Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по биологии
На правах рукописи
НАУМЕНКО Владимир Сергеевич
СЕРОТОНИНОВЫЕ РЕЦЕПТОРЫ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МЕЖРЕЦЕПТОРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ПЛАСТИЧНОСТИ СЕРОТОНИНОВОЙ СИСТЕМЫ МОЗГА, ТЕРМОРЕГУЛЯЦИИ И РЕГУЛЯЦИИ ПОВЕДЕНИЯ
03.03.01Ц физиология
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук
Новосибирск 2012
Работа выполнена в Лаборатории нейрогеномики поведения Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук, г. Новосибирск
Научный консультант: д.м.н., проф. Попова Н.К.
Официальные оппоненты: член-корреспондент РАН доктор биологических наук, профессор Дыгало Н.Н.
ФГБУ Институт цитологии и генетики СО РАН, г. Новосибирск доктор биологических наук, профессор Идова Г.В.
ФГБУ Институт физиологии СО РАМН, г. Новосибирск доктор биологических наук, профессор Гуляева Л.Ф.
ФГБУ Институт молекулярной биологии и биофизики СО РАМН, г. Новосибирск Ведущее учреждение: Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова
Защита состоится ______________________ 2012 г. в________ на заседании диссертационного совета Д 001.014.01 при ФГБУ НИИ Физиологии СО РАМН (630017, г. Новосибирск, ул. Тимакова, 4)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ НИИ Физиологии СО РАМН Автореферат разослан ___________________ 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук Бузуева И.И.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Понимание механизмов нормального и патологического поведения человека представляет собой одну из актуальных проблем современной нейробиологии и медицины. Тревожность и депрессия являются самыми распространенными среди психических расстройств и значительно снижают качество жизни (The European Health Report, 2005), а агрессивность лежит в основе резко нарастающего во всем мире асоциального и криминального поведения (World Report of Violence and Health, 2002).
Одной из ключевых и фундаментальных проблем нейробиологии является выявление пути от гена к поведению. Не вызывает сомнения ключевая роль в этом пути основных регуляторов поведения - нейромедиаторов мозга. Гены, вовлеченные в регуляцию синаптической передачи, в настоящее время рассматриваются как геныкандидаты, обуславливающие наследственные особенности поведения.
Одним из классических медиаторов мозга, регулирующих различные виды поведения и физиологические процессы, является серотонин (5-НТ) (Попова и др., 1978; Jacobs, Fornal, 1995; Lucki, 1998). Поразительная полифункциональность серотонина обусловлена, прежде всего, наличием многочисленных рецепторов, опосредующих воздействие этого медиатора на нейроны (Saudou and Hen, 1994;
Попова, Куликов, 2003).
В настоящее время идентифицировано 14 типов 5-НТ рецепторов, экспрессирующихся в мозге млекопитающих. Эти рецепторы были классифицированы в 7 типов, принадлежащих к двум суперсемействам (Saudou, Hen, 1994; Barnes, Sharp, 1999). Почти все 5-НТ рецепторы принадлежат к суперсемейству метаботропных рецепторов, реализующих свое действие через сопряженный Gбелок, и только 5-НТ3 рецептор является ионотропным рецептором. Наиболее изученными являются 5-НТ1А рецепторы. Хорошо известна роль 5-НТ1А рецепторов в ауторегуляции активности серотониновых нейронов и секреции нейротрансмиттера (Barnes, Sharp, 1999). Имеются доказательства их участия в развитии депрессивных психозов (Maes, Meltzer, 1995), механизмах действия большинства известных антидепрессантов (Borsini, 1994; Blier, de Montigny, 1994) и анксиолитиков (De Vry et al., 1995; Handley, 1995). Имеется множество данных о вовлечении 5-НТ1А рецепторов в терморегуляцию (Hjorth, 1985; Goodwin et al., 1987), регуляцию сна (Попова и др., 1985; Августинович, 1987), агрессивного поведения (Olivier et al., 1995; de Boer et al., 1999; Pruus et al., 2000) и каталепсии (Kulikov et al., 1993; Neal-Beliveau et al., 1993).
Гораздо меньше сведений о роли 5-НТ2А рецепторов мозга. Показана связь 5НТ2А рецепторов с механизмами психопатологии (Rajewska-Rager et al., 2008; Chen et al., 2009; Pandey et al., 2010; Rasmussen et al., 2010) и с чувствительностью к нейролептикам (Rasmussen et al., 1999). Выявлено участие 5-НТ2А рецепторов в регуляции половой мотивации (Popova, Amstislavskaya, 2002), питьевом поведении (Науменко и др., 2001) и каталепсии (Kulikov et al., 1995a; Popova, Kulikov, 1995).
Практически ничего не известно о роли 5-НТ2А рецепторов в ауторегуляции серотониновой системы мозга.
Сведений о роли других 5-НТ рецепторов в ауторегуляции серотониновой системы мозга и регуляции поведения мало, а существующие результаты противоречивы. Отрывочны также сведения о функциональном взаимодействии разных типов рецепторов и оставалось практически неизвестным как сочетаются разные типы рецепторов в регуляции физиологических функций и поведения, существует ли связь между рецепторами и генами, контролирующими серотониновую систему мозга. Так, не вызывает сомнения вовлечение серотонина в терморегуляцию, как фактора снижающего температуру тела, (Andersson et al., 1966), однако какими рецепторами опосредуется гипотермический эффект серотонина до сих пор оставалось неизвестным. Имеется несколько противоречивых работ, свидетельствующих о возможном влиянии 5-НТ3 и 5-НТ7 рецепторов на температуру тела (Mazzola-Pomietto, 1995; Kandasamy, 1997; Martin et al., 2000;
Guscott et al., 2003; Hedlung et al., 2003). Достоверно показана только роль 5-НТ1А рецепторов в механизмах терморегуляции (Hjorth, 1985; Goodwin et al., 1987;
Overstreet et al., 1996). В то же время практически ничего не известно о вовлечении 5-НТ1А рецепторов в механизмы естественной гипотермии млекопитающих.
Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования было изучение роли 5-НТ рецепторов, функциональных межрецепторных взаимодействий и рецептор-зависимой регуляции экспрессии ключевых генов серотониновой системы мозга в ауторегуляции 5-НТ системы мозга, терморегуляции и регуляции поведения.
В связи с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:
1. Исследовать участие 5-НТ рецепторов в процессах ауторегуляции 5-НТ системы мозга и выявить, существуют ли функциональные взаимодействия между 5-НТ рецепторами и ключевыми генами 5-НТ системы мозга;
2. Изучить участие 5-НТ1А, 5-НТ3 и 5-НТ7 рецепторов в механизмах терморегуляции;
3. Исследовать участие 5-НТ1А рецепторов в механизмах сопровождающейся глубокой гипотермией зимней спячки;
4. Изучить участие 5-НТ рецепторов в генетической предрасположенности к альтернативным видам защитного поведения - каталепсии и защитнооборонительной агрессии;
5. Исследовать роль 5-НТ системы мозга в антидепрессивном эффекте BDNF.
Научная новизна работы. Впервые определена последовательность нуклеотидов фрагмента гена, кодирующего 5-НТ1А рецептор в мозге зимоспящих сусликов и обнаружена уникальная трехнуклеотидная инсерция, соответствующая вставке аминокислоты глицин в третью цитоплазматическую петлю 5-НТ1А рецептора, отличающая зимоспящих сусликов от незимоспящих животных (собака, лошадь, горилла, макака, кролик, шимпанзе, орангутанг, тупайа, волк, бык, мышь, крыса, свинья, человек (Ensembl Genome Browser,
EMBL-EBI Database, Показано участие 5-НТ1А рецепторов в механизмах сопровождающейся глубокой гипотермией зимней спячки сусликов.
