CC BY
5SPATIAL-TEMPORAL ORGANIZATION MATRIX ACTIVITY OF CHROMATIN OF NERVE CELLS AND THEIR CHANGES UNDER CONDITIONS OF CONSTANT LIGHTING AND INVERSE
LIGHTING
Mustafin A.G.
DMS, Prof.
Russian national research Medical University named after N. I Pirogov of Ministry of healthcare of the Russian Federation, Moscow
ПРОСТРАСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ МАТРИЧНОЙ АКТИВНОСТИ ХРОМАТИНА НЕРВНЫХ КЛЕТОК И ЕЕ ИЗМЕНЕНИЕ В УСЛОВИЯХ ПОСТОЯННОГО ОСВЕЩЕНИЯ И ИНВЕРСИИ ОСВЕЩЕНИЯ
Мустафин А.Г.
Д. м. н., проф.
Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н. И. Пирогова Минздрава России, г. Москва
Abstract
The intensity of inclusion of labeled precursors in cells total proteins and RNA varies at different hours of the day, and their average daily values along the nervous system axis from the peripheral to the stem and cortical parts of the CNS, which characterize the spatial organization, are wavelike. Under conditions of continuous constant illumination, the maximal values of daily average positional gradients of H3-uridine and H3-leucine inclusion decrease from the maximum values observed in the cells of the cerebrospinal ganglia (CSG) and spinal lumbar intumescence (SLI). Continuous illumination during 1.5 months results in insignificant changes of diurnal rhythms of H3-uridine incorporation into CSG and cerebellar cortex (CC); and to nearly two times increase of mezor and total RNA synthesis rhythm amplitude in SLI, suprachiasmatic nuclei of the hypothalamus (SCN) and visual area of cerebrum cortex (VAC). Rhythm of protein synthesis intensity in CSG, SLI, SCN and VAC is characterized by a slight decrease in mesor. Amplitude in these cell populations considerably more reduce, which indicates a smooth rhythm. In the cerebellar cortex the indicators of synthesis transcription and translation significantly increase. Thus, observed desynchronization of total RNA and proteins synthesis intensity depends on organ location in nervous system.
Аннотация
Интенсивность включения меченых предшественников в суммарные белки и РНК изменяется в разные часы суток и их среднесуточные показатели вдоль оси НС от периферических к стволовым и корковым отделам ЦНС, характеризующие пространственную организацию, носят волнообразный характер. В условиях непрерывного постоянного освещения максимумы среднесуточных позиционных градиентов включения Н3-уридина и Н3-лейцина снижаются с максимальных значений, отмеченных в клетках спинномоз-вого ганглия (СМУ) и поясничного утолщения спинного мозга (СМ). Непрерывное освещение в течение 1,5 мес. приводит в СМУ и коре мозжечка (М) к незначительным изменениям среднесуточных позиционных градиентов показателей суточного ритма включения 3Н-уридина; в СМ, супрахиазматических ядер гипоталамуса (СХЯ) и зрительной коры (ЗК) - к почти двукратному повышению мезора и амплитуды ритма синтеза суммарных РНК. Ритм интенсивности синтеза белка в СМУ. СМ, СХЯ, ЗК характеризуется незначительным снижением мезора. Амплитуда в указанных популяциях значительно более снижена, что свидетельствует о сглаженности ритма. В срезах коры мозжечка значительно возрастают показатели синтеза транскрипции и трансляции. Таким образом, наблюдаемая десинхронизация интенсивности синтеза суммарных РНК и белков в течение суток зависит от положения органа в нервной системе.
Keywords: positional gradients of H3-uridine and H3-leucine inclusion, mezor and rhythm amplitude, desyn-chronization of total RNA and proteins synthesis
Ключевые слова: позиционные градиенты включения Н3-уридина и Н3-лецина, мезор и амплитуда ритма, десинхронизация интенсивности синтеза суммарных РНК и белков.
