Интересные новости и комментарии

[АrefievPV]

Прометилировали до седьмого колена
https://nplus1.ru/material/2023/02/14/hereditary-epigenetics
Как биологи заставили мышей унаследовать эпигенетические мутации

Очень может быть, что унаследовать от родителей можно не только гены. Но из доказательств у нас — только отдельные истории.

Вот, например: женщина страдает раком кишечника, потому что ген, который отвечает за починку клеточной ДНК, у нее не работает. Но он и не сломан. Последовательность гена правильная — однако на нем висят лишние метильные группы, а на них садятся белки, запрещающие считывание. И ген молчит. У детей этой женщины — точно такой же рак кишечника, и метильные группы на том же самом гене.

Возможно, это значит, что люди передают потомкам не только гены, но и эпигенетические метки — указания, какие из этих генов использовать, а какие нет. А если так, то получится, что наследование у людей выходит за рамки законов Менделя. И придется пересматривать представления о том, как оно устроено: и молекулярным биологам, и врачам, да и обычным людям, которые задумываются о том, какие риски они могут передать собственным детям.

Что это за метки такие

Эпигенетические метки бывают двух типов:

• На самой нити ДНК. Это небольшие метильные группы. Они обычно висят на цитозинах (особенно если после них в цепочке идет гуанин). Эта метка не влияет на сам текст гена и на форму двойной спирали.
• На гистонах, то есть белках, на которые накручена ДНК. Эти метки бывают более разнообразными: среди них и метильные группы, и ацетильные, и даже небольшие белки — убиквитины.

И те, и другие метки нужны для того, чтобы регулировать скрученность областей ДНК и считывание информации. Метки на самой ДНК привлекают к себе белки, которые развешивают метки на гистонах. Метки на гистонах делают упаковку ДНК более рыхлой (то есть информация легко доступна) или более плотной (тогда подобраться к гену сложнее).

При этом две системы меток взаимосвязаны: метки на гистонах тоже могут привлекать метилтрансферазы, которые будут развешивать метильные метки.
Оба типа меток служат сигналом для белков, которые запускают транскрипцию: в зависимости от эпигенетической информации (то есть набора меток на самом гене или рядом с ним) ген либо считывается, либо молчит.

Но для начала нужно доказать, что эпигенетическое сходство родителей и детей — это закономерность, а не совпадение. И что метильные метки, которые появились у двух детей женщины с раком кишечника, перешли к ним по наследству от матери, а не возникли у всех троих независимо — по каким-то внешним или внутренним причинам.

Метка по наследству

У лабораторных животных ученые тоже встречали что-то, похожее на эпигенетическое наследование. Например: обычных мышей откармливают, вызывая ожирение. Потом забирают у них половые клетки, получившиеся эмбрионы пересаживают здоровым суррогатным матерям — и рождается мышонок с избыточным весом.

Откуда у него взялся этот вес? Дело явно не в самих генах — потому что его родители были обычными мышами, пока их не начали откармливать. Если бы мышонка вынашивала собственная мать, то можно было бы предположить, что ее ожирение повлияло на плод за время беременности, — но использование суррогатной матери делает и этот аргумент нерабочим.

Поэтому исследователи предполагают, что дело в эпигенетике: за время откармливания клетки мышей (в том числе и половые) навесили какие-то лишние метки на свою ДНК — и эти метки перешли по наследству к мышатам. Но в таких работах, как правило, речь не идет о конкретном механизме — только о факте. С объяснением которого все сложно.

Заполнить этот пробел взялись биологи под руководством Хуана Карлоса Исписуа Бельмонте (Juan Carlos Izpisúa Belmonte) из Института Солка. Мы уже рассказывали о том, как Бельмонте решает задачи на стыке молекулярной биологии и эмбриологии. Так, например, он руководил проектом по созданию химерных зародышей обезьяны и человека. А потом выращивал мышиных зародышей из одной клетки — и тем самым фактически придумал еще один метод клонирования (об этом в материале «Здравствуй, гхола!»). На этот раз группа Бельмонте задалась целью воспроизвести эпигенетическое наследование в эксперименте.

Вот как был устроен эксперимент:

1. Ученым нужен был участок в геноме, где метильных меток обычно не бывает: чтобы гарантировать, что любая метка на этом месте — искусственная. В качестве такого участка они выбрали CpG-островки — длинные последовательности из цитозина и гуанина. Такие участки часто бывают в регуляторных областях, то есть тех, которые отвечают за работу того или иного гена. И в клетках они обычно не метилированы.

2. Нужны гены, по работе которых можно будет заметить эффект от наследования метильных меток. Бельмонте и коллеги выбрали два: Ankrd26 и Ldlr, оба связаны с ожирением. Что бывает с нокаутными по ним мышами — то есть теми, у которых эти гены вырезаны, — хорошо известно. Без Ankrd26 начинается ожирение, без Ldlr растет уровень холестерина в крови. Соответственно, если навесить метильные метки на CpG-островок перед каким-то из этих генов, он замолчит — и эффект должен быть таким же, как если бы ген вырезали целиком.

