Paradigmen für die Verhaltensbewertung im Drosophila-Modell der Autismus-Spektrum-Störung

Die Autismus-Spektrum-Störung (ASS) umfasst eine heterogene Gruppe von neurologischen Störungen. Sie umfasst eine Reihe komplexer neurologischer Entwicklungsstörungen, die durch multikontextuelle und anhaltende Defizite in der sozialen Kommunikation und sozialen Interaktion sowie durch das Vorhandensein von eingeschränkten, sich wiederholenden Verhaltens- und Aktivitätsmustern und -interessen gekennzeichnet^{sind 1}. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation (WHO) wird weltweit bei 1 von 100 Kindern ASS diagnostiziert, wobei das Verhältnis von Männern zu Frauen bei 4,2^{2 liegt}. Die Erkrankung macht sich im zweiten oder dritten Lebensjahr bemerkbar. ASD-Kinder zeigen ein mangelndes Interesse an sozial-emotionaler Reziprozität, nonverbaler Kommunikation und Beziehungsfähigkeit. Sie zeigen sich wiederholende Verhaltensweisen wie stereotype motorische Bewegungen, unflexible und ritualisierte Routinebefolgung und intensive Konzentration auf eingeschränkte Interessen. ASD-Kinder zeigen ein hohes Maß an Reaktion auf Berührung, Geruch, Geräusche und Geschmack, während die Schmerz- und Temperaturreaktion vergleichsweise gering ist¹. Die Penetranz dieser Störung ist auch bei verschiedenen Patienten, die an ASS leiden, unterschiedlich und daher nimmt die Variabilität zu.

Die derzeitige klinische Diagnose von ASD basiert auf der Verhaltensbewertung der Personen, da es keinen bestätigenden, auf Biomarkern basierenden oder gemeinsamen genetischen Test gibt, der alle Formen von ASD^{abdeckt 3}. Die Entschlüsselung der genetischen und neurophysiologischen Grundlagen wäre hilfreich, um Behandlungsstrategien zu entwickeln. In den letzten zehn Jahren hat eine große Anzahl von Forschungsarbeiten zur Identifizierung von Hunderten von Genen geführt, die entweder gelöscht oder mutiert sind oder deren Expressionsniveaus bei ASD-Patienten verändert sind. Die laufende Forschung konzentriert sich auf die Validierung des Beitrags dieser Kandidatengene anhand von Modellorganismen wie der Maus oder Fruchtfliege, bei denen diese Gene ausgeschaltet oder ausgeschaltet werden, gefolgt von Tests auf ASD-ähnliche Verhaltensdefizite und der Aufklärung der zugrunde liegenden genetischen und molekularen Signalwege, die die Anomalien verursachen. Ein Mausmodell, das Kopienzahlvariationen (CNVs) in den humanen Chromosomenloci 16p11.2 rekapituliert, zeigt einige der ASD-Verhaltensdefekte ^4,5,6. Die pränatale Exposition gegenüber einem teratogenen Medikament, Valproinsäure (VPA), ist ein weiteres Mausmodell, das Merkmale aufweist, die der menschlichen ASD^{ähneln 7,8}. Darüber hinaus gibt es eine Reihe von Mausmodellen, die genetischen Syndrom-assoziierten Autismus aufweisen, z. B. syndromale Einzelgenmodelle, die durch Mutationen in Fmr1, Pten, Mecp2, Cacna1c verursacht werden, und nicht-syndromale Einzelgenmodelle, die durch Mutationen in Genen wie Cntnap2, Shank, Neurexin oder Neuroligin-Genen verursacht werden⁵.

Die Fruchtfliege (Drosophila melanogaster) ist ein weiterer prominenter Modellorganismus für die Untersuchung der zellulären, molekularen und genetischen Grundlagen einer Vielzahl von menschlichen Erkrankungen⁹, einschließlich ASD. Drosophila und Mensch teilen hochkonservierte biologische Prozesse auf molekularer, zellulärer und synaptischer Ebene. Fruchtfliegen wurden erfolgreich in ASD-Studien^eingesetzt 10,11,12 um Gene zu charakterisieren, die mit ASDs in Verbindung stehen, und ihre genaue Rolle bei der Synaptogenese, der synaptischen Funktion und Plastizität, dem Aufbau neuronaler Schaltkreise und der Reifung zu entschlüsseln; Es wurde festgestellt, dass Fliegenhomologe von ASD-assoziierten Genen eine Rolle bei der Regulation von sozialem und/oder repetitivem Verhalten spielen 11,13,14,15,16,17,18,19,20,21. Die Fruchtfliege hat auch als Modell für das Screening von ASD-Genen und deren Varianten gedient 15,22,23. Die größte Herausforderung in der ASD-Forschung an Fliegen besteht darin, dass es im Gegensatz zu anderen Krankheitsmodellen kein einzelnes ASD-Fliegenmodell gibt. Um die Auswirkungen von Mutationen oder dem Ausschalten eines bestimmten ASD-Gens zu verstehen, muss ein Forscher validieren, ob die Verhaltensphänotypen die Symptome von ASD-Patienten ausreichend nachahmen, und dann dazu übergehen, die molekularen oder physiologischen Grundlagen der Phänotypen zu verstehen.

Daher ist der Nachweis von ASD-ähnlichen Phänotypen für die ASD-Forschung im Fliegenmodell von entscheidender Bedeutung. Im Laufe der Jahre ist eine Handvoll Verhaltenstechniken entstanden, die es uns ermöglichen, Anomalien wie Defizite im Sozialverhalten/in der Interaktion, in der Kommunikation, in sich wiederholenden Verhaltensweisen und in der Reaktionsfähigkeit auf Reize zu erkennen. Darüber hinaus wurden in verschiedenen Labors verschiedene Modifikationen und Upgrades dieser Verhaltenstechniken vorgenommen, um spezifischen Anforderungen wie Upscaling, Automatisierung von Assays, Auslesungen, Quantifizierungs- und Vergleichsmethoden gerecht zu werden. In diesem Videoartikel werden die grundlegendsten Versionen von fünf Verhaltensparadigmen demonstriert, die in Kombination verwendet werden können, um ASS-ähnliche Verhaltensergebnisse auf einfachste Weise zu erkennen.

Aggression ist ein evolutionär konserviertes angeborenes Verhalten, das das Überleben und die Fortpflanzung beeinflusst²⁴. Aggressives Verhalten gegenüber Artgenossen wird sowohl durch die “Motivation zur Sozialisation”^25,26 als auch durch die “Kommunikation”²⁷ beeinflusst, die beide bei ASS-Betroffenen beeinträchtigt sind. Aggressives Verhalten ist bei Drosophila gut beschrieben und seine Quantifizierbarkeit durch den robusten Aggressionsassay 28,29,30 und eine gut verstandene genetische und neurobiologische Basis ³¹ macht es zu einem geeigneten Verhaltensparadigma³² für die Beurteilung des ASD-Phänotyps in einem Fliegenmodell. Aggression wird durch soziale Isolation abseits eines sozialen Umfelds beeinflusst, was zu verstärkter Aggression führt; Das Gleiche wurde beobachtet, wenn männliche Fliegen einige Tage lang isoliert gehalten wurden^33,34. Ein weiterer Verhaltensassay, der die Geselligkeit bei Fliegen quantifiziert, ist der Social Space Assay³⁵, der die Entfernungen zwischen den nächsten Nachbarn und die Abstände zwischen den Fliegen in einer kleinen Gruppe von Fliegen misst, wodurch er sich perfekt zum Testen der Rollen von ASD-Gen-Orthologen in Fliegen 12,21,36,37 sowie umweltinduzierten ASD-Fliegenmodellen³⁸ eignet^{. 39}. Urheberrecht

Der Drosophila-Balztest ist ein weiteres Verhaltensparadigma, das häufig verwendet wird, um Veränderungen in sozialen und kommunikativen Fähigkeiten durch Schaltkreis- oder Genmanipulation zu testen, einschließlich Autismus-bezogener Gene 18,19,21,40. Sich wiederholende Verhaltensmuster sind bei ASD-Patienten weit verbreitet, was sich bei Fliegen durch Pflegeverhalten widerspiegelt – eine Reihe von unterschiedlichen, stereotypen Handlungen, die zum Reinigen und zu anderen Zwecken ausgeführt werden. Es wurde erfolgreich eingesetzt, um die Auswirkungen von ASD-Genmutationen bei Fliegen^21,41 sowie die Exposition gegenüber Chemikalien^38,39 zu untersuchen. Mehrere Fortschritte und Automatisierungen im Assay wurden bereits vor 16,41,42,43 beschrieben; Hier demonstrieren wir das grundlegendste Assay-Muster, das einfach zu übernehmen und zu quantifizieren ist.

Es ist bekannt, dass ASD die Gewöhnungsfähigkeit, das Lernen und das Gedächtnis bei einigen Patienten^beeinflusst 44,45,46,47,48,49,50, ASD-Modellorganismen ^51,52 und auch Defizite in verschiedenen Geruchsverhaltensweisen verursacht⁵⁰. Die Gewöhnung an Drosophila-Light-Off-Sprünge wurde zuvor verwendet, um nach ASD-Genen^{zu suchen 23}. Die Gewöhnung kann durch ein einfaches Verfahren des olfaktorischen Gewöhnungsassays 53,54,55 bestimmt werden. Wir beschreiben das Verfahren zur Induktion der olfaktorischen Gewöhnung und testen das Ergebnis unter Verwendung eines klassischen Y-Labyrinth-basierten binären Odor-Choice-Assays⁵⁶, der zur Erkennung von Defekten in der Gewöhnungsstörung bei ASD-Genmutanten oder Gen-Knockdown-Bedingungen verwendet werden kann. Um zu beurteilen, ob der Einfluss einer Mutation (oder eines Gen-Knock-downs) oder einer pharmakologischen Behandlung auf das Verhalten einer Fliege auf einen ASD-ähnlichen Phänotyp hinausläuft, kann man eine Kombination dieser 5 hier beschriebenen Assays verwenden.