Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Адренорецепторы и норадреналин головного мозга в ходе нормального и модифицированного глюкокортикоидами развития

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Юшкова, Анна Александровна, Новосибирск

~ ,/а ¿о

••"Г Г о к /С г ^

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Институт цитологии и генетики

ЮШКОВА АННА АЛЕКСАНДРОВНА

АДРЕНОРЕЦЕПТОРЫ И НОРАДРЕНАЛИН ГОЛОВНОГО МОЗГА В ХОДЕ НОРМАЛЬНОГО И МОДИФИЦИРОВАННОГО ГЛЮКОКОРТИКОИДАМИ РАЗВИТИЯ

Физиология человека и животных - 03.00.13

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: д.б.н., Дыгало H.H.

Новосибирск, 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. АДРЕНЕРГИЧЕСКИЕ

РЕЦЕПТОРЫ В ОНТОГЕНЕЗЕ МЛЕКОПИТАЮЩИХ................................9

1.1. Структура норадренергической системы головного мозга

и ее формирование в онтогенезе ...................................................................................................9

1.2. Распределение подтипов адренорецепторов в отделах мозга

и их локализация в синапсе .....................................................................................................13

1.3. Молекулярная структура адренорецепторов и механизм

трансдукции медиаторного сигнала. .....................................................15

1.4. Регуляция функции и числа адренорецепторов................................................19

1.4.1 Эффекты медиатора.......................................................................................................19

1.4.2 Действие стероидных гормонов................................................................22

1.5. Формирование рецепторного звена норадренергической системы в онтогенезе. ............................................................................................25

1.6. Эффекты норадреналина и стероидных гормонов на онтогенез рецепторного звена норадренергической

системы..................................................................................................................29

1.6.1. Действие медиатора. .............................................................................29

1.6.2. Эффекты глюкокортикоидов. ............................................................................30

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ....................................................35

2.1. Животные.......................................................................................................35

2.2. Экспериментальные воздействия. .....................................................................35

2.3. Получение и приготовление образцов ткани мозга для последующих анализов.................................................................................36

2.4. Радиолигандное определение количества и

аффинности адренергических рецепторов.................................................................36

2.5. Определение количества мРНК агд-адренорецепторов................ 38

2.6. Определение содержания норадреналина................................................39

2.7. Статистическая обработка результатов. ...............................................40

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ............................................................................................41

3.1 Изменение в онтогенезе плотности адренергических рецепторов и содержания норадреналина в головном

мозге крыс. ........................................................................................................41

3.1.1. Норадреналин. ...................................................................................................41

3.1.2. а2-адренорецепторы. ...................................................................................................43

3.1.3. (3-адренорецепторы..........................................................................................46

3.1.4. Содержание норадреналина и плотность адренорецепторов

в развивающемся мозге..................................................................................47

3.2. Онтогенез плотности адренергических рецепторов и содержания норадреналина в головном мозге крыс

после пренатального воздействия глюкокортикоидами...............52

3.2.1 Норадреналин. ............................................................................................................53

3.2.2. а2-адренорецепторы.............................................................................................55

3.2.3. мРНК а2А-адренорецепторов мозга. ...............................................................58

3.2.4. /3-адренорецепторы. ................................................................................61

3.2.5. ¡З-адренорецепторы коры головного мозга при изменении уровня норадреналина. ..........................................................................................................69

ГЛАВА 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ .............................................73

ВЫВОДЫ..........................................................................................................89

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............. ... ......................................... ...... ............90

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Закономерности формирования нейромедиаторных систем мозга в онтогенезе являются одним из центральных объектов исследования современной нейробиологии. На ранних этапах развития закладываются основы последующей функциональной активности этих систем, определяющих физиологические и поведенческие особенности взрослого организма. Нейромедиатор норадреналин участвует в регуляции поведения и многих физиологических функций (Буданцев, 1976). Медиаторный сигнал воспринимается специфическими белками - адренорецепторами (Манухин, 1968; Сергеев, Шимановский, 1987; Шишкина, Дыгало, 1997). Формирование рецепторного звена норадренергической системы мозга у крыс начинается во второй половине эмбрионального развития и заканчивается к двухмесячному возрасту. В эти же сроки онтогенеза в головном мозге происходит быстрое становление систем синтеза, выделения и обмена норадреналина (Раевский, 1991).

У взрослого организма повышение уровня норадреналина в синаптической щели снижает по механизму с1о\уп-регуляции количество постсинаптических (3-рецепторов (Наскоск, Ма1Ьоп, 1988), а активация пресинаптических а2-рецепторов угнетает синтез и высвобождение медиатора норадренергическим нейроном (Ву1ипс1 е1.а1., 1995). Такая регуляция, вероятно, способна координировать онтогенез медиаторного и рецепторного звеньев системы. Вместе с тем, взаимоотношения этих звеньев в раннем онтогенезе до последнего времени оставались неясными. Дополнительные возможности для выявления связей между ними в формирующейся норадренергической системе может предоставить модификация ее онтогенеза пренатальным воздействием глюкокортикоидами,

которое изменяет уровень норадреналина в развивающемся мозге (Дыгало и др., 1991, 1993).

Последствия воздействия глюкокортикоидов представляют и самостоятельный интерес. Уровень этих гормонов в организме повышается при стрессе или гормонотерапии. Не исключено, что влияние пренатального стресса на количество адренорецепторов мозга потомства (Peters, 1984) обеспечено этими гормонами. Длительные эффекты стероидов на адренорецепторы могут быть обусловлены их влиянием на уровень норадреналина и, кроме того, непосредственным действием глюкокортикоидов на экспрессию генов, кодирующих эти рецепторы (Kuroda et.al., 1993). Вместе с тем, ни внутрисистемные (медиатор-рецепторные), ни внешние по отношению к данной системе (глюкокортикоидные) эффекты на развитие ее рецепторного звена до последнего времени оставались практически неисследованными.

Изучение этих эффектов будет способствовать пониманию регуляторных процессов онтогенеза рецепторного звена норадренергической системы головного мозга и выяснению механизмов длительных последствий ранних воздействий для функций взрослого организма, зависящих от этой медиаторной системы. Такие сведения могут оказаться полезными и при разработке в дальнейшем способов влияния на развитие нейрохимической системы мозга и коррекции онтогенетических дефектов её функции.

Цель и задачи исследования-. Основной целью работы было выявление и анализ онтогенетических корреляций плотности адренергических рецепторов и уровня норадреналина в головном мозге в ходе нормального и модифицированного глюкокортикоидами развития нейрохимической системы. В связи с этим ставились следующие задачи:

1. Выявить в ходе нормального онтогенеза возможные коррелятивные взаимосвязи между уровнем норадреналина и плотностью а.2- и )3-адренорецепторов в стволе головного мозга -месте расположения основного скопления тел норадренергических нейронов, и в коре, где локализованы их терминали.

2. Изучить влияние повышенного уровня глюкокортикоидов в период эмбриогенеза на последующее развитие этих адренорецепторов в онтогенезе.

3. Провести анализ онтогенетических корреляций между уровнем медиатора и плотностью адренорецепторов на фоне гормональной модификации развития нейрохимической системы.

4. Оценить возможные связи гормональных эффектов на рецепторы с влиянием глюкокортикоидов на уровень норадреналина и на экспрессию генов, кодирующих адренорецепторы.

Научная новизна, В работе впервые установлено, что количество аг- и р-адренорецепторов в стволе головного мозга крыс превышает их число в коре в пренатальный период развития, а характерное для взрослых животных обратное соотношение формируется постнатально. Впервые обнаружен пик повышения количества ал-рецепторов ствола мозга, приходящийся на перинатальный период.

Установлено, что пренатальное воздействие глюкокортикоидами понижает плотность аг-рецепторов в коре головного мозга 35-дневных и взрослых животных, не изменяя сродство рецепторов к лиганду. Это снижение происходит параллельно впервые обнаруженному уменьшению количества мРНК сс2а-рецепторов в этом отделе мозга полуторамесячных

крыс после воздействия глюкокорти коида м и в период эмбриогенеза.

Впервые выявлено, что пренатальное воздействие глюкокортикоидами индуцирует волнообразные отклонения от нормы онтогенеза количества Р-рецепторов в коре мозга с минимумом в первую неделю после рождения и максимумом после второй недели жизни. Эти изменения числа рецепторов происходят в противофазе вызванным гормоном колебаниям содержания норадреналина и затухают одновременно со стабилизацией уровня медиатора. Введение крысятам на 4 - 6 дни жизни а-метилтирозина снижает содержание норадреналина в коре головного мозга в недельном возрасте и пропорционально повышает плотность Р-адренорецепторов. Впервые установлено, что механизм с1ошп-регуляции этих рецепторов норадреналином функционирует уже на ранних этапах онтогенеза.

Обнаружены отрицательная корреляция между количеством аа-рецепторов ствола и уровнем норадреналина коры и положительная корреляция между уровнем норадреналина ствола и р-рецепторов коры головного мозга. Эти корреляции проявляются в ходе нормального онтогенеза и сохраняются при модификации развития норадренергической системы мозга воздействием глюкокортикоидами в пренатальный период.

Теоретическая и практическая значимость. Полученные в работе данные развивают теоретические представления о взаимосвязи пре- и постсинаптических звеньев норадренергической системы в ходе индивидуального развития и о характере изменений онтогенеза нейрохимической системы мозга после нарушения гормонального баланса в эмбриогенезе. Эти сведения необходимы для понимания закономерностей

формирования функции медиаторной системы мозга в онтогенезе. Кроме того, полученные данные могут быть полезны в акушерстве, педиатрии и животноводстве при оценке и коррекции нежелательных последствий нарушения баланса глюкокортикоидов в период внутриутробного развития на функционирование медиаторных систем мозга взрослого организма и регулируемые ими функции. Результаты работы используются в лекционном курсе "Гормоны в онто- и филогенезе" Новосибирского государственного университета. Апробация работы. Материалы данной работы были представлены на V Всесоюзной конференции "Физиология и биохимия медиаторных процессов" (Москва, 1990), Всесоюзном симпозиуме "Биохимия рецепторных систем" (Таллин, 1990), 9 Всеобщем совещании европейского общества нейрохимиков (Дублин, 1992), на отчетных сессиях Института цитологии и генетики СО РАН (1994, 1997), 2 и 3 съездах физиологов Сибири и Дальнего Востока (Новосибирск, 1995; 1997), Всероссийском симпозиуме "Физиология сигнальных молекул" (Москва, 1998), Международном совещании "Моноаминергические и пептидергические нейроны: дифференцировка, пластичность и регуляция экспрессии фенотипа межклеточными сигналами" (Москва, 1998).

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 5 статей в отечественной печати.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ Адрснорецепторы головного мозга в онтогенезе млекопитающих.

1.1. Структура норадренергической системы головного мозга и ее

формирование в онтогенезе

Норадренергическая медиаторная система головного мозга участвует в регуляции ряда физиологических функций и систем организма, например, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, регуляции температуры тела, сокращения зрачка, выделения некоторых гормонов гипофиза (Jhanvar-Unial et.al., 1988; Jones, 1988; Bill et.al., 1989; Heal et.aL, 1989; Kimber et.al., 1996; Szabadi, Bradshow, 1996). Различные типы поведения, например, пищевое и питьевое, половое, агрессивное, обучение, ' сон - тоже регулируются норадренергической системой (Layder et.al., 1975; Currie et.aL, 1988; Jones, 1988).

Эту нейрохимическую систему головного мозга составляют в основном норадренергические нейроны и их отростки; клетки, содержащие адреналин, и их волокна составляют лишь 10% от норадренергических (Regen et.al, 1988). Наибольшее скопление норадренергических нейронов находится в оральном отделе дна IV желудочка в области синего пятна - locus coeruleus (рис. 1). Кроме того, норадренергические нейроны располагаются в таких ядрах ствола мозга, как reticularis lateralis nuclei, nuclei tractus solitarii, a также в некоторых других ядрах (Fuxe, 1965; Буданцев, 1976). Норадренергическая иннервация передних отделов мозга осуществляется в основном нейронами синего пятна. Наиболее значительные восходящие пути - дорзальный и

вентральный пучки. . Аксоны адренергических волокон проникают практически во все отделы мозга, но особенно много их окончаний в коре, гипоталамусе и мозжечке (Levitt, Moore, 1979; Schlumpf et.al., 1980; Elias et.al., 1982; Раевский, 1991).

Рис. 1. Схема строения норадренергической системы головного

мозга крыс.

AI - А7 - скопления тел норадреналин-синтезирующих нейронов, в том числе А6 - locus coeruleus - в стволе головного мозга; заштрихованные области - места окончания терминален норадренергических нейронов, в их числе кора.

Дифференцировка нейронов синего пятна у крыс начинается на 10 - 13 день эмбрионального развития, несколькими днями позже в этих нейронах гистохимическими методами можно обнаружить присутствие норадреналина (Lauder, Bloom, 1975). Норадренергические аксоны, развивающиеся в ростральном направлении, иннервируют передние отделы и достигают корковой пластинки на 16-17 день эмбриогенеза, в период интенсивной пролиферации и миграции клеток в неокортекс (Levitt, Moore, 1979; Раевский, 1991). За несколько дней до рождения эти волокна прорастают во фронтальные и латеральные отделы коры и образуют два основных пучка. К моменту рождения эти волокна появляются в затылочной и париетальной зонах коры и начинают ветвиться в первые дни после рождения. В конце первой недели жизни

распределение норадренергических волокон в неокортексе в целом соответствует наблюдаемому у взрослых животных (Раевский, 1991). Общая плотность синапсов в коре новорожденных крысят значительно ниже, чем у взрослых животных. В коре мозга взрослых крыс норадренергические синапсы распределяются, концентрируясь по слоям, параллельно поверхности, плотность их в различных слоях неодинакова (Krist, Molliver, 1976; Раевский, 1991).

Норадреналин в ткани головного мозга обнаруживается гистохимичекими методами на 13 день пренатального развития у мышей (Elias et.al., 1982) и на 15 - у крыс, одновременно с появлением ферментов, обеспечивающих его синтез (Coyle, Henry, 1973). В это время количество медиатора составляет лишь 2% от уровня взрослых животных в целом мозге. К рождению оно увеличивается в 15 раз (Coyle, Henry, 1973; Elias et.al., 1982), а в перинатальном периоде наблюдается непродолжительное резкое увеличение содержания норадреналина - через три-четыре дня содержание медиатора возвращается к прежнему уровню (Elias et.al., 1982).

После рождения содержание медиатора в стволовых отделах мозга, где содержится основное скопление тел нейронов, достигает взрослого уровня быстрее, чем в корковых структурах, где находятся окончания этих нейронов. Так, на 4 день постнатального развития уровень норадреналина в стволе мозга составляет 40% от взрослого, а в коре - около 15-20%. Уровень, характерный для взрослых животных, достигается в стволе к концу первого месяца жизни, а в коре - к концу второго месяца жизни (Posher, Heller, 1972; Nomura et.al., 1976; Morris et.al., 1980). Таким образом, становление уровня норадреналина происходит в основном во время постнатального развития, причем в каудальных отделах раньше, чем в ростральных.

Действие норадреналина и адреналина на клетки-мишени опосредовано специфическими воспринимающими белками -адренорецепторами (Манухин, 1968; Сергеев, Шимановский, 1987). Адренорецепторы выделены из различных тканей, это относительно гидрофобные интегральные мембранные белки.

Адренергические рецепторы являются членами обширного семейства рецепторных белков клеточной мембраны, связанных со своей эффекторной внутриклеточной системой через белки, обладающие GTP-азной активностью (G-белки) (Dixon et.al., 1986; Lefcowitz, Carón, 1988). Через G-белок-сопряженные рецепторы действуют различные лиганды: катехоламины, субстанция Р, вазопрессин, лютеонизирующий гормон и многие другие. Рецепторы этого семейства обеспечивают сигнальную функцию примерно 80% известных нейротрансмиттеров и гормонов (Birnbaumer et.al.,