Від нюху риб до відновної медицини
|
Про автора
Ігор Вікторович Клименков — кандидат біологічних наук, старший науковий співробітник відділу ультраструктури клітини Лімнологічного інституту СО РАН (Іркутськ), доцент Іркутського державного університету. Автор і співавтор 60 наукових робіт. |
Нейробіологи, описуючи здатність нервових клітин до адаптації, використовують вже вкорінене в біологічній літературі поняття «нейропластичність». Цей термін зовсім не означає, що нейрони здатні змінюватися, як пластилін; перебудовуватися вони можуть, але в певних структурно-функціональних рамках, за межами яких клітина гине. Вивчаючи нейропластичність, дослідники, з одного боку, розгадують загадки природи, а з іншого — намагаються використовувати це явище для вирішення людських, медичних завдань.
Нюх — найдавніший орган почуттів. Чутливі до хімічних речовин хеморецепторні клітини, за допомогою яких ми відчуваємо запахи, являють собою біполярні нейрони. Це нервові клітини, що мають, як і багато нейронів, один аксон — довгий відросток, що прямує в мозок, і один дендрит — короткий відросток. Дендрит хеморецепторних клітин виступає в зовнішнє середовище своїми чутливими елементами — ресничками (джгутиками), в мембранах яких розташовані мембраносв’язані рецепторні білки.
У багатьох тварин хеморецепторні клітини досягли в процесі еволюції найвищої спеціалізації, фактично, фізичної межі «дозволяючої здатності» нюшного апарату і здатні безпомилково ідентифікувати окремі молекули і посилати інформацію в мозок. Особливо важливі хімічні сигнали, які визначають харчову, оборонну та репродуктивну поведінку, а нещодавно виявилося, що за допомогою нюху оцінюються і більш «тонкі» біологічні характеристики: соціальний статус, фізіологічний стан та інші «персоніфіковані» дані особин свого або чужого вигляду.
Але як ці нервові клітини набувають такої високої спеціалізації в процесі індивідуального розвитку? Які ресурси надійності їхньої роботи? Ці питання важливі не тільки для вивчення складної поведінки тварин, але і для вирішення деяких медичних завдань, таких як боротьба з хворобою Альцгеймера і проблеми трансплантології.
Жовтокрилі широколобки — статева поведінка визначається запахом
Феномен нейропластичності передбачає як функціональні зміни клітин, так і структурні, які можна побачити під електронним мікроскопом. Щоб визначити чіткі морфологічні, ультраструктурні критерії високої або низької чутливості рецепторних клітин, потрібна хороша модель. Вона була знайдена при вивченні хемокомунікативної поведінки одного з видів байкальських риб — жовтокрилих широколобок (Cottocomephorus grewingkii).
На відміну від людини, у риб нюх клітини локалізовані в спеціальному, схожому на квітку органі — нюшниковій «розетці», зібраній з 5-6 окремих пелюсток. На фото — нюшлива «розетка» жовтокрилої широколобки (C. grewingkii); а — загальний вигляд, б — збільшений фрагмент епітелію з вершинами рецепторних клітин (pk) джгутикового типу. Електронна мікроскопія
Виявилося, що при переході до нересту самці цих риб набувають дуже високої чутливості до статевого феромона самки. У яєчнику самки зрілі ікринки знаходяться в порожній (оваріальній) рідині, яка відносно довгий час підтримує їх у стані, готовому до запліднення. Оваріальна рідина багата біологічно активними сполуками, які називають феромонами — речовинами, що викликають певні нейроендокринні та поведінкові реакції у тварини того ж виду, що і особина, яка їх виділяє.
Феромони не тільки приваблюють самця жовтокрилих широколобок до самки, але і синхронізують (з самкою!) дозрівання його статевих продуктів. Більш детальні дослідження показали, що один з ключових компонентів феромона самки — стероїд 17-дигідроксипрогестерон, діє в дуже низькій концентрації — всього 10 ‑ 11-10 ‑ 13 М.
В експерименті це виглядає дуже ефектно: якщо взяти ікру від однієї самки, розмішати її в ста мілілітрах води і додати одну краплю такого розчину в акваріум, де сидить готовий до нересту самець, то, навіть не бачачи об’єкта свого обожнювання, він негайно приступає до демонстрації статевої поведінки. Ведений запахом, самець перевертається і починає дрібно вібрувати тілом, «вхолосту» виділяючи статеві продукти. Самки теж активно реагують на феромони самця, які він виділяє у воду з сечею.
