Ультрадианные ритмы интенсивности синтеза РНК и белков в популяциях нейронов разных отделов нервной системы крыс и их взаимоотношения с суточными ритмами транскрипции и трансляции

Mustafin A.G

ULTRADIAN RHYTHMS OF RNA AND PROTEIN SYNTHESIS IN NERVE CELLS POPULATION OF DIFFERENT PARTS OF RATS NERVOUS SYSTEMS AND ITS INTERATION WITH DIURNAL RHYTHMS OF TRANCRIPTION AND TRANSLATION

Russian national research Medical University named after N. I Pirogov, Moscow. Department of biology.

It is determined that in the studied parts of the nervous system of rats you can clearly distinguish two groups of populations of neurons with the temporary location of the acro-phases activity of chromatin. Activity of the neurocytes genome is pulse and periodically, the formation of a daily rhythm of activity of genetic and protein synthesis apparatus of neurons is due to the occurrence of distinct groups of cells in transcription and translation processes in oscillation mode;

Key words: Daily and ultradian rhythms, synthesis of RNA and proteins, population of nerve cells, different parts of the nervous system.

Мустафин А.Г.

УЛЬТРАДИАННЫЕ РИТМЫ ИНТЕНСИВНОСТИ СИНТЕЗА РНК И БЕЛКОВ В ПОПУЛЯЦИЯХ НЕЙРОНОВ РАЗНЫХ ОТДЕЛОВ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ КРЫС И ИХ ВЗАИМООТНОШЕНИЯ С СУТОЧНЫМИ РИТМАМИ ТРАНСКРИПЦИИ И ТРАНСЛЯЦИИ.

ГБОУ ВПО «Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н. И. Пирогова. Кафедра биологии. Москва.

Показано, что в изученных отделах нервной системы крыс отчетливо можно выделить две группы популяций нейронов с характерным временным расположением ак-рофаз активности хроматина. Активность генома невроцитов осуществляется им-пульсно и периодически, формирование суточного ритма активности генетического и белоксинтезирующего аппаратов нейронов происходит за счет вхождения отдельных групп клеток в процессы, обеспечивающие транскрипцию и трансляцию, в колебательном режиме;

Ключевые слова: суточные и ультрадианные ритмы, синтез РНК и белков, популяции нервных клеток, разные отделы нервной системы крыс.

В пределах одной функциональной частотных диапазонов, что, по-види-

системы имеют место ритмы различных мому, способствует строгой иерархиче-

—--------д^СФС^з-----------—-

~ 187 ~

Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ № ФС77-49390 Журнал представлен в НАУЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ БИБЛИОТЕКЕ - головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ).

ской организации разнообразных процессов внутри организма. Ультрадиан-ные ритмы отражают особенности протекания основных физиологических процессов, могут характеризовать механизмы краткосрочных физиологических реакций организма животных и осуществляться на разных уровнях их организации [1]. Современные молекулярные исследования свидетельствуют, что возбуждение посредством вторичных и третичных посредников распространяется вглубь цитоплазмы и ядра нервной клетки и оказывает влияние на процессы синтеза белков и РНК. Экспрессируемые геномом нейронов генные продукты включаются в системные реакции различного качества, определяя молекулярную интеграцию деятельности нейрона [2]. Основываясь на собственных и литературных данных В.Я. Бродский [3] характеризует выявленные ритмы с периодом около 1 ч (околочасовые ритмы) количественных изменений белков как фундаментальное общеклеточное свойство. Ультрадианные ритмы связаны с цикличностью метаболических процессов и, тем самым, являются эндогенными. Многообразие ритмических процессов, протекающих в биологических объектах и согласованных во времени между собой и с изменяющимися условиями внешней среды рассматривается как временная организация живых систем [4, 5].

Целью проведенного нами исследования являлось изучение ультрадиан-ных ритмов включения меченного ури-дина и лейцина в суммарные РНК и

белки клеток разных отделов нервной системы крыс.

