DOI: https://doi.org/10.22263/2312-4156.2023.4.9
О.В. Белявский, Е.С. Пашинская, В.В. Побяржин
Синаптическая пластичность циркадной системы млекопитающих и экспрессия синаптических генов
Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет, г. Витебск, Республика Беларусь
Вестник ВГМУ. – 2023. – Том 22, №4. – С. 9-20.
Резюме.
Жизнедеятельность человека и других животных предполагает постоянные структурные изменения в ЦНС. В процессе обучения, запоминания информации и поведения в нервных центрах происходят перестройки тел нейронов, нервных окончаний и синаптических связей. В мозге как беспозвоночных, так и позвоночных нейроны, глиальные клетки и синапсы обладают пластичностью, т.е. их структура и физиология изменяются в ответ на внутренние и внешние раздражители. В результате морфология нейронов и нейронные сети постоянно модифицируются в ответ на различные раздражители. У млекопитающих было обнаружено, что количество синапсов, размер и форма нейронов ритмично изменяются в течение дня, т.е. эти изменения являются циркадными. Они генерируются эндогенными циркадными часами, однако некоторые ритмические изменения в морфологии нейронов, количестве и структуре синапсов контролируются непосредственно сигналами окружающей среды или как внешними сигналами, так и циркадными часами. Нейроны, образующие центральные часы, не только регулируют циркадную пластичность мозга, но и подвергаются циркадной перестройке своих собственных процессов. Соответственно, различные факторы внешней и внутренней среды, влияя на синаптическую пластичность компонентов циркадной системы, могут быть причиной различных патологических процессов в организме млекопитающих. Особый интерес представляет влияние паразитарных заболеваний на функции циркадной системы, однако таких исследований мало.
Ключевые слова: синаптическая пластичность, циркадная система, синаптические гены, рецепторы.
Литература
1. Structural plasticity of the circadian timing system. An overview from flies to mammals / O. Bosler [et al.] // Front. Neuroendocrinol. 2015 Jul. Vol. 38. P. 50–64.
2. Circadian and Homeostatic Regulation of Structural Synaptic Plasticity in Hypocretin Neurons / L. Appelbaum [et al.] // Neuron. 2010 Oct. Vol. 68, N 1. P. 87–98.
3. Frank, M. G. Circadian Regulation of Synaptic Plasticity / M. G. Frank // Biology (Basel.). 2016 Jul. Vol. 5, N 3. P. 31.
4. Krzeptowski, W. Circadian Plasticity in the Brain of Insects and Rodents / W. Krzeptowski, G. Hess, E. Pyza // Front. Neural Circuits. 2018 May. Vol. 12. P. 32.
5. Ono, D. Circadian and ultradian rhythms of clock gene expression in the suprachiasmatic nucleus of freely moving mice / D. Ono, K. Honma, S. Honma // Sci. Rep. 2015 Jul. Vol. 5. Art. 12310.
6. Differential localization of PER1 and PER2 in the brain master circadian clock / M. Riddle [et al.] // Eur. J. Neurosci. 2017 Jun. Vol. 45, N 11. P. 1357–1367.
7. Real-Time Recording of Circadian Per1 and Per2 Expression in the Suprachiasmatic Nucleus of Freely Moving Rats / Y. Yamaguchi [et al.] // J. Biol. Rhythms. 2016 Feb. Vol. 31, N 1. P. 108–111.
8. Machaalani, R. Effects of changes in energy homeostasis and exposure of noxious insults on the expression of orexin (hypocretin) and its receptors in the brain / R. Machaalani, N. J. Hunt, K. A. Waters // Brain Res. 2013 Aug. Vol. 1526. P. 102–122.
9. Kamiński, T. Expression of orexin receptors in the pituitary / T. Kamiński, N. Smolińska // Vitam. Horm. 2012. Vol. 89. P. 61–73.
10. Sun, Y. Hypocretin/Orexin Receptor Pharmacology and Sleep Phases / Y. Sun, R. K. Tisdale, T. S. Kilduff // Front. Neurol. Neurosci. 2021. Vol. 45. P. 22–37.
11. Monti, J. M. The role of serotonin 5-HT7 receptor in regulating sleep and wakefulness / J. M. Monti, H. Jantos // Rev. Neurosci. 2014. Vol. 25, N 3. P. 429–437.
12. Single-cell transcriptomes and whole-brain projections of serotonin neurons in the mouse dorsal and median raphe nuclei / J. Ren [et al.] // Elife. 2019 Oct. Vol. 8. Art. e49424.
13. Sharp, T. Central 5-HT receptors and their function; present and future / T. Sharp, N. M. Barnes // Neuropharmacology. 2020 Oct. Vol. 177. Art. 108155.
14. 5-HT7 receptor modulates GABAergic transmission in the rat dorsal raphe nucleus and controls cortical release of serotonin / M. Kusek [et al.] // Front. Cell. Neurosci. 2015 Aug. Vol. 9. P. 324.
15. Garcia-Garcia, A. L. P5-HT1A receptors in mood and anxiety: recent insights into autoreceptor versus heteroreceptor function / A. L. Garcia-Garcia, A. Newman-Tancredi, E. D. Leonardo // Psychopharmacology (Berl.). 2014 Feb. Vol. 231, N 4. P. 623–636.
16. Atmaca, H. T. Expression of serotonin 2A, 2C, 6 and 7 receptor and IL-6 mRNA in experimental toxoplasmic encephalitis in mice / H. T. Atmaca // Heliyon. 2019 Nov. Vol. 5, N 11. Art. e02890.
17. Higgins, G. A. Therapeutic Potential of 5-HT2C Receptor Agonists for Addictive Disorders / G. A. Higgins, P. J. Fletcher // ACS Chem. Neurosci. 2015 Jul. Vol. 6, N 7. P. 1071–1088.
18. Berger, M. Serotonin System Gene Knockouts / M. Berger, L. H. Tecott // The Serotonin Receptors: From Molecular Pharmacology to Human Therapeutics / ed. B. L. Roth. New Jersey : Humana Press Inc., 2006. P. 537–575.
19. Emergence of 5-HT5A signaling in parvalbumin neurons mediates delayed antidepressant action / Y. Sagi [et al.] // Mol. Psychiatry. 2020. Vol. 25. P. 1191–1201.
20. De Jong, I. E. M. Antagonism of the 5-HT6 receptor – Preclinical rationale for the treatment of Alzheimer’s disease / I. E. M. de Jong, A. Mørk // Neuropharmacology. 2017 Oct. Vol. 125. P. 50–63.
21. Brain-encysting trematodes (Euhaplorchis californiensis) decrease raphe serotonergic activity in California killifish (Fundulus parvipinnis) / S. H. Helland-Riise [et al.] // Biol. Open. 2020 Jul. Vol. 9, N 7. Art. bio049551.
22. Locus coeruleus-norepinephrine modulation of sensory processing and perception: A focused review / J. McBurney-Lin [et al.] // Neurosci. Biobehav. Rev. 2019 Oct. Vol. 105. P. 190–199.
23. Cirelli, C. Locus Ceruleus Control of State-Dependent Gene Expression / C. Cirelli, G. Tononi // J. Neurosci. 2004 Jun. Vol. 24, N 23. P. 5410–5419.
24. Benarroch, E. E. Locus coeruleus / E. E. Benarroch // Cell. Tissue Res. 2020 Jul. Vol. 373, N 1. P. 221–232.
25. Bekdash, R. A. The Cholinergic System, the Adrenergic System and the Neuropathology of Alzheimer’s Disease / R. A. Bekdash // Int. J. Mol. Sci. 2021 Jan. Т. 22, N 3. Art. 1273.
