CC BY
45
Колсанова Р.Р., Гайнутдинов М.Х., Калинникова Т.Б.
Институт проблем экологии и недропользования Академии наук РТ E-mail: tbkalinnikova@gmail.com
ВЛИЯНИЕ ИОНОВ MN2 НА УСТОЙЧИВОСТЬ ПОВЕДЕНИЯ СВОБОДНОЖИВУЩЕЙ ПОЧВЕННОЙ НЕМАТОДЫ CAENORHABDITIS ELEGANS К ТЕПЛОВОМУ СТРЕССУ
Нейротоксическое действие ионов Mn2+ на организм C.elegans проявляется в снижении теплоустойчивости поведения червя при наличии протекторного эффекта дофамина.
Ключевые слова: Caenorhabditis elegans, нейротоксичность ионов Mn2+, теплоустойчивость поведения, дофамин.
Несмотря на необходимость марганца для многих функций организма человека, при высоких концентрациях он может быть токсичным, особенно для нервной системы. Нейротоксичность марганца может проявляться не только при поступлении его в организм человека при высокой концентрации марганца на производстве [1-3], но и при хроническом поступлении в организм марганца, содержащегося в питьевой воде [4]. Известным проявлением нейротоксичности марганца для людей является индукция им болезни Паркинсона, причиной которой является избирательная гибель дофаминергичес-ких нейронов в substancia nigra и других структурах головного мозга [1-3]. Организм почвенной нематоды C.elegans в настоящее время используется как модельная система для изучения молекулярных механизмов нейротоксичес-кого действия ионов Mn2+, так как молекулярные и клеточные механизмы нейротоксичности Mn2+ высококонсервативны в эволюции [5-6].
Целью этой работы явилась проверка гипотезы, предполагающей, что одним из следствий нейротоксичности ионов Mn2+ является снижение эффективности быстрой адаптации нервной системы C.elegans к экстремальному повышению температуры, которая, как показано ранее [7] , определяет теплоустойчивость поведения червя.
C.elegans дикой линии N2 выращивали в стандартной среде выращивания нематод (СВН) [8] при температуре 22°C при кормлении E.coli OP50. Эксперименты по измерению теплоустойчивости поведения проводили с червями 3-дневного возраста, инкубированными индивидуально в 1 мл СВН, из которой были исключены агар, пептон и холестерин. Показателем теплоустойчивости являлось среднее время потери червями способности к плаванию,
индуцированному механическим стимулом (встряхивание пробирки с червем) при действии постоянной температуры 36°C. В экспериментах по изучению токсичности ионов Mn2+ или 6-гидроксидофамина (6-OHDA) 200 червей инкубировали 30 минут в 1 мл в одной из четырех сред: 85 mM NaCl; 85 mM NaCl и 50 mM MnCl2; 1% диметилсульфоксида (ДМСО); 1,5 мг/мл 6-OHDA и 1% ДМСО с последующим трехкратным отмыванием червей 10 мл СВН без агара, пептона и холестерина и пересадкой на 24 часа на чашки Петри с СВН и E.coli 0P50. В экспериментах использовали 6-OHDA, дофамин и ДМСО фирмы Sigma. Статистическую обработку результатов проводили с использованием t-критерия Стьюдента.
Высокие концентрации ионов Mn2+ и 6-OHDA, использованные в наших экспериментах, те же, что и в работах, в которых исследовались молекулярные механизмы нейротоксичности [5-6], и объясняются специфичностью C.elegans как модельного организма. Эта специфичность заключается в чрезвычайно низкой проницаемости кутикулы для многих ксенобиотиков, включая тяжелые металлы, и низкой скоростью обмена между жидкой средой и кишечником. Поэтому эффективные концентрации большинства токсикантов для C.elegans на многие порядки выше, чем для таких беспозвоночных, как Daphnia magna и другие. В то же время, после поступления в организм C.elegans концентрации токсикантов во внутренней среде, эффективные для проявления нейротоксичности, те же, что и у позвоночных. Так, после 30-минутной экспозиции C.elegans к 50 mM MnCl2 концентрация ионов M^+в тканях червя всего 7 мM [5].
