Ультрадианные ритмы интенсивности синтеза РНК и белков в популяциях нейронов разных отделов нервной системы крыс и их взаимоотношения с суточными ритмами транскрипции и трансляции Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

BIOLOGICAL SCIENCES

ULTRADIAN RHYTHMS OF RNA AND PROTEIN SYNTHESIS IN NERVE CELLS POPULATION OF DIFFERENT PARTS OF RATS NERVOUS SYSTEMS AND ITS INTERATION WITH DIURNAL RHYTHMS OF TRANCRIPTION AND TRANSLATION

Mustafin A.

Doctor of Medical Sciences,

Professor of the Department of biology of the Pirogov Russian National Research Medical University. Moscow

УЛЬТРАДИАННЫЕ РИТМЫ ИНТЕНСИВНОСТИ СИНТЕЗА РНК И БЕЛКОВ В ПОПУЛЯЦИЯХ НЕЙРОНОВ РАЗНЫХ ОТДЕЛОВ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ КРЫС И ИХ ВЗАИМООТНОШЕНИЯ С СУТОЧНЫМИ РИТМАМИ ТРАНСКРИПЦИИ И ТРАНСЛЯЦИИ

Мустафин А.Г.

Доктор медицинских наук, профессор кафедры биологии Российского национального исследовательского медицинского университета им. Н. И. Пирогова Минздрава России, г. Москва

Abstract

It is determined that in the studied parts of the nervous system of rats you can clearly distinguish two groups of populations of neurons with the temporary location of the acrophases activity of chromatin. Activity of the neurocytes genome is pulse and periodically, the formation of a daily rhythm of activity of genetic and protein synthesis apparatus of neurons is due to the occurrence of distinct groups of cells in transcription and translation processes in oscillation mode.

Аннотация

Показано, что в изученных отделах нервной системы крыс отчетливо можно выделить две группы популяций нейронов с характерным временным расположением акрофаз активности хроматина. Активность генома невроцитов осуществляется импульсно и периодически, формирование суточного ритма активности генетического и белоксинтезирующего аппаратов нейронов происходит за счет вхождения отдельных групп клеток в процессы, обеспечивающие транскрипцию и трансляцию, в колебательном режиме.

Keywords: Daily and ultradian rhythms; synthesis of RNA and proteins; population of nerve cells; different parts of the nervous system.

Ключевые слова: суточные и ультрадианные ритмы; синтез РНК и белков; популяции нервных клеток; разные отделы нервной системы крыс.

Введение:

В пределах одной функциональной системы имеют место ритмы различных частотных диапазонов, что, по-видимому, способствует строгой иерархической организации разнообразных процессов внутри организма. Ультрадианные ритмы отражают особенности протекания основных физиологических процессов, могут характеризовать механизмы краткосрочных физиологических реакций организма животных и осуществляться на разных уровнях их организации [1]. Современные молекулярные исследования свидетельствуют, что возбуждение посредством вторичных и третичных посредников распространяется вглубь цитоплазмы и ядра нервной клетки и оказывает влияние на процессы синтеза белков и РНК. Экспрессируемые геномом нейронов генные продукты включаются в системные реакции различного качества, определяя молекулярную интеграцию деятельности нейрона [2]. Основываясь на собственных и литературных данных В.Я. Бродский [3] характеризует выявленные ритмы с периодом около 1 ч (околочасовые ритмы) количественных изменений белков как фундаментальное общеклеточное свойство. Уль-

традианные ритмы связаны с цикличностью метаболических процессов и, тем самым, являются эндогенными. Многообразие ритмических процессов, протекающих в биологических объектах и согласованных во времени между собой и с изменяющимися условиями внешней среды рассматривается как временная организация живых систем [4, 5].

Целью проведенного нами исследования являлось изучение ультрадианных ритмов включения меченного уридина и лейцина в суммарные РНК и белки клеток разных отделов нервной системы крыс.

