Л8.ppt
- Количество слайдов: 53
МОЛЕКУЛЯРНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ПОВЕДЕНИЯ
СВЯЗЬ МЕЖДУ ПОВЕДЕНИЕМ И МОЛЕКУЛАМИ Между поведением и молекулами имеется сигнальная связь, сформированная в ходе процесса эволюции. Системы молекулярных механизмов регулирующих поведение максимально вырожденные. Имеется избыточность и существует множество дублирующих механизмов. Плейротропия - одна и та же молекулярная система участвует в регуляции многих форм поведения.
ЦЕЛЬ ЛЕКЦИИ Принципы исследования молекулярных механизмов поведения. Молекулярные процессы, лежащие в основе памяти и обучения. Молекулярная регуляция двигательной активности. Молекулярные механизмы агрессии.
НАУЧНЫЙ МЕТОД Основой современного естествознания служит экспериментальный метод. С древних времен и до XVI века в науке господствовал догматический метод, который отрицал индукцию как способ познания. Познание возможно только дедуктивным развитием исходных положений. Ф. Бэкон критиковал догматический метод и пытался заменить его эмпирическим – первым ввел понятие эксперимента. В его представлениях была недооценка роли дедукции. Г. Галилей первым сделал попытку объединить дедуктивный и эмпирический подходы. Он впервые использовал эксперимент для проверки теоретических положений. К. Попер завершил это объединение и создал современную теорию научного познания. Р. Фишер, Ю. Ньюман и Э. Пирсон ввели статистическую проверку гипотез.
К. ПОППЕР Австрийский философ неопозитивист. Осуществил органическое слияние традиционной (дедуктивной) и эмпирической (экспериментально) теорий познания. В традициях классической философии Поппер отрицал индукцию (эксперимент) как метод познания. «Наблюдение 1000 черных ворон не позволяют утверждать, что все вороны черные» . Идеи возникают дедукцией из других идей, а затем проверяются логикой. Любая новая идея должна быть проверена экспериментально на соответствие реальности. Эксперимент играет роль фактора селекции идей.
СТАТИСТИЧЕСКАЯ ПРОВЕРКА Р. Фишер ввел математическую статистику в биологию. Создал дисперсионный анализ. Ю. Ньюман и Э. Пирсон создали строгую теорию проверки статистических гипотез. Ввели понятие мощности критерия. Доказали теорему Ньюмана -Пирсона, позволяющую строить наиболее мощный статистический критерий.
РАЗНООБРАЗИЕ МЕТОДОВ И ПОДХОДОВ НЕЙРОГЕНОМИКИ ПОВЕДЕНИЯ Регистрация поведения. Изменение концентрации медиаторов. Фармакологические воздействие на рецепторы. Измерение нейрохимических показателей. Изучение секреции медиаторов. Изучение генов-кандидатов Использование антисмысловых нуклеотидов. Трансгенные и нокаутные мыши. Селекция по выраженности поведения.
ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕДЕНИЯ Правильный выбор признака обеспечивает успех выяснения его молекулярной организации. Определение признака должно быть конструктивным. Необходим метод однозначного и объективного измерения выраженности признака. Признак должен быть стабильным и мало зависеть от неконтролируемых условий. Молекулярный механизм признака должен быть простым - включать небольшое число ключевых звеньев.
ДВИГАТЕЛЬНАЯ АКТИВНОСТЬ И ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ Измерение двигательной активности и пространственного предпочтения животного является необходимым элементом оценки любого поведенческого признака. Существуют визуальные и автоматические методы измерения движения. Наиболее точной и универсальной являются компьютерная трассировка перемещения животного. Создателем ее является Л. Нолдус (Etho. Vision).
ETHOSTUDIO Установка включает арену, видеокамеру, компьютер и клавиатуру. Изображение арены захватывается видеокамерой с частотой 10 -25 к/с, оцифровывается, передается в память компьютера и сохраняется на диске. Проводится покадровый компьютерный анализ положения животного в координатах арены.
ОЦЕНИВАЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ Путь, пройденный геометрическим центром животного. Вероятность появления животного в выделенных областях арены.
УМЕНЬШЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕДИАТОРА Разрушение окончаний (нейротоксины). Опустошение везикул (моноамины). Разрушение тел нейронов. (не применимо для ацетилхолина). Ингибирование ключевых ферментов синтеза медиатора.
УВЕЛИЧЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕДИАТОРА Ингибирование ферментов разрушения. Введение релизеров, усиливающих секрецию медиатора (амфетамин, dфенфлурамин). Ингибирование обратного захвата медиатора. Добавление метаболического предшественника.
ФАРМАКОЛОГИЯ РЕЦЕПТОРОВ Основная информация о роли медиаторов в регуляции поведения получена при введении веществ действующих на рецепторы. Лиганд – соединение, специфически связывающееся с рецептором (Kd<10 -8 M). Селективность определяется сравнением Kd для различных рецепторов. Агонисты – соединения, активирующие рецепторы. Антагонисты – соединения, ингибирующие рецепторы.
ВВЕДЕНИЕ ПРЕПАРАТОВ Острое. Повторное (до 5 раз). Хроническое (более 7 дней). Через рот в питьевой воде, в корме или через зонд. Внутрибрюшинное. Системное – внутривенное. Внутричерепное. Доза в мкг для внутричерепного и в мг/кг веса для остальных способов введения.
ИЗМЕРЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕДИАТОРА In situ на срезах мозга с помощью химических соединений или моноклональных антител. Используется для картирования нейронов в мозге. In vitro медиатор эктрагируют из ткани мозга и его концентрацию определяют в растворе: флуориметрически после специфической обработки, радиоферментным методом после введения радиоактивной метки в молекулу медиатора с помощью специфических ферментов и с помощью жидкостной хроматографии высокого давления. Секреция медиатора методом микродиализа.
QTL АНАЛИЗ ПОВЕДЕНИЯ Самый распространенный и мощный метод генетического картирования сложных признаков. Основан на измерении сцепления признака с серией полиморфных микросателлитов, покрывающих геном. QTL - область генома с высоким сцеплением анализируемого признака. Нейрогены, локализованные в QTL, рассматриваются как гены-кандидаты.
ПОЛУЧЕНИЕ НОКАУТНЫХ МЫШЕЙ Разработан только на мышах. Инактивирует ген. Получение нокаута: Введение в бластоцисты ДНК гена, инактивированного вставкой устойчивости к неомицину. В результате рекомбинации у части бластоцистов нормальный ген заменяется на дефектный. Селекция устойчивых к неомицину бластоцистов. Введение измененных клетов в бластулу реципиента. Отбор химерных животных и их гомозиготизация.
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ НОКАУТ: ЗА И ПРОТИВ Позволяет исследовать значение отдельного гена. Влияние нокаута на поведение в общем совпадает с эффектами антагонистов. Позволяет выявить молекулярные механизмы действия препаратов. В ряде случаев приводит к открытию новых генов (tph 2). Активация компенсаторных механизмов. Трудно создать адекватный контроль.
ПАМЯТЬ И ОБУЧЕНИЕ Память неразрывно связана со способностью животного обучаться. Различают кратковременную (минуты – часы) и долговременную (часы – дни – пожизненно). Консолидация – переход информации из кратковременной в долговременную память. Простейшие формы неассоциативного обучения являются сенситизация и габитуация. У млекопитающих элементарной моделью обучения является долговременная потенциация.
КОНСОЛИДАЦИЯ ПАМЯТИ Схема молекулярных процессов консолидации (Byrne et al. , 1988). Консолидация происходит в течение первого часа после поступления информации. Процесс консолидации крайне чувствителен к блокаторам транскрипции и синтеза белка (нарушают память). Это свидетельствует о ключевой роли транскрипции генов в процессе консолидации памяти.
СЕНСИТИЗАЦИЯ Сенситизация – неассоциативная форма обучения, которая проявляется в усилении защитной реакции на значимый стимул. Болевой стимул от хвоста резко усиливает оборонительный рефлекс убирания жабры у молюска Aplysia. Показана ключевая роль ц. АМФ и ПКА в механизме кратковременной сенситизации у Aplysia. Серотонин активирует аденилатциклазу, увеличивает уровень ц. АМФ, вызывает фосфорилирование K+ и Ca++ каналов и снижает порог мотонейрона.
ДОЛГОВРЕМЕННАЯ ПОТЕНЦИАЦИЯ При многократном сочетании индифферентного и болевого стимулов Aplysia будет проявлять оборонительную реакцию на ранее индифферентный стимул. Многократная аппликация серотонина вызывает долговременное усиление сенсомоторного синапса в культуре клеток Aplysia. Экспериментально показана ключевая роль транскрипционных факторов типа CREB, генов быстрого ответа и молекул клеточной адгезии в процессе консолидации памяти у Aplysia.
ГЕНЫ ПЕРВИЧНОГО ОТВЕТА Гены первичного ответа, такие как c-fos, c-jun, jun-B, jun-D, fra-1, fra 2 и др. экспрессируются через несколько минут после действия на клетку факторов роста. Белковые продукты этих генов образуют гетеродимеры с факторами экспрессии (AP-1) и активируют экспрессию «поздних» генов.
