Оценка активации мар-киназ и транскрипционных факторов у моллюсков ( helix ), обладающих разной способностью к обучению.
Р О С С И Й С К А Я А К А Д Е М И Я Н А У К
ИНСТИТУТ ФИЗИОЛОГИИ им. И.П. ПАВЛОВА
на правах рукописи
ХАРЧЕНКО
Ольга Анатольевна
Оценка активации МАР-киназ
и транскрипционных факторов у моллюсков (Helix), ОБЛАДАЮЩИХ РАЗНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ К ОБУЧЕНИЮ.
03.00.13- физиология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Cанкт-Петербург - 2008
Работа выполнена в лаборатории регуляции функций нейронов мозга в Институте физиологии им. И. П. Павлова РАН.
Научный руководитель: доктор биологических наук
Л. Н. Гринкевич
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор
Н. Г. Лопатина
(Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН);
доктор медицинских наук
И. И. Степанов
(Институт экспериментальной медицины РАМН).
Ведущая организация: Институт биологии развития РАН, Москва.
Защита диссертации состоится __19.06.08_ 2008 г. в _13.00_ часов на заседании Диссертационного Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 002.020.01 при Институте физиологии им. И. П. Павлова РАН (199034, г. Санкт-Петербург, наб. Макарова, 6).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Физиологии
им. И. П. Павлова РАН.
Автореферат разослан «___» _______________ 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
доктор биологических наук Н. Э. Ордян
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Выяснение молекулярно-генетических механизмов обучения и памяти является одной из основных задач фундаментальной нейробиологии. В последние годы было показано, что долговременные механизмы обучения определяются перестройками нейрональных сетей и увеличением эффективности синаптической передачи. При этом было выяснено, что формирование долговременных форм обучения невозможно без включения работы генома. В настоящее время в этой области ведется широкий фронт исследований. Обнаружен ряд белковых транскрипционных факторов (ТФ), регулирующих экспрессию генов, необходимых для формирования долговременной памяти, описаны некоторые пути их активации (Alberini et al., 1993; Martin et al., 1997; Davis et al., 2000). Однако в силу сложности устройства ЦНС, полученные сведения не столько решают проблему, сколько ставят все новые задачи.
Важнейшую роль в регуляции экспрессии генов играет митогенактивируемый протеинкиназный (МАРK/ERK, mitogen-activated protein kinase/extracellular signal-regulated kinase) каскад. Этот каскад контролирует процесс выживания нейронов, регенерацию отростков и синаптический спраутинг (Lauder, 1993; Kaplan, Miller, 2000). Дисфункция МАРK/ERK каскада является причиной ряда нейродегенеративных заболеваний (Einat et al. 2003; Kyosseva, 2004). Свое влияние на экспрессию генов ERK-киназы, являющиеся конечным звеном MAPK/ERK каскада, оказывают через фосфорилирование нескольких ДНК-связывающих транскрипционных факторов, в том числе TCF, SRF и CREB (Herdegen and Leah, 1998; Orban et al., 1999; Thomas and Huganir, 2004). Активация МАРK/ERK каскада осуществляется широким спектром биологически активных веществ: факторами роста, гормонами, медиаторами, в том числе серотонином. Известно, что серотонин играет важную роль, как в функционировании взрослого мозга, так и в его развитии (Gaspar et al., 2003). Последние 10 лет в ведущих лабораториях мира интенсивно проводятся исследования по изучению вклада МАРК/ERK каскада в формирование долговременной памяти (Martin et al., 1997; Atkins et al, 1998; Sananbenesi et al, 2003; Thomas, Huganir, 2004). Тем не менее, регуляторные пути его активации и нижележащие процессы изучены еще недостаточно. Неизученным остается вклад МАРК/ERK-каскада в формирование механизмов долговременной памяти в онтогенезе.
Важную роль в исследованиях молекулярно-клеточных основ памяти играют моллюски (Литвинов и др. 1979; Кэндел, 1980; Nolen, Сarew 1994; Martin et al., 1997; Balaban, 2002). Моллюски имеют относительно просто устроенную центральную нервную систему (ЦНС) с большим числом гигантских нейронов, которые относительно легко идентифицируются. В нашей стране начало исследований на моллюсках (в основном на Helix) было положено Х.С. Коштоянцем, Е.Н. Соколовым и Д.А. Сахаровым. К настоящему времени у этих животных изучен достаточно богатый поведенческий репертуар, в том числе несколько форм условных оборонительных рефлексов (Балабан, Захаров, 1992; Никитин и др. 1992; Balaban and Stepanov, 1996). Идентифицированы нейрональные сети, лежащие в дуге этих рефлексов. Найдены ключевые локусы пластичности (в частности, увеличение возбудимости командных нейронов оборонительного поведения). Показано, что при выработке условных оборонительных рефлексов происходит увеличение содержания нейроспецифических белков, и это увеличение коррелирует со степенью вовлечения нейронов в дугу изучаемого рефлекса (Гринкевич, 1980; 1989). Описана важная роль серотонина в формировании данного рефлекса (Балабан, Захаров, 1992) и возможные пути индукции серотонином внутриклеточных регуляторных каскадов (Гринкевич и др., 2001). Обнаружено, что в обучение вовлекается каскад транскрипционных факторов, регулирующих экспрессию генов через регуляторные элементы SRE, CRE и AP-1. Применение блокаторов вышележащих протеинкиназ показало, что активация данных ТФ связана с МАРK/ERK каскадом (Гринкевич, Васильев, 1999; Гринкевич и др., 2001). Кроме того, у ювенильных животных, с незрелыми механизмами условных оборонительных рефлексов наблюдаются значительные различия в составе транскрипционных комплексов, регулирующих экспрессию генов через регуляторный элемент SRE. Так как индукция экспрессии генов через элемент SRE, МАРК–зависима, высказано предположение о важной роли этого каскада в формировании условных оборонительных рефлексов (Гринкевич и др., 2001). В связи с этим представлялось необходимым провести комплексные исследования экспрессии и активации МАР-киназ ERK в ЦНС Helix при обучении.