Объекты и методика

Эксперимент поставлен на 350 крысах-самцах линии Wistar массой около 170-210 г, содержавшихся в стандартных условиях при фоторежиме 12:12 часов (свет с 8 до 20 час). Животных (по 3-4 на каждую временную точку исследования) забивали с 15-минутными интервалами на протяжении суток. Для изучения интенсивности транскрипции и трансляции брали спинномозговые и краниальные шейные симпатические ганглии; поясничное утолщение спинного мозга; кору мозжечка; супра-хиазматические ядра гипоталамуса; зрительную и сенсомоторную области коры большого мозга.

Срезы указанных органов культивировали in vitro. Часть срезов каждого органа инкубировали с 3Н-уридином, вторую половину - с 3Н-лейцином. Интенсивность синтеза суммарных РНК и белков регистрировали методом жидкостной сцинтилляци-онной авторадиографии. Рассчитывали абсолютное и относительное включение изотопов в суммарные РНК и белки. Параметры активности синтеза первичных генных продуктов изучали на протяжении 22 ч с 0800 до 0600 ч. Полученные данные были об-

работаны методом спектрального анализа с использованием пакета программ обработки временных последовательностей.

Результаты и обсуждение

Максимальная интенсивность включения 3Н-уридина срезами спинномозговых узлов крыс (рис.1) приходится на 21 ч 15 мин, а 3Н-лейцина -на 11 ч 45 мин, минимальные - в начале и в конце светового периода соответственно ^<0,01).

Рис.1. Изменения интенсивности включения Н3-уридина и Н3—лейцина клетками спинномозгового узла на протяжении суток при забое животных через 15-минутные интервалы.

С помощью программы для выявления скрытых периодичностей обнаружены колебания матричной активности хроматина с периодами 11,5 ч (амплитуда равна 23,4%), 2,5 ч (амплитуда равна 8,9%), и 55 мин (амплитуда равна 3,6%). Колебания активности белоксинтетического аппарата составили 12,5, 3,5 ч и 79 мин (амплитуды равны 33,9, 12,7 и 1,9% соответственно). Сопоставление суточного ритма и периодов ультрадианных ритмов клеток спинномозговых узлов крыс показало, что в активной фазе суточного ритма активности генетического аппарата период околочасовой составляющей был равен 39,5 ±3,6, а в пассивной фазе суточного ритма - 56,0 ±4,2 мин. ^<0,02). В то же время период околочасовой составляющей активности белоксинтетического аппарата был равен в активную фазу ритма 70,7±6,8, а в пассивную 42,0±5,7 мин ^<0,01). Околочасовая составляющая в активную фазу суточных ритмов синтеза первичных генных продуктов отличается длительностью периода от пассивной фазы ритма. Наличие подобных гармоник показывает, что активность генома осуществляется импульсно и периодически. Так же можно высказать предположение о том, что

при формировании суточного ритма активности генетического и белоксинтезирующего аппаратов отдельные группы клеток разных отделов нервной системы крыс входят в процессы обеспечивающие транскрипцию и трансляцию в колебательном режиме. Это согласуется с данными ряда авторов, показавших ритмичность активности клеток ряда органов [6,7].

Для срезов краниальных шейных симпатических ганглиев, поясничного утолщения спинного мозга; коры мозжечка; супрахиазматических ядер гипоталамуса так же как и в спинномозговых узлах максимальная интенсивность включения 3Н-ури-дина приходится на начало темнового периода суток, а 3Н-лейцина - на конец темнового и начало светового периода суток. Обнаружены так же колебания матричной активности хроматина с периодами 11-12,0 ч (амплитуда равна 10-13,5%), 2,6-3,5 ч (амплитуда равна 18,9%), и 56-48 мин (амплитуда равна 2,8-5,6%). Периодики интенсивности включения 3Н-лейцина составили 11,6-12,9, 2,9-3,7 ч и 37-53 мин (амплитуды равны 25,6-32,9, 11,5-13,7 и 1,5-3,2% соответственно).