Пространственно -временные закономерности структурно-функциональной организации выявлены во многих исследованных биологических системах [1,2]. Исследование динамики тканевых и внутриклеточных перестроек нервной системы крыс в условиях измененного фоторежима позволит судить о состоянии клеточных популяций од-
новременно во времени и в пространстве. Из данных литературы следует, что внешние датчики времени оказывают синхроизирующее воздействие на весь комплекс циркадных ритмов [3,4,5,6].
Целью исследований являлось изучение закономерностей пространственно-временной организации активности генома нейроцитов спинальных стволовых и корковых популяций в норме, а также
в условиях постоянного освещения или инверсии освещения
Эксперименты выполнены на 240 крысах-самцах линии Wistar весом 160-200 г. Животные первой контрольной группы содержались в условиях чередования света и темноты (свет с 08 до 20час). Вторая группа крыс находилась в течение 1,5 месяцев в условиях непрерывного освещения. Третья -содержалась в условиях инвертированного освещения (свет с 20 до 08 час) в течение 6-7 суток. Четвертая - в течение 18-19 суток. Интенсивность освещения составляла 250 лк.
При забоях (через каждые 4 часа на протяжение 2-х суток) для исследования брали спинномозговые ганглии (СМУ), поясничное утолщение спинного мозга (СМ), кору мозжечка (М), супрахи-азматические ядра гипоталамуса (СХЯ), зрительную область коры большого мозга (ЗК). Срезы указанных органов культивировали in vitro. Часть срезов каждого органа инкубировали с Н3-уридином, вторую половину - с Н3-лейцином. Интенсивность синтеза первичных генных продуктов оценивали методом жидкостной сцинтилляционной авторадиографии. Рассчитывали абсолютное и относительное включение изотопов в суммарные РНК и белки.
У животных контрольной группы отмечены монофазные суточные ритмы. Расчетные максимумы интенсивности транскрипции клеток СМУ, СМ, М, СХЯ соответствуют темновому периоду суток. В ЗК акрофаза наблюдается в световой период суток и находится в противофазе с акрофазами спи-нальных и стволовых популяций нейронов. Исследованные отделы НС крыс различаются уровнем транскрипции и трансляции. Среднесуточные показатели транскрипции и трансляции СМ составили 45.3+11.4 и 97.0+13.2, СМУ - 100.4+13.5 и 42.7+4.8, М - 48.6+6.1 и 53.3+2.6, СХЯ - 31.6+8.8 и 52.6+5.0, ЗК - 46.5+3.0 и 67.7+8.3 соответственно. Пространственная организация систем транскрипции и трансляции в нервной системе интактных животных выражается в пространственных градиентных изменениях интенсивности транскрипции и трансляции клеток срезов периферических, спинальных, стволовых и корковых популяций. Коэффициенты корреляции временных рядов интенсивности включения Н3-уридина клеток СМ, СМУ, СХЯ и М демонстрируют положительную связь разной степени интенсивности, что, видимо, свидетельствует об их определенной пространственной взаимосвязи. В ЗК пространственная корреляционная связь с указанными выше популяциями имеет отрицательный характер.
Между максимумами интенсивности включения 3Н-уридина и 3Н-лейцина часто можно отметить интервал (от 2 до 14 ч), зависящий, по всей вероятности, от длительности посттрасляционных процессов. Длительность внутренних акрофаз может меняться в активированных нервных клетках разных отделов НС. На этом основании можно сделать предположение о временной зависимости суточного ритма трансляции РНК от ритма транскрипции ДНК.
Непрерывное освещение в течение 1,5 мес. приводит в СМУ и М к незначительным изменениям среднесуточных позиционных градиентов показателей суточного ритма включения 3Н-уридина; в СМ СХЯ и ЗК - к почти двукратному повышению мезора и амплитуды ритма синтеза суммарных РНК. Ритм интенсивности синтеза белка в СМУ. СМ, СХЯ, ЗК характеризуется незначительным снижением мезора. Амплитуда в указанных популяциях значительно более снижена, что свидетельствует о сглаженности ритма. В срезах коры мозжечка значительно возрастают оба показателя. Можно предположить, что процесс десинхрониза-ции суточных ритмов генной активности может быть вызван ослаблением пространственных связей клеточных популяций на тканевом уровне.
