Стрессорные воздействия и когнитивная деятельность: поиск мишеней и общих механизмов с использованием мутантов дрозофилы

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

По современным представлениям биохимические каскады, активируемые в ответ на стрессорное воздействие, вносят вклад и в когнитивные функции – обучение и формирование памяти. Рассматривая условный рефлекс как адаптацию к внешней среде, можно предположить его возникновение как реакцию на внешние вызовы, которые при подкреплении способствуют формированию условной связи, а при отсутствии вызывают развитие стрессорной реакции. Метаболическая активность организма неразрывно связана с циркадными ритмами, которые определяют суточные колебания освещенности, температуры, содержания кислорода и магнитного поля. Интеграция перечисленных таймеров осуществляется белком семейства криптохромов (CRY), выполняющим функции рецептора голубого света и известного как репрессор главного циркадного транскрипционного комплекса CLOCK/BMAL1. В целях разработки способов неинвазивной коррекции патологий нервной системы на модельном объекте генетики – дрозофиле с использованием мутантных линий изучается взаимосвязь адаптивных механизмов формирования условной связи и развития стрессорной реакции на ослабление магнитного поля, гипоксическое и температурное воздействие. Данные обсуждаются в свете роли системы CRY/CLOCK/BMAL1 как связующего звена магниторецепции, гипоксии, регуляции циркадного ритма, когнитивных функций и двухцепочечных разрывов ДНК в нервных ганглиях (показателя физиологической активности нейронов).

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Д. М. Каровецкая

Российский государственный педагогический университет им. А. И. Герцена; Институт физиологии им. И. П. Павлова РАН

Email: 21074@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

А. В. Медведева

Институт физиологии им. И. П. Павлова РАН

Email: 21074@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург

Е. В. Токмачева

Институт физиологии им. И. П. Павлова РАН

Email: 21074@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург

С. А. Васильева

Российский государственный педагогический университет им. А. И. Герцена; Институт физиологии им. И. П. Павлова РАН

Email: 21074@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

А. В. Реброва

Российский государственный педагогический университет им. А. И. Герцена

Email: 21074@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург

Е. А. Никитина

Российский государственный педагогический университет им. А. И. Герцена; Институт физиологии им. И. П. Павлова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: 21074@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Б. Ф. Щеголев