Максимальные значения относительного включения 3Н-уридина срезами соматосенсорной

коры (рис.2) отмечены в начале светового периода

суток (0800-1200ч).

Рис.2. Изменения интенсивности включения Н3-уридина и Н3—лейцина клетками соматосенсорной коры большого мозга на протяжении суток при забое животных через 15-минутные интервалы.

Минимальные значения обнаружены в остальные исследованные часы суток (Р<0,01). Ультради-анные периодики составили 9,2, 3,7 ч и 44 мин (амплитуды - 16,8, 9,7 и 2,3% соответственно). Ритмическая активность функционирования белоксинтезирующего аппарата характеризуется достижением максимальных значений ближе к середине темнового периода суток (0130-0600 ч, Р<0,01). Показаны так же 11,2, 4,3 часовые и 52 минутные периодики (амплитуды - 18,9, 10,2 и 1,8% соответственно). В активной фазе суточного ритма матричной активности хроматина наименьший период ультрадианной составляющей (49,3 мин) был на 22% выше, чем в пассивной фазе суточного ритма (38,3 мин.). В темный период суток минимальный период ультрадианной составляющей интенсивности трансляции был равен 48,5 мин, а в дневные часы суток - 54,4 мин. Суточная динамика активности генома клеток срезов зрительной коры сходна с таковой, для соматосенсорной коры головного мозга крыс.

Заключение

Таки образом, в изученных отделах нервной системы крыс отчетливо можно выделить две группы популяций нейронов с характерным временным расположением акрофаз активности хроматина. Биоритмологические характеристики ритмов активности хроматина имеют свои особенности в клеточных системах, отличающихся функционально и по положению: максимальные уровни экспрессии генов клеток спинномозговых узлов супрахиазматических ядер гипоталямуса, краниальных шейных симпатических ганглиев, коры мозжечка и спинного мозга соответствуют по срокам повышенному уровню активности крыс (ночные часы суток); максимальные уровни экспрессии генов нейронов зрительной и соматосен-

сорной областей коры большого мозга соответствуют по времени дневной рецепции света. Активность генома невроцитов осуществляется импуль-сно и периодически, формирование суточного ритма активности генетического и белоксинтезиру-ющего аппаратов нейронов происходит за счет вхождения отдельных групп клеток в процессы, обеспечивающие транскрипцию и трансляцию, в колебательном режиме.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Биологические ритмы. Т. 2 / Под ред. Ю. Ашоффа. - Москва: Мир, 1984. - 414 с.1

2. Судаков К.В. Интегративная деятельность нейрона: специфика и пластичность системных ме-ханизмов.//.Журн. высш. нервн. деятельности. 1993. Т.43. вып.2 с. 289-300.

3. Бродский В.Я., Нечаева Н.В. Ритм синтеза белка.- М.: Наука, 1988,- 240с

4. Романов Ю.А., Междисциплинарный характер исследований временной организации биологических систем и их значение для медицины. // Биология и медицина / Под ред. Ю.А. Овчинникова. - М., 1985. - с. 90-103

5. Koseska A., Ullner E., Volkov E., Kurths J., Garcia-Ojalvo J. Cooperative differentiation through clustering in multicellular populations // J. Theor. Biol. — 2010. — Vol. 263. — P. 189-202.

6. Рыбаков В.П. Клеточно-популяционные закономерности механизма формирования суточного ритма репродукции клеток. Автореф дисс. докт. мед. наук. М.1991

7. Бродский, В. Я.; Дубовая, Н. Д.; Звездина, Т. К.; Фатеева, В. И.; Мальченко, Л. А. Дофамин дезорганизует ритм синтеза белка, нарушая самоорганизацию гепатоцитов in vitro. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. - 2013. - Т. 156, № 7. - С. 48-50. -