Нейрогенетика. Молекулярные основы памяти
DESCRIPTION
Нейрогенетика. Молекулярные основы памяти. Каминская Алена Николаевна. Тейяр де Шарден: "История жизни есть, по существу, развитие сознания, завуалированное морфологией". До 50- 60% из всех генов млекопитающих экспрессируются в развивающейся или взрослой нервной системе - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Нейрогенетика.Молекулярные основы памяти
Каминская Алена Николаевна
2
• До 50-60% из всех генов млекопитающих экспрессируются в развивающейся или взрослой нервной системе
• Каждый 2-й ген человека связан с обеспечением функционирования нервной системы• В обычном состоянии мозга эти гены "молчат", но как только происходит что-то, что требует
запоминания, они активируются, а потом, выполнив свою работу, вновь замолкают.
Тейяр де Шарден: "История жизни есть, по существу, развитие сознания, завуалированное морфологией".
3
Нейрогенетика – это дисциплина,
развившаяся на стыке генетики,
нейробиологии и биологии развития
4
• молекулярно-биологические
• биохимические
• физиологические
• морфологические
Методы
5
Задачи
• Изучение развития нервной системы в ходе онтогенеза, стадиоспецифический характер экспрессии генов, его регуляция
• Изучение механизмов обучения и формирования памяти
6
Объекты нейрогенетики
• млекопитающие, насекомые, моллюски,
амфибии
Aplysia californicaApis mellifera
Mus musculus
Drosophila melanogasterCaenorabditis elegans
7
Камилло ГольджиСантьяго Рамон-и-Кахаль
• 1906 г. нобелевская премия по физиологии и медицине за разработку нейронной теории
8
Диаметр тела нейрона 3 до 130 мкм
9
Типы нейронов
10
СинапсСи$ напс (греч. σύναψις, от συνάπτειν — обнимать, обхватывать, пожимать руку) — место контакта между двумя нейронами или между нейроном и получающей сигнал эффекторной клеткой.
11
Спиловер (перелив,
растекание)- внесинаптическая передача
90-е г. XX века Дмитрий Кульман и Дмитрий Русаков
Наибольшие измененияконцентрации нейромедиаторапроисходят в локальных участках нейрональной сети, ограниченных группой нейронов или небольшим числом нейрональных компартментов.
12
• С функциональной точки зрения синаптическая передача может быть охарактеризована как система быстрой передачи информации по цепочке нейронов.
• Внесинаптическая диффузная нейропередача может изменять активность целой группы клеток, расположенных на определенном расстоянии от источника нейропередатчика.
13
Схема молекулярных посредников, обеспечивающих передачу
информации от рецепторов на ионные каналы и протеинкиназы
14
Память
Кратковременная Долговременная
Функциональные изменениянейронов
Структурные изменениянейронов
15Эрик Кэндел
• 2000 г. нобелевская премия по физиологии и медицине за открытие молекулярных механизмов работы синапсов
Краткосрочная память на Aplysia californica
16
Модель кратковременной памяти на Aplysia californica
электрический удар
Рефлекс втягивания жабр у Aplysia
17
Seymour Benzer
Yadin Dudai
Обучение на Drosophila melanogaster
18
Мутанты аденилат циклазного сигнального пути
Drosophila melanogaster
• dunce - нарушение функционированияфосфодиэстеразы, ↑цАМФ
• rutabaga – нарушение сайта связывания аденилатциклазы с Ca/CaM-киназой,↓цАМФ
• amnesiac – нарушение связывания внеклеточного белка PACAP с аденилатциклазой
• DCO – нарушение функционирования каталитической субъединицы протеинкиназы А
19
Сигнальный каскад вторичных посредников в
нейронах Drosophila melanogaster
amnesiac
АМР
20
Аппарат для обучения Drosophila melanogaster Тима Талли (Tully and Quinn, 1985)
2121
Ритуал ухаживания у Drosophila melanogaster
2222
Схема обучения самцов D. melanogaster
1я оплодотворенная самка
2я оплодотворенная самка
наивный самец
обученный самец
тренировка
Импульсная песня
Синусоидальная песня
Регистрация звуковых сигналов ухаживания, 5 миндо
тренировки
после тренировки
23
• Похожие результаты, полученные на аплизии и дрозофиле свидетельствуют о том, что в основе простых форм памяти лежат одинаковые механизмы и они эволюционно консервативны.