Цель и задачи исследования. Целью исследования являлось выяснение молекулярных механизмов, дисфункция которых приводит к неспособности животных к выработке условных оборонительных рефлексов и роль МАР-киназных каскадов в этих процессах. В связи с этим задачи работы включали:
1. Выявление экспрессии МАР-киназы ERK в ЦНС моллюска Helix lucorum.
2. Изучение динамики экспрессии и активации МАР-киназы ERK при обучении в париетовисцеральных, педальных и церебральных комплексах ганглиев Helix, играющих различную роль в формировании условного оборонительного рефлекса пищевой аверзии.
3. Изучение влияния нейротоксина 5,7-ДОТ, вызывающего дисфункцию серотониновых нейронов и редуцирующего выработку условных оборонительных рефлексов на активацию МАР-киназы ERK в функционально-различных ганглиях Helix.
4. Изучение экспрессии и активации МАРK/ERK в отдельных идентифицированных нейронах виноградной улитки, играющих различную роль в формировании условного оборонительного рефлекса пищевой аверзии.
5. Исследование влияния серотонина на экспрессию и активацию МАРK/ERK в отдельных идентифицированных нейронах виноградной улитки, играющих различную роль в формировании рефлекса пищевой аверзии.
6. Сравнение экспрессии и активации МАРK/ERK в ЦНС взрослых и ювенильных животных с незрелыми механизмами формирования условных оборонительных рефлексов, подвергнутых процедуре обучения.
Положения, выносимые на защиту.
- В ЦНС Helix при обучении экспрессируется и активируется МАР-киназа ERK.
- Степень активации МАРK/ERK отражает степень участия функционально различных ганглиев и отдельных идентифицированных нейронов в формировании условного рефлекса пищевой аверзии.
- Дисфункция или незрелость серотонинэргической системы Helix, через дисфункцию внутриклеточного регуляторного каскада MAPK/ERK, определяет неспособность животных к формированию долговременных форм условных оборонительных рефлексов.
Научная новизна работы. Впервые показано, что в ЦНС у взрослых Helix экспрессируется MAP-киназа ERK и наблюдается ее значительная активация при выработке условного рефлекса пищевой аверзии. Степень активации МАРK/ERK в функционально разных ганглиях коррелирует со степенью их включения в дугу изучаемого рефлекса. Введение нейротоксина 5,7-ДОТ, вызывающего дисфункцию серотониновых терминалей и редуцирующего способность к выработке условных оборонительных рефлексов предотвращает активацию МАРK/ERK. Вышеприведенные данные свидетельствуют о важной роли серотонин-зависимой активации MAPK/ERK в формировании данного рефлекса. Впервые, при помощи микрохимического варианта метода Вестерн блот проведен анализ экспрессии и активации MAPK/ERK в отдельных идентифицированных нейронах при обучении. Показано, что максимальная степень активации MAPK/ERK наблюдается в командных нейронах оборонительного поведения ППа2/ППа3, являющихся основным пластическим звеном данного рефлекса, и в процеребруме, центральной обонятельной структуре, анализирующей информацию о запахах. Кроме того, впервые показано, что у ювенильных животных уровень активации МАРK/ERK крайне низок и, в отличие от взрослых, не активируется на ранних стадиях обучения. Исследования свидетельствуют о важной роли MAPK/ERK каскада в формировании долговременных форм пластичности оборонительного поведения.
Научно-практическая ценность. Полученные данные являются приоритетными и имеют важное теоретическое значение, так как позволяют глубже понять молекулярные механизмы лежащие в основе обучения и долговременной памяти. Прикладное значение имеют данные по возможности индукции MAPK/ERK каскада в изолированной ЦНС, что позволяет использовать ЦНС Helix в качестве тест-системы для скрининга биологически активных веществ, способных улучшить работу данного каскада, в частности, антидепрессантов.
Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на III съезде ВОГиС – Генетика в ХХI веке, Москва, 2004; I Съезде физиологов СНГ. Дагомыс, 2005; Международном симпозиуме “Механизмы адаптивного поведения”, СПб, 2005. На конференциях молодых ученых: X Пущинской школе-конференции, Пущино. 2006; «Человек и его здоровье», СПб, 2007; «Механизмы регуляции и взаимодействия физиологических систем организма человека и животных в процессах приспособления к условиям среды», СПб, 2007. ХХ Съезде Физиологического общества им. И.П. Павлова, Москва, 2007; II Съезде Общества клеточной биологии, СПб, 2007; Конференции «Системный контроль генетических и цитогенетических процессов», СПб, 2007; PENS/Hertie winter school, «The design of neuronal Networks: Contributions from Invertebrates», Austria, Obergurgl, 2008.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 статьи в рецензируемых журналах и 12 тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, главы с изложением методов, главы результатов, главы обсуждения результатов, выводов и списка литературы. Работа изложена на 132 страницах, иллюстрирована 24 рисунками. Список литературы содержит 332 источника.
ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Эксперименты выполнены на взрослых и ювенильных (2-х–3-х месячных) виноградных улитках Helix lucorum крымской популяции. В экспериментальных работах было использовано более 600 животных. При выполнении работы использовались реактивы фирм «Amersham» (ECL-система и антитела), «Cell Signaling» (антитела), «Serva» (реактивы для электрофореза), «Sigma» (ферменты и реактивы). В качестве модели обучения использовали условный рефлекс пищевой аверзии (условный стимул - морковь, безусловный – удар током 6 мА). Сочетания предъявляли с интервалом 15 мин. Перед обучением животных 3 суток содержали без корма. В качестве животных, обладающих плохой способностью к обучению, использовали улиток с дисфункцией серотонинергических терминалей. Это достигалось введением нейротоксина 5,7-диокситриптамина (5,7-ДОТ) в дозе 20 мкг на грамм веса животного. Введение нейротоксина осуществляли в два этапа с интервалом 6 дней. Животных брали в эксперимент спустя 7 дней после последней инъекции. В качестве контроля использовали животных, которым вводили физиологический раствор (нативные животные). После обучения (4-8 сочетаний) у улиток извлекали ЦНС; кластеры нейронов различных ганглиев (париетовисцерального, педального, церебрального), или идентифицируемые нейроны использовали для получения экстрактов.
Метод Вестерн блот-гибридизационного анализа применяли для изучения синтеза и/или активации МАР-киназ. Экстракты нервных клеток разделяли электрофорезом в 10% полиакриламидном геле (система Лэмли). Белки переносили на нитроцеллюлозные фильтры. Фильтры после проведения процедур, уменьшающих неспецифическую сорбцию, последовательно инкубировали в растворах, содержащих первичные и вторичные (конъюгированные с пероксидазой хрена) антитела. Визуализацию и количественный анализ связавшихся антител проводили с использованием хемолюминесцентного метода (система ECL, фирма Amersham) и компьютерной программы GelPro 3. Статистическая обработка проводилась с помощью программы STATISTICA6, методом Стьюдента и одно и двухфакторным анализом ANOVA. В работе использовали антитела к phospho-p44/p-42 MAP-киназам и тотальным формам p44/p42 MAPК (Cell Signaling Technology, USA), в разведениях: rabbit-anti-ERK (1:1000). Для анализа активации транскрипционного фактора Elk использовали первичные антитела к p-Elk-1 фирмы “Santa Cruz”. Вторичные антитела фирмы «Amersham» применяли в разведении 1:2000.
Метод обратной транскрипции и полимеразной цепной реакции (ОТ-ПЦР) применяли для исследования экспрессии MAPK/ERK у Helix на уровне синтеза м-РНК. Экстракцию РНК вели фенол-хлороформным методом. Контроль целостности и концентрацию РНК оценивали с помощью электрофореза в 1,5% агарозном геле. Полимеразную цепную реакцию проводили с использованием праймеров для MAPK/ERK (выбраны по высококонсервативным участкам последовательности МАР-киназы Aplysia californica (U40484). Прямая цепь 5'- CCGTT TGAAC ATCAG ACCTA; обратная цепь 3'- AACAT CTCTG CCAGG ATACA T).
Метод иммуноцитохимического анализа в модификации In Home использовали для оценки распределения в ЦНС улитки серотонинового рецептора SR-1A. Для этого из животных выделяли ЦНС, препарат фиксировали формалином (4%), обрабатывали проназой, снимали соединительно-тканные оболочки, затем инкубировали с TRITON (0,5%); 5% обезжиренным молоком; первичными антителами к рецептору SR-1A (Santa Cruz, rabbit, разведение 1:50) и вторичными антителами («Amersham» (ECL-система) разведение 1: 2500). Окрашивание осуществляли в 0,1% растворе DAB (диаминобензидин), в присутствии NiCl2 (Novocastra), H2O2 (0,03%). Далее препарат осветляли и фиксировали.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
1. Сравнительный анализ экспрессии MAPK/ERK в ЦНС виноградной улитки и высших позвоночных животных (крыса).
Так как MAP-киназа ERK у виноградной улитки не исследована, в качестве первой стояла задача выявить экспрессию этих киназ у Helix. Исследование экспрессии MAP-киназ ERK проводили на уровне синтеза м-РНК методом ОТ-ПЦР и на уровне синтеза белка методом Вестерн блот анализа. Было показано, что на уровне синтеза м-РНК в ЦНС виноградной улитки происходит значительная экспрессия MAP-киназ ERK (Рис.1).
Для оценки содержания и/или активацию МАР-киназ использовали антитела к тотальным и фосфорилированным формам MAPK/ERK. Фосфорилирование МАР-киназ ERK вышележащей МЕК-киназой вызывает их активацию. Исследования показали, что антитела к тотальным формам MAPK/ERK выявляют в ЦНС Helix одну полосу с молекулярным весом 42 kDa, которая равна подвижности ERK2 крысы (Рис. 2, А). Протеинкиназа ERK1 с молекулярным весом 44 kDa у улитки не обнаруживается. Антитела к фосфо-p44/p42 MAPK также выявляют только одну полосу MAPK/ERK2 (Рис. 2, Б).
Чтобы подтвердить специфичность связывания антител, провели пептид-связывающий контроль (peptide competition control). Как показано на рисунке 2 В, использование блокирующего пептида phospho-p44/42 MAPK (Thr 202/Tyr 204) (Cell Signalling) полностью предотвращает связывание антител. Этот результат подтверждает данные о специфичности сигнала p-ERK. Таким образом, проведенные эксперименты позволяют утверждать, что MAP-киназа ERK2 экспрессируется в ЦНС Helix lucorum и коммерческие антитела могут применяться для дальнейшего анализа ее содержания и активации.
2. Анализ экспрессии и активации МАР-киназ ERK в функционально различных ганглиях ЦНС виноградной улитки при обучении.
