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 16-15-10131

НазваниеВыяснение эпигенетических механизмов отсроченного влияния раннего постнатального стресса на формирование когнитивных расстройств у взрослых особей

РуководительМеркулова Татьяна Ивановна, 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

Период выполнения при поддержке РНФ 2016 г. - 2018 г.  , продлен на 2019 - 2020. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№13 - Конкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «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 словакогнитивные расстройства, поведение, постнатальный стресс, эпигенетика, ChIP-Seq, RNA-Seq, MeDIP-Seq

Код ГРНТИ34.15.43


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Известно, что условия жизни в раннем детстве оказывают существенное влияние на формирование когнитивных способностей у индивидуумов. Неоднократно показана связь социоэкономического статуса семьи с развитием мозга и когнитивными функциями у детей, в частности, с развитием интеллекта, декларативной и пространственной памяти [Hackman et al., 2010; Borghol et al., 2012; Franz et al., 2013]. Более того, рассматриваемые когнитивные изменения могут иметь персистентный характер, т.е. сохраняться в течение всей дальнейшей жизни. К примеру, у взрослых индивидов с историей жестокого обращения в детстве наблюдается ухудшение сенсорных и когнитивных функций (способности к логическому мышлению и решению проблем) [Dawes et al., 2015]. В связи с этим, выяснение молекулярных механизмов отсроченного влияния неблагоприятных событий раннего детства на последующее развитие когнитивных расстройств входят в число важнейших задач современной нейробиологии. В качестве наиболее вероятного механизма долговременного эффекта таких событий на нейрональную активность и когнитивные функции мозга в настоящее время рассматриваются различные эпигенетические модификации (метилирование ДНК, модификации гистонов, изменения внутрихромосомных и межхромосомных контактов). Однако большинство современных работ сосредоточено на исследовании отдельных генов или небольших групп генов. Целью данного проекта является комплексное полногеномное исследование эпигенетических изменений хроматина, происходящих в гиппокампе и фронтальной коре взрослого индивида вследствие стресса, предъявленного в раннем постнатальном периоде. При этом наибольшее внимание будет сосредоточено на изменениях эпигенетического статуса регуляторных районов генов, обусловливающих долговременные отклонения экспрессии этих генов в ответ на стресс. Исследования планируется проводить на модели раннего постнатального стресса у мышей – длительного (3 часа) отделения детенышей от матерей, что является сильным стрессом для детенышей и в дальнейшем приводит к развитию у них ряда когнитивных расстройств (ухудшение пространственной памяти, способности к распознаванию объектов и др.) во взрослом состоянии. На указанной модели будет проведен полногеномный анализ изменений паттернов метилирования ДНК в гиппокампе и фронтальной коре, а так же изучение динамики распределения меток активного хроматина – моно- и триметилирования гистона H3 по лизину 4 (H3K4me1 и H3K4me3) и ацетилирования по лизину 27 (H3K27Ас) – в этих структурах головного мозга. Оценка функциональной роли обнаруженных эпигенетических изменений будет основываться на одновременном анализе транскрипционной активности генов в масштабе генома и исследовании различных индивидуальных поведенческих нарушений у животных. Материал для молекулярно-биологических исследований будет взят в двух временных точках: на следующий день после последнего предъявления стрессора (15-й день жизни) и во взрослом состоянии (3 месяца). Перечисленные исследования будут дополнены изучением эффектов другого типа стресса – кратковременного отделения (15 мин) детенышей от матерей, которое, как было показано, может приводить к диаметрально противоположным последствиям для взрослого организма. На этой модели также будет подробно исследовано влияние стресса на когнитивные функции, и проведено аналогичное комплексное исследование эпигенетических изменений в сочетании с транскриптомным анализом. Для определения поведенческих нарушений будет использована батарея тестов на определение когнитивных функций - тесты на распознавание нового объекта (novel object recognition task), на пространственную память (Morris water maze), на социальное распознавание (two-trial social memory test), а также тесты, оценивающие психоэмоциональное состояние - тесты на тревожность (приподнятый крестообразный лабиринт, тест «свет-темнота»), депрессивность (тест вынужденного плавания, тест на ангедоническое поведение). Кроме того, в качестве показателей уровня стрессированности животных будет исследовано содержание кортикостерона в крови и органные индексы тимуса и надпочечников. Для анализа транскриптома будет выделена тотальная РНК, и получены библиотеки с обеднением по рибосомальной фракции РНК (RiboMinus) для секвенирования на платформе Illumina HiSeq (RNA-seq), позволяющие оценить экспрессию большинства генов, в том числе и экспрессию малых РНК. Для определения