Слайд 4Метаболизм алкоголя зависит от уровня активности ферментов
Этанол
Ацетальдегид
Ацетат
ADH
ALDH
Алкогольдегидрогеназа
печени
Ацетальдегиддегидрогеназа
Слайд 5Возможные нейробиологические основы чувствительности к алкоголю
LS (long sleep) мыши имеют
повышенную чувствительность к широкому спектру гипнотических веществ, включая
бензодиазепины
барбитураты
ГАМК (гамма-аминомасляная кислота)
– тормозный медиатор ЦНС
Существуют три рецептора ГАМК
Рецепторы типа А представляют основной интерес
(Существуют линии долгоспящих и короткоспящих мышей – LS, SS)
Слайд 7QTL (ЛКП) анализ
Анализ сцепления у экспериментальных животных. Получение рекомбинантных инбредных
линий в ряду поколений с уникальными комбинациями аллелей, которых не
было у исходных форм
Например линия BxD RI получена от скрещивания C57BL x DBA
ЛКП (QTL) – локусы количественных признаков
Слайд 8Что дает анализ QTL
Определяется регион, в котором необходимо искать конкретные
гены
1 cM (~ 10-12 генов) вероятный предел разрешения
Исследования экспрессии генов
могут сократить этот предел до 5-6 генов
Секвенирование ДНК еще более сокращает участок поиска
Найденный регион сопоставляется с ДНК человека
Слайд 9Преимущества генома мыши
Геном мыши (Nature, декабрь, 2002):
2.5Gb
~27000 – 30500 генов
Сопоставление
с геномом человека:
~99% генов мыши имеют аналоги у человека
~96% генов
человека имеют аналоги у мыши
Сохранны некоторые некодирующие регионы
Синтения (размещение на одной хромосоме)
Слайд 10Mouse Genome Sequencing Consortuim (2002). Initial Sequencing
and comparative analysis
of the mouse genome. Nature, 420: 520-562.
Человек
Мышь
Слайд 11QTL для степени тяжести абстиненции (после резкого прекращения приема алкоголя)
Синтения
– сходство групп сцепления генов у разных видов
Слайд 12Mayfield et al. (2002). Patterns of gene expression are altered
in the
frontal and mortor cortices of human alcoholics. J Neurochem,
81: 802-813.
Изучение экспрессии генов в отдельных областях мозга алкоголиков
(post mortem)
Слайд 13Повышенная экспрессия гена DRD2 (ген одного из белков-рецепторов дофамина)
уменьшает пристрастие
к алкоголю
Низкий уровень DRD2 связан с алкоголизмом
У алкоголиков снижен уровень
DRD2
Селектированные на алкоголизм линии крыс имеют низкий уровень DRD2
Thanos et al. (2001) экспериментально увеличивали экспрессию DRD2 в мозге крыс
В результате произошла резкая редукция тяги к алкоголю
(Thanos et al. (2001), J of Neurochem, 78: 1094-1103)
Слайд 14Обратный подход – от гена к признаку
Трансгенные животные:
Животные-нокауты (null
mutant):
Слайд 15Трансгенные
В оплодотворенную яйцеклетку мыши внедряется ген человека.
Полученные в результате детеныши
тестируются на наличие внедренного гена.
Это и есть трансгенные животные
Слайд 16Ноль-мутанты (животные-нокауты)
Направленная инактивация определенного гена (убитый ген)
Обусловленный нокаут (например, тканеспецифичный)
Слайд 17Предпочтение алкоголя у животных с разными генотипами обусловлено условиями воспитания
(материнское воспитание уменьшает риск алкоголизма)
Barr et al. (2004). Archives of
General Psychiatry, 61: 1146-1152
Генотип-средовое взаимодействие
Слайд 18ГЕНОТИП И СРЕДА В ИНДИВИДУАЛЬНОМ РАЗВИТИИ
Слайд 19Среда
Развитие
Гены
Поведение
Наше поведение зависит от множества факторов
Слайд 20Сложный путь лежит от генов к поведению
Более перспективным является изучение
влияния генов на мозг
Слайд 21Число генов, включенных в детерминацию
того или иного типа поведения,
неизвестно
среда
среда
или
ген 1
ген6
ген1
ген 100
?