Исследования экспрессии и активации MAPK/ERK при обучении проводили в функционально различных ганглиях ЦНС улитки (париетовисцеральном, педальном и церебральном). В париетовисцеральном комплексе ганглиев локализованы нервные клетки, участвующие в организации оборонительного поведения, в том числе сенсорные, моторные и командные. По литературным данным (Балабан, Захаров, 1992) около 90% нейронов в этом ганглии реагируют на ноцицептивную стимуляцию. Удар электрическим током использовали в качестве безусловного стимула. Нейроны педального ганглия непосредственно не участвуют в замыкании дуги изучаемого рефлекса и осуществляют модуляторные функции. В церебральном ганглии осуществляется анализ сенсорной информации - обработка запахов, связанных с пищевыми стимулами, которые использовались нами в качестве условных.
2.1 Сравнительное изучение активации МАРK/ERK в париетовисцеральном комплексе ганглиев виноградной улитки при обучении.
Методом Вестерн блот-анализа с применением антител к тотальным и фосфорилированным формам МАР-киназ ERK1/2 показано, что в париетовисцеральном комплексе ганглиев детектируется значительное количество MAPK/ERK (рис.3, A).
Анализ активации МАРK/ERK спустя разные сроки после окончания процедуры обучения показал, что через 10 мин после обучения в этом ганглии происходит значительная активация МАРK/ERK каскада, что отражается в увеличении содержания фосфо-форм МАРK/ERK по сравнению с контролем (рис. 3 Б – темные столбики). Спустя 1 ч после обучения уровень фосфорилирования МАРK/ERK снижается, однако остается достоверно выше контрольного уровня. Через 2 ч после обучения уровень фосфорилирования падает ниже базального, снова увеличиваясь к 4 ч (рис. 3). Таким образом, при формировании условного рефлекса пищевой аверзии наблюдаются два пика активации МАРK/ERK (10/60 мин и 4 ч) и дезактивация ниже базального уровня спустя 2 ч после обучения.
Известно, что в формировании ассоциативных и неассоциативных форм обучения у моллюсков значительную роль играет серотонин. Этот медиатор опосредует передачу подкрепляющего ноцицептивного стимула и лежит в основе формирования механизмов сенситизации и условных оборонительных рефлексов (Балабан и Захаров, 1992; Шевелкин и др., 1997; Martin et al., 1997). Дисфункция синаптических терминалей серотонинергических нейронов препятствует развитию потенциации, сенситизации и условных оборонительных рефлексов у Helix (Балабан и Захаров, 1992; Малышев, 1997). В связи с этим группе улиток был введен нейротоксин 5,7-диокситриптамин (5,7-ДОТ), разрушающий серотонинергические терминали. Через 7 дней после последнего введения нейротоксина животных подвергали обучению. Далее методом Вестерн блот-анализа сравнивали активацию МАР-киназ ERK у животных, инъецированных физ. раствором, и у животных, которым вводили нейротоксин 5,7-ДОТ. Обнаружено, что разрушение серотонинергических терминалей не сказывается на базальном уровне синтеза МАРK/ERK (рис. 3). Однако введение 5,7-ДОТ приводит к значительному снижению активации МАРK/ERK спустя 10 мин после обучения по сравнению с обученными и инъецированными физ. раствором животными, что свидетельствует о важной роли серотонина в регуляции активации этого каскада на данных этапах обучения. Через 4 ч после обучения у 5,7-ДОТ-обработанных животных, как и у нативных обученных наблюдается рост содержания фосфо- МАРK/ERK.
Таким образом, введение 5,7-ДОТ, приводящее к снижению способности улиток к выработке условного рефлекса пищевой аверзии, приводит к драматическому снижению активации МАРK/ERK каскада на ранних этапах формирования этого рефлекса. [1]
2.2 Исследование содержания и активации МАРK/ERK в педальном комплексе ганглиев виноградной улитки при обучении.
Далее нами был проведен анализ активации МАРK/ERK спустя разные сроки после окончания процедуры обучения в педальном ганглии. Нейроны этого ганглия не входят в сеть оборонительного рефлекса и осуществляют модуляторные функции (Балабан и Захаров, 1992; Иерусалимский и др., 1992).
Из рис. 4 видно, что, в отличие от париетовисцерального комплекса ганглиев, в педальных ганглиях через 10 мин после обучения активации MAPK/ERK не наблюдается, а через 1 ч происходит даже падение. Спустя 2 ч, так же как и в париетовисцеральном комплексе, происходит достоверное снижение фосфорилирования MAPK/ERK ниже базального уровня, а спустя 4 ч также наблюдается увеличение. Введение животным нейротоксина 5,7-ДОТ достоверных отличий в уровне фосфорилирования MAPK/ERK не вызывает.
Полученные нами данные свидетельствуют о том, что при успешной выработке условного рефлекса пищевой аверзии в ЦНС виноградной улитки происходит значительная активация МАРK/ERK каскада, что подтверждает данные об участии МАР-киназ ERK в обучении, полученные на других видах животных (Silva et al, 1998; Herdegen and Leah, 1998; Kaminska et al, 1999; Davis et al., 2000; Thiels et al, 2002; Sananbenesi et al, 2003). Динамика активации МАРK/ERK носит волнообразный характер с пиками в 10/60 мин и 4 часа, что коррелирует с наличием 2 пиков экспрессии генов при обучении (Анохин, 1997).