3. Нужен способ точечно навесить метки на конкретный островок. Для этого ученые встроили посреди островков кусочек ДНК совсем другой последовательности. Она ничего конкретного не кодирует, но, что важнее, не несет повторов CG — а это привлекает клеточные белки, которые вешают на такие последовательности метильные группы. Забитый метильными группами островок будет неактивен — а поскольку он управляет активностью соседнего гена, умолкнет и тот. Что, собственно, исследователи и проверили: в мышиных клетках, которым досталась такая вставка в геном, целевые островки были метилированы, а подконтрольные им гены не работали.

После этого ученые вырезали бессмысленную вставку из генома обратно — и посмотрели, что происходит в клетках с метилированием CpG-островков. Но когда последовательность мышиной ДНК вернулась к своей норме, лишние метки на островках остались, а следующие за ними гены не работали — то есть появилась эпигенетическая мутация.

Дальше ученые проверили, как эти метки поведут себя в организме мышей. Для этого они взяли культуру эмбриональных стволовых клеток и внесли в них эпигенетические мутации перед генами Ankrd26 или Ldlr, врезав и вырезав «липучку» для метильных групп в соседние с ними CpG-островки. Причем взяли за основу клетки от мыши темного цвета. А затем ввели эти клетки в зародыши мышей белого цвета. В результате на свет родились несколько гибридов, некоторые полностью темные — то есть в них отредактированные клетки составили большую часть в зародыше.

В клетках этих гибридов были почти полностью метилированы CpG-островки перед целевыми генами. На месте были и соответствующие симптомы: например, темные мыши, у которых должен был быть выключен ген Ankrd26, выросли заметно толще своих контрольных сородичей.

Осталось проверить, что эти искусственные эпигенетические метки наследуются. И мышей начали размножать: черных химер скрестили с обычными белыми мышами. В первом поколении многие мышата унаследовали по одной копии гена Ankrd26 от черного родителя — и перед этой копией был точно такой же почти полностью метилированный островок. Эти животные не страдали ожирением, поскольку от второго родителя, белого и не отредактированного, им достался рабочий ген с неметилированным островком. Но само метилирование никуда не делось: оно передалось и внукам химер (тем из них, кому досталась дедовская хромосома), и правнукам. Только в четвертом поколении количество метильных групп на островке перед Ankrd26 стало снижаться.

В аналогичном эксперименте с геном Ldlr лишние метильные метки тоже передавались по наследству — и их не становилось меньше аж до шестого поколения мышей.

Эти результаты уже сложно считать случайностью. Проще признать, что мыши действительно унаследовали эпигенетические метки своих предков. Но здесь возникает еще одна проблема — совершенно непонятно, как это происходит.

Так быть не должно

Ни у кого не возникло бы вопросов, если бы речь шла о бактериях, растениях или червях, — у них эпигенетическое наследование находили уже не раз. Но жизненный цикл млекопитающих и их половых клеток специально устроен таким образом, чтобы этого не допустить.

Клетки взрослого организма имеют свою специализацию: в нервной ткани живут нейроны, в мышце — миоциты, в глазу — палочки и колбочки. Но когда-то в своей стволовой молодости они, естественно, были совершенно одинаковыми универсалами. Просто по мере обретения специализации клетки навешивают себе метильные группы на не нужные им гены — и тем самым делают их недоступными для считывания. Поэтому для клеток каждой специальности характерен свой набор эпигенетических меток.

У сперматозоидов и яйцеклеток тоже есть специализация — они половые. Чтобы в результате их союза получить эмбриональные клетки, из которых можно дальше строить новый организм, все эти метки нужно стереть. Поэтому после оплодотворения в зиготе начинается первая волна репрограммирования: клетка снимает с доставшихся ей генов метки, которые делали из ее родителей сперматозоид и яйцеклетку. У мышей эта волна заканчивается к седьмому дню развития. С этого момента зародыш — tabula rasa, и сам дальше решает, кем ему (в смысле, его клеткам) быть.

Так метильные группы снова начинают появляться в геноме эмбриональных клеток. В каких-то участках их ставят всегда: например, там, где сидят ретротранспозоны, — потому что важно их вовремя заблокировать. Другие метки появляются во время дифференцировки, когда клетки зародыша выясняют, кому быть плацентой, кому — нервной системой, а кому — кишкой.

Но где-то в районе девятого дня развития в зародыше мыши появляется особенная группа клеток — предшественники половых клеток, которым предстоит поселиться в яичках или яичниках и дать начало сперматозоидам и яйцеклеткам. Свою карьеру они начинают с того, что снова стирают метильные группы по всей длине своего генома. И лишь после второй волны репрограммирования начинают развешивать метки заново — и копят их до следующего оплодотворения.

