Введение к работе
Актуальность проблемы. Каждый год выходит огромное количество работ, посвященных регуляторным функциям моноаминов, ферментов их синтеза и деградации, транспортеров и рецепторов. Была показана роль серотонина и дофамина не только как классических нейромедиаторов, но и как факторов, участвующих в регуляции развития (Voronezhskaya et al., 2004; Lauder and Krebs, 2010), а также гуморальных факторов, регулирующих течение самых разных процессов, начиная с ранних стадий органогенеза (Pino et al., 2004; Levin et al., 2006) и заканчивая нормальными и патологическими процессами во взрослых организмах (Berger et al., 2009).
Одним из наиболее изученных моноаминов является серотонин (5-гидрокситриптамин, 5-hydroxytryptamine, 5-НТ). Известно, что 5-НТ широко распространён среди эукариот. В том числе он выполняет регуляторные функции у растений (Murch et al., 2001), одноклеточных простейших (McGowan et al., 1985) и примитивных многоклеточных животных, не имеющих нервной системы (Czaker, 2006).
Ещё в конце 50-х - начале 60-х годов было впервые обнаружено, что некоторые моноамины и другие низкомолекулярные вещества, являющиеся нейромедиаторами, присутствуют на стадиях раннего развития задолго до появления нервной системы (Numanoi, 1955; Бузников, Манухин, 1961). В дальнейшем было показано, что 5-НТ содержится в ооцитах и дробящихся эмбрионах животных самой разной систематической принадлежности: полихет (Emanuelsson, 1974), немертин, (Buznikov et al., 1964) голожаберных моллюсков (Buznikov et al., 2003); головохордовых (Candiani et al., 2001), иглокожих, (Buznikov et al., 1964), амфибий (Fukumoto et al., 2005a), птиц (Emanuelsson, 1988) и млекопитающих (Basu et al., 2008).
В экспериментальных работах было продемонстрировано, что 5-НТ вовлечён в регуляцию широкого спектра процессов на донервных стадиях развития у самых разных животных (Buznikov et al., 1993; Cerda et al., 1995; Dufau et al., 1993; Strieker and Smythe, 2000; Buznikov et al., 2003; Fukumoto et al., 2005a, 2005b; Lawrence and Soame, 2009; Fujinoki, 2011; Beyer et al., 2012). Несмотря на растущее количество экспериментальных фактов, многие аспекты и механизмы функционирования серотонинергической системы на ранних донервных стадиях развития остаются практически не исследованными.
Большинство работ, посвященных 5-НТ, выполняется преимущественно в рамках парадигмы рецепторного действия моноаминов. Однако в последние десятилетия было показано, что механизмы действия 5-НТ также включают в себя сложные многокомпонентные системы, в которых важную роль играет баланс 5-НТ внутри и снаружи клеток (Warmer, 2006; Duerschmied and Bode, 2009).
В качестве объектов исследования нами были выбраны удобные для работы и популярные в биологии развития модели: пресноводный брюхоногий моллюск большой прудовик, костистые рыбы данио и обыкновенный вьюн. Для этих животных хорошо изучены особенности раннего развития, существуют методики эффективной работы в условиях лаборатории. В
дополнение, как один из самых легкодоступных объектов среди двустворчатых моллюсков, нами была использована тихоокеанская мидия.
Моллюски являются старейшим объектом для исследования физиологии биогенных аминов. Серотонин на ранних стадиях развития впервые был показан и описан в зародышах голожаберных моллюсков (Бузников, Манухин, 1960). Систематические исследования ранней серотонинергической системы у представителей других групп моллюсков не проводились.
На костистых рыбах был выполнен ряд работ о вовлечении 5-НТ в процессы реинициации мейоза и созревания ооцитов (Iwamatsu et al., 1993; Cerda et al., 1995, 1998; Chattoraj et al., 2008), а также было показано участие 5-НТ в нейро- и органогенезе (Bashammakh, 2007; Airhart et al., 2012). Однако данные об особенностях ранней серотонинергической системы и её функциях на стадиях, предшествующих нейруляции у костистых рыб в современной научной литературе отсутствуют.
Цель и задачи исследования. Целью исследования было изучение роли серотонинергической системы и механизмов её работы в раннем развитии (дроблении) моллюсков и костистых рыб. В связи с этим были поставлены следующие задачи:
Исследование паттернов распределения 5-НТ в дроблении моллюсков большого прудовика и тихоокеанской мидии, а также костистой рыбы данио.
Анализ активности систем синтеза и транспорта 5-НТ на последовательных стадиях раннего эмбрионального развития этих животных.
Изучение экспрессии компонентов серотонинергической системы в развитии костистой рыбы данио.
Поиск нарушений развития, вызванных фармакологической модуляцией компонентов ранней серотонинергической системы у моллюсков и рыб.
Анализ компонентов серотонинергической системы и исследование их функциональных взаимосвязей в раннем развитии большого прудовика. Научная новизна работы.
Впервые с использованием современных методов был проведен
детальный анализ присутствия и распределения серотонина (5-НТ) в дроблении
костистой рыбы, а также пресноводного брюхоногого моллюска и морского
двустворчатого моллюска. Совмещение морфологического и
экспериментального подходов позволило проанализировать функциональную активность ферментов синтеза серотонина и его транспортеров на разных стадиях донервного развития исследованных животных. Была разработана экспериментальная модель, позволяющая выявить и оценить взаимосвязь различных компонентов серотонинергической системы у большого прудовика. Представленные новые данные демонстрируют модуляторную роль серотонина на донервных стадиях эмбрионального развития и позволяют выдвинуть гипотезу о важном значении баланса уровня серотонина внутри и снаружи клетки в развитии. Получены экспериментальные данные, указывающие на
модуляторную роль серотонина в регуляции долговременных, отсроченных процессов.
Научно-практическая ценность.
Полученные данные имеют важное теоретическое значение, так как позволяют понять механизмы, лежащие в основе долговременной регуляции процессов развития со стороны донервной серотонинергической системы. Сравнительные данные, полученные для животных далеко отстоящих систематических групп, дают возможность оценить консервативность обнаруженных механизмов регуляции. Прикладное значение имеет разработанная экспериментальная модель серотонин-индуцированной экзогаструляции у зародышей большого прудовика, которая может быть использована в качестве тест-системы для скрининга биологически активных веществ, способных модулировать работу серотонинергической системы.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на XVI и XVII Международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2009» и «Ломоносов-2010», второй международной научно-практической конференции «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии и медицине», IX East European Conference of the International Society for Invertebrate Neurobiology, 6th European Zebrafish Genetics and Development Meeting, 12th International EMBL PhD Symposium. 9th and 10th Gottingen Meeting of the German Neuroscience Society, 12th Symposium on Invertebrate Neurobiology.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 статей в рецензируемых российских и международных журналах и 21 тезисы докладов в сборниках российских и международных конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, главы с изложением методов, главы результатов и обсуждения результатов, заключения, выводов и списка литературы. Работа изложена на 121 странице, иллюстрирована 25 рисунками. Список литературы содержит 231 источник.