полногеномного профиля метилирования ДНК будет применен метод MeDIP-seq, включающий иммунопреципитацию ДНК с использованием антител к 5-метилцитозину и последующее секвенирование полученных фрагментов. Данный метод позволяет выявить наибольшее число метилированных участков генома при относительно небольшой глубине секвенирования. Профили распределения участков хроматина, содержащих гистоновые модификации, будут получены с помощью иммунопреципитации хроматина с антителами к H3K4me3, H3K4me1, и H3K27Ac и последующего секвенирования на платформе Illumina (ChIP-seq). Перечисленные метки охватывают подавляющую часть районов регуляторно-активного хроматина. В ходе выполнения проекта планируется также оценить влияние неспецифического ингибитора гистоновых деацетилаз (трихостатина А) на формирование индуцированных ранним постнатальным стрессом когнитивных расстройств во взрослом состоянии. Для этого будут исследованы различия в когнитивных функциях и в изменении профиля ацетилирования гистонов (H3K27Ac) у взрослых животных. Эти работы позволят не только ответить на вопрос о возможном терапевтическом действии данных препаратов, но и получить дополнительный пласт информации о том, какие изменения в хроматине могут иметь непосредственное отношение к когнитивным расстройствам. Данные каждого из перечисленных выше экспериментов будут иметь собственную научную значимость, и в то же время в совокупности будут формировать уникальную многомерную модель, включающую функциональные, структурные и временные контрастные состояния (сила стрессорного воздействия, время после воздействия, структура головного мозга, и т.д.), и сочетающую воедино блоки физиологических и молекулярно-биологических количественных метрик. Такое сочетание с одной стороны будет наиболее полно характеризовать различия между изучаемыми экспериментальными группами, и с другой стороны позволит достаточно эффективно отбрасывать изменения, являющиеся результатом "случайных" и "сопутствующих" эффектов того или иного экспериментального фактора. Сочетание различных физиологических, молекулярных и биоинформатических методов, которые планируется применить в проекте, позволит наиболее эффективно использовать методы статистического анализа для решения поставленных задач. В целом, поставленная в работе задача исследования в масштабе полного генома эпигенетических модификаций, произошедших в раннем возрасте и имеющих значение для развития последующих когнитивных расстройств, является новой для данной области. Использование контрастных моделей в сочетании с изучением нескольких эпигенетических маркеров и анализом транскриптома даст возможность получить принципиально новые данные о механизмах долговременных изменений регуляции экспрессии генов и молекулярных основ формирования психических и когнитивных дисфункций под влиянием раннего постнатального стресса.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будет получены новые данные о механизмах развития когнитивных нарушений в результате стрессирующих событий в раннем возрасте. На модели раннего постнатального стресса у мышей на полногеномном уровне будет установлено, какие эпигенетические модификации, произошедшие в фронтальной коре и гиппокампе под влиянием стресса, могут обеспечить его отсроченный эффект, а также определен круг генов, регуляторные районы которых подверглись таким эпигенетическим модификациям, что повлекло изменение уровня их экспрессии. По научной новизне, значимости и высоким методическим стандартам исполнения работ эти результаты будут соответствовать мировому уровню исследований. Полученные результаты могут быть использованы в качестве отправной точки для проведения новых научно-исследовательских работ, направленных на коррекцию поведенческих дисфункций и разработку способов их профилактики. Таким образом, выполнение данного исследования послужит решению одной из существенных социальных задач – снижению риска развития когнитивных дисфункций у детей и взрослых.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В работе было исследовано влияние трех видов раннего постнатально стресса на формирование когнитивных и психоэмоциональных расстройств у взрослых особей. Были использованы 4 экспериментальные группы мышей (линия C57Bl/6): I) группа с ежедневным длительным разделением (3 часа в день) матерей и детенышей с 2 по 14 день постнатального развития; II) группа с ежедневным кратковременным разделением (15 мин в день) матерей и детенышей с 2 по 14 день постнатального развития III) группа с ежедневным введением детенышам синтетического глюкокортикоида дексаметазона в первые три дня постнатального развития; и IV) группа контрольных животных со стандартными условиями содержания. Показано, существенное снижение когнитивных функций и двигательной активности у выросших детенышей (в 3 месяца) из групп I и III. Так самцы мышей с опытом длительного отделения от матерей в детском возрасте демонстрировали в тесте Морриса нарушение способности к пространственной ориентации и запоминанию расположения символов в пространстве. В тесте на распознавание нового объекта у этих животных наблюдались нарушения способности различать новые