СЕНСИТИЗАЦИЯ НИКОТИНОВЫХ РЕЦЕПТОРОВ АЦЕТИЛХОЛИНА ПОЧВЕННОЙ НЕМАТОДЫ Caenorhabditis elegans ОКТОПАМИНОМ

OCTOPAMINE SENSITIZES NICOTINIC ACETYLCHOLINE RECEPTORS OF SOIL NEMATODE Caenorhabditis elegans

Tatiana Kalinnikova

рhD in Physiology, Senior Researcher of the Laboratory of Experimental Ecology in the Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences,

Russia, Republic of Tatarstan, Kazan

Evgenia Belova

researcher of the Laboratory of Experimental Ecology in the Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences,

Russia, Republic of Tatarstan, Kazan

Aigul Yakhina

undergraduate of the Department of Applied Ecology of the Instiute of Environmental Sciences of Kazan Federal University,

Russia, Republic of Tatarstan, Kazan

Rufina Kolsanova

phD in Ecology, Researcher of the Laboratory of Experimental Ecology in the Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences,

Russia, Republic of Tatarstan, Kazan

Marat Gainutdinov

professor, DPhil in Biophysics, Head of the Laboratory of Experimental Ecology in the Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences,

Russia, Republic of Tatarstan, Kazan

АННОТАЦИЯ

В экспериментах со свободноживущей почвенной нематодой Caenorhabditis elegans выявлено изменение чувствительности никотиновых рецепторов ацетилхолина в среде с октопамином. Проведенный фармакологический анализ показал, что октопамин повышает чувствительность поведения нематод не только к агонистам никотиновых рецепторов левамизолу и никотину, но и к частичному ингибированию ацетилхолинэстеразы алдикарбом. Полученные результаты позволили сделать вывод о регуляции октопамином холинергической синаптической трансмиссии в организме C. elegans на постсинаптическом уровне.

ABSTRACT

The alteration of sensitivity of nicotinic acetylcholine receptors by octopamine was revealed in experiments with free-living soil nematode Caenorhabditis elegans. Pharmacological analysis revealed that octopamine causes the rise in sensitivity of nematodes' behavior both to agonists of nicotinic acetylcholine receptors levamisole and nicotine and to partial inhibition of acetylcholine esterase by aldicarb. Submitted data suggest that octopamine regulates cholinergic synaptic transmission in C. elegans organism on postsynaptic level.

Ключевые слова: Caenorhabditis elegans; поведение; никотиновые рецепторы ацетилхолина; никотин; левамизол; алдикарб; октопамин.

Keywords: Caenorhabditis elegans; behavior; nicotinic acetylcholine receptors; nicotine; levamisole; aldicarb; octopamine.

Катехоламины в качестве нейромедиаторов, нейромодуляторов и гормонов принимают участие в регуляции всех основных функций организмов человека и животных. Основными катехоламинами, регулирующими поведение и физиологическое состояние организма, у человека и животных являются норадреналин и адреналин. В организмах беспозвоночных функции, сходные с функциями норадреналина, осуществляют октопамин [7; 10; 11] и, в ряде случаев, тирамин [2]. Одна из основных функций биогенных аминов в нервной системе заключается в модуляции процессов синаптической нейротрансмиссии изменением скорости секреции нейротрансмиттера пресинаптическими нейронами или изменением чувствительности постсинаптического нейрона к нейротрансмиттеру модуляцией чувствительности соответствующих рецепторов. В связи с ключевой ролью холинергической системы в регуляции центральных и периферических процессов в организмах человека и животных большое значение имеет вопрос об идентификации биогенных аминов, модулирующих синаптическую трансмиссию на пресинаптическом и постсинаптическом уровнях. Удобной моделью для решения этого вопроса является организм свободноживущей почвенной нематоды Caenorhabditis elegans. В простой нервной системе этой нематоды не менее трети из 302 нейронов являются холинергическими [9], а молекулярные и клеточные механизмы функций холинергической системы высококонсервативны в эволюции. Известно, что на пресинаптическом уровне модуляция холинергической синаптической трансмиссии осуществляется серотонином, но биогенные амины, модулирующие ее на постсинаптическом уровне, неизвестны. Поэтому целью этой работы явилась экспериментальная проверка гипотезы, предполагающей, что октопамин является биогенным амином, модулирующим холинергическую синаптическую трансмиссию C. elegans на постсинаптическом уровне изменением чувствительности никотиновых рецепторов ацетилхолина (н-холинорецепторов).