Тобто досить зовсім невеликої порції біологічно значущих молекул, щоб радикально змінити поведінку риби. Характерно, що в цей період жовтокрилки набувають добре виражений статевий диморфізм. Голова самця стає вугільно чорною, а плавники — лимонно-жовтими: таке забарвлення допомагає сподобатися самкам і дозволяє витримувати жорстку конкуренцію з боку інших претендентів на неї. Самки в цьому відношенні менш привабливі — вони, як це характерно для більшості видів риб, під час нересту практично не змінюють забарвлення, тобто для самця фарбування статевого партнера не має принципового значення. Зате хімічні сигнали, що виходять від готової до нересту самки, мають першорядну важливість.
Таким чином, у репродуктивний період нюхливі клітини самців жовтокрилих широколобок якимось чином переналаштовуються зі сприйняття харчових сигналів, характерних для міжнерестового сезону, на феромональні, без яких ці риби не можуть розмножуватися.
З нюшливих — у секреторні
Рецепторні клітини (pk) жовтокрилої широколобки в період нересту, у фазу дендритної нейросекреції. Реснички (позначені стрілками) локалізуються всередині дендритів. Видно численні везікули (В), які транспортуються до вершини клітини, де вбудовуються в мембрану, виділяючи вміст в нюх
Коли хеморецепторні клітини жовтокрилих широколобок стають чутливими до феромонів, у них з’являються ультраструктурні ознаки збільшеного метаболізму. Спостерігається посилення ядерно-цитоплазматичних взаємодій: активується ядришко, в ядерній мембрані збільшується щільність пор, поблизу яких зосереджуються «енергетичні станції» — мітохондрії. Внаслідок цього в цитоплазмі зростає і щільність рибосом — «молекулярних машин» для синтезу білка. У дендритах хеморецепторних клітин спостерігаються чітко структуровані мікротрубочки — елементи цитоскелета, транспортна система нейрона. Це важливо, оскільки адаптивні зміни клітин повинні позначатися на потребі у відповідних ферментних системах, які екстрено доставляються по мікротрубочках з тіла клітини до рецептивної ділянки. Таким чином, ми виявили морфологічні показники, що супроводжують налаштування нюшливих клітин на сприйняття гранично низьких концентрацій хімічних агентів.
У порівнянні з міжнерестовим періодом (а) в репродуктивну фазу в нюшливих нейронах жовтокрилої широколобки спостерігається активація ядерно-цитоплазматичних взаємодій (б). Я — ядришко, де відбувається синтез рибосом, зближено з ядерною мембраною, яка набуває підвищеної щільності пір; М — мітохондрії впритул примикають до ядерної мембрани
Треба визнати, що ці структурні перебудови принципово не відрізняються від таких у інших нейронів центральної нервової системи, коли вони знаходяться в режимі активної роботи. Їх зазвичай називають «реактивними властивостями нейрона», який при оптимальному функціональному навантаженні демонструє структурні ознаки «напруги» — адаптації до чинного подразника.
Але інші зміни виявилися нетиповими для чутливих клітин. При переході самців жовтокрилок до батьківської поведінки — охорони ікри — в деяких рецепторних клітинах на тлі посиленого білкового синтезу активізувався апарат Гольджі — це система внутрішньоклітинних мембранних структур, в яких дозрівають і накопичуються різні речовини, а потім транспортуються «за місцем призначення». У клітинах добре виявлявся спрямований транспорт секреторних везикул до вершини клітини, де вони вбудовувалися в мембрану, виділяючи вміст в нюх.
Ультраструктурні перебудови вершин рецепторних клітин жовтокрилої широколобки в різні фази життєвого циклу і репродуктивної поведінки: а — міжнерестовий період, клітина функціонує як звичайна хеморецепторна клітина, що сприймає харчові сигнали, б — нерест, клітина переналаштовується на сприйняття феромонів, при цьому з’являється впорядкована система мікротрубочок; в — ресничка занурена всередину дендриту; г — вершина клітини у фазу дендритної нейросекреції. Базальне тільце — структура, від якої відходить ресничка, тут воно прикрито великою кількістю секреторних бульбашок; д — так виглядає вершина клітини без джгутиків; е — дезагрегація мікротрубочок, занурених всередину клітини в процесі її загибелі після активного секреторного процесу. Електронна мікроскопія
У процесі описаної трансформації хеморецепторні клітини втрачають свій поверхневий рецепторний апарат — чутливі реснички. Їх опорний цитоскелет занурюється у вершину дендриту, і у клітини, мабуть, зникає здатність до хеморецепції. Тобто клітини перестають бути нюхливими — замість цього вони стають секреторними!
