Биологические науки/ 8.Физиология человека и животных.

Д.м.н. Мустафин А. Г.

Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н. И. Пирогова. Москва.

Околочасовые ритмы интенсивности синтеза РНК и белков в популяциях нервных клеток разных отделов нервной нервной системы крыс и их взаимоотношения с суточными ритмами транскрипции и трансляции.

Аннотация Установлено, что в изученных отделах нервной системы крыс отчетливо можно выделить две группы популяций нейронов с характерным временным расположением акрофаз активности хроматина. Активность генома невроцитов осуществляется импульсно и периодически. Формирование суточного ритма активности генетического и белоксинтезирующего аппаратов нейронов происходит за счет вхождения отдельных групп клеток в процессы, обеспечивающие транскрипцию и трансляцию, в колебательном режиме.

Ключевые слова: суточные и ультрадианные ритмы, синтез РНК и белков, популяции нервных клеток, разные отделы нервной системы крыс.

I. Введение В пределах одной функциональной системы имеют место ритмы различных частотных диапазонов, что, по-видимому, способствует строгой иерархической организации разнообразных процессов внутри организма. Ультрадианные ритмы отражают особенности протекания основных физиологических процессов, могут характеризовать механизмы краткосрочных физиологических реакций организма животных и осуществляться на разных уровнях их организации [1]. Современные молекулярные исследования свидетельствуют, что возбуждение посредством вторичных и третичных посредников распространяется вглубь цитоплазмы и ядра нервной клетки и оказывает влияние на процессы синтеза белков и РНК. Экспрессируемые геномом нейронов генные продукты включаются в системные реакции различного качества, определяя молекулярную интеграцию деятельности нейрона [2]. Основываясь на собственных и литературных данных В.Я. Бродский [3] характеризует выявленные ритмы с периодом около 1 ч (околочасовые ритмы) количественных изменений белков как фундаментальное общеклеточное свойство. Ультрадианные ритмы связаны с цикличностью метаболических процессов и, тем самым, являются эндогенными. Многообразие ритмических процессов, протекающих в биологических объектах и согласованных во времени между собой и с изменяющимися условиями внешней среды рассматривается как временная организация живых систем [4, 5].

II. Постановка задачи. Целью проведенного нами исследования являлось изучение ультрадианных ритмов включения меченного уридина и лейцина в суммарные РНК и белки клеток разных отделов нервной системы крыс.

III. Результаты. Эксперимент поставлен на 350 крысах-самцах линии Wistar массой около 170-210 г, содержавшихся в стандартных условиях при фоторежиме 12:12 часов (свет с 8 до 20 час). Животных (по 3-4 на каждую временную точку исследования) забивали с 15-минутными интервалами на протяжении суток. Для изучения интенсивности транскрипции и трансляции брали спинномозговые и краниальные шейные симпатические ганглии; поясничное утолщение спинного мозга; кору мозжечка; супрахиазматические ядра гипоталамуса; зрительную и сенсомоторную области коры большого мозга. Срезы указанных органов культивировали in vitro. Часть срезов каждого органа инкубировали с ³Н-уридином, вторую половину - с ³Н-лейцином. Интенсивность синтеза суммарных РНК и белков регистрировали методом жидкостной сцинтилляционной авторадиографии. Рассчитывали абсолютное и относительное включение изотопов в суммарные РНК и белки. Параметры активности синтеза первичных генных продуктов изучали на протяжении 22 ч с 0800 до 0600 ч. Полученные данные были обработаны методом спектрального анализа с использованием пакета программ обработки временных последовательностей.

На рис.1 представлены данные по изучению суточной динамики синтеза суммарных РНК и белков срезами спинномозговых узлов крыс.

Рис.1. Изменения интенсивности включения Н³-уридина и Н³—лейцина клетками спинномозгового узла на протяжении суток при забое животных через 15-минутные интервалы.

Максимальная интенсивность включения ³Н-уридина приходится на 21 ч 15 мин, а ³Н-лейцина - на 11 ч 45 мин, минимальные - в начале и в конце светового периода соответственно (P<0,01). С помощью программы для выявления скрытых периодичностей обнаружены колебания матричной активности хроматина с периодами 11,5 ч (амплитуда равна 23,4%), 2,5 ч (амплитуда равна 8,9%), и 55 мин (амплитуда равна 3,6%). Колебания активности белоксинтетического аппарата составили 12,5, 3,5 ч и 79 мин (амплитуды равны 33,9, 12,7 и 1,9% соответственно). Сопоставление суточного ритма и периодов ультрадианных ритмов клеток спинномозговых узлов крыс показало, что в активной фазе суточного ритма активности генетического аппарата период околочасовой составляющей был равен 39,5±3,6, а в пассивной фазе суточного ритма - 56,0±4,2 мин. (P<0,02). В то же время период околочасовой составляющей активности белоксинтетического аппарата был равен в активную фазу ритма 70,7±6,8, а в пассивную 42,0±5,7 мин (P<0,01). Околочасовая составляющая в активную фазу суточных ритмов синтеза первичных генных продуктов отличается длительностью периода от пассивной фазы ритма. Наличие подобных гармоник показывает, что активность генома осуществляется импульсно и периодически. Так же можно высказать предположение о том, что при формировании суточного ритма активности генетического и белоксинтезирующего аппаратов отдельные группы клеток разных отделов нервной системы крыс входят в процессы обеспечивающие транскрипцию и трансляцию в колебательном режиме. Это согласуется с данными ряда авторов, показавших ритмичность активности клеток ряда органов [6,7].

