Влияние сверхэкспрессии гена серотониновых 5-HT7 рецепторов в мозге на регуляцию нормального и депрессивноподобного поведения и пластичность серотониновой системы мозга

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-15-00025

НазваниеВлияние сверхэкспрессии гена серотониновых 5-HT7 рецепторов в мозге на регуляцию нормального и депрессивноподобного поведения и пластичность серотониновой системы мозга

Руководитель Науменко Владимир Сергеевич, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук" , Новосибирская обл

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-106 - Нейробиология

Ключевые слова Серотониновая система мозга, 5-НТ7 рецептор, экспериментально обусловленная сверхэкспрессия, экспрессия гена, уровень белка, адено-ассоциированные генетические конструкты, поведение, депрессия, метаболизм серотонина в мозге

Код ГРНТИ34.15.43

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Серотонин (5-НТ) - важнейший нейротрансмиттер, обуславливающий широкий спектр функциональных эффектов в центральной нервной системе посредством активации гетерогенно экспрессирующихся рецепторов. Среди многочисленных 5-НТ рецепторов (14 типов и подтипов) особое внимание привлекает 5-НТ7 рецептор. 5-НТ7 рецептор был открыт позднее большинства 5-НТ рецепторов и до недавнего времени оставался одним из наименее изученных. Однако в последнее десятилетие интерес к 5-НТ7 рецептору резко возрос. Это связано с двумя обстоятельствами: (1) выявленной и нашедшей клиническое применение антидепрессантной активностью антагонистов 5-НТ7 рецепторов; (2) его участием в ауторегуляции функциональной активности 5-НТ системы мозга. Последнее важное свойство связано с взаимодействием 5-НТ7 рецепторов с основным ауторегулятором 5-НТ системы - 5-НТ1А рецепторами. Получены убедительные доказательства того, что 5-НТ рецепторы могут образовывать белок-белковые комплексы, взаимодействуя друг с другом. Было обнаружено, что 5-HT7 рецепторы формируют гетеродимеры с 5-HT1А рецепторами. Функционально, гетеродимеризация ингибирует связывание 5-HT1A рецепторов с Gi-белком, ослабляя обусловленную 5-HT1A рецепторами активацию калиевых каналов и способствует интернализации 5-HT1A рецепторов, не оказывая влияния на опосредуемую 5-HT7 рецепторами передачу сигнала. Выявление нового механизма регуляции функциональной активности ключевого рецептора, регулирующего работу 5-НТ системы мозга, открывает новые возможности, в том числе и для разработки новых эффективных антидепрессантов. Однако феномен гетеродимеризации 5-НТ7/5-НТ1А рецепторов был продемонстрирован, главным образом, in vitro. В настоящее время до конца не ясно, будет ли 5-НТ7 рецептор оказывать подобное влияние в живом организме. Также детально не исследовано влияние гетеродимеризации 5-НТ7/5-НТ1А рецепторов на внутриклеточные сигнальные каскады данных рецепторов. Фундаментальный научный смысл данного проекта заключается в исследовании функциональной роли 5-НТ7 рецепторов в механизмах пластичности 5-НТ системы и в регуляции, как нормального поведения, так и в патогенезе депрессии. В перспективе это подразумевает использование 5-НТ7 рецепторов и их взаимодействия с другими рецепторами (в особенности с 5-НТ1А рецепторами) в качестве потенциальной терапевтической мишени для коррекции поведения. В последние годы, благодаря значительному прогрессу молекулярно-биологических технологий, стала доступна возможность локальной избирательной активации или ингибирования экспрессии генов in vivo в отдельных структурах мозга путём введения в эти структуры соответствующих адено-ассоциированных генетических конструктов. Использование современного молекулярно-генетического метода, позволяющего изменить экспрессию конкретного гена в отдельной структуре мозга in vivo, открывает новые возможности в исследовании центральных механизмов генетического контроля поведения. Также появилась возможность визуализировать белок-белковые взаимодействия рецепторов не только на культуре клеток in vitro при помощи биофизического метода FRET (Förster Resonance Energy Transfer), но in vivo при помощи in situ Proximity Ligation Assay. Кроме того, метод FRET нашел применение в исследовании рецептор-зависимых внутриклуточных сигнальных каскадов. Целью проекта является изучение влияния экспериментально повышенной (введением в ядра шва адено-ассоциированного вирусного конструкта) экспрессии гена 5-HT7 рецепторов в ядрах шва среднего мозга (midbrain raphe nuclei) на регуляцию нормального и депрессивноподобного поведения, а также на функциональное состояние 5-НТ системы мозга. Применение этого подхода в сочетании с имеющимися в лаборатории