446.
8. Ott J. Analysis of human genetics linkage. Baltimore, 1991.
9. Plomin R., McGuffin P. Psychopathology in the postgenomic era // Annu. Rev. Psychol. 2003. V. 54. P. 205-228.