（遗传学专业论文）黑腹果蝇黑条体突变型交配行为的研究.pdf

摘要 果蝇的遗传背景清晰，具有比较复杂的行为，对行为遗传学的发展做出了重大的贡 献。经过科学家多年的研究，发现果蝇的行为与基因之间存在着紧密的联系，如果蝇的 p e r 基因能决定果蝇的生活节律周期。对果蝇的行为进行分析并阐述其产生的机理是目 前果蝇行为遗传学研究的一个重要方面。果蝇自发性交配行为具有种的特异性，对果蝇 的遗传和进化有重要的意义，很多科学家都以果蝇的交配行为作为行为学研究的重点。 黑腹果蝇( d r o s o p h i l am e l a n o g a s t e r ) 黑条体( b l a c ks t r i p eb o d y , b s r ) 是黑腹果蝇的一个新的 自发突变品系，具有与黑腹果蝇另突变体黑檀体果蝇( e b o n y ，e ) 相似的形态特征。然 而，黑条体果蝇在行为上却与黑檀体果蝇有些差异，主要表现在：活跃度比黑檀体果蝇 高以及对外界的刺激更敏感。对黑条体果蝇的行为学特征进行观察，对某些关键行为如 交配行为进行分析，有利于增加对黑条体果蝇行为与遗传本质的了解。分别以相应的野 生型果蝇为对照，对黑条体果蝇和黑檀体果蝇进行交配活力的分析，并结合果蝇的视力 和运动性活跃度对两种果蝇的求偶成功率、交配时间和求偶模式进行统计比较，我们发 现：黑条体果蝇和野生型果蝇在视力的比较上不存在显著性差异( x 2 = 3 2 9 7d f = l p - - o 0 6 9 ) ：黑条体果蝇和野生型果蝇的运动性活跃度比较也不存在显著性差异( d f = 7 8 p = o 1 0 4 2 ) 。对黑条体果蝇和黑檀体果蝇的交配成功率和交配潜伏期进行对比发现：黑 条体果蝇的交配成功率和交配潜伏期与野生型果蝇比较不存在显著性差异：黑檀体果蝇 的交配成功率和交配潜伏期与野生型果蝇存在极显著的差异( p 0 0 0 0 ) 。以野生型果蝇 为对照，对黑条体果蝇的求爱模式进行分析的结果表明，黑条体果蝇雄性求爱及雌性应 答的动作时间均表现为异常，与野生型果蝇相比表现为等待时间变长而动作时间缩短。 通过大量的文献综合分析，推测由于黑条体果蝇e b o n y 基因的突变而影响了多巴胺的代 谢途径，导致黑条体果蝇体内多巴胺水平异常，进而改变了黑条体果蝇的行为学特征。 关键词： 黑腹果蝇；黑檀体；e b o n y ；黑条体；求偶行为；交配活力 a b s t r a c t t h ef r u i tf l y ( d r o s o p h i l a ) h a sac l e a rh e r e d i t yb a c k g r o u n d t h eb e h a v i o ro fw h i c hi s c o m p l e x t os o m e e x t e n t d r o s o p h i l a h a sc o n t r i b u t eal o tf o rt h e p r o g r e s s o f b e h a v i o r a l h e r e d i t y w i t hs c i e n t i s t s r e s e a c hw o r kf o rm a n yy e a r s w ef 0 i u n dt h ee l o s cr e l a t i o n b e t w e e ng e n e sa n db e h a v i o u r si nd r o s o p h i l a f o re x a m p l e ，t h ep e rg e n ec a nd e t e r m i n e d r o s o p h i l a sc i r c a d i a nr h y t h m a tp r e s e n t ，r e s e a r c h i n go nt h er e l a t i o nb e t w e e nt h eg e n ea n d b e h a v i o ra n di u u m i n a t et h ep r o c e s so ft h i sh a p p e ni sa ni m p o r t a n ta s p e c ti nt h eb e h a v i o r r e s e a r c ho fd r o s o p h i l a t h em a t i n gb e h a v i o ro fd r o s o p h i l ai ss p c i n t a n e o u sa n di th a st h e p a r t i c u l a r i t yo fs p e c i e sw h i c hi sv e r yi m p o r t a n tf o rt h eh e r e d i t ya n di t se v o l u t i o n m a n y s c i e n t i s t sc h o o s et h em a t i n ga st h ee m p h a s i so fd r o s o p h i l a sb e h a v i o