Впервые показано, что селекция на пониженную агрессивность по отношению к человеку сопровождается повышением функциональной активности 5-НТ1А и 5НТ2С рецепторов и экспрессии 5-НТ1А и 5-НТ2С генов.
Впервые выявлена связь между генетической предрасположенностью к каталепсии с повышением функциональной активности 5-НТ1А рецепторов и снижением функциональной активности 5-НТ2А рецепторов, сочетающимся со снижением экспрессии 5-НТ2А гена. Установлено участие 5-НТ1А рецепторов в антикаталептическом эффекте 5-НТ2А агонистов.
Впервые установлено, что наряду с 5-НТ1А рецепторами в механизмах терморегуляции участвуют 5-НТ3 и 5-НТ7 рецепторы мозга, вызывая глубокую и продолжительную гипотермию. Обнаружено, что 5-НТ1А рецепторы принимают участие в вызываемой активацией центральных 5-НТ3 рецепторов гипотермический реакции, тогда как гипотермический эффект активации центральных 5-НТ рецепторов не зависит от 5-НТ1А или 5-НТ3 рецепторов. Выявлено, что гипотермический эффект активации центральных 5-НТ3 рецепторов опосредуется как снижением теплопродукции, так и повышением теплоотдачи, тогда как гипотермический эффект активации 5-НТ1А рецепторов связан только со снижением теплопродукции.
Впервые обнаружено, что ключевой фермент биосинтеза серотонина триптофангидроксилаза-2 (ТПГ-2) и серотониновые 5-НТ1А и 5-НТ2А рецепторы и кодирующие их гены играют существенную роль в ауторегуляции 5-НТ системы мозга.
Впервые in vivo показано участие селективного сайленсера гена 5-НТ1А рецепторов Freud-1 в ауторегуляции 5-НТ системы мозга.
Впервые обнаружено, что центральное введение нейротрофического фактора мозга (BDNF) подавляет выраженность генетически детерминированного депрессивно-подобного поведения, вызывая повышение функциональной активности 5-НТ2А рецепторов и экспрессии генов, кодирующих 5-НТ2А рецептор и ТПГ-2.
Впервые показано существование гомологических и гетерологических функциональных взаимодействий между 5-НТ рецепторами мозга. Обнаружена возможность рецептор-зависимой регуляции экспрессии генов в серотониновой системе мозга. Показана роль этих процессов в компенсаторных механизмах, направленных на минимизацию поведенческих отклонений при нарушении функции одного из звеньев 5-НТ системы мозга.
Теоретическая значимость работы. Одно из основных достижений проведенного исследования - выявление функциональных взаимодействий различных типов 5-НТ рецепторов друг с другом и обнаружение рецепторзависимой регуляции экспрессии генов в серотониновой системе мозга, а так же доказательство роли этих процессов в ауторегуляции функциональной активности серотониновой системы мозга, терморегуляции и регуляции поведения. Показано существование гомологических (в пределах одной рецепторной системы) и гетерологических (с вовлечением разных рецепторных систем) функциональных взаимодействий между различными типами 5-НТ рецепторов. Обнаружена возможность рецептор-зависимой регуляции экспрессии генов в серотониновой системе мозга. Разработана концепция сети функциональных межрецепторных взаимодействий как основы регуляции функциональной активности серотониновой системы мозга и ее пластичности.
Показано, что генетическая предрасположенность к альтернативным видам защитного поведения характеризуется противоположными изменениями функциональной активности 5-НТ1А рецепторов: вызванная страхом агрессия связана со снижением, а реакция замирания - повышением функциональной активности 5-НТ1А рецепторов. Установлено участие 5-НТ2А рецепторов в ингибировании реакции замирания.
Показано участие 5-НТ1А рецепторов в механизмах зимней спячки и ассоциированной с ней глубокой гипотермией; выявлены особенности в первичной структуре гена 5-НТ1А рецепторов у зимоспящих сусликов.
Установлено участие единственного среди 5-НТ рецепторов ионотропного рецептора 5-НТ3 типа в механизмах терморегуляции и выявлена его функциональная связь с 5-НТ1А рецептором. Показано, что выраженный гипотермический эффект агониста 5-НТ3 рецепторов опосредуется как снижением теплопродукции, так и повышением теплоотдачи, тогда как гипотермический эффект агониста 5-НТ1А рецепторов связан только со снижением теплопродукции.
Впервые установлена функциональная значимость центральных 5-НТрецепторов мозга в механизмах терморегуляции.
Показано участие транскрипционного фактора Freud-1 в ауторегуляции 5-НТ системы мозга при десенситизации 5-НТ1А рецепторов, вызванной их хронической активацией.
На модели депрессивно-подобного поведения установлено, что гены 5-НТ2А рецепторов и ТПГ-2 участвуют в антидепрессивном эффекте BDNF.
Практическая значимость работы. В ходе работы усовершенствован метод количественного определения экспрессии генов, в том числе не содержащих интронов (Науменко, Куликов, 2006; Naumenko et al., 2008).
Установлено, что стимуляция центральных 5-НТ1А, 5-НТ3 и 5-НТ7 рецепторов вызывает глубокую гипотермию, что привлекает внимание к проникающим через гематоэнцефалический барьер агонистам этих рецепторов как к перспективным препаратам для создания искусственной гипотермии.
Доказана селективность широко используемого в фармакологических экспериментах 8-ОН-DPAT в отношении 5-НТ1А рецепторов, но не 5-НТрецепторов, что представляет интерес в связи с постоянно высказываемыми в литературе сомнениями относительно селективности этого препарата.
Впервые установлено, что агонисты 5-НТ3 и 5-НТ7 рецепторов не проникают через гематоэнцефалический барьер и, следовательно, непригодны при энтеральном и парэнтеральном введении для исследования функции центральных 5-НТ3 и 5-НТрецепторов.
Показана роль нейротрофического фактора мозга (BDNF) в подавлении выраженности генетически детерминированного депрессивно-подобного поведения и выявлена роль 5-НТ системы мозга в антидепрессантном эффекте BDNF, что может найти применение при создании антидепрессантов нового поколения.
Положения, выносимые на защиту.
Регуляция серотонин-зависимого поведения, физиологических функций и ауторегуляция серотониновой системы мозга осуществляется посредством сложной сети рецепторов, функционально связанных между собой, в том числе, и с вовлечением транскрипционных механизмов.
Селекция на противоположные виды защитно-оборонительного поведения сопровождается изменением разных подтипов 5-НТ2 рецепторов: агрессия, вызванная страхом, сопровождается снижением функционального состояния 5-НТ2С рецепторов, а генетическая предрасположенность к каталепсии - снижением функциональной активности 5-НТ2А рецепторов. Сниженная агрессивность, вызванная страхом, связана с повышением функциональной активности 5-НТ1А рецепторов. В регуляции каталепсии выявлено совместное действие 5-НТ2А и 5-НТ1А рецепторов: 5-НТ2А рецепторы ингибируют реакцию замирания посредством активации 5-НТ1А рецепторов.
5-НТ1А рецепторы вовлечены в регуляцию зимней спячки и ассоциированной с ней глубокой гипотермии. Транскрипционная регуляция 5-НТ1А рецепторов играет существенную роль в механизмах зимней спячки. Структура гена 5-НТ1А рецепторов зимоспящих сусликов отличается от структуры гена 5-НТ1А рецепторов незимоспящих животных трехнуклеотидной инсерцией, соответствующей вставке аминокислоты глицин в третью цитоплазматическую петлю 5-НТ1А рецептора.
Активация трех типов 5-НТ рецепторов (5-НТ1А, 5-НТ3 и 5-НТ7) вызывает гипотермический ответ, что указывает на важную роль серотониновой системы мозга в механизмах эволюционно-закрепленной приспособленности к жизни в жарком климате. Глубокий и продолжительный эффект активации 5-НТрецепторов, обусловлен как снижением теплопродукции, так и повышением теплоотдачи, тогда как значительно более слабый гипотермический эффект активации 5-НТ1А рецепторов связан только со снижением теплопродукции.