Слайд 22 Психогенетика на основании коррелирующего поведения у родственников делает
выводы о наследуемости изучаемого признака (имеется в виду h2).
При высокой наследуемости по родительской популяции может быть предсказано распределение (ранговые места) в популяции потомков.
Предсказать абсолютные значения признака нельзя!!
Слайд 23По показателю h2 нельзя ничего сказать о наследственных и средовых
причинах формирования конкретного фенотипа в онтогенезе.
Можно разделить источники вариативности в
популяции на генетические и средовые, но нельзя разделить генетические и средовые факторы индивидуального развития. Даже при 100%-ной наследуемости возможно влияние среды на формирование признака в индивидуальном развитии.
Слайд 24 Индивидуальные фенотипы изменились при переходе в другую среду,
ранговые места остались.
Наследуемость высокая, но имеется возможность изменений в
индивидуальном развитии под влиянием среды.
сохраняются ранговые места
Слайд 25Как среда взаимодействует с генотипом в процессе развития?
Не путать взаимодействие
генотипа и среды в развитии (реальное) с GE взаимодействием (статистическим)
в дисперсионном анализе.
Слайд 27Путь от гена к признаку
Среда регулирует экспрессию генов
Слайд 28Регуляция определяет:
будет ли ген экспрессирован
когда будет экспрессирован
где (в какой ткани)
в
какой степени (интенсивность)
какой белок будет синтезирован
как он будет модифицирован
где
будет локализован.
Большинство регуляторов – это факторы транскрипции.
Слайд 29Между генотипом и фенотипом клетки однозначного соответствия нет.
Слайд 30Способы регуляции
экспрессии генов
Через форму хромосомы. Примером может служить инактивация
X-хромосомы (тельца Барра в клетках женских особей). Гены такой Х-хромосомы
не транскрибируются.
Слайд 31Способы регуляции
экспрессии генов
Через изменения в хроматине.
90% ДНК обернуто
вокруг гистонных (белковых) комплексов - нуклеосом. ДНК нуклеосом не транскрибируется.
Слайд 32 Мозг среди всех органов тела занимает первое место
по числу активных генов, но транскрипция их не интенсивна. Белки
разнообразны, но количество их мало.
В клетках мозга экспрессирует приблизительно каждый второй ген (примерно 50%).
В других органах и тканях активны 7 – 10% генов.
Слайд 33
Количество структурных (кодирующих белки) генов человека приблизительно
равно 25 – 30 тыс., половина их обеспечивает функции нервной
системы.
Слайд 34 Из всех видов тканей наибольшее разнообразие клеток и клеточных
продуктов – в нервной системе.
Как это обеспечивается?
Возможны 2 пути:
1) каждая клетка экспрессирует лишь небольшую часть генома
2) один и тот же набор генов используется по-разному (альтернативный сплайсинг).
Очевидно, используются оба механизма.
Слайд 35Способы регуляции
экспрессии генов
Через активность гормонов и регуляторных генов.
messenger –
переносчик, посредник
Слайд 36 3) Гормональная регуляция
Стероидные гормоны (эстроген, тестостерон
и др.) – жирорастворимы и могут свободно проникать через мембраны
клетки и ядра. Чтобы гормон оказывал свое действие, в клетке должен иметься соответствующий рецептор.
Гормон + рецептор = регулирующий
комплекс.
Слайд 37Рецепторы имеются не во всех клетках, а только в клетках-мишенях.
Известны мутации, затрагивающие структурные гены рецепторов. Клетки становятся невосприимчивыми к
гормону. Примером может служить синдром Морриса (тестикулярная феминизация – женщины с кариотипом XY).
Слайд 38 4) Регуляторные гены.
Примером могут служить ранние
гены (РГ) – относительно недавно открытый класс генов-регуляторов (immediate early
genes – гены быстрого реагирования).
РГ активируются в течение нескольких минут после воздействия на клетки факторов роста и др. агентов.
Слайд 39 РГ кодируют ядерные белки, являющиеся факторами
транскрипции, и регулируют активность других генов.
РГ способны
реагировать на нейротрансмиттеры и другие экстраклеточные сигналы.
РГ и их продукты могут быть посредниками в координации между онтогенетическими событиями в нервной системе и во внешней среде.
Ранний опыт влияет на экспрессию РГ в коре головного мозга.