Получается, что по дороге от родителей к мышонку искусственная эпигенетическая метка переживает по меньшей мере одну волну репрограммирования (а если речь о половых клетках отпрыска, то две). И там, где все прочие метки стираются, она почему-то удерживается на своем месте.

Нечистый лист

Чтобы выяснить, как это возможно, Бельмонте вернулся к своим экспериментальным мышам. И посмотрел, что происходит с искусственными метками в обычных (соматических) клетках зародыша, в предшественниках половых клеток и в получившихся из них половых клетках.

Оказалось, что судьба метильной разметки может складываться двумя путями.

Первый ученые увидели на примере зародышей с выключенным геном Ankrd26. До оплодотворения искусственные метки в половых клетках родителя-химеры покрывали почти 70 процентов CpG-островка. После оплодотворения их должна была стереть первая волна репрограммирования — но большинство остались на месте. Потом их стало чуть больше, а после второй волны — чуть меньше. То есть метки оказались очень стойкими: они вообще проигнорировали первую волну и чуть-чуть поддались второй. Но и то, потом быстро восстановили свою численность.

Второй вариант развития событий сложился у меток, которые выключали ген Ldlr (и еще одна из линий, которой выключали Ankrd26). В этих экспериментах метилирование цели было неполным — метки покрывали не больше половины нужного CpG-островка. Их судьба оказалась другой: вторая волна репрограммирования смыла их полностью. Они не появились в яйцеклетках и сперматозоидах у детей отредактированных родителей, но после того, как те встретились и зачали внуков, метки возникли снова — как будто из ниоткуда.

Получается, что, хотя большинство эпигенетических меток стираются подчистую, искусственные метки могут пережить сразу две волны репрограммирования (причем некоторые даже никуда не деваются, а другие возникают на прежнем месте). Значит, эти выжившие должны обладать какими-то особенными свойствами, и пока совершенно неясно, какими.

В еще одном контрольном эксперименте (о котором авторы работы упоминают вскользь, не вдаваясь в подробности) ученые навесили искусственные эпигенетические метки на те же места напрямую. То есть не встраивали и не вырезали ничего из мышиного генома, а просто с помощью фермента пришили метильные группы к оригинальной ДНК. И такие метки оказались нестойкими — они потерялись еще в процессе деления мышиных клеток в культуре.

Судя по всему, тот метод, который исследователи использовали для навешивания лишних меток, пробуждает в клетке какие-то дополнительные механизмы, которые помогают эти метки поддерживать. Причем в некоторых случаях получаются просто очень стабильные метки, которые даже не сотрешь до конца, а в некоторых — возникает стабильная память о метке. Вокруг метилированного островка образуется нечто, способное сохранить эту память на много дней вперед — с первых дней зародышевого развития мыши и до первых дней после зачатия ее потомков — и заставить клеточные ферменты вернуть эту метку на место.

Как выглядит эта память на молекулярном уровне, ученые сказать не берутся. Можно, конечно, предположить, что это мог бы быть какой-то комплекс белков или видоизмененные гистоны или особенная упаковка нитей ДНК — но тогда придется объяснить, как они сами выдерживают репрограммирование и почему не теряются по дороге. Так или иначе, вопрос об эпигенетическом наследовании после работы Бельмонте становится не яснее, а еще более запутанным — на сцене возникла чья-то тень, и ее обладателя нам еще только предстоит найти.

[василий андреевич]

на сцене возникла чья-то тень,

Хоть и "теневато", но просторно. Очень интересный материал.

[АrefievPV]

Моделирование мира РНК: Сравнение двух взаимодополняющих подходов
https://www.mdpi.com/1099-4300/24/4/536

Абстракт

Происхождение жизни остается одним из главных научных вопросов в современной биологии. Среди многих гипотез, направленных на объяснение того, как зародилась жизнь на Земле, мир РНК, вероятно, наиболее широко изучен. Это предполагает, что в самом начале молекулы РНК служили как ферментами, так и носителями генетической информации.

Однако, даже если это правда, есть много вопросов, на которые все еще необходимо ответить — например, может ли популяция таких молекул достичь стабильности и сохранять генетическую информацию в течение многих поколений, что необходимо для того, чтобы началась эволюция.

В этой статье мы пытаемся ответить на этот вопрос, основываясь на модели паразит–репликаза (RP model), которая разделяет молекулы РНК на ферменты (РНК-репликазы), способные катализировать репликацию, и паразитов, которые не обладают репликазной активностью, но могут реплицироваться РНК-репликазами.

