تغییر رفتار حیوانات با انتقال ژن: کشف علمی درباره مگس میوه

1

یک تیم تحقیقاتی در ژاپن گزارش داده است که تنها با فعال‌سازی یک ژن خاص در گروهی از سلول‌های مغزی، موفق شده‌اند گونه‌ای از مگس میوه را وادار کنند تا رفتار جفت‌گیری گونه‌ای دیگر را تقلید کند.

این دو گونه حدود ۳۰ تا ۳۵ میلیون سال پیش از یک جد مشترک جدا شده‌اند، بنابراین کپی کردن چنین رفتاری میان آن‌ها، دستاورد کوچکی محسوب نمی‌شود.

تغییر رفتار از طریق انتقال ژن

فعال‌سازی ژن fru

ریویا تاناکا، استادیار دانشگاه ناگویا و نویسنده همکار این مطالعه، توضیح می‌دهد:
«وقتی ژن fru را در نورون‌های تولیدکننده انسولین مگس‌های نر آوازخوان فعال کردیم تا پروتئین‌های FruM تولید کنند، سلول‌ها شروع به رشد رشته‌های عصبی طولانی کردند.»

این پروژه توسط تاناکا و همکارانش در مؤسسه ملی فناوری اطلاعات و ارتباطات ژاپن (NICT) و در همکاری با دانشگاه ناگویا انجام شد.

تغییر در رفتار جفت‌گیری

مگس‌های دستکاری‌شده (Drosophila melanogaster) دیگر فقط به آواز تکیه نکردند، بلکه هدیه‌ای در مراسم خواستگاری ارائه دادند: قطره‌ای از مایع بازگردانده‌شده (استفراغ)، که نشانه بارز گونه Drosophila subobscura است.

نقش نورون‌های انسولین

در این پژوهش، ایزوفورم جنسی ژن fruitless (FruM) در نورون‌های تولیدکننده انسولین افزایش یافت. این نورون‌ها که به طور معمول مسئول تنظیم متابولیسم و سیگنال‌های رشد هستند، پس از تغییر ژنتیکی، اتصالات جدیدی با مرکز کنترل جفت‌گیری در مغز برقرار کردند.

طبق نتایج مقاله، این اتصال جدید مدار عصبی را از آواز به سمت هدیه دادن تغییر داد. همچنین، پژوهشگران خوشه‌ای کوچک شامل ۱۶ تا ۱۸ نورون را شناسایی کردند که خروجی آن‌ها به مسیرهای حرکتی دهان متصل می‌شود و بازگرداندن مایع به دهان ماده را ممکن می‌سازد.

پیامدهای تکاملی

دیدگاه تازه در مورد تکامل رفتار

یوسوکه هارا، نویسنده همکار این پژوهش، می‌گوید:
«یافته‌های ما نشان می‌دهد که تکامل رفتارهای جدید لزوماً به ایجاد نورون‌های تازه نیاز ندارد.»

• تغییرات کوچک ژنتیکی که سلول‌های موجود را بازآرایی می‌کنند، می‌توانند رفتارهای نو پدید آورند.
• این مسیر بسیار به‌صرفه‌تر از ایجاد کامل شبکه‌های جدید عصبی است.
• این ایده با پژوهش‌هایی همسو است که نشان می‌دهند مدارهای جفت‌گیری مگس، ماژولار بوده و قابلیت پذیرش ورودی‌ها یا خروجی‌های متفاوت را بدون بازسازی کل سیستم دارند.

ژن fruitless و رفتار جفت‌گیری

• ژن fruitless در مرحله رشد، شبکه عصبی جفت‌گیری نرها را شکل می‌دهد.
• پروتئین FruM در یک بازه بحرانی برای ایجاد رفتار طبیعی جفت‌گیری میان نر و ماده ضروری است.
• حدود ۲۰۰۰ نورون حامل FruM در سیستم عصبی نر وجود دارد که هر زیرمجموعه وظیفه‌ای مانند آوازخوانی، تعقیب و زمان‌بندی آمیزش را کنترل می‌کند.

پژوهش‌های پیشین نشان داده‌اند که مدارهای برچسب‌خورده با ژن fru در گونه subobscura و melanogaster متفاوت سیم‌کشی شده‌اند. این موضوع تقویت‌کننده این فرضیه است که ژن‌های حفظ‌شده می‌توانند رفتارهای متفاوتی را در گونه‌های نزدیک به هم هدایت کنند.