Слайд 40 Активнось РГ выше на более ранних этапах развития.
Активность РГ может играть важную роль в процессах обучения
и консолидации памяти (переход из кратковременной в долговременную).
При помещении животных в новую среду или обучении активность РГ резко возрастает (max наступает через 15 – 30 мин. после начала воздействия, через 60 – 90 мин. активность падает). Если активность РГ заблокировать, можно вызвать амнезию (потерю навыков).
Слайд 415) Регуляторная активность G-белков.
Слайд 42Эпигенетические механизмы. Метиляция
Метиляция ДНК – один из широко распространенных механизмов
регуляции экспрессии генов
Метиляция – это добавление метильной группы к цитозину
Слайд 43Robert M Sapolsky (2004). Mothering style and methylation. Nature Neuroscience
7, 791-792
Крысы, уделяющие много внимания своему потомству, способствуют метиляции
ДНК и вызывают другие устойчивые изменения в экспрессии генов в клетках гипоталамуса и гиппокампа, что приводит к различиям в реакциях на стресс и влияет на обучаемость потомства
Слайд 44Наследственность и морфогенез нервной системы
Слайд 45 Поведение зависит от структурной и функциональной организации нервной системы,
которая складывается в раннем онтогенезе.
Что влияет на этот процесс?
Какова роль генов?
Слайд 46 Для ЦНС характерна наиболее высокая степень дифференциации (сложнейшие
связи, специфические клеточные популяции с особым строением и функциями).
Но гены везде одни и те же.
Слайд 47 Количество ДНК в клетках:
Мышь = шимпанзе = человек
= 6 x 10-6 мкг.
Количество клеток мозга:
мышь
– 5-6 млн (106)
человек – десятки млрд (109).
Количество генов:
мышь = человек – 25-30 тыс.
Слайд 48 Следовательно, эволюционное усложнение мозга не сопровождается увеличением числа
генов.
Число генов – (104)
Число клеток – (109)
Число связей и синапсов ещё больше.
Разнообразие структурных элементов НС не сопоставимо с числом генов.
Слайд 49 Растущая НС взаимодействует с остальными органами и тканями
(реципрокные взаимодействия). В результате возникает соответствие между структурой и функцией.
В основе этого лежат динамические процессы, идущие при участии внутренних и внешних по отношению к нейрону событий.
Слайд 50 Развитие отдельной клетки
включает:
рождение
миграцию
дифференциацию
образование связей
возможную гибель (апоптоз).
Слайд 51 Рождение происходит в результате многочисленных митозов.
На
4-6 неделе развития они наиболее интенсивны (до 250 000 клеток
в минуту).
На 16-20 неделе после оплодотворения деление нервных клеток прекращается.
Конечное число нейронов определяется процессами естественной гибели.
Слайд 52 Сверхпроизведенные нейроны, не нашедшие своего места в функциональной
системе, погибают.
Гибель регулируется локальными условиями и происходит после
формирования синапсов. Между рождением и гибелью имеют место:
миграция
дифференциация
установление связей.
Слайд 54 Миграция – обязательный этап нейронального развития. Как клетки
находят место локализации?
Один из возможных механизмов –
движение по градиентам адгезивности (вязкости). Одна из «дорог» - клетки радиальной глии.
Принципы умножения, миграции и размещения клеток в слоях являются общими для всей коры головного мозга. Предполагают, что за этот процесс отвечает небольшое число генов.
Слайд 55Миграция вдоль радиальной глии
Клетки радиальной глии формируют
своего рода строительные
леса , идущие
от края зоны пролиферации (деления
клеток) до
наружной границы мозга.
После рождения новый нейрон:
располагается вблизи радиальной
глиальной клетки
прилипает к ней и движется вдоль нее
«распознает» конечный пункт назначения и отсоединяется от глиальной клетки
Нейроны, родившиеся раньше, занимают более глубокие слои коры по сравнению с позднее родившимися
Слайд 56Принцип пространственно-временной организации коры «изнутри-наружу»
Обеспечивает послойную организацию коры
Слайд 58Дифференциация — формирование клеточного разнообразия. Гены во всех клетках одинаковые,
но клетки различаются формой, размером, характером отростков, биохимическими субстанциями. Причины,
приводящие к дифференцировке, до конца не ясны.