u r t 1 l e b l a c k s t r i p e - b o d “b s r ) m u t a n to fd r o s o p h i l am e l a n o g a s t e ri san e ws p o n t a n e o u sm u t a t i o n s t r a i no fd m e l a n o g a s t e r ，w h i c hh a st h es i m i l a rs h a p ec h a r a c t e r i s t i c sw i t ht h ee b o n y ( e ) g e n e m u t a t i o no fd r o s o p h i l am e l a n o g a s t e r h o w e v e r , t h ec h a r a c t e r i s t i cb e h a v i o ro ft h e b s ra c t u a l l y d i s p l a y st h er e m a r k a b l ed i f f e r e n c 七f r o me t h ed i f f e r e n c ei sm a i n l yt h a tl o c o m o t o ra c t i v i t y i n c r e a s e sa n dt h eb s rb e c o m e sm o r es e n s i t i v et ot h es t u m i l a t i o nf r o mt h eo u t s i d e t h e e x p l a n a t i o no ft h ec h a r a c t e ro ft h eb e h a v i o ro ft h eb s ra n dc a r r y i n go na n a l y s i so fs o m ek e y b e h a v i o r ss u c ha sm a t i n gb e h a v i o u rw i l lb eg o o df o rm a k i n gm o r et h o r o u g ho nt h i sk i n do f d r o s o p h i l am e l a n g a s t e r c o m p a r i n gt h eb s ra n de w i t ht h e i ro w nw i l d t y p er e s p e c t i v e l y , w e m a k ea na n a l y s i so ft h ec o u r t i n gb e h a v i o ra n dm a t i n gb e h a v i o r b e s i d e s ，r e s e a r c h i n go nt h e s i g h ta n dl o c o m o t o ra c t i v i t yo fea n db s r , w ed r a wa nc o m p a r i s o no nt h em a t i n gs u c c e s s ，t h e m a t i n gl a t e n c ya n dc o u r t i n gp a t t e r n a tl a s t ，w ef i n dt h a tt h ee y e s i g h ta n dl o c o m o t o ra c t i v i t y o fb s ra r en e a r l yt h es a m ea st h ew i d e t y p e s t h e r ei sn od i s t i n c td i f i e r e n c eo nt h ee y e - s i g h t o ft h ef l i e sb e t w e e nt h eb s ra n dt h ew i d e t y p e ( x = 3 2 9 7d f _ 1p - - 0 0 6 9 ) w ed r a wa n c o m p a r i s o no nt h el o c o m o t o ra c t i v i t yb e t w e e nb s ra n dw i l d t y p e t h e r ei s n od i s t i n c t d i f f e r e n c e ，t o o ( d r - - 7 8p = 0 1 0 4 2 ) c o m p a r i n go nt h em a t i n gs u c c e s sa n dm a t i n gl a t e n c y b e t w e e nb s ra n de ，w ec a nf i n dt h a tt h em a t i n gs u c c e s sa n dm a t i n gl a t e n c yo fb s ra r en e a r l y t h es a m ea st h ew i