Эксперимент поставлен на 350 крысах-самцах линии Wistar массой около 170-210 г, содержавшихся в стандартных условиях при фоторежиме 12:12 часов (свет с 8 до 20 час). Животных (по 3-4 на каждую временную точку исследования) забивали с 15-минутными интервалами на протяжении суток. Для изучения интенсивности транскрипции и трансляции брали спинномозговые и краниальные шейные симпатические ганглии; поясничное утолщение спинного мозга; кору мозжечка; супрахиазма-тические ядра гипоталамуса; зрительную и сенсомоторную области коры большого мозга. Срезы указанных органов культивировали in vitro. Часть срезов каждого органа инкубировали с 3Н-ури-дином, вторую половину - с 3Н-лейци-ном. Интенсивность синтеза суммарных РНК и белков регистрировали методом жидкостной сцинтилляционной авторадиографии. Рассчитывали абсолютное и относительное включение изотопов в суммарные РНК и белки. Параметры активности синтеза первичных генных продуктов изучали на протяжении 22 ч с 0800 до 0600 ч. Полученные данные были обработаны методом спектрального анализа с использованием пакета программ обработки временных последовательностей.

На рис.1 представлены данные по изучению суточной динамики синтеза суммарных РНК и белков срезами спинномозговых узлов крыс.

—---------д^СФС^з-------------—

~ 188 ~

Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ № ФС77-49390 Журнал представлен в НАУЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ БИБЛИОТЕКЕ - головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ).

Рис.1. Изменения интенсивности включения Н3-уридина и Н3—лейцина клетками спинномозгового узла на протяжении суток при забое животных через 15 -минутные интервалы.

Максимальная интенсивность включения 3Н-уридина приходится на 21 ч 15 мин, а 3Н-лейцина - на 11 ч 45 мин, минимальные - в начале и в конце светового периода соответственно (Р<0,01). С помощью программы для выявления скрытых периодичностей обнаружены колебания матричной активности хроматина с периодами 11,5 ч (амплитуда равна 23,4%), 2,5 ч (амплитуда равна 8,9%), и 55 мин (амплитуда равна 3,6%). Колебания активности белоксинтетиче-ского аппарата составили 12,5, 3,5 ч и 79 мин (амплитуды равны 33,9, 12,7 и 1,9% соответственно). Сопоставление суточного ритма и периодов ультрадианных ритмов клеток спинномозговых узлов крыс показало, что в активной фазе суточного ритма активности генетического аппарата период околочасовой составляющей был равен 39,5 ±3,6, а в пассивной фазе суточного ритма - 56,0±4,2 мин.

(Р<0,02). В то же время период околоча-совой составляющей активности белок-синтетического аппарата был равен в активную фазу ритма 70,7±6,8, а в пассивную 42,0±5,7 мин (Р<0,01). Околочасо-вая составляющая в активную фазу суточных ритмов синтеза первичных генных продуктов отличается длительностью периода от пассивной фазы ритма. Наличие подобных гармоник показывает, что активность генома осуществляется импульсно и периодически. Так же можно высказать предположение о том, что при формировании суточного ритма активности генетического и белоксинте-зирующего аппаратов отдельные группы клеток разных отделов нервной системы крыс входят в процессы обеспечивающие транскрипцию и трансляцию в колебательном режиме. Это согласуется с данными ряда авторов, показавших ритмичность активности клеток ряда органов [6,7].

~ 189 ~

Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ № ФС77-49390 Журнал представлен в НАУЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ БИБЛИОТЕКЕ - головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ).

Для срезов краниальных шейных симпатических ганглиев, поясничного утолщения спинного мозга; коры мозжечка; супрахиазматических ядер гипоталамуса так же как и в спинномозговых узлах максимальная интенсивность включения 3Н-уридина приходится на начало темнового периода суток, а 3Н-лейцина - на конец темнового и начало светового периода суток. Обнаружены так же колебания матричной активности хроматина с периодами 11-12,0 ч (ампли-

туда равна 10-13,5%), 2,6-3,5 ч (амплитуда равна 18,9%), и 56-48 мин (амплитуда равна 2,8-5,6%). Периодики интенсивности включения 3Н-лейцина составили 11,6-12,9, 2,9-3,7 ч и 37-53 мин (амплитуды равны 25,6-32,9, 11,5-13,7 и 1,53,2% соответственно).