Известно, что основными индукторами МАРK/ERK-каскада являются факторы роста, взаимодействующие с тирозинкиназными рецепторами (Kaplan and Miller, 2000). Однако этот каскад может также активироваться ПКА и кальцием (Kormhauser and Greenberg, 1997). Как отмечалось выше, в формировании оборонительных форм обучения у моллюсков, в том числе у Helix, значительную роль играет серотонин. При этом свое действие на механизмы пластичности серотонин оказывает через цАМФ-зависимый регуляторный путь (Martin et al, 1997; Гринкевич и др., 2001). Таким образом, первый пик активности МАР-киназ может индуцироваться серотонином. В пользу этого положения свидетельствуют наши данные по значительному снижению активации МАРK/ERK на ранних стадиях обучения в париетовисцеральном комплексе ганглиев при введении нейротоксина 5,7-ДОТ, вызывающего дисфункцию серотониновых терминалей и редуцирующего способность к данной форме обучения. Сходная картина активации МАРK/ERK наблюдается также в церебральном комплексе ганглиев, осуществляющих анализ сенсорной информации, о к пищевых стимулах, которые использовались нами в качестве условных. Так, спустя 10 мин после обучения уровень фосфорилирования ERK составлял 2,22±0,32 по отношению к контролю (который принят за 1) и уменьшался до 1,23±0,12 при введении 5,7-ДОТ (достоверно, р<0,01).
С другой стороны, известно, что CRE-зависимым путем МАРК каскады могут индуцировать экспрессию генов факторов роста (Xing et al, 1996; Finkbeiner et al, 1997; Xu Tao et al, 1998). При этом факторы роста, выделяясь во внеклеточное пространство, через тирозинкиназные рецепторы, способны осуществлять положительную обратную связь на активацию МАР-киназных сигнальных каскадов. Таким образом, факторы роста могут обеспечить активацию МАР-киназных каскадов спустя длительное время после обучения. Кроме того, при выработке данного рефлекса в качестве подкрепления мы использовали сильный сенситизирующий стимул – удар электрическим током. Поэтому не исключено влияние на формирование этого рефлекса и стресса. Действием стресса можно также объяснить и увеличение фосфорилирования МАРK/ERK спустя 4 ч после обучения у 5,7-ДОТ-обработанных животных. Один из механизмов положительного влияния стресса на обучение через синтез рецептора кортикотропин–рилизинг-фактора детально описан в работе (Sananbenesi et al, 2003). Авторы показали, что стресс-индуцируемое улучшение обучения связано с активацией МАРK/ERK.
Суммируя вышеизложенное, следует отметить, что активация МАРK/ERK в ранние сроки после обучения носит специфический характер и снимается при введении нейротоксина 5,7-ДОТ. В то время как увеличение активности этих киназ спустя 4 ч после обучения носит неспецифический характер и наблюдается как у обучившихся животных, так и у неспособных к выработке оборонительного рефлекса животных, подвергнутых обучению. Кроме того, активация МАР-киназ спустя 4 ч наблюдается как в париетовисцеральном, так и в педальных, и церебральных ганглиях. [В церебральном ганглии уровень фосфорилирования ERK составлял 3,0±0,25 по отношению к контролю, который принят за 1 (достоверно при р < 0,001)]. Активация МАРK/ERK спустя 4 ч, вероятно, отражает адаптивные механизмы, индуцируемые в ответ на подкрепляющий стимул. Таким образом, первый пик активации МАРK каскада может вызываться серотонин/цАМФ-зависимой индукцией, опосредующей подкрепляющий стимул, а второй – через положительную обратную связь вновь синтезируемыми факторами роста, взаимодействующими с тирозинкиназными рецепторами, а также пептидами или другими биологически активными соединениями.
Чтобы убедиться в специфичности эффекта активации MAPK/ERK мы вводили животным ингибитор MAP-киназного каскада PD 98059 (Cell Signaling) (40 мкМ), который предотвращает активацию MAPK/ERK через ингибирование вышележащей MEK-киназы.
Было показано, что введение PD 98059 ингибирует увеличение активации MAPK/ERK, вызванное обучением (F(1, 12)=6,2; p<0,03 между тренированными PD-обработанными животными и тренированными животными, которым вводили физиологический раствор с растворителем для PD 98059) (Рис. 5). Более того, инъекция животным MEK-ингибитора PD 98059 за 30 минут до обучения предотвращала выработку рефлекса пищевой аверзии (животных тестировали через 24 часа после обучения). У всех 7 животных, которым вводили PD 98059, рефлекс не вырабатывался.
2.3. Исследование функционирования МАРK/ERK-каскада в функционально различных нейронах ЦНС виноградной улитки при обучении.
Дальнейшее изучение экспрессии и активации МАР-киназ ERK проводили на функционально различных нейронах, связанных с формированием условного оборонительного рефлекса (нейроны процеребрума и командные нейроны оборонительного поведения).
Нейроны процеребрума (высшей обонятельной структуры наземных легочных моллюсков) участвуют в организации поведения, связанного с восприятием и обработкой запахов (Gelperin and Tank, 1990; Zakharov et al, 1998; Nikitin and Balaban, 2000; Inoue et.al, 2001). Как мы уже отмечали выше, в качестве условного стимула мы использовали морковь, запах которой привлекает животное. Командные нейроны оборонительного поведения вызывают генерализированную оборонительную реакцию и являются основным пластическим звеном данного рефлекса (Литвинов, Логунов, 1979; Balaban, 2002). Контролем служили нейроны пула Д, которые не входят непосредственно в дугу изучаемого оборонительного рефлекса, и группа Н (Рис.6). В экспериментах анализировали объединенные экстракты из командных нейронов левого париетального ганглия ЛПа2 и ЛПа3 (ЛПа(2/3)) и, независимо, сумму командных нейронов из правого париетального ганглия, ППа2 и ППа3 (ППа(2/3)). Кроме того, объединяли идентичные командные нейроны из 3-х улиток. Основываясь на данных предыдущих экспериментов, для исследования экспрессии и активации MAPK/ERK в функционально различных нейронах была выбрана временная точка 10 минут после обучения. Для анализа экспрессии и активации MAРK/ERK в отдельных нейронах был отработан метод микроварианта Вестерн блот анализа, который позволяет идентифицировать белки 3-4 нервных клеток.