Методы и материалы

Эксперименты проводили с C.elegans линии дикого типа N2, предоставленной Caenorhabditis Genetics Center. Нематод выращивали при 21°C в чашках Петри со стандартной средой выращивания нематод и E.coli OP50 для кормления [3]. Нематод трехдневного возраста трижды отмывали 10 мл NG буфера (0,3 % NaCl, 1 мМ CaCl₂, 1 мМ MgSO₄, 25 мМ калийфосфатного буфера (pH 7,0)) и переносили индивидуально в пробирки с 1 мл NG буфера с добавлением октопамина. Через 30 мин добавляли левамизола гидрохлорид, никотина гемисульфат или алдикарб. Нарушения поведения, вызванные действием агонистов н-холинорецепторов или алдикарба, регистрировали каждые 15 минут с использованием стереоскопического микроскопа SMZ-05. Показателем действия левамизола, никотина и алдикарба на поведение C.elegans являлось нарушение моторной программы плавания, индуцированного механическим стимулом (встряхивание пробирки с червем). Эти нарушения проявлялись в нарушениях координации мышц, необходимой для синусоидальных движений тела, временной приостановке плавания и плавании по кругу. В каждом варианте эксперимента использовано 30 червей. Эксперименты проводили в трех повторностях. Статистическую обработку результатов проводили с использованием углового преобразования Фишера φ*. В работе использовали реактивы фирмы Sigma.

Результаты и обсуждение

Одним из основных подходов к изучению функций биогенных аминов в организме C. elegans является изучение влияния экзогенного октопамина, серотонина и дофамина на поведение, размножение и физиологическое состояние этой нематоды [5; 6; 8]. Этот подход был использован и нами для решения вопроса о возможной модуляции н-холинорецепторов октопамином.

Для выявления изменений чувствительности н-холинорецепторов C. elegans, вызванных мутациями генов пяти субъединиц этих рецепторов [4; 8; 9] или факторами окружающей среды [1], традиционно используется фармакологический анализ локомоции нематод. При действии агонистов н-холинорецепторов нематод (левамизол, никотин и др.) происходит гиперактивация н-холинорецепторов в нейронах и локомоторных мышцах, следствием которой являются нарушения моторной программы плавания, индуцированного механическим стимулом [1]. Эти нарушения сменяются полным обездвиживанием (параличом) червей, если увеличивается продолжительность экспозиции нематод к агонисту н-холинорецепторов или его концентрация [4]. Мутации генов, снижающие чувствительность н-холинорецепторов, уменьшают чувствительность локомоции к левамизолу и никотину и, напротив, повышение чувствительности н-холинорецепторов мутациями генов, регулирующих функции холинергической системы C. elegans, вызывают сенситизацию локомоции к действию левамизола и никотина [4].

Таблица 1.

Влияние октопамина на чувствительность поведения Caenorhabditis elegans к левамизолу и никотину

Примечание: *** – достоверность разницы между контролем (среда без октопамина) и опытом (среда с 1 или 2 мМ октопамина).

** – p < 0,01; *** – p < 0,001.

Как показано в таблице 1, введение в среду октопамина в концентрации 1–2 мМ вызывает сильное увеличение чувствительности плавания C. elegans, индуцированного механическим стимулом, к действию левамизола. Эти же концентрации октопамина увеличивают чувствительность поведения C. elegans и к действию другого агониста н-холинорецепторов – никотина. При этом влияние октопамина на чувствительность C. elegans к никотину проявляется слабее, чем к действию левамизола (табл. 1). Концентрации октопамина, вызывающие увеличение чувствительности поведения C. elegans к левамизолу и никотину, соответствуют его концентрациям, эффективным для изменения пищевого поведения и размножения C. elegans [6]. Высокие концентрации не только октопамина, но и других биогенных аминов (серотонина и дофамина), эффективные для изменения поведения и физиологического состояния C. elegans, объясняются такой известной особенностью нематод, как чрезвычайно низкая проницаемость кутикулы для органических веществ и низкая скорость обмена между окружающей средой и кишечником. Из-за этой особенности концентрации лекарств и токсикантов, изменяющие поведение и выживаемость в экспериментах с C. elegans, на 3–4 порядка выше, чем в экспериментах с кольчатыми червями и высшими беспозвоночными [4; 6; 8].

Результаты наших экспериментов свидетельствуют о том, что октопамин сенситизирует н-холинорецепторы C. elegans к действию их агонистов.

Таблица 2.

