ГИПОКСИЯ ПРОТИВ ДЕПРЕССИЙ; МЕХАНИЗМЫ Баранова Ксения Александровна Работа выполнена в Лаборатории регуляции функций нейронов мозга Института физиологии им. И.П. Павлова РАН, заведующий - проф., д.м.н. М.О. Самойлов Тревожно-депрессивные состояния и антидепрессивные эффекты гипоксического прекондиционирования NF-κB CREB NGFI-A HIF-1 c-Fos Механизм? Постстрессорные патологии Нарушения настроения, тревожность, нарушения сна, снижение работоспособности, риск сердечнососудистых заболеваний, суицида НЕ развиваются постсрессорные тревожнодепрессивные патологии Транскрипционные факторы (ТФ) Активационные ТФ (фосфорилирование) 4.1. Домен -scaffold Индуцибельные ТФ – продукты ранних генов 1.1 Домен «лейциновая молния» 1.2. Спральповоротспираль ТФ рецепторы 2.1. Домен «цинковые пальцы» 4.1.1. NGFI-A MR - HIF-1α 2.1.1. C4 mineralocorticoid CREB - cAMP response element binding protein 2.3.2. C2H2 receptor NF-κB – nucler factor kappa B c-Fos 1.2.6. PAS GR glucocorticoid receptor CREB С-Fos - FBJ osteosarcoma oncogene NF-κB 1.1.1. AP-1 NGFI-A - nerve growth factorinducible gene А 1.1.2. CREB HIF-1α hypoxia inducible factor 1 alfa Rel/ankyrin Активационные транскрипционные факторы Факторы роста, гормоны, нейротрансмиттеры, антигены Glu Ca++ p53 P P NFkB С R E B С R E B ET1 Продукты геновмишеней IKB P ERK1/2 PKC Akt PKA P P p90RSK P P S133 S133 С С R R E E B B CRE p30 0 TBP TATA Epo Co-factor TFIIB RNA Pol-II Индуцибельные транскрипционные факторы Факторы роста, гормоны, нейротрансмиттеры, антигены Glu Ca++ p53 P P P NFkB С R E B С R E B ET1 Продукты геновмишеней IKB P ERK1/2 PKC Akt PKA P P p90RSK P P S133 S133 С С R R E E B B CRE p30 0 TBP TATA Epo Co-factor TFIIB RNA Pol-II Кортикостероидные рецепторы – транскрипционные факторы GC GC GC GC GC HSP90 HSP90 GC GC MR MR HSP90 Продукты геновмишеней GC GR GC GC LDHA GC GR GR GRE +/- GC GR GR GC MR GRE GC GC MR MG ? +/- Активаторы/индукторы и мишени ТФ Различные внеклеточные и внутриклеточные сигналы. Гормоны, нейротрансмиттеры, кальций, протеинкиназы, антиоксиданты, транскрипционные и ростовые факторы и др. Транскрипционные факторы CREB Белки-регуляторы Гормоны c-Fos Ферменты Рецепторы медиаторов и гормонов HIF-1 Транспортеры NGFI-A Белки ионных каналов Нейротрофины Про- и антиапоптозные белки Стрессбелки HSP и др. Формирование и предотвращение тревожно-депрессивных расстройств Физический и психологический стрессы, гипоксия, повреждения мозга, обучение, лекарства. Цель и задачи исследования Цель – изучение особенностей экспрессии активационных, индуцибельных и лиганд-зависимых транскрипционных факторов в образованиях мозга, вовлекаемых в патогенез постстрессовых расстройств, при формировании экспериментальных тревожно-депрессивных состояний и их коррекции гипоксическим прекондиционированием у крыс. Основные задачи исследования: Изучить экспрессию активационных транскрипционных факторов pCREB и NF-κB(p65) в гиппокампе, неокортексе, гипоталамусе крыс при развитии депрессивноподобного состояния «выученной беспомощности» (модель эндогенной депрессии) и тревожного состояния (модель посттравматического стрессового расстройства (ПТСР) «стресс-рестресс»). Выявить особенности постстрессовой активации CREB и NF-κB(p65) у прекондиционированных умеренной