CC BY
103
Вестник СамГУ — Естественнонаучная серия. 2011. № 2(83)
БИОЛОГИЯ
УДК 612.282:612.285
ГАСТРИН-РИЛИЗИНГ ПЕПТИД — ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ УЧАСТНИК БУЛЬБАРНЫХ МЕХАНИЗМОВ РЕГУЛЯЦИИ ДЫХАНИЯ
© 2011 А.А. Алиев1
В статье обсуждается роль гастрин-рилизинг пептида в регуляции дыхания на уровне продолговатого мозга. Предоставляется информация, касающаяся процессинга данного нейропептида и экспрессии его рецепторов в функционально-специфических областях дыхательного центра. Приводятся результаты исследований респираторных эффектов родственного пептида бомбезина, а также влияние микроинъекций гастрин-рилизинг пептида в область ядра солитарного тракта на показатели внешнего дыхания и биоэлектрическую активность инспираторных мышц.
Ключевые слова: гастрин-рилизинг пептид, ядро солитарного тракта, дыхательный центр, бомбезиновые рецепторы.
Введение
Гастрин-рилизинг пептид (СИР) является 27-аминокислотным полипептидом, который относится к семейству, включающему также структурно связанные пептиды амфибий — бомбезин, ранатензин и филлолиторин [1]. Впервые он был выделен из ткани желудка и кишечника свиньи при использовании выделяющегося гастрина в качестве биопробы [2]. Гастрин-рилизинг пептид обладает широким спектром физиологических эффектов, таких как регуляция циркадианных ритмов, терморегуляция, регуляция аппетита и чувства насыщения. Помимо эффектов в центральной нервной системе, СИР модулирует активность иммунной системы, в частности макрофагов, обладает трофическими влияниями в нормальных и неопластических клетках, включая аутокринную стимуляцию пролиферации клеток мелкоклеточного рака легких. В желудочно-кишечном тракте данный пептид участвует в регуляции секреции ферментов поджелудочной железы и соляной кислоты желудочного сока, стимулирует сокращение гладкой мускулатуры, а также стимулирует высвобождение ряда гормонов кишечника, включая гастрин [1; 3-6].
Данные последних лет позволяют предполагать непосредственное участие данного нейропептида в центральных механизмах регуляции дыхания. В пользу этого свидетельствуют представленность гастрин-рилизинг пептида и его аналогов
1 Алиев Артем Алиевич ([email protected]), кафедра физиологии человека и животных Самарского государственного университета, 443011, Российская Федерация, г. Самара, ул. Акад. Павлова, 1.
в стволе мозга, а также наличие специфических рецепторов к гастрин-рилизинг пептиду [7; 8].
1. Особенности лиганд-рецепторной селективности СИГ
Влияния СИР на деятельность органов и систем организма, в первую очередь, определяются активацией специфических бомбезиновых рецепторов. У млекопитающих данное семейство включает три связанных с С-белками гептаспиральных рецептора: рецептор ВВ\ к нейромедину В (ММВ-И), рецептор ВВ2 к гастрин-рилизинг пептиду (СИР-И) и бомбезиновый рецептор ВВ3 (ВИБ-Э). Они широко представлены в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) и центральной нервной системе (ЦНС), где опосредуют эффекты в нормальных либо патофизиологических условиях [1; 4].
Открытие и идентификация бомбезиновых рецепторов происходили с использованием клонирования тканей и изучением сродства различных лигандов к соответствующим рецепторам. Предпочтительное связывание с тем или иным агонистом явилось основой для классификации рецепторов [1].
Особенности лиганд-рецепторного взаимодействия гастрин-рилизинг пептида позволяют утверждать, что он является селективным агонистом ВВ2-подтипа рецепторов. В частности, СИР обладает в 11-820 раз более высокой аффинностью к ВВ2-подтипу, чем к ВВ±. В свою очередь, СИР-И имеет в 50-310 раз более высокое сродство к гастрин-рилизинг пептиду, чем к другому бомбезин-родствен-ному пептиду — нейромедину В. Значительный разброс в кратности аффинности связан с рассматриваемыми видами животных [9]. Стоит отметить, что бом-безин, являющийся первым выделенным представителем семейства бомбезин-род-ственных пептидов, имеет одинаково высокую аффинность как к СИР-И, так и к ММВ-И [1; 6; 9]. Связывание с ВВ2-подтипом рецептора происходит для га-стрин-рилизинг пептида и бомбезина с одинаковой аффинностью, составляющей
2, 7±0, 2 нМ (1С50), тогда как к ВВх-подтипу аффинность бомбезина выше, чем СИР (1С50 = 5, 3 ± 0, 4 и 30, 8 ± 1, 2 нМ, соответственно) [9].