РОЛЬ C-FOS В КОНСОЛИДАЦИИ ПАМЯТИ В отсутствии новизны экспрессия гена минимальна. В процессе обучения наблюдается быстрое увеличение экспрессии гена. Увеличение м. РНК наблюдается через 10 -15 мин и длится 2 -3 часа, а уровень белка остается высоким в течение 4 -5 часов. Экспрессия при обучении наблюдается в нейронах, а не в глиальных клетках. Активация затухает по мере потери новизны воздействия. Антисмысловые нуклеотиды к c-fos подавляют долговременную память. Ранние гены инициируют вторую волну синтеза белка в мозге в процессе обучения.
ЭКСПРЕССИЯ МОРФОРЕГУЛЯТОРНЫХ ГЕНОВ CAM-гены Aplysia. Имеют AP-1 элемент в промоторе. Гены CAM относятся к семейству генов молекул клеточной адгезии. Эти молекулы определяют агрегацию и дисагрегацию клеток и вовлечены в морфогенез и синаптогенез. Эти гены отвечают за консолидацию долговременной памяти изменяя синапсы.
ДОЛГОВРЕМЕННАЯ ПОТЕНЦИАЦИЯ Долговременная потенциация – усиление постсинаптического ответа в ответ на кратковременное усиление пресинаптической активности. Это усиление вызывается удалением ионов Mg++ с NMDA рецептора при деполяризации постсинаптического нейрона. Включением AMPA рецепторов в постсинаптическую мембрану.
МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРИ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ ПОТЕНЦИАЦИИ
ДВА ОСНОВНЫХ ПОДХОДА К ИЗУЧЕНИЮ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МЕХАНИЗМОВ ПОВЕДЕНИЯ • • АССОЦИАЦИЯ или синтез – изучение влияния мутаций предполагаемых генов-кандидатов на поведение и СЦЕПЛЕНИЕ или анализ генетической структуры поведения. Он включает поиск генов-кандидатов внутри QTL, сцепленной с поведением.
РЕГУЛЯЦИИ ДВИЖЕНИЙ Моторная активность лежит в основе любого поведенческого акта. Два вида нарушений моторной активности : акинезия/гиперкинезия и дискинезия. Дискинезия связана с нарушениями координаций движения, которые проявляются в виде тиков, тремора, танцующих движений, кататонии и стереотипии.
ГЕНЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ДВИГАТЕЛЬНУЮ АКТИВНОСТЬ МЫШИ В ОТКРЫТОМ ПОЛЕ
КАТАЛЕПСИЯ Каталепсия – длительная неподвижность с повышенным тонусом гравитационной мускулатуры, способность сохранять приданную неудобную позу длительное время.
Каталепсия регулируется многими медиаторами и гормонами Дофамин Ацетилхолин Опиаты Норадреналин ГАМК Серотонин Тиреоидные гомоны
ЩИПКОВАЯ КАТАЛЕПСИЯ У МЫШЕЙ Существенные межлинейные различия по склонности к каталепсии. Полное отсутствие каталепсии у мышей линии AKR и C 57 BL/6. Наивысшая предрасположенность (50%) у CBA.
Для одномаркерного анализа выбраны 65 полиморфных микросателлитов, покрывающих геном мыши
ОДНОМАРКЕРНЫЙ АНАЛИЗ 77 каталептиков-бэккроссов (CBA и CBA x AKR F 1) генотипировали с 65 маркерами. Предполагалось преобладание гомозигот по CBA-аллелю для маркера сцепленного с геном каталепсии. Отклонение отношения гомо- и гетерозигот от 1: 1 оценивали с помощью 2 -теста.
Статистически значимое ( 2>11. 3) превышение доли гомозигот обнару-жено только для марке-ров на дистальном конце хромосомы 13. Из 48 ПЦР-продуктов ДНК бэккроссов – каталептиков с маркером D 13 Mit 78 36 гомозигот (одна полоса) и только 12 - гетерозигот (две полосы).
ЭЛИМИНИРОВАНИЕ AKR-АЛЛЕЛЯ D 13 MIT 76 ПРИ СЕЛЕКЦИИ НА КАТАЛЕПСИЮ
СЕЛЕКЦИЯ МЫШЕЙ НА КАТАЛЕПСИЮ Наследственная предрасположенность к каталепсии была значительно усилена с помощью селекцией гибридов между CBA и AKR. Была создана линия мышей ASC (Antidepressant sensitive catalepsy) с чрезвычайно высокой предрасположенностью к каталепсии.
ПОЛИГЕННЫЙ КОНТРОЛЬ КАТАЛЕПСИИ У МЫШЕЙ Селекция на каталепсию закрепила в геноме ASC 24 фрагмента, усиливающих каталепсию, от CBA и 7 фрагментов от AKR.
БОЛЕЕ ТОЧНОЕ КАРТИРОВАНИЕ ГЛАВНОГО ГЕНА КАТАЛЕПСИИ ПРИ ПОМОЩИ КОНГЕННЫХ ЛИНИЙ Половина мышей линии AKR. CBA-D 13 Mit 76, полученной переносом на геном AKR фрагментов хромосомы 13 от CBA, маркированных D 13 Mit 76, проявляли каталепсию, тогда как среди животных линии AKR. CBA-D 13 Mit 78 с пересаженным на геном AKR концевым фрагментом хромосомы 13 каталептиков обнаружено не было. Установлена локализация главного гена в интервале 61 – 70 с. М (Kulikov et al Genes Brain Behav 2008).
БАЗЫ ДАННЫХ ENSEMBLE И GNF SYMATLAS Во фрагменте 61 -70 c. M хромосомы 13 не обнаружено генов связанных с дофаминовой, серотониновой, адренергической, холинергической, ГАМК или опиатэргической системами. Среди 34 обнаруженных в этом фрагменте только 8 экспрессируются в мозге мыши: Gpbp 1, Map 3 k 1, Rpl 41, Il 6 st, Ppap 2 a, Gzmk, Snag 1 и Hspb 3. Ген Il 6 st кодирует белок gp 130, который является частью рецепторов важной группы цитокинов, вовлеченных в регуляцию выживания нейронов, иммунитета и воспаления.
БЕЛОК GP 130 И КАТАЛЕПСИЯ Активация gp 130 LPS и ИЛ-6 вызывает каталепсию у мышей C 57 BL/6.
АГРЕССИЯ В той или иной форме не отделима от жизни наблюдается у всех живых объектов от вируса до человека. У хищных видов животных агрессия связана с добыванием пищи, у травоядных – с защитой. Агрессия определяет структуру сообщества и является фактором микроэволюции. В человеческом обществе агрессия является биологической основой военных действий, криминала и бытовой жестокости. При психопатологиях агрессия может приобретать тяжелые формы.
КЛАССИФИКАЦИЯ ФОРМ АГРЕССИИ Moyer, 1968 Агрессия хищника Межсамцовая Вызванная страхом Вызванная раздражением Защита территории Защита детенышей Инструментальная Maxson, 1992 (мыши) Offrnse Deffense Infanticide Predation
У серых крыс-пасюков, селекционированных на ручной тип поведения, активность ТПГ-2 в среднем мозге увеличена по сравнению с агрессивными крысами
У доместицированных (ручных) серебристо-черных лисиц активность ТПГ в среднем мозге и гипоталамусе увеличена по сравнению с агрессивными животными
Самец мыши, защищая свою территорию, нападает на подсаженного в его клетку другого самца – чужака Выраженность агрессивного поведения самцов мышей оценивали по двум показателям: Уровню агрессивности – проценту агрессивных самцов в линии, отражающему порог агрессивной реакции. Интенсивности драк – числу нападений на чужака.
ГЕНЫ-КАНДИДАТЫ МЕЖСАМЦОВОЙ АГРЕССИИ (MAXSON, 1999) Аденозин 2 а рецептор Андроген рецептор Кальций/кальмодулин киназа II Энкефалин Рецептор эстрогена Гистаминовый 1 рецептор 5 -HT 1 B рецептор МАО А NCAM Нейролекин-1 рецептор NO синтетаза Окситоцин Стероид сульфотаза Область хромосомы Y Тахикинин 1 рецептор Ген отсутствия хвоста Т фактор роста
Распределение C/G полиморфизма гена tph 2 у мышей 10 инбредных линий
АССОЦИАЦИЯ ЧИСЛА ДРАК С C 1473 G ПОЛИМОРФИЗМОМ (Kulikov et al. , Genes Brain Behav, 2005) Самцы линий гомозиготных по C аллелю вдвое чаще нападали на подсаженного самца чем животные, гомозиготные по G аллелю. Проверку гипотезы о сцеплении интенсивности агрессии с полиморфизмом C 1473 G проводили на мышах F 2 между линиями С 57 BL/6 (C/C) и CC 57 BR (G/G). Сцепления агрессии с полиморфизмом у интеркроссов обнаружено не было.
Доказательство сцепления полиморфизма C 1473 G с интенсивностью агрессии
ФАРМАКОЛОГИЧЕСКИЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА СВЯЗИ ТПГ 2 С АГРЕССИЕЙ МЫШЕЙ Активация синтеза серотонина L-триптофаном трехкратно усиливает время драк у мышей слабо агрессивной линии CC 57 BR (G/G). Ингибитор ТПГ 2 p. CPA втрое уменьшает время драк у мышей высоко агрессивной линии C 57 BL/6 (C/C).