Для срезов краниальных шейных симпатических ганглиев, поясничного утолщения спинного мозга; коры мозжечка; супрахиазматических ядер гипоталамуса так же как и в спинномозговых узлах максимальная интенсивность включения ³Н-уридина приходится на начало темнового периода суток, а ³Н-лейцина - на конец темнового и начало светового периода суток. Обнаружены так же колебания матричной активности хроматина с периодами 11-12,0 ч (амплитуда равна 10-13,5%), 2,6-3,5 ч (амплитуда равна 18,9%), и 56-48 мин (амплитуда равна 2,8-5,6%). Периодики интенсивности включения ³Н-лейцина составили 11,6-12,9, 2,9-3,7 ч и 37-53 мин (амплитуды равны 25,6-32,9, 11,5-13,7 и 1,5-3,2% соответственно).

Максимальные значения относительного включения ³Н-уридина срезами соматосенсорной коры (рис.2) отмечены в начале светового периода суток (0800-1200 ч).

Рис.2. Изменения интенсивности включения Н³-уридина и Н³—лейцина клетками соматосенсорной коры большого мозга на протяжении суток при забое животных через 15-минутные интервалы.

Минимальные значения обнаружены в остальные исследованные часы суток (Р<0,01). Ультрадианные периодики составили 9,2, 3,7 ч и 44 мин (амплитуды - 16,8, 9,7 и 2,3% соответственно). Ритмическая активность функционирования белоксинтезирующего аппарата характеризуется достижением максимальных значений ближе к середине темнового периода суток (0130-0600 ч, Р<0,01). Показаны так же 11,2, 4,3 часовые и 52 минутные периодики (амплитуды - 18,9, 10,2 и 1,8% соответственно). В активной фазе суточного ритма матричной активности хроматина наименьший период ультрадианной составляющей (49,3 мин) был на 22% выше, чем в пассивной фазе суточного ритма (38,3 мин.). В темный период суток минимальный период ультрадианной составляющей интенсивности трансляции был равен 48,5 мин, а в дневные часы суток - 54,4 мин. Суточная динамика активности генома клеток срезов зрительной коры сходна с таковой, для соматосенсорной коры головного мозга крыс.

IV. Выводы. Таки образом, в изученных отделах нервной системы крыс отчетливо можно выделить две группы популяций нейронов с характерным временным расположением акрофаз активности хроматина. Биоритмологические характеристики ритмов активности хроматина имеют свои особенности в клеточных системах, отличающихся функционально и по положению: максимальные уровни экспрессии генов клеток спинномозговых узлов супрахиазматических ядер гипоталямуса, краниальных шейных симпатических ганглиев, коры мозжечка и спинного мозга соответствуют по срокам повышенному уровню активности крыс (ночные часы суток); максимальные уровни экспрессии генов нейронов зрительной и соматосенсорной областей коры большого мозга соответствуют по времени дневной рецепции света. Активность генома невроцитов осуществляется импульсно и периодически, формирование суточного ритма активности генетического и белоксинтезирующего аппаратов нейронов происходит за счет вхождения отдельных групп клеток в процессы, обеспечивающие транскрипцию и трансляцию, в колебательном режиме;

Литература.

1. Биологические ритмы. Т. 2 / Под ред. Ю. Ашоффа. – Москва: Мир, 1984. – 414 с.1

2. Судаков К.В. Интегративная деятельность нейрона: специфика и пластичность системных механизмов.//.Журн. высш. нервн. деятельности. 1993. Т.43. вып.2 с. 289-300.

3. Бродский В.Я., Нечаева Н.В. Ритм синтеза белка.- М.: Наука, 1988,- 240с

4. Романов Ю.А., Междисциплинарный характер исследований временной организации биологических систем и их значение для медицины. // Биология и медицина / Под ред. Ю.А. Овчинникова. - М., 1985. - с. 90-103

5. Koseska A., Ullner E., Volkov E., Kurths J., Garcia-Ojalvo J. Cooperative differentiation through clustering in multicellular populations // J. Theor. Biol. — 2010. — Vol. 263. — P. 189–202.

6 Рыбаков В.П. Клеточно-популяционные закономерности механизма формирования суточного ритма репродукции клеток. Автореф дисс. докт. мед. наук. М.1991

7. Бродский, В. Я.; Дубовая, Н. Д.; Звездина, Т. К.; Фатеева, В. И.; Мальченко, Л. А. Дофамин дезорганизует ритм синтеза белка, нарушая самоорганизацию гепатоцитов in vitro. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. - 2013. - Т. 156, № 7. - С. 48-50. -