Дрозофилы с врожденной бессонницей лучше обучаются, но меньше живут

Сон крайне важен для когнитивных функций у многих видов, а также ассоциирован с продолжительностью жизни. Однако немецкие ученые продемонстрировали, что для дрозофил с мутацией, вызывающей бессонницу, характерны лучшая обучаемость и память, несмотря на нарушенный сон. Эта мутация содержалась в локусе insomniac (inc), который кодирует адаптерный белок для E3-убиквитинлигазы Cullin-3.

Изначально авторы проверили обучаемость разнообразных мутантов дрозофил с нарушениями сна (как с увеличенной, так и с сокращенной продолжительностью). Они использовали аверсивное обонятельное обусловливание. Выяснилось, что подавляющее большинство мутантов обладало нормальной или сниженной обучаемостью по сравнению с диким типом. Исключение составили только дрозофилы с мутацией в inc (inc²), у которых продолжительность сна была сильно меньше нормы. Важность этого локуса для перехода ко сну показали в предыдущих исследованиях. Он эволюционно консервативен и у насекомых активно экспрессируется в грибовидных телах, участвуя в их правильном развитии и пластичности.

На первый взгляд, улучшенная память у мутантов с укороченным сном ставит под сомнение общепринятую концепцию, согласно которой недостаток сна нарушает когнитивные функции. Чтобы разобраться в причинах такого парадокса, ученые проанализировали фенотип inc²-дрозофил, которые несли дополнительные мутации в тех или иных генах. Выяснилось, что укорочение сна компенсировалось ослаблением сигналинга цАМФ-зависимой протеинкиназы А (PKA) — мутации в компонентах этого сигнального пути, нарушавшие их функцию, восстанавливали сон дрозофил.

Исходя из полученных результатов, исследователи решили углубиться в изучение связи между inc и цАМФ/PKA-сигналингом. Они получили дрозофил с мутацией inc и гетерозиготной мутацией с потерей функции в Dc0 (каталитической субъединице PKA). Восстановление фенотипа, то есть увеличение продолжительности сна, подтвердилось, причем эффект был специфичен только для inc-мутантов и не влиял на сон мух дикого типа или других мутантов.

Активность PKA в грибовидных телах оказалась повышена у inc-мутантов, а сами грибовидные тела имели аномальную морфологию — отдельные структуры чрезмерно разрастались, в то время как некоторые доли отсутствовали вовсе. Исследователи предполагают, что это как минимум частично может объяснять усиленную память дрозофил. Основная роль грибовидных тел у насекомых состоит в обучении и формировании ассоциаций. Вмешательство в PKA-сигналинг у таких мутантов не снижало способности к обучению, а, напротив, даже еще немного усиливало кратковременную память.

Однако усиление памяти на фоне дефицита сна оказалось не единственной ключевой чертой дрозофил с мутацией inc². Продолжительность их жизни была меньше, чем у мушек дикого типа — это согласуется с литературными данными о том, что inc-мутанты имеют сокращенный срок жизни и уязвимы к окислительному стрессу. Однако умеренного ослабления PKA-сигналинга оказалось достаточно, чтобы вернуть продолжительность жизни дрозофил с данной мутацией к норме, присущей дикому типу.

Исследователи предлагают возможное объяснение кажущемуся противоречию: по их мнению, аномальное разрастание грибовидных тел приводит к поведенческой гиперфункции и нарушает регуляцию сна. Ученые обращают внимание, что такое сочетание черт согласуется с картиной, наблюдаемой при некоторых расстройствах нейроразвития, например, расстройствах аутистического спектра (РАС). Интересно, что дисфункция убиквитинлигазы Cullin-3, адаптерный белок которой «ломается» из-за мутации inc², ассоциирована с РАС — роль этой убиквитинлигазы уже изучили на мышиных моделях, а также показали связь ее мутаций с РАС у человека. Авторы статьи рассчитывают, что более детальное изучение их открытия позволит лучше объяснить механизмы развития РАС.