• Для создания новых адаптивных механизмов эволюция не требует новых специализированных молекул. Эволюция варьирует существующие условия, просеивая случайные мутации в структуре генов, в результате которых возникают немного другие варианты белков и немного другие способы использования их в клетках. Большинство мутаций нейтральны или даже вредны, только редкие мутации, повышающие шансы
организма на выживание, с большей вероятностью сохраняются.
24
Модель lac-оперона Жакоба и Моно
Сигналы из среды, окружающей клетку, могут активировать гены регуляторных белков, которые включают гены структурных белков
25
Долгосрочная память
CREB - cAMP response element-binding protein,белок, связывающий элемент, реагирующий на цАМФ
26
Активация CREB вызывает экспрессию генов, которая меняет клетку в структурном и функциональном отношении
27
Молекулярный каскад экспрессии генов раннего и позднего ответов
при формировании долгосрочной памяти
S.Flavell, M.Greenberg, 2008
28
• Консолидация – перевод поступившей информации на постоянное хранение
также
это переход из краткосрочной памяти в долгосрочную
29
Долговременная память и консолидация
Долговременная память• Обучение приводит к синтезу РНК и белка в нервных клетках.
• Данный процесс универсален и имеет "критическое" окно, ограниченное 1-2 часами после обучения.
• После его завершения память переходит в стабильную, консолидированную форму и не может быть нарушена воздействиями на нервную систему. 1900, Г. Мюллер и А. Пильзекер
30
Развитие представлений о механизмах поддержания памяти в течение многих лет
1885 - Е1885 - Еbbinghausbbinghaus::В хранении памяти существуют две фазы;
1900 - 1900 - Mueller & Pilzecker:Mueller & Pilzecker:Переход из первой фазы во вторую - активный
процесс "консолидации";
1949 - 1949 - Duncan:Duncan:Память у экспериментальных животных
нарушается при судорогах в те же временные интервалы, что и у людей;
1901 - 1901 - McDougall:McDougall:Консолидация требует нервной активности и
нарушается при травмах и судорогах;
1962 - Н1962 - Нyden:yden:В это "временное окно" консолидации в мозге животных увеличивается синтез РНК и белка;
1963 - 1963 - Flexner et al.:Flexner et al.:Блокада синтеза белка во "временное окно"
консолидации нарушает долговременную память.
31ОбучениеЭкспрессия немедленных ранних генов
Экспрессияпоздних генов Долговременная память
Экспрессия "ранних" и "поздних" генов определяет "позднее" формирование долговременной памяти
6 12
0
20
40
60
80
100
Сох
ране
ние
след
а па
мят
и
часы
Первая волна синтеза РНК и белков
Вторая волна синтеза РНК и белков
Долговременная память
3 9
32
Почему для синаптической пластичности выгоднее использовать мРНК, а не белки?
