 |
Биохимические изменения в тканях при зимней спячке
|
|
|
|
Введение
Зимняя спячка представляет собой форму адаптации животных к действию неблагоприятных условий обитания: низкой температуры окружающей среды, отсутствию пищи и т.д. [6, 39, 4] Затрачивают все уровни организации от биохимического до поведенческого, и реализуются генетические программы, запускаемые при действии соответствующих внешних (укорочение фотопериода, понижение температуры, бескормица и т.д.) и внутренних факторов (цирканнуальные ритмы нейромедиаторов, пептидов и гормонов) [ 3, 32].
Состояние гибернации у зимоспящих животных характеризуется тем, что при переходе в это состояние температура тела понижается и часто достигает околонулевых значений. Наблюдается существенное снижение частоты сердечных сокращений – приблизительно с 250 до 8-10 ударов в 1 мин и снижение частоты дыхания – со 150 до одного или менее дыхательных циклов в 1 мин [ 5 ]. Отмечается снижение уровня метаболизма от 0,2 кал/(г·мин-1) при гибернации [ 1 ]. Показано, что общее потребление энергии в сезон гибернации (включая периодические регулярные выходы из спячки) у гибернирующих животных на 87% меньше, чем у активных [ 39 ]. В течение гибернационного сезона наблюдаются периодические выходы животных из состояния спячки с соответствующим повышением уровня метаболизма и температуры тела [ 39 ]. Таким образом, гибернация делится на периоды спячки (бауты), которые прерываются короткими (обычно 24 ч или меньше) периодами эутермии.
Процессы погружения в спячку и пробуждения, а также длительность баутов контролируются центральной нервной системой. Даже во время глубокой зимней спячки некоторые отделы мозга сохраняют достаточно высокую активность. Так, в лимбической системе (а именно в септуме, гиппокампе, гипоталамусе) наблюдается почти постоянная ЭЭГ-активность на протяжении всего баута [ 10 ].
|
|
|
Проблема зимней спячки имеет не только общебиологический интерес, но и привлекает внимание с непосредственно практической точки зрения: полученные фундаментальные данные могут быть положены в основу разработки методов создания гипобиоза, управляемого при помощи естественных механизмов, что чрезвычайно важно для клиники, когда требуется поддержать организм более или менее длительное время в состоянии значительно сниженных физиологических функций. Такая регулируемая искусственная гипотермия, вызывающая лишь умеренно вредные эффекты, способствует повышению устойчивости организма к влиянию ряда неблагориятных факторов, прежде всего тканевой гипоксии, которая часто сопутствует различным видам патологических процессов, в частности нарушениям кровообращения [ 3 ]. Результаты исследования нейрогенеза у сусликов при смене функционального состояния мозга во время гибернационного цикла в литературе отсутствуют, однако наличие его показано у птиц при смене сезонов и наступлении весны. Ряд авторов рассматривает гибернацию как модель ишемии мозга, при которой снижение кровотока, доставки кислорода и глюкозы во время спячки, а также последующая реоксигенация при выходе из спячки не приводят к повреждению и гибели клеток. Однако для ряда ишемических состояний, связанных с нейродегенерацией и гибелью клеток мозга, показано увеличение интенсивности нейрогенеза в постишемический период.
В связи с этим, целью работы явилось исследование экспрессии белков клеточного цикла (циклинов – А, В1, циклинзависимых киназ- cdc2, cdk2, cdk4, МСМ2) и не связанной с клеточным циклом циклинзависимой киназы cdk5 в мозге сусликов Citellus undulatus на разных стадиях гибернационного цикла.
Задачи:
1. Определить экспрессию белков клеточного цикла:
|
|
|
· циклинов- ClnA, ClnB1;
· циклинзависимых киназ- cdc2, cdk2, cdk4;
· маркёра пролиферирующих клеток MCM2;
2. Определить экспрессию циклинзависимой киназы cdk5, не связанной с клеточным циклом.
3. Выявить различия в экспрессии белков клеточного цикла на разных стадиях гибернационного цикла и при разной температуре тела животных.
Глава 1. Обзор литературы
Биохимические изменения в тканях при зимней спячке
Зимняя спячка (гибернация) – это закрепленная в ходе эволюции уникальная способность к минимализации жизненных функций организма, позволяющая ряду видов млекопитающих в течение многих месяцев переживать холод, бескормицу, сокращения светлого периода суток [ 5 ]. В Европе, Азии, Америке впадают в зимнюю спячку почти все виды летучих мышей, ежи и многие грызуны: сони, тушканчики, хомяки, бурундуки, суслики и сурки [ 6, 39 ].
Основой этого приспособления, по-видимому, являются крайне разнообразные пути сохранения энергетического баланса организма при сезонных изменениях во внешней среде. Подсчитано, что в течение зимней спячки (7-8 мес.) сусликов экономится от 80-90% энергии, которая могла бы быть потрачена на поддержание обычного уровня метаболизма [ 34 ].
Зимняя спячка является прерывистым процессом и состоит из баутов. Баут спячки состоит из входа в гипобиоз, пребывания в торпидном состоянии и выхода из него [39]. Каждый баут спячки может продолжаться от нескольких часов до нескольких недель и зависит как от физиологических особенностей животных, так и условий окружающей среды [ 37 ].