d e - t y p e s t h e r ei sd i s t i n c td i f f e r e n c eb e t w e e nea n dw i d e ，t y p eo nt h e m a t i n gs u c c e s sa n dm a t i n gl a t e n c y ( p o 0 0 0 ) m a k i n ga na n a l y s i so nt h ec o u r t i n gp a t t e r n w e c a nf i n dt h a tt h ew a i t i n gt i m eb e c o m e sl o n g e ra n db e h a v i o rt i m eb e c o m es h o r t e r m a k i n ga n a n a l y s i so nt h ed o p a m i n ec i r c l eo fd r o s o p h i l a ，w ec a ng e tac o n c l u s i o nt h a tt h en e ws t y l e m u t a t i o no ft h ee b o n yg e n em a y b em a k ei n f l u e n c eo nt h em e t a b o l i z ec i r c l eo fd o p a m i n e ， w h i c hc o u l dl e a dt h ed o p a m i n el e v e lt oa b n o r m i t y ，a n dt h e n ，t h ea b n o r m i t yo ft h ed o p a m i n e l e v e ic o u l dm a k ea l le f f e c to ft h eb e h a v i o u ro fb s r k e yw o r d s ：d r o s o p h i l am e l a n o g a s t e r ；e ；e b o n y ；b s r ；c o u r t i n gb e h a v i o u r ；m a t i n ga c t i v i t y 湖北大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 。本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 论文作者签名： 乙炎罕日期：沙。7 年6 月i o 日 学位论文使用授权说明， 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：按照学校要求 提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供 i ! i 录检索与阅览服务；学校可以允许采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位 论文；在不以赢利为i i 的的前提下，学校可以公开学位论文的部分或全部内容。( 保密 论文在解密后遵守此规定) 日期： 日期： 刖吾 行为是受基因控制的复杂的生物学过程。每一种生物都有它特殊的行为，愈是低等 的生物，行为模式就愈单纯。但是各种生物的行为之间又有许多共同之处，所以对各种 行为的遗传学研究既有阐明不同生物特殊行为的遗传基础的意义，又有普遍的生物学意 义。 2 0 世纪初期，遗传学发展早期的一些遗传学者曾注意到行为与遗传的关系。但是在 后来的遗传学的迅速发展中，那些容易被识别的形态性状( 例如果蝇的体色、眼色、刚毛 性状等1 成了主要的研究对象。5 0 年代中期h i r s h j 和美国遗传学家t t h e o d o s i u s d o b z h a n s k y 等曾一度从事果蝇趋光性的行为的遗传学研究。他们通过多代的选择得到了 为多基因所控制的具有明显正、负趋光性的群体，但是人工选择一旦停止，差别就迅速 消失。6 0 年代后期，行为遗传学逐渐发展成为一门独立的学科。以美国的m d e l b r i i c k 和b e n z c r s 、英国的s 。b r e n n e r 为代表的一些分子遗传学家陆续转向行为遗传学的研究。 他们在多种生物中通过诱变处理得到影响许多行为( 如趋光性、趋化性、回避运动、求 偶行为等) 的突变型。然后从神经生理学、生物化学、组织胚胎学、细胞遗传学等学科 的角度，运用多种技术对这些突变型进行分析，探寻行为遗传的机理。 果蝇( d r o s o p o h i l a ) 是一种理想的实验动物，对经典遗传学、发育生物学、分子生 物学等的发展做出了许多重大贡献。果蝇是遗传学资料积累得最多的动物，它的行为具 备一定的复杂度，已经获得影响趋光性、趋化性、趋地性、摄食、飞翔、求偶和交配、 记忆等多种行为的突变型。近年来随着一系列与果蝇行为学有关的研究工作的开展l ”， 果蝇在神经科学领域也显示出它的重要性。