Полученные нами данные по изучению кинетики интенсивности транскрипции и трансляции в условиях измененного фотопериода показывают, что отличающиеся по положению популяции нервных клеток характеризуются неодинаковыми сроками и различной степенью перестройки ритмов синтеза первичных генных продуктов. Так в клетках СМУ, СМ, М после 6-7 дней фотоинверсии фазовые сдвиги акрофазы - составил 9 ч 29 мин, 8 ч 39 мин, 13 ч 58 мин для суточного ритма синтеза суммарной РНК и 5 ч 49 мин, 10 ч 08 мин, 5 ч 15 мин для ритма синтеза суммарных белков соответственно. Через 18-19 дней изменения фоторежима найденные величины фазовых сдвигов этих ритмов в основном сохраняют сходные величины в указанных органах (6 ч 30 мин, 10 ч 39 мин, 8 ч 32мин и 6 ч 24 мин, 10 ч 10 мин, 9 ч 33 мин). Следовательно, инверсия суточных ритмов синтеза первичных генных продуктов в указанных клеточных системах осуществляется путем фазового сдвига влево со скоростью около одного часа в сутки и, видимо, завершается в течение недели продолжения эксперимента. В то же время, в СХЯ и ЗК инверсия освещения сопровождается неодинаковыми сдвигами ак-рофаз ритмов транскрипции (10 ч 33 мин и 1 ч 08 мин; 3 ч 56 мин и 1 ч 29 мин соответственно) через 6-7 и 17-18 дней фотоинверсии. Вероятно, подстройка ритмов активности генома клеток зрительной коры большого мозга и супрахиазматических ядер гипоталямуса к новому фотопериоду за 18 -19 дней вероятно еще не завершена.
Таким образом, содержание животных в условиях постоянного и измененного освещения сопровождается перестройкой пространственных градиентов интенсивности синтеза первичных генных продуктов клеток, спинальных, стволовых и корковых популяций НС; десинхронизацией суточных ритмов интенсивности транскрипции и трансляции. Следовательно, фотопериодичность является важным датчиком времени для суточной динамики активности хроматина, оказывая влияние на кле-точно-популяционные механизмы пространственно-временной организации систем транскрипции и трансляции периферических и центральных отделов нервной системы. Системам транскрипции и трансляции клеток нервной ткани свойственна единая пространственно-временная
организация, которая является самостоятельной характеристикой морфо-функционального состояния организма и находится в причинно-следственных отношениях с такими интегративными его свойствами, как адаптивность к определенным условиям среды, резистентность к различного рода внешним воздействиям.
References
1. Markina V. V. Romanov Yu. A. Chronobi-ological mechanism of homeostasis of structural and functional units of organs as a function of their spatial and temporal organization. Modern high-tech technologies. - 2005. - No. 2. - p. 39-40. [Published in Russian]
2. Shurygina A.V., Trufakin V. A. Chronobi-ological aspects of the structural and functional organization of the immune system. Advances in Modern
Biology, 1987, vol. 104, v. 2(5), pp. 268-280. [Published in Russian]
3. Koukkari W. L. Sothern R. B. Orcadian rhythms // Introducing Biological Rhythms / New York: Springer, 2006. P. 207-231.
4. G. M. Shepherd. Neurobiology. Oxford University Press 1983
5. Rachelle M. Smith and Stanly B. Williams Circadian rhythms in gene transcription imparted by chromosome compaction in the cyanobacterium Syn-echococcus elongatus. PNAS 2006, 103, 8564-8568.
6. Scheving L.E., Pauly J. E., Maersbach H., Dann J.D. The effect of continuous light or darkness on the rhythm of the mitotic index in the corneal epithelium of the rat.//Acta anat. 1974, v.88, N 3, p.411-425.