5-НТ1А и 5-НТ2А рецепторы играют существенную роль в ауторегуляции серотониновой системы мозга. Показано существование гомологических и гетерологических функциональных взаимодействий между различными типами 5НТ рецепторов. Обнаружена возможность рецептор-зависимой регуляции экспрессии генов в серотониновой системе мозга. Эти процессы играют существенную роль в компенсаторных механизмах, направленных на минимизацию поведенческих отклонений при нарушении функции одного из звеньев 5-НТ системы мозга.
Транскрипционный фактор Freud-1 участвует в ауторегуляции 5-НТ системы мозга, активируясь при хронической стимуляции 5-НТ1А рецепторов, ведущей к их десенситизации.
Наиболее универсальным серотониновым рецептором является 5-НТ1А рецептор. Этот тип 5-НТ рецепторов вовлечен в механизмы регуляции всех изученных видов поведения, терморегуляцию и ауторегуляцию серотониновой системы мозга.
Центральное введение нейротрофического фактора мозга (BDNF) подавляет выраженность депрессивно-подобного поведения. У мышей с генетической предрасположенностью к депрессивно-подобному поведению, введение BDNF вызывает изменения в экспрессии генов 5-НТ2А рецепторов и ТПГ-2.
Апробация результатов. Результаты данной работы были представлены и обсуждены на Ученых Сессиях Института цитологии и генетики в 2008 и 20годах; конференции, посвященной академику Д.К. Беляеву (Новосибирск, 2007);
конференции, посвященной академику М.А. Лаврентьеву (Новосибирск, 2007); VI Сибирском физиологическом съезде (Барнаул, 2008); конференции Нейрохимические механизмы формирования адаптивных и патологических состояний мозга (Санкт-Петербург, 2008); EHRLICH II ЦWorld Conference on Magic Bullets (Nurnberg, Germany, 2008); Международном Междисциплинарном Симпозиуме От Экспериментальной Биологии к Превентивной и Интегративной Медицине (Судак, Украина, 2008); 11th Annual Meeting of the International Behavioural and Neural Genetics Society (Dresden, Germany, 2009); 9th International Congress of the Polish Neuroscience Society (Warsaw, Poland, 2009); BIT's 1st Annual Neuro Talk. (Singapore. Singapore. 2010); 7th Forum of European Neuroscience (Amsterdam, Netherlands, 2010); Первой международной научно-практической конференции Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии и медицине (Санкт-Петербург, 2010); XXI Российском Физиологическом съезде им. И.П. Павлова (Калуга, 2010); VII Съезде Казахского физиологического общества (Алматы, Казахстан, 2011); Пятой Всероссийской научно-практической конференции Фундаментальные аспекты компенсаторноприспособительных процессов (Новосибирск, 2011); 13th Annual Meeting of the International Behavioural and Neural Genetics Society (Rome, Italy, 2011); III Съезде Физиологов СНГ (Ялта, Украина, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 работ, из них 26 статей в рецензируемых отечественных (14) и международных (12) журналах и 1 глава в зарубежной монографии.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, обзор литературы, материалы и методы, результаты, обсуждение, выводы и список цитируемой литературы (430 наименования). Работа изложена на 205 страницах, содержит 55 рисунков и 15 таблиц.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Животные. Эксперименты проводились на взрослых мышах линий С3Н/He, AKR/J, CBA/LacJ, C57BL/6, Balb/c, DBA/2J, ICR, Asn, мышах линии ASC/Icg, мышах конгенной линии AKR.CBA-D13Mit76C; крысах-пасюках, селекционированных в течение более 60 поколений в Институте цитологии и генетики СО РАН на высокую агрессивность по отношению к человеку или на ее отсутствие; зимоспящих сусликах, полученных из Института биофизики РАН, г. Пущино. Мыши линии ASC (Antidepressant Sensitive Cataleptics) с генетической предрасположенностью к каталепсии и депрессивно-подобному поведению были получены в нашей Лаборатории нейрогеномики поведения под руководством д.б.н. А.В. Куликова в результате селекции на повышенную каталепсию из популяции бэккроссов между мышами некаталептической (AKR) и каталептической (CBA) линий (Базовкина и др., 2005). Мыши конгенной линии AKR.CBA-D13Mit76C - еще одна модель, созданная в нашей Лаборатории, для изучения роли 5-НТ рецепторов в регуляции реакции замирания. Линия AKR.CBA-D13Mit76С была получена переносом фрагмента хромосомы 13, сцепленным с геном каталепсии и содержащим ген 5-НТ1А рецептора, из генома линии CBA в геном линии AKR (Kulikov et al., 2008).
Поведенческие тесты. Все поведенческие характеристики оценивались по стандартным методикам при помощи системы компьютерной регистрации EthoStudio (Kulikov et al., 2008).
Активность триптофангидроксилазы-2 и уровни серотонина и 5-ГИУК оценивались при помощи высокоэффективной жидкостной хроматографии.
Плотность 5-НТ1А рецепторов определяли при помощи специфического связывания [3H]8-OH-DPAT с мембранами.
Функциональную активность 5-НТ рецепторов определяли по выраженности специфического физиологического или поведенческого ответа на активацию рецептора его селективным агонистом.
Определение последовательности нуклеотидов проводили при помощи секвенирования по Сэнгеру.
Экспрессию генов оценивали при помощи разработанного нами количественного метода ОТ-ПЦР с использованием системы двух стандартов (Kulikov, Naumenko et al., 2005; Науменко, Куликов, 2006; Kulikov, Naumenko, 2007;
Naumenko et al., 2008).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 5-НТ рецепторы в терморегуляции. Вовлечение серотонина в терморегуляцию как фактора снижающего температуру тела не вызывает сомнения (Andersson et al., 1966), однако какими рецепторами опосредуется этот эффект серотонина до сих пор неясно. Достоверно показана только роль 5-НТ1А рецепторов в регуляции температуры тела (Hjorth, 1985; Goodwin et al., 1987; Overstreet et al., 1996). В то же время практически ничего не известно о вовлечении 5-НТ1А рецепторов в механизмы естественной гипотермии, ярким примером которой является глубочайшая гипотермия, ассоциированная с зимней спячкой некоторых видов млекопитающих.
Сравнение полученной в ходе нашей работы последовательности нуклеотидов фрагмента гена 5-НТ1А рецепторов с последовательностями других видов позволило выявить значительный процент гомологии между ними. В то же время, наряду со сходством, анализ полученной последовательности нуклеотидов позволил выявить уникальную для зимоспящих сусликов трехнуклеотидную инсерцию, соответствующую вставке аминокислоты глицин в третью цитоплазматическую петлю 5-НТ1А рецептора, отсутствующую в гене 5-НТ1А рецептора незимоспящих видов: собака, лошадь, горилла, макака, кролик, шимпанзе, орангутанг, тупайа, волк, бык, мышь, крыса, свинья, человек (Рис. 1). Необходимо подчеркнуть, что третья цитоплазматическая петля участвует в сопряжении 5-НТ1А рецептора с G-белком и, следовательно, вставка дополнительной аминокислоты может иметь существенное влияние на функцию рецептора.
При исследовании экспрессии гена 5-НТ1А рецепторов было показано, что погружению в спячку зимоспящих сусликов предшествует существенное повышение экспрессии гена 5-НТ1А рецепторов в гиппокампе (Рис. 2). Это хорошо совпадает с представлениями о гиппокампе как о пейсмейкере зимней спячки, сформировавшимися на основе электрофизиологических исследований (Штарк, 1970; South et al., 1972). Наиболее замечательно то, что в зимний период, когда суслики находятся в состоянии спячки и температура их тела снижается до 3C (Попова и др., 1978), экспрессия гена 5-НТ1А рецепторов не просто не исчезает, но даже остается на относительно высоком уровне. Полученные данные свидетельствует об участии гена, кодирующего 5-НТ1А рецептор, в механизмах зимней спячки и выявляют особенность первичной структуры гена 5-НТ1А рецепторов зимоспящих сусликов.