已经发现某些基因与果蝇的行为存在着有趣 的联系，如f r u i t l e s s ，p e r 与果蝇的性行为和生理周期存在着紧密的联系，f r u i t l e s s 可以 影响果蝇的性倾向导致同性之间的求偶1 3 1 ，p e r 可以影响果蝇的昼夜周期节律1 4 1 。在果蝇 的遗传基因与行为表型的众多联系中，果蝇的交配行为作为一个足够复杂并且对生物的 进化和物种形成有着重要影响的行为，被进行了持续、深入的研究。果蝇的体色丰富多 彩，种内体色多样性明显，研究体色与果蝇求偶行为之间的关系对于认识果蝇的繁殖进 化具有重要的意义 5 1 。目前为止，人们已经发现了许多体色相关基因( y e l l o w 、砌妇， e b o n y t a n ) 的突变与果蝇的求偶行为存在一定的联系1 6 7 ，8 舯o l 。对果蝇体色表型的不同 基因突变品系进行求偶行为的研究，可以为生物进化以及理解基因与行为之间的关系提 供依据。 湖北人学硕十学位论文 行为遗传研究的主要问题之一是基因的多效性，或者说一个基因影响产生多个显型 【1 1 ，”。多种基因影响果蝇的求爱模式并且许多不同种类的多效性突变导致了有缺陷的求 爱【1 3 l 。如果果蝇不能产生需要的繁殖活力，一些促使有害的影响发生于正常生物体的突 变将减少交配的成功率1 1 4 j 。目前，行为遗传学家正在逐渐认识到基因具有多效性的影响， 多重剪接能产生不止一种基因产物。在发育过程中基因可以在不同的时期、不同的组织 中表现出不同的活跃度，导致不同的结果，并且最后处于细微自我平衡状态系统的有机 体能容易地被叠加的相互作用影响所破坏【1 5 】。 行为遗传学与神经科学关系密切。高等动物的许多行为突变型是神经系统发育不正 常的结果。对这些突变型进行研究有助于了解神经系统的发育。行为遗传学和生物物理 学、行为学、医学等方面也都有着密切的关系。深入了解动物行为的形成和发展的遗传 机制将会提高人类利用动物资源的能力，推动仿生学的发展。此外，在阐明基因神经 ( 脑) 行为之间的关系之后，也将为研究行为异常的遗传疾病提供理论依据【1 6 1 。 1 黑腹果蝇黑檀体突变型研究背景简介 1 1 黑腹果蝇黑檀体果蝇简介 黑腹果蝇( d m e l a n o g a s t e r ) 黑檀体( 幻d h v ) 果蝇在1 9 2 3 年被发现。在随后的数 十年中通过不断的研究，人们对它的各种特征有了全面的了解，发现了众多的等位基因。 1 9 8 7 年c a i z z i 将e b o n y 基因基因定位于9 3 d 区，1 9 9 8 年h o v e m a n n 将该基因完全克隆后，对 黑檀体基因的研究才初步明了。黑檀体基因( g e n b a n ka c c e s s i o nn u m b e r ：a j 2 2 4 4 4 6 ) 位 于第3 染色体右臂7 0 7 处( 3 7 0 7 ) ，细胞学定位于9 3 d 1 1 1 8 l ，由7 个外显子组成，共有7 8 1 5 b p ，m r n a 3 1 4 6b p ，4 6 k b 的5 侧翼序列含有表皮中黑檀体基因表达所必须的所有调控元 件【1 9 1 。对e 基因的序列及结构和产物蛋白结构进行了分析，发现该基因编码的产物与b 丙氨酸多巴胺合成酶具有很高的同源性，在有a t p 及m g c l 2 条件下催化b 丙氨酸及多巴胺 合成b 丙氨多巴胺。被认为编码b 一丙氨酰多巴胺合成酶而参与色素代谢【驯，亦可影响 果蝇神经系统【2 1 1 。黑檀体果蝇具有特殊黑色的表皮。在它的个体幼虫发育过程中气门鞘 细胞为黑色。和野生型棕色个体相比，其幼虫的体色稍浅，成体的表皮的颜色却变黑， 导致这种结果的原因是由于生化的缺损引起的。黑檀体突变体不能有效的使b 丙氨酸进 入到蛹壳中1 2 2 j ，同时发现b 丙氨酸和多巴胺在黑檀体蛹及年轻的成体中减少，在老年的 成体中则恢复到j 下常水平【2 3 1 ，在羽化过程中，b 一丙氨酸多巴胺减少，因此w r i g l l t 等认为 2 影响黑檀体突变的位点是编码b 丙氨酸多巴胺合成酶的基因i 。进一步的电生理学检测 显示黑檀体突变体的视网膜电图( e r g ) 失去了瞬时电位的开关现象1 2 5 1 。黑檀体突变体 还表现出一些行为上的异常，如视觉的下降，趋光性、视动性的急剧下斛2 6 1 。黑檀体果 蝇的求偶行为研究的结果显示黑檀体求偶模式也表现出一些与野生型果蝇不同的特征， 如雄性黑檀体果蝇的求爱经常因为从雌性黑檀体果蝇背上滑落而中断；求爱显示出振翅 动作的缺乏，低比例的正弦歌和长的内脉冲间隔1 2 7 】。它们与野生型相比在光照条件下的 成功交配明显降低，而在黑暗的条件下则是增加的i 硎。这些可能是与视觉的缺损导致雄 性交配行为的失常【捌，也有可能是和黑檀体突变体雄性果蝇求爱歌的异常有判3 0 1 。 图1e b o n y 基因结构圉( 来源于h t t p ：w w w n c b i n l m n i h g o v ) f i g 1t h es t r u c t u r eo fg e n ee b o n y ( f r o m ：h t t p ：w w w n c b i h i m n i h g o v ) e 基因的突变众多，目前有报道的有4 3 个( 野生型除纸；) ( h t t p ：f l v b a s e b i o i n d i a n a e d u ) 。