Получено, что спустя 10 минут после обучения значительно возрастает активация MAPK/ERK в нейронах процеребрума, связанных с анализом запахов и в командных нейронах оборонительного поведения правого париетального ганглия ППа(2/3). Следует отметить, что в командных нейронах левого париетального ганглия, ЛПа(2/3), уровень активации MAPK/ERK почти не отличим от уровня контроля (1,01±0,18; p=0,95) (Рис. 7). В нейронах пула Д, которые не входят напрямую в дугу изучаемого рефлекса, достоверного увеличения активации MAPK/ERK не наблюдали. В группе Н уровень активации MAP-киназ ERK достоверно повышается. Функция этих нейронов пока остается невыясненной.
Таким образом, через 10 минут после обучения самые значительные изменения наблюдаются в нейронах, которые вовлечены в формирование оборонительного рефлекса пищевой аверзии: нейронах процеребрума и командных нейронах оборонительного поведения правого париетального ганглия ППа(2/3).
3. Влияние серотонина на активацию МАРK/ERK в идентифицируемых нейронах виноградной улитки.
С целью изучения вклада серотонинэргической системы в активацию MAPK/ERK в отдельных нейронах, участвующих в организации оборонительного поведения и обучении, провели исследования in vitro. Для этого ЦНС инкубировали в физиологическом растворе с добавлением серотонина (1X10-4M) в течение 3,5 часов. Известно, что длительная инкубация ЦНС моллюсков в данных концентрациях серотонина моделирует процесс долговременной сенситизации, лежащий в основе формирования оборонительных рефлексов. Чтобы убедиться в специфичности эффекта активации MAPK/ERK часть экспериментов проводили с добавлением ингибитора MAP-киназного каскада PD 98059 (Cell Signaling) (20 мкМ). (Рис. 8)
Из рисунка 8 видно, что наблюдается серотонин-индуцируемая активация MAPK/ERK в процеребруме (F(2,18)=14,05, p<0,01, ANOVA) и в командных нейронах оборонительного поведения правого париетального ганглия (ППа(2/3)), (F(2,13)=10,86, p<0,01, ANOVA). Активация снимается блокатором МAP-киназного каскада PD98059. В командных нейронах левого париетального ганглия (ЛПа(2/3)) активация MAPK/ERK практически не отличается от контроля (1,14±0,31; p<0,80), как и в нейронах пула Д (1,37±1,82; p=0,10). В группе Н увеличение выражено меньше, чем в процеребруме или командных нейронах ППа(2/3), но достоверно (F(2,15)=6,16, p<0,01, ANOVA). Таким образом, серотонин-индуцируемая активация MAPK/ERK наблюдается в различных функциональных группах нейронов и сходна с активацией MAP-киназ в этих нейронах при формировании условного рефлекса пищевой аверзии.
4. Сравнение активации MAPK/ERK при обучении ювенильных и взрослых Helix.
В следующей серии экспериментов был проведен сравнительный анализ экспрессии и активации MAPK/ERK после обучения у взрослых и ювенильных (2-3 месячных) животных. Известно, что улитки в этом возрасте не способны к выработке условных оборонительных рефлексов (Zakharov and Balaban, 1987). Сравнение экспрессии и активации ERK в париетовисцеральном комплексе ганглиев взрослых и ювенильных животных проводили спустя 10 минут, 1 час, 2 час или 3,5 часа после обучения (Рис. 9). В качестве контроля использовали наивных животных. Так как ганглии ювенильных животных малы, их объединяли по два в каждом образце.
Обнаружили, что базальная экспрессия ERK у ювенильных и взрослых животных сходна. Однако уровень активации ERK у этих групп животных существенно отличался (рис. 9). По результатам двухфакторного анализа ANOVA (возраст (2)*время (5)) обнаружены достоверные отличия по возрасту (F(1, 68)=158, p<<0,001), по времени (F(4, 68)=7,1, p<<0,001) и эффекту взаимодействия (F(4, 68)=7,2, p<<0,001). У наивных ювенильных животных уровень активации ERK по сравнению с наивными взрослыми существенно ниже (F(1, 21)=19; p<0,001). Более того, активация ERK в ЦНС взрослых животных значительно возрастает через 10 минут и через час после обучения, по сравнению с наивными взрослыми F(1, 12)=15, p<0,003 и F(1, 12)=10; p<0,008, соответственно. В то время как у ювенильных улиток повышение уровня активации ERK при обучении спустя 10 минут и 1 час не происходит (рис. 9).
Таким образом, недостаток активации MAPК/ERK в ЦНС, через нарушение экспрессии генов, необходимых для формирования долговременных механизмов пластичности, может определять неспособность ювенильных животных к выработке оборонительных рефлексов.
5. Анализ активации транскрипционного фактора Elk-1 при формировании условного оборонительного рефлекса пищевой аверзии в париетовисцеральном ганглии Helix, у животных с нормальной и нарушенной способностью к обучению.
