Скрининг нарушений пигментации выявил два гена, регулирующих сон

Дофамин в головном мозге необходим для контроля движений, обучения и памяти, мотивации, сна. Нарушения в работе дофаминовой системы связаны с неврологическими и психическими расстройствами, включая депрессию, нарушения сна, шизофрению или болезнь Паркинсона. И если роль дофамина в центральной нервной системе изучена хорошо, о механизмах регуляции его уровней известно куда меньше. Чтобы идентифицировать регуляторы дофамина, ученые из США провели скрининг на плодовых мушках Drosophila melanogaster. Они выявили 11 генов, влиявших на уровень дофамина в тканях головы.

Руководствуясь тем, что дофамин является предшественником пигмента меланина, авторы работы измерили уровни дофамина у мушек с мутацией, приводящей к изменению окраски кутикулы. Они проанализировали несколько известных мутантных аллелей, которые приводят к более темной или светлой пигментации. Неожиданным образом, у мутантов black, speck, straw, и yellow уровень дофамина в тканях головы был снижен, а при мутациях ebony и tan почти не отличался от дикого типа. Все эти аллели находятся в генах, так или иначе участвующих в метаболизме дофамина (подробнее на схеме ниже). Интересно, что ни одна из мутаций не оказала значимого влияния на уровень дофамина в головном мозге.  

 Метаболические пути, связанные с контролем пигментации и синтезом дофамина.
Credit:
iScience, 2025. DOI: 10.1016/j.isci.2025.114388CC BY-NC-ND

Ферменты синтеза дофамина — тирозингидроксилаза (TH) и DOPA-декарбоксилаза (Ddc) — относятся к жизненно важным, а снижение их уровня приводит к бледной пигментации. Ограничение экспрессии этих ферментов с помощью РНК-интерференции (RNAi) снижало уровни дофамина в голове и непосредственно в мозге мушек. 

В ранее опубликованных данных полногеномного RNAi-скрининга ученые выявили 458 генов, связанных с дефектами пигментации. После этого они провели вторичный скрининг с помощью РНК-интерференции, который выявил 153 связанных с пигментацией гена. Выявленные изменения пигментации разделили на три категории: потемнение кутикулы, ее побледнение или смешанный фенотип. Фенотипы с темной кутикулой были наиболее распространены (56% от общего числа), при этом интенсивность изменений — слабая, умеренная или сильная — была представлена равномерно во всех категориях. Кроме того, авторы заметили, что 85% генов (132 из 153) были консервативны для человека и дрозофилы. 

Авторы проверили, связаны ли человеческие гомологи выявленных в ходе скрининга генов с заболеваниями. Ассоциация с патологиями подтвердилась для 51,2% генов, причем в 78% случаев патологии относились к неврологическим — например, эпилепсия, расстройства аутистического спектра, атаксии. 

Дофамин также регулирует движения и сон, поэтому ученые отследили, как меняются их показатели у мушек с нокдауном каких-либо из 153 выявленных генов. Значимые отклонения в двигательной активности, продолжительности периодов сна/бодрствования и общему времени сна в течение суток ученые выявили для 50 генов, из них 45 имели консервативные гомологи у человека. 

Из 132 генов, выявленных в ходе скрининга и консервативных для человека, авторы отобрали 35, имевших наиболее сильную связь с неврологическими заболеваниями, поведением мушек или тем и другим. С помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) ученые измерили уровни дофамина в голове дрозофил с нокдауном этих генов. Значимые изменения обнаружились для 11 генов, хотя некоторые не анализировали из-за летальности нокдауна. При этом уровень дофамина в голове мушек никак не коррелировал с пигментацией их кутикулы. 

Экспрессия 10 из 11 выявленных генов пересекалась с экспрессией маркеров дофаминергических нейронов (наиболее выраженно — у гена mask), а минимум шесть из них (Bsg, ClC-c, clu, mask, PIG-A, rk) коэкспрессировались с тирозингидроксилазой. Однако прямое измерение дофамина в мозге взрослых дрозофил показало, что только два гена снижали уровень этого нейромедиатора — это mask и clu (clueless). 

Снижение уровня дофамина при нокдауне mask или clu не было связано с потерей дофаминергических нейронов — их количество в мозге мушек не менялось. Однако нокдаун mask приводил к снижению уровня мРНК тирозингидроксилазы на 30–50%. 

Проанализировав изменения сна дрозофил, ученые пришли к выводу, что mask регулирует транскрипцию тирозингидроксилазы. При нокдауне mask у мушек значительно возрастала продолжительность сна и снижалась двигательная активность перед пробуждением на свету. Аналогичный эффект наблюдался при нокдауне тирозингидроксилазы. А вот clu, по-видимому, действовал по альтернативному механизму и влиял только на длительность сна, но не на движения. 

Таким образом, авторы статьи описали два гена — mask и clu, — которые регулируют уровни дофамина в головном мозге плодовой мушки и влияют на сон. Их функция и связь с другими регуляторами требует более детального изучения, однако авторы рассчитывают, что дальнейшие исследования механизмов регуляции дофамина помогут найти мишени для лечения неврологических расстройств. 

Дрозофилы с врожденной бессонницей лучше обучаются, но меньше живут