Температура тела млекопитающих во время зимней спячки снижается вплоть до 0°С. Понижение температуры тела приводит не только к частичной или полной потере чувствительности и двигательной активности, но и подавлению активности всех функций и систем организма: кровообращения, дыхания, пищеварения, водно-солевого обмена, гормонального статуса, размножения [37, 39]. Характерным для спячки является резкое замедление дыхания, в то время как в активном состоянии животное делает от нескольких десятков до нескольких сот дыханий в минуту [6]. Выход из состояния оцепенения сопровождается резким усилением дыхания, быстрой реперфузией тканей, активацией липолиза [36]. Известно, что уровень потребления кислорода отражает уровень метаболизма. Так во время пробуждения за 2 часа температура тела повышается с 0°С до 37°С, а потребление кислорода увеличивается в 50 раз [ 27, 36 ].
|
|
|
У гибернирующих животных сильно (более чем на 50%) увеличивается масса тела [34]. Известно, что при гибернации жир млекопитающих становится основным энергетическим субстратом [12]. Обильные запасы жировой ткани обеспечивают животным существование в течение длительного времени [34].
Бауты гибернации длиннее и глубже в середине зимы. В периоды пробуждения животные разогреваются и просыпаются. Температура тела приходит в норму [34, 35].
Пробуждение млекопитающих происходит или вследствие согревания при повышении температуры среды, или при понижении ее ниже 0°С.
Скорость пробуждения различна, но обычно оно происходит очень быстро. Резко увеличивается частота дыхания и сердцебиения. Повышается интенсивность окислительных процессов в организме, почти полностью расходуется запас гликогена печени [6]. При пробуждении, в фазе повышенного термогенеза, частота сердцебиений достигает более 400 уд/мин [9 ]. Ведущая роль в регуляции зимней спячки и периодических пробуждений принадлежит нервной и эндокринной системам [1]. У гибернирующих животных наряду с биохимическими наблюдаются и некоторые морфологические изменения в ткани мозга. Так, древовидные структуры дендритов укорачиваются при понижении температуры тела и быстро растут при её повышении; при впадении в спячку сокращается площадь тела нейрона [18, 19 ].
Клеточный цикл
В норме клеточный цикл - это последовательность событий, приводящих к делению исходной клетки на две дочерние. Его подразделяют на четыре фазы (или стадии): S фаза (в ней происходит репликация ДНК) и М фаза (фаза митоза) разделены промежутками – это фазы G1 и G2. Покоящиеся клетки находятся в G0 фазе [30 ].
Для нервных клеток млекопитающих показано, что повторное вступление клетки в клеточный цикл зависит от внеклеточных сигналов. К ним относят митогенные стимулы (например, факторы роста FGF и EGF, тромбин, сыворотка) и факторы дифференцировки (цитокины, стрессорные влияния на клетку – такие как ультрафиолетовое излучение, или повреждающие ДНК воздействия) [ 31 ]. Эти сигналы осуществляют свое влияние через последовательную экспрессию, активацию и деактивацию так называемых белков клеточного цикла - комплексов циклинов (Cn) с циклин-зависимыми протеинкиназами (cdk). Cn/cdk комплексы обеспечивают развитие клеточного цикла, и тонко регулируются множеством механизмов: транскрипцией, фосфорилированием, протеолизом, а также активностью ингибиторов циклин-зависимых протеинкиназ (i-cdk). В ходе онтогенеза экспрессия и активное взаимодействие циклинов, Cn/cdk комплексов и i-cdk сопровождается выходом клетки из клеточного цикла, приводящим к дифференцировке. Во взрослом организме эти агенты участвуют в контроле клеточного цикла, а i-cdk останавливают пролиферацию нейронов, предотвращая появление опухолей.
|
|
|
Выход клетки из покоящегося состояния (фазы G0) и запуск фазы G1 обеспечивается так: митогенные стимулы активируют митоген-зависимые протеинкиназы (МАРК) и экспрессию циклина D (CnD) (рис. 1):
|
|
|
| |
|
| |
Рис. 1. Схема клеточного цикла.
Далее происходит образование комплекса CnD/cdk4 (или cdk6), который обеспечивает переход клетки из фазы G0 в фазу G1. Если в этот период экспрессия CnD подавляется (воздействием МАРК, активированных, например, в результате клеточного стресса), то происходит остановка клеточного цикла на стадии G1. В начале фазы G1 в клетке появляется CnE (деактивация которого также приводит к остановке клеточного цикла в G1 фазе). Для осуществления перехода в следующую фазу цикла – S фазу, необходимо образование CnE/cdk2 комплекса. В этой же G1 фазе начинает экспрессироваться CnA; и комплекс CnA/cdk2 обеспечивает вступление клетки в следующую (после стадии S) фазу G2 клеточного цикла. Недостаток CnA влечет за собой остановку клеточного цикла в G2. CnB, присутствующий в клетке в течение всей интерфазы, активируется в самом конце фазы G2 и образует комплекс с cdс2, необходимый для начала последней стадии цикла - М фазы. Деактивация CnB приводит к остановке клеточного цикла в фазе G2 [ 12, 33 ].
|
|
|
12 |
