Нейрогенетика. Молекулярные основы памяти

1. Нейрогенетика.Молекулярные основы памяти Каминская Алена Николаевна

2. 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 • 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.

3. Нейрогенетика– это дисциплина, развившаяся на стыке генетики, нейробиологии и биологии развития

4. Методы • молекулярно-биологические • биохимические • физиологические • морфологические

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 Drosophila melanogaster Caenorabditis elegans Apis mellifera Aplysia californica Mus musculus

7. Сантьяго Рамон-и-Кахаль Камилло Гольджи • 1906 г. нобелевская премия по физиологии и медицине за разработку нейронной теории

8. Диаметр тела нейрона 3 до 130 мкм

9. Типы нейронов

10. Синапс Си́напс (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 Наибольшие изменения концентрации нейромедиатора происходят в локальных участках нейрональной сети, ограниченных группой нейронов или небольшим числом нейрональных компартментов. 90-е г. XX века Дмитрий Кульман и Дмитрий Русаков

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 изменения нейронов Структурные изменения нейронов

15. Эрик Кэндел Краткосрочная память на Aplysia californica • 2000 г. нобелевская премия по физиологии и медицине за открытие молекулярных механизмов работы синапсов

16. Модель кратковременной памятина Aplysia californica электрический удар Рефлекс втягивания жабр у Aplysia

17. Обучение на Drosophila melanogaster Seymour Benzer Yadin Dudai

18. Мутанты аденилат циклазного сигнального пути Drosophila melanogaster • dunce - нарушение функционирования • фосфодиэстеразы, ↑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)

21. Ритуал ухаживания уDrosophila melanogaster 21

22. Схема обучения самцов D. melanogaster 1я оплодотворенная самка наивный самец Регистрация звуковых сигналов ухаживания, 5 мин до тренировки Импульсная песня тренировка Синусоидальная песня после тренировки обученный самец 2я оплодотворенная самка 22

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 • 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. Долговременная память 1900, Г. Мюллер и А. Пильзекер

30. 1900 - Mueller & Pilzecker: Переход из первой фазы во вторую - активный процесс "консолидации"; 1901 - McDougall: Консолидация требует нервной активности и нарушается при травмах и судорогах; 1949 - Duncan: Память у экспериментальных животных нарушается при судорогах в те же временные интервалы, что и у людей; 1962 - Нyden: В это "временное окно" консолидации в мозге животных увеличивается синтез РНК и белка; 1963 - Flexner et al.: Блокада синтеза белка во "временное окно" консолидации нарушает долговременную память. Развитие представлений о механизмах поддержания памяти в течение многих лет 1885 - Еbbinghaus: В хранении памятисуществуют две фазы;

31. Экспрессия "ранних" и "поздних" генов определяет "позднее" формирование долговременной памяти Первая волна синтеза РНК и белков 100 80 Сохранение следа памяти Вторая волна синтеза РНК и белков 60 40 Долговременная память 20   0 часы 3 6 9 12  Экспрессия немедленных ранних генов Экспрессия поздних генов Долговременная память Обучение

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 образованием амилоидных фибрилл

36. Долговременная память и СPEB CPEB - cytoplasmic polyadenylation elementbinding protein

37. Структура кодирующей Orb2 мРНК и двух белков Orb Orb2 - гомолог СРЕВ у Drosophila melanogaster

38. Распределение Orb2 в структуре синапса Drosophila melanogaster 10 µm Amitabha Majumdar et al., 2012

39. Нейрональная пластичность

40. Морфология шипиков дендритов гиппокампа F-актин Шипики дендрита Ethella, Pasquale, 2005

41. Ремоделирование актинового цитоскелетапосредством LIMK1 c-fos, BDNF рCREB CREB Yokoo et al., 2003 41

42. Образование шипика дендрита Miyoshi et al., 2006

43. Нейротрофические факторырегулируют локальную трансляцию РНК

44. BDNF – brain-derived neurotrophic factor

45. Локальная трансляция mRNA в дендритепосредством miRNA 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 Schratt et al. 2006

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 После 60 лет Массовое отмирание нейронов головного мозга в результате постепенного накопления в них амилоидов. Ослабление кратковременной затем и долговременной памяти Ключевые гены: APP, PSEN1, PSEN2, APOE

49. Хорея Гентингтона После 35 лет Массовое отмирание нейронов головного мозга в результате постепенного накопления в них амилоидов. Ослабление кратковременной затем и долговременной памяти Ключевой ген: HTT В последовательности гена HTT встречаются повторы (CAG)n CAG кодирует глутамин Еслиn<26,развитие болезни не происходит Если 27<n<35, группа риска развития, р=10% Если 36<n<40, заболевание развивается с высокой вероятностью Если n>40, развитие заболевания неизбежно

50. Синдром Уильямса характерные черты лица эльфа кардиоваскулярные нарушения замедление развития когнитивные дефекты