其突变机制有报道的有倒位突变，例如e 1 、e d l 2 、e a f a 、 e 1 2 6 5 、e 1 0 03 0 7 、e 瑚。9 6 、c 4 、e m 、e “2 4 。还有易位突变，例如e 踯、e i 一、e h l 和缺失突 变e 4 。本实验中采用的黑檀体突变为倒位突变体e 1 。除了这些经典的突变外，由于9 3 d 区附近是一个染色体容易发生断裂的位点，与e b o n y 基因有关的基因大部分缺失或完全 缺失的情况就有3 5 种。目前b l o o m i n g t o ns t o c kc e n t e r 储存的e 突变体的种类就有7 4 0 种。 1 2 黑腹果蝇黑条体果蝇简介 本实验中的黑条体( b l a c ks t r i pb o d y , b s r ) 突变型是1 9 9 1 年本实验室从野外采集的 黑腹果蝇中发现的一种自发突变品系。将其单雌系后代连续1 4 代杂交，体色背甲均为 黑色，无分离现象。其主要特征是：背甲( n o t u m ) 黑色，比黑檀体略浅，其上有5 条 深黑色纵行条纹，腹部横纹较野生型黑且加宽，翅不透明，里烟色，翅脉周围呈浓烟色， 湖北大学硕十学位论文 命名为黑条体突变体1 3 l j 。通过常规杂交和互补实验技术将黑条体突变型的产生的基因进 行分析定位，引起黑条体突变型的基因是黑檀体基因( e ) 的等位基因，位于第三染色 体9 3 d 2 区，定名为e “基因。根据三级结构模型和关键序列的位置，基因编码的蛋白 质的立体结构没有明显的变异，几个位点的氨基酸的变化也没有影响基因的功能，只是 蛋白质多念性的表现。在基因的d n a 序列的5 端有一个9 5 4 个碱基的大片段的缺失， 其中包括e 基因的m r n a 的2 8 3 个核苷酸未翻译区的2 0 6 个核苷酸和与之相邻的第一 个内含予的7 4 7 个核苷酸。r t - p c r 结果显示基因的转录未被抑制，由于第一个内含子 的5 端剪切位点的丢失导致第一个内含子不能被切除，而产生一个具有很长的( 约3 k b ) 的5 未翻译区( u t r ) ，对蛋自质的翻译造成严重干扰。蛋白免疫印记发现该突交体果 蝇的e k 没有正常e b o n y 蛋白产物的出现。 在本实验室长期饲养观察果蝇的过程中，发现黑条体果蝇在体色形态上基本与黑檀 体果蝇相似，但黑条体果蝇的个体大小明显要比其野生型和黑檀体果蝇要大。另外，黑 条体果蝇的一些行为学特征也明显与黑檀体果蝇不同，如黑条体果蝇的运动性活跃度明 显要比黑檀体高，通常黑檀体果蝇在静止时会处于培养管底部或者附着在管壁很少移 动，而黑条体果蝇则明显的活跃，在培养管内四处游走。当雄性果蝇之间发生争斗时往 往黑条体果蝇会赢得竞争。黑条体果蝇和黑檀体果蝇在同一个顺反子内发生的突变却导 致个体表现出明显不同的行为学特征，其具体的产生原因尚无清楚的研究。 1 3 黑条体( b s r ) 果蝇与黑檀体( e ) 果蝇的关系 采用常规杂交方法和互补实验技术对黑腹果蝇黑条体突变型的基因定位进行探讨， 结果是黑条体与黑檀体杂交的子一代为反式排列的杂合体无互补，表现为突变型，子二 代中，由于交换而产生重组类型的顺式排列的杂合体表现为野生型。因此确定黑条体突 变基因( b s r ) 与黑檀体突变基因( e ) 是等位的，位于第三染色体的9 3 d 2 区，但分别位于不 同的位点上，重组值为4 9 ，属于同一顺反予的新的点突变1 3 2 1 。另据本实验室初步研 究发现，黑条体基因( b s r ) d n a 序列的5 端有一个9 4 4 个碱基的大片段的缺失，其中 包括e b o n y 基因的m r n a 的2 8 3 个核苷酸先导序列后端的2 1 1 个核营酸和与之相邻的 第一个内含子的7 3 3 个核苷酸1 3 3 1 。 黑条体果蝇与黑檀体果蝇的基因突变属于同一个基因的两种不同突变方式。在黑檀 体果蝇中e b o n y 基因处于一个倒位环中，而在黑条体果蝇中是在基因( e ) d n a 序列的 5 端的存在一个9 4 4 个碱基的大片段的缺失。图2 表明了黑条体( b s r ) 基因缺失的情况。 4 前言 图2 野生型( 、) 和黑条体( b s r ) 的e b o n y 基因结构比较 f i g 2c o m p a r i s o no ft h es t r u c t u r eo ft h eg e n ee b o n yb e t w e e nw t a n db s r 2 果蝇交配行为概述 果蝇的交配行为是所有动物中被研究得最多最充分的行为之一，主要包括雄性的求 爱和雌性的应答这两部分行为组成。由于各种影响因子的存在，果蝇的个体体长，活跃 性，雄性求爱歌以及所释放的分子信息素存在着一定的差异。在相同的生长环境条件下 基因的突变会对果蝇求偶行为造成影响，这样的结果是造成了动物的性选择差异进而推 动生物了的进化。果蝇的神经系统可以让它完成一些比较复杂的行为，比如觅食、求偶、 学习、记忆，过着有昼夜节律的生活。果蝇的遗传背景清晰，但动物的行为是复杂、难 于量化的，而且易受环境影响。