гипобарической гипоксией животных, у которых тревожно-депрессивные состояния не формируются. Оценить динамику экспрессии индуцибельных транскрипционных факторов c-Fos, HIF-1α и NGFI-A в гиппокампе, неокортексе, гипоталамусе крыс в ответ на воздействие патогенным стрессом в моделях депрессии и ПТСР. Провести сравнительное исследование паттернов индукции этих факторов у непрекондиционированных и прекондиционированных животных. Охарактеризовать участие лиганд-зависимых транскрипционных факторов – глюко- (GR) и минералокортикоидных (MR) рецепторов гиппокампа, неокортекса и гипоталамуса крыс в механизмах развития модельной депрессии и ПТСР, а также их коррекции гипоксическим прекондиционированием. Материалы и методы. Модель 1 – ВБ Модель депрессии - «выученная беспомощность» (ВБ) (Seligman et al., 1967) Депрессии - аффективные расстройства, эндогенные неврозоподобные клинические состояния, характеризующиеся нарушением аффекта, а также психомоторной ретардацией. Отрицательная обратная связь Неконтролируемый неизбегаемый стресс 60 ударов током (1 мА, 50 Гц, 15 сек) в течение 1 часа, подаваемых в случайном порядке, в замкнутой камере. надпочечники Депрессивно-подобное состояние Поведенческие нарушения, повышение уровня кортикостероидов в крови, нарушение регуляции ГГАС по принципу обратной связи. Материалы и методы. Модель 2 – ПТСР Модель ПТСР – парадигма «стресс-рестресс» (Liberzon et al., 1997) ПТСР – посттравматическое стрессовое расстройство – тревожная патология, возникающая, как отсроченная затяжная реакция на травматическое стрессовое событие угрожающего жизни катастрофического характера. 2 часа 20 мин 15 мин 2 мин 7 дней иммобилизация вынужд. плавание о т д ы х эфир отдых СТРЕСС 20 мин иммобилизация РЕСТРЕСС Материалы и методы. Модель 3 – ГП Гипоксическое прекондиционирование (ГП) – модель предъявления кратких эпизодов умеренной гипобарической гипоксии в режиме прекондиционирования, направленного на индукцию эндогенных генетически детерминированных механизмов защиты клеток от неблагоприятных факторов (Самойлов, 1999; Самойлов и др., 2004; 2012; Самойлов, Рыбникова, 2012). Барокамера – 360 мм рт ст («5 км», 10% кислорода) 2 часа, 3 раза с интервалом в 24 ч НЕ развивается ПТСР и ВБ Нормализация поведения, работы ГГАС (Рыбникова и др., 2006; 2007; 2008; Rybnikova et al., 2007). Материалы и методы. Методы 1. Методы 1. Гистологические методы 2. Иммуноферментные методы 2.1. Вестерн-блоттинг Антитела к ТФ pCREB, NF-κB65, c-Fos, NGFI-A, HIF-1, GR, MR, β-актину Материалы и методы. Методы 2. Методы (продолжение) 2. Иммуноферментные методы 2.2. Иммуноцитохимический метод DG 3. Компьютерный анализ микроизображений 4. Статистическая обработка результатов Дисперсионный однофакторный анализ ANOVA, Пакет Statistica CA1 Неокортекс V слой ВидеоТест Мастер - Морфология Неокортекс II-III слои PVNm PVNp Особенности активации CREB в моделях ВБ, ПТСР и ГП *# CA1 2000% * 300% 1500% 500% 1 сутки 5 сутки 10 сутки 400% * 0% *# DG 1 сутки 5 сутки 10 сутки #* Неокортекс V слой 300% 200% ГПВБ # 200% * * 0% 1 сутки * 5 сутки 10 сутки ГП ПТСР CA1 К ПТСР 10 сутки 100% Гиппокамп 0% 1 сутки 400% 300% * 5 сутки 10 сутки # * 800% Неокортекс II * слой 200% 400% 100% 200% DG 1 сутки 120% 5 сутки Актин ПТСР 