Схематичне зображення послідовних етапів структурної реорганізації вершини хеморецепторної клітини жовтокрилої широколобки при її перемиканні на режим дендритної нейросекреції: 1 — мікротрубочки ресничок; 2 — базальні тільця; 3 — секреторні бульбашки; 4 — мікротрубочки дендриту; 5 — мітохондрії
У традиційні уявлення про функціональне призначення нюхливих нейронів це не вписується. Починаючи з найбільш ранніх робіт (Schultze et al., 1856) і до теперішнього часу вважається загальновизнаним положення про те, що вершина хеморецепторної клітини завжди спеціалізована тільки для забезпечення хеморецепції. Крім того, добре відомо, що нейросекреція в будь-якій нервовій клітці, за деяким винятком, здійснюється через аксон, який і передає інформацію іншій клітці, а не через дендрит.
Щоправда, в ряді робіт описувалися окремі елементи морфологічних змін, які, судячи з усього, говорять про реорганізацію нюшових клітин в режим дендритної нейросекреції. Ключові елементи таких перебудов — бульбашки зі світлим вмістом у різних кількостях — зустрічалися в дендритах і вершинах рецепторних клітин у багатьох тварин і навіть у людини. Але в цих дослідженнях не виявлялося істотного збільшення секреторної функції апарату Гольджі, яке б супроводжувалися значними перебудовами вершини клітини. Тому виявлені в нюшливих клітинах бульбашки досі, на жаль, не привертали до себе великої уваги.
Не тільки під час нересту
Велика широколобка (Procottus major Taliev, 1949)
Дендритна нейросекреція відбувається у риб не тільки в нерестовий період. Подібні ультраструктурні перебудови нюшливих клітин спостерігаються, якщо рибу піддати тривалому одорантному впливу (впливу запахом) нетоксичних водорозчинних речовин — ми використовували суміш амінокислот і пептидів.
Ми припустили, що простимульовані хеморецепторні нейрони починають виробляти не мембранозв’язану, а водорозчинну форму білків (Klimenkov et al., 2014), які пов’язують молекули одоранту безпосередньо в нюх, забезпечуючи адаптивну втрату нюху — якщо риба довго знаходиться під впливом запаху, вона перестає його відчувати.
Ліворуч: у порівнянні з донерестовим періодом (а) у жовтокрилої широколобки під час репродукції істотно посилена дихальна активність мітохондрій (б). Фарбування на ядерний матеріал (DAPI, синій) і мітохондрії (MitoTracker Orange); 3D-реконструкції; конфокальна мікроскопія. Праворуч: у порівнянні з контролем (а) після тривалої хемостимуляції гетерогенною сумішшю амінокислот і пептидів в нюшливому епітелії біля перлового гурами (T. leeri) спостерігається посилення процесів програмованої клітинної загибелі (б). Метод Click-iT TUNEL; ядра загиблих клітин пофарбовані Alexa Fluor (зелений); життєздатні — Hoechst (синій); конфокальна мікроскопія; 3D-реконструкції
Незважаючи на привабливість цієї гіпотези, залишається неясним, чи можуть клітини перемикатися з синтезу мембраносв’язаної форми рецепторних білків на синтез секретованої форми зі збереженням їх специфічності, так як поки не відомі механізми, що дозволяють збирати водорозчинну форму рецепторів. Можливо, в процесі дендритної нейросекреції нейрони перемикаються на синтез якихось інших білків або коротких нейропептидів. Таке трактування дає ґрунт для розвитку «олігогенної» гіпотези кодування рецепторних білків, згідно з якою нюшливі клітини на різних етапах свого розвитку можуть експресувати не один, а кілька генів, що кодують рецептори до одорантів (Mombaerts, 2004).
