Исследование генерализованного метаболического ответа нервных клеток на смену функционального состояния и на действие повреждающих факторов Гордон, Рита Яковлевна

Введение к работе

Актуальность проблемы. Реакция дифференцированной клетки на внешние воздействия может развиваться по нескольким различающимся программам: это может быть нормальный функциональный ответ или обратимая стрессорная реакция при усилении воздействия, которая при превращении воздействия в повреждающее может перерасти в медленную, «программируемую» гибель или даже в быструю гибель в форме некроза. Эти основные реализуемые клетками программы многокомпонентны и многостадийны. Выяснение их отличительных признаков и механизмов запуска стало крупнейшим достижением клеточной биологии. В последнее время появляется все больше свидетельств того, что ответ клетки может трансформироваться из одного типа реакции в другой например функциональный ответ может перерасти в стрессорный а тот в свою очередь - в апоптоз (Браун Моженок, 1987; Kermer et al., 1999; Yeung et al., 1999). Изучение механизмов переключения этих основных программ существования клетки имеет большой научный и практический интерес ПОСКОЛЬКУ

ИМенНО вОЗмОЖНОСТЬ ТЗКНХ пеОЄКЛЮЧЄНИН оГШедеЛЯЄТ ЗЛЗПТ311И0ННЬ^те

возможности клеток того или иного типа Основой ПЛЯ Т1КОГО

ПСПЄК ТїОЧЄНІІЯ МО/КЄТ 6*ЫТЬ Н1ЛИЧИЄ СОВПЯТТЯЮШНХ ГїґіОТТЕССОВ ттпи

функцпональном ответе н стрессорнон реакции стрессорной реакции и аПОТТТОзС апогттозе и некрозе

Адаптационные возможности нервных клеток, срок жизни которых совпадает с жизнью организма, по определеншо, должны быгь выше, чем у короткоживущих клеток, например у клеток крови. По всей видимости, в нервных клетках функционирует какой-то механизм, который обеспечивает их восстановление после повреждающих воздействий. Известно, что нервные клетки реагируют па изменения функциональной активности быстрыми и выраженными изменениями синтетической активности, общего содержания белка и рибосом в цитоплазме (Дьяконова и др., 1965; Бродский, 1966; Bocharova et al.; 1972; Певзнер, 1972; Гейнисман, 1974; Konecki, 1977; Глебов, 1977; Ханбабян, Караманукян, 1980; Меркулова и Дарннский, 1982 и др.), которые отражают сдвиги в состоянии белоксинтезирующей системы клетки в целом а не активацию обмена каких-то конкретных белков Такая метаболическая реакция - характерный компонент ответа нервной клетки

і

при изменениях активности. Смысл этих изменений остается невыясненным, но очевидно, что реакция, которая требует расходования большого количества пластических и энергетических ресурсов (Глебов, 1977), имеет существенное значение для нормального функционирования нервной клетки.

В литературе представлены только отрывочные данные об изменениях обмена РНК и белка, состоянии обеспечивающих синтетические процессы структур в нервных клетках при повреждающих воздействиях (Гастева и др., 1977; Wynter, 1979; Абдурахманов, Оттелин, 1987; Давыдов и др, 1991; Протас, 1995; Raley-Susman, Murata, 1995; Lipton, Raley-Susman, 1999). Тем не менее, вероятность того, что именно изменения общей интенсивности синтетических процессов, обмена рибосом изменения состояния других участвующих в обмене РНК и белка структур, могут быть общим элементом реакций на физиологические и повреждающие воздействия, представляется достаточно большой. Возможно что именно генерализованная реакция белоксинтезирующей системы является основой способности нервных клеток восстанавливаться после стрессорных воздействий в течение всей жизни

Цель данной работы - исследовать диапазон возможных изменений в состоянии систем синтеза рРИК и белка при смене функциональной активности нервной клетки и возможность подобных изменений при действии на нейроны различных повреждающих факторов. Наличие сходных реакций при смене уровня функциональной активности и стрессорных воздействиях указывало бы на наличие общего компонента этих двух реакций. Основные задачи исследования:

1. Определить объект, у которого в рамках нормального функционирования наблюдаются состояния генерализованного усиления и торможения активности нервных клеток центральной нервной системы.

2. Подобрать метод окрашивания цитоплазмы клеток, позволяющий быстро оценивать состояние рибосом.

3. Выявить диапазон изменений количества и состояния рибосом, характер изменений состояния эндоплазматического ретивулума (ЭПР), аппарата Гольджи (АГ), цитоскелетных структур в цитоплазме, определить характер трансформации ультраструктуры ядрышка,

отражающей изменения интенсивности биогенеза рибосом при усилении и торможении функциональной активности нервных клеток.

4. Сопоставить тип изменений состояния систем синтеза рРНК и белка при функциональных воздействиях и при воздействии на организм таких общих повреждающих факторов как радиация, гипоксия и сопровождающее ее снижение температуры тела.

5. Сопоставить тип изменений состояния систем синтеза рРНК и белка при функциональных и локальных повреждающих (электрощок, локальное разрушение структур) воздействиях на мозг.

6. Сравнить эффект температурных сдвигов на белоксинтезирующую систему нейронов в мозге и в культуре нейробластных клеток. Научная новизна.

1. Впервые показано, что кроме активации или остановки белкового синтеза компонентом метаболической реакции нервных клеток на изменение уровня функциональной активности может быть экстренное обновление рибосом в цитоплазме.

2. Показано, что при изменениях активности нейронов в пределах физиологической нормы состояние ядрышка, структуры, ответственной за биогенез рибосом, может изменяться от максимальной активации до остановки синтеза рРНК и образования рибосом.

3. При действии различныx повреждающих факторов, в разной степени влияющих на уровень функциональной активности нейронов, также выявлены изменения состояния рибосом, ЭПР и ядрышек, отражающие изменения интенсивности белкового синтеза, спектра синтезируемых белков и биогенеза рибосом., причем наблюдаемые в случае стрессорной реакции нейронов изменения не выходят за пределы сдвигов при смене функцнональных состояний.

4. Показано, что при окрашивании цитоплазмы клеток красителем акридиновым оранжевым (АО), соотношение его красной и зеленой флуоресценции, отражает состояние рРНК в рибосомах и коррелирует с тем, какая доля от общего количества рибосом представлена участвующими в сігатезе белка полирибосомами. Научно-практическая ценность.

1. Окрашивание цитоплазмы клеток АО, позволяющее оценить состояние рибосом, предлагается использовать в научной и медицинской практике в

качестве экспресс-метода для оценки состояния белоксинтезирующей системы клеток.

2. Развиваемые в диссертащш новые представления о значимости генерализованного ответа белоксинтезирующей системы нервных клеток в адаптационных реакциях на функциональные и повреждающие воздействия могут быть полезны при разработке различных вопросов функциональной нейробиологии и патологии нервной системы.

Положения, выносимые на защиту:

Способность к быстрой деградации и накоплению рибосом является характерной особенностью метаболической реакции нейронов на смену функционального состояния.

Изменение биогенеза рибосом, проявляющееся в конформации ультраструктуры ядрышка, является компонентом общего клеточного ответа и при функционально обусловленных и при стрессорных воздействиях на клетку.

Окрашивание цитоплазмы глеток АО выявляет состояние рРНК в рибосомах. Коэффициент К^ представляющий собой отношение интенсивностей красной и зеленой флуоресценции, коррелирует с долей транслирующих рибосом.

Смена функционального состояния и действие повреждающих факторов вызывает в нейронах однотипные изменения в состоянии таких компонентоБ белоксинтезирующей системы как рибосомы, эвдоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, митохондрии и др. Геиерализованные изменения активности белоксинтезирующей системы являются обязательным компонентом и функционального, и обратимого стрессорного ответа нервных клеток, связывающим их звеном, определяющим адаптационные способности нейронов. Апробация работы. Основные материалы дисссртащш доложены на 9-ой Всесоюзной конференции по биохимии (Ереван, 1983), на 9-ом Всесоюзном симпозиуме «Структура и функция клеточного ядра», (Черноголовка, 1987), на 1, 2, 3 Всесоюзных школах-семинарах «Механизмы зимней спячки» (Пущино, 1983, 1986, 1988), на: «25-th Annual Meeting of the Europian Society for Radiation Biology», (Stockholm University, Sweden, 1993), на Third symposium «Neural cell specification: Molecular mechanisms and neurotherapeutic implications», (Saskatoon,

Canada, 1994), на: Conf. on Radiat. and Health, Beer-Sheva, (Israel, 1996),

на Втором съезде биохим. общества РАН, (Москва, 1997). на Втором

съезде биофизиков России, (Москва, 1999).

Публикации. По результатам диссертации опубликована 31 работа в

виде статей и тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,