CC BY
12
13. Тимофеева Н.М. Качество питания лактирующих самок изменяет функционирование ферментных систем пищеварительных органов у потомства второго поколения / Е. Н. Тимофеева, В. В. Егорова, А. А. Никитина // Доклады Академии наук. - 2004. - Т. 399. - № 1. - С. 126 - 129.
14. Уголев А. М. Теория адекватного питания и трофология / А.М. Уголев. - СПб.: Наука, 1991. - 271 с.
15. Rothman S., Liebow C., Isenman L. Couseration of digestive enzymes // Physiol. Per. 2017. Vol. 82. Р. 18.
УДК 575.21
Медведева А.В.1, Токмачева Е.В.1, Никитина Е.А.1,2, Васильева С.А.1, Щеголев Б.Ф.1,Сурма С.В.1
Савватеева-Попова Е.В.1
РОЛЬ СТРЕССОРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ В ФОРМИРОВАНИИ ПАМЯТИ У ДРОЗОФИЛЫ В ПАРАДИГМЕ УСЛОВНО-РЕФЛЕКТОРНОГО ПОДАВЛЕНИЯ УХАЖИВАНИЯ
1 Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, Санкт-Петербург 2Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена, Санкт-Петербург, [email protected]
Резюме
М.Е. Лобашевым и В.Б. Савватеевым в 1959 году были получены уникальные данные о расширении адаптивных возможностей организма при тренировке свойств высшей нервной деятельности путем образования пищевых условных рефлексов на истощающие нервную систему раздражители. По-видимому, формирование условной связи способствовало преодолению стрессорного воздействия, адаптации к рестриктивным условиям и изменению функционирования нервной системы. Для проверки этого предположения было изучено влияние двух стрессорных воздействий - гипоксии и ослабленного экранированием статического магнитного поля Земли на обучение и память дрозофилы в парадигме условно-рефлекторного подавления ухаживания. Полученные результаты выявляют наличие связи нейропластичности и развития стрессорной реакции.
Ключевые слова: слабое статическое магнитной поле, гипоксия, формирование памяти.
Summary
Medvedeva A.V., Tokmacheva E.V., Nikitina E.A., Vasilieva S.A., Shchegolev B.F., Surma S.V., Savvateeva-Popova E.V. Role of the stress influences in the drosophila's memory formation in the paradigm of conditioned reflex suppression of courtship. M.E. Lobashev and V.B. Savvateev in 1959 obtained unique data on the expansion of the adaptive capabilities of the organism when training the properties of higher nervous activity by the formation of conditioned food reflexes to stimuli that exhaust the nervous system. Apparently, the formation of a conditioned connection help to overcoming stressful effects, adaptation to restrictive conditions, and changes in the functioning of the nervous system. To test this assumption, the influence of two stressful influences - hypoxia and weakened by shielding static magnetic of the Earth - on learning and memory of Drosophila in the paradigm of conditioned reflex suppression of courtship was studied. The results obtained reveal the presence of a connection between neuroplasticity and the development of a stress response. Keywords: weak static magnetic fields, hypoxia, memory formation.
В лаборатории «физиологии низших животных» М.Е. Лобашева ин-та физиологии им. И.П. Павлова в Колтушах были получены уникальные данные, обобщенные в монографии М.Е. Лобашева и В.Б. Савватеева «Физиология суточного ритма животных», изд. Академии Наук СССР, Москва, Ленинград, 1959г. При использовании сильного и сверхсильного звукового генератора (сильный - 92 дб; сверхсильный - частота 800-850 гц, сила звука 107 дб) было показано, что «действие на организм сильных, истощающих нервную систему раздражителей, но сочетаемых по принципу условного рефлекса с пищевой деятельностью, вызывает выработку и закрепление стойкой приспособительной к ним реакции животного, которая при прямом действии этих раздражителей не вырабатывается». Аналогичный подход был использован для расширения адаптивных возможностей зрительного анализатора кур, в результате которого куры «освоили» слабую интенсивность света, хотя низкая освещенность у дневных видов птиц вызывает гипнотическое состояние. Во всех экспериментальных группах наблюдалось усиление функционирования нервной системы, увеличение способности выработки условных рефлексов - «сила возбудительного процесса оказалась повышенной не только в центральном конце звукового, но и зрительного анализатора». Создание двухфазного цикла развития кур (два дня и две ночи в пределах 24 часов), опять же при подкормке
в ночное время, привело к изменению стереотипа полового поведения, времени откладки яиц, количества и веса яиц, изменение веса семенников и роста цыплят. Авторы заключают, что «тренировка свойств высшей нервной деятельности в раннем онтогенезе путем образования пищевых условных рефлексов .... вызывают глубокие изменения в функциональных свойствах нервных клеток головного мозга». Из этих данных следует, что формирование условной связи способствовало преодолению стрессорного воздействия, адаптации к рестриктивным условиям и изменению функционирования нервной системы.
Если пытаться интерпретировать приведенные данные с современных позиций, то, по-видимому, можно говорить о наличии общих механизмов, лежащих в основе формирования адаптивных процессов - стрессорной реакции, и обучения. Стимуляция регуляторных каскадов, участвующих в обучении, влияет на формирование стрессорного ответа. Расширение адаптивных возможностей с мощным эффектом влияния на ряд физиологических характеристик могут быть связаны с активацией некодирующих РНК, регулирующих тысячи генов-мишеней.
Опираясь на представления о паранекрозе, разработанные Д.Н. Насоновым и В.Я. Александровым, можно предполагать и единство механизмов, лежащих в основе стрессорной реакция живых систем, так как в ответ на стрессорные воздействия различной природы в клетке развиваются единообразные обратимые неспецифические изменения внутриклеточных белков.
В связи с этим цель работы состояла в проверке предположения наличия связи между развитием стрессорной реакции и когнитивными функциями. В данном исследовании изучено влияние двух стрессорных воздействий -гипоксии и слабых статических магнитных полей Земли (ССМП) на обучение и память дрозофилы.
Гипоксия - один из наиболее распространенных повреждающих факторов при различных неблагоприятных внешних и внутренних воздействиях. Различают физиологическую гипоксию и патологическую. В повседневной жизни человек испытывает недостаток кислорода при физиологической гипоксии. Этот вид гипоксии может формироваться в скелетной мускулатуре при интенсивных физических нагрузках, в тканях головного мозга - при чрезмерном умственном напряжении и т.д. При физиологической гипоксии, в отличие от патологической, изменение органов и тканей носит временный, обратимый характер [1]. Поскольку мозг является наиболее зависимым от кислорода органом, именно когнитивные процессы представляют собой
845
наиболее чувствительную мишень гипоксии. Хорошо известно, что тяжелые формы гипоксии подавляют процессы нейропластичности, вызывают нарушения обучения и памяти, а также оказывают деструктивный эффект на нейроны уязвимых структур мозга, в наибольшей степени -гиппокампа [2].
Развитие всех биологических объектов происходит в магнитном поле (МП) Земли, обладающем огромной проникающей способностью во все биологические системы. Одним из новых и малоизученных стрессорных факторов являются ССМП. Величины индукции таких полей лежат в пределах от 5 до 500 мкТл и эти поля оказываются способны оказывать заметное воздействие на живые организмы. Воздействие ослабленного, например, за счет экранирования статического МП Земли (на широте С. Петербурга (Колтуши), величина индукции МП Земли составляет ~50 мкТл) может оказывать пагубное, и пока что до конца непонятое, влияние в первую очередь на нервную систему и когнитивные функции живых организмов [3]. В наших экспериментах была использована циллиндрическая камера, покрытая экраническим материалом из аморфного магнитомягкого сплава АМАГ 172, ослабляющая МП Земли в 35 раз. Величину индукции МП в камере измеряли трехкомпонентным магнитометром HB0302.1A (Россия) с диапазоном измерений 0.1-100 мкТл.
Способность к обучению и формированию среднесрочной памяти самцов оценивалась в парадигме условно-рефлекторного подавления ухаживания. Метод основан на естественных стимулах полового поведения дрозофилы. При ухаживании за оплодотворенными самками, самцы сталкиваются с сигналами двух родов — аттрактивными, специфичными для самок, и аверсивным цис-вакценил ацетатом (cis-vaccenyl acetate (cVA)), приобретенным самками при предшествующей копуляции. ^A является компонентом кутикулы самца и отсутствует у девственных самок. При копуляции ^A переносится в эякуляте вместе со спермой, что снижает рецептивность самки [4]. После восприятия самцом ^A в контексте феромона самки происходит подавление ухаживания. У самца, тренируемого с оплодотворенной самкой, аттрактивный стимул ассоциируется с аверсивным, что приводит к формированию ассоциативного обучения - рефлекторному подавлению ухаживания [5].
При действии ослабленного МП, как и при отсутствии воздействия, сразу после тренировки отмечено условно-рефлекторное подавление ухаживания. Однако через 3 ч. время ухаживания самца за самкой возрастает, что свидетельствует о нарушении процессов формирования среднесрочной памяти. У мутанта agnts3 (локус agnostic, содержащий ген для LIMK1 - ключевого
846
регулятора ремоделирования актина), напротив, в нормальных условиях выработки условно-рефлекторного подавления ухаживания не происходило. После воздействия ослабленного МП наблюдается восстановление процессов обучения и памяти [6]. Таким образом, одной из мишеней влияния ССМП является каскад ремоделирования актина, что определяет влияние на ремоделирование хромосом, функционирование транскрипционных факторов и РНК-полимераз, транскрипционный выход клетки и репрограммирование молчащих генов. [7, 8]. Особое значение динамика актина приобретает в функционировании аксонов и дендритов, в обеспечении пластичности нервной системы [9].
Вместе с тем известно, что воздействие ССМП на клетку в первую очередь сказывается на состоянии митохондрий и работе супероксиддисмутазы, вызывая нарушение реакции дисмутации супероксидных радикалов и накопление активных форм кислорода в клетках с аэробным дыханием [10, 11]. Именно свободные радикалы являются модуляторами актинового цитоскелета и ассоциированных с актином белков [12]. Таким образом, в случае влияния ССМП действительно наблюдается общность механизма стрессорного воздействия и формирования пластичных изменений нервной системы. В условиях гипоксии обучение мух достоверно подавляет элементы ухаживания по сравнению с контрольными линиями и свидетельствуют об усилении способности к обучению при стрессорном воздействии. Вместе с тем, показано отсутствие достоверных различий по продолжительности компонентов ухаживания через 3 часа после тренировки. По-видимому, гипоксия оказывает краткосрочный эффект на обучение, но не затрагивает механизмы формирования памяти.
Показано, что при гипоксии резко возрастает уровень glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) и brain-derived neurotrophic factor (BDNF) [13]. GDNF оказывает нейропротективное действие при различных патологиях нервной системы, в том числе при ишемическом повреждении мозга. Вместе с тем, семейство лигандов GDNF и их рецепторных систем составляют обширную нейротрофическую сеть нервной системы, необходимую для развития и функционирования нейронов и глиальных клеток [14]. Ключевым транскрипционным регулятором индукции адаптации к условиям кислородного голодания является HIF1, активируя эритропоэз - протективный цитокин эритропоэтин, регулятор процессов синапто и нейрогенеза, а также ангиогенеза посредством нейротрофического и нейропротективного пути vascular endothelial
847
growth factor (VEGF), что повышает резистентность организма к гипоксии [2]. Одной из мишеней HIF1 является BDNF. BDNF оказывает влияние на работу дыхательной цепи митохондрий посредством TrkB-сигнализации. Антигипоксический эффект BDNF реализуется за счет сохранения активности NADH-зависимого пути окисления субстратов и синтеза АТФ [15]. При этом многочисленные исследования свидетельствуют о решающей роли BDNF в синаптической пластичности, формировании памяти и когнитивных функциях [16]. Таким образом, стресс-обусловленная активация нейротрофических факторов предопределяет пластичные изменения нервной системы.