Как отмечалось выше, МАР-киназы осуществляют регуляцию экспрессии генов через фосфорилирование (активацию) ряда транскрипционных факторов, в том числе, связывающихся с регуляторным элементом SRE (Dash et al, 2005). Кроме того, при обучении взрослых Helix, происходит активация транскрипционных факторов, связывающихся с данным регуляторным элементом. У ювенильных животных с незрелыми механизмами формирования условных оборонительных рефлексов спектр ТФ, связывающихся с элементом SRE, отличен от взрослых, и активация не происходит (Гринкевич и др., 2002). Одним из ТФ, активирующим экспрессию генов через элемент SRE, является ТФ Elk-1. Поэтому представлялось актуальным провести сравнительные исследования активации транскрипционных факторов Elk-1 у животных с разной способностью к обучению (наивных животных; животных, которым вводили нейротоксин 5,7-диокситриптамина (5,7-ДОТ), а также у ювенильных животных). Для изучения экспрессии и активации факторов Elk-1 применяли метод Вестерн блот анализа с использованием антител к тотальным и фосфорилированным формам белка Elk-1. Исследование показало, что при обучении взрослых животных не наблюдается увеличение фосфорилирования Elk-1 по сравнению с контролем. Однако, у 5,7-ДОТ- обработанных и ювенильных животных, подвергнутых процедуре обучения, происходит значительное угнетение активации Elk-1 по сравнению с взрослыми обученными и наивными животными (Взрослые обученные: 0,76±0,19; наивные 1±0,12. Обученные 5,7-ДОТ-обработанные: 0,41±0,22; ювенильные: 0,06±0,26. Контроль принят за 1, p<0,05). При этом, у ювенильных животных, как и у 5,7-ДОТ-обработанных, базальный уровень синтеза и фосфорилирования белков Elk-1 достоверно не отличается. Полученные данные свидетельствуют в пользу того, что способность животных к формированию долговременных форм условных оборонительных рефлексов коррелирует с уровнем фосфорилирования ТФ Elk-1. Низкий уровень активации Elk-1 у 5,7-ДОТ-обработанных и ювенильных животных частично может быть связан с недостаточной активацией или дезактивацией MAPK/ERK каскада. Дезактивация MAPK/ERK-каскада у этих животных описана нами в предыдущих разделах. Кроме того, в дезактивации p-Elk возможно участие фосфатаз.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
В современной нейробиологии большое внимание уделяется изучению механизмов пластичности, лежащих в основе формирования долговременных механизмов обучения и памяти. В последние годы широко исследуется роль внутриклеточных регуляторных каскадов и нижележащих транскрипционных факторов, регулирующих экспрессию генов, продукты которых непосредственно вовлекаются в пластические перестройки. Таким образом, комплексные исследования регуляции активации MAPK/ERK каскада, проведенные на простой нервной системе моллюска Helix являются актуальными.
Полученные нами данные о значительной и избирательной индукции MAPK/ERK в отдельных областях ЦНС и отдельных идентифицированных нейронах Helix, свидетельствуют о важной роли MAPK/ERK каскада в механизмах пластичности. Подтверждением специфичности связи активации MAP-киназы ERK с обучением являются наши данные об отсутствии активации MAPK/ERK каскада у животных с дисфункцией серотонинэргических терминалей (введение нейротоксина 5,7-ДОТ), неспособных к формированию оборонительных рефлексов, у животных, которым вводили ингибитор MAP-киназ ERK PD 98095, а также ювенильных животных. Кроме того, результаты введения 5,7-ДОТ позволяют сделать вывод о важной роли серотонина в индукции активации MAPK/ERK каскада. Этот вывод также подтверждают наши данные по отсутствию активации MAP-киназы ERK у ювенильных животных, подвергнутых обучению, так как в настоящее время неспособность ювенильных животных к формированию ассоциативных и неассоциативных форм оборонительных рефлексов связывают с незрелостью серотонинэргической системы. Однако остается неизвестным, с пресинаптическим, или постсинаптическим звеном трансдукции серотонинового сигнала связаны эти явления. Дальнейшие сравнительные исследования состава и содержания серотониновых рецепторов в ЦНС взрослых и ювенильных животных, начатые нами, представляются перспективными.
Известно, что мишенями MAPK/ERK являются транскрипционные факторы, регулирующие экспрессию генов через регуляторные элементы SRE, CRE и нижележащие транскрипционные факторы семейства AP-1, и активация этих факторов происходит при обучении Helix (Гринкевич, 2001). Таким образом, низкий уровень активации MAPK/ERK у 5,7-ДОТ-обработанных и ювенильных животных, через нарушение экспрессии нижележащих генов может лежать в основе неспособности животных к формированию долговременных форм оборонительных рефлексов.
ВЫВОДЫ
- В ЦНС виноградной улитки экспрессируется МАР-киназа ERK2 с ММ 42 кДА. При выработке условного оборонительного рефлекса пищевой аверзии наблюдается активация МАРK/ERK каскада. Разные сроки формирования данного рефлекса характеризуются разным уровнем активации МАР-киназ ERK. Причем, в ганглиях (париетовисцеральном, церебральном и педальном), играющих разную роль в формировании этого рефлекса, степень активации МАРK/ERK каскада различна.
- Значительные различия в активации МАРK/ERK каскада при обучении наблюдаются также в функционально-отличных идентифицированных нейронах Helix. Максимальная активация MAPK/ERK наблюдается в нейронах процеребрума, анализирующих информацию о запахах (условный стимул), и командных нейронах оборонительного поведения ППа(2/3) (основное пластическое звено данного рефлекса). При этом инкубация ЦНС с модуляторным медиатором серотонином вызывает однонаправленную с обучением активацию МАРK/ERK в исследуемых нейронах Helix.
- Введение нейротоксина 5,7-ДОТ, вызывающего дисфункцию серотониновых терминалей и редуцирующего способность к данной форме обучения, приводит к значительному снижению активации МАР-киназ ERK на ранних стадиях обучения, что свидетельствует о важной роли серотонина в индукции этого каскада.
- Активация МАРK/ERK каскада спустя 4 часа после обучения наблюдается во всех ганглиях, как у нативных, так и у 5,7-ДОТ-обработанных животных, что, вероятно, связано с включением неспецифических адаптивных процессов в ответ на сенситизирующий безусловный стимул.
- У ювенильных животных с незрелыми механизмами условных оборонительных рефлексов отмечается драматично низкий уровень фосфорилирования и соответственно активации МАРK/ERK по сравнению с взрослыми, в то время как уровень экспрессии этих киназ сравним. В отличие от взрослых животных обучение не индуцирует МАРK/ERK каскад в ЦНС ювенильных улиток спустя 10 мин и 1 час после процедуры обучения.