Потрібно зазначити, що морфологічно нюхливі клітини з дендритною нейросекрецією схожі з нейросекреторними клітинами гіпоталамусу, які «професійно» синтезують і виділяють речовини різної хімічної природи, що беруть участь в обробці інформації і в забезпеченні нейропластичності. Поряд з амінокислотами і моноамінами зараз в якості таких речовин визнаються нейропептиди, що виділяються як аксонами, так і дендритами нервових клітин (Leng, Ludwig, 2008). Нейропептиди можуть діяти не тільки в області синапсів. Період напіврозпаду у них тривалий, вони дифундують у міжклітинний простір і можуть впливати на більш віддалені мішені (Son et al., 2013). Тому, крім нейропептидських нейромедіаторів, нейропептиди розглядаються як один з важливих засобів хімічної комунікації в мозку. Так що феномен дендритної нейросекреції, характерний для деяких типів клітин центральної нервової системи, ймовірно, не є екстраординарною властивістю і для нюшливих нейронів.
Подібні до імунних
Цікаво, що динаміка змін, що відбуваються з хеморецепторними клітинами під дією одорантного подразника, дуже схожа на динаміку змін В-лімфоцитів імунної системи в процесі їх відповіді на імунний стимул. Це зовсім не дивно, оскільки і імунна, і нюх системи вирішують одну і ту ж задачу, пов’язану з розпізнаванням чужорідних молекул — антигенів.
Про можливість існування імунних принципів функціонування нюшливих клітин свідчить ряд важливих властивостей. Як і лімфоцити, чарівні клітини моноспецифічні і мають велику різноманітність (поліморфізм) генів, що кодують одорант-зв’язувальні рецептори (Buck, Axel, 1991). До цього можна додати ще два важливих факти, отриманих зовсім недавно. Аналіз геному людини показав, що промотори (місце початку синтезу ланцюга РНК) контролюють експресію генів нюхових рецепторів і білків головного комплексу гістосумісності, також володіють дуже високим точковим поліморфізмом (Ігнатьєва та ін., 2014).
І ще одна несподівана обставина, яка говорить про поки малозрозумілий еволюційний паралелізм нюхливої та імунної систем: торік німецькі вчені виявили нюхливі та смакові рецептори в мембранах імунних клітин (Malki et al., 2015
Компенсаторний нейрогенез і медицина
У процесі експериментів з’ясувалося, що під час тривалого впливу запахом частина нюх клітин зазнає нейродегенеративних змін і гине. Перед цим у таких клітинах страждають мітохондрії, посилюється утворення вільних радикалів, що буває при розвитку багатьох патологічних процесів. Доводиться робити парадоксальний висновок: навіть абсолютно нешкідливі пахучі речовини, що діють в надлишку, впливають на клітку як фактор стресу.
Ми припустили, що в таких умовах у чутливому епітелії повинні розвиватися компенсаторні процеси нейрогенезу. І дійсно, у експериментальних риб інтенсивність проліферативної активності була в 2,6 рази вище, ніж в контрольній групі. Тобто утворення нових клітин у сенсорному апараті тварин може активуватися не тільки після перерізки нюшного нерва, механічних або гострих токсичних впливів, як це передбачалося, але і в ході посиленої стимуляції запахом і подальших дегенеративних змін.
Окремі складки нюшливого епітелію біля кам’яної широколобки (Paracottus knerii) в контролі (а) і після тривалого впливу гетерогенною сумішшю амінокислот і пептидів (б). Виборче забарвлення ядер мітотично активних клітин за допомогою антитіл, мічених FITC до бромдезоксиурідину (зелений). Недільні ядра клітин пофарбовані 7-аміноміцином (червоний); конфокальна мікроскопія; 3D-реконструкції
Це явище дуже важливе з практичної точки зору. Зараз гостро стоїть питання про джерела малодифференційованих нейральних клітин, які можна було б культивувати і використовувати як біологічний «клей» для лікування травматичних пошкоджень нервової системи. Найважливіша вимога до такого «клею» — генетична сумісність з клітинами людини, яка потребує допомоги. Вирішення завдання пов’язане з багатьма труднощами, включаючи проблеми етичного характеру. Можливо, байкальські широколобки зможуть дати цікавий матеріал не тільки в плані пізнання їх біології та механізмів пристосування до дії хімічних факторів середовища, але і в плані використання отриманих знань для вирішення деяких проблем відновної медицини. Смердючий епітелій — єдине доступне джерело аутологічних малодифференційованих нейральних клітин, які можна використовувати для трансплантації, для лікування захворювань нервової системи (Вікторів, 2006).