Мы описываем вышеупомянутую систему с использованием уравнений в частных производных и, основываясь на анализе моделирования, предполагаем общие правила, управляющие ее эволюцией. Мы также сравниваем этот подход с тем, при котором система RP моделируется и реализуется с использованием метода многоагентного моделирования. Мы показываем, что подход к описанию и анализу системы RP с разных точек зрения (микроскопической, представленной MAS, и макроскопической, изображенной PDE) дает согласованные результаты. Следовательно, применение MAS не приводит к ошибочным результатам и позволяет нам изучать более сложные ситуации, когда речь идет о многих случаях, что было бы невозможно с помощью модели PDE.

P.S. Пока совсем кратко (использовал Яндекс-Переводчик). Думаю, если работа стоящая, то её перевод (и пересказ в сжатой форме) разместят на русскоязычных ресурсах.

[АrefievPV]

Личинки рыбок данио посчитали полосы
https://nplus1.ru/news/2023/03/24/zebrafish-count
Ученые полагают, что способность рыб различать множества может быть врожденной

Личинки рыбок данио могут различать множества уже через три дня после рождения. Ученые из Италии растили личинок в аквариуме с многочисленными полосами на стенах, а затем переместили в другие резервуары, на двух стенах которого было по несколько полос. Личинки рыб предпочитали проводить время у стенок с большим числом полос, и, судя по всему, различали их количество. Результаты исследования опубликованы в Communications Biology.

Многие животные умеют считать. Не так, как люди, но они способны различать "много" и "мало" (обычно в экспериментах используют точки или пятна), причем иногда — с большой точностью, например, различают 8 и 9. Способность к счету или различению множеств влияет почти на все жизненно важные функции: это помогает животным выбирать место, где больше еды, защищаться от хищников, размножаться, заботиться о потомстве. Считают не только млекопитающие, но и рыбы, амфибии, рептилии, птицы и даже насекомые.

Существует гипотеза, что все позвоночные рождаются со способностью к счету, то есть в их мозге есть нейронные сети, обрабатывающие числа. Тогда умение считать должно проявляться уже на ранних стадиях развития мозга, но проверить это трудно — большинство животных рождаются уже достаточно развитыми и их мозг похож на мозг взрослых особей. Исследования показали, что новорожденные дети и даже те, которые еще не родились, способны обрабатывать числа, но как это работает у других видов — не известно.

Тайрон Лукан-Ксиккато (Tyrone Lucan-Xiccato) из Университета Феррары и его коллеги нашли способ проверить гипотезу: они взяли личинок рыбок данио (Danio rerio), которые вылупляются из икринок всего через два-три дня после оплодотворения и первые несколько дней неподвижно лежат на дне.

Ученые разводили личинок данио в аквариуме с черными вертикальными полосами по всему периметру. Так они имитировали водоросли в естественной среде обитания рыб. Важно то, что в природе рыбки данио живут как в местах обитания с растительностью, так и там, где ее нет. В таком аквариуме личинки жили в течение четырех дней после вылупления. Контрольные личинки находились в аквариуме без полос. На четвертый день, когда личинки уже начали плавать, их переместили в новые резервуары, на двух стенках которых было разное количество вертикальных полос: от одной до четырех; две другие стенки были пустыми.

Личинки проводили примерно вдвое больше времени у стенки с большим количеством полос по сравнению со стенкой, где полос было меньше (56,9 ± 29,4 секунд против 32,0 ± 23,7 секунд, P  < 0,001). Но чем сложнее рыбкам было различить количество полос, тем слабее было предпочтение. Контрольные личинки не выражали предпочтений.

Затем ученые сделали полосы сопоставимыми по площади, чтобы исключить тот вариант, когда рыбки ориентировались бы не по количеству. То есть на 2, 3 или 4 узких полосы на одной стенке резервуара приходилась одна широкая полоса на другой. Личинки и в этом случае продолжали предпочитать большее количество полос. Таким образом, отметили ученые, личинки рыбок данио действительно различают именно количество полос и по какой-то причине отдают предпочтение большему, если растут в полосатой среде. Предпочтение сохранилось и тогда, когда авторы сделали поправку на плотность распределения полос или ширину массива этих полос.

Личинки рыбок данио, которые вылупляются уже на третий день, по сути все еще остаются на эмбриональной стадии развития: их нервная система еще недостаточно развита, а питаться и плавать как взрослые рыбы они начинают только после шестого дня с момента оплодотворения. Поэтому, заключили авторы, способность личинок к счету, скорее всего, врожденная. И, возможно, это распространяется вообще на всех позвоночных.

Ранее мы писали о том, как пчел, цихлид и скатов учат складывать и вычитать. Животные научились распознавать цвета как аналог сложения и вычитания. Если им показывали голубые наборы фигур, они должны были вычесть из него единицу, а если фигуры были желтого цвета — прибавить. Испытуемые животные смогли освоить такую арифметику.