0% 800% 600% * * 40% 1 сутки 10 сутки# Неокортекс V слой 80% # 600% 0% ВБ PVN ВБ 100% 0% Контроль # 200% 1000% 600% Неокортекс # * II слой * PVNm * * 1 сутки # 5 сутки * PVNp 10 сутки # * 400% 200% 0% 0% 1 сутки Контроль 5 сутки 10 сутки Стресс ВБ # 1 сутки или ПТСР 5 сутки 10 сутки ГП Особенности активации NF-kB в моделях ВБ, ПТСР и ГП * # 150% CA1 450% * 300% * 150% * * * Неокортекс II слой 100% * 1000% 0% 5 сутки DG * # 600% 10 сутки * # 400% 300% *# 400% 200% 0% 150% 5 сутки 5 сутки Неокортекс V слой * 10 сутки # 1 сутки 2000% 1000% 100% 500% 5 сутки 10 сутки Неокортекс II слой * #* 10 сутки * * * 10 сутки Контроль DG * 50% 5 сутки * * ПТСР 0% 1 сутки *# 300% 5 сутки DG 10 сутки# * 200% 1 сутки 100% 100% * ВБ 10 сутки * 50% * ГП ПТСР 10 сутки 0% 0% 1 сутки 5 сутки Неокортекс V слой 150% 200% 5 сутки ПТСР 10 сутки # * Гиппокамп # 100% 50% PVNp * 1 сутки 150% 100% 5 сутки 0% 1 сутки 200% CA1 * * 1500% 200% 10 сутки # 0% 1 сутки 0% 1 сутки * *# 500% 1 сутки PVNm * 1500% 50% 0% 0% 400% 2000% 1 сутки Контроль 5 сутки 10 сутки Стресс ВБ или ПТСР ГП Обнаруженная в обеих парадигмах стрессирования недостаточная активация ТФ CREB и NF-κB в мозге может являться общим компонентом патогенеза как депрессии, так и ПТСР. НЕ развиваются Постсрессорные постсрессорные тревожнотревожнодепрессивные депрессивные патологии патологии Реализация протективного действия ГП сопровождается активацией CREB и NF-κB, что позволяет предположить участие этих ТФ в обеспечении неспецифических проадаптивных процессов. Индукциия c-Fos и HIF-1α в моделях ВБ, ПТСР и ГП 1200% * 800% # # CA1 * Контроль 1200% 5 сутки * # DG 1200% 800% ВБ 400% *# 1200% 1 сутки # 400% 10 сутки * * # * 1 сутки 2500% CA1 * 2000% * # 100% 1500% # * * 1000% 500% Неокортекс II слой * 3000% * 2000% * # * # 5 сутки * DG * 200% #* 100% 10 сутки * 5 сутки PVN # 5 сутки ПТСР 10 сутки PVNm * # # * #* *# * 10 сутки 1 сутки 1 сутки 3000% 5 сутки * PVNp # 1000% ПТСР 10 сутки Контроль ГП ПТСР Стресс ВБ 10 сутки * * 2000% 0% 1 сутки 5 сутки 0% 1 сутки * * 1000% 0% 1 сутки 300% ВБ 10 сутки PVNp 800% 5 сутки 200% 400% 5 сутки # * 1600% 0% 1 сутки 0% 500% * 1 сутки ГПВБ 0% 300% # 0% 10 сутки * * * 400% * * * * 800% 0% 1 сутки PVNm 1600% V слой * * 400% Неокортекс # # # * * 0% 1 сутки или ПТСР 5 сутки 10 сутки ГП Отсроченная сверхэкспрессия индуцибельных факторов c-Fos и HIF-1α во всех рассматриваемых областях мозга в ответ на стресс свидетельствует о нарушении волновой динамики, характерной для продуктов ранних генов. Отсроченный период Ранний период Ранний период Отсроченный период ГП нормализует волновую динамику этих ТФ универсально вслед за ВБ и ПТСР стрессом. Вместе с тем, на ранних сроках после стресса ГП-индуцированные изменения экспрессии ТФ с-Fos и HIF-1α зависят от парадигмы стрессирования. Особенности экспрессии GR в моделях ВБ, ПТСР и ГП * # CA1 240% 180% * 120% * * 100% 50% 40% 0% 1 сутки # * 5 сутки DG 600% * 10 сутки# 1 сутки * # DG 5 сутки ГПВБ 10 сутки 0% 120% ВБ # * * 1 сутки PVNp * 0% 1 сутки * * 5 сутки 10 сутки * # CA1 200% 1 сутки # * 600% PVN 400% 100% ПТСР 50% 200% 0% 0% 1 сутки * 200% # 5 сутки DG 10 сутки ГП ПТСР 450% 5 сутки # 1 сутки * # * * 5 сутки 10 сутки *# 300% 100% 1 сутки 150% 0% * 0% 1 сутки ВБ 5 сутки ПТСР 10 