Парадигмы поведенческой оценки у дрозофилы Модель расстройства аутистического спектра

Расстройство аутистического спектра (РАС) включает в себя гетерогенную группу неврологических расстройств. Он включает в себя ряд сложных расстройств развития нервной системы, характеризующихся мультиконтекстуальными и стойкими дефицитами в социальной коммуникации и социальном взаимодействии, а также наличием ограниченных, повторяющихся поведенческих и активных моделей и интересов¹. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), у 1 из 100 детей во всем мире диагностируется РАС с соотношением мужчин и женщин 4,2². Болезнь становится очевидной на втором или третьем году жизни. Дети с РАС демонстрируют отсутствие интереса к социально-эмоциональной взаимности, невербальному общению и навыкам взаимоотношений. Они демонстрируют повторяющееся поведение, такое как стереотипные моторные движения, негибкое и ритуализированное следование рутине, а также интенсивное внимание к ограниченным интересам. Дети с РАС демонстрируют высокую степень реакции на прикосновение, обоняние, звук и вкус, в то время как реакция на боль и температуру^{сравнительно низкая}. Пенетрантность этого расстройства также различна у разных пациентов, страдающих аутизмом, и, следовательно, вариабельность увеличивается.

В настоящее время клинический диагноз РАС основан на поведенческой оценке индивидуумов, поскольку не существует подтверждающего, основанного на биомаркерах или общего генетического теста, который охватывал бы все формы РАС³. Расшифровка генетических и нейрофизиологических основ была бы полезна для определения стратегий лечения. За последнее десятилетие большое количество исследований привело к идентификации сотен генов, которые либо удалены, либо мутировали, или уровни экспрессии которых изменены у пациентов с РАС. Текущие исследования подчеркивают валидацию вклада этих генов-кандидатов с использованием модельных организмов, таких как мышь или плодовая муха, у которых эти гены нокаутируются или сбиваются с ног, после чего проводятся тесты на поведенческие дефициты, подобные РАС, и выясняются основные генетические и молекулярные пути, вызывающие аномалии. Мышиная модель, повторяющая вариации числа копий (CNV) в хромосомных локусах человека 16p11.2, показывает некоторые поведенческие дефекты РАС ^4,5,6. Пренатальное воздействие тератогенного препарата вальпроевой кислоты (VPA) является еще одной моделью мыши, демонстрирующей черты, напоминающие человеческие ASD ^7,8. Кроме того, существует ряд мышиных моделей, которые демонстрируют генетический синдром-ассоциированный аутизм, например, одногенные синдромные модели, вызванные мутациями в Fmr1, Pten, Mecp2, Cacna1c, и одногенные несиндромальные модели, вызванные мутациями в таких генах, как Cntnap2, Shank, Neurexin или Neuroligin ⁵.

Плодовая муха (Drosophila melanogaster) является еще одним известным модельным организмом для изучения клеточных, молекулярных и генетических основ множества заболеваний^{человека, включая} РАС. Дрозофилы и люди имеют общие высококонсервативные биологические процессы на молекулярном, клеточном и синаптическом уровнях. Плодовые мушки были успешно использованы в исследованиях РАС 10,11,12 для характеристики генов, связанных с РАС, и расшифровки их точной роли в синаптогенезе, синаптической функции и пластичности, сборке нейронных цепей и созревании; Было обнаружено, что гомологи генов, ассоциированных с РАС, играют роль в регуляции социального и/или повторяющегося поведения 11,13,14,15,16,17,18,19,20,21. Плодовая муха также работала в качестве модели для скрининга генов РАС и их вариантов 15,22,23. Самая большая проблема в исследованиях РАС на мухах заключается в том, что, в отличие от других моделей заболеваний, не существует единой модели мухи с РАС. Чтобы понять влияние мутаций или подавления определенного гена РАС, исследователь должен проверить, достаточно ли поведенческие фенотипы имитируют симптомы пациентов с РАС, а затем перейти к пониманию молекулярных или физиологических основ фенотипов.

Следовательно, обнаружение РАС-подобных фенотипов имеет жизненно важное значение для исследований РАС на модели мухи. За эти годы появилось несколько поведенческих методов, которые позволяют нам обнаруживать аномалии, такие как дефицит социального поведения/взаимодействия, общения, повторяющегося поведения и реакции на раздражители. Кроме того, в различных лабораториях было внесено несколько модификаций и обновлений этих поведенческих методов в соответствии с конкретными требованиями, такими как масштабирование, автоматизация анализов, считывание, количественная оценка и методы сравнения. В этой видеостатье демонстрируются самые основные версии пяти поведенческих парадигм, которые в сочетании могут быть использованы для выявления поведенческих исходов РАС самым простым способом.

Агрессия – это эволюционно консервативное врожденное поведение, влияющее на выживание и размножение^. На агрессивное поведение по отношению к сородичам влияет «мотивация к социализации»^25,26, а также «общение»²⁷, которые скомпрометированы у людей с РАС. Агрессивное поведение хорошо описано у дрозофилы, а его количественная оценка с помощью надежного анализа агрессии 28,29,30 и хорошо изученная генетическая и нейробиологическая основа ³¹ делают его подходящей поведенческой парадигмой³² для оценки фенотипа РАС на модели мухи. На агрессию влияет социальная изоляция вдали от социальной среды, что приводит к усилению агрессии; То же самое наблюдалось, когда самцы мух содержались в изоляции в течение нескольких дней^33,34. Еще одним поведенческим анализом, который количественно оценивает общительность у мух, является Social Space Assay³⁵, который измеряет расстояния между ближайшими соседями и расстояния между мухами в небольшой группе мух, что делает его идеально подходящим для проверки роли ортологов гена ASD у мух 12,21,36,37^, а также у моделей мух с РАС, вызванных окружающей средой^{38. 39}.

Тест на ухаживание дрозофилы является еще одной поведенческой парадигмой, часто используемой для анализа на изменение социальных и коммуникативных навыков при круговых или генетических манипуляциях, включая гены, связанные с аутизмом 18,19,21,40. Повторяющиеся модели поведения преобладают у пациентов с РАС, которые повторяются у мух путем груминга — серии отчетливых, стереотипных действий, выполняемых для уборки и других целей. Он был успешно использован для анализа влияния мутаций гена РАС у мух ^21,41, а также воздействия химических веществ ^38,39. Многочисленные усовершенствования и автоматизация в анализе были описаны ранее 16,41,42,43; Здесь мы демонстрируем самую простую схему анализа, которую легко принять и количественно оценить.

Известно, что РАС влияет на способность к привыканию, обучению и памяти у некоторых пациентов 44,45,46,47,48,49,50, модельные организмы ^{РАС 51,52}, а также вызывает дефицит различного обонятельного поведения⁵⁰. Привыкание дрозофил к прыжку при выключении света ранее использовалось для скрининга генов РАС²³. Привыкание может быть измерено простым методом анализа обонятельного привыкания 53,54,55. Мы описываем метод индуцирования обонятельного привыкания и анализа результата с использованием классического бинарного анализа выбора запаха⁵⁶ на основе Y-лабиринта, который может быть использован для выявления дефектов привыкания при мутантном гене РАС или состоянии нокдауна гена. Чтобы оценить, является ли влияние мутации (или нокдауна гена) или фармакологического лечения на поведение мухи фенотипом, подобным РАС, можно использовать комбинацию этих 5 анализов, описанных здесь.