[АrefievPV]

Две статьи (информация в них частично связана).

Первая статья:

Для тонкой настройки языка танца пчелам требуется социальное обучение
https://elementy.ru/novosti_nauki/434081/Dlya_tonkoy_nastroyki_yazyka_tantsa_u_pchel_trebuetsya_sotsialnoe_obuchenie

Социальное обучение играет важную роль в жизни общественных насекомых. Однако до сих пор было неясно, участвует ли оно в формировании сложных систем коммуникации, таких как язык танца медоносных пчел.

Эксперименты, проведенные китайскими и американскими биологами, показали, что «наивные» пчелы, не имевшие возможности чему-либо научиться у опытных товарищей, в положенный срок начинают вылетать на сбор корма и танцевать. Однако они делают это иначе, чем нормальные пчелы, которые сначала несколько дней наблюдают за танцами более опытных коллег, и только потом начинают танцевать сами. По мере того, как наивная пчела набирается опыта, летая за едой и наблюдая танцы таких же, как она, необученных сородичей, некоторые из различий сглаживаются, но не все.

Результаты согласуются с идеей о том, что пчелиный танец — поведение в основном врожденное, но нуждающееся в отладке при помощи обучения. Также они согласуются с гипотезой о существовании у пчел культурных традиций, помогающих адаптировать танец к нюансам местной обстановки.

Но является ли сам язык танца полностью врожденным? Может быть, ему нужно доучиваться, как это делают многие певчие птицы, у которых врожденная песня весьма приблизительна, а для полноценного пения требуется социальное обучение (см.: Птицы осваивают пение, наблюдая за реакцией сородичей, «Элементы», 20.03.2019)? Или, может быть, врожденной является только способность быстро выучивать язык танца, как у людей, у которых сам язык не прописан в генах, но есть потрясающий врожденный талант к его освоению?

Похоже на то, что нюансы кодирования расстояния могут сохраняться в пчелиных семьях как культурные традиции. И если такую традицию искусственно прервать (как это произошло в экспериментальных семьях, составленных из юных, ничего не знающих рабочих), то она потом не восстанавливается. Значит, не исключено, что какие-то зачатки культуры у пчел всё-таки есть. Культурному наследованию навыков может способствовать размножение семей посредством роения, при котором новая семья сразу имеет опытных рабочих, и то, что семьи у пчел многолетние. Этим пчелы выгодно отличаются от шмелей и большинства муравьев, у которых новую семью основывает одинокая самка, что радикально затрудняет передачу культурной информации от семьи к семье.

В конце статьи авторы немного рассуждают о возможных выгодах использования социального обучения в формировании танца. Выгоды могут быть связаны с тем, что пчелы селятся в разных местностях (разные пейзажи вокруг гнезда), а способствующие ошибкам неровности «танцплощадок» могут сильно различаться в разных гнездах. Поэтому язык танца полезно подстраивать к нюансам местной обстановки. Например, пчела оценивает расстояние до источника пищи по оптическому потоку (см. Optical flow), то есть, грубо говоря, по суммарному количеству мелькания в глазах за время полета туда и обратно. Из этого следует, что в разных местностях переводить оптический поток в число виляний брюшком во время танца, скорее всего, лучше по разным формулам. Тут-то и открывается поле для культурного наследования, потому что вписывать такие локальные адаптации в геном вряд ли практично.

P.S. Статья большая (поэтому только несколько цитат привожу) и весьма информативная.

Несколько ссылок в дополнение:

Социальность у ос способствует уменьшению мозга
https://elementy.ru/novosti_nauki/432525/Sotsialnost_u_os_sposobstvuet_umensheniyu_mozga

Возможные эволюционные механизмы «культуры» у животных: гипотеза распределенного социального обучения
http://reznikova.net/wp-content/uploads/2013/05/295-309-Reznikova.pdf

Перенимая опыт у товарищей, шмели подходят к делу с умом
https://elementy.ru/novosti_nauki/432944/Perenimaya_opyt_u_tovarishchey_shmeli_podkhodyat_k_delu_s_umom

Культура у животных — не редкий курьез, а вездесущее явление
https://elementy.ru/novosti_nauki/433801/Kultura_u_zhivotnykh_ne_redkiy_kurez_a_vezdesushchee_yavlenie

И вторая статья:

Поведенческие традиции у шмелей основаны на социальном обучении и конформизме
https://elementy.ru/novosti_nauki/434083/Povedencheskie_traditsii_u_shmeley_osnovany_na_sotsialnom_obuchenii_i_konformizme

Британские и китайские биологи провели со шмелями эксперименты по «социальной диффузии», ранее проводившиеся с птицами и млекопитающими. В шмелиные семьи подсаживали демонстраторов, специально обученных решать нестандартную для шмелей задачу одним из двух равноценных способов, и смотрели, как будет распространяться навык.

