neyrogenetika
реклама
Нейрогенетика. Молекулярные основы памяти Каминская Алена Николаевна Тейяр де Шарден: "История жизни есть, по существу, развитие сознания, завуалированное морфологией". • До 50-60% из всех генов млекопитающих экспрессируются в развивающейся или взрослой нервной системе • Каждый 2-й ген человека связан с обеспечением функционирования нервной системы • В обычном состоянии мозга эти гены "молчат", но как только происходит что-то, что требует запоминания, они активируются, а потом, выполнив свою работу, вновь замолкают. 2 Нейрогенетика – это дисциплина, развившаяся на стыке генетики, нейробиологии и биологии развития 3 Методы • • • • молекулярно-биологические биохимические физиологические морфологические 4 Задачи • Изучение развития нервной системы в ходе онтогенеза, стадиоспецифический характер экспрессии генов, его регуляция • Изучение механизмов обучения и формирования памяти 5 Объекты нейрогенетики • млекопитающие, насекомые, моллюски, амфибии Drosophila melanogaster Caenorabditis elegans Apis mellifera Aplysia californica Mus musculus 6 Сантьяго Рамон-и-Кахаль Камилло Гольджи • 1906 г. нобелевская премия по физиологии и медицине за разработку нейронной теории 7 Диаметр тела нейрона 3 до 130 мкм 8 Типы нейронов 9 Синапс Си́напс (греч. σύναψις, от συνάπτειν — обнимать, обхватывать, пожимать руку) — место контакта между двумя нейронами или между нейроном и получающей сигнал эффекторной клеткой. 10 Спиловер (перелив, растекание)внесинаптическая передача Наибольшие изменения концентрации нейромедиатора происходят в локальных участках нейрональной сети, ограниченных группой нейронов или небольшим числом нейрональных компартментов. 90-е г. XX века Дмитрий Кульман и Дмитрий Русаков 11 • С функциональной точки зрения синаптическая передача может быть охарактеризована как система быстрой передачи информации по цепочке нейронов. • Внесинаптическая диффузная нейропередача может изменять активность целой группы клеток, расположенных на определенном расстоянии от источника нейропередатчика. 12 Схема молекулярных посредников, обеспечивающих передачу информации от рецепторов на ионные каналы и протеинкиназы 13 Память Кратковременная Функциональные изменения нейронов Долговременная Структурные изменения нейронов 14 Краткосрочная память на Aplysia californica • 2000 г. нобелевская премия по физиологии и медицине за открытие молекулярных механизмов работы синапсов Эрик Кэндел 15 Модель кратковременной памяти на Aplysia californica электрический удар Рефлекс втягивания жабр у Aplysia 16 Обучение на Drosophila melanogaster Seymour Benzer Yadin Dudai 17 Мутанты аденилат циклазного сигнального пути Drosophila melanogaster • dunce - нарушение функционирования фосфодиэстеразы, ↑цАМФ • rutabaga – нарушение сайта связывания аденилатциклазы с Ca/CaM-киназой,↓цАМФ • amnesiac – нарушение связывания внеклеточного белка PACAP с аденилатциклазой • DCO – нарушение функционирования каталитической субъединицы протеинкиназы А 18 Сигнальный каскад вторичных посредников в нейронах Drosophila melanogaster amnesiac АМР 19 Аппарат для обучения Drosophila melanogaster Тима Талли (Tully and Quinn, 1985) 20 Ритуал ухаживания у Drosophila melanogaster 21 Схема обучения самцов D. melanogaster 1я оплодотворенная самка наивный самец до тренировки Регистрация звуковых сигналов ухаживания, 5 мин Импульсная песня тренировк а 2я оплодотворенная самка после тренировки Синусоидальная песня обученный самец 22 • Похожие результаты, полученные на аплизии и дрозофиле свидетельствуют о том, что в основе простых форм памяти лежат одинаковые механизмы и они эволюционно консервативны. • Для создания новых адаптивных механизмов эволюция не требует новых специализированных молекул. Эволюция варьирует существующие условия, просеивая случайные мутации в структуре генов, в результате которых возникают немного другие варианты белков и немного другие способы использования их в клетках. Большинство мутаций нейтральны или даже вредны, только редкие мутации, повышающие шансы организма на выживание, с большей вероятностью сохраняются. 23 Модель lac-оперона Жакоба и Моно Сигналы из среды, окружающей клетку, могут активировать гены регуляторных белков, которые включают гены структурных белков 24 Долгосрочная память CREB - cAMP response element-binding protein, белок, связывающий элемент, реагирующий на цАМФ 25 Активация CREB вызывает экспрессию генов, которая меняет клетку в структурном и функциональном отношении 26 Молекулярный каскад экспрессии генов раннего и позднего ответов при формировании долгосрочной памяти S.Flavell, M.Greenberg, 2008 27 • Консолидация – перевод поступившей информации на постоянное хранение также это переход из краткосрочной памяти в долгосрочную 28 Долговременная память и консолидация • Обучение приводит к синтезу РНК и белка в нервных клетках. Долговременная память • Данный процесс универсален и имеет "критическое" окно, ограниченное 1-2 часами после обучения. • После его завершения память переходит в стабильную, консолидированную форму и не может быть нарушена воздействиями на нервную систему. 