Вплив структурозалежного органельного і неорганельного зв’язування кальцію на внутрішньоклітинну сигналізацію: модельне дослідження - Автореферат

Незважаючи на значний прогрес у методах дослідження фізико-хімічних процесів на різних рівнях організації нейронів, через складність обєкту залишається дуже обмеженим, а часто й практично неможливим одночасне застосування наявних методів для експериментального дослідження взаємозвязку між структурою, електричними і концентраційними процесами. Такі моделі на клітинному рівні дозволили зясувати, що, поряд з нелінійними електричними властивостями мембрани, складна геометрія дендритів суттєво визначає характер розряду нейронів [Mainen and Sejnowski, 1996; Krichmar et al., 2002; Korogod and Tyc-Dumont, 2009], а на субклітинному рівні - дозволили розкрити мікрогеометричні фактори модуляції ефективності синаптичної передачі [Savtchenko et al., 2000, 2004a,b; Sylantyev et al., 2008], спрогнозувати існування оптимальної в цьому аспекті ширини синаптичної щілини [Savtchenko and Rusakov, 2007], показати вплив взаємного просторового розташуванні каналів надходження Ca2 і синаптичних везикул [Neher et al., 2001 та ін.] на перебіг фізико-хімічних процесів у синаптичних закінченнях. Метою було зясування закономірностей регулювання концентрації Ca2 у малорозмірних частинах нейронів у залежності від співвідношення розмірів частин внутрішньоклітинного простору, котрі зайняті цитозолем, неорганельними буферами і органельними депо та обмінюються Ca2 . На моделях клітин Пуркіньє мозочка з реконструйованим дендритним розгалуженнями та активними електричними властивостями дендритної мембрани, дослідити вплив співвідношення розмірів ЕР і безорганельного цитозолю на локальну динаміку Са2 у асиметричних дендритах при генерації періодичних і аперіодичних патернів розрядів на виході нейрону. Предмет дослідження - динаміка концентрації вільного і звязаного Ca2 у цитозолі та органельних депо (ЕР або мітохондріях), що займають різні частки внутрішньоклітинного простору у ділянках дендритного розгалуження нейронів під час відкликів на локальне синаптичне збудження, а також під час генерації періодичних і аперіодичних патернів розрядів на виході.У розділі 1 “Огляд літератури” висвітлено відомості про регулювання рівнів Са2 в клітинах, типи та властивості каналів надходження Са2 у клітину, механізми його викачування у позаклітинний простір, Са2 буфери та депо. Описано авторські моделі динаміки Са2 у окремих ділянках (тонкі дендритні стовбури, шипики - рис.1) та реконструйованих розгалуженнях (рис.2) дендритів нейронів Пуркіньє з присутніми там мітохондріями (рис.1 А, Б) або ЕР (рис.1 В, Г; рис.2 Б) у якості Са2 депо. Для відповідної ділянки дендриту розраховувалися наступні потоки обміну Ca2 : дифузія в сусідні ділянки (Fdif), звязування з повільним (парвальбуміном) та швидким (кальмодулін) буферами й флуоресцентним барвником типа Fura-4 (Fbuf), обмін з мітохондріями (Fmit) або ЕР (FER). Відношення поверхня/безорганельний обєм ділянки (функція f1= S/Vcyt = S/(V - VER), відношення обємів ЕР і цитозолю (f2=VER/ Vcyt), площа поверхні ЕР (f3= SER) та інтенсивність Са2 -сигналів у цитозолі й депо викликаних ідентичними синаптичними стимулами, змінювались залежно від діаметру ЕР (KER= Отже, відношення площі мембрани до безорганельного обєму ділянки є геометричним “коефіцієнтом модуляції” інтенсивності кальцієвих сигналів у цитозолі, а площа мембрани ЕР модулює інтенсивність цих сигналів у депо.У дисертаційній роботі, відповідно до її мети та завдань, зясовані біофізичні закономірності динаміки Са2 у нейронах та субклітинних елементах у залежності від мікрогеометричних співвідношень між частинами внутрішньоклітинного простору, які обмінюються Са2 , а саме між органельними депо (ЕР, мітохондрії) та цитозолем, ендогенними неорганельними буферами і Са2 -чутливими барвниками. 1.Розроблений і всебічно протестований оригінальний інструмент компютерного моделювання динаміки внутрішньоклітинного кальцію за участю різних органельних депо, ендогенних та екзогенних буферів, що відрізняються кінетиками звязування, у дендритах нейронів з різними наборами іонних каналів і насосів плазматичної мембрани. 2.Відносне наповнення внутрішньоклітинного обєму субклітинних елементів (таких, як ділянки тонких дендритів, дендритні шипики) органельними депо та розмір останніх є структурними мікрогеометричними факторами, котрі здатні суттєво модулювати як інтенсивність, так і часові характеристики Са2 -сигналів у цитозолі і депо. Зазначений вплив мікрогеометрії субклітинного елементу і депо на інтенсивність цитозольних Са2 -сигналів різного походження і часового перебігу кількісно визначається головним чином відношенням площі мембранної поверхні до вільного від депо обєму цього елементу.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертаційній роботі, відповідно до її мети та завдань, зясовані біофізичні закономірності динаміки Са2 у нейронах та субклітинних елементах у залежності від мікрогеометричних співвідношень між частинами внутрішньоклітинного простору, які обмінюються Са2 , а саме між органельними депо (ЕР, мітохондрії) та цитозолем, ендогенними неорганельними буферами і Са2 -чутливими барвниками. Знайдені закономірності видаються важливими для розуміння як загальних біофізичних механізмів регулювання клітинного Са2 у нормі, так і особливостей функціонування цих механізмів в умовах структурних змін на субклітинному рівні, що мають місце при різних видах патології.