2. Гастрин-рилизинг пептид в регуляции дыхания
Интерес к гастрин-рилизинг пептиду в отношении его вовлеченности в нейрохимические механизмы функционирования дыхательного центра вызван рядом исследовательских работ, указывающих на распределение данного пептида и его рецепторов в продолговатом мозге. В частности, при использовании гибридизации in situ удалось обнаружить матричную РНК гастрин-рилизинг пептида в ядре солитарного тракта (ЯСТ) [8]. Как известно, данная структура входит в состав дыхательного центра, и в ее вентролатеральной части расположена дорсальная респираторная группа [10]. Являясь центральным координатором кардиореспира-торных процессов, ядро солитарного тракта получает афферентные волокна от рецепторов растяжения легких и рецепторов воздухоносных путей, проходящие в составе блуждающего (X) и языкоглоточного нерва (IX) [10]. Умеренный гибриди-зационный сигнал на присутствие мРНК GRP был обнаружен в медиальных областях ЯСТ, дорсальном моторном ядре блуждающего нерва, а также в парабрахи-альных ядрах. Обособленные популяции клеток с умеренным гибридизационным
сигналом на мРНК GRP найдены в вентролатеральных областях ЯСТ, локализованных латерально от ростральной части моторного ядра блуждающего нерва [8]. В данной области залегают вентролатеральные подъядра ЯСТ, преимущественно содержащие инспираторные нейроны дорсальной респираторной группы [10]. Слабый гибридизационный сигнал наблюдался в ростровентролатеральном ретикулярном ядре и ядре Келликера-Фьюза [8]. Двойное иммуногистохимическое маркирование в исследованиях на мышах, показало, что субпопуляции рецепторов к гастрин-рилизинг пептиду (GRP-R) присутствуют в ГАМКергических нейронах миндалины и ЯСТ [3; 7]. В ядре солитарного тракта обнаружена умеренная им-мунореактивность GRP-содержащих нейронов. Предполагается, что GRP/GRP-R система влияет на память за счет модуляции высвобождения нейротрансмиттера в локальной ГАМКергической сети [7; 11]. В пользу того что GRP может являться котрансмиттером ГАМК, свидетельствует экспрессия ББ2-подтипа рецепторов на ГАМКергических интернейронах полиморфного слоя гиппокампа. Активация данных рецепторов гастрин-рилизинг пептидом вызывает сильные входящие токи и деполяризацию визуально идентифицированных интернейронов в срезах полиморфного слоя гиппокампа in vitro, что приводит к увеличению внеклеточного уровня ГАМК [12]. Присутствие эндогенного GRP в ядре солитарного тракта также продемонстрировано иммуногистохимически при использовании антисыворотки к N- и C-концам нейропептида. Иммунореактивность обнаруживалась в ядре солитарного тракта, в самом солитарном тракте, в близлежащем моторном ядре вагуса, а также в area postrema и желатинозной субстанции, отделяющей ЯСТ от area postrema. Позитивное иммунохимическое окрашивание наблюдалось в густой сети нервных волокон, которые проецируются вдоль ствола мозга. Иммунохимиче-ски маркированные клеточные тела располагались рострально от obex, главным образом, в медиолатеральных подъядрах ЯСТ. Данные нейроны, проецирующиеся каудально по направлению к коммиссуральным подъядрам ЯСТ [13], включают нервные клетки второго порядка, которые принимают моносинаптические входы от быстроадаптирующихся рецепторов растяжения легких [14; 15]. Они же имеют длинные дендриты, направленные латерально и вентролатерально к ретикулярной формации, амбигуальному и фациальному ядрам [15].
В экспериментах на неонатальных крысах при использовании гибридизации in situ и клонированных молекул цДНК GRP и NMB в качестве области умеренной экспрессии мРНК BB\ и BB2-подтипов рецептора было определено амбигу-альное ядро [16]. Более того, эксперименты с инъекциями бомбезина в область n.ambiguus, проведенные на плетизмографической модели крыс, продемонстрировали дозозависимое увеличение дыхательного объема, тогда как частота дыхания снижалась при повышении концентрации пептида. Подобные эффекты не проявлялись при двустороннем пересечении блуждающего нерва [17].
