При оценке среды обитания Caenorhabditis elegans может решить, оставаться ли на месте или искать более богатый на пищу участок, только при наличии гена tyra-3. Этот ген кодирует нейрорецептор, связывающий аналог адреналина у нематод.

Наряду с мушкой дрозофилой и некоторыми другими нематода Caenorhabditis elegans — один из популярнейших организмов у биологов. На нематоде выполнено великое множество генетических и молекулярно-биологических экспериментов. Но живёт этот червь не только в научно-исследовательских лабораториях. В природе Caenorhabditis elegans обитает в верхних слоях почвы, тяготея к агрокультурным территориям. Там он может найти себе пропитание — бактерий, которые живут на гниющих фруктах и овощах. При этом нематода, естественно, сталкивается с великим множеством бактерий, которые не всегда съедобны для неё, а подчас и ядовиты. Словом, червяк должен всё время оценивать пищевые перспективы и решать, оставаться или уползать на новые поиски. Вот учёные и задались вопросом о том, как нематода принимает решения.

Вообще говоря, этот организм необычайно «лоялен» к исследователям. У него всего 302 нейрона, и все возможные соединения между ними давно картированы. Большая часть из 20 000 генов нематоды имеет аналоги в человеческом организме. На Caenorhabditis elegans легко изучать «сотрудничество» генетического аппарата и нервной сети и то, как это взаимодействие обуславливает поведение.

Рис. 1. Нематода Caenorhabditis elegans (фото AJC1).

За последнее десятилетие учёным из Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке и Медицинского института Говарда Хьюза удалось обнаружить, что нематоды способны оценивать уровень аэрации почвы; это помогает им находить «вкусные» аэробные бактерии. Затем выяснилось, что их обонятельные нейроны могут брать под контроль другие нервные клетки, ответственные за движение, и таким образом руководить пищевым поведением.

В новой работе исследователи сосредоточились на генетических особенностях, которые позволяют этим круглым червям приспосабливаться к окружающей среде. Нематод помещали на чашку Петри, покрытую теми или иными видами бактерий. Учёных интересовали червяки, которые могли не только оценить пригодность бактерий для еды, но и уползти с чашки, если пища не была съедобной.

Черви, которые, так сказать, не только хотели, но и могли сбежать из неподходящих условий, обнаружили некоторые особенности в своём геноме. Ген npr-1, характерный для таких особей, уже был описан как ответственный за пищевое поведение и иммунитет. Впрочем, он не слишком заинтересовал учёных, поскольку его несут только лабораторные линии Caenorhabditis elegans. А вот второй ген, tyra-3, вызвал куда больший интерес. Он кодирует белок-рецептор, который связывается с тирамином — нематодным аналогом адреналина. Как и адреналин, тирамин действует на нейроны, когда требуется повышение активности, возбуждение и быстрое принятие решения. Оказалось, что белок-рецептор tyra-3 находится в тех нейронах нематоды, которые одновременно собирают информацию снаружи и изнутри, то есть комбинируют данные — например, об аэрации почвы и чувстве голода.

Исследователям удалось установить, как генетика обуславливает поведенческие свойства: наличие или активность гена tyra-3 определяет способность оценивать пищевые условия и принимать решения, исходя из сделанной оценки. Но когда и как именно включается нейрохимический механизм решений, ещё предстоит выяснить. Трудность этого этапа, по словам учёных, заключается в том, что способов слежения в реальном времени за динамикой нейромедиаторов на сегодня нет.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Andres Bendesky, Makoto Tsunozaki, Matthew V. Rockman, Leonid Kruglyak & Cornelia I. Bargmann Catecholamine receptor polymorphisms affect decision-making in C. elegans.  – Nature. – 2011; doi:10.1038/nature09821.