نقش نورون‌های انسولین در جفت‌گیری

عملکرد طبیعی این نورون‌ها

• نورون‌های انسولین در مغز مگس، در خوشه‌ای به نام pars intercerebralis قرار دارند.
• این نورون‌ها به طور طبیعی وضعیت تغذیه‌ای را ردیابی کرده و رشد، مقاومت در برابر استرس و طول عمر را تنظیم می‌کنند.

پیوند رفتار جفت‌گیری و وضعیت درونی

ورود ژن FruM به این سلول‌ها پلی میان وضعیت متابولیکی داخلی و مرکز فرمان جفت‌گیری ایجاد کرد. نتیجه این شد که رفتاری کاملاً تازه در گونه‌ای پدید آمد که پیش‌تر هرگز آن را نداشت.

هدیه دادن در رفتار مگس‌ها

• نرهای Drosophila subobscura در حین جفت‌گیری، قطره‌ای مایع بازگردانده‌شده به ماده‌ها می‌دهند.
• آزمایش‌ها نشان داده‌اند که این هدیه بر انتخاب ماده و موفقیت تولیدمثل تأثیرگذار است.
• هرچند این هدیه بسیار کوچک است، اما در جهانی با منابع محدود، حامل اطلاعاتی درباره وضعیت جسمی و موفقیت غذایی نر است.
• این قطره می‌تواند مواد مغذی لازم برای تولید تخم در ماده را فراهم کند.

در نتیجه، گنجاندن این رفتار در توالی اصلی جفت‌گیری، موفقیت تولیدمثل را به عملکردی با ارزش بوم‌شناختی پیوند می‌دهد.

سازوکار احتمالی مدار عصبی

• نقشه‌برداری مطالعه نشان می‌دهد رشد رشته‌های عصبی از نورون‌های انسولین به نورون‌های حرکتی دهان متصل می‌شود.
• این مسیر می‌تواند بازگرداندن مایع و انتقال دهان‌به‌دهان را تحریک کند.
• این فرآیند جایگزین مسیر لرزش بال که در آواز melanogaster غالب است، می‌شود.
• در نتیجه، عمل هدیه دادن جایگزین آوازخوانی می‌شود بدون آنکه به آموزش یا یادگیری نیاز داشته باشد.

محدودیت‌ها و پرسش‌های آینده

دایسوکه یاماموتو، نویسنده ارشد NICT، می‌گوید:
«ما نشان داده‌ایم که چگونه می‌توان رفتارهای پیچیده‌ای مانند هدیه دادن در جفت‌گیری را به ریشه‌های ژنتیکی آن‌ها ردیابی کرد تا بفهمیم تکامل چگونه استراتژی‌های کاملاً جدیدی برای بقا و تولیدمثل می‌سازد.»

• این نتیجه به معنای آن نیست که رفتارهای اجتماعی پیچیده در سایر حیوانات با یک کلید ژنتیکی ساده کنترل می‌شوند.
• همچنین به این معنا نیست که چنین تغییراتی خارج از آزمایشگاه ایمن خواهند بود.
• اما نشان می‌دهد تعداد کمی نورون موجود، اگر برنامه رونویسی مناسبی داشته باشند، می‌توانند به خروجی‌های رفتاری جدید هدایت شوند.

ژن‌ها، رفتار و آینده علم

• این پژوهش نشان می‌دهد که تکامل رفتار بیشتر با استفاده مجدد از اجزای مشترک انجام می‌شود، نه افزودن اجزای تازه.
• همین موضوع توضیح می‌دهد چرا گونه‌های نزدیک می‌توانند آیین‌های جفت‌گیری بسیار متفاوتی پیدا کنند.
• این تحقیق الگویی آزمایشی ارائه می‌دهد که رفتار را به محرک مولکولی، نوع خاص سلول و سیناپس‌های مربوط پیوند می‌زند.

این سطح از دقت در مطالعه رفتارهای ذاتی بسیار نادر است و اکنون زمینه‌ای برای بررسی نحوه ادغام وضعیت داخلی، محیط و ژن‌های خاص جنسیت در مغز فراهم کرده است.

این مطالعه در مجله Science منتشر شده است.