1.Розроблений і всебічно протестований оригінальний інструмент компютерного моделювання динаміки внутрішньоклітинного кальцію за участю різних органельних депо, ендогенних та екзогенних буферів, що відрізняються кінетиками звязування, у дендритах нейронів з різними наборами іонних каналів і насосів плазматичної мембрани.

2.Відносне наповнення внутрішньоклітинного обєму субклітинних елементів (таких, як ділянки тонких дендритів, дендритні шипики) органельними депо та розмір останніх є структурними мікрогеометричними факторами, котрі здатні суттєво модулювати як інтенсивність, так і часові характеристики Са2 -сигналів у цитозолі і депо. Ця структурозалежність може адекватно відображуватися Са2 -чутливими барвниками.

3. Зазначений вплив мікрогеометрії субклітинного елементу і депо на інтенсивність цитозольних Са2 -сигналів різного походження і часового перебігу кількісно визначається головним чином відношенням площі мембранної поверхні до вільного від депо обєму цього елементу. Це відношення є свого роду геометричним “коефіцієнтом модуляції” інтенсивності Са2 -сигналів у цитозолі. Інтенсивність Са2 -сигналів у депо також суттєво модулюється структурними факторами і кількісно визначається головним чином площею мембранної поверхні депо, через яку здійснюється обмін Са2 з цитозолем.

4. При будь-якому наповненні внутрішньоклітинного простору мітохондріями або ЕР їх кінетичні характеристики депонування Са2 обумовлені головним чином швидкостями реакцій звязування з транспортними молекулами мембрани, а, отже, визначаються біохімічними властивостями і поверхневою щільністю цих молекул. При цьому насичення транспортної системи обмежує швидкість депонування при певних рівнях цитозольної концентрації Са2 .

5. Наявність швидкого неорганельного буфера і/або барвника з подібними кінетичними властивостями уповільнювало фазу зростання і зменшувало інтенсивність раннього компоненту, а також збільшувало інтенсивність пізнього компоненту цитозольного транзієнту, що відповідно позначалося на транзієнтах у депо, особливо ЕР. Динаміка звязування Са2 повільним ендогенним буфером подібна до динаміки депонування даного іону ЕР.

6. У нейронах з активними (нелінійними) електричними властивостями дендритної мембрани, поряд з прямим впливом локальної мікрогеометрії дендритних ділянок і депо, органельне депонування Са2 і неорганельна буферизація зазнають також опосередкованого, але суттєвого впливу з боку макрогеометрії (особливо метричної асиметрії дендритного розгалуження в цілому).

7. Зазначений вплив асиметрії галуження особливо виражений під час генерації просторово неоднорідних дендритних патернів власної електричної активності, які супроводжують генерацію складних аперіодичних пачкових потенціалів дії на виході нейрону, оскільки саме асиметрія спричиняє асинхронні переходи між станами високої і низької деполяризації мембрани, а, отже, різну тривалість станів високої деполяризації і надходження Са2 у асиметричних гілках.

