О роли холинергической системы в адаптации организма почвенной нематоды Caenorhabditis elegans к стрессовым условиям среды

28

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Список литературы:

1. Opperman C.H., Chang S. Effects of aldicarb and fenamiphos on acetylcholinesterase and motility of Caenorhabditis elegans // J. Nematology. 1991. V 23. P. 20-27.

2. Sattelle D.B. Invertebrates nicotinic acetylcholine receptors - targets for chemicals and drugs important in agriculture, veterinary medicine and human health // J. Pesti. Sci. 2009. V 34. P. 233-240.

3. Fodor A., Riddle D.L., Nelson F.K., Golde J.W. Comparison of a new wild-type Caenorhabditis briggsae with laboratory strains of C.briggsae and C.elegans // Nematologica. 1983. V 29. P. 203-217.

4. Dolgin E.S., Felix M.-A., Cutter A.D. Hakuna Nematoda: genetic and phenotypic diversity in African isolates of Caenorhabditis elegans and C.briggsae // Heredity. 2008. V 100. P. 304-315.

5. Brenner S. The genetics of Caenorhabditis elegans // Genetics. 1974. V 77. P. 71-94.

6. Jospin M., Qi Y.B., Stawicki T.M., Boulin T., Schuske K.R., Horvitz R., Bessereau J.-L., Jorgensen E.M., Jin Y A neuronal acetylcholine receptor regulates the balance of muscle excitation and inhibition in Caenorhabditis elegans // PLoS Biology. 2009. V 7. P. e1000265.

7. Petrash H.A., Philbrook A., Haburcak M., Barbagallo B., Francis M.M. ACR-12 ionotropic acetylcholine receptor complexes regulate inhibitory motor neuron activity in Caenorhabditis elegans // J. Neurosci. 2013. V 33. P. 5524-5532.

О РОЛИ ХОЛИНЕРГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ В АДАПТАЦИИ ОРГАНИЗМА ПОЧВЕННОЙ НЕМАТОДЫ Caenorhabditis elegans К СТРЕССОВЫМ УСЛОВИЯМ СРЕДЫ

© Калинникова Т.Б.*, Белова Е.Б.*,

Колсанова Р.Р.*, Гайнутдинов М.Х.*

Институт проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан, г. Казань

В экспериментах с почвенными нематодами C.elegans показано, что двухчасовое голодание и тепловой стресс (30 минут при 33 °C) вызы-

* Старший научный сотрудник лаборатории экспериментальной экологии, кандидат биологических наук.

* Младший научный сотрудник лаборатории экспериментальной экологии, кандидат биологических наук.

* Научный сотрудник лаборатории экспериментальной экологии.

* Заведующий лабораторией экспериментальной экологии, доктор биологических наук, профессор.

Биологические науки

29

вают активацию холинергической системы нематод, выявляющуюся в увеличении чувствительности их локомоции к частичному ингибированию АХ-эстеразы алдикарбом. Причиной активации холинергической системы тепловым стрессом является сенситизация н-холиноре-цепторов, проявляющаяся в сильном увеличении чувствительности поведения к их агонистам левамизолу и никотину. Адаптивное значение активации холинергической системы C.elegans стрессовыми условиями среды может определяться ее участием в таких формах поведения, как избегание среды с высокой температурой и поиск пищи.

Ключевые слова: Caenorhabditis elegans, стресс, холинергическая система, поведение.

Адаптивные изменения как физиологического состояния, так и поведения многоклеточных организмов животных, индуцированные стрессовыми условиями среды, запускаются сигналами из нервной системы [1-3]. Известно, что быстрая активация холинергической системы в головном мозге при действии стресса на организм грызунов является одним из ключевых механизмов генерации форм поведения, индуцированных стрессом [4-5]. Многие молекулярные механизмы функций нервной системы высококонсервативны в эволюции. Поэтому можно предположить, что и активация холинергической системы стрессовыми условиями окружающей среды как адаптивная реакция появилась на ранней стадии эволюции у простых организмов круглых червей. Целью работы явилась проверка этой гипотезы с использованием в качестве модельного организма почвенной нематоды C.elegans.