Институт физиологии им. И. П. Павлова РАН

Email: 21074@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург

Е. В. Савватеева-Попова

Институт физиологии им. И. П. Павлова РАН

Email: 21074@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Лобашев М.Е., Савватеев В.Б. Физиология суточного ритма животных. М., Л.: Изд-во АН СССР, 1959. 259 с.
  2. Zatsepina O.G., Nikitina E.A., Shilova V.Y., Chuvakova L.N., Sorokina S., Vorontsova Yu.E., Tokmacheva E.V., Funikov S. Yu., Rezvykh A.P., Evgeniev M.B.// Cell Stress and Chaperones. 2021. V. 26. № 3. P. 575–594.
  3. Damulewicz M., Mazzotta G.M. // Front Physiol. 2020. V. 11. Art. 99.
  4. Agrawal P., Houl J.H., Gunawardhana K.L., Liu T., Zhou J., Zoran M.J., Hardin P.E. // Сurr Biol. 2017. V. 16. P. 2431–2441.
  5. Karki N., Vergish S., Zoltovski B.D. // Protein Science. 2021. V. 30. № 8. P. 1521–1534.
  6. Cusumano P., Damulewicz M., Carbognin E., Caccin L., Puricella V., Specchia M., Bozzetti P., Costa R., Mazzotta G.M. // Front Physiol. 2019. V. 10. Art. 133.
  7. Helfrich-Förster C. // Genes Brain Behav. 2005. V. 4. P. 65–76.
  8. Hermann-Luibl C., Helfrich-Förster C. // Curr. Opin. Insect Sci. 2015. V. 7. P. 65–70.
  9. Yoshii T., Ahmad M., Helfrich-Förster C. // PLoS Biol. 2009. V. 7. Art. 1000086.
  10. Shang Y., Haynes P., Pírez N., Harrington K.I., Guo F., Pollack J., Hong P., Griffith L.C., Rosbash M. // Nat Neurosci. 2011. V. 14. № 7. P. 889–895.
  11. Yamamoto Sh., Seto E.S. // Exp Anim. 2014. V. 63. № 2. P. 107–119.
  12. Tabuch M., Coates K.E., Bautista O.B., Zukowski L.H. // Front Neurol. 2021. V. 12. Art. 625369.
  13. Sitaraman D., Aso Y., Jin X. // Сurr Biol. 2015. V. 25. № 22. P. 2915–2927.
  14. Flyer-Adams J., Rivera-Rodriguez E.J., Yu J. Junwei Yu, Jacob D. Mardovin, Martha L. Reed, Leslie C. Griffith // J Neurosci. 2020. V. 40. P. 9066–9077.
  15. Fogle K., Parson K.G., Dahm N.A., Holmes T.C. // Science. 2011. V. 331. P. 1409–1413.
  16. Sitaraman D., Aso Y., Jin X. Rubin G.M.,Nitabach M.N. // Сurr Biol. 2015. V. 25. P. 2915–2927.
  17. Pokorny R., Klar T., Hennecke U., Carell T. // Proc Natl Acad Sci. 2008. V. 105. № 52. P. 21023–21027.
  18. Romero-Franco A., Checa-Rodríguez C., Maikel Castellano-Pozo M., Miras H., Wals A., Huertas P. // 22.01.2023 on bioRxiv preprint.
  19. Boutros S.W., Krenik D., Holden S., Vivek K. Unni, Raber J. // Oncotarget. 2022. V. 13. Р. 198–213.
  20. Никитина Е.А., Васильева С.А., Щеголев Б.Ф., Савватеева-Попова Е.В. // Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова. 2022. Т. 72. № 6. С. 783–799.
  21. Eichwald C., Walleczek J. // Biophysical Journal. 1996. V. 71. № 2. P. 623–631.
  22. Izmaylov A.F., Tully J.C., Frisch M.J. // Journal of Physical Chemistry A. 2009. V. 113. № 44. P. 12276–12284.
  23. Rodgers C.T., Hore P.J. // Proceedings of the National Academy of Sciences of USA. 2009. V. 106. № 2. P. 353–360.
  24. Kaushik R., Nawathean P., Busza A., Murad A., Emery P., Rosbash M. // PLoS Biology. 2007. V. 5. № 6. P. 1257–1266.
  25. Solov’yov I.A., Schulten K. // Biophys. J. 2009. V. 96. № 12. P. 4804–4813.
  26. Nikitina E.A., Medvedeva A.V., Gerasimenko M.S., Pronikov V.S., Surma S.V., Shchegolev B.F., Savvateeva-Popova E.V. // Neuroscience and Behavioral Physiology. 2018. V. 48. № 7. P. 796–803.
  27. Nikitina E.A., Medvedeva A.V., Zakharov G.A., Savvateeva-Popova E.V. // Acta Naturae. 2014. V. 6. № 2. P. 53–61.
  28. Borovac J., Bosch M., Okamoto K. // Mol Cell Neurosci. 2018. V. 91. P. 122–130.
  29. Misu S., Takebayashi M., Kei M. // Frontiers in Genetics. 2017. V. 8. Art. 27.
  30. Kamyshev N.G., Iliadi K.G., Bragina J.V. // Learning & Memory. 1999. V. 6. № 1. P. 1–20.
  31. Vasilieva S.A., Tokmacheva E.V., Medvedeva A.V., Ermilova A.A., Nikitina E.A., Shchegolev B.F., Surma S.V., Savvateeva-Popova E.V. // Cell and Tissue Biology. 2020. V. 14. № 3. P. 178–189.
  32. Mehta N., Cheng H.Y.M. // J. Mol. Biol. 2012. V. 425. № 19. P. 3609–3624.
  33. Savvateeva-Popova E.V., Zhuravlev A.V., Brázda V., Zakharov G.A., Kaminskaya A.N., Medvedeva A.V., Nikitina E.A., Tokmatcheva E.V., Dolgaya J.F., Kulikova D.A., Zatsepina O.G., Funikov S.Y., Ryazansky S.S., Evgen’ev M.B.// Front. Genet. 2017. V. 8. Art. 123.