- Серотонин-индуцируемый MAPK/ERK каскад играет существенную роль в формировании условного оборонительного рефлекса пищевой аверзии у моллюска Helix lucorum.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи:
- Гринкевич Л.Н., Лисачев П.Д., Гудзик К.А., Гринкевич В.В., Харченко О.А. Сравнительный анализ активации транскрипционного фактора семейств ELK-1 в ЦНС животных, обладающих разной способностью к обучению. // Доклады Академии Наук. 2004.-Т. 397, №2.- С. 275-278.
- Гринкевич Л.Н., Лисачев П.Д., Баранова К.А., Харченко О.А. Сравнительный анализ активации МАР/ERK в ЦНС животных, обладающих разной способностью к обучению. // Российский физиологический журнал им. Сеченова, 2006.- T.92, №5.- С. 536-545. [Переведено. Comparative analysis of the activation of MAP/ERK kinases in the CNS of animals with different learning abilities. Neurosci Behav Physiol. 2007.- 37(7).-P.715-20]
- Grinkevich L.N., Lisachev P.D., Kharchenko O.A., Vasil'ev G.V., Expression of MAP/ERK kinase cascade corresponds to the ability to develop food aversion in terrestrial snail at different stages of ontogenesis, Brain Res. 2008.- №1187.-P.12-19.
Тезисы:
- Гринкевич Л.Н, Лисачев П.Д., Васильев Г.В., Гудзик К.А., Харченко О.А. Регуляция экспрессии генов в нейронах центральной нервной системы HELIX при обучении. // Тез. докл. III съезда ВОГиС. Генетика в ХХI веке: современное состояние и перспективы развития. Москва, 2004.- С. 381.
- Харченко О.А., Баранова К.А. Дисфункция серотониновых терминалей нейронов ЦНС взрослых улиток нарушает способность к формированию условных оборонительных рефлексов через ингибирование МАР/ERK киназного регуляторного каскада. // Тез. докл. всероссийской конференции молодых исследователей, «Физиология и медицина». Вестник молодых ученых. 2005.- С. 130.
- Харченко О.А., Лисачев П.Д., Баранова К.А., Гринкевич Л.Н. Роль серотонина в формировании условного оборонительного рефлекса у Helix (молекулярно-генетические аспекты). // Тез. докл. I Съезда физиологов СНГ. Сочи, Дагомыс. 2005.- С. 46-47.
- Харченко О.А., Баранова К.А., Лисачев П.Д, Гринкевич Л.Н. Серотонин-индуцированная активация МАР/ERK киназного регуляторного каскада лежит в основе формированию условных оборонительных рефлексов пищевой аверзии у HЕLIX. // Тез. докл. международного симпозиума «Механизмы адаптивного поведения». СПб, 2005.- С. 97-98.
- Гринкевич Л.Н., Лисачев П.Д., Баранова К.А., Харченко О.А. Роль МАР/ERK киназного каскада в регуляции экспрессии генов при обучении (онтогенетические аспекты). // Тезисы международного симпозиума «Механизмы адаптивного поведения». СПб, 2005.- С. 26-27.
- Харченко О.А., Баранова К.А. Ключевая роль серотонина в индукции MAP/ERK киназного каскада и способности к обучению у Helix. // Тез. докл. X Пущинской школы-конференции молодых ученых. Пущино, 2006.- С. 171.
- Харченко О.А., Воробьева О.В. Серотонин индуцирует митоген-активируемый (MAP/ERK) киназный каскад в командных нейронах оборонительного поведения у Helix. // Тез. докл. 10-ой Всероссийской медико-биологической конференции молодых исследователей «Человек и его здоровье». СПб, 2007.- С. 485-486.
- Гринкевич Л.Н., Харченко О.А., Лисачев П.Д. Роль митоген-активируемых каскадов в формировании механизмов пластичности. // Тез. докл. ХХ Съезда Физиологического общества им. И.П. Павлова. Москва, 2007. С. 31.
- Харченко О.А., Гринкевич Л.Н. Формирование условного оборонительного рефлекса пищевой аверзии у Helix (роль серотонина). // Тез. докл. конференции молодых ученых, «Механизмы регуляции и взаимодействия физиологических систем организма человека и животных в процессах приспособления к условиям среды».СПб, 2007.-С.79.
- Гринкевич Л.Н., Харченко О.А., Лисачев П.Д. Внутриклеточная сигнализация в механизмах формирования долговременной памяти. // Тез. докл. II Съезда Общества клеточной биологии. СПб, 2007. С. 735.
- Харченко О.А., Воробьева О.В., Гринкевич Л.Н. Формирование условного рефлекса пищевой аверзии сопровождается разной степенью активации MAP/ERK-киназного каскада в идентифицированных нейронах HELIX. // Тез. докл. конференции «Системный контроль генетических и цитогенетических процессов», посвященной 100-летию со дня рождения М. Е. Лобашева. СПб, 2007.- С. 94-95.
- Kharchenko O.A., Grinkevich L.N. Activation of serotonin-indused MAP/ERK regulatory cascade in different ganglia and identified neurons of Helix CNS during learning. // PENS/Hertie winter school, «The design of neuronal Networks: Contributions from Invertebrates». Obergurgl, Austria, 2008.
Работа проводилась при частичной финансовой поддержке грантов РФФИ № 02-04-49731 и № 08-04-01325.
[1] — Экспериментальные данные по разделам 2.1 и 2.2 получены совместно с к.б.н. П.Д. Лисачевым и студенткой магистратуры К.А. Барановой.