Стоит отметить, что влияния микроинъекций GRP в различные функционально-специфические области дыхательного центра на показатели внешнего дыхания до настоящего времени не изучались. Тем не менее, подобные работы выполнялись с бомбезином. В частности, введение 0,1 пМ-0,1 мМ бомбезина в пре-Бет-цингеров комплекс приводило к увеличению вентиляции легких с возрастанием частоты дыхания при снижении продолжительности экспирации. Одновременно наблюдалось укорочение межзалповых интервалов на ЭМГ диафрагмы и наружных межреберных мышц. Также на поперечных срезах ствола мозга крыс проводилось измерение мембранного потенциала, входного сопротивления и паттерна спонтанной активности нейронов пре-Бетцингерова комплекса при аппликации бомбезина (1 нМ) в перфузионный раствор. В большинстве случаев (68 %) про-
исходили деполяризация мембраны, увеличение входного сопротивления и рост спайковой активности у спонтанно активных клеток [18]. В экспериментах с микроинъекциями 10~13-10-4 М бомбезина в область ядра солитарного тракта наркотизированных крыс происходила стимуляция дыхания, что сопровождалось возрастанием уровня легочной вентиляции, дыхательного объема и биоэлектрической активности инспираторных мышц. Наиболее выраженные реакции дыхания возникали под влиянием средних концентраций пептида (10~10-10~7 М). Предполагается, что респираторная активность бомбезина в ядре солитарного тракта заключается в угнетении рефлекса Геринга — Брейера [19].
Однако, как уже отмечалось выше, бомбезин обладает одинаковой аффинностью как к ВВ1, так и ВВ2 рецепторам, тогда как СИР является селективным агонистом ВВ2 подтипа, и его респираторные эффекты будут определяться, в первую очередь, экспрессией СИР-И в функционально-специфичных областях дыхательного центра. В отличие от бомбезина, выделенного у амфибий, гастрин-рилизинг пептид, наряду с нейромедином В, является специфичным для млекопитающих эндогенным нейропептидом [8].
В нашей работе исследовались реакции внешнего дыхания и биоэлектрической активности инспираторных мышц на микроинъекции СИР в область ядра соли-тарного тракта. Эксперименты выполнялись на крысах массой 200-250 г, наркотизированных уретаном. Гастрин-рилизинг пептид (10~5 М) растворяли в искусственной цереброспинальной жидкости и вводили с помощью микрошприца через стеклянную микропипетку в объеме 50 нл в исследуемую область мозга. В контрольных экспериментах в ту же область инъецировали 50 нл искусственной цереброспинальной жидкости (см. рисунок).
ИсХЩМНН ШИВСЬ
1'Л.АЛААЛА
ГЬУ\АЛА Л/иии1./13
_.-А___У4^ 5
Рис. 1. Реакции паттерна дыхания (1), ЭМГ диафрагмы (2) и ее интегрированной производной (3), ЭМГ наружных межреберных мышц (4) и ее интегрированной производной (5) на микроинъекции 10~Б М гастрин-рилизинг пептида в область ядра солитар-ного тракта
Микроинъекции СИР приводили к увеличению дыхательного объема на 0,1± ±0,02 мл (р < 0,01). За счет возрастания продолжительности экспирации на 0,15 ± 0,03 с (р < 0, 01) происходило снижение частоты дыхания на 9 ± 1 мин-1 (р < 0, 01). Статистически значимых изменений длительности вдоха не выявлено.
{¡Ш* нгм
АллаЛД
Реакции характеризовались коротким латентным периодом (1 минута). Реакции временных показателей дыхания имели максимальную выраженность на 4-8 минутах после инъекции, тогда как пик реакции амплитудных показателей приходился на 15-20 минуту.
Заключение
Данные выполненных экспериментов, в которых введение гастрин-рилизинг пептида в область локализации дорсальной респираторной группы приводило к изменениям биоэлектрической активности инспираторных мышц и паттерна внешнего дыхания, а также данные об экспрессии специфических рецепторов в исследуемой области мозга [8; 13], указывают на непосредственное участие эндогенного гастрин-рилизинг пептида в регуляции дыхания. Гипотеза о вовлеченности бомбе-зиновых рецепторов в деятельность дыхательного центра подтверждается также результатами наших предшествующих работ, выполненных с неспецифичным для млекопитающих нейропептидом — бомбезином [19].
Литература
[1] International Union of Pharmacology. LXVIII. Mammalian Bombesin Receptors: Nomenclature, Distribution, Pharmacology, Signaling, and Functions in Normal and Disease States / R.T. Jensen [et al.] // Pharmacol Rev. 2008. V. 60. P. 1-42.
[2] Characterization of a gastrin releasing peptide from porcine non-antral gastric tissue / T.J. McDonalda [et al.] // Biochemical and Biophysical Research Communications. 1979. V. 90. Issue 1. P. 227-233.
[3] Ohki-Hamazaki Hiroko, Iwabichi Maiko, Maekawa Fumihiko. Development and function of bombesin-like peptides and their receptors //Int. J. Dev. Biol. 2005. V. 49. P. 293-300.
[4] Characterization of the bombesin-like peptide receptor family in primates / Hideki Sano [et al.] //Genomics. 2004. V. 84. P. 139-146.
[5] Cloning and characterization of cDNAs encoding human gastrin-releasing peptide / E.R. Spindel [et al.] // Proc. Nati. Acad. Sci. USA 1984. V. 81. P. 5699-5703.
[6] Bombesin and its family of peptides: prospects for the treatment of obesity / K. Yamada [et al.] // European Journal of Pharmacology. 2002. V. 440. Issues 2-3. P. 281-290.
[7] Immunohistochemical localization of gastrin-releasing peptide receptor in the mouse brain / S. Kamichia [et al.] // Brain Research. 2005. V. 1032. P. 162-170.
[8] Neuromedin B and Gastrin-Releasing Peptide mRNAs Are Differentially Distributed in the Rat Nervous System / E. Wada [et al.] // The Journal of Neuroscience. 1990. V. 10. Issues 9. P. 2917-2930.
[9] Molecular Basis of the Selectivity of Gastrin-Releasing Peptide Receptor for Gastrin-Releasing Peptide / K. Tokita [et al.] // Mol Pharmacol. 2002. V. 61. P. 1435-1443.
[10] Alheid G.F., McCrimmon D.R. The chemical neuroanatomy of breathing // Respiratory Physiology & Neurobiology. 2008. V. 164. P. 3-11.
[11] Facilitation of the inhibitory transmission by gastrin-releasing peptide in the anterior cingulate cortex / Cao [et al.] // Molecular Pain. 2010. V. 6. P. 52.
Effect of gastrin-releasing peptide on rat hippocampal extracellular GABA levels and seizures in the audiogenic seizure-prone DBA/2 mouse / N. Andrews [et al.] // Brain Research. 2000. V. 859. P. 386-389.
King B.F., Jonesa M.V., Ewarta W.R. Immunohistochemical localisation of a gastrin-releasing peptide-like material in area postrema, nucleus of the solitary tract and vagal motor nucleus in the brainstem of rat // Journal of the Autonomic Nervous System. 1989. V. 28. Issue 2. P. 97-104. Lipski J., Ezure K., Wong She RB. Identification of neurons receiving input from pulmonary rapidly adapting receptors in the cat //J. Physiol. 1991. V. 443. P. 55-77.
Morphology of pulmonary rapidly adapting receptor relay neurons in the rat / K. Otake [et al.] //J. Comp Neurol. 2001. V. 430. Issue 4. P. 458-470. Comparison of gene expression for two distinct bombesin receptor subtypes in postnatal rat central nervous system / E. Wada [et al.] // Mol Cell Neurosci. 1992. V. 3. Issue 5. P. 446-460.
A centrally elicited respiratory stimulant effect by bombesin in the rat / J. Hedner [et al.] // European Journal of Pharmacology. 1985. V. 115. Issue 1. P. 21-29. Инюшкин А.Н., Глазкова Е.Н. Респираторные эффекты бомбезина на уровне пре-Бетцингерова комплекса крыс // Российский физиологический журнал. 2007. № 8. С. 914-925.
Инюшкин А.Н., Глазкова Е.Н. Респираторные реакции на микроинъекции бомбезина в ядро солитарного тракта и их механизм реализации // Российский физиологический журнал. 2005. № 5. С. 521-529.
Поступила в редакцию 10/XI/2010; в окончательном варианте — 10/XI/2010.
GASTRIN-REALISING PEPTIDE — POTENTIAL PARTICIPANT INVOLVED IN THE BULBAR MECHANISMS OF THE REGULATION OF BREATHING
© 2011 A.A. Aliev2
In the article we review the role of gastrin-realising peptide in the respiratory control at the level of the medulla. The information concerning the distribution of this neuropeptide and its receptors expression in the functionally-specific regions of the respiratory center is presented. We also review some data about respiratory effects of related peptide — bombesin. The effects of gastrin-realising peptide microinjections into the nucleus tractus solitarii on the main parameters of breathing pattern and the activity of inspiratory muscles are presented.
Key words: gastrin-realising peptide, solitary tract nucleus, respiratory center, bombesin receptors.
Paper received 10/XI/2010. Paper accepted 10/XI/2010.
2Aliev Artem Alievich (ruptrihSyandex.ru), the Dept. of Human and Animals Physiology, Samara State University, Samara, 443011, Russian Federation.