стимулы и изменять поведение в соответствии с новой ситуацией. Также эти животные характеризовались снижением двигательной и исследовательской активности в тесте открытое поле и в тесте на социальные взаимодействия. Подобным образом, животные, которым в первые три дня жизни вводили дексаметазон, характеризовались снижением способности к пространственному запоминанию в тесте Морриса. В частности, в тестовой попытке, когда платформу убирали, самцы из контрольной группы предпочитали отсек, где ранее была платформа, тогда как самцы с введением дексаметазона предпочитали тот отсек, в котором начинали тестирование. В отличие от них мыши - самцы из группы II (отделение от матерей на 15 мин в день) по исследованным параметрам практически не отличались от контрольных животных. Для определения эпигенетических модификаций в регуляторных районах генов, которые могут возникнуть под влиянием раннего постнатального стресса и сохраниться до взрослого возраста, методом ChIP-seq проведено исследование профиля распределения метки активного хроматина H3K4me3 в образцах префронтальной коры взрослых самцов-мышей из групп с ежедневным длительным разделением (3 часа в день) или кратковременным разделением (15 мин в день) матерей и детенышей и группы контрольных животных. Статистически значимых различий в профиле H3K4me3 между контрольной группой и группой с кратковременным постнатальным стрессом (15 мин в день) не обнаружено. В то же время, у животных с опытом длительного постнатального стресса (3 часа в день) выявлены достоверные (q-value < 0.05) изменения в уровне модификации H3K4me3 в 19 районах хроматина. Из них 10 районов локализуются в промоторах 16 генов (5 из 10 промоторов двунаправленные) и все они характеризуются увеличением уровня метки H3K4me3. Функции 7 генов на настоящий момент не установлены, а из 9 оставшихся 7 генов вовлечены в различные процессы, протекающие в нервной системе. Среди них: 1) экспрессирующийся предпочтительно в нервных тканях ген Wasl, продукт которого вовлечен в формирование дендритных актиновых микрошипиков и регуляцию роста аксонов, что указывает на его важную роль в регуляции нейрональной пластичности; 2) ген Pip4k2a, обнаруженный в числе дифференциально экспрессирующихся генов на другой модели раннего постнатального стресса мышей; этот ген кодирует киназу Pip4k2a – компонент сигнального пути фосфоинозитидов, вовлеченную, в частности, в регуляцию активности дофаминергических нейронов; 3) высоко экспрессирующийся в мозге ген Ndrg3, продукт которого участвует в ответе гипоксию, активируя ангиогенез и клеточный рост через сигнальный путь Raf-ERK; 4) ген пролилкарбоксипептидазы Prcp, продукт которого участвует в регуляции сигнального пути меланокортина в нейронах гипоталамуса, инактивируя α-МСГ; 5) ген Sdf2, кодирующий белок, обнаруженный в комплексе с глутаматным рецептором mGluR1b; 6) ген Zcchc9, экспрессирующийся, главным образом, в коре головного мозга, предположительно вовлечен в сигнальный путь MAPK. Важно отметить, что среди генов, в промоторах которых возрос уровень H3K4me3, оказался также ген гистонового шаперона Supt6h, который участвует в ремоделировании хроматина, и, в частности, способствует деметилированию репрессирующей гистоновой модификации H3K27me3. Таким образом, показана связь между формированием когнитивных расстройств в результате раннего постнатального стресса и изменением профиля H3K4me3; оба эффекта наблюдались в группе животных, с 2 по 14 день постнатального развития подвергавшихся ежедневному отделению на 3 часа в день от матерей, и отсутствовали в группе с краткосрочным (15 мин) отделением. Также выявлена группа потенциальных генов-мишеней раннего постнатального стресса в результате длительного ежедневного отделения детенышей от матери. Проведено также исследование влияния стресса в ранний период жизни на последующую материнскую заботу, проявляемую самками-потомками во взрослом возрасте. Оказалось, что как кратковременное (15 мин), так и длительное (3 часа) отделение детенышей-самок от матери негативно сказывается на уровне проявляемой ими во взрослом состоянии материнской заботы. В частности, самки обеих групп снижали проявление поведения «облизывание детенышей» по сравнению с контролем. Более того, у самок, подвергнутых длительному стрессу в ранний период жизни, сильно увеличивается смертность детенышей в пометах. Определение экспрессии (методом ПЦР в реальном времени) ряда ключевых генов гипоталамо-гипофизарную-надпочечниковой (Gr, Fkbp4, Fkbp5, Gilz, Crh, Crh-r1, Mr, Pomc, Avp) и глутаматной систем (Glur1, Glur2, Gad1, Vglut2) в гипоталамусе у самок, с опытом стрессирующих воздействий в раннем постнатальном периоде, показало, что длительное (3 часа) отделение их от матерей привело к достоверному усилению экспрессии гена рецептора глюкокортикоидов (Gr), его ко-шаперона Fkbp4, рецептора кортикотропин-рилизинг фактора (Crh-r1), а также глутаматных рецепторов Gria1 и Gria2 и фермента глутаматдекарбоксилазы (Gad1). В тоже время кратковременное (15 мин) отделение детенышей-самок от матери, никак повлияло на уровень экспрессии ни одного из исследованных генов у выросших животных.