Оказалось, что процессы формирования поведенческих традиций у шмелей очень похожи на то, что ранее наблюдалось у теплокровных позвоночных. Шмели успешно учатся у демонстратора и начинают решать задачу тем же способом, что и он. Альтернативный способ иногда случайно открывается, но не получает распространения. Если подсадить в шмелиную семью демонстраторов, умеющих решать задачу обоими способами, то один из способов всё равно рано или поздно становится доминирующим, то есть происходит унификация поведенческой традиции. Это, по-видимому, объясняется не тем, что какие-то шмели меняют свои привычки (каждый шмель, как правило, держится за привычный ему способ), а тем, что новые ученики усваивают более распространенный вариант поведения, отчего тот становится еще более распространенным.

Способность к социальному обучению и формированию традиций могла направлять эволюцию врожденных (инстинктивных) элементов поведения общественных насекомых благодаря эффекту Болдуина.

Таким образом, результаты согласуются с гипотезой о том, что поведенческие инновации у шмелей могут распространяться в пределах колонии путем социального обучения. Стоит ли называть такой навык культурной (а не просто поведенческой) традицией? Может и не стоит, потому что передачу навыка между поколениями у шмелей никто не наблюдал. К началу зимы рабочие шмели погибают, а вместе с ними и весь их опыт. Новые семьи создаются перезимовавшими самками, которые вряд ли могут научить потомство чему-то полезному.

Авторы завершают статью двумя фразами, которые стоит процитировать: «Возможно, элементы огромного и сложного врожденного поведенческого репертуара общественных насекомых не всегда были такими инстинктивными. Причина, по которой часто не удается найти признаков культуры у тех или иных животных, возможно, состоит в том, что мы ищем их слишком поздно» (то есть культурные традиции могли уже успеть стать инстинктами).

P.S. Интересное замечание: «культурные традиции могли уже успеть стать инстинктами». Тут просматривается некая аналогия с тем, как формируются навыки (сначала постоянный контроль и оценка каждого этапа/движения нового поведения на высших уровнях механизма сознания), которые затем переходят в разряд условных рефлексов, динамических стереотипов и т.д. ( потом контроль/оценка сформированного поведения остаётся только за нижними уровнями механизма сознания).

И ссылка в дополнение (там и про эффект Болдуина есть):

Гены управляют поведением, а поведение — генами
https://elementy.ru/novosti_nauki/430913/Geny_upravlyayut_povedeniem_a_povedenie_genami

[АrefievPV]

У дрозофил нашли рецепторы щелочного вкуса
https://nplus1.ru/news/2023/03/27/alka-gen
Это хлоридные каналы в рецепторных вкусовых нейронах, кодируемые геном alka

Ученые из Китая и США обнаружили у дрозофилы ген, отвечающий за восприятие щелочного вкуса. Авторы назвали ген alka и выяснили, что он кодирует хлоридный ионный канал в рецепторных нейронах на хоботке мух. Этот рецептор заставляет мух избегать щелочной пищи, а отключение гена нарушает это избегание. Исследование опубликовано в Nature Metabolism.

Люди и многие животные распознают пять базовых вкусов — сладкий, соленый, горький, кислый и умами — вкус белка. Восприятие вкуса помогает понять, насколько пища питательна и безопасна. За это восприятие отвечают определенные рецепторы (для каждого вкуса свои) — обычно это мембранные белки в чувствительных клетках на языке или какой-то другой части ротового аппарата.

На распознавание вкусов сильно влияет образ жизни: хищные млекопитающие разучились воспринимать сладкий вкус (нужные гены перестали работать), а у травоядных и насекомоядных позвоночных больше генов, кодирующих рецепторы горького вкуса, — чтобы различать токсины растений и насекомых. А панды, которые перешли от хищничества к растительноядности, потеряли способность ощущать вкус умами, но стали лучше чувствовать горький вкус.

Изучать физиологию восприятия вкуса удобно на плодовых мушках дрозофилах: они могут различать почти все основные вкусы. Кислый вкус, например, дрозофилы распознают благодаря ионному каналу, реагирующему на низкий pH, который открывается при высокой концентрации ионов водорода H⁺.

Вообще, кислотность и щелочность пищи и окружающей среды — важный показатель, игнорировать который может быть опасно. Но не понятно, могут ли мухи и вообще животные распознавать щелочной вкус — то есть высокий pH — при котором увеличивается количество гидроксид-ионов OH⁻. Предыдущие исследования на животных и людях указывают на то, что щелочи как-то распознаются вкусовыми рецепторами: кончик нашего языка воспринимает NaOH, вкусовые нейроны кошек реагируют на высокий pH, а насекомые стараются избегать высокощелочной среды. Но каков механизм — неясно.

