Нейрогенетика. Молекулярные основы памяти Каминская Алена Николаевна

2 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. Тейяр де Шарден: "История жизни есть, по существу, развитие сознания, завуалированное морфологией".

3 Нейрогенетика – это дисциплина, развившаяся на стыке генетики, нейробиологии и биологии развития

4 молекулярно-биологические биохимические физиологические морфологические Методы

5 Задачи Изучение развития нервной системы в ходе онтогенеза, стадиоспецифический характер экспрессии генов, его регуляция Изучение механизмов обучения и формирования памяти

6 Объекты нейрогенетики млекопитающие, насекомые, моллюски, амфибии Aplysia californica Apis mellifera Mus musculus Drosophila melanogaster Caenorabditis elegans

7 Камилло Гольджи Сантьяго Рамон-и-Кахаль 1906 г. нобелевская премия по физиологии и медицине за разработку нейронной теории

8 Диаметр тела нейрона 3 до 130 мкм

9 Типы нейронов

10 Синапс Си́напс (греч. σύναψις, от συνάπτειν обнимать, обхватывать, пожимать руку) место контакта между двумя нейронами или между нейроном и получающей сигнал эффекторной клеткой.

11 Спиловер (перелив, растекание)- внесинаптическая передача 90-е г. XX века Дмитрий Кульман и Дмитрий Русаков Наибольшие изменения концентрации нейромедиатора происходят в локальных участках нейрональной сети, ограниченных группой нейронов или небольшим числом нейрональных компартментов.

12 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.

13 Схема молекулярных посредников, обеспечивающих передачу информации от рецепторов на ионные каналы и протеинкиназы

14 Память КратковременнаяДолговременная Функциональные изменения нейронов Структурные изменения нейронов

15 Эрик Кэндел 2000 г. нобелевская премия по физиологии и медицине за открытие молекулярных механизмов работы синапсов Краткосрочная память на Aplysia californica

16 Модель кратковременной памяти на Aplysia californica электрический удар Рефлекс втягивания жабр у Aplysia

17 Seymour Benzer Yadin Dudai Обучение на Drosophila melanogaster

18 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

19 Сигнальный каскад вторичных посредников в нейронах Drosophila melanogaster amnesiac АМР

20 Аппарат для обучения Drosophila melanogaster Тима Талли (Tully and Quinn, 1985)

21 Ритуал ухаживания у Drosophila melanogaster

22 Схема обучения самцов D. melanogaster 1я оплодотворенная самка 2я оплодотворенная самка наивный самец обученный самец тренировк а Импульсная песня Синусоидальная песня Регистрация звуковых сигналов ухаживания, 5 мин до тренировки после тренировки

23 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.

24 Модель lac-оперона Жакоба и Моно Сигналы из среды, окружающей клетку, могут активировать гены регуляторных белков, которые включают гены структурных белков

25 Долгосрочная память CREB - cAMP response element-binding protein, белок, связывающий элемент, реагирующий на цАМФ

26 Активация CREB вызывает экспрессию генов, которая меняет клетку в структурном и функциональном отношении

27 Молекулярный каскад экспрессии генов раннего и позднего ответов при формировании долгосрочной памяти S.Flavell, M.Greenberg, 2008

28 Консолидация – перевод поступившей информации на постоянное хранение также это переход из краткосрочной памяти в долгосрочную

29 Долговременная память и консолидация Долговременная память Обучение приводит к синтезу РНК и белка в нервных клетках. 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

30 Развитие представлений о механизмах поддержания памяти в течение многих лет Еbbinghaus: В хранении памяти существуют две фазы; Mueller & Pilzecker: Переход из первой фазы во вторую - активный процесс "консолидации"; Duncan: Память у экспериментальных животных нарушается при судорогах в те же временные интервалы, что и у людей; McDougall: Консолидация требует нервной активности и нарушается при травмах и судорогах; Нyden: В это "временное окно" консолидации в мозге животных увеличивается синтез РНК и белка; Flexner et al.: Блокада синтеза белка во "временное окно" консолидации нарушает долговременную память.

31 Обучение Экспрессия немедленных ранних генов Экспрессия поздних генов Долговременная память Экспрессия "ранних" и "поздних" генов определяет "позднее" формирование долговременной памяти Сохранение следа памяти часы Первая волна синтеза РНК и белков Вторая волна синтеза РНК и белков Долговременная память 39

32 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 пост- трансляционной модификацией белков является более гибкой, поскольку активность белка регулируется произвольными последовательностями мРНК, а не конститутивными доменами белка

33 CPEB в яйцеклетке Rana temporaria CPEB – cytoplasmic polyadenylation element binding protein, высококонсервативный РНК-связывающий белок, который способствует удлинению полиА-хвоста мРНК

34 Долговременная память и СPEB

35 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 амилоидных фибрилл

36 Долговременная память и СPEB CPEB - cytoplasmic polyadenylation element binding protein

37 Структура кодирующей Orb2 мРНК и двух белков Orb Orb2 - гомолог СРЕВ у Drosophila melanogaster

38 Распределение Orb2 в структуре синапса Drosophila melanogaster Amitabha Majumdar et al., µm

39 Нейрональная пластичность

40 Морфология шипиков дендритов гиппокампа Ethella, Pasquale, 2005 F-актин Шипики дендрита

41 Ремоделирование актинового цитоскелета посредством LIMK1 CREB рCREB c-fos, BDNF Yokoo et al., 2003

42 Miyoshi et al., 2006 Образование шипика дендрита

43 Нейротрофические факторы регулируют локальную трансляцию РНК

44 BDNF – brain-derived neurotrophic factor

45 Локальная трансляция mRNA в дендрите посредством miRNA Schratt et al 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

46 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

47 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

48 Болезнь Альцгеймера Ключевые гены: APP, PSEN1, PSEN2, APOE Массовое отмирание нейронов головного мозга в результате постепенного накопления в них амилоидов. Ослабление кратковременной затем и долговременной памяти После 60 лет

49 Хорея Гентингтона Ключевой ген: HTT В последовательности гена HTT встречаются повторы (CAG) n CAG кодирует глутамин Если n

50 Синдром Уильямса характерные черты лица эльфа кардиоваскулярные нарушения замедление развития когнитивные дефекты

51 Graya et al., 2006 Схема расположения генов в районе 7q11.23 человека

52 Генетически обусловленные заболевания человека, сопровождающиеся нарушением памяти ЗаболеваниеОсновные симптомыКлючевые гены Болезнь АльцгеймераПрогрессирующее ослабление памяти APP, PSEN1, PSEN2, APOE Синдром Коффина-ЛоуриЗадержка умственного развития, многочисленные аномалии скелета RPS6KA3 Синдром Рубинштейна-ТайбиЗадержка умственного развития, аномалии черепа, проблемы при дыхании и глотании CREBBP Синдром ломкой Х- хромосомы Удлиненный череп, оттопыренные уши, пониженный мышечный тонус, низкий интеллект FMR1 Хорея ГентингтонаСнижение пластичности мышления, проблемы с координацией движений HTT Болезнь ПаркинсонаПовышенное напряжение мышц, тремор конечностей PARK2 НейрофиброматозМножественные пигментные пятна и опухоли на коже, судороги, сниженная обучаемость и память NF1

53 Рекомендуемая литература

54