сутки 1 сутки Контроль Стресс ВБ 10 сутки * # PVNm *# Контроль 150% * 0% 1 сутки * 10 сутки 80% 40% 200% * 5 сутки Контроль 400% # PVNm 150% 80% 0% 800% Неокортекс II # # 200% слой 120% * * 60% # *# 160% или ПТСР * 5 сутки PVNp # * 10 сутки ГП Обнаруженное в модели ВБ уменьшение числа GR может являться причиной снижения чувствительности ГГАС к сигналам глюкокортикоидной обратной связи, что характерно для депрессивных состояний. GC GC GC GCGC GC GC GC GC Стимуляция экспрессии рецепторов, вызываемая ГП, способствует потенциации механизмов глюкокортикоидного торможения, что очевидно является одним из важных механизмов протективного эффекта ГП. Постстрессорные патологии Механизм? НЕ развиваются постсрессорные тревожнодепрессивные патологии Постстрессорные патологии НЕ развиваются постсрессорные тревожнодепрессивные патологии Положения: 1. Пространственный паттерн нарушений экспрессии транскрипционных факторов в мозге специфичен для различных форм тревожнодепрессивной патологии у крыс. При формировании депрессивноподобного состояния, наиболее выраженные модификации экспрессии исследуемых транскрипционных факторов наблюдаются в гиппокампе, в то время как при развитии тревожного расстройствааналога ПТСР наибольшие изменения локализуются в неокортексе и паравентрикулярном ядре гипоталамуса. 2. Недостаточная активация факторов CREB и NF-κB(р65), отсроченная сверхэкспрессия c-Fos и HIF-1α и снижение уровня GR в исследованных образованиях мозга в условиях патогенного стресса является общим компонентом развития постстрессовых тревожно-депрессивных расстройств. 3. Механизмы антидепрессивного и анксиолитического эффектов гипоксического прекондиционирования в моделях тревожнодепрессивных расстройств включают активацию CREB и NF-kB (р65), повышение уровня GR, нивелирование отсроченной сверхэкспрессии cFos и HIF-1α и усиление стресс-индуцированной экспрессии NGFI-A в исследованных образованиях мозга. Выводы: 1. При формировании депрессивноподобного состояния в модели эндогенной депрессии и тревожного состояния в модели посттравматического стрессового расстройства (ПТСР) у крыс обнаружены как схожие, так и специфические для каждого патологического состояния модификации экспрессии транскрипционных факторов CREB, NF-κB(р65), с-Fos, NGFI-A, HIF-1α, а также глюкокортикоидных рецепторов (GR) в гиппокампе, неокортексе и гипоталамусе. 2. При развитии депрессивноподобного состояния наблюдается снижение уровня фосфорилированного фактора CREB (pCREB) в зубчатой извилине гиппокампа и неокортексе. При индукции тревожного состояния иммунореактивность к pCREB снижена только в V слое неокортекса. Прекондиционирование умеренной гипобарической гипоксией стимулирует экспрессию рCREB в исследованных образованиях мозга в обеих экспериментальных моделях. 3. В модели эндогенной депрессии, но не ПТСР экспрессия транскрипционного фактора NF-κB(р65) устойчиво повышается в паравентрикулярном ядре гипоталамуса, в то время как в гиппокампе и неокортексе его активация не наблюдается при развитии обоих патологических состояний. Гипоксическое прекондиционирование оказывает стимулирующий эффект на экспрессию белка NF-κB(p65) в гиппокампе и неокортексе и подавляет его сверхэкспрессию в гипоталамусе. 