 

Публикации

1. Бондарь Н.П., Меркулова Т.И. Brain-derived neurotrophic factor and early-life stress: Multifaceted interplay Journal of Biosciences, - (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1007/s12038-016-9648-3


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В дополнение к изученным в 2016г. моделям раннего постнатального стресса у мышей в 2017г. проведено исследование влияния еще одной модели такого стресса – суточного отделения от матерей детенышей на 9й день жизни - на поведение животных во взрослом возрасте. Показано, что данный вид стресса привел к значительному снижению двигательной активности взрослых самцов, при отсутствии изменений других исследованных психофизиологических характеристик. В частности, самцы мышей с опытом суточного отделения в раннем детстве демонстрировали достоверное снижение пройденной дистанции в тесте открытого поля, больше времени проводили в углах лабиринта и в целом были менее подвижны. В тесте приподнятого крестообразного лабиринта эти животные также показывали снижение двигательной активности, но не отличались от контроля по времени, проведенном в открытых рукавах. Также они не отличались от контроля ни по реакции на новый предмет в домашней клетке (“novelty”), ни по индексу взаимодействия в тесте социальных взаимодействий. Таким образом, было установлено, что данная модель раннего постнатального стресса не имеет преимуществ в плане достижения целей нашего проекта по сравнению с изученными нами ранее моделью MS (ежедневное разделение на 3 часа в день матерей и детенышей с 2 по 14 день постнатального развития) и моделированием стресса в раннем возрасте с помощью введения дексаметазона в первые три дня жизни. В 2017 году была завершена биоинформатическая обработка экспериментов ChIP-seq с антителами к H3K4me3 (метка активного хроматина), проведенных в 2016 году на группах животных (самцы мышей C57Bl/6) с опытом длительного (MS) и кратковременного (HD) отделения от матерей в раннем онтогенезе и контрольной группе. В результате оптимизации параметров детекции пиков и устранения артефактных локусов обогащения (в т.ч. с использованием «черного списка» районов генома ENCODE DAC (Data Analysis Consortium) в группе MS было обнаружено 45 районов хроматина префронтальной коры, включающих промоторы 70 генов, с увеличением уровня триметилирования по H3K4. Показано, что 42% из них соответствует участкам двунаправленных промоторов. Группа HD не отличалась от контроля. Среди генов, промоторы которых показали изменения в уровне триметилирования, можно выделить несколько генов, продукты которых связаны с нейрональными функциями. В частности, Grm3 кодирует рецептор глутамата mGluR3, являющийся известным регулятором когнитивных процессов, нарушения функций которого приводят к дефектам оперативной памяти и вовлечены в развитие биполярного расстройства. Продукт гена Sdf2 входит в состав комплекса с другим глутаматным рецептором, mGluR1b, и, как предполагают, участвует в фолдинге и траспортировке этого белка. Pclo кодирует нейроспецифический белок Piccolo, участвующий в транспорте синаптических везикул и играющий важную роль в синаптической пластичности в результате контроля экстраклеточного уровня глутамата. Продукт гена Pip4k2a киназа Pip4k2a – компонент сигнального пути фосфоинозитидов играет значительную роль в процессе слияния синаптических везикул (glutamate, dopamine) с плазматической мембраной и регулирует скорость передачи сигнала. Важно отметить, что для этого гена нам удалось показать связь повышенного содержания H3K4me3 в его промоторе с повышением экспрессии у взрослых самцов мышей, подвергавшихся раннему постнатальному стрессу (MS). Кроме того, с нейрональными функциями связаны гены Arl6ip6, March1 и Wasl, продукты которых регулируют формирование дендритных шипиков, а также гены Zfp608, Flrt2 и Atad2b, продукты которых вовлечены в аксоногенез, дифференцировку и миграцию клеток в коре головного мозга. В параллельно проведенных исследованиях (с помощью real-time PCR) отдаленных влияний раннего постнатального стресса (HD и MS группы) на экспрессию ключевых генов глутаматергической системы и системы глюкокортикоидной регуляции (Gria1, Gria2, Grin1, Grin2a, Grin2b, Grm1, Grm2, Grm3, Vglut2, Eaat2, Rab4a, GR, MR, Fkbp4, Fkbp5, Crhr1, Сrh и Avp) в трех структурах мозга - гиппокампе, гипоталамусе и префронтальной коре, были получены данные, в целом согласующиеся с результатами СhIP-seq эксперимента. В группе HD, также как в профилях распределения H3K4me3, в экспрессии практически всех исследованных генов не было выявлено никаких отличий от контроля. Однако, также как и в профилях распределения H3K4me3, такие отличия были найдены в группе MS. В этой группе было обнаружены достоверные увеличение содержания мРНК CRH и снижение экспрессии гена Grin2b в гипоталамусе, снижение содержания мРНК CRHr1 в гиппокампе, увеличение соотношения мРНК GR/MR как в гиппокампе, так и в гипоталамусе и повышенная экспрессия Fkbp5 в префронтальной коре. При этом абсолютные значения изменений в экспрессии были невелики. Таким образом, данные по изучению экспрессии генов подтверждают результаты СhIP-seq эксперимента по достаточно скромным отдаленным последствиям стресса ежедневного трехчасового отделения от матерей в раннем онтогенезе (MS). В 2017 г., было осуществлено исследование эффектов введения детенышам синтетического глюкокортикоида дексаметазона в первые три дня постнатального развития на транскриптом. Работы предыдущего года показали, что у этих животных во взрослом возрасте снижена двигательная активность и произошли значительные нарушения когнитивных функций. Кроме того, в транскриптомный анализ были взяты образцы гиппокампа животных из групп с введением в раннем детстве дексаметазона и физиологического раствора, протестированных во взрослом возрасте в водном лабиринте Морриса. Было найдено, что введение дексаметазона в раннем возрасте вызвало изменение экспрессии 12 генов (при padj<0.1) в гипоталамусе: у 3х генов уровень экспрессии был выше, у 9 – ниже при сравнении с введением физиологического раствора. Однако после тестирования животных в лабиринте Морриса в течение 5 дней, разница в экспрессии сгладилась, и группы с введением дексаметазона и физраствора по уровню экспрессии всех генов не различались. Достоверное взаимодействие факторов (treatment x stress) было найдено только для одного гена - Gm12940. Среди генов, изменивших экспрессию в результате введения дексаметазона в раннем возрасте, есть 3 некодирующих РНК, функция которых не исследована. Две из них (Gm12940 и Gm42664) лежат в некодирующих областях генов, участвующих в сплайсинге (Sfpq и Ptbp2), одна (Gm14703) – антисенс РНК к гену Syp, продукт которого участвует в формировании синаптических везикул и вовлечен в регуляцию синаптической пластичности. Вполне возможно, что эти некодирующие РНК могут участвовать в регуляции данных генов, однако это требует дальнейших подтверждений. Ген Arc, экспрессия которого увеличена у животных с введением дексаметазона в раннем детстве, также участвует в процессах нейрональной пластичности. Продукт этого гена регулирует эндоцитоз AMPA рецепторов, что связано с процессами долговременной потенциации и депрессии в синапсах. Снижение экспрессии гена Srsf2 позволяет предположить и нарушение процессов сплайсинга, происходящих под влиянием введения дексаметазона в раннем детстве. Наряду с тем, что две из дифференциально экспрессирующихся некодирующих РНК так же связаны с генами, участвующими в процессах сплайсинга, анализ альнернативного сплайсинга может выявить потенциальные механизмы отставленных эффектов дексаметазона на память и обучение. Оставшиеся гены участвуют, в основном, в метаболических процессах - в метаболизме крахмала и сахарозы(Amy1 и Gck), процессах расщепления глицина (Amt), а также в процесинге РНК (Cpsf6).

 

Публикации

1. Бондарь Н. П. Брызгалов Л. О., Ершов Н. И., Гусев Ф. Е., Решетников В. В., Августинович Д. Ф., Тендитник М. В., Рогаев Е. И., Меркулова Т. И. Molecular adaptations to social defeat stress and induced depression in mice. Molecular Neurobiology, Epub ahead of print (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1007/s12035-017-0586-3

2. Бондарь Н. П., Лепешко А. А., Решетников В. В. Effects of early-life stress on social and anxiety-like behaviors in adult mice: sex-specific effects. Behavioural Neurology, - (год публикации - 2018)

3. Брызгалов Л. О., Корболина Е. Е., Брусенцов И. И., Леберфарб Е. Ю., Бондарь Н. П., Меркулова Т. И. Novel functional variants at the GWAS-implicated loci might confer risk to major depressive disorder, bipolar affective disorder and schizophrenia. BMC Neuroscience, - (год публикации - 2018)

4. Ершов Н. И., Бондарь Н. П., Лепешко А. А., Решетников В. В., Рябушкина Ю. А., Меркулова Т. И. Consequences of early life stress on genomic landscape of H3K4me3 in prefrontal cortex of adult mice. BMC Genomics, - (год публикации - 2018)

5. Решетников В. В., Лепешко А. А., Рябушкина Ю. А., Студеникина А. А., Меркулова Т. И., Бондарь Н. П. Delayed effects of early life stress on cognitive function and expression of glutamatergic genes in mice. Neurochemical Journal, - (год публикации - 2018)

6. Меркулов В.М., Меркулова Т.И., Бондарь Н.П. Mechanisms of brain glucocorticoid resistance in stress-induced psychopathologies. Biochemistry (Moscow), Vol. 82, No. 3, pp. 351-365 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1134/S0006297917030142


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Проведено изучение изменений транскриптома префронтальной коры головного мозга 15-ти дневных детенышей, подвергнутых стрессу ежедневного разделения на 3 часа в день матерей и детенышей с 2 по 14 день постнатального развития (maternal separation, MS группа) и стрессу однократного суточного отделения от матерей на 9-й день жизни (maternal deprivation, MD группа) по сравнению с контролем. Анализ максимально изменившихся генов (p value <0.01) выявил достоверно обогащенный кластер генов, связанных с формированием миелиновой оболочки аксонов, экспрессия которых снижалась в MS группе. Среди этих генов: Mbp, Mobp и Plp1, белковые продукты которых является основой миелиновой оболочки, формируемой олигодендроцитами; Mog и Mal, кодирующие мембранные белки олигодендроцитов; и Ugt8a - UDP гликозилтрансфераза, ключевой фермент биосинтеза сфинголипидов миелиновой мембраны. Миелиновая оболочка крайне важна для быстрого прохождения потенциала действия по аксону и поддерживает его целостность. Поэтому миелинизация играет критическую роль в формировании когнитивных функций высшего порядка, а нарушение миелинизации часто связано с развитием различных нейрологических заболеваний. Важно отметить, что в MD группе экспрессия этих генов изменялась в сторону повышения. Результаты ПЦР в реальном времени с использованием расширенных выборок животных подтверждают разнонаправленное изменение экспрессии генов Mbp, Mobp, Mal, Plp1 в MS и MD группах. Поскольку у MD группы мы оценивали состояние транскриптома через 5 дней после предъявления стресса, то данное усиление может быть компенсаторным эффектом, направленным на восстановления функции. Таким образом, получены очень интересные данные о том, что одним из основных таргетов стресса в раннем возрасте являются процессы миелинизации и что эти процессы зависят от вида стресса и могут динамически изменяться. В 2018г. было также проведено исследование транскриптома префронтальной коры взрослых животных с опытом стресса в раннем детстве (MS и MD). Ранее в рамках выполнения работ по Проекту нами было показано, что по достижению взрослого возраста такие животные демонстрируют ряд поведенческих и когнитивных нарушений. Анализ дифференциально экспрессирующихся генов выявил значительные изменения в экспрессии генов по сравнению с контролем – в группе с длительным отделением от матерей (MS) изменилось 276 генов (143 down, 133 up), в группе с однократным отделением (MD) - 91 ген (16 down, 75 up). Среди дифференциально экспрессирующихся генов в MS группе выявлено обогащение по терминам Gene Ontology, опять же связанных с миелиновой оболочкой нейронов (GO:0007272, Name:ensheathment of neurons, FDR=2.66e-02). Наиболее интересным фактом является то, что мы обнаружили изменения в экспрессии генов, связанных с формированием миелиновой оболочки, но направление изменений было противоположно тем, что были найдены у 15-ти дневных животных. Так, например, экспрессия генов Mbp, Mobp, Mal, Plp1, Ugt8a, которая была снижена после стресса длительного отделения у детенышей, повышается по сравнению с контролем в группе MS у взрослых животных. Экспрессия этих же генов была повышена у детенышей после однократного отделения от матерей, а у взрослых животных группы MD не отличалась от контроля. Кроме того, при сравнении групп MS и MD мы обнаружили обогащение по генам, связанным с дифференцировкой олигодендроцитов (GO:0048709, Name:oligodendrocyte differentiation, FDR=2.36e-02); при этом экспрессия этих генов увеличена в группе MS, что может свидетельствовать об увеличении количества зрелых олигодендроцитов и хорошо коррелирует с увеличением в этой группе экспрессии генов, кодирующих основные белки миелина. Сравнение экспрессии между животными разных возрастных групп демонстрирует, что транскрипционный ответ на стресс через сутки и через несколько месяцев после стресса совершенно различен. Только 2.7% генов (10 генов из 367) изменяют свою экспрессию в обеих временных точках (из них 3 гена относятся к исследуемым нами генам формирования миелиновой оболочки), и только 30% из этих генов изменяются в ту же сторону. В планы работ 2018 г. входило также изучение реакции на стресс взрослых животных с историей отделения от матерей в раннем детстве на уровне транскриптома и профиля H3K4me3 в префронтальной коре головного мозга. Нами была выбрана модель хронического стресса социальных поражений (social defeat stress) [Kudryavtseva et al., 1991; Nestler, Hyman, 2010], так как хорошо известно, что хронический стресс вносит большой вклад в развитие когнитивных и психоэмоциональных расстройств, а также различных психопатологий. Мы предположили, что негативный опыт стресса в раннем возрасте может повлиять на чувствительность/устойчивость к хроническому стрессу взрослых особей. Эксперимент проводился на трех группах животных: 1) группа, подвергавшаяся только хроническому стрессу социальных поражений (SS); 2) группа, подвергавшаяся стрессу длительного отделения от матери в ранний постнатальный период и социальному стрессу во взрослом возрасте (MS+SS); 3) группа, не подвергавшаяся ни одному из видов стресса (NC). Мыши подвергались стрессу социальных поражений в течение 14 дней, согласно протоколу, описанному ранее [Bondar et al., 2018]. На 7-8 день от начала конфронтаций оценивалось социальное и индивидуальное поведение мышей во время конфронтации. Затем, мы последовательно оценили уровень тревожности (на 10-й день конфронтаций) c помощью теста приподнятого крестообразного лабиринта, социальное поведение (на 11-й день конфронтаций) с помощью теста социального взаимодействия, уровень депрессивности (на 12-й день) с помощью теста Порсолта. Обе группы мышей, подвергнутые стрессу социальных поражений, демонстрировали характерные для этой модели стресса поведенческие нарушения, такие как снижение социального поведения и исследовательской активности. Сочетание двух стрессов приводит к более высокому уровню тревожности не только по сравнению с контролем, но и по сравнению с группой, подвергавшейся только социальному стрессу. Однако депрессивное поведение у этих животных еще не развивается (параметры теста Порсолт не различаются между группами). Таким образом, можно предположить, что мыши с сочетанием стресса в раннем возрасте и социального стресса во взрослом возрасте оказались более чувствительны к эффектам стресса. Дальнейшим нашим шагом было оценить, отражается ли такая повышенная чувствительность на уровне экспрессии генов. Образцы префронтальной коры головного мозга для молекулярных исследований были взяты через сутки после последней социальной конфронтации. Гомогенат ткани от каждого животного делили на две части – одну использовали для выделения РНК с последующим приготовлением библиотек для массового параллельного секвенирования (RNA-seq), а вторую для проведения иммунопреципитации хроматина с антителами к H3K4Me3 с дальнейшим приготовлением библиотек для секвенирования (ChIP-seq). Для анализа были использованы образцы ткани от 4х животных из каждой группы. Исследование транскриптома префронтальной коры мышей из экспериментальных групп показало, сочетание двух стрессов приводит к более сильным изменениям и на уровне экспрессии генов: данная группа отличалась от контроля по большему числу генов, чем группа только с социальным стрессом, и изменения были более сильными. Экспрессия большинства генов (68%) у двух групп стрессированных мышей изменяется однонаправленно, градуально повышаясь или снижаясь в направлении контроль - социальный стресс - сочетание 2х стрессов. Кроме того, по экспрессии некоторых генов иммунного ответа и ферментов биосинтеза мелатонина (Igkc, Jchain, Dct) две экспериментальные группы отличались между собой. Таким образом, из данных транскриптома мы видим, что стрессированные группы отличаются от контроля и группа с комбинацией двух стрессоров демонстрирует более выраженные изменения. Таким образом, большая чувствительность к стрессу выражается не только на поведенческом, но и на транскриптомном уровне. Мы проанализировали паттерн распределения модификации хроматина H3K4me3, маркирующей участки активных генов, на этих же группах животных на том же отделе мозга (префронтальная кора). В целом паттерн оказался достаточно стабилен и выявленные пики совпадали с ранее выявленными в эксперименте по эпигенетическим модификациям при раннем постнатальном стрессе. Изменения в высоте пиков под влиянием стресса были не очень выраженными, однако все равно в группе с двойным стрессом таких изменений было больше. Анализ изменений в распределении H3K4Me3 в промоторах 17 генов, изменивших свою экспрессию в группе с комбинированным стрессом, выявил, что только 3 гена (Smoc1, Enc1, Ciart) показывают и изменения в уровне H3K4Me3. Гены Smoc1, Enc1 кодируют кальций-связывающий и актин-связывающий белки, играющие важную роль в развитии нервной системы; изменившиеся пики H3K4Me3 находятся в интронах этих генов. Наиболее интересным геном для дальнейшего изучения является ген Ciart, увеличивший экспрессию в группе с комбинированным стрессом и имеющий повышенный уровень H3K4Me3 в промоторе гена, что говорит о возможном изменении регуляции этого гена. Кроме того, в этом пике расположен CpG островок, который также может участвовать в регуляции экспрессии. Продукт данного гена является транскрипционным фактором (в основном, ингибитором транскрипции) и относится к семейству ключевых регуляторов циркадного ритма, участие которых показано в ответе на хронический стресс. В работе также использовалась «фармакологическая» модель раннего постнатального стресса - введение детенышам синтетического глюкокортикоида дексаметазона в первые три дня жизни. На предыдущих этапах выполнения Проекта было установлено, что такое воздействие приводит к существенным нарушениям когнитивных способностей у этих животных во взрослом возрасте. В 2018 году было осуществлено секвенирование транскриптома префронтальной коры взрослых животных с неонатальным введением дексаметазона и проведена оценка чувствительности таких животных к дополнительной активации глюкокортикоидной системы в результате однократного введения дексаметазона. Анализ с применением DESeq2 выявил, что введение дексаметазона во взрослом возрасте оказало значимое влияние на обе группы животных. Мы выявили изменение экспрессии 228 генов при padj<0.05. Среди генов максимально значимое изменение (padj=1.78*10-42) показал ген, кодирующий ко-шаперон Fkpb5, который участвует в процессе переноса глюкокортикоидного рецептора из цитоплазмы в ядро, и другие известные тагреты GR (Gilz, Crhr1). Кроме кого, мы обнаружили изменение генов, ранее не ассоциированных с глюкокортикоидной регуляцией. Последующий анализ показал, что выявленные гены имеют общие пути регуляции и демонстрируют обогащение по сайтам связывания транскрипционных факторов GR, NF1, YY1, NFKB и ряда других. В то же время введение дексаметазона в раннем возрасте не привело к значимым эффектам на экспрессию генов в префронтальной коре. Хотя можно выделить несколько генов с максимально разницей в реакции на препарат, например, гены Cnp и Mag, кодирующие белки, участвующие в метаболизме миелинезированных клеток, не реагирует в норме на глюкокортикоиды, тогда как у мышей с неонатальным введением дексаметазона дополнительное введение дексаметазона вызвало снижение их экспрессии. Поскольку на сегодняшний момент в литературе отсутствуют данные о влиянии глюкокортикоидных гормонов на транскриптом префронтальной коры головного мозга экспериментальных животных, полученные нами результаты исследования транскриптомных эффектов однократного введения дексаметазана взрослым животным имеют самостоятельное научное значение и вносят вклад в исследование тканеспецифической глюкокортикоидной регуляции. Результаты работы коллектива были отмечены в публикациях в СМИ: 1. Сайт РНФ «Топ-10 исследований российских ученых 2017 года по версии РНФ» http://rscf.ru/ru/node/2784 2. Московский комсомолец «Сибирские ученые научились отличать стресс от депрессии с помощью мышей» №27614 от 12 февраля 2018 http://www.mk.ru/science/2018/02/07/sibirskie-uchenye-nauchilis-otlichat-stress-ot-depressii-s-pomoshhyu-myshey.html