Эксперименты проводили с C.elegans линии дикого типа N2, выращенными при 22 °C в чашках Петри со стандартной средой выращивания нематод NGM [6]. Для кормления нематод использовали E.coli OP50. Для определения чувствительности поведения к ингибитору ацетилхолинэстеразы (АХ-эстеразы) алдикарбу и агонистам никотиновых рецепторов ацетилхолина (н-холинорецепторов) левамизолу и никотину нематод двухдневного возраста переносили индивидуально в пробирки с 1 мл NG буфера (0,3 % NaCl, 1 мМ CaCl2, 1 мМ MgSO4, 25 мМ калийфосфатного буфера (pH 6,0)) с добавлением алдикарба, левамизола или никотина. Показателями действия ал-дикарба, левамизола и никотина на поведение C.elegans являлись нарушения моторной программы плавания, индуцированного механическим стимулом (встряхиванием пробирки с червем). Эти нарушения проявлялись в нарушениях координации мышц, необходимой для синусоидальных движений тела, временной приостановке плавания, плавании по кругу и др. Эксперименты проводили при трех разных температурах: 22, 30 и 33 °C.

В табл. 1 приведена доля нематод (в %) с нарушениями моторной программы плавания, индуцированного механическим стимулом, после 30-минутной экспозиции к алдикарбу при температурах 22, 30 и 33°C. Голодание осуществлялось двухчасовой преинкубацией нематод в чашках Петри с NGM в отсутствие E.coli. В каждом варианте эксперимента использовано 40 нематод.

30

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Таблица 1

Влияние теплового стресса и голодания на чувствительность поведения Caenorhabditis elegans к алдикарбу

Условия эксперимента Концентрация алдика рба, цМ

0 16 32 64

+22 °C 2±1 3±1 48±3 82±5

+22 °C после голодания (2 часа) 3±2 81±5 96±4 100

+30 °C 2±1 4±2 47±3 85±4

+33 °C 4±1 46±2 82±4 100

В наших экспериментах сравнивалась чувствительность плавания C.ele-gans, индуцированного механическим стимулом, к действию ингибитора АХ-эстеразы алдикарба в оптимальных условиях среды и в условиях теплового стресса или кратковременного голодания. Как показано в табл. 1, как тепловой стресс, так и отсутствие пищи в течение 2 часов вызывают увеличение чувствительности поведения к алдикарбу, которое проявляется в снижении концентрации алдикарба, эффективной для нарушения моторной программы плавания, индуцированного механическим стимулом. Увеличение чувствительности поведения C.elegans к частичному ингибированию АХ-эстеразы алдикарбом, тепловым стрессом и голоданием свидетельствует об активации холинергической системы стрессовыми условиями среды. Двумя возможными механизмами этой активации являются стимуляция секреции АХ нейронами или повышение чувствительности рецепторов АХ в нейронах и мышцах тела нематоды.

Таблица 2

Влияние теплового стресса на чувствительность Caenorhabditis elegans к левамизолу и никотину

Условия эксперимента Левамизол, цМ Никотин, mM

0 15 30 60 0,62 1,25

+22 °C 3±1 5±1 21±2 63±4 21±2 51±3

+30 °C 2±1 12±1 36±2 75±3 28±2 68±3

+33 °C 3±1 61±2 81±4 100 52±3 87±4

В таблице приведена доля нематод (в %) с нарушениями моторной программы плавания, индуцированного механическим стимулом, после 30-минутной экспозиции к левамизолу или никотину при температурах 22, 30 и 33 °C. В каждом варианте эксперимента использовано 40 нематод.

Для выяснения возможной роли чувствительности рецепторов АХ в активации холинергической системы C.elegans тепловым стрессом нами были проведены эксперименты, в которых сравнивалась чувствительность поведения к действию агонистов н-холинорецепторов C.elegans левамизола и никотина при температуре выращивания 22 °C и при высокой температуре среды (30-33 °C). Как показано в табл. 2, повышение температуры среды с 22 до 30 °C вызывает умеренное увеличение чувствительности поведения

Биологические науки

31

C.elegans к действию левамизола, в то время как при дальнейшем повышении температуры до 33 °C чувствительность к действию левамизола увеличивается очень сильно. Сходное влияние тепловой стресс оказывает и на чувствительность поведения C.elegans к другому агонисту н-холинорецепторов никотину. Эти данные свидетельствуют о том, что механизмом активации холинергической системы C.elegans тепловым стрессом является сенсити-зация н-холинорецепторов, а не стимуляция секреции АХ.

В то же время при кратковременном голодании активация холинергической системы проявлялась в сенситизации поведения C.elegans к алдикарбу (табл. 1) при отсутствии изменения чувствительности к левамизолу и никотину. Поэтому очевидно, что голодание, в отличие от теплового стресса, активирует холинергическую систему C.elegans стимуляцией секреции АХ.

Ограничение пищевых ресурсов, так же как и сильное превышение физиологического оптимума температуры является для организмов животных одним из основных стрессов, вызывающих адаптивные изменения как поведения, так и физиологического состояния организма [2]. В связи с тем, что активация холинергической системы C.elegans выявляется как при тепловом стрессе (табл. 1-2), так и при кратковременном голодании (табл. 1), очевидна, что она адаптивна как при неблагоприятном увеличении температуры окружающей среды, так и при дефиците пищевых ресурсов.

В связи с тем, что стресс вызывает активацию холинергической системы не только у C.elegans, но и в таких отделах головного мозга грызунов, как гиппокамп и амигдала [5], очевидно, что эта активация появилась как адаптация к стрессовым условиям среды уже у простых организмов круглых червей и сохранилась у млекопитающих и человека. В то же время известно, что у грызунов стресс активирует холинергическую систему в головном мозге стимуляцией секреции АХ [5], хотя ее активация у C.elegans тепловым стрессом происходит в результате сенситизации н-холинорецеп-торов. Поэтому возможно, что активация холинергической системы является общей для организмов грызунов адаптивной реакцией на стресс, но механизмы этой реакции у грызунов и C.elegans различны.

Адаптивное значение активации холинергической системы стрессом заключается в формировании программ поведения, позволяющих избежать или ослабить повреждающее действие экстремальных факторов среды на организм. Это избегание негативного влияния фактора среды, включающее в себя и исследовательское поведение для поиска локальных местообитаний с пищевыми ресурсами, если негативным фактором среды является опасное для жизни истощение пищевых ресурсов. Очевидно, что и у C.elegans активация холинергической системы стрессом является компонентой формирования адаптивных форм поведения, так как избегание повреждающего действия теплового стресса [7] и поиск местообитаний с пищевыми ресурсами являются известными формами поведенческих реакций C.elegans на сильное превышение физиологического оптимума температуры и голодание.

32

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Список литературы:

1. Wendelaar Bonda S.E. The stress response in fish // Physiol. Rev. 1997. V 77. P. 591-625.

2. Suo S., Kimura Y, Van Tol H.H.M. Starvation induces cAMP response element-binding protein-dependent gene expression through octopamine Gq signaling in Caenorhabditis elegans // J. Neurosci. 2006. V. 26. P. 10082-10090.

3. Tottenham N., Sheridan M.A. A review of adversity, the amygdala and the hippocampus: a consideration of developmental timing // Front. Hum. Neurosci. 2010. V. 3. Article 68.

4. Gilad G.M. The stress-induced response of the septo-hippocampal cholinergic system. A vectorial outcome of psychoneuroendocrinological interactions // Psychoneuroendocrinol. 1987. V 12. P. 167-184.

5. Mineur Y.S., Obayemi A., Wigestrand M.B., Fote GM., Calarco C.A., Li A.M. Picciotto M.R. Cholinergic signaling in the hippocampus regulates social stress resilience and anxiety- and depression-like behavior // PNAS. 2013. V. 110. P. 3573-3578.

6. Brenner S. The genetics of Caenorhabditis elegans // Genetics. 1974. V. 77. P. 71-94.

7. Mohammadi A., Rodgers J.B., Kotera I., Ryu W.S. Behavioral response of Caenorhabditis elegans to localized thermal stimuli // BMC Neuroscience. 2013. V. 14. P. 66-77.

УЧАСТИЕ ГЕНА РЕЦЕПТОРА СЕРОТОНИНА SER-4 И ГЕНА ПЕРЕНОСЧИКА СЕРОТОНИНА MOD-5 В РЕГУЛЯЦИИ ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТИ ПОВЕДЕНИЯ Caenorhabditis elegans

© Калинникова Т.Б.* *, Колсанова Р.Р.*,

Белова Е.Б.*, Гайнутдинов М.Х.*

Институт проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан, г. Казань

В экспериментах с C.elegans дикой линии N2 и линий с мутациями генов рецепторов серотонина mod-1(ok103), ser-1(ok345), ser-4(ok512) и гена переносчика серотонина mod-5(n3314) показано, что у червей му-

* Старший научный сотрудник лаборатории экспериментальной экологии, кандидат биологических наук.

* Научный сотрудник лаборатории экспериментальной экологии.

* Младший научный сотрудник лаборатории экспериментальной экологии, кандидат биологических наук.

* Заведующий лабораторией экспериментальной экологии, доктор биологических наук, профессор.