• Поскольку РНК может служить матрицей для теоретически безграничной трансляции, выгоднее сохранять матрицы, нежели неактивные белки
• Регуляция белков на уровне трансляции мРНК по сравнению с пост-трансляционной модификацией белков является более гибкой, поскольку активность белка регулируется произвольными последовательностями мРНК, а не конститутивными доменами белка
33
CPEB в яйцеклетке Rana temporaria
CPEB – cytoplasmic polyadenylation element binding protein, высококонсервативный РНК-связывающий белок, который способствует удлинению полиА-хвоста мРНК
34
Долговременная память и СPEB
35
Переход приона из нормальной формы в аномальную
Прионы не структурированы и сильно обогащены аминокислотными остатками глутаматом и аспарагином. Это свойство позволяет прионным доменам полимеризоваться с образованиемамилоидных фибрилл
36
Долговременная память и СPEB
CPEB - cytoplasmic polyadenylation element binding protein
37
Структура кодирующей Orb2 мРНК и двух белков Orb
Orb2 - гомолог СРЕВ у Drosophila melanogaster
38
Распределение Orb2 в структуре синапса Drosophila melanogaster
Amitabha Majumdar et al., 2012
10 µm
39
Нейрональная пластичность
40
Морфология шипиков дендритов гиппокампа
Ethella, Pasquale, 2005
F-актин
Шипики дендрита
4141
Ремоделирование актинового цитоскелета посредством LIMK1
CREB
рCREBc-fos, BDNF
Yokoo et al., 2003
42Miyoshi et al., 2006
Образование шипика дендрита
43
Нейротрофические факторырегулируют локальную трансляцию РНК
44BDNF – brain-derived neurotrophic factor
45
Локальная трансляция mRNA в дендрите посредством miRNA
Schratt et al. 2006
В отсутствии BDNF трансляция LIMK1 блокируется miR-134 опосредованно через сайленсинг комплекс (SC), что приводит к уменьшению шипиков дендритов. В присутствии BDNF активируется трансляция LIMK1 и рост шипиков дендритов
46
Локальная трансляция в аксонах, необходимая для направленного
проведения сигнала
• Белки сигнального каскада ремоделирования актина (LIMK1, кофилин)
• Молекулярные шапероны HSP27, HSP60, HSP70, HSP90, grp75 и grp78/BiP
47
Зачем использовать некодирующие РНК?
• Последовательность нуклеотидов в РНК может определять большую точность и специфичность взаимодействия, нежели достигаемые изменением третичной структуры белков
• Поэтому нкРНК при функционировании нервной системы являются устройством связи между цифровой информацией нуклеиновых кислот ядра и аналоговой информацией клеточных белков
48
Болезнь Альцгеймера
Ключевые гены:APP, PSEN1, PSEN2, APOE
Массовое отмирание нейронов головного мозга в результате постепенного накопления в них амилоидов.Ослабление кратковременной затеми долговременной памяти
После 60 лет
49
Хорея Гентингтона
Ключевой ген: HTT
В последовательности гена HTT встречаются повторы (CAG)n
CAG кодирует глутаминЕсли n<26, развитие болезни не происходитЕсли 27<n<35, группа риска развития, р=10%Если 36<n<40, заболевание развивается с высокой вероятностьюЕсли n>40, развитие заболевания неизбежно
Массовое отмирание нейронов головного мозга в результате постепенного накопления в них амилоидов.Ослабление кратковременной затеми долговременной памяти
После 35 лет
50
Синдром Уильямса
• характерные черты лица эльфа
• кардиоваскулярные нарушения
• замедление развития• когнитивные дефекты
51Graya et al., 2006
Схема расположения генов в районе 7q11.23 человека
52
Генетически обусловленные заболевания человека, сопровождающиеся нарушением памяти
Заболевание Основные симптомы Ключевые гены
Болезнь Альцгеймера Прогрессирующее ослабление памяти
APP, PSEN1, PSEN2, APOE
Синдром Коффина-Лоури Задержка умственного развития, многочисленные аномалии скелета
RPS6KA3
Синдром Рубинштейна-Тайби Задержка умственного развития, аномалии черепа, проблемы при дыхании и глотании
CREBBP
Синдром ломкой Х-хромосомы
Удлиненный череп, оттопыренные уши, пониженный мышечный тонус, низкий интеллект
FMR1
Хорея Гентингтона Снижение пластичности мышления, проблемы с координацией движений
HTT
Болезнь Паркинсона Повышенное напряжение мышц, тремор конечностей
PARK2
Нейрофиброматоз Множественные пигментные пятна и опухоли на коже, судороги, сниженная обучаемость и память
NF1
53
Рекомендуемая литература
54