Статті: 1. Корогод С. М. Влияние геометрических характеристик органельного депо и безорганельного цитозоля на динамику уровней внутриклеточного кальция в дендрите: модельное исследование /С. М. Корогод, Т. С. Новородовская // Нейрофизиология. - 2009. - Т. 41, № 1. - С. 19-31. (особисто здобувачем у програмному середовищі NEURON розроблені моделі механізмів кальцієвої динаміки з участю ЕР як органельного депо у дендритних ділянках нейрону Пуркіньє мозочка, здійснені усі модельні дослідження та обробка отриманих результатів).

2. Новородовская Т. С. Сравнительный модельный анализ кальциевого обмена между цитозолем и депо митохондрий или эндоплазматического ретикулума /Т. С. Новородовская, С. М. Корогод // Нейрофизиология. - 2009. Т. 41, № 5. - C. 367-380. (особисто здобувачем розроблені моделі механізмів кальцієвої динаміки з участю мітохондрій як органельних депо у дендритних ділянках нейронів Пуркіньє, здійснені усі модельні дослідження та обробка отриманих результатів).

3. Новородовская Т. С. Модельное исследование особенностей кальциевой динамики, обусловленных обменом между цитозолем и органельными депо / Нейрофизиология. - 2009. - Т. 41, № 5. - С. 450-459.

4. Новородовская Т. С. Структурозависимая Са2 динамика в содержащих депо дендритах нейрона Пуркинье при генерации пачечных разрядов. Модельное исследование / Т. С. Новородовская, И. Б. Кулагина // Нейрофизиология. - 2010. - Т. 42, № 1. - C. 67-81. (особисто здобувачем розроблені і досліджені моделі механізмів кальцієвої динаміки з органельними депо у ділянках реконструйованих складних дендритних розгалуженнях нейронів Пуркіньє з використанням динамічної фіксації потенціалів, зареєстрованих під час власної пачкової активності).

Тези доповідей: 1. Новородовська Т. С. Модельні дослідження кальцієвої динаміки у синаптичних бутонах в залежності від розміру мітохондрій, граючих роль кальцієвих депо / Т. С. Новородовська, С. М. Корогод // Сучасні питання фізіології та медицини: всеукр. наук. конф., 26-29 вересня 2007 р.: матеріали конф. - Дніпропетр., 2007. - С. 73.

2. Novorodovska T. S. Simulation studies of calcium signals in synaptic boutons with different types of organellar stores / T. S. Novorodovska, S. M. Korogod // 6th FENS forum, 12-16 July 2008: abstacts, vol.4. - Geneva (Switzerland), 2008. - abstract № 114.19.

3. Novorodovska T. S. Comparative simulation study of calcium dynamics in synapses with different ogranellar stores / Problems of experimental, clinical and theoretical neurosciences: internat. neuroscience school, 2-4 May 2008. - Dnipropetrovsk, 2008.

4. Novorodovska T. S. Comparative analysis of calcium dynamics in synapses with endoplasmic reticulum or mitochondria as the stores / T. S. Novorodovska, S. M. Korogod // T-type calcium channels: from discovery to channelopathies, 25 Years of Research: advanced workshop, 5-7 June 2008: program and abstract book. - Kyiv, 2008. - P. 39.

5. Novorodovska T. S. Comparative analysis of calcium exchange between cytosole and endoplasmic reticulum or mitochondria as the stores / T. S. Novorodovska, S. M. Korogod // Molecular mechanisms of intracellular calcium signalling: internat. Conference, 11-13 October 2009: program and abstract book. - Kiev, 2009. - P. 29-30.

6. Novorodovska T. S. Impact of organellar store and organelle-free cytosole volumes on intracellular calcium dynamics: A simulation study / T. S. Novorodovska, S. M. Korogod //Society for Neurosciences 39th annual meeting, 17-21 October 2009: abstracts. - Chicago (USA), 2009. - abstract № 619.13.

7. Novorodovska T. S. Structure-dependent Са2 dynamics in the store-containing active dendrites of simulated Purkinje neuron during generation of complex bursting patterns / T. S. Novorodovska, I. B. Kulagina, S. M. Korogod // 7th FENS forum 3-7 July 2010: abstracts, vol.5. - Amsterdam (The Nietherlands), 2010. - abstract № 141.5.

8. Novorodovska T. S. Structure-dependent Ca2 dynamics in the active dendrites of simulated Purkinje neuron containing endoplasmic reticulum as Ca2 store / T. S. Novorodovska // Cellular neuropathology- in vitro models: COST B30 training school, 3-7 June 2010: program and abstract book. - Kiev, 2010. - P. 39.