Влияние октопамина на чувствительность поведения Caenorhabditis elegans к алдикарбу

Примечание: *** – достоверность разницы между контролем (среда без октопамина) и опытом (среда с 1 или 2 мМ октопамина). *** – p < 0,001

Известно, что не только агонисты н-холинорецепторов, но и частичное ингибирование ацетилхолинэстеразы (АХ-эстеразы) алдикарбом нарушает локомоцию C. elegans в результате гиперактивации н-холинорецепторов аномально высокой концентрацией ацетилхолина [8]. Поэтому, как показано в таблице 2, октопамин увеличивает чувствительность поведения C. elegans к действию алдикарба. Повышение октопамином чувствительности поведения к частичному ингибированию АХ-эстеразы алдикарбом показывает, что октопамин вызывает активацию холинергической синаптической трансмиссии C. elegans, которая происходит на постсинаптическом уровне в результате сенситизации н-холинорецепторов.

Ранее нами было показано, что активация холинергической синаптической трансмиссии в нервной системе C. elegans индуцируется тепловым стрессом и кратковременным голоданием [1]. Ингибирование процессов размножения голоданием индуцируется октопамином [6]. Поэтому возможно, что стимуляция секреции октопамина является причиной активации холинергической системы C. elegans стрессовыми условиями среды. Октопамин рассматривается как катехоламин, осуществляющий у беспозвоночных функции норадреналина у позвоночных [10]. При этом в научной литературе отсутствуют сведения о влиянии норадреналина на н-холинорецепторы позвоночных, в то время как модуляция этих рецепторов октопамином выявлена в наших экспериментах (табл. 1, 2). Это может объясняться тем, что катехоламины не оказывают модулирующего действия на н-холинорецепторы при действии ацетилхолина на периферические органы человека и грызунов, а исследования возможности модуляции норадреналином н-холинорецепторов в головном мозге не проводились из-за их чрезвычайной сложности. Альтернативным объяснением является наличие модуляции н-холинорецепторов катехоламинами у беспозвоночных, но не у позвоночных.

Вывод этой работы заключается в том, что октопамин регулирует холинергическую синаптическую трансмиссию в организме C. elegans на постсинаптическом уровне.

Список литературы:

1. Калинникова Т.Б., Белова Е.Б., Колсанова Р.Р., Гайнутдинов М.Х. Активация холинергической системы почвенной нематоды Caenorhabditis elegans стрессовыми условиями окружающей среды // Российский журнал прикладной экологии. 2015. № 1. С. 71–75.
2. Alkema M.J., Hunter-Ensor M., Ringstad N., Horvitz H.R. Tyramine functions independently of octopamine in the Caenorhabditis elegans nervous system // Neuron. 2005. V. 46. P. 247–260.
3. Brenner S. The genetics of Caenorhabditis elegans // Genetics. 1974. V. 77. P. 71–94.
4. Gottschalk A., Almedom R.B., Schedletzky T., Anderson S.D., Yates J.R. III, Schafer W.R. Identification and characterization of novel nicotinic receptor associated proteins in Caenorhabditis elegans // The EMBO J. 2005. V. 24. P. 2566–2578.
5. Hardaker L.A., Singer E., Kerr R., Zhou G., Schafer W. Serotonin modulates locomotory behavior and coordinates egg-laying and movement in Caenorhabditis elegans // J. Neurobiol. 2001. V. 49. P. 303–313.
6. Horvitz H.R., Chalfie M., Trent C., Sulston J.E., Evans P.D. Serotonin and octopamine in the nematode Caenorhabditis elegans // Science. 1982. V. 216. P. 1012–1014.
7. Noble T., Stieglitz J., Srinivasan S. An integrated serotonin and octopamine neuronal circuit directs the release of an endocrine signal to control C. elegans body fat // Cell Metabolism. 2013. V. 18. P. 672–684.
8. Nurrish S., Ségalat L., Kaplan J.M. Serotonin inhibition of synaptic transmission: Gα₀ decreases the abundance of UNC-13 at release sites // Neuron. 1999. V. 24. P. 231–242.
9. Rand J.B. Acetylcholine // Wormbook / ed. The C. elegans Research Community, Wormbook. 2007. URL: http://www.wormbook.org (Дата обращения 04.04.2016).
10. Roeder T., Seifert M., Kahler C., Gewecke M. Tyramine and octopamine: antagonistic modulators of behavior and metabolism // Arch. Insect Biochem. Physiol. 2003. V. 54. P. 1–13.
11. Suo S., Culotti J.G., Van Tol H.H.M. Dopamine suppresses octopamine signaling in C. elegans: possible involvement of dopamine in the regulation of lifespan // Aging. 2009. V. 1. P. 870–874.