Действие постоянной высокой температуры 36°C на поведение C.elegans проявляется в обратимой потере способности червей к плава-
нию, индуцированному механическим стимулом (табл.). Известно, что причиной обратимых нарушений поведения как высших беспозвоночных, так и С.е1е§ап8 [7] являются тепловые нарушения функций нервной системы прямым действием высокой температуры, переносимой нейронами, на функции нейронов и синаптических связей между нейронами или нейронами и мышцами. Поэтому теплоустойчивость поведения С.е1е§ап8 в наших экспериментах отражает устойчивость интегративных функций нервной системы червя к тепловому стрессу [7]. Для проверки предположения о том, что нейро-токсическое действие ионов Мп2+ на нервную систему С.е1е§ап8 снижает ее способность к быстрой адаптации к сильному превышению физиологического оптимума температуры, были проведены эксперименты, в которых исследовалось влияние предварительной 30-минутной экспозиции червей к высокой концентрации ионов Мп2+ с последующим восстановлением червей в течение 24 часов на чашках Петри с агаром и Е.соН ОР50 на теплоустойчивость плавания С.е1е§ап8, индуцированного механическим стимулом. Как показано в таблице, следствием предварительной экспозиции С.е1е§аш к ионам Мп2+ является сокращение среднего времени потери червями способности к плаванию при действии постоянной температуры 36°С. Следовательно, одним из проявлений ней-ротоксического действия ионов Мп2+ на организм С.е1е§ап8 является снижение теплоустойчивости поведения червей.
Известно, что в условиях наших экспериментов 30-минутная экспозиция С.е1е§ап8 к высокой концентрации ионов Мп2+ селективно индуцирует процессы нейродегенерации в до-фаминергических нейронах червя, которые раз-
виваются в ходе восстановления организмов червей в среде без ионов Мп2+ [5-6]. Поэтому вероятной причиной снижения теплоустойчивости функций нервной системы в наших экспериментах может быть повреждение ионами Мп2+ дофаминергических нейронов. В соответствии с этим предположением находятся результаты наших экспериментов:
1. Снижение теплоустойчивости плавания С.е1е§аш, индуцированного механическим стимулом, происходит не только вследствие предварительной экспозиции червей к ионам Мп2+, но и после их экспозиции к 6-ОИБЛ (табл.), который является селективным нейротоксином дофаминергических нейронов как у позвоночных, так и у С.е1е§ап8 [5];
2. Введение в среду дофамина вызывает небольшое, но достоверное повышение теплоустойчивости плавания контрольных червей и значительное повышение теплоустойчивости червей, которые предварительно были подвергнуты экспозиции к ионам Мп2+ или 6-ОИБЛ, и поэтому введение в среду дофамина полностью нивелирует различия теплоустойчивости поведения червей, индуцированные ионами Мп2+ или 6-ОИБЛ (табл.).
В целом результаты наших экспериментов позволяют сделать вывод о том, что снижение теплоустойчивости поведения С.е1е§ап8 предварительной экспозицией к ионам Мп2+ является следствием их нейротоксического действия на дофаминергические нейроны. Ранее нейротокси-ческое действие ионов Мп2+ на С.е1е§аш в основном исследовалось методами молекулярной биологии и молекулярной генетики [5-6]. Основное отличие условий экспериментов в этих работах и в нашей заключается в том, что в наших экспериментах кратковременной экспозиции к
Таблица 1. Влияние ионов Мп2+ и 6-ОИВЛ на теплоустойчивость плавания С.е^аш и ее чувствительность к дофамину
Условия Среднее время потери червями способности к плаванию, индуцированному механическим стимулом, при действии температуры 36°С, мин
эксперимента дофамин, мМ
0 30 60 90
Контроль 45,3±1,0 53,1 ±1,8 58,6±2,3 56,2±2,4
После 30-минутной экспозиции к Мп2+ 28,4±0,6 56,5±1,2 61,3±2,5 60,5±2,3
После экспозиции к 6-ОНТОА 29,7±0,5 58,2±1,5 60,4±1,8 63,2±2,7
Примечание: в каждом варианте использовано 30 червей
тальности при действии ионов Mn2+ на личинок I возраста [6] является наличие двух механизмов токсичности ионов Mn2+, одним из которых является дегенерация дофаминергических нейронов, не влияющая на выживаемость, и необратимые повреждения организма неизвестной природы, вызывающие гибель червей. В наших экспериментах экспозиция взрослых червей к ионам Mn2+ оказывает нейротоксическое действие на дофаминергическую систему C.elegans в отсутствие летальности червей. Поэтому эксперименты со взрослыми червями являются более удобной моделью изучения механизмов индукции ионами Mn2+ болезни Паркинсона, чем эксперименты с личинками I возраста.