животными моделями депрессии позволит выявить роль локального изменения экспрессии 5-НТ7 рецепторов в ядрах шва среднего мозга в регуляции различных видов поведения. В лаборатории уже создана плазмида AAV_SynH1-2_HTR7-EGFP, обеспечивающая сверхэкспресию 5-НТ7 рецепторов. На основе этой плазмиды будут собраны адено-ассоциированные вирусные частицы, которые обеспечат ее доставку в нейроны in vivo. Выбор ядер шва среднего мозга в качестве исследуемой структуры мозга связан с тем, что в них локализовано основное скопление клеточных тел 5-НТ нейронов и, следовательно, пресинаптических ауторецепторов, являющихся основными регуляторами функциональной активности 5-НТ системы мозга. В сотрудничестве с Институтом Клеточной Нейрофизиологии (Германия) при помощи in situ Proximity Ligation Assay (PLA) будет изучено взаимодействие 5-НТ7/5-НТ1А рецепторов на зафиксированных срезах мозга мышей. Этот метод позволяет обнаруживать гетеродимеры для эндогенно экспрессируемого рецептора непосредственно на нейронах. Также на культуре нейрональных клеток при помощи метода lux-FRET и селективных антагонистов или агонистов 5-НТ1А и 5-НТ7 рецепторов будет оценен вклад каждого рецептора в активацию внутриклеточных сигнальных каскадов. Метод lux-FRET позволит изучить влияние гетеродимеризации 5-НТ7 и 5-НТ1А рецепторов непосредственно на уровень цАМФ. Следует подчеркнуть, что как 5-НТ7, так и 5-НТ1А рецептор действуют на аденилатциклазу, однако 5-НТ7 рецептор активирует ее, тогда как 5-НТ1А рецептор ингибирует. Для 5-НТ7 рецетпора будет исследован и другой сигнальный путь, связанный с активацией малых ГТФаз семейства Rho. Настоящий проект будет выполняться с использованием современных методик регуляции экспрессии генов in vivo при помощи вводимого в ядра шва среднего мозга адено-ассоциированных генетических конструктов в сочетании с уникальными животными моделями. Будет изучено влияние сверхэкспрессии гена 5-НТ7 рецепторов в мозге на функциональное состояние 5-НТ системы мозга и на поведение, как на стандартной линии мышей C57Bl6, так и на моделях депрессивноподобного поведения, обусловленного генетическими факторами (созданная в лаборатории линия ASC, Antidepressant Sensitive Catalepsy) или воздействиями внешней среды (сокращенный световой день, хроническое потребление алкоголя). Будет показано, формируют ли 5-НТ7 рецепторы гетеродимеры с 5-НТ1А рецепторами in vivo и оценено значение этого процесса для предрасположенности к депрессии. Актуальность проблемы определяется огромной ролью 5-НТ рецепторов в регуляции нормального и патологического поведения. Известно, что нарушения в работе 5-НТ7 рецепторов приводят к возникновению самых разнообразных психопатологий – депрессии, шизофрении, самоубийствам. Для 5-НТ7 рецепторов показано не только вовлечение в механизмы, лежащие в основе депрессии, но и способность взаимодействовать с 5-НТ1А рецептором, регулируя функциональную активность 5-НТ системы мозга. С 5-НТ7 рецепторами связывают и чувствительность к современным антидепрессантам. Полученные в результате выполнения проекта данные расширят представление о 5-НТ7 рецепторах как о потенциальном важном регуляторе 5-НТ системы мозга и их роли в регуляции поведения и в механизмах депрессии. Ожидаемые результаты улучшат понимание механизмов функционирования 5-НТ системы мозга и могут стать основой для создания оригинальных препаратов для профилактики и лечения депрессивных расстройств, и, возможно, других 5-НТ-зависимых поведенческих отклонений. Оснований сомневаться в достижимости результатов нет, поскольку в лаборатории налажены и используются методы определения в структурах мозга уровней мРНК и белков ключевых генов 5-НТ системы мозга и, в том числе, 5-НТ7 рецептора. В лаборатории поставлен метод искусственной регуляции экспрессии генов в структурах мозга животных in vivo при помощи адено-ассоциированных генетических конструктов. Имеется генетическая модель депрессивноподобного поведения и набор современных методов изучения поведения. Участники проекта – молодые, но уже с хорошим опытом экспериментальной работы научные сотрудники. Сотрудничество с Институтом Клеточной Нейрофизиологии (Германия) позволит, при помощи новейших молекулярно-биологических (PLA) и биофизических (lux-FRET) методов, исследовать механизмы влияния сверх-экспрессии 5-НТ7 рецепторов на пластичность 5-НТ системы мозга и поведение.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Прасад С., Понимаскин Е., Цойг А. Serotonin receptor oligomerization regulates cAMP-based signaling Journal of Cell Science (, 132(16). pii: jcs230334. (год публикации - 2019)
10.1242/jcs.230334.

2. Горинский Н., Бията М., Прасад С., Вирт А., Абдель Галиль Д., Цойг А., Базовкина Д., Кондаурова Е., Куликова Е., Ильчибаева Т., ......, Стрекалова Т. ., Сигрист С., Банг С., Хобусс Л., Фидлер Ю., Тум Т., Науменко В.С., Пандей Г., Понимаскин Е. Attenuated palmitoylation of serotonin receptor 5- HT1A affects receptor function and contributes to depression-like behaviors Nature Communications, 10(1):3924 (год публикации - 2019)
10.1038/s41467-019-11876-5

3. Еремин Д., Ильчибаева Т., Хоцкин Н., Науменко В., Цыбко А. Effect of cerebral dopamine neurotrophic factor (CDNF) on the behavior and expression of the key genes of the brain serotonin system in C57Bl6/J mice IBRO Reports, IBRO Reports, supl. 6. S58 (год публикации - 2019)
10.1016/j.ibror.2019.07.192

4. Попова Н.К., Куликов А.В., Науменко В.С. Spaceflight and brain plasticity: Spaceflight effects on regional expression of neurotransmitter systems and neurotrophic factors encoding genes Neuroscience and Biobehavioral Reviews, 119:396–405 (год публикации - 2020)
10.1016/j.neubiorev.2020.10.010

5. Попова Н.К., Ильчибаева Т.В., Антонов Е.В., Першина А.В., Базовкина Д.В., Науменко В.С. On the interaction between BDNF and serotonin systems: The effects of long-term ethanol consumption in mice Alcohol, 87:1-15. (год публикации - 2020)
10.1016/j.alcohol.2020.04.002

6. Ильчибаева Т.В., Цыбко А.С., Кондаурова Е.М., Ковецкая А.И., Кожемякина Р.В., Науменко В.С. Паттерны экспрессии серотониновых рецепторов 1А и 7 подтипа в мозге крыс с генетически детерминированным защитно-оборонительным агрессивным поведением или его отсутствием Нейрохимия, 37(2):140–147. (год публикации - 2020)
10.31857/S1027813320020053

7. Кондаурова Е.М., Ильчибаева Т.В., Базовкина Д.В., Попова Н.К., Науменко В.С. Влияние стресса на экспрессию нейротрофического фактора мозга (BDNF) и его предшественника proBDNF у мышей, различающихся чувствительностью серотониновых 5-НТ1А рецепторов, Нейрохимия, 37(3):201–207 (год публикации - 2020)
10.31857/S1027813320030073

8. Барабошкина И., Базовкина Д., Ильчибаева Т.. Антонов Е., Куликова Е.. Науменко В. Effect of the 5-HT7 receptor gene overexpression on behaviour and serotonin brain system in mice with predisposition to depressive-like behavior European Neuropsychopharmacology, V. 40, Suppl. 1, Nov. 2020, P. S181-S182. (год публикации - 2020)
10.1016/j.euroneuro.2020.09.237

9. Базовкина Д., Ильчибаева Т.. Антонов Е., Першина А., Попова Н., Науменко В. Effects of long-term ethanol consumption: study the possible interaction between brain-derived neurotrophic factor and serotonin brain systems European Neuropsychopharmacology, V.40, Suppl. 1, Nov. 2020, P.S2. (год публикации - 2020)
10.1016/j.euroneuro.2020.09.009

10. Попова Н.К., Науменко В.С. Генетические различия как основа индивидуальной чувствительности к флуоксетину: роль 5-HT1A рецепторов Экспериментальная и клиническая фармакология, Т.84.№.С-68-70. (год публикации - 2021)
10.30906/0869-2092-2021-84-2-68-70

Публикации