Максимальные значения относительного включения 3Н-уридина срезами соматосенсорной коры (рис.2) отмечены в начале светового периода суток (08001200 ч).

5СШ0

2

--

Й

£

г=

3000 -

2000

10QQ

“sir  га время суток

Рис.2. Изменения интенсивности включения Н3-уридина и Н3—лейцина клетками соматосенсорной коры большого мозга на протяжении суток при забое животных через 15-минутные интервалы.

Минимальные значения обнаружены в остальные исследованные часы суток (Р<0,01). Ультрадианные периодики составили 9,2, 3,7 ч и 44 мин (амплитуды - 16,8, 9,7 и 2,3% соответственно). Ритмическая активность функционирования белоксинтезирующего аппарата характеризуется достижением максимальных значений ближе к середине темнового периода суток (0130-

0600 ч, Р<0,01). Показаны так же 11,2, 4,3 часовые и 52 минутные периодики (амплитуды - 18,9, 10,2 и 1,8% соответственно). В активной фазе суточного ритма матричной активности хроматина наименьший период ультрадианной составляющей (49,3 мин) был на 22% выше, чем в пассивной фазе суточного ритма (38,3 мин.). В темный период суток минимальный период ультрадианной

~ 190 ~

Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ № ФС77-49390 Журнал представлен в НАУЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ БИБЛИОТЕКЕ - головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ).

составляющей интенсивности трансляции был равен 48,5 мин, а в дневные часы суток - 54,4 мин. Суточная динамика активности генома клеток срезов зрительной коры сходна с таковой, для соматосенсорной коры головного мозга крыс.

Таки образом, в изученных отделах нервной системы крыс отчетливо можно выделить две группы популяций нейронов с характерным временным расположением акрофаз активности хроматина. Биоритмологические характеристики ритмов активности хроматина имеют свои особенности в клеточных системах, отличающихся функционально и по положению: максимальные уровни экспрессии генов клеток спинномозговых узлов супрахиазматических ядер гипота-лямуса, краниальных шейных симпатических ганглиев, коры мозжечка и спинного мозга соответствуют по срокам повышенному уровню активности крыс (ночные часы суток); максимальные уровни экспрессии генов нейронов зрительной и соматосенсорной областей коры большого мозга соответствуют по времени дневной рецепции света. Активность генома невроцитов осуществляется импульсно и периодически, формирование суточного ритма активности генетического и белоксинтезирующего аппаратов нейронов происходит за счет вхождения отдельных групп клеток в процессы, обеспечивающие транскрипцию и трансляцию, в колебательном режиме;

ЛИТЕРАТУРА

1. Биологические ритмы. Т. 2 / Под ред. Ю. Ашоффа. - Москва: Мир, 1984. - 414 с.1

2. Судаков К.В. Интегративная деятельность нейрона: специфика и пластичность системных механизмов.//.Журн. высш. нервн. деятельности. 1993. Т.43. вып.2 с. 289-300.

3. Бродский В.Я., Нечаева Н.В. Ритм синтеза белка.- М.: Наука, 1988,- 240с

4. Романов Ю.А., Междисциплинарный характер исследований временной организации биологических систем и их значение для медицины. // Биология и медицина / Под ред. Ю.А. Овчинникова. - М., 1985. - с. 90-103

5. Koseska A., Ullner E., Volkov E.,

Kurths J., Garcia-Ojalvo J. Cooperative differentiation through clustering in multi-cellular populations // J. Theor. Biol. — 2010.— Vol. 263.—P. 189-202.

6 Рыбаков В.П. Клеточно-популяционные закономерности механизма формирования суточного ритма репродукции клеток. Автореф дисс. докт. мед. наук. М.1991

7. Бродский, В. Я.; Дубовая, Н. Д.; Звез-дина, Т. К.; Фатеева, В. И.; Мальченко, Л. А. Дофамин дезорганизует ритм синтеза белка, нарушая самоорганизацию гепатоцитов in vitro. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. -2013.-Т. 156, № 7.-С. 48-50.-

—---------д^СФС^з-------------—

~ 191 ~

Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ № ФС77-49390 Журнал представлен в НАУЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ БИБЛИОТЕКЕ - головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ).