Частные уроки пения ослабили влияние генетики на птичьи таланты
На темп пения птицы влияет так генетика, так и обучение птенца у взрослой особи. Причем влияние этих двух факторов непостоянно: в ситуации, где моделью служила компьютерная запись пения взрослой особи, генетическое влияние оказалось высоким, но если наставником оказывается взрослая неродственная особь, такое обучение оказывается более эффективным и снижает влияние генов с 55 до 16 процентов. Эти выводы сделали калифорнийские психологи в работе, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
В ходе обучения влияние опыта накладывается на генетически обусловленные нейронные схемы, и конкретные условия, при которых поведение развивается под влиянием опыта, могут модулировать влияние генетических ограничений. Но как именно это происходит и в какой пропорции, довольно сложно установить экспериментально. Однако ученые нашли подходящую модель: пение птиц является результатом обучения и особенности песни можно охарактеризовать через точные количественные параметры. Оно, как и речь человека, формируется через обучение молодой особи у взрослой. Если моделью для подражания будет служить не родственная особь, то песня будет либо похожа на песню генетического отца, либо на песню модели.
Дэвид Метса (David Metsa) и Майкл Брейнард (Michael Brainard) из Калифорнийского университета на примере японских амадин (Lonchura striata domestica) решили выяснить, определяет ли генетика индивидуальные особенности песни, и как на это влияет характер обучения. Чтобы охарактеризовать пение птиц, ученые использовали показатель музыкального темпа, который они рассчитывали как количество слогов в секунду. В этом состоит отличие данного исследования от других работ, в которых пение характеризуют через показатели амплитуды и высоты звука, которые, по замечанию авторов, скорее говорят об особенностях респираторной системы особи, в то время как темп зависит именно от обучения. Темп песни варьируется между разными видами и влияет на предпочтения самки.
В первом эксперименте ученые взяли 47 птенцов из 15 разных гнезд, чтобы обеспечить генетическое разнообразие. Сразу после кладки яйца изолировали от пения генетических отцов, а затем учили птенцов петь с помощью компьютера. Песня, которую исполнял компьютер, была либо медленнее (6,5 слогов в секунду), либо быстрее (10,5) средней по колонии, либо соответствовала среднему темпу (8,5). При этом у каждого птенца был генетический отец, который пел в быстром темпе, в медленном, или в среднем. С помощью статистического анализа ученые определили, какой фактор оказался более значимым, генетика или обучение.
Песни птиц, которые учились на средних темпах, широко варьировались (6–10 слогов в секунду) и почти соответствовали вариации по всей колонии (6–12 слогов в секунду). Песни птиц коррелировали с темпами песен их генетических отцов (P < 0.001). Генетика отвечала за 55 процентов результата, обучение – за 21 процент.
Но поскольку контекст обучения тоже важен, ученые провели второй эксперимент с 58 птенцами. Их также отсадили от поющих отцов, и подсадили к самцам, которые не были их генетическими родственниками. Таким образом, птенцы учились у особи с другим темпом пения, но контекст обучения был более естественным и полным, а репертуар песен был шире.
Ученые обнаружили, что при «живом» обучении птенцы лучше копировали песню своего учителя. Оценка генетического влияния и влияния обучения показала, что влияние опыта возросло до 53 процентов, а вес генетики значительно снизился, до 16 процентов.
Статистический анализ показал, что факторы наследственности и обучения связаны нелинейной связью. Взаимосвязь этих факторов остается не до конца понятной. Ранее исследования уже показывали, что более качественное и подробное обучение у людей оставляет больший след, однако нет единогласного мнения о том, как этот прирост в качестве научения влияет на силу генетического влияния: снижает ее, повышает, или оставляет неизменной. Результаты данной работы показывают, что при улучшении качества научения не только усиливается его влияние на фенотип особи, но и снижается влияние генетики. Однако для надежной интерпретации результатов, и их обобщения на другие виды и на человека потребуется больше данных.
У летучих мышей влияние генов на особенности языка, по-видимому,
. Взаимодействие генов и окружающей среды можно попытаться изучить непосредственно на людях: группа ученых
использовать для этого техники сканирования мозга.