因此，剔除环境因素，将行为还原到神经乃至基因上去， 用果蝇来研究是非常合适的。 果蝇的交配行为受到自身遗传基因和周围环境的影响，表现出一定的复杂性。果蝇 的交配依赖于视觉、听觉和化学信号复杂的相互作用1 3 4 j ，雄果蝇竞争雌性依赖于雄果蝇 的定位率，对快速移动的雌性保持定位的能力，坚持和求爱活力，同时雌蝇能够表现出 它们不同的接受程度【3 ”。因此，测量交配速度或交尾潜伏期( 从引入一对果蝇直到它们 开始交尾) 可以用来衡量雌性的接受度和雄性的求爱效率【3 6 j 。 1 9 6 4 年e l e n s 和w a t t i a u x 设计了果蝇求偶室，在实验室条件下对果蝇的交配行为进 行观察和研究。至今，雄果蝇求爱、雌果蝇作出回应，这其中的过程已经被描述得极其 详尽。雄果蝇的求爱过程有着固定的程序和内容，可以拆分成精确的6 步程式动作。第 一步是“尾随”( o r i e n t i n g ) ，雄蝇发现雌蝇的存在，便追上去。第二步是“敲击”( t a p p i n g ) ， 用前腿轻轻地敲打雌果蝇的身体，促使对方释放出信息素。第三步是“唱求爱 5 湖北人学硕十学位论文 歌 ( s i n g i n g ) ，雄果蝇伸出一只翅膀，以特定的方式振动，发出特殊的声音。一只正常的 雄果蝇，会花上两分钟来完成这前三个步骤。 在这过程中，雌果蝇会躲避，但多数时候并不是逃走，只是一种试探和考查。如果 雌蝇安静下来，雄果蝇就会进入下一步的求偶过程。 第四步是“舔拭”( l i c k i n g ) ，雄果蝇用它的长吻舔雌果蝇的生殖器官。这样大概两 分钟之后，作出试图交尾( a t t e m p t i n gc o p u l a t i n g ) 的动作。如果雌果蝇接受对方，就进 入最后的交尾( c 印“肠f 6 鲫) 1 3 7 1 。 图3 果蝇求偶要素( h a l l ，1 9 9 4 ；g r e e n s p a n ，1 9 9 5 a ) f i g 3c o u r t s h i pe l e m e n ti nd r o s o p h i l a ( h a l l ，1 9 9 4 ；g r e e n s p a n ，1 9 9 5 a ) 很多遗传上的突变能影响果蝇的交配行为，基因n e r d 和f r u i t l e s s 使雄果蝇变得羞 怯，而基因v o i l a 能加强雄果蝇的信心。基因d i s s a t i s f a c t i o n ，s p i n s t e r 和c h a s t e 削弱雌果 蝇对交配的接纳能力。在对果蝇的体色基因进行研究的过程中，发现了大量的体色相关 基因突变型果蝇在交配行为上也表现出一定的特异性，比如y e l l o w ，e b o n y 、t a n ，嘶f f e 这些基因都会对果蝇交配行为产生一定的影响。这些基因通常与神经代谢系统存在一定 的联系，比如e b o n y 蛋白在成年果蝇眼部神经胶质细胞中表达【3 8 】，如果e b o n y 基因有缺 陷，就会导致雄性果蝇在求爱过程中定位困难。在求爱期间求爱行为和动用感官的次序 有助于发展和认识这些基因是怎样影响求爱和交配的( 如图4 ) 。 6 前言 图4 果蝇的交配过程( 来源于y a m a m o t o ，d ，e ta 1 c e l l m 0 1 l i f es c i 1 9 9 9 ) f i g 4t h em a t i n gs e q u e n c ei nd r o s o p h i l a ( f r o m ：y a m a m o t o ，d ，e ta 1 c e l l m 0 1 l i f es c i 1 9 9 9 ) 如果视觉系统发生突变，雄性果蝇会在找到雌性果蝇上碰到困难，从而降低雄性果 蝇的交配成功率。听觉系统的突变会导致雌性果蝇不能听到雄性果蝇的求爱歌，从而使 雌性果蝇接纳力降低。化学感觉器的突变能影响求爱期间两性的表现，a v e r h o f f ( 1 9 7 6 ) 在实验中证明了黑腹果蝇的求偶行为由多种信息素所控制。有些突变会影响外周感觉及 其引起的过程，例如v o i l a ，这个基因会影晌雄性前腿的化学感觉细胞。比如d s i m u l a n s 和d m e l a n o g a s t e r 在生殖行为上的隔离程度主要取决于雌雄个体问识别能力的强弱，如 求爱歌、信息素的结构及交配的持续时间【”】。雄果蝇通过快速振动翅膀发出物种特异性 求偶歌唱，从而只吸引同种雌性。同样性息素的结构及交配时间也限定了m e l a n o g a s t e r 同种之间雌雄个体的识别。其中影响脑部处理过程的一些突变更加让人感兴趣，因为这 可以提供机会了解中枢神经系统组织以及像交配这种复杂行为的产生【加】。 果蝇的视觉、听觉和嗅觉等神经系统及其组成部分对果蝇的求偶行为起着重要的决 定作用，而且果蝇的性选择过程对生物的进化以及物种的形成都有着重要的意义，研究 某些突变种的求偶行为是行为学和遗传学工作者在对动物进行行为学表型分析时经常 采用的一个实验方案。 在交配过程中雄性果蝇起着主导的作用，雌性用应答动作来回应雄性的求偶。