Рис. 1. Сравнение фрагмента гена 5-НТ1А рецептора зимоспящих сусликов (Citellus undulatus) с аналогичными фрагментами генов 5-НТ1А рецептора незимоспящих животных. Подчеркиванием отмечена уникальная для зимоспящих животных трехнуклеотидная инсерция.
Рис. 2. Уровень мРНК 5-НТ1А рецепторов в структурах мозга сусликов, находящихся в разных периодах цикла сонбодрствование. * - p<0.05 по сравнению с состоянием зимней спячки; # - p<0.05 по сравнению с состоянием активного бодрствования.
Проведенное нами исследование роли других 5-НТ рецепторов в механизмах терморегуляции показало, что в гипотермическом эффекте серотонина, кроме 5НТ1А рецепторов, участвуют 5-НТ3 и 5-НТ7 рецепторы мозга.
Было установлено, что центральное введение агониста 5-НТ3 рецепторов mCPBG вызывало значительный, продолжительный и дозозависимый гипотермический ответ. Температура тела мышей падала на 4C и восстанавливалась до начального уровня в течение 7 часов (Рис. 3А). В то же время периферическое введение m-CPBG в широком диапазоне доз не вызывало изменений температуры тела (Рис. 3Б).
Рис. 3. Влияние центрального (А) и периферического (Б) введения селективного агониста 5-НТ3 рецепторов m-CPBG на температуру тела мышей.
Предварительное введение селективного антагониста 5-НТ1А рецепторов pMPPI ослабляло гипотермию, вызванную центральным введением m-CPBG (Рис. 4).
Полученные данные указывают на существование функционального взаимодействия между 5-НТ3 и 5-НТ1А рецепторами и на существенную роль этого взаимодействия в регуляции температуры тела.
Рис. 4. Влияние селективного антагониста 5-HT1A рецепторов p-MPPI на интенсивность гипотермической реакции, вызванной центральным введением агониста 5-НТ3 рецепторов m-CPBG. ** p<0.01 по сравнению с m-CPBG; +++ p<0.01 по сравнению с p-MPPI и растворителем.
При сравнении терморегуляторных процессов, лежащих в основе гипотермии, опосредуемой 5-НТ1А и 5-НТ3 рецепторами, было показано, что потребление кислорода и выделение углекислого газа существенно изменяются в ответ на введение как m-CPBG, так и 8-OH-DPAT, однако, 8-OH-DPAT вызывает менее выраженное снижение этих параметров (Рис. 5А, Б). В то же время введения mCPBG вызывает повышение температуры кожи хвоста, что свидетельствует об усилении теплоотдачи (Рис. 6).
Рис. 5. Влияние центрального введения эквимолярных доз m-CPBG и 8-OH-DPAT на потребление кислорода (A) и выделение углекислого газа (Б). Горизонтальной линией показаны различия между мышами, получившими m-CPBG и контрольными мышами. *p<0.05 между мышами, получившими 8-OH-DPAT и контрольными мышами. #p<0.05 между мышами, получившими 8-OH-DPAT и мышами, получившими m-CPBG.
Рис. 6. Влияние центрального введения эквимолярных доз mCPBG и 8-OH-DPAT на температуру кожи хвоста.
Горизонтальной линией показаны существенные различия между мышами, получившими m-CPBG и контрольными мышами, p<0.05.
Таким образом, выявленный гипотермический ответ на активацию центральных 5-НТ3 рецепторов опосредуется как увеличением теплоотдачи, так и падением интенсивности теплопродукции, а менее выраженный гипотермический эффект активации 5-НТ1А рецепторов опосредуется только снижением теплопродукции.
Продолжительный, дозозависимый гипотермический ответ вызвало и центральное введение селективного агониста 5-НТ7 рецепторов LP44. Температура тела снижалась на 3C через 15 мин после введения препарата и восстанавливалась до базового уровня более чем через 1.5 часа (Рис. 7А). Внутрибрюшинное введение LP44 в широком диапазоне доз не оказало влияния на температуру тела (Рис. 7Б).
Рис. 7. Эффект центрального (А) и периферического (Б) введения селективного агониста 5-НТ7 рецепторов LP44 на температуру тела мышей.
Селективный антагонист 5-НТ7 рецепторов SB 269970 существенно ослаблял гипотермический эффект, вызванный LP44. В то же время предварительное введение SB 269970 не оказало влияния на гипотермический ответ, вызванный введением 8OH-DPAT и m-CPBG. Так же было показано, что селективный антагонист 5-НТ1А рецепторов WAY-100635 полностью блокировал гипотермический ответ, вызванный введением 8-OH-DPAT, в то время как предварительное введение такой же дозы WAY-100635 не оказывало влияния на гипотермический ответ, вызванный агонистом 5-НТ7 рецепторов.
Эти результаты свидетельствуют о том, что 5-НТ7 рецепторы не принимают участие в гипотермическом ответе на активацию 5-НТ1А и 5-НТ3 рецепторов.
Необходимо подчеркнуть, что, несмотря на интенсивное использование в нейрофармакологии 8-OH-DPAT в качестве селективного агониста 5-НТ1А рецепторов, не было достоверно известно, какое участие в эффектах этого препарата принимают 5-НТ7 рецепторы. Полученные нами данные об отсутствии участия 5НТ7 рецепторов в гипотермическом эффекте 8-OH-DPAT, позволяют снять существующие до настоящего времени сомнения относительно селективности этого важнейшего фармакологического препарата.
Таким образом, активация, по крайней мере, трех типов 5-НТ рецепторов (5НТ1А, 5-НТ3 и 5-НТ7) вызывает гипотермический ответ. Такое обширное дублирование функции свидетельствует о чрезвычайной важности защиты организма от перегревания и адаптивной роли серотонин-зависимых механизмов терморегуляции.
5-НТ рецепторы в регуляции защитно-оборонительного поведения.
Серотониновые рецепторы играют роль и в других эволюционно закрепленных адаптивных видах поведения, а именно, в регуляции двух основных форм защитнооборонительного поведения - агрессии и реакции замирания. Эти альтернативные виды защитного поведения, проявляющиеся у дикого животного в отсутствии возможности избежать контакта с хищником или человеком (Dixon, 1998; Maxson, 2000). Агрессия, направленная на человека, тесно связана с процессом доместикации животных (Беляев, Трут, 1964; Belyaev, 1979). Самым крупным исследованием в этом направлении является проводимая в Институте Цитологии и Генетики СО РАН многолетняя селекция серебристо-черных лисиц (Беляев, Трут, 1964; Трут, 1969) и диких серых крыс-пасюков на отсутствие агрессивности по отношению к человеку (Беляев, Бородин, 1982; Plyusnina, Oskina, 1997).
Вовлечение 5-НТ1А рецепторов в механизм регуляции агрессивного поведения было неоднократно показано. В то же время не было данных о взаимосвязи функциональной активности 5-НТ1А рецепторов, их плотности и экспрессии 5-НТ1А гена в мозге животных с генетически детерминированной защитно-оборонительной агрессией. Мало что известно о роли других 5-НТ рецепторов в механизмах регуляции агрессии, направленной на человека.
Крысы, селекционированные на низкий уровень защитно-оборонительной агрессии, резко отличались от агрессивных крыс отсутствием агрессивной реакции на человека. Агонист 5-НТ1А рецепторов 8-ОН-DPAT (1 мг/кг) не повлиял на температуру тела агрессивных крыс-пасюков, в то время как та же доза 8-ОН-DPAT вызывала значительный гипотермический ответ у неагрессивных крыс (Рис. 8), а также более сильное сокращение нижней губы (Lower Lip Retraction). Результаты этих двух тестов на функциональную активность 5-НТ1А рецепторов указывают на повышенную функциональную активность 5-НТ1А рецепторов в мозге неагрессивных крыс по сравнению с агрессивными.
Экспрессия гена 5-НТ1А рецепторов в среднем мозге неагрессивных крыс так же была значительно выше (Рис. 9).
Существенные различия между неагрессивными и агрессивными крысами были обнаружены и по плотности 5-НТ1А рецепторов (Рис. 10). Плотность 5-НТ1А рецепторов была выше во фронтальной коре, гипоталамусе и миндалевидном комплексе неагрессивных крыс.
Рис. 8. Функциональная активность 5-НТ1А рецепторов в мозге высокоагрессивных и неагрессивных крыс-пасюков, определенная по выраженности гипотермической реакции (А) и сокращению нижней губы (Б), вызванных введением 8-ОН-DPAT.
*p<0.05.
Рис. 9. Экспрессия гена, кодирующего 5-НТ1А рецептор в мозге высокоагрессивных и неагрессивных крыс-пасюков. **p<0.01.
Рис. 10. Плотность 5-НТ1А рецепторов в структурах мозга высокоагрессивных и неагрессивных крыспасюков. *p<0.05, *** p<0.001.
Таким образом, длительная селекция на отсутствие агрессии по отношению к человеку привела к повышению экспрессии 5-НТ1А рецепторов, сопровождающемуся повышением плотности 5-НТ1А рецепторов и их функциональной активности. Полученные данные, совместно с данными об антиагрессивном эффекте 8-OH-DPAT, указывают на существенную роль 5-НТ1А рецепторов в подавлении вызванной страхом агрессии.
Введение селективного агониста 5-НТ2С рецепторов МК-212 неагрессивным животным вызывало отчетливое ослабление интенсивности реакции вздрагивания, что указывает на повышенную функциональную активность 5-НТ2С рецепторов в мозге неагрессивных животных (Рис. 11). Исследование экспрессии гена, кодирующего 5-НТ2С рецептор, обнаружило повышение уровня мРНК этих рецепторов во фронтальной коре и гиппокампе крыс, селекционированных на отсутствие вызванной страхом агрессии (Рис. 12). Различий по функциональной активности 5-НТ2А рецепторов и экспрессии гена 5-НТ2А рецепторов между высокоагрессивными и неагрессивными крысами обнаружено не было.
Рис. 11. Влияние селективного агониста 5-НТ2С рецепторов MK-212 на амплитуду реакции вздрагивания в ответ на звуковой сигнал. * p<0.05 по сравнению с животными, получавшими физиологический раствор; # p<0.05 по сравнению с высокоагрессивными крысами.
Рис. 12. Экспрессия гена, кодирующего 5-НТ2С рецептор в мозге высокоагрессивных и неагрессивных крыс-пасюков. * p<0.05.
Таким образом, доместикация приводит к существенному повышению экспрессии 5-НТ1А и 5-НТ2С генов и функциональной активности 5-НТ1А и 5-НТ2С рецепторов. Можно заключить, что 5-НТ1А и 5-НТ2С, но не 5-НТ2А рецепторы играют существенную роль в механизмах агрессии по отношению к человеку.
Крайне интересным является исследование альтернативного защитнооборонительной агрессии вида поведения - каталепсии. Для исследования роли механизмов регуляции наследственной каталепсии, в нашей Лаборатории нейрогеномики поведения д.б.н. А.В. Куликовым были созданы мыши линии ASC (Antidepressant Sensitive Cataleptics) с повышенной предрасположенностью к данному типу защитного поведения. Мыши конгенной линии AKR.CBA-D13Mit76C - еще одна модель для изучения роли 5-НТ рецепторов в регуляции реакции замирания, полученная переносом фрагмента хромосомы, содержащего ген 5-НТ1А рецептора, из генома линии CBA в геном линии AKR (Kulikov et al., 2008).
В ходе нашей работы было показано, что генетическая предрасположенность к каталепсии связана со сниженной функциональной активностью 5-НТ2А рецепторов (Рис. 13А) и пониженной экспрессией гена 5-НТ2А рецепторов во фронтальной коре (Рис. 13Б), что совпадает с полученными ранее данными о сниженной плотности 5НТ2А рецепторов в мозге мышей-каталептиков линии СВА (Kulikov et al., 1995).
Было показано, что агонист 5-НТ2А рецепторов DOI подавляет выраженность каталепсии у мышей СВА и ASC, но не у мышей конгенной линии AKR.CBAD13Mit76С (Рис. 14). Интересно отметить, что функциональная активность 5-НТ1А рецепторов у мышей конгенной линии AKR.CBA-D13Mit76C была существенно меньше, чем у мышей каталептических линий CBA и ASC, но, в то же время, достоверно больше, чем у мышей некаталептической линии AKR (Рис. 15). Этот факт указывает на возможность существования функционального взаимодействия между 5-НТ2А и 5-НТ1А рецепторами в механизме регуляции наследственной каталепсии.
Рис. 13. Функциональная активность 5-НТ2А рецепторов (А) и экспрессия 5-НТ2А гена (Б) в мозге мышей некаталептической линии AKR и каталептических линий CBA, ASC и AKR.CBA-D13Mit76C. *** p<0.001, **p<0.01 по сравнению с мышами линии AKR.
Рис. 14. Влияние агониста 5-НТ2А рецепторов DOI на выраженность каталепсии у мышей. *** p<0.001, **p<0.01.
Рис. 15. Функциональная активность 5-HT1A рецепторов в мозге мышей линий AKR, CBA, ASC и AKR.CBA-D13Mit76C. *** p<0.001, * p<0.05 по сравнению с мышами линии AKR; # p<0.05 по сравнению с мышами линии CBA.
Это предположение было доказано экспериментально. Селективный антагонист 5-НТ1А рецепторов p-MPPI подавлял антикаталептический эффект DOI у мышей линий CBA и ASC. (Рис. 16), что дало основание заключить, что активация 5НТ2А рецепторов приводит к активации 5-НТ1А рецепторов, подавляя, таким образом, развитие каталепсии.
Рис. 16. Эффект введения селективного антагониста 5-HT1A рецепторов p-MPPI на антикаталептический эффект агониста 5-НТ2А рецепторов DOI. ** p<0.01 по сравнению с мышами линии CBA, предварительно получившими инъекцию p-MPPI; * p<0.05 по сравнению с мышами линии ASC после введения p-MPPI.
Таким образом, показана повышенная функциональная активность 5-НТ1А рецепторов в мозге каталептических мышей линий CBA, ASC и AKR.CBAD13Mit76C по сравнению с некаталептическими мышами линии AKR. Выявлена сниженная экспрессия гена 5-НТ2А рецепторов и функциональная активность 5-НТ2А рецепторов в мозге мышей каталептических линий (CBA, ASC и AKR.CBAD13Mit76C) по сравнению с мышами некаталептической линии AKR. Показано, что активация 5-НТ2А рецепторов вызывает существенное снижение выраженности наследственной каталепсии, и этот эффект 5-НТ2А рецепторов связан с 5-НТ1А рецепторами.
Полученные результаты дают основание заключить, что селекция на отсутствие агрессии по отношению к человеку приводит к повышению экспрессии гена 5-НТ1А рецепторов, плотности и функциональной активности 5-НТ1А рецепторов. В то же время повышенная предрасположенность к реакции замирания связана со сниженной экспрессией гена 5-НТ2А рецепторов, плотностью и функциональной активностью 5-НТ2А рецепторов. Следовательно, генетически детерминированная предрасположенность к различным видам поведения связана с характерными для каждого вида поведения изменениями определенных 5-НТ рецепторов.
Роль 5-НТ рецепторов в антидепрессивном эффекте нейротрофического фактора мозга. Функциональное состояние серотониновой системы мозга, как и 5НТ-рецепторного аппарата, несомненно, находится под контролем различных систем ЦНС. В последнее время значительное внимание направлено на изучение нейротрофических факторов (Carballedo et al., 2012; Loh et al., 2012). Это связано с их огромной ролью в развитии и функции ЦНС и механизмах ее пластичности (Barde, 1990).
Нами было показано, что центральное введение нейротрофического фактора мозга BDNF (Brain Derived Neurotrophic Factor) снижает время неподвижности в тесте на каталепсию у мышей как депрессивной линии ASC, так и недепрессивной линии СВА (Рис. 17А). В то же время введение BDNF приводило к существенному сокращению времени неподвижности в тесте на депрессивноподобное поведение - тесте подвешивания за хвост, только у мышей депрессивной линии ASC (Рис. 17Б).
Рис. 17. Влияние BDNF на время неподвижности в тесте на каталепсию (А) и тесте подвешивания за хвост (Б) мышей линий ASC и СВА. **p<0.01; *p<0.05 по сравнению с соответствующим контролем.
Было установлено, что BDNF приводит к значительному повышению функциональной активности 5-НТ2А рецепторов и увеличению экспрессии гена 5НТ2А рецепторов в гиппокампе мышей депрессивной линии ASC, но не недепрессивной линии СВА (Рис. 18).
Рис. 18. Влияние BDNF на функциональную активность 5-НТ2А рецепторов (A) и экспрессию гена 5-НТ2А рецепторов (Б) в мозге мышей линий ASC и СВА. *p<0.05 по сравнению с соответствующим контролем.
В то же время BDNF не оказывал влияния на функциональную активность 5НТ1А рецепторов, повышая экспрессию гена 5-НТ1А рецепторов в гиппокампе депрессивных мышей линии ASC.
BDNF вызывал так же увеличение экспрессии гена ключевого фермента биосинтеза серотонина - ТПГ-2, в среднем мозге депрессивных мышей линии ASC, но не оказывал влияния на экспрессию гена серотонинового транспортера (5НТТ) у мышей обеих исследованных линий (Рис. 19).
Можно заключить, что эффект BDNF проявляется как у недепрессивных мышей линии СВА (снижение выраженности каталепсии), так и депрессивных мышей ASC. Однако у мышей ASC BDNF проявляет антидепрессивный эффект и вызывает изменения экспрессии ключевых генов серотониновой системы мозга.
Полученные результаты позволяют полагать, что в антидепрессивный эффект BDNF вовлечены 5-НТ2А рецепторы и ТПГ-2.
Рис. 19. Влияние BDNF на экспрессию генов ТПГ-2 (А) и 5-НТТ (Б) в среднем мозге мышей линий ASC и СВА. n9. *p<0.05 по сравнению с соответствующим контролем.
5-НТ рецепторы в ауторегуляции серотониновой системы мозга.
Уникальность серотониновой системы мозга, обеспечивающая ее вовлечение в широчайший спектр механизмов регуляции различных физиологических функций, видов поведения и пластичности центральной нервной системы, заключается в способности системы к ауторегуляции. Считалось, что основной вклад в ауторегуляцию серотониновой системы мозга вносит 5-НТ1А рецептор, который способен контролировать секрецию серотонина в синаптическую щель (Saudou and Hen, 1994; Barnes and Sharp, 1999). В настоящее время известно о существовании функциональных взаимодействий между различными типами 5-НТ рецепторов, которые, несомненно, должны оказывать влияние на механизмы ауторегуляции серотониновой системы мозга. Однако данные о роли функциональных межрецепторных взаимодействий в процессах ауторегуляции серотониновой системы мозга крайне немногочисленны и противоречивы. Оставался неясным и вклад 5-НТ2А и 5-НТ3 рецепторов в механизмы ауторегуляции серотониновой системы мозга.
Нами было показано, что хроническое введение селективного агониста 5-НТ1А рецепторов 8-OH-DPAT приводит к снижению функциональной активности 5-НТ1А рецепторов, сопровождающемуся значительным снижением экспрессии гена 5-НТ1А рецепторов (Рис. 20). В то же время хроническое введение 8-OH-DPAT приводит и к существенному снижению экспрессии гена 5-НТ2А рецепторов без существенных изменений функциональной активности 5-НТ2А рецепторов (Рис. 21).
Рис. 20. Влияние хронического введения 8-OH-DPAT на функциональную активность 5-НТ1А рецепторов (А) и на экспрессию гена 5-НТ1А рецепторов (Б). *p<0.05, ***p<0.001.
Рис. 21. Влияние хронического введения 8-OH-DPAT на функциональную активность 5-HT2A рецепторов (А) и на экспрессию гена 5-HT2A рецепторов (Б). **p<0.01.
Так же хроническая активация 5-НТ1А рецепторов приводит к существенному снижению экспрессии гена, кодирующего ключевой фермент биосинтеза серотонина - ТПГ-2, не оказывая значительного эффекта на экспрессию гена серотонинового транспортера (5-НТТ) (Рис. 22).
Рис. 22. Влияние хронического введения 8-OH-DPAT на экспрессию генов, кодирующих ТПГ-2 (А) и 5-НТТ (Б) в среднем мозге. * p<0.05.
Несмотря на выраженные изменения в экспрессии генов, кодирующих ключевые элементы серотониновой системы мозга, хроническая активация 5-НТ1А рецепторов не оказала существенного влияния на двигательную активность, депрессивноподобное, агрессивное поведение и тревожность. Вероятно, потеря поведенческого ответа на препарат, лежащая в основе развития нечувствительности к хроническим фармакологическим воздействиям, связана с выявленными нами изменениями в экспрессии ключевых генов серотониновой системы мозга, вызванными хронической активацией 5-НТ1А рецепторов.
Транскрипционная регуляция генов играет далеко не последнюю роль в ауторегуляции функционального состояния серотониновой системы мозга. Одним из ключевых элементов регуляции экспрессии гена 5-НТ1А рецепторов является транскрипционный фактор Freud-1. Freud-1 осуществляет селективное подавление экспрессии гена 5-НТ1А рецепторов в мозге, и при делеции его сайта связывания транскрипция гена 5-НТ1А рецепторов резко усиливается (Ou et al., 2000). Тем не менее, несмотря на идентификацию белка Freud-1, способного регулировать десятикратные изменения экспрессии гена 5-НТ1А рецепторов, не было никаких данных о роли этого белка или кодирующего его гена в ауторегуляции функционального состояния 5-НТ1А рецепторов in vivo.
Нами было обнаружено, что хроническое введение селективного агониста 5НТ1А рецепторов 8-ОН-DPAT, приводящее к двукратному снижению экспрессии гена, кодирующего 5-НТ1А рецептор в среднем мозге мышей, сопровождается существенным повышением экспрессии гена Freud-1 (Рис. 23). Это дает основание утверждать, что селективный сайленсер 5-НТ1А рецепторов Freud-1 вовлечен в систему компенсаторных механизмов, регулирующих функциональное состояние серотониновой системы мозга.
Рис. 23. Влияние хронической активации 5-НТ1А рецепторов на экспрессию генов, кодирующих 5-НТ1А рецептор (А) и селективный сайленсер рецептор Freud-1 (Б), в среднем мозге. * p<0.05; ** p<0.01.