Анна Зинина
Ученые впервые вызвали партеногенез геномным редактированием
Генетики из американских и британских университетов обнаружили, какие гены отвечают за факультативный партеногенез у дрозофил. Они внесли точечные изменения в мушиные гены, влияющие на текучесть мембран (Desat2), образование центриолей (Polo) и скорость пролиферации (Myc). Мухи-самки из созданной генетической линии успешно вступали в половое размножение, но были при этом способны к партеногенезу как минимум на протяжении двух поколений. Исследование опубликовано в журнале Current Biology. Партеногенез — развитие живых организмов из неоплодотворенной яйцеклетки — широко распространен среди животных. На филогенетическом древе чисто партеногенетические виды нередко соседствуют с практикующими «обычное» половое размножение. Иногда и вовсе удается описать спорадические случаи появления партеногенеза у отдельных представителей непартеногенетических видов. Следовательно, генетическая подоплека партеногенеза может возникать быстро по эволюционным меркам и должна быть в этом случае относительно несложной. Но конкретные молекулярные механизмы партеногенеза часто остаются нерасшифрованными. У мух, неспособных к партеногенезу, яйцо приостанавливается на стадии метафазы I мейоза, а дальнейшее развитие (завершение деления, отделение полярных телец и дальнейшие митотические деления) продолжается лишь после оплодотворения. Но встречаются и факультативно партеногенетические линии, в которых партеногенетические потомки составляют от десятых долей до десяти процентов популяции. Доктор Алексис Сперлинг (Alexis L. Sperling) из Кембриджского Университета с коллегами из американских университетов Мемфиса и Калифорнийского технологического исследовала механизм возникновения факультативного партеногенеза у мух вида Drosophila mercatorum. Генетики отобрали и секвенировали геномы и транскриптомы факультативно и облигатно партеногенетических штаммов D. mercatorum и сопоставили их между собой. При партеногенезе была изменена экспрессия 44 генов, связанных в основном с формированием центриолей и регуляцией клеточного цикла. Несмотря на то, что предки D. mercatorum и более изученной D. melanogaster разошлись более 40 миллионов лет назад, данные сравнительной геномики позволяют воссоздавать на более известном модельном объекте изменения, обнаруженные в геноме менее известного. Ученые воссоздали у D. melanogaster выявленные изменения активности генов, прибегая к CRISPR-редактированию генома, дупликациям генов, введению в геном генов антисмысловых РНК или энхансерных последовательностей. Самый высокий уровень партеногенеза был зарегистрирован в группах трансгенных D. melanogaster, у которых была повышена активность генов Polo (регулятор образования центриолей) или Myc (регулятор клеточного цикла), либо понижена активность генов Slmb (убиквитиновая лигаза, способствующая деградации Myc) и Desat2 (фермент, синтезирующий ненасыщенные жирные кислоты и регулирующий текучесть мембран). У каждого третьего облигатно партеногенетического яйца D. mercatorum полярные тельца или женские пронуклеусы вступали в митотические деления, давая начало эмбрионам (такая же картина наблюдалась в каждом восьмом случае факультативно партеногенетических линий). Количество полярных телец, способных спонтанно вступать в митоз (и тем самым формировать эмбрион) повышалось при повышении активности генов Myc и Polo. При этом многие мухи из партеногенетических линий после целлюляризации становятся недиплоидными (чаще всего, триплоидными) из-за нарушения образования веретена деления. Ученые получили 21 тысячу мух-самок D. melanogaster, гомозиготных по мутантным аллелям генов Polo, Myc и Desat2, и содержали их в отсутствии самцов. В общей сложности самки дали 143 взрослых потомка (в среднем 0,7 потомка на 100 мух), а у тех, в свою очередь, появилось два партеногенетических взрослых потомка второго поколения (1,4 процента от численности предыдущего поколения). Таким образом, линия животных, способных к партеногенезу на протяжении нескольких поколений, была впервые получена при помощи геномного редактирования. На основании полученных данных авторы предполагают следующий механизм факультативного партеногенеза. Повышение текучести мембран (цитоплазматической и мембраны эндоплазматического ретикулума) влияет на формирование центра организации микротрубочек и, следовательно, веретена деления. Его образование упрощает вступление в митоз. Такие изменения могли стать эволюционно выгодным приобретением при расселении мух в более холодные регионы (повышение текучести мембран, связанное со снижением активности десатураз, улучшает выживаемость мух при низких температурах). Впрочем, детали возникновения партеногенетических линий мух пока не до конца изучены — судя по диспропорции между небольшими изменениями в геноме и выраженным транскриптомным изменениями, часть изменений у партеногенетических D. mercatorum может носить эпигенетический характер (важность эпигенома для партеногенеза ранее была показана в эксперименте на мышах). О медийной шумихе вокруг возможности партеногенеза у человека и о генетических предпосылках к нему читайте в нашем материале «Половинка себя».