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 californicaApis mellifera

Mus musculus

Drosophila melanogasterCaenorabditis elegans

7

Камилло ГольджиСантьяго 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

СинапсСи$ напс (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 измененияконцентрации нейромедиаторапроисходят 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

Кратковременная Долговременная

Функциональные изменениянейронов

Структурные изменениянейронов

15Эрик 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 функционированияфосфодиэстеразы, ↑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)

2121

Ритуал ухаживания у Drosophila melanogaster

2222

Схема обучения самцов D. melanogaster

1я оплодотворенная самка

2я оплодотворенная самка

наивный самец

обученный самец

тренировка

Импульсная песня

Синусоидальная песня

Регистрация звуковых сигналов ухаживания, 5 миндо

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

1885 - Е1885 - Еbbinghausbbinghaus::В хранении памяти существуют две фазы;

1900 - 1900 - Mueller & Pilzecker:Mueller & Pilzecker:Переход из первой фазы во вторую - активный

процесс "консолидации";

1949 - 1949 - Duncan:Duncan:Память у экспериментальных животных

нарушается при судорогах в те же временные интервалы, что и у людей;

1901 - 1901 - McDougall:McDougall:Консолидация требует нервной активности и

нарушается при травмах и судорогах;

1962 - Н1962 - Нyden:yden:В это "временное окно" консолидации в мозге животных увеличивается синтез РНК и белка;

1963 - 1963 - Flexner et al.:Flexner et al.:Блокада синтеза белка во "временное окно"

консолидации нарушает долговременную память.

31ОбучениеЭкспрессия немедленных ранних генов

Экспрессияпоздних генов Долговременная память

Экспрессия "ранних" и "поздних" генов определяет "позднее" формирование долговременной памяти

6 12

0

20

40

60

80

100

Сох

ране

ние

след

а па

мят

и

часы

Первая волна синтеза РНК и белков

Вторая волна синтеза РНК и белков

Долговременная память

3 9

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 образованиемамилоидных 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., 2012

10 µm

39

Нейрональная пластичность

40

Морфология шипиков дендритов гиппокампа

Ethella, Pasquale, 2005

F-актин

Шипики дендрита

4141

Ремоделирование актинового цитоскелета посредством LIMK1

CREB

рCREBc-fos, BDNF

Yokoo et al., 2003

42Miyoshi et al., 2006

Образование шипика дендрита

43

Нейротрофические факторырегулируют локальную трансляцию РНК

44BDNF – brain-derived neurotrophic factor

45

Локальная трансляция mRNA в дендрите посредством miRNA

Schratt et al. 2006

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 затеми долговременной памяти

После 60 лет

49

Хорея Гентингтона

Ключевой ген: HTT

В последовательности гена HTT встречаются повторы (CAG)n

CAG кодирует глутаминЕсли n<26, развитие болезни не происходитЕсли 27<n<35, группа риска развития, р=10%Если 36<n<40, заболевание развивается с высокой вероятностьюЕсли n>40, развитие заболевания неизбежно

Массовое отмирание нейронов головного мозга в результате постепенного накопления в них амилоидов.Ослабление кратковременной затеми долговременной памяти

После 35 лет

50

Синдром Уильямса

• характерные черты лица эльфа

• кардиоваскулярные нарушения

• замедление развития• когнитивные дефекты

51Graya et al., 2006

Схема расположения генов в районе 7q11.23 человека

52

Генетически обусловленные заболевания человека, сопровождающиеся нарушением памяти

Заболевание Основные симптомы Ключевые гены

Болезнь Альцгеймера Прогрессирующее ослабление памяти

APP, PSEN1, PSEN2, APOE

Синдром Коффина-Лоури Задержка умственного развития, многочисленные аномалии скелета

RPS6KA3

Синдром Рубинштейна-Тайби Задержка 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 Гентингтона Снижение пластичности мышления, проблемы с координацией движений

HTT

Болезнь Паркинсона Повышенное напряжение мышц, тремор конечностей

PARK2

Нейрофиброматоз Множественные пигментные пятна и опухоли на коже, судороги, сниженная обучаемость и память

NF1

53

Рекомендуемая литература

54