Было установлено, что хроническое введение агониста 5-НТ2А рецепторов DOI снижает функциональную активность 5-НТ2А рецепторов без значительных изменений экспрессии гена 5-НТ2А рецепторов. В то же время хроническая активация 5-НТ2А рецепторов приводит к повышению экспрессии гена, кодирующего ключевой фермент биосинтеза серотонина - ТПГ-2, сопровождающемуся значительным повышением активности фермента (Рис. 24) и увеличением уровня серотонина в среднем мозге мышей без существенных изменений в уровне его основного метаболита 5-гидроксииндолуксусной кислоты (5-ГИУК). Более того, хроническая активация 5-НТ2А рецепторов приводит к существенному снижению экспрессии гена серотонинового транспортера (5-НТТ), осуществляющего обратный захват серотонина из синаптической щели (Рис. 25). Все эти данные указывают на увеличение функциональной активности серотониновой системы мозга.
Рис. 24. Влияние хронической активации 5-НТ2А рецепторов на экспрессию гена, кодирующего ТПГ-2 (А), и активность ТПГ-2 (Б) в среднем мозге. ** p<0.01, *p<0.05.
Рис. 25. Влияние хронической активации 5-НТ2А рецепторов на экспрессию гена, кодирующего серотониновый транспортер в среднем мозге мышей. *p<0.05.
Тем не менее, хроническое введение DOI не оказало существенного влияния на серотонин-зависимое поведение. Эти данные указывают на то, что выявленное повышение функциональной активности серотониновой системы мозга, вероятно, лежит в основе развития нечувствительности к применяемому хронически агонисту 5-НТ2А рецепторов и, следовательно, носит компенсаторный характер.
Хроническое введение селективного агониста 5-НТ3 рецепторов m-CPBG привело к снижению функциональной активности 5-НТ3 рецепторов без изменений в экспрессии гена 5-НТ3 рецепторов (Рис. 26). В то же время хроническая активация 5НТ3 рецепторов привела и к снижению функциональной активности 5-НТ1А рецепторов, не оказав значительного эффекта на экспрессию гена 5-НТ1А рецепторов (Рис. 27).
Рис. 26. Влияние хронической активации 5-НТ3 рецепторов на функциональную активность 5-HT3 рецепторов (A) и экспрессию 5-HT3 гена (Б). *** p<0.001.
Рис. 27. Влияние хронической активации 5-НТ3 рецепторов на функциональную активность 5-HT1A рецепторов (A) и экспрессию 5-HT1A гена (Б). * p<0.05.
Таким образом, хроническая активация каждого из трех исследованных рецепторов (5-НТ1А, 5-НТ2А и 5-НТ3) приводит к их десенситизации (Рис. 28). Эти данные указывают на то, что снижение функциональной активности рецепторов при его хронической активации не зависит от типа рецептора (метаботропный или ионотропный). В то же время характер изменения функционального состояния серотониновой системы мозга и экспрессии ее ключевых генов зависят от исследуемого рецептора. Так, десенситизация 5-НТ1А рецепторов привела к снижению экспрессии генов 5-НТ1А и 5-НТ2А рецепторов и ТПГ-2, тогда как десенситизация 5-НТ2А рецепторов вызвала повышение экспрессии гена ТПГ-2, активности фермента ТПГ-2, уровня 5-НТ и снижение экспрессии гена 5-НТТ. В то же время десенситизация 5-НТ3 рецепторов привела к снижению функциональной активности 5-НТ1А рецепторов, не оказав существенного влияния на экспрессию ключевых генов серотониновой системы мозга.
Механизмы десенситизации рецепторов, вызванной их хронической активацией хорошо известны. При продолжительном воздействии на рецептор его лигандом происходит их необратимое связывание с последующим разрушением всего комплекса (Martini, Whistler, 2007). Касательно же механизмов рецепторзависимой регуляции экспрессии ключевых генов серотониновой системы мозга остается много неизвестного. Однако для серотонина показана способность оказывать влияние на транскрипцию генов. Можно предположить, что десенситизация рецепторов, вызванная их хронической активацией, приводит к изменению экспрессии ключевых генов серотониновой системы мозга либо за счет изменения уровня самого нейротрансмиттера, либо посредством вторичных посредников исследуемых серотониновых рецепторов.
Рис. 28. Схема основных функциональных взаимодействий 5-НТ рецепторов с ключевыми элементами серотониновой системы мозга.
Таким образом, нарушение в работе того или иного рецептора приводит к характерным для данного типа рецептора изменениям экспрессии определенного ансамбля генов серотониновой системы мозга и, как следствие, изменению функционального состояния серотониновой системы мозга. Данная генетическая сеть находится не только под регуляторным контролем самой серотониновой системы мозга, но и под контролем других систем мозга. Изменения в функциональном состоянии серотониновой системы мозга, вероятно, приводят к потере поведенческого ответа на фармакологическое воздействие, то есть являются компенсаторными и, следовательно, играют важную роль в пластичности серотониновой системы мозга в частности и центральной нервной системы в целом (Рис. 29).
Рис. 29. Схема сети функциональных межрецепторных взаимодействий как основы регуляции функциональной активности серотониновой системы мозга и ее пластичности.
ВЫВОДЫ 1. Генетически детерминированная предрасположенность к различным видам серотонин-зависимого поведения связана с характерными для данного вида поведения изменениями 5-НТ-рецепторной системы мозга.
2. Селекция на отсутствие защитно-оборонительной агрессии сопровождается повышением функциональной активности 5-НТ1А и 5-НТ2С рецепторов и экспрессии 5-НТ1А и 5-НТ2С генов.
3. Генетическая предрасположенность к каталепсии связана со снижением функциональной активности 5-НТ2А рецепторов с вовлечением транскрипционных механизмов. 5-НТ2А рецепторы принимают участие в подавлении реакции замирания посредством активации 5-НТ1А рецепторов.
4. Серотониновые 5-НТ3 и 5-НТ7 рецепторы мозга вовлечены в механизмы терморегуляции. 5-НТ1А рецепторы частично опосредуют гипотермический эффект активации центральных 5-НТ3 рецепторов. Гипотермический эффект активации 5НТ7 не связан с эффектом, опосредуемым 5-НТ1А и 5-НТ3 рецепторами.
5. Гипотермический эффект агониста 5-НТ3 рецепторов опосредуется как снижением теплопродукции, так и повышением теплоотдачи, тогда как гипотермический эффект агониста 5-НТ1А рецептора связан только со снижением теплопродукции.
6. Сочетающееся с развитием глубокой гипотермии погружение в зимнюю спячку связано с повышением уровня мРНК 5-НТ1А рецептора в гиппокампе, а состояние зимней спячки - с относительно высоким уровнем мРНК 5-НТ1А рецептора в среднем мозге сусликов. Ген 5-НТ1А рецептора зимоспящего суслика отличается от генов 5-НТ1А рецептора незимоспящих трехнуклеотидной инсерцией, соответствующей вставке аминокислоты глицин в третью цитоплазматическую петлю 5-НТ1А рецептора.
7. Центральное введение нейротрофического фактора мозга (BDNF) подавляет выраженность депрессивно-подобного поведения. У мышей линии ASC с генетической предрасположенностью к депрессивно-подобному поведению введение BDNF вызывает изменения в экспрессии ключевых генов серотониновой системы мозга.
8. Транскрипционный фактор Freud-1 участвует в ауторегуляции 5-НТ системы мозга:
экспрессия гена Freud-1 повышается при десенситизации 5-НТ1А рецепторов, вызванной их хронической активацией.
9. Серотониновые 5-НТ1А и 5-НТ2А рецепторы играют существенную роль в ауторегуляции 5-НТ системы мозга. Показано существование гомологических и гетерологических функциональных взаимодействий между различными типами 5НТ рецепторов мозга. Обнаружена возможность рецептор-зависимой регуляции экспрессии генов в серотониновой системе мозга. Показана роль этих процессов в компенсаторных механизмах, направленных на минимизацию поведенческих отклонений при нарушении функции одного из звеньев 5-НТ системы мозга.
СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
1. Popova N.K., Naumenko V.S., Plyusnina I.Z., Kulikov A.V. Reduction in 5-HT(1A) receptor density, 5-HT(1A) mRNA expression, and functional correlates for 5-HT(1A) receptors in genetically defined aggressive rats // J. Neurosci. Res. 2005. V.80(2):286-292.
2. Kulikov A.V., Osipova D.V., Naumenko V.S., Popova N.K. Association between Tphgene polymorphism, brain tryptophan hydroxylase activity and aggressiveness in mouse strains // Genes, Brain and Behavior, 2005. V.4(8):482-485.
3. Kulikov A.V., Naumenko V.S. Problems of mRNA Quantification in the Brain using RTPCR. In: New Messenger RNA Research Communications (Kwang L.B., ed.) // N.Y.: Nova Science Publishers, Inc., 2007. pp.53-68. ISBN: 1-60021-488-4. Naumenko V.S., Tkachev S.E., Kulikov A.V., Semenova T.P., Amerhanov Z.G., Smirnova N.P. Popova N.K. The brain 5-HT(1A) receptor gene expression in hibernation // Genes, Brain Behav. 2008. V.7(3):300-305.
5. Naumenko V.S., Osipova D.V., Kostina E.V., Kulikov A.V. Utilization of a two-standard system in real-time PCR for quantification of gene expression in the brain // J. Neurosci.
Meth. 2008. V.170(2):197Ц203.
6. Popova N.K., Naumenko V.S., Tibeikina M.A., Kulikov A.V. Serotonin transporter, 5HT1A receptor and behavior in DBA/2J mice in comparison with four inbred strains // J.
Neurosci. Res. 2009. V.87(16):3649-3657.
7. Naumenko V.S., Kondaurova E.M., Popova N.K. Central 5-HT3 receptor-induced hypothermia in mice: interstrain differences and comparison with hypothermia mediated via 5-HT1A receptor // Neurosci. Lett., 2009. V.465(1):P.50-54.
8. Naumenko V.S., Bazovkina D.V., Kondaurova E.M., Zubkov E.A., Kulikov A.V. The role of 5-HT(2A) receptor and 5-HT(2A)/5-HT(1A) receptor interaction in the suppression of catalepsy // Genes, Brain Behav. 2010. V.9(5):519-524.
9. Popova N.K., Naumenko V.S., Cybko A.S., Bazovkina D.V. Receptor-genes cross-talk:
effect of chronic 5-HT1A agonist 8-OH-DPAT treatment on the expression of key genes in brain serotonin system and on behavior // Neuroscience. 2010. V.169(1):229-235.
10. Kondaurova E.M., Naumenko V.S., Sinyakova N.A., Kulikov A.V. Map3k1, Il6st, Gzmk, and Hspb3 gene coexpression network in the mechanism of freezing reaction in mice // J.
Neurosci. Res. 2011. V.89(2):267-273.
11. Naumenko V.S., Kondaurova E.M., Popova N.K. On the role of brain 5-HT(7) receptor in the mechanism of hypothermia: Comparison with hypothermia mediated via 5-HT(1A) and 5-HT(3) receptor // Neuropharmacol. 2011. V.61(8):1360-1365.
12. Voronova I.P., Naumenko V.S., Khramova G.M., Kozyreva T.V., Popova N.K. Central 5HT(3) receptor-induced hypothermia is associated with reduced metabolic rate and increased heat loss // Neurosci Lett. 2011. V.504:209-213. Popova N.K., Morozova M.V., Naumenko V.S. Ameliorative effect of BDNF on prenatal ethanol and stress exposure-induced behavioral disorders // Neurosci Lett. 2011. V.505:8286.
14. Kulikov A.V., Osipova D.V., Naumenko V.S., Terenina E., Mormde P., Popova N.K. A pharmacological evidence of positive association between mouse intermale aggression and brain serotonin metabolism // Behav. Brain Res. 2012. V.233. P.113-119.
15. Naumenko V.S., Kondaurova E.M., Bazovkina D.V., Tsybko A.S., Tikhonova M.A., Kulikov A.V., Popova N.K. Effect of brain-derived neurotrophic factor on behavior and key members of the brain serotonin system in genetically predisposed to behavioral disorders mouse strains // Neuroscience. 2012. V.214. P.59- 16. Куликов А.В., Осипова Д.В., Науменко В.С., Попова Н.К. Полиморфизм С1473Г в гене триптофангидроксилазы и выраженность агрессивного поведения мышей // Докл.
Акад. Наук, 2005. Т.402(4):571-573.
17. Науменко В.С., Куликов А.В. Количественное определение экспрессии гена 5-НТ1А серотонинового рецептора в головном мозге // Мол. Биол., 2006. Т.40(1):C.37-44.
18. Науменко В.С., Кондаурова Е.М., Куликов А.В., Попова Н.К. Влияние селекции на высокую предрасположенность к каталепсии, на функциональную активность 5НТ1А-рецепторов и экспрессию кодирующего их гена // Докл. Акад. Наук, 2006.
Т.409(1):133-135.
19. Попова Н.К., Науменко В.С., Плюснина И.З. Участие серотониновых 5-НТ1Арецепторов мозга в генетической предрасположенности к агрессивному поведению // Журн. Высш. Нервн. Деят. 2006. Т.56(4):537-542.
20. Зубков Е.А., Куликов А.В., Науменко В.С., Попова Н.К. Хроническое действие тироксина на поведение и серотониновые рецепторы у контрастных по предрасположенности к каталепсии линий мышей // Журн. Высш. Нервн. Деят. 2008.
Т.58(4):493-500.
21. Науменко В.С., Кожемякина Р.В., Плюснина И.З. Попова Н.К. Экспрессия гена серотонинового транспортера и реакция рефлекторного вздрагивания у крыс с генетически детерминированной агрессией, вызванной страхом // Бюлл. Эксп. Биол.
Мед. 2009. Т.147(1):86-89.
22. Куликов А.В., Науменко В.С., Базовкина Д.В., Ди В.Ю., Осипова Д.В., Попова Н.К.
Влияние терминального фрагмента хромосомы 13 на предрасположенность к каталепсии и на экспрессию генов, кодирующих триптофангидроксилазу-2, транспортер серотонина и 5-НТ1А рецептор в мозге // Бюлл. Эксп. Биол. Мед. 2009.
Т.147(5):553-556.
23. Попова Н.К., Науменко В.С., Кожемякина Р.В., Плюснина И.З. Функциональные особенности серотониновых 5-НТ2А и 5-НТ2С рецепторов мозга и экспрессия 5-НТ2А и 5-НТ2С генов у агрессивных и неагрессивных крыс // Росс. Физиол. Журн. им. И.М.
Сеченова. 2009. T.95(2):99-105.
24. Тихонова М.А., Куликов А.В., Науменко В.С., Морозова М.В., Базовкина Д.В., Попова Н.К. Внутримозговое введение нейротрофического фактора BDNF снижает выраженность каталептического замирания у мышей с генетической предрасположенностью к каталепсии // Бюлл. Эксп. Биол. Мед. 2009 Т.147(12):649652.
25. Науменко В.С., Осипова Д.В., Цыбко А.С. О роли селективного сайленсера Freud-1 в регуляции экспрессии гена 5-НТ1А-рецептора мозга // Мол. Биол. 2010. Т.44(5):898903.
26. Попова Н.К., Науменко В.С. Полиморфизм серотониновых 5-НТ рецепторов как основа полифункциональности серотонина // Росс. Физиол. Журн. им. И.М. Сеченова.
2010. Т.96(8):778-786.
27. Науменко В.С., Цыбко А.С., Базовкина Д.В., Попова Н.К. Участие 5-НТ2А рецепторов в генетических механизмах ауторегуляции серотониновой системы мозга // Мол. Биол. 2012. Т.46(2):1-7.