  34. Sempere L.F., Sokol N.S., Dubrovsky E.B., Berger EM, Ambros V. // Dev. Biol. 2003. V. 259. № 1. P. 9–18.
  35. Weng R., Chin J.S.R, Yew J.Y. // eLife. 2013. V. 2. Art. e00640.
  36. Xue Y., Zhang Y. // BMC Neurosci. 2018. V. 19. № 1. https://doi.org/10.1186/s12868–018–0401–8
  37. Медведева А.В., Реброва А.В., Заломаева Е.С. // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 2022. T. 58. № 1. C. 34–42.
  38. Adel M., Griffith L.C. // Neuroscience Bulletin. 2021. V. 37. № 6. P. 831–852.
  39. Davis R.L., Zhong Y. // Neuron. 2017. V. 95. P. 490–503.
  40. Kasture A.S., Hummel T., Sucic S., Freissmuth M. // International Journal of Molecular Sciences. 2018. V. 19. Art. 1788.
  41. Suberbielle E., Sanchez P.E., Kravitz A.V. // Nature Neuroscience. 2013. V. 16. № 5. P. 613–621.
  42. Verheijen B.M., Vermulst M., van Leeuwen F.W. // Acta Neuropathologica. 2018. V. 135. № 6. P. 811–826.
  43. Ishikawa T., Matsumoto A., Kato T. Jr., Togashi S., Ryo H., Ikenaga M., Todo T., Ueda R., Tanimura T. // Genes Cells. 1999. V. 4. № 1. P. 57–65.
  44. Smith K.D., Fu M.A., Brown E.J. // Journal of Cell Biology. 2009. V. 187. № 1. P. 15–23.
  45. Thöni V., Oliva R., Mauracher D., Egg M. // Chronobiology International. 2021. V. 38. № 8. P. 1120–1134.
  46. Bozek K., Kiełbasa S.M., Kramer A., Herzel H. // Genomics & Informatics. 2007. V. 18. P. 65–74.
  47. Peek C., Levine D.C., Cedernaes J., Taguchi A., Kobayashi Y., Tsai S.J., Bonar N.A., McNulty M.R., Ramsey K.M., Bass J. // Cell Metab. 2017. V. 25. № 1. P. 86–92.
  48. Elhalel G., Price C., Fixler D., Shainberg A. // Scientific Reports. 2019. V. 9. № 1. Art. 1645.
  49. Vaughan M.E., Wallace M., Handzlik M.K. // Science. 2020. V. 23. № 7. Art. 101338.
  50. Hernansanz-Agustín P., Enríquez J.A. // Antioxidants. 2021. V. 10. № 3. Art. 415.
  51. Бучаченко А.Л. // Усп. химии. 2014. Т. 83. № 1. С. 1–12.
  52. Srinivas U.S., Tan B.W.Q., Vellayappan B.A., Jeyasekharan A.D. // Redox Biology. 2019. V. 25. Art. 101084.
  53. Caldecott K.W., Ward M.E., Nussenzweig A. // Nature Genetics. 2022. V. 54. P. 115–120.
  54. Caridi C.P., Plessner М., Grosse R., Chiolo I. // Nat Cell Biol. 2019. V. 21. № 9. P. 1068–1077.
  55. Xu Q., Huff L., Fujii M., Griendling K. // Free Radic Biol Med. 2017. V. 109. P. 84–107.
  56. Медведева А.В., Токмачева Е.В., Никитина Е.А., Васильева С.А., Заломаева Е.С., Савватеева-Попова Е.В. // Медицинский академический журнал. 2020. T. 20. № 4. C. 45–54.
  57. Movafagh Sh., Crooc S., Vo K. // J Cell Biochem. 2015. V. 116. № 5. P. 696–703.
  58. Wozny A.-S., Gauthier A., Alphonse G. // Cancers. 2021. V. 13. № 15. Art. 3833.
  59. Cheng L., Yu H., Yan N., Lai K., Xiang M. // Front. Cell. Neurosci. 2017. V. 11. Art. 20.
  60. Bellemer A. // Temperature (Austin). 2015. V. 16. P. 2227–2243.
  61. Gentile C., Sehodova H., Chen Ch., Stanewsky R. // Сurr Biol. 2013. V. 23. P. 185–195.
  62. Yoshii T., Hermann Ch., Helfrich-Forster Ch. // J Biol Rhithms. 2010. V. 25. № 6. P. 387–398.
  63. D’Amico-Damião V., Carvalho R F. // Front. Plant Sci. 2018. V. 9. Art. 1897.
  64. Kidd P B., Young M V., Siggia E D. // PNAS. 2015. V. 112. № 46. Р. 6284–6292.
  65. Москалев А.А., Малышева О.А. // Экологическая генетика. 2010. Т. 8. С. 67–80.
  66. Никитина Е.А., Комарова А.В., Голубкова Е.В. // Генетика. 2003. Т. 39. № 3. С. 341–348.
  67. Nikitina E.A., Kaminskaya A.N., Molotkov D.A., Popov A.V., Savvateeva-Popova E.V. // Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology. 2014. V. 50. № 2. P. 154–166.
  68. Никитина Е.А., Медведева А.В., Долгая Ю.Ф. // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 2012. Т. 48. № 6. С. 588–596.
  69. Doshi B., Hightower L.E., Lee J. // Cell Stress Chaperones. 2009. V. 14. P. 445–457.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Роль CRY в переключении молекулярных часов. Стрелки отражают влияние на процессы, описание которых изложено в тексте (адаптировано по Damulewicz, Mazzotta, 2020).