1900, Г. Мюллер и А. Пильзекер 29 Развитие представлений о механизмах поддержания памяти в течение многих лет 1885 - Еbbinghaus: В хранении памяти существуют две фазы; 1900 - Mueller & Pilzecker: Переход из первой фазы во вторую - активный процесс "консолидации"; 1901 - McDougall: Консолидация требует нервной активности и нарушается при травмах и судорогах; 1949 - Duncan: Память у экспериментальных животных нарушается при судорогах в те же временные интервалы, что и у людей; 1962 - Нyden: В это "временное окно" консолидации в мозге животных увеличивается синтез РНК и белка; 1963 - Flexner et al.: Блокада синтеза белка во "временное окно" консолидации нарушает долговременную память. 30 Экспрессия "ранних" и "поздних" генов определяет "позднее" формирование долговременной памяти 100 Первая волна синтеза РНК и белков 80 Вторая волна синтеза РНК и белков 60 40 20 0 Долговременная память часы 3 Обучение Экспрессия Экспрессия немедленных поздних генов ранних генов 6 9 12 Долговременная память 31 Почему для синаптической пластичности выгоднее использовать мРНК, а не белки? • Поскольку РНК может служить матрицей для теоретически безграничной трансляции, выгоднее сохранять матрицы, нежели неактивные белки • Регуляция белков на уровне трансляции мРНК по сравнению с посттрансляционной модификацией белков является более гибкой, поскольку активность белка регулируется произвольными последовательностями мРНК, а не конститутивными доменами белка 32 CPEB в яйцеклетке Rana temporaria CPEB – cytoplasmic polyadenylation element binding protein, высококонсервативный РНК-связывающий белок, который способствует удлинению полиА-хвоста мРНК 33 Долговременная память и СPEB 34 Переход приона из нормальной формы в аномальную Прионы не структурированы и сильно обогащены аминокислотными остатками глутаматом и аспарагином. Это свойство позволяет прионным доменам полимеризоваться с образованием 35 амилоидных фибрилл Долговременная память и СPEB CPEB - cytoplasmic polyadenylation element binding protein 36 Структура кодирующей Orb2 мРНК и двух белков Orb Orb2 - гомолог СРЕВ у Drosophila melanogaster 37 Распределение Orb2 в структуре синапса Drosophila melanogaster 10 µm Amitabha Majumdar et al., 2012 38 Нейрональная пластичность 39 Морфология шипиков дендритов гиппокампа F-актин Шипики дендрита Ethella, Pasquale, 2005 40 Ремоделирование актинового цитоскелета посредством LIMK1 рCREB c-fos, BDNF CREB Yokoo et al., 2003 41 Образование шипика дендрита Miyoshi et al., 2006 42 Нейротрофические факторы регулируют локальную трансляцию РНК 43 BDNF – brain-derived neurotrophic factor 44 Локальная трансляция mRNA в дендрите посредством miRNA В отсутствии BDNF трансляция LIMK1 блокируется miR-134 опосредованно через сайленсинг комплекс (SC), что приводит к уменьшению шипиков дендритов. В присутствии BDNF активируется трансляция LIMK1 и рост шипиков дендритов Schratt et al. 2006 45 Локальная трансляция в аксонах, необходимая для направленного проведения сигнала • Белки сигнального каскада ремоделирования актина (LIMK1, кофилин) • Молекулярные шапероны HSP27, HSP60, HSP70, HSP90, grp75 и grp78/BiP 46 Зачем использовать некодирующие РНК? • Последовательность нуклеотидов в РНК может определять большую точность и специфичность взаимодействия, нежели достигаемые изменением третичной структуры белков • Поэтому нкРНК при функционировании нервной системы являются устройством связи между цифровой информацией нуклеиновых кислот ядра и аналоговой информацией клеточных белков 47 Болезнь Альцгеймера Массовое отмирание нейронов головного мозга в результате постепенного накопления в них амилоидов. Ослабление кратковременной затем и долговременной памяти После 60 лет Ключевые гены: APP, PSEN1, PSEN2, APOE 48 Хорея Гентингтона После 35 лет Массовое отмирание нейронов головного мозга в результате постепенного накопления в них амилоидов. Ослабление кратковременной затем и долговременной памяти Ключевой ген: HTT В последовательности гена HTT встречаются повторы (CAG)n CAG кодирует глутамин Если n<26, развитие болезни не происходит Если 27<n<35, группа риска развития, р=10% Если 36<n<40, заболевание развивается с высокой вероятностью Если n>40, развитие заболевания неизбежно 49 Синдром Уильямса • характерные черты лица эльфа • кардиоваскулярные нарушения • замедление развития • когнитивные дефекты 50 Схема расположения генов в районе 7q11.23 человека Graya et al., 2006 51 Генетически обусловленные заболевания человека, сопровождающиеся нарушением памяти Заболевание Основные симптомы Ключевые гены Болезнь Альцгеймера Прогрессирующее ослабление памяти APP, PSEN1, PSEN2, APOE Синдром Коффина-Лоури Задержка умственного развития, многочисленные аномалии скелета RPS6KA3 Синдром Рубинштейна-Тайби Задержка умственного развития, аномалии черепа, проблемы при дыхании и глотании CREBBP Синдром ломкой Ххромосомы Удлиненный череп, оттопыренные уши, пониженный мышечный тонус, низкий интеллект FMR1 Хорея Гентингтона Снижение пластичности мышления, проблемы с координацией движений HTT Болезнь Паркинсона Повышенное напряжение мышц, тремор конечностей PARK2 Нейрофиброматоз Множественные пигментные пятна и опухоли на коже, судороги, сниженная обучаемость и память NF1 52 Рекомендуемая литература 53 54