Необходимо отметить, что как при гипоксии, так и при воздействии ССМП мишенью является энергетический обмен при этом в наибольшей степени страдают функции мозга, как основного потребителя кислорода и энергии. Известным регулятором энергетического метаболизма является миР-210 [17]. Согласно последним исследованиям, ключевым моментом реакции на гипоксию является активация миР-210 посредством HIF-1a, при этом модулируется экспрессия генов-мишеней, вовлеченных в пролиферацию, апоптоз, репарацию ДНК, ремоделирование хроматина, ангиогенез и метаболизм [18, 19, 20]. В ответ на гипоксию миР-210 подавляет экспрессию Iron-Sulfur Cluster Scaffold Homolog, что приводит к редукции митохондриальной активности, продуцированию супероксидных радикалов и, как следствие, переключение энергетического метаболизма с окислительного фосфорилирования на гликолиз [21]. На уровне перепроизводства супероксидов и функционирования митохондрий смыкаются механизмы действия гипоксии и ССМП. Вместе с тем, появились исследования о роли miR-210 в функционировании мозга, наиболее зависимого от потребления кислорода органа, в нормальных условиях [22]. Доказана роль miR-210 в нейрональной пластичности, участие в регуляции когнитивных функций в норме и при нейродегенеративных заболеваниях - болезней Альцгеймера, Паркинсона и Хантингтона. Таким образом, посредством miR-210 осуществляется связь оксидативного метаболизма при гипоксии и, возможно, ССМП с нейропластичностью [22].
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных научных исследований государственных академий на 2013-2020 гг. (ГП-14, раздел 63).
Список литературы
1. Зарубина И.В. Современные представления о патогенезе гипоксии и ее фармакологической коррекции. Обзоры по клинической фармакологии и лекарственной терапии. 2011. т.8, №3, с.31-48
2. Ветровой О.В., Рыбникова Е.А., Самойлов М.О. Церебральные механизмы гипоксического/ишемического посткондиционирования. Биохимия. 2017, том 82, вып. 3, с. 542 - 551
3. Никитина Е.А., Медведева А.В., Герасименко М.С., Проников В.С., Сурма С.В., Щеголев Б.Ф., Савватеева-Попова Е.В. Ослабленное магнитное поле Земли: влияние на транскрипционную активность генома, обучение и память у Dr. мelanogaster. Журнал высшей нервной деятельности И.П. Павлова. 2017. 67(2) : 246-256.
4. Ejima A., Smith B P C, Lucas C, van der Goes van Naters W., Miller C J, Carlson J R, Levine J D, Griffith L C . Generalization of Courtship Learning in Drosophila Is Mediated by Cis-Vaccenyl Acetate. Curr Biol. 2007; 17(7): 599-605
5. Kamyshev N.G., Iliadi K.G., Bragina J.V. Drosophila conditioned courtship: Two ways of testing memory. Learn. Mem. Cold Spring Harb. 1999. 6 : 1-20
6. С. А. Васильева, Е. В. Токмачева, А. В. Медведева, А. А. Ермилова, Е. А. Никитина, Б. Ф. Щеголев, С. В. Сурма, Е В. Савватеева-Попова. Роль родительского происхождения хромосом в нестабильности соматического генома клеток мозга дрозофилы и формирования памятного следа в норме и при стрессе. Цитология. 2019, т. 61, № 12
7. Serebryannyy L.A., Cruz C.M., Primal de Lanerolle. A role for nuclear actin in HDAC 1 and 2 Regulation. Sci. Rep. 2016. 6 : 28460. doi: 10.1038/srep28460.