这其 中包含着雄性的识别，雌性的接受过程。果蝇的雌雄个体具有性二态特征，表现在果蝇 的体色上面最显著的特征即雄性腹部末端两节全黑而雌性半黑。这样的体色性特征对果 7 湖北人学硕十学位论文 蝇的求偶交配有重要影响，通常雌雄蝇都更喜欢与性特征更加明显的果蝇进行交配。体 色基因的突变除了引起果蝇某些代谢或神经通路的变化之外，在果蝇的性选择上也存在 一定的影响。 3 果蝇体色突变与果蝇行为之间的联系 3 1 果蝇的体色突变类型及相关基因之间的关系 黑腹果蝇的体色突变类型常见的有黄体( y e l l o w t y ) 、黑体( b l a c k ，6 ) 和黑檀体( e b o n y ， e ) ，分别位于x 染色体，第二染色体和第三染色体上。体色相关的基因共同构成一个基 因调控网络，对果蝇的体色形成进行控制。相关的基因除了决定体色外还与一些关键的 神经物质如多巴胺在果蝇体内的分布存在着联系，这就导致体色相关基因在控制体色的 同时也会对果蝇的行为产生一定的影响。 目前，w i t t k o p p ( 2 0 0 3 ) 等提出了一个以多巴和多巴胺为核心的果蝇体色决定模式 图( 图5 ) 。果蝇的体色相关基因众多，在这个模式图中，与体色有关的基因分别在不同 的位点对果蝇的体色最终图式进行调节。 d o p am e l a n i nd o m i n em e l a n l ： i b l a c k )i b r o w n ) p h e n o i 千p h e n o i 千 o x i d a s e s y e l l o w ? j“砌8 3 ”l jl y e l l o w - fld o p a? ia r y l a l k y l a m i n e y e o w f 2id e c a r b o x y l a s e n - a c e t y lt r a n s f e r a s e s t 帅。i n e + d o 凶广_ - 工旦型- d o p a m l 呻( d a t l o t h e ra a n a t s k ， n - a c e t y id o p a m l n e 。t y m s i n e 。 n b a dj+(nada) h y d m x y l a s e 。, y n t h e t a s e l 卜+ b 一 l a n i n ei ( j o a l e ) ( e b o n y ) i n b a dp h e n o i u ”i ；6 哦胁m 8 _ ii h 瑶搿8酬8 8 8 e i n - a c e t y ld o m i n e n a d as d e r o f i n ( n b a d ( n n p l g m e n t e d ) p h e n o l o x j o a s e n b a ds c l e r o t i n ( y e l l o w i s h 协m 图5 黑腹果蝇的色素代谢途径( 来源于p a l l i aj w i t t k o p p ，c ta 1 t r e n d s 新g e n e t i c s s e p 2 0 0 3 ) f i g 5 t h er o u t eo fp i g m e n tm e t a b o l i z ei nd m e l a n o g a s t e r ( f r o m ：p a t r i c i aj w i t t k o p p ，e ta 1 t r e n d s 加 g e n e t i c s s e p 2 0 0 3 。) 红色表示编码酶的基阏：? 表示有待证实的参与基冈。 t h er e di sg e n e so fe n z y m e ；? d e n o t ep r o b a b l yc o r r e l a t e dg e n e s 8 图5 显示的是黑腹果蝇的色素代谢途径，所有色素的合成都起始于由p a l e 编码的酪氨 酸羟化酶催化酪氨酸转变为多巴( 3 ，4 二羟苯丙氨酸) 。部分多巴在y e l l o w , y e l l o w - f l 和 y e l l o w f 2 的作用下生成黑色多巴色素前体，另一部分多巴经多巴脱羧酶( d d c ) 作用变为 多巴胺而成为褐色及浅黄色色素前体。e b o n y 催化多巴胺形成n b 丙氨酰多巴胺( n b a d ) 后参与生成浅黄色硬壳蛋白，该过程是可逆的，即部分n b a d 可在被认为由t a n 编码的 n b a d 水解酶作用下重新生成多巴胺。多巴胺另一支路是由一组芳香烷基n 乙酰转移酶 ( a a n a t s ) 的催化形成n - 乙酰多巴胺( n a d a ) ，而n a d a 是一种无色或透明的硬壳蛋白。 ，e b o n y 基因属于与果蝇体色相关的众多基因之一，这些基因所表达的产物在果蝇的 体色调节方面形成一个调控网络，沿着一条主线进行。其中y 和e 基因被发现对体色形态 学特征起重要作用。v 和e 基因在遗传上存在相互作用；分析这些基因在成体色素发育中 的调控和功能，发现成体的色素形成反映了黑色素和黄褐色素的相互结合，他们分别被 v 和e 控制。