27.10.2011
Список литературы:
1. Pal P.K., Samii A., Calne D.B. Manganese neurotoxicity: a review of clinical features, imaging and pathology // Neurotoxicology. -1999. - V. 20. - P. 227. - 238.
2. Myers J.E., teWaterNaude J., Fourie M., Zogoe H.B., Naik I., Theodorou P., Tassel H., Daya A., Thompson M.L. Nervous system effects of occupational manganese exposure on South African manganese mineworkers // Neurotoxicology. - 2003. - V. 24. -P. 649-656.
3. Huang C.C. Parkinsonism induced by chronic manganese intoxication - an experience in Taiwan // Chang Gung Med. J. -2007. -V. 30. - P. 385-395.
4. Bouchard M.F., Sauvй S., Barbeau B., Legrand M., Brodeur M.-E., Bouffard T., Limoges E., Bellinger D.C., Mergler D. Intellectual impairment in school-age children exposed to manganese from drinking water // Environ. Health Perspect. -2011. - V.119. -P. 138-143.
5. Settivary R., LeVora J., Nass R. The divalent metal transporter homologues SMF-1/2 mediate dopamine neuron sensitivity in Caenorhabditis elegans models of manganism and Parkinson disease // J. Biol. Chem. - 2009. - V. 284. - P. 35758-35768.
6. Bemedetto A., Au C., Avila D.S., Milatovic D., Aschner M. Extracellular dopamine potentiates Mn-induced oxidative stress, lifespan reduction, and dopamine neurodegeneration in a BLI-3-dependent manner in Caenorhabditis elegans // PLOS Genetics. - 2010. -V. 6. - e1001084.
7. Калинникова Т.Б., Тимошенко А.Х., Гайнутдинов Т.М., Гиндина В.В., Гайнутдинов М.Х. Адаптация нематоды Caenorhabditis elegans к высокой температуре среды // Журн. эвол. биох. и физиол. - 2006. - Т.42. - С. 457-462.
8. Brenner S. The genetics of Caenorhabditis elegans // Genetics. - 1974. - V. 77. - P. 71-94.
9. Nass R., Blakely R.D. The Caenorhabditis dopaminergic system: opportunities for insights into dopamine transport and neurodegeneration // Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. - 2003. - V. 43. - P. 521-544.
Сведения об авторах: Колсанова Руфина Рифкатовна, научный сотрудник лаборатории экспериментальной экологии Института проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан, e-mail: rufina-r@bk.ru Гайнутдинов Марат Хамитович, заведующий лабораторией экспериментальной экологии Института проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан, доктор биологических наук, профессор, e-mail: mgainutdinov@gmail.com Калинникова Татьяна Борисовна, старший научный сотрудник лаборатории экспериментальной экологии Института проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан,
e-mail: tbkalinnikova@gmail.com 420087, г. Казань, ул Даурская, д. 28, тел. (843)2985610
UDC 615.916
Kolsanova R.R., Gainutdinov M.Kh., Kalinnikova T.B.
THE INFLUENCE OF Mn2+ IONS ON THE RESISTANCE OF BEHAVIOR OF FREE-LIVING SOIL NEMATODE CAENORHABDITIS ELEGANS TO HEAT STRESS
The neurotoxic action of Mn2+ ions on C.elegans organism reveals in decrease of worm’s behavior thermotolerance with the existence of protective effect of dopamine.
Key words: Caenorhabditis elegans, neurotoxicity of Mn2+ ions, behavior thermotolerance, dopamine.
ионам Мп2+ подвергались не личинки I возраста, а взрослые черви. Соответственно, идентичная экспозиция к ионам Мп2+ через 24 часа восстановления в среде без ионов Мп2+ вызывает 50% летальность при обработке личинок I возраста [6] и почти не оказывает влияния на выживаемость, если экспозиции к ионам Мп2+ подвергаются взрослые черви (менее 5% летальности в наших экспериментах). В то же время известно, что полное прекращение синтеза дофамина в мутантных линиях С.е1е§аш не оказывает влияния на выживаемость, и это согласуется с отсутствием летальности при действии 6-ОНБЛ на С.е1е§аш в наших экспериментах [9]. Поэтому наиболее вероятным объяснением высокой ле-