Самець великоголової широколобки (Batrachocottus baicalensis Dybowski, 1874)
Теоретична основа для цього є: структурно-функціональні властивості нюшливого епітелію у риб і людини принципово нічим не відрізняються, і потрібно провести дослідження на ссавців. Одорантну обробку епітелію краще виробляти одорантом, що знаходиться у водорозчинній, а не летючій формі, вводячи розчин у порожнину носа. Таким способом нейрони повинні краще активуватися і, відповідно, інтенсивніше деградувати з подальшою компенсаторною активацією поділу стовбурових клітин і формуванням пулу малодифференційованих нейральних клітин, що мають потенціал для використання в медицині. З практичної точки зору взяття такої біопсії — нескладне завдання.
Інший аспект полягає в тому, що смердюча система залучена до розвитку низки соціально значущих нейродегенеративних захворювань — це хвороба Альцгеймера, паркінсонізм і деякі інші. Відомо, що деменція (порушення вищих функцій мозку), як правило, з віком, супроводжується зниженням кількості хемочутливих клітин і нюшною дисфункцією. Якщо ми навчимося неінвазивно стимулювати нейрогенез на рівні периферичного відділу нюшового аналізатора, то кількість втрачених клітин хоча б частково може бути заповнена. Не можна виключати того, що збільшений сенсорний приплив запахів якимось чином зможе позитивно впливати на центральні структури мозку, з якими пов’язані нюшовані клітини. Можна навіть припустити, що саме цей феномен лежить в основі лікувального впливу ароматерапії, яка зародилася багато століть тому в країнах Сходу.
На закінчення хочеться привести слова нашого колеги, великого фахівця в галузі нейробіології, професора М. С. Косіцина (Інститут вищої нервової діяльності та нейрофізіології, Москва): «У цих дослідженнях Байкал виступає навіть не як унікальне, багате ендеміками озеро, а як» метод «, методологічний підхід, який дає нам природні моделі, на яких можна вивчати складні питання не тільки біології, а й медицини».
Література:
1. Вікторов І.В., Савченко Є.А., Ухова О.В. та ін. Мультипотентні стовбурові та прогеніторні клітини нюшного епітелію//Клітинні технології в біології та медицині 2006. № 4. С. 185-19.2.
Buck L., Axel R. A novel multigene family may encode odorant receptors: a molecular basis for odor recognition // Cell. 1991. V. 65, № 1. P. 175–187.3.
Ignatieva E. V., Levitsky V. G., Yudin N. S. et al. Genetic basis of olfactorycognition: extremely high level of DNA sequence polymorphism in promoter regions of the human olfactory receptor genes revealed usingthe 1000 Genomes Project dataset // Front Psychol. 2014. V. 5. Article 247. Published online.4.
Klimenkov I. V., Kurylev A. V, Kositsyn N. S. et al. Olfactory Receptor Cells’ Dendritic Neurosecretion Phenomenon // World neurosurgery. 2015. V. 83, № 3. P. 278–279.5.
Leng G., Ludwig M. Neurotransmitters and peptides: whispered secrets and public announcements // J. Physiol. 2008. V. 586, № 23. P. 5625–5632.6.
Malki A., Fiedler J., Fricke K. et al. Class I odorant receptors, TAS1R and TAS2R taste receptors, are markers for subpopulations of circulating leukocytes // J. Leukoc. Biol. 2015. V. 97, № 3. P. 533–545.7.
Mombaerts P. Odorant receptor gene choice in olfactory sensory neurons: the one receptor-one neuron hypothesis revisited // Curr. Opin. Neurobiol. 2004. V. 14, № 1. P 31–36.8.
Schultze M. Uber die Endigungswise des Geruchsnerven und der Epithelialgebilde des Nasenschleimhaut // Monatsber Deut Akad. Wiss. Berlin. 1956. Bd. 21. S. 504–514.9.
Son S. J., Filosa J. A., Potapenko E. S. et al. Dendritic peptide release mediates interpopulation crosstalk between neurosecretory and pre
- Попередня
- Наступна