Тинвэй Ми (Tingwei Mi) из Центра химических ощущений Монелла и его коллеги решили выяснить, ощущают ли дрозофилы щелочной вкус и как именно. Исследователи предложили мухам дикого типа выбрать между нейтральным раствором глюкозы (pH = 7) и таким же раствором, но щелочным: в него добавили NaOH (pH = 13). Мухи предпочитали нейтральную, а не щелочную пищу. Тогда авторы предположили, что щелочь дрозофилы распознают с помощью специфических вкусовых детекторов — это могут быть трансмембранные рецепторы или ионные каналы.

Тогда они создали много мутантных мух, у которых была нарушена экспрессия конкретных рецепторов или ионных каналов. Функция некоторых была известна ученым, а зачем нужны другие рецепторы и каналы авторы не знали. Большинство мутантов так же отказывались от щелочной пищи, но один мутант — CG12344^MI11416 — не избегал щелочи. Исследователи выяснили, что белок CG12344, экспрессия которого была нарушена у этого мутанта, принадлежит к семейству лиганд-зависимых хлоридных каналов LGCC дрозофил и отдаленно связан с глициновыми рецепторами GlyR.

У дрозофил есть 12 генов таких каналов, и ученые проверили их все на чувствительность к щелочи — создали новых мутантов. Но только мутанты с нокдауном CG12344 не избегали щелочной пищи. Исследователи назвали этот ген alka или alkaliphile (от alkaline — щелочь).

Далее они создали мутантных дрозофил alka¹, у которых этот ионный канал не работал. Мутанты alka¹ не избегали щелочной пищи, а если концентрация NaOH была невысокой (10 мМ) — даже предпочитали ее. Но исследователи предположили, что это из-за натрия и рецепторов, воспринимающих соленый вкус (натриевых каналов). Чтобы убедиться в этом, исследователи предложили мухам выбрать между щелочным раствором с NaOH (pH = 13) и нейтральным раствором с NaCl (pH = 7). Мутантные мухи не выражали никаких предпочтений в этом случае. И когда ученые заблокировали каналы натрия у этих дрозофил, мухи больше не предпочитали щелочные растворы.

Затем исследователи выяснили, какие из вкусовых сенсилл дрозофил реагируют на pH. Всего таких сенсилл три типа — большие (L), промежуточные (I) и малые (S). На них расположены рецепторы — чувствительные нейроны, в мембраны которых и встроены различные ионные каналы и другие детекторы. Электрофизиологическое исследование показало, что только малые сенсиллы S-типа восприимчивы к pH. Чем выше была концентрация NaOH, тем интенсивнее была нейронная активность, но только у дрозофил дикого типа — рецепторы мутантов alka¹ на pH почти не реагировали.

Еще авторы выяснили, что потеря alka не влияет на восприятие других вкусов — сладкого, горького, кислого и соленого. Мутанты alka¹ реагировали на сахарозу, кофеин, соль и кислоту так же, как и дрозофилы дикого типа.

Дополнительно ученые посмотрели, как рецептор реагирует на слабое основание Na₂CO₃ (карбонат натрия) по сравнению с сильным NaOH. Карбонат натрия широко распространен в естественной среде обитания многих животных, в том числе мух, и нередко встречается в пище. Выяснилось, что мутантные дрозофилы не избегают пищи с Na₂CO₃, ровно как и с NaOH, а вот мухи дикого типа — избегают.

Авторы проанализировали экспрессию гена alka, присоединив к нему ген зеленого флуоресцентного белка. Выяснилось, что alka экспрессируется не только в рецепторных нейронах GRN на сенсиллах хоботка (эти нейроны отвечают за восприятие вкуса), но и в хемосенсорных нейронах на ногах мух и в обонятельных органах — антеннах и максиллярных щупиках. В мозге alka не экспрессировался.

Также авторы убедились, что Alka представляет собой канал для ионов хлора при высоком pH, и описали механизм его работы. Для этого они исследовали работу каналов в клетках HEK293, которые экспрессировали alka. Эти клетки активировались, когда их обрабатывали щелочными растворами (pH = 12). В то же время контрольные клетки без экспрессии alka в ответ на щелочные растворы генерировали намного меньше токов. Ученые стали менять ионы внутри и снаружи клеток, чтобы выяснить, за счет транспорта каких ионов работает канал Alka. Оказалось, что избыток гидроксид ионов OH⁻ в щелочном растворе заставляет канал открыться — в итоге ионы хлора Cl⁻ (которых внутри клетки больше, чем снаружи) выходят из клетки, деполяризуя ее. Когда исследователи добавляли больше ионов хлора внутрь клеток, такие клетки активировались сильнее.