26. Berridge, C. W. Noradrenergic modulation of wakefulness/arousal / C. W. Berridge, B. E. Schmeichel, R. A. España // Sleep. Med. Rev. 2012 Apr. Vol. 16, N 2. P. 187–197.
27. Berridge, C. W. The locus coeruleus–noradrenergic system: modulation of behavioral state and state-dependent cognitive processes / C. W. Berridge, B. D. Waterhouse // Brain Res. Rev. 2003 Apr. Vol. 42, N 1. P. 33–84.
28. The Role of Norepinephrine and Its α-Adrenergic Receptors in the Pathophysiology and Treatment of Major Depressive Disorder and Schizophrenia: A Systematic Review / V. Maletić [et al.] // Front. Psychiatry. 2017 Mar. Vol. 8. P. 42.
29. ADRA1A gene is associated with BMI in chronic schizophrenia patients exposed to antipsychotics / Y.-R. Liu [et al.] // Pharmacogenomics J. 2010 Feb. Vol. 10, N 1. P. 30–39.
30. Marked behavioral activation from inhibitory stimulation of locus coeruleus α1-adrenoceptors by a full agonist / E. A. Stone [et al.] // Brain Res. 2009 Sep. Vol. 1291. P. 21–31.
31. Santana, N. Expression of α(1)-adrenergic receptors in rat prefrontal cortex: cellular co-localization with 5-HT(2A) receptors / N. Santana, G. Mengod, F. Artigas // Int. J. Neuropsychopharmacol. 2013 Jun. Vol. 16, N 5. P. 1139–1151.
32. Domyancic, A. V. Distribution of α1A adrenergic receptor m RNA in the rat brain visualized by in situ hybridization / A. V. Domyancic, D. A. Morilak // J. Comp. Neurol. 1997 Sep. Vol. 386, N 3. P. 358–378.
33. Long-Term α1A-Adrenergic Receptor Stimulation Improves Synaptic Plasticity, Cognitive Function, Mood, and Longevity / V. A. Doze [et al.] // Mol. Pharmacol. 2011 Oct. Vol. 80, N 4. P. 747–758.
34. Distribution of α 1a-, α 1b- and α 1d-adrenergic receptor mRNA in the rat brain and spinal cord / H. E. Day [et al.] // J. Chem. Neuroanat. 1997 Jul. Vol. 13, N 2. P. 115–139.
35. Function of brain α2B-adrenergic receptor characterized with subtype-selective α2B antagonist and KO mice / L. Luhrs [et al.] // Neuroscience. 2016 Dec. Vol. 339. P. 608–621.
36. Hopwood, S. E. Noradrenergic modulation of serotonin release in rat dorsal and median raphé nuclei via α1 and α2A adrenoceptors / S. E. Hopwood, J. A. Stamford // Neuropharmacology. 2001 Sep. Vol. 41, N 4. P. 433–442.
37. A Rare Mutation of β1-Adrenergic Receptor Affects Sleep/Wake Behaviors / G. Shi [et al.] // Neuron. 2019 Sep. Vol. 103, N 6. P. 1044–1055.
38. β-Adrenergic receptor signaling and modulation of long-term potentiation in the mammalian hippocampus / T. J. O’Dell [et al.] // Learn. Mem. 2015 Aug. Vol. 22, N 9. P. 461– 471.
39. Astrocytic β2-adrenergic receptors: From physiology to pathology / G. Laureys [et al.] // Prog. Neurobiol. 2010 Jul. Vol. 91, N 3. P. 189–199.
Сведения об авторах:
О.В. Белявский – аспирант кафедры инфекционных болезней с курсом ФПК и ПК, Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет,
E mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. – Белявский Олег Викторович;
Е.С. Пашинская – к.б.н., доцент, начальник научно-образовательного центра «Центр молекулярно-генетических и биотехнологических исследований», Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет;
В.В. Побяржин – к.б.н., доцент кафедры биологии и фармацевтической ботаники, Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет.