Слайд 59 Вероятно, имеют место:
Дифференциальная активация и подавление действия генов на
разных этапах развития.
Процессы взаимодействия клетки с ее окружением, которые оказывают
решающее воздействие на окончательное формирование нейрона. Вещества, продуцируемые тканями, иннервируемыми данным нейроном, способны изменять его специфичность (роль клеточной среды).
Слайд 61Выживание и гибель. Решающим является воздействие трофических факторов (продукты других
клеток, способные поддерживать рост, функционирование и выживание данной клетки). Выживает
30-40 % клеток, образовавшихся в результате митозов.
Слайд 62 Предполагается, что гибнут те клетки, которые не выдержали
конкуренции за обладание ограниченным ресурсом трофических факторов. Наиболее изучен фактор
роста нервов (ФРН). Инъекция ФРН в развивающийся эмбрион увеличивает выживаемость нейронов в период естественной гибели.
Слайд 63Образование связей.
Главные пути связей закладываются в коре головного мозга
еще до рождения.
Рост аксонов и дендритов:
Конус роста движется к клеткам-мишеням
со скоростью 15-20 мк/час.
Конус роста реагирует на сигналы экстраклеточной среды (ФРН, адгезивные белки).
Слайд 64Естественная гибель нейронов спинного мозга куриного эмбриона: за 5 дней
погибает 40% клеток
Слайд 65 Сначала ответвления обильны (создается избыточность), затем «лишние» отмирают
(например, потеря аксонов мозолистым телом).
При достижении клетки-мишени рост прекращается, конус
роста превращается в синапс.
Слайд 66 Поведение конуса роста детерминировано многими правилами — совершать
амебоидные движения, узнать свою мишень. Это обеспечивается малым числом генов.
Остальное зависит от случайностей развития, приводящих к высокой вариабельности в нервной системе.
Слайд 67Развивающийся мозг. Рост аксонов
Внизу две фотографии in vitro с интервалом
15 минут.
Хорошо заметно изменение формы конуса роста, произошедшее за этот
период
Слайд 68 Нейроны-близнецы в нервной системе водяной блохи дафнии отличаются по
количеству отростков и синапсов.
1-4 – генетически идентичные особи (клоны).
Слева и
справа – симметричные нейроны левой и правой половин тела
Слайд 69 Трофический фактор действует по-разному в зависимости от этапа
эмбриогенеза.
В эмбриональный период ФРН увеличивает количество отростков, идущих прямо от
тела нейрона. Позже увеличивается число ветвлений более высокого порядка. Чем более дифференцирована клетка, тем меньше изменений, соответствующих ранним этапам онтогенеза.
Слайд 70 Наиболее вариабельны ветвления более высокого порядка и шипики.
Кроме ФРН в качестве трофических факторов выступают гормоны. Ранний опыт
(среда ранних этапов развития) влияет на ветвление дендритов, аксонов и образование синапсов.
Слайд 71 НС создается преимущественно в период эмбриональной жизни из
клеток с одинаковым генетическим потенциалом.
Изменения в НС, отражают события,
происходящие в остальных частях организма и во внешней среде. Возникает адаптивное соответствие между НС и другими частями организма.
Слайд 72 Развитие является системным динамическим процессом, происходящим при участии
всех типов генов, в том числе регуляторных, среды и случайностей
развития. Говорят, что это процесс
эпигенетический
Слайд 73 Эпигенез — одна из теорий о зародышевом развитии организмов,
предполагающая, что развитие представляет собой процесс последовательного возникновения новообразований.
Слайд 74 В современной биологии и генетике развития под эпигенезом
подразумевают единый системный процесс развития, в котором происходит последовательное развёртывание
генетической информации при участии нейрогуморальных, гормональных и др. факторов
Слайд 75Роль эмбрионального и неонатального опыта в развитии поведения
Слайд 76 Движения плода регистрируются на ранних стадиях эмбриогенеза: сердцебиения
– 3-4 неделя, туловище и конечности – 10 неделя. Мать
ощущает первые движения лишь на 17 неделе. Сенсорная обратная связь от движений может модифицировать развитие НС.
Слайд 77 Например, при дыхательных движениях плода отрабатывается иннервация межрёберных
мышц. При глотании обеспечиваются сиюминутные нужды плода и идёт подготовка
к осуществлению пищевого поведения. У плода можