Наследственная и модификационная изменчивость половой системы и моноаминергических механизмов ее регуляции Шишкина, Галина Трифоновна

Введение к работе

Актуальность проблемы

Репродуктивная система выполняет в жизни индивида и популяции особую роль, ибо "существование вида, не способного размножаться, невозможно" (Вилкок, 1975). Функциональные характеристики и развитие этой системы контролируются отбором, отметающим отклонения, которые препятствуют оставлению потомства. Вместе с тем, несмотря на ограничения, налагаемые отбором, по этим параметрам наблюдается индивидуальная изменчивость. Полиморфизм особей по характеристикам репродуктивной системы, также как и по другим признакам, очевидно, имеет для популяции адаптивное значение.

Репродукцию млекопитающих обеспечивают специализированные органы размножения, половые железы, особые клетки гипофиза, нейроэндокринные центры гипоталамуса и контролирующие активность этих центров нейромедиаторные системы мозга. Изменчивость, обусловленная как наследственными, так и онтогенетическими факторами по любому из этих звеньев способна вносить вклад в индивидуальное разнообразие функционирования репродуктивной системы- в целом. В настоящее время имеются сведения о наследственной изменчивости систем синтеза и рецепции половых стероидов (Науменко и др., 1983; Stalvey, Clavey, 1992; Ogawa et al., 1996), а также выявлены мутации, нарушающие эти процессы (Griffin, 1980; Wilson et al., 1981; Miller, Levine, 1987; Lubahn et al., 1989; Stalpers et al., 1990). Однако подобные мутации резко снижают фертильность или приводят к полной стерильности особи и, следовательно, такая изменчивость вряд ли способна играть существенную роль в жизни популяции.

Важным, но до последнего времени практически не исследованным механизмом, обусловливающим фенотипическое разнообразие активности половой системы,. может быть полиморфизм центральных нейромедиаторных звеньев ее регуляции. Учитывая интегративную роль центральной нервной системы в контроле физиологических функций, изменчивость половой системы, связанная с центральными звеньями ее регуляции, вполне может являться одной из реально реализующихся в популяциях человека и животных. Следует отметить, что генетико-физиологический подход, используемый для исследования этих вопросов, является вместе с тем чрезвычайно удобным приемом для решения задач классической нейроэндокринологии. Несмотря на

огромный интерес к изучению роли центральных нейромедиаторных систем в регуляции репродуктивной системы (Науменко, Попова, 1975; Бабичев, 1981; Резников, 1982; Науменко и др., 1983; Резников, 1990; Бабичев, 1995), их значение для развития и функционирования гипоталамо-гипофизарно-гонадного комплекса, а также механизмы регулирующего действия нейромедиаторов во многом остаются не ясными. Естественный наследственный полиморфизм по центральным нейрохимическим и периферическим звеньям половой системы предоставляет новые возможности для сравнительно-генетического и корреляционного анализов связи этих показателей.

На развитие половой системы, а также нейрохимических систем мозга значительное влияние могут оказать условия раннего онтогенеза. Наиболее выраженные последствия для половой системы, особенно особей мужского пола, оказывает стресс, перенесенный матерью в последней трети беременности (Ward, 1972; Дернер и др., 1990). При этом оставались не ясными факторы, изменяющие половое развитие плода. Наиболее подходящими кандидатами на эту роль являются глюкокортикоидные гормоны матери. Их уровень быстро повышается при стрессе, и они легко проходят через плаценту в плод. В пренатальный период развития они способны модифицировать становление стрессорной реактивности взрослых животных (Науменко и др., 1990; Дыгало, 1993). Однако возможность подобного влияния глюкокортикоидов на развитие половой системы и регулирующие нейрохимические медиаторные системы исследована не была. Вместе с тем, выяснение последствий ранних воздействий и механизмов их действия в условиях все возрастающего давления вредных антропогенных факторов окружающей среды на животных и человека становится все более необходимым.

Таким образом, актуальность исследования вклада нейрохимических систем мозга в полиморфизм характеристик половой системы обусловлена необходимостью выявления механизмов формирования индивидуальной изменчивости сложноорганизованных функций целостного организма, одной из важнейших среди которых является репродуктивная. Решение этого вопроса, наряду с теоретическим, может иметь и практическое значение для медицины. Применяющаяся в последнее время для лечения некоторых патологий модуляция активности центральных медиаторных систем может стать одним из способов коррекции их

нарушений и функции репродуктивной системы, вызванных генетическими или онтогенетическими факторами. Цель и задачи исследования

Целью данной работы явилось исследование наследственной и модификационной изменчивости половой системы и моноаминергических механизмов ее регуляции. Основные задачи:

1. Исследовать влияние наследственных особенностей
животных и пренатального воздействия глюкокортикоидами на
развитие половой системы.

2. Изучить участие серотонина и норадреналина в реализации
наследственной и модификационной изменчивости половой
системы.

3. Оценить вклад рецепторного звена норадренершческой
системы головного мозга в индивидуальную изменчивость уровня
тестостерона в крови.

Основные положения работы, выносимые на защиту

1. Моноаминергические системы мозга, вовлеченные в сферу действия отбора по поведению, вносят вклад в изменение характеристик репродуктивной системы селектируемых животных. Эффекты изменения серотонинергической системы проявляются в ходе полового созревания, а норадренергической - в регуляции уровня половых гормонов в крови взрослых животных.

2. Глюкокортикоидные гормоны, уровень которых повышается в крови матерей при стрессе во время беременности, оказывают существенное влияние на развитие половой системы потомков мужского пола. Характер модифицирующего действия гормонов коры надпочечников зависит от наследственных особенностей особей.

3. Норадренергическая система головного мозга вовлечена в механизм модификационного генотип-зависимого изменения развития половой системы глюкокортикоидами.

4. Полиморфизм по плотности адренергических рецепторов в мозге вносит заметный вклад в индивидуальное разнообразие контролируемых норадренергической системой физиологических признаков: величины артериального давления и уровня тестостерона в крови.

Научная новизна исследования

Новыми результатами проведенного исследования являются данные о роли неиромедиаторных систем в изменчивости половой

системы, вызванной генетическими и онтогенетическими факторами. Впервые установлено, что изменение моноаминергических механизмов в результате селекции животных по поведению является одной из причин наблюдающихся у них отклонений в развитии характеристик репродуктивной системы. Ускорение процессов, связанных с возрастными колебаниями в содержании серотонина в гипоталамусе привело к более раннему половому созреванию ручных самцов по сравнению с агрессивными. Эффекты изменения норадренергической системы проявились в регуляции уровня половых гормонов в крови взрослых животных. Впервые установлено, что факторами, опосредующими действие пренатального стресса на развитие половой системы особей мужского пола, являются глюкокортикоидные гормоны. Обнаружено, что характер их эффекта определяется генотипом животного. Выявлено пренатальное влияние глюкокортикоидов на норадренергические механизмы регуляции гипоталамо-гипофизарно-гонадной системы. Обнаружен значительный генотипический и вызванный пренатальным воздействием глюкокортикоидов полиморфизм по плотности адренергических рецепторов в отделах мозга и показан их вклад в разнообразие контролируемых норадренергической системой физиологических признаков на примерах величины артериального давления и уровня тестостерона в крови.

Получены новые данные о роли серотонина в регуляции эндокринной функции семенников механизмом отрицательной обратной связи. Разработана модель для изучения механизмов отрицательной обратной связи, основанная на компенсаторном подъеме пониженного после односторонней кастрации уровня мужского полового гормона в крови. Установлено, что стимуляция серотонинергических рецепторов медиобазального гипоталамуса сопровождается торможением, а их блокирование - активацией этого повышения тестостерона. Получены новые сведения о роли серотонина в регуляции полового созревания: в период, непосредственно предшествующий наступлению половой зрелости, серотонин оказывает на половое созревание стимулирующее влияние. Впервые обнаружена, достоверная отрицательная корреляция между плотностью альфа2-адренорецепторов в гипоталамусе и уровнем тестостерона в крови взрослых животных. Научно-практическая ценность работы

Научная значимость работы определяется полученными фундаментальными сведениями о центральных механизмах

генетического и модификационного полиморфизма развития и функционирования у взрослых животных половой системы. В работе представлены результаты исследований селекционных аутбредных и инбредных линий животных, интактных и испытавших в пренатальный период онтогенеза воздействие повышенного уровня глюкокортикоидов. Они свидетельствуют, что важная роль в изменении скорости полового развития при селекции на ручной тип поведения принадлежит серотонинергической системе мозга, а в изменении генотипического и модификационного уровня половых гормонов в крови взрослых животных - норадренергической системе. Кроме того, результаты проведенных исследований расширяют сложившуюся систему знаний о роли серотонина и норадреналина в регуляции полового развития и функционирования гипоталамо-гипофизарно-гонадной системы у взрослых животных. Данные о глюкокортикоидах, как факторах модификации полового развития следует учитывать при гормонотерапии. Разработанная в работе модель находит применение для анализа функций нейромедиаторных систем в регуляции уровня тестостерона в крови механизмом отрицательной обратной связи (Колесникова, 1981; Амикишиева и др., 1996). Апробация работы

Основные результаты данной работы были представлены и обсуждены на V Международном конгрессе по эндокринологии (Гамбург, Германия, 1976), XIII съезде Всесоюзного физиологического общества им. И.П. Павлова (Алма-Ата, 1979), II и III Всесоюзных конференциях по нейроэндокринологии (Иваново, 1982; Харьков, 1988), XXVII Всесоюзном совещании по проблемам высшей нервной деятельности (Ленинград, 1984), Всесоюзном симпозиуме "Медиаторы в генетической регуляции поведения" (Новосибирск, 1986), III Всесоюзной конференции "Эндокринная система организма и вредные факторы внешней среды" (Самарканд, 1987), V съезде Всесоюзного общества генетиков и селекционеров им. Н.И. Вавилова (Москва, 1987), Всесоюзном совещании "Медиаторы и поведение" (Новосибирск, 1988), Международном совещании "Онтогенетические и генетико-эволюционные аспекты нейроэндокринной регуляции стресса" (Новосибирск, 1988), III Школе-семинаре по генетике и селекции животных (Новосибирск, 1989), Всесоюзной конференции "Механизмы действия медиаторов и гормонов на эффекторные клетки" (Суздаль, 1989), IV Всесоюзном съезде патофизиологов (Москва, 1989), Международном симпозиуме

"Физиология гипофизарно-адренокортикальной системы" (Ленинград, 1990), V Всесоюзной конференции "Физиология и биохимия медиаторных процессов" (Москва, 1990), Всесоюзном симпозиуме "Биохимия рецепторных систем" (Таллин, 1990), X Всесоюзном совещании по эволюционной физиологии, посвященном памяти акад. Л.А. Орбели (Ленинград, 1990), IV Всесоюзном симпозиуме "Стресс, адаптация и дисфункция" (Кишинев, 1991), V и VI Международных симпозиумах "Катехоламины и другие нейротрансмиттеры при стрессе" (Братислава, Словакия, 1991; 1995), Всесоюзном симпозиуме "Нейробиологические аспекты современной эндокринологии" (Москва, 1991), 3 Международном конгрессе по нейроэндокринологии (Будапешт, Венгрия, 1994), IV Всероссийской конференции "Нейроэндокринология-95" (Санкт-Петербург, 1995), 1, 2 и 3 съездах физиологов Сибири и Дальнего Востока (Новосибирск, 1986, 1995, 1997) на сателлитном симпозиуме 23 Международного физиологического конгресса "Молекулярные и генетические основы адаптивного поведения" (Колтуши, 1997), Всероссийской конференции "Эндокринные механизмы регуляции функций в норме и патологии" (Новосибирск, 1997) и Международной конференции "Современные концепции эволюционной генетики" (Новосибирск, 1997). Кроме того, материалы работы обсуждались на отчетных сессиях Института цитологии и генетики СО РАН (Новосибирск, 1979, 1982, 1935, 1988, 1991, 1994, 1997).

По результатам исследований опубликовано: всего - 96 работ, из них в рецензируемых изданиях -1 монография и 42 статьи.

В работе были использованы крысы инбредной и аутбредной линий Вистар, линии НИСАГ (Маркель, 1985), ручной и афессивнои линий пасюков (Беляев, Бородин, 1982), а также мыши инбредных линий А/Не, BALB/cLac, CBA/Lac, C57BL/6J, DD и YT. Животных содержали в виварии Института цитологии и генетики СО РАН при естественном освещении.

Для получения животных, с фиксированным сроком беременности , двух самок ссаживали с одним самцом той же линии, и день обнаружения спермы во влагалищном мазке считали первым днем беременности. На 16 и 18 дни беременности самкам (8-10 в группе) под кожу вводили гормоны коры надпочечников: кортикостерон либо гидрокортизон в дозе 2.5 или 5 мг/100 г веса

тела. Контрольным животным вводили соответствующий объем растворителя (2% твин 80 на дистиллированной воде или физиологический раствор), часть беременных самок оставляли интактными.

Фармакологические препараты вводили различными путями. Норадреналин битартрат (7.5-10 мкг) или серотонин-креатинин сульфат (100 мкг) вводили в боковой желудочек мозга взрослых животных с помощью микроинъектора через предварительно вживленные (за 3-4 дня до опыта) направляющие канюли. Блокатор синтеза серотонина п-хлорфенилаланин вводили внутрибрюшинно в дозе 300 мг/кг взрослым животным однократно, а крысятам - на 30 и 34 или на 40 и 44 дни жизни; предшественник в биологическом синтезе этого медиатора - 5-гидрокситриптофан, вводили также внутрибрюшинно в дозе 100 мг/кг взрослым животным однократно, а крысятам - на 30, 32, 34, 36 и 38 дни жизни. Блокатор синтеза катехоламинов - альфа-метилтирозин и агонист альфа2-адренорецепторов - клонидин, вводили внутрибрюшинно в дозах 300 мкг/кг и 1 мг/кг, соответственно.

Операцию односторонней кастрации делали под
нембуталовым наркозом (35 мг/кг). Эмоциональный стресс

вызывали помещение крыс на 1 час в тесные сетчатые трубки (ограничение подвижности).

Уровни тестостерона, эстрадиола и прогестерона в плазме периферической крови определяли радиоиммунным методом с помощью стандартных наборов ("Cea-lre-Sorine", Франция). Содержание серотонина и норадреналина в отделах головного мозга определяли флюориметрическим методом (Curzon, Green, 1970; Jacobowitz, Richardson, 1978). Адренорецепторы в отделах мозга определяли радиолигандным методом по специфическому связыванию меченых лигандов фирмы "Амершам" (Англия): специфического блокатора альфаі-адренорецепторов ³Н-празозина (24.4 Ки/ммоль) (Greengrass, Bremmer, 1979), агониста альфа2-адренорецепторов ³Н-клонидина (23.3 Ки/ммоль) (U'Prichard et al., 1979) и блокатора бета-адренорецепторов ³Н-дигидроальпренолола (75 Ки/ммоль) (U'Prichard et al., 1978).

Статистическую обработку полученных данных проводили с использованием одно- и двухфакторного дисперсионного анализа, корреляционного анализа, а также t-критерия Стьюдента и %²-