Одной из главных причин неудач при лечении нейродегенеративных заболеваний является их поздняя диагностика. На поздних стадиях этих заболеваний нейроны, как правило, уже погибают. Лечение на этих стадиях является симптоматическим, направленным на поддержание, а не восстановление функций пациентов. Выявление механизмов ранней патологии является одной из насущных проблем современной медицины. Биомедицинские исследования последних лет показали, что во многих случаях ранние патологические изменения наблюдаются в области контактов или синапсов, устанавливаемых нервными клетками с клетками мишенями. Эти межклеточные соединения служат для передачи электрических и химических сигналов на нервные, мышечные и глиальные клетки и являются пластичными образованиями. Поиск программ восстановления погибших клеток ЦНС при нейродегенеративных заболеваниях и травмах, является другой насущной проблемой биомедицины.
Исследования лаборатории биологии синапсов, Института Трансляционной Биомедицины СПбГУ (ИТБМ) по программе НИР направлены на решение этих проблем. Экспериментальная работа посвящена: а) изучению базовых молекулярных механизмов, управляющих везикулярным трафиком в синаптических соединениях, б) выяснению роли синаптических патологий на ранних стадиях развития нейродегенеративных заболеваний и в) поиску терапевтических подходов для восстановление функциональных клеток в ЦНС. Мы полагаем, что наши исследования позволят понять основные принципы работы и формирования синаптических соединений и программ дифференцировки нейронов и глии в нервной системе. Эксперименты нацелены на идентификацию потенциальных молекулярных мишеней и, соответственно, препаратов, которые могут влиять на пресинаптические процессы и программы дифференцировки клеток, что, в итоге приведет к разработке новых подходов для восстановления функций ЦНС при травмах и патологиях.
Генетические и биомедицинские исследования последних лет существенно продвинули наши знания о нарушениях функций генов и о конкретных молекулах, участвующих в патологических процессах. Однако каковы механизмы их работы и возможные методы восстановления нормальных функций с помощью лекарств во многом остаётся неясным. Наши исследования направлены на выявление молекулярных механизмов в синаптических соединениях, участвующих в патологических процессах при нейродегенеративных заболеваниях и на поиск терапевтических подходов и лекарственных препаратов, для восстановление функций нервных клеток.
Работы проводятся по четырем направлениям:
1. Анализ молекулярных механизмов выделения нейроактивных веществ в нейронах и нейросекреторных клетках.
2. Изучение роли фазовых состояний пресинаптических белков в норме и при образовании патологических агрегатов и амилоидных структур в нервных клетках.
3. Исследование роли митохондриальных генов, мутации в которых приводят в возникновению нейродегенеративных заболеваний, в синапсах.
4. Идентификация молекулярных механизмов дифференцировки мультипотентных клеток с целью получения функциональных нервных клеток для замены поврежденных нейронов.
Результаты исследований в 2021 году позволили нам сделать следующие выводы:
1. Процесс клатрин-независимого эндоцитоза, испольруемый секреторными клетками для восстановления пула секреторных везикул, включает три основные мембранные перестройки: 1) ”Плоская мембрана” → в структуру с поперечным сечением Λ 2) Λ→Ω и 3) Ω→О. Размеры структур промежуточных стадий Λ и Ω определяют размер вновь сформированной визикулы.
2. Мембранные структуры, которые в сечении имеют форму Ω является основной отправной точкой запуска различных форм эндоцитоза как в процессе экзоцитоза, так и непосредствено в процессе эндоцитоза.
3. При различных формах клатрин-независимого эндоцитоза динамин и Ca2+ необходимы как для закрытия мембранной поры секреторного пузырька как на стадии слияния с плазматической мембраной (kiss-and-run), так и при срезании шейки эдоцитозного пузырька с плазматической мембраны при эндоцитозе.
4. Ионы Ca2+, входящие в клетку при её стимуляции, приводят либо к блоку эндоцитоза либо к возникновению различных форм эндоцитоза: медленного, быстрого, супербыстрого, компенсаторного или избыточного, в зависимости от локальной концентрации внутриклеточного Ca2+.
5. SH3 домен-содержащие эндоцитозные белки, интерсектин и эндофилин, одновременно являются регуляторными молекулами, управляющими образованием белковой жидкой фазы синапсина, которая организует кластеры секреторных визикул в активной зоне центральных синапсов.
6. Разработана модельная система для изучения роли гена митофюзина 2 в развитии болезни Паркинсона, в которой возможно включение митохондриального гена в сформированных дофаминергических нейронах. Показано, что выключение гена MFN2 в сформированных дофаминергических неронах вызывает нейродегенеративные изменения в митохондриях дофаминергических нейронов черной субстанции, что в конечном итоге приводит к гибели нейронов. Гибель дофаминергических нейронов сопровождается активацией окружающих глиальных клеток и запуском иммунного ответа в центральной нервной системе.
7. Симпатические нейробласты и хромаффинные клетки внутри надпочечников возникают из предшественников Шванновских клеток, мигрирующих вдоль нервов, тогда как симпатобласты, расположенные снаружи надпочечников, возникают из мигрирующих клеток нервного гребня.
Мы полагаем, что наши исследования позволят понять механизмы работы синаптических соединений и процессы формирования и восстановления функций нервных клеток. Поиск препаратов, управляющих этими молекулярными процессами, нацелен на идентификацию лекарственных препаратов, которые могут влиять на эти процессы, что, в конечном итоге приведет к выработке новых терапевтических подходов для лечения нейродегенеративных заболеваний.
За отчётный период обнаружены и объяснены новые механизмы, управляющие везикулярным транспортом в межнейронных синапсах и нейросекреторных клетках. С помощью микроскопии высокого разрешения (STED) прослежена динамика образования секреторных везикул в живой клетке. Исследован ряд молекулярных механизмов, способствующих формированию белковых капель, которые неоходимы для образования кластеров синаптических везикул в нервных терминалях. Получены принципиально новые данные о ранних изменениях в митохондриях при развитии болезни Паркинсона. Получены новые данные о формировании и дифференцировки секреторных клеток. Результаты исследований лаборатории ов 2021 году публикованы / приняты в печать в ведущих научных журналах (Q1), таких как Neuron, PLOS Genetics, Nature Genetics, European Neuropsychopharmacology. Таким образом, наши исследования выявили ряд важных механизмов работы синаптических соединений, формирования нервной системы и развития паталогических процессов в нервных клетках. Анализ этих механизмов, нацелен на идентификацию лекарственных препаратов, которые могут влиять на эти процессы, и на поиск терапевтических подходов для восстановления функций клеток центральной нервной системы.
Шупляков О.В. - 50%
Сопова Е.С. - 15%
Коренькова О.М. - 10%
Онохин К.В. - 7%
Нифантова Н.В. - 8%
Шишков А.Г. - 8%
Линовская Ю.В. - 2%
В наших исследованиях мы применяли генетические, молекулярнобиологические, физиологические, морфологические и многие другие современные клеточные технологии. Для визуализации клеточных процессов использовалась микроскопия высокого разрешения (STED), а также конфокальная и электронная микроскопия. В качестве модельных систем использовались трансгенные животные, изолированные препараты мозга животных, клеточные культуры, а для модельных экспериментов - синтезированные белки и липиды. Математическое моделирование применялось для анализа динамики клеточных процессов.
| Short title | GZ-2021 |
|---|
| Acronym | ITBM_2019 -3 |
|---|
| Status | Finished |
|---|
| Effective start/end date | 1/01/21 → 31/12/21 |
|---|
