自閉症スペクトラム障害の ショウジョ ウバエモデルにおける行動評価のパラダイム

自閉症スペクトラム障害(ASD)は、神経障害の異質なグループを包含しています。これには、社会的コミュニケーションと社会的相互作用における多文脈的で持続的な欠損、および制限された反復的な行動および活動パターン^{と関心の存在}を特徴とする、さまざまな複雑な神経発達障害が含まれます1。世界保健機関(WHO)によると、世界中で100人に1人の子供がASDと診断されており、男女比は4.2²です。この病気は生後2年目または3年目に明らかになります。ASDの子供は、社会的感情的な互恵性、非言語的コミュニケーション、および関係スキルに関心がないことを示しています。彼らは、型にはまった運動、柔軟性に欠ける儀式化されたルーチンのフォロー、制限された興味への集中など、反復的な行動を示します。ASDの子供は、触覚、嗅覚、音、味覚に対して高い反応を示しますが、痛みと温度の反応は比較的低いです¹。この障害の浸透度は、ASDに苦しむ患者によっても異なるため、変動性が増加します。

ASDの現在の臨床診断は、ASD^{のすべての}形態をカバーする確認的なバイオマーカーベースまたは一般的な遺伝子検査がないため、個人の行動評価に基づいています3。遺伝的および神経生理学的基盤を解読することは、治療戦略を標的にするのに役立ちます。過去10年間で、大規模な研究により、ASD患者で欠失または変異した、または発現レベルが変化する数百の遺伝子が特定されました。現在進行中の研究では、マウスやショウジョウバエなどのモデル生物を用いて、これらの候補遺伝子の寄与を検証することを強調しており、これらの遺伝子をノックアウトまたはノックダウンした後、ASD様の行動障害の検査を行い、異常を引き起こす根本的な遺伝的および分子的経路を解明しています。ヒト染色体遺伝子座16p11.2でコピー数多型(CNV)を再現したマウスモデルは、ASDの行動上の欠陥^4,5,6の一部を示しています。催奇形性薬物バルプロ酸(VPA)への出生前曝露は、ヒト^ASD7,8に似た形質を示す別のマウスモデルです。さらに、遺伝的症候群に関連する自閉症を示すマウスモデル、例えば、Fmr1、Pten、Mecp2、Cacna1cの突然変異によって引き起こされる単一遺伝子症候群モデル、およびCntnap2、Shank、Neurexin、またはNeuroligin遺伝子5のような遺伝子の突然変異によって引き起こされる単一遺伝子非症候群モデル^{が存在する。}

ショウジョウバエ(Drosophila melanogaster)は、ASDを含む多数のヒト疾患の細胞、分子、および遺伝的基盤を研究するためのもう1つの著名なモデル生物です9。ショウジョウバエとヒトは、分子レベル、細胞レベル、シナプスレベルで高度に保存された生物学的プロセスを共有しています。ショウジョウバエは、ASDに関連する遺伝子を特徴付け、シナプス形成、シナプス機能と可塑性、神経回路の組み立て、および成熟におけるそれらの正確な役割を解読するために、ASD研究10,11,12で成功裏に使用されています。ASD関連遺伝子のハエ相同体は、社会的および/または反復行動の調節に役割を果たしていることがわかった11,13,14,15,16,17,18,19,20,21。ショウジョウバエは、ASD遺伝子とその変異体15,22,23のスクリーニングのモデルとしても機能しています。ハエのASD研究における最大の課題は、他の疾患モデルとは異なり、単一のASDハエモデルがないことです。特定のASD遺伝子の突然変異やノックダウンの影響を理解するためには、研究者は行動表現型がASD患者の症状を十分に模倣しているかどうかを検証し、表現型の分子的または生理学的基盤の理解に進む必要があります。

したがって、ASD様表現型の検出は、ハエモデルでのASD研究に不可欠です。社会的行動/相互作用、コミュニケーション、反復行動、刺激に対する反応性の欠損などの異常を検出することを可能にする、いくつかの行動技術が長年にわたって登場してきました。さらに、これらの行動手法のいくつかの修正とアップグレードは、アップスケーリング、アッセイの自動化、読み出し、定量、比較方法などの特定の要件に合わせて、さまざまなラボで行われています。このビデオ記事では、5つの行動パラダイムの最も基本的なバージョンが示されており、それらを組み合わせることで、ASDのような行動結果を最も簡単な方法で検出できます。

攻撃性は、生存と生殖に影響を与える進化的に保存された生来の行動です²⁴。同種に対する攻撃的な行動は、「社会化の動機」^25,26および「コミュニケーション」²⁷の影響を受け、どちらもASDの影響を受けた個人では損なわれます。攻撃的な行動はショウジョウバエによく記載されており、堅牢な攻撃性アッセイ28,29,30およびよく理解された遺伝的および神経生物学的基礎³¹を通じてその定量化可能性は、ハエモデルにおけるASD表現型を評価するための適切な行動パラダイム³²となる。攻撃性は、社会環境から離れた社会的孤立の影響を受け、それが攻撃性の強化につながります。オスのハエが数日間隔離されて飼育されている場合も同じことが観察されています^33,34。ハエの社会性を定量化する別の行動アッセイは、ハエの小グループにおける最も近い隣人とハエ間の距離を測定するソーシャルスペースアッセイ³⁵であり、ハエ12,21,36,37および環境的に誘発されたASDハエモデル³⁸におけるASD遺伝子オルソログの役割をテストするのに最適である。³⁹.

ショウジョウバエの求愛アッセイは、自閉症関連遺伝子18,19,21,40を含む、回路または遺伝子操作による社会的およびコミュニケーションスキルの変化をアッセイするために頻繁に使用される別の行動パラダイムです。ASD患者には反復的な行動パターンが一般的であり、ハエではグルーミング行動(清掃やその他の目的で行われる一連の明確なステレオタイプな行動)によって再現されます。これは、ハエ^21,41のASD遺伝子変異の影響、および化学物質^38,39への曝露の影響をアッセイするために成功裏に使用されています。アッセイの複数の進歩と自動化は^{、16,41,42,43}以前に説明されています。ここでは、最も基本的なアッセイパターンを示しており、これは採用と定量が容易です。

ASDは、一部の患者44,45,46,47,48,49,50、ASDモデル生物^51,52の慣れ、学習、および記憶の能力に影響を与えることが知られており、また、さまざまな嗅覚行動⁵⁰の欠損を引き起こします。ショウジョウバエのライトオフジャンプ慣れは、ASD遺伝子のスクリーニングに以前に使用されてきました²³。馴化は、嗅覚馴化アッセイ53,54,55の簡単な方法によってアッセイすることができる。我々は、嗅覚の慣れを誘導する方法を説明し、ASD遺伝子変異体または遺伝子ノックダウン状態における馴化の欠陥を検出するために使用できる古典的なY迷路ベースのバイナリ匂い選択アッセイ⁵⁶を使用して結果をアッセイする。突然変異(または遺伝子ノックダウン)または薬理学的治療がハエの行動に及ぼす影響がASD様表現型に相当するかどうかを評価するために、ここで説明するこれらの5つのアッセイを組み合わせて使用できます。