Скачать (201KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Система циркадных осцилляторных нейронов мозга дрозофилы: АД – антеннальные доли; ФГ – фасеточные глаза; Л – ламина; М – медула; ГТ – грибовидное тело; ЦК – центральный комплекс; ОЦ – оцелли; к-ВЛН – короткие вентро-латеральные нейроны; д-ВЛН – длинные вентро-латеральные нейроны; ДЛН – дорзо-латеральные нейроны; ДН – дорсальные нейроны; ЗЛН – задне-латеральные нейроны (адаптировано по Helfrich-Förster, 2005).

Скачать (161KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Схема влияния магнитного поля на радикальные пары, формирующиеся между FADH (восстановленный флавинадениндинуклеотид) и триптофаном в активном сайте молекулы CRY: S1 и S2 – неспаренные электронные спины, которые прецессируют в локальном магнитном поле, образованном наложением внешнего магнитного поля на собственные магнитные поля I1 и I2 ядерных спинов. Обратный перенос электронов от триптофана на FADH гасит активное состояние криптохрома при условии нахождения электронных спинов в синглетном состоянии (адаптировано по Solov’yov, Schulten, 2009).

Скачать (94KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Иммунохимический анализ ДЦР в нервных ганглиях личинок дрозофилы с помощью антител к Ser137-фосфо-H2Av: a – ядра DopLIMK- (подавление гена limk1 в допаминовых нейронах) в н. у.; б – ядра DopLIMK- после воздействия ОСМП; в – ядра DopLIMK + (ген limk1 функционирует); г – ядра DopLIMK + после воздействия ОСМП (по Медведева и др., 2022).

Скачать (396KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Гипотетическая схема влияния магнитного поля через магнитосенсор CRY. Стрелки отражают влияние на процессы, описание которых изложено в тексте.

Скачать (237KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Схематичное изображение взаимовлияния систем циркадного ритма и стрессорного ответа на гипоксию: АФК – активные формы кислорода, ДЦР – двухцепочечные разрывы. Стрелки отражают влияние на процессы, описание которых изложено в тексте.

Скачать (234KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Схема взаимосвязи системы циркадных ритмов и стрессорного ответа на температурный шок. БТШ – белки теплового шока. Стрелки отражают влияние на процессы, описание которых изложено в тексте.

Скачать (132KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Гипотетическая схема роли CRY: БТШ – белки теплового шока; АФК – активные формы кислорода; ДЦР – двухцепочечные разрывы; ГТ – грибовидные тела; ЦК – центральный комплекс. Стрелки отражают влияние на процессы, описание которых изложено в тексте.

Скачать (229KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024