8. Shinji Misu, Takebayashi M., Kei Miyamoto. Nuclear actin in development and transcriptional reprogramming. Front Genet. 2017. 8 : 27. doi: 10.3389/fgene.2017.00027
9. Konietzny A, Bär J, Mikhaylova M. Dendritic Actin Cytoskeleton: Structure, Functions, and Regulations. Front Cell Neurosci. 2017; 11: 147
10. Стефанов В. Е., Щеголев Б. Ф., Крячко О. В., Кузьменко Н. В., Сурма С. В., Спивак И. М. Модельное исследование биологических эффектов слабых статических магнитных полей на организменном и субклеточном уровне. ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 461, No 4, с. 485-488.
11. Spivak I. M., Kuranova M. L., Mavropulo-Stolyarenko G. R., Surma S. V., Shchegolv B. F, Stefanov V. E. Response to Extremely Weak Static Magnetic Fields. Biophysics, 2016, Vol. 61, No. 3, pp. 435-439.
849
12. Xu Q, Huff L P., Fujii M, Griendling K K. . Redox regulation of the actin cytoskeleton and its role in the vascular system. Free Radic Biol Med. 2017, 109:84107.
13. Piotrowicz Z, Chalimoniuk M, Ploszczyca K, Czuba M, Langfort J. Acute normobaric hypoxia does not affect the simultaneous exercise-induced increase in circulating BDNF and GDNF in young healthy men: A feasibility study. PLOS ONE. 2019. ttps: //doi. org/ 10.1371/j ournal. pone.0224207,
14. Ibanez CF, Andressoo JO. Biology of GDNF and its receptors - Relevance for disorders of the central nervous system. Neurobiol Dis. 2017:80-89. doi: 10.1016/j.nbd.2016.01.021
15. Astrakhanova T.A., Urazov M.D., Usenko A.V., Mitroshina E.V., Mishchenko T.A., Schelchkova N.A., Vedunova M.V. BDNF-Mediated Regulation of the Brain Mitochondria Functional State in Hypoxia. CTM. 2018. vol. 10. No.3. DOI: 10.17691/stm2018.10.3.10
16. Habtemariam S. The brain-derived neurotrophic factor in neuronal plasticity and neuroregeneration: new pharmacological concepts for old and new drugs. Neural Regen Res. 2018 Jun; 13(6): 983-984
17. Wei Sun, Lei Zhao, Xianjing Song, Jichang Zhang, Yue Xing, Ning Liu, Youyou Yan, Zhibo Li, Yang Lu, Junduo Wu, Longbo Li, Yanlong Xiao, Xin Tian, Tianyi Li, Yinuo Guan, Yiran Wang, Bin Liu. MicroRNA-210 Modulates the Cellular Energy Metabolism Shift During H2O2-Induced Oxidative Stress by Repressing ISCU in H9c2 Cardiomyocytes. Cell Physiol Biochem. 2017;43(1):383-394.
18. Mircea Ivan, M.D and Xin Huang. miR-210: Fine-Tuning the Hypoxic Response. Adv Exp Med Biol. 2014; 772: 205-227
19. Godlewski J, Lenart J, Salinska E. MicroRNA in Brain pathology: Neurodegeneration the Other Side of the Brain Cancer. Noncoding RNA. 2019; 5(1): 20
20. Li-Li Liu, Dahu Li, Yun-Ling He, Yan-Zhao Zhou, Sheng-Hui Gong, Li-Ying Wu, Yong-Qi Zhao, Xin Huang, Tong Zhao, Lun Xu, Kui-Wu Wu, Ming-Gao Li, Ling-Ling Zhu, and Ming Fan. miR-210 Protects Renal Cell Against Hypoxia-induced Apoptosis by Targeting HIF-1 Alpha. Mol Med. 2017; 23: 258-271
21. Jun He, Bing-Hua Jiang. Interplay between Reactive Oxygen Species and microRNAs in Cancer. Curr Pharmacol Rep. 2016. 2:82-90.
22. Watts M E., Williams S M., Nithianantharajah J, Claudianos Ch. Hypoxia-Induced MicroRNA-210 Targets Neurodegenerative Pathways. Noncoding RNA. 2018; 4(2): 10