4. В ответ на стрессорные воздействия в моделях депрессии и ПТСР наблюдается отсроченное возрастание экспрессии индуцибельных факторов c-Fos и HIF-1α во всех исследуемых областях мозга крыс. Прекондиционирование предотвращает отсроченное повышение уровней этих транскрипционных факторов, тогда как на ранних сроках после стресса модификации экспрессии с-Fos и HIF-1α зависят от модели стрессирования. 5. Умеренная стресс-индуцированная экспрессия NGFI-A в неокортексе и гипоталамусе выявляется при формировании обоих тревожно-депрессивных состояний. У животных с депрессивноподобным расстройством, в отличие от ПТСР, содержание NGFI-А повышается также в гиппокампе. Гипоксическое прекондиционирование в обеих экспериментальных моделях в различной степени усиливает стресс-индуцированную экспрессию NGFI-A в гиппокампе, частично или полностью предотвращает ее в гипоталамусе и не оказывает эффекта в неокортексе. 6. Стресс в модели депрессии вызывает выраженное и устойчивое снижение содержания глюкокортикоидных рецепторов во всех исследованных областях мозга крыс. Индукция экспериментального ПТСР снижает их уровень лишь в гипоталамусе. Гипоксическое прекондиционирование способствует нормализации уровня GR в неокортексе и гипоталамусе и повышает их экспрессию в гиппокампе в модели депрессии, в то время как в модели ПТСР выявлено усиление экспрессии GR в гиппокампе и в паравентрикулярном ядре гипоталамуса. Благодарю за внимание! ВБ ПТСР ВБ Б ГПВБ 150 % от контроля число квадратов А 100 50 ГПВБ 0 ВБ 1 сутки 5 сутки ПТСР ГП ПТСР 150 100 50 * * 0 10 сутки Открытые рукава Горизонтальная активность в «открытом поле» Центр Приподнятый крестообразный лабиринт В Г контроль 700 1200 контроль ГП ПТСР ПТСР ВБ 600 ГПВБ 500 нмоль/л Δ(контроль-ДЕКС) 200 400 300 200 800 400 100 0 0 мин 3 Дексаметазоновый тест 10 30 60 Тест на быструю обратную связь Д Е 300 ВБ ПТСР 200 ГП ПТСР ГПВБ 250 % от контроля % от контроля 150 200 100 150 100 50 1-й день 5-й день 10-й день 50 1-й день 5-й день 0 Уровень кортикостерона в крови в % от контроля 10-й день Активаторы/индукторы и мишени CREB, c-Fos и HIF-1 Самые разнообразные внеклеточные и внутриклеточные сигналы (вторичные мессенджеры, киназы) Tранскрипционные факторы и белкиp-CREB p-CREB + p-CREB c-Fos c-Fos + с-Jun O2 NF-kB, NGFI-A (Egr-1), MAP/ERK киназы, инсулин-подобный фактор роста I, кортиколиберин и др. Индукция транскрипции ГИПОКСИЯ Продукты генов-мишеней регуляторы (c-fos, NGFIA,TNF, C/EBP, NURR1, Trx1, Bcl-2 и др), нейротрофины (BDNF, NT 3, IGF и др), рецепторы (GR) и другие. Индукция транскрипции Разнообразные сигналы: гормоны, нейротрансмиттеры, кальций, антиоксиданты, транскрипционные и ростовые факторы и др. Фосфорилирование киназами Активация/индукция HIF-1 HIF-1α + HIF-1β Нейрональная пластичность, выживание нейронов, нейропротекция Нейротрофины (BDNF, NT 3, IGF и др), транскрипционные факторы и белкирегуляторы (CREB, TNF, EPO, HSP70, синапсин, Elk1, кальмодулин, Arc и др.), рецепторы медиаторов, кортиколиберин, проэнкефалин, нейропептид Y, вазоактивный интестинальный пептид, тирозин гидроксилаза, циклооксигеназа-2, металлопротеиназы, антиоксиданты и мн. др. Ферменты гликолиза, транспортеры глюкозы VEGF, TGFβ (ангиогенез), ростовые факторы, антиоксиданты , эритропоэтин (эритропоэз), NF-kB, CREB, HSP70, JAK2 (индукция нервных прогениторных клеток), тирозингидроксилаза (синтез катехоламинов), про- и антиапоптотические факторы (Bcl-2, Bid, каспаза3, BNIP3, NIX, PUMA), рецепторы и др. Индукторы транскрипции и мишени NGFI-A, GR и MR Индукция NGF, EGF, tPA, LPS, кокаин, митогены, GMCSF и др. Повреждения мозга - физический и психологический стресс, гипоксия, ишемия, травмы, сосудистые повреждения. Кортиколиберин, MAP/ERK1/2, NGFI-A, серотонин и др. Глутамат, HIF-1 и др. Продукты генов-мишеней GR, нейротрофины (BDNF, IGF и др), ТФ и белки-регуляторы (CREB, TNF, EPO, HSP70 и др.), рецепторы медиаторов, антиоксиданты и мн. др. Снижает экспрессию кортиколиберина. Нейротрофические факторы, NF-kB, GMEB1, способствует увеличению Ca2+ и свободных радикалов, регулирует активность HRE Нейротрофические факторы (NGF, BFGF и др.), антиапоптотические белки Bcl-2, Bcl-xL, подавляет экспрессию Ca2+ каналов, изменяет экспрессию субъединиц NMDA рецепторов Регуляция активности ГГАС и адаптации, процессы гибели/ выживания нейронов мозга, обучение, память, формирование и предотвращение тревожнодепрессивных расстройств Особенности индукции HIF-1α в моделях ВБ, ПТСР и ГП 1200% * # CA1 * 900% 600% 150% 1 сутки *# 1600% 5 сутки 0% 1 сутки 10 сутки 400% DG 1 сутки 10 сутки CA1 * 600% 5 сутки 5000% 4000% 3000% 2000% # 1000% 0% 10 сутки DG 1500% * # 200% # 0% 1 сутки * 600% 1 сутки * 400% * 400% # * 200% 0% 10 сутки 1000% # # 0% 500% * Неокортекс II * слой * *# # 1 сутки 5 сутки Неокортекс * *# * CA1 II слой ПТСР ГП ПТСР DG 10 сутки V слой * * К Гиппокамп 5 сутки 10 сутки 100% 0% 1 сутки 5 сутки 200% * Неокортекс * 400% # 10 сутки * 300% * 5 сутки PVNp * 1200% 800% * 300% 0% 2000% PVNm * 450% * * 300% СА1 # # * V слой 0% 1 сутки ВБ 5 сутки ПТСР 10 сутки 1 сутки Контроль 5 сутки 10 сутки Стресс ВБ или ПТСР ГП Особенности индукции NGFI-A в моделях ВБ, ПТСР и ГП * 400% *# * 300% Неокортекс II слой 300% CA1 600% 200% 400% 100% 200% PVNm 200% 100% 0% 450% 0% 1 сутки * * 5 сутки DG 300% 10 сутки * * 150% 0% 1 сутки 5 сутки 10 сутки Неокортекс V слой 300% 1 сутки 200% 5 сутки 10 сутки 400% * * 600% # 200% 0% 5 сутки * * # * 10 сутки Неокортекс II слой # * 300% 0% * * 1 сутки 200% 5 сутки 10 сутки DG 200% 100% # 100% * 50% * 0% 0% 1 сутки 600% 150% 400% 5 сутки 10 сутки Неокортекс V слой 300% ВБ 5 сутки ПТСР 10 сутки 1 сутки 5 сутки 10 сутки PVNp 200% # 100% 200% 0% 1 сутки PVNm 300% 0% 1 сутки 10 сутки 50% 1 сутки * # 900% CA1 5 сутки 100% 0% 1 сутки 10 сутки 150% 200% 100% 0% 5 сутки PVNp 0% 1 сутки Контроль 5 сутки 10 сутки Стресс ВБ 1 сутки или ПТСР 5 сутки 10 сутки ГП Особенности экспрессии MR в моделях ВБ, ПТСР и ГП 300% CA1 * 300% # 200% * 100% 200% Неокортекс * II слой 1 сутки 5 сутки DG 200% 10 сутки 0% 250% * # 200% 150% 100% * * 1 сутки 5 сутки *# # 10 сутки * * * 50% 0% * Неокортекс V слой 100% # 0% 1 сутки 5 сутки 200% 10 сутки CA1 1 сутки 150% CA1 # # 100% 0% *# 5 сутки ВБ ГПВБ 10 сутки Неокортекс II слой 10 сутки 150% 100% # 100% 50% 50% 0% 0% 200% 1 сутки *# 5 сутки DG 10 сутки 150% 150% *# 100% 50% 5 сутки Неокортекс V слой 100% * * 50% 0% * ВБ 1 сутки 200% DG 10 сутки # * ГПВБ 0% 1 сутки ВБ 5 сутки ПТСР 10 сутки 1 сутки Контроль 5 сутки 10 сутки Стресс ВБ или ПТСР ГП