С помощью оптогенетики исследователи отключали щелочные GRN  дрозофил дикого типа — и те переставали избегать щелочной пищи так же, как и мутанты. А активация нейронов, реагирующих на щелочь, приводила к тому, что мухи отказывались даже от раствора сахарозы (предполагая, что там щелочь). Так авторы заключили, что гена alka и экспрессирующих его клеток GRN достаточно для избегания мухами высокощелочной пищи.

Ранее мы рассказывали о том, как ученые создали «карту вкусов» в мозге человека. Они разметили участки островковой коры и крышечки головного мозга, которые отвечают за разные вкусы. Для этого участникам исследования нужно было есть сладкую, соленую, горькую и кислую еду.

P.S. Ссылка в дополнение (там упоминаются и неосновные вкусы и привкусы):

Вкус
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BA%D1%83%D1%81

[АrefievPV]

Старые воспоминания помогли улиткам лучше запомнить новый опыт
https://nplus1.ru/news/2023/03/27/snail-memory
Запоминание сильных пищевых стимулов сделало улиток более восприимчивыми к новым – более слабым

Зоологи выяснили, что после запоминания сильных пищевых стимулов улитки-прудовики лучше запоминают и новые, более слабые, стимулы. Оказалось, это возможно благодаря растущей чувствительности к пищевым стимулам в целом. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Воспоминания принято делить на краткосрочные — те, что сохраняются до нескольких часов, и долгосрочные — те, что можно восстановить и по прошествии более продолжительного времени. Процесс перевода событий из одной категории в другую довольно сложный и энергозатратный, поэтому эволюционно выгоднее было бы подвергать ему только самый важный и релевантный опыт. Именно поэтому можно ожидать, что существует механизм, который помогает животным отличать такой опыт и эффективно его запоминать.

С этой задачей сталкиваются даже улитки — например, прудовики. Они, как и млекопитающие, способны обучаться и запоминать информацию, но их нервная система содержит в сотни тысяч раз меньше клеток, что делает их удобным модельным организмом. Кроме того, они очень быстро учатся — если всего один раз предъявить улитке незнакомое нейтральное вещество в смеси с пищей, та запомнит его и будет ассоциировать с кормлением. 

Ученые из Университета Сассекса под руководством Майкла Кроссли (Michael Crossley) предположили, что на вероятность сохранения события в долгосрочной памяти улиток влияет предыдущий опыт. Чтобы проверить эту гипотезу, они провели два этапа обучения животных. Во время первого тем давали смесь из сахарного сиропа большой концентрации вместе с нейтральным веществом — амилацетатом. Таким образом, улитка училась воспринимать амилацетат как пищу и реагировать соответствующими движениями рта (радулы). Так, информация об амилацетате переходила в долгосрочную память. 

Другой тип обучения — слабый — включал смесь сиропа меньшей концентрации с другим нейтральным веществом (гамма-ноналактоном). Из-за недостаточного количества пищи в смеси второй этап сам по себе не был эффективным – улитка не ассоциировала гамма-ноналактон с питанием. Но все изменилось, когда за четыре часа до него улиткам провели первый (сильный) этап. Несмотря на то, что животные все также сталкивались с гамма-ноналактоном в течение второго этапа впервые, они смогли эффективно его запомнить и ассоциировать с пищей на уровне долгосрочной памяти (p < 0,05). 

Ученые сделали вывод, что предыдущий опыт ассоциативного запоминания усиливает последующее обучение и помогает выделять значимые события для перевода в долгосрочную память. Интересно, что в этом процессе моллюски стали более восприимчивыми к слабым стимулам — чаще реагировали на них глотательными движениями (p < 0,05). То есть предыдущий опыт обучения повлиял на животных уже на уровне восприятия. 

Биологи также исследовали активность нейронов мозга во время запоминания. Оказалось, этот процесс контролируется в мозге улиток параллельными изменениями нейронной активности — одни из них затрагивают нейронные цепи, связанные с памятью, а другие — с восприятием пищевых стимулов. 

Процессы, связанные с памятью изучают не только на улитках, но и на мышах. Так, например, недавно удалось показать, как рабочая память восстанавливается у старых животных — в этом помогла активация нейронов переднего таламуса. Кроме того, на мышах исследовали, как на память и обучение влияет ЛСД.

P.S. В названии заметки слово помогли немного затемняет суть. Все эти контекстно-зависимые оценки (помогли, помешали) в данном случае только мешают.

А суть в том, что уже имеющиеся знания (старые воспоминания) повлияли на восприятие новых знаний. Это к вопросам о предвзятости и об объективности.

[ИванЛаптев]

Британские и китайские биологи провели со шмелями эксперименты по «социальной диффузии», ранее проводившиеся с птицами и млекопитающими.

У кого больше мозг, у того больше так сказать ОЗУ и больше способность к обучению.
У кого меньше мозг, у того главную роль играет ПЗУ в генотипе и меньшая способность к обучению. Хотя резкой границы вероятно нет.