Введение к работе
. Актуальность проблемы. Гормональные системы организма, как и коммуникативные системы в целом, являются результатом эволюционного развития. Познание того, как эти системы возникли, в каком направлении шла их эволюция и как в ходе эволюции происходила интеграция входящих в системы элементов, представляет задачу большой теоретической важности. Наука, занимающаяся этими вопросами, сравнительная эндокринология, относится к числу наиболее быстро прогрессирующих в наши дни. При рассмотрении проблем эволюции гормональных систем внимание исследователей все больше привлекают гормональные рецепторы. Интерес к их эволюционной истории обусловлен важной ролью рецепторов в системе передачи гормонального сигнала клетке и поддерживается постоянно увеличивающимся потоком информации по их структуре и функциональной организации у высших животных.
Инсулин является одним из важнейших регуляторов метаболизма и роста на всем протяжении эволюции животного мира.Вопросы эволюционной истории этого гормона давно интересуют исследователей. Работами многих из них накоплен большой фактический материал, касающийся происхождения инсулина, его функциональной роли на разных этапах эволюции, а также особенностей его структуры у разных видов. Все эти исследования вплотную подводят к необходимости охарактеризовать в сравнительно-филогенетическом аспекте свойства рецепторов гормона и создают для этого необходимую базу.
Однако пока проблема инсулиновых рецепторов в эволюции не получила большого развития. Работы в этом направлении не носят систематического характера и охватывают небольшой круг объектов. Более того, некоторые важные аспекты проблемы (например, регуляция рецепторов у низших позвоночных) совсем не затронуты исследованиями. В этих обстоятельствах дальнейшее накопление материала по характеристике инсулиновых рецепторов у животных разного эволюционного уровня представляется важной задачей.
Данная работа посвящена анализу некоторых функциональных свойств инсулиновых рецепторов позвоночных. Работа воз-
- h -
никла как логическое продолжение многолетних исследований по эволюции инсулиновой регуляции, проводимых в лаборатории эволюции Авохимических систем коммуникации Института эволюционной физиологии и биохимии ииени И.М.Сеченова АН СССР (Лейб-сон, 1979, 1981, 1983; Плисецкая, 1975; Перцева, 1989). Основой для нее послужил накопленный в лаборатории большой фактический материал по регуляции инсулином метаболизма у низших позвоночных, по определению содержания инсулина в крови многих из них, наконец, по выделению и расшифровке аминокислотной последовательности некоторых инсулинов рыб.
Одним из подходов при рассмотрении инсулиновых рецепторов в эволюции является изучение в сравнительно-филогенетическом плане инсулин-рецепторных взаимодействий. Такой подход позволяет сосредоточить внимание на тех аспектах рецеп-торной функции, которые имеют отношение к восприятию клеткой гормонального сигнала, во также дает возможность рассмотреть рецептор с точки зрения его роли в регуляции чувствительности клетки к гормону. Анализируемый с точки зрения взаимодействия с гормоном, рецептор выступает в качестве компонента гормональной системы, а его эволюционная история представляется частью эволюции гормональной системы как целого.
С указанных позиций в данной работе рассмотрены инсулин-рецепторные взаимодействия у позвоночных разного эволюционного уровня. Целью работы было охарактеризовать свойства инсулиновых рецепторов позвоночных, имея в виду оценить вклад рецепторного компонента в эволюцию инсулиновой гормональной системы. В соответствии с этим задачами работы было: I) изучить связывающие параметры инсулиновых рецепторов позвоночных -от круглоротих до млекопитающих, - сравнить их по таким показателям, как чувствительность к гормону и избирательность; 2) сопоставить изменчивость рецепторов с изменчивостью инсулинов в ходе эволюции позвоночных; 3) сравнить рецепторы высших и низших позвоночных по способности реагировать на смещения уровня инсулина в крови, для чего у низших позвоночных сопоставить связывание инсулина тканями с его изменениями в крови в ходе преднерестового голодания (минога, горбуша); у высших позвоночных (крыса) рассмотреть влияние на рецепторы острой инсулиновой недостаточности, вызванной введением ан-
тиинсулиновой сыворотки, и in. Yitxo на примере рецепторов глюкагона проанализировать влияние повышения уровня гормона на состояние рецепторов.
Научная новизна. Впервые на материале, охватывающем представителей круглоротих, рыб, птиц и млекопитающих, проведено сравнение связывающих свойств инсулиновых рецепторов в таких тканях, как печень, сердечная и скелетная мышца.го-ловной мозг. Раньше в сравнительно-филогенетическом плане исследовались только рецепторы эритроцитов. Опыты дали основание говорить о присущей всем инсулиновым рецепторам позвоночных консервативности связывающей функции.
Для оценки функциональной изменчивости рецепторов в сопоставлении с функциональной изменчивостью инсулннов поставлены опыты по вытеснению связанного меченого инсулина рядом немеченых инсулинов, принадлежащих видам от круглоротих до млекопитающих. Впервые такого рода опыты проведены на мозга-. вых и печеночных рецепторах разного эволюционного уровня.Сде-лан вывод о ббльшей изменчивости инсулинов по сравнению с изменчивостью рецепторов в эволюции.
Впервые показано, что число связывающих мест в ряде тканей-мишеней млекопитающего значительно выше, чем в соответствующих тканях низших позвоночных.
Впервые охарактеризовано состояние рецепторов инсулина в период преднерестовой миграции у миноги в горбуши.Выявлено отсутствие у обоих видов реакции рецепторов на снижение в ходе миграции уровня инсулина в крови. Показанное в этих условиях у горбуши снижение числа инсулинсвязывающих мест в головном мозгу является первым пока случаен сдвигов со стороны мозговых рецепторов в естественных условиях. Впервые обнаружен важный факт отсутствия даун-регуляции у миног, выявленный при введении им инсулина.
Существование даун-регуляции рецепторов глюкагона в печени крысы, ранее предполагавшееся только на основании косвенных данных, продемонстрировано прямыми экспериментами in vitro. В этих же экспериментах впервые показана способность инсулина в относительно небольших дозах усугублять стимулируемую глюкагоном убыль рецепторов, что вносит новый элемент.в проблему взаимоотношений между двумя гормонами.
б -
Впервые для изучения регуляции рецепторов в условиях обратимых сдвигов в уровне инсулина использовано введение анти-иясулиновой сыворотки крысе. Проанализированы в опытах in vitro последствия такого введения. Показано, что введение крысе АИС инициирует ответ со стороны рецепторов в виде повышения числа связывающих мест на мембране печени, имеющее обратимый характер. Этой реакции предшествует относительно непродолжительное повышение аффинности печеночных рецепторов, обусловленное связыванием ими комплексов инсулин-антитело.
Теоретическая и практическая значимость. Проведено сравнительное изучение связывающих свойств инсулинового реценто-ра у позвоночных разного эволюционного уровня, что дало возможность судить об эволюционной изменчивости рецептора в сопоставлении с функциональной изменчивостью инсулина.Полученные данные раскрывают важный аспект проблемы эволюции инсу-линовой регуляции, характеризуя события, происходящие в ходе эволюции позвоночных на периферии инсулиновой гормональной системы - в тканях и клетках-мишенях. Эти данные имеют и более общее значение, обусловленное вниманием современной науки к проблеме эволюции гормональных систем вообще.
Раскрыты некоторые неизвестные ранее аспекты функционирования инсулинового регуляторного механизма в таких специфических условиях, как преднерестовая миграция у круглоротих и рыб. Это существенно как для оценки состояния инсулиновой регуляции у этих видов, так и с точки зрения проблемы регуляции рецепторов уровнем гормона в филогенезе позвоночных.
Получены экспериментальные данные, которые способствуют более углубленному пониманию такого важного феномена, как даун-регуляция рецепторов. В частности, они дают основание ставить вопрос о влиянии на даун-регуляцию одновременного связывания клеткой двух лигандов (на примере рецепторов глюкагонеі а также показывают, что быстрые и обратимые изменения числа рецепторов могут быть получены при манипуляциях с физиологическими концентрациями гормона.
Опыты с введением антиинсулияовой сыворотки крысе демонстрируют возможность повысить аффинность печеночных рецепторов инсулина за счет создания в крови высокого титра антиин-сулиновых антител. Эти опыты позволяют ставить вопрос об уча-
стии печеночных рецепторов горцона в элиминации иммунных кон-плексов. Данный аспект работы может представить практический интерес в связи с проблемой антител к инсулину в крови больных сахарный диабетом.
При обсуждении вопроса о роли рецепторних факторов в эндокринной патологии в расчет должен быть принят сделанный в работе вывод о высокой эволюционной консервативности (и, следовательно, функциональной прочности) инсулинового рецептора.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Связывающие характеристики ивсулиновых рецепторов за 400-500 млн. лет эволюции позвоночных не изменились сколько-нибудь значительно. Функциональной консервативности рецептора противостоит относительно высокая изменчивость самих инсу-линов. Иначе говоря, при наличии двух рядов взаимодействующих молекул в эволюции позвоночных флюктуации в одном из них выражены сильнее, чем в другом.
-
При сходстве связывающих параметров рецепторов виды позвоночных могут различаться по количеству инсулинсвязываю-щих мест в одних и тех же тканях. Количество связывающих мест может находиться в обратной зависимости от биологической активности инсулина у данного вида, а в ряде случаев определяется положением вида на эволюционной шкале: у высших позвоночных количество связывающих мест в некоторых тканях выше,чем у низших. Количество связывающих мест в эритроцитах не находится в какой-либо связи с двумя указанными обстоятельствами.
-
Участие рецепторов в повышении эффективности инсулинового регуляторного механизма в ходе эволюции позвоночных обусловлено: а) повышением числа инсулинсвязывающих мест в ряде тканей-мишеней высших позвоночных по сравнению с низшими; б) увеличением с повышением температуры скорости связывания инсулина, что ставит теплокровных в более выгодное положение по сравнению с холоднокровными; в) более высокой регулируемостью рецепторного пула уровнем гормона у высших позвоночных.
Апробация работы. Материалы исследования были доложены и обсуждены на 2-м Всесоюзном съезде эндокринологов, на 1-м Всесоюзном съезде биофизиков, на 8-м и 9-м Совещаниях по эво-
люцЕОнной физиологии памяти акад. Л.А.Орбели, на международном симпозиуме „Эволюция панкреатических островков" (Левин-град, 1975), на Всесоюзной симпозиуме яРегуляторная роль мембран в процессе дифференцировки и пролиферации клеток" (Пущине, 1983), на 5-й Всесоюзной конференции по биохимии мышц, на 1-м рабочем совещании „Протоонкогены, онкогены, факторы роста" (Тарту, 1986), на 2-й Всесоюзной конференции по ней-: ронаукаи, на биохимической секции Ленинградского общества физиологов, биохимиков и фармакологов имени И.М.Сеченова.
Апробация работы проходила на заседании Секции молекулярных основ эволюция функций Института эволюционной физиологии и биохимии имени И.I!.Сеченова АН СССР.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, описания материалов и методов, 3 глав собственных результатов с их обсугдением, заключения, выводов и списка литературы ( источников). Материал изложен на страниц содержит рисунк и таблиц