y e l l o w 蛋白( y e l l o w ) 暂时动态的模式被表达，这一模式与黑色素的形成相 关，然而e b o n y 蛋白( e b o n y ) 在所有产生黑化型和非黑化型表皮的细胞中都出现。值得注 意地是，e b o n y 蛋白异位表达消除了黑色素的生成，并且e b o n y 缺乏时，y e l l o w 蛋白促进 异常图式中黑色素的产生。因此，色素图式是k h e b o n y ，y e l l o w 蛋白的结合的表达模式决 定的，这些基因表达的变化引起了色素形成的种间趋异。在其他种( nb i a r m i p e s ) 中异常 的色素图式也发现y e l l o w 和e b o n y 蛋白表达的补充的空间模式。这些发现证明y e l l o w 和e b o n y 蛋白的调控和功能在动物黑色素图式的发育和进化中居于中心地位。 y e l l o w 蛋白对黑色色素的形成是必需的，这种黑色色素可能是多巴一黑色素；并且 它与一种酶具有相似序列，在蚊子体中此酶对催化一个多巴转变为多巴一黑色素的反应 是必需的1 4 川。这些观察结果表明y e l l o w 基因也可能编码一种酶，而多巴黑色素的生产需 要这种酶。目前，为了证明这个假设正在对y e l l o w 蛋白进行生物化学分析。 以前对黑腹果蝇的研究表明它的主要色素是多巴胺一黑色素1 4 2 1 。事实上，多巴黑色 素对于黑腹果蝇的色素形成作出了重要的贡献。多巴的自然氧化产生灰色( 黑色) 色素， 而多巴胺和n b a d 的氧化分别产生棕色色素和黄褐色色素。酚氧化酶是黑色素体外聚 合必需的酶，也发现多巴、多巴胺或n b a d 与酚氧化酶共培育产生了同样的三种分离 颜色的色素1 4 3 j 。在这些结果的基础上，得出了多巴一黑色素、多巴胺一黑色素和n b a d 聚合体的分别生产，是通过黑色素合成途径的三个分枝来完成的。 在果蝇的体色相关基因中，基因e b o n y ，y e l l o w ，t a n ，p a l e ，b l a c k 直接或间接的与 多巴和多巴胺存在着联系，多巴和多巴胺已被证明是一种重要的神经递质，在运动控制、 9 湖北大学硕十学付论文 动机和奖惩相关行为调节方面起关键作用。研究发现，多巴和多巴胺多参与果蝇蘑菇体 生化代谢途径，对雄果蝇的求偶及交配行为有影响。通过使用抗体对幼虫期和成虫期 果蝇体内多巴胺的分布进行定位，发现在果蝇不同生长阶段多巴胺均会出现在脑部等神 经密集处( 图6 ) 。已经证明这些位点与果蝇的视觉和行为密切相关【4 5 1 。 图6 多巴胺在脑中的表达。( w e n d in e c k a m e y e r e ta l ，2 0 0 1 ) f i g 6 t h ee x p r e s s i o no fd o p a m i n ei nt h eb r a i n ( w e n d in e c k a m e y e r e la 1 2 0 0 1 ) ( a - c ) 二龄幼虫脑部多巴胺位点( d - f ) 成年果蝇脑部多巴胺位点 ( a - c ) i m a g eo fd o p a m i n ei nt h i r di n s t a rl a r v a lb r a i n ( d - f ) i na d u l tb r a i n 3 2e b o n y 蛋j l ：l t a n 蛋白影响多巴胺一黑色素的生产 黑色素合成途径中最令人感兴趣的是e b o n y 蛋白和t a n 蛋白明显相对的功能。w r i g h t ( 1 9 8 7 ) 的研究表明，e 突变体不产生n b a d 或黄褐色色素，并且t a n ( f ) 突变体缺少棕色色 素并已降低了多巴胺的水平。在t 突变体中棕色色素的缺失表明多巴胺虱 n a a o 和接下来 在聚合之前转回多巴胺的转变对于棕色多巴胺黑色素的生产是一个必要的步骤。在产生 棕色多巴胺黑色素的过程中必需e b o n y 和t a n 两种蛋白质。多巴胺转变成n b a d 是必要 的，但它的生物学意义还不清楚。多巴胺通过结合转变为n b a d 对于阻止多巴胺通过主 1 0 前言 要路径的可选择的分枝途径转变为其他分子是必需的( 例如：n 乙酰基多巴胺) 1 4 6 1 。如 果这个途径受到影响，可能对果蝇造成一些其他的影响。因为多巴胺是一种神经介质， 多巴胺通过结合生成n b a d 对于阻止多巴胺积累的毒副效果可能是必需的。 3 3 多巴胺的功能 多巴胺( d o p a m i n e ) 普遍存在于动物大脑中，它控制着运动、认知、情感、正性强化、 摄食、内分泌调节等许多功能。多巴胺系统是近3 0 年研究的焦点之一，已知t o u r e t t e 综 合症，注意力缺陷多动综合症等都与多巴胺递质传递障碍有关。在对果蝇的睡眠进行研 究的过程中，发现社交活动个别组白天睡眠短的果蝇，其脑内神经递质多巴胺的量只有 团体组果蝇的1 3 。而通过基因工程的方式，让多巴胺变得异常低或异常高，都会让团体 组的果蝇无法在白天做长时间的睡眠m 。 多巴胺对运动控制起重要作用，帕金森病是由于多巴胺能神经元变性引起严重的多 巴