 

Публикации

1. Бондарь Н.П., Решетников В.В., Бурдеева К.В., Меркулова Т.И. Влияние неонатального введения дексаметазона на когнитивные способности взрослых самцов мышей и экспрессию генов в гипоталамусе Вавиловский журнал генетики и селекции, - (год публикации - 2019)

2. Решетников В.В., Ковнер А.В., Лепешко А.А., Павлов К.С., Гринкевич Л.Н., Бондарь Н.П. Stress early in life leads to cognitive impairments, reduced numbers of CA3 neurons and altered maternal behavior in adult female Genes, Brain and Behavior, - (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1111/gbb.12541

3. Решетников В.В., Студеникина А.А., Рябушкина Ю.А., Меркулова Т.И., Бондарь Н.П. The impact of early-life stress on the expression of HPA-associated genes in the adult murine brain Behaviour, Volume 155, Issue 2-3, pages 181 – 203 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1163/1568539X-00003482

4. - Топ-10 исследований российских ученых 2017 года по версии РНФ РНФ, - (год публикации - )

5. - Сибирские ученые научились отличать стресс от депрессии с помощью мышей Московский комсомолец, №27614 от 12 февраля 2018 (год публикации - )


Возможность практического использования результатов
Вожможность практического исспользования результатов проекта на данный момент не очевидна. В отдаленных перспективах результаты можно будет использовать для разработки персонализированных методов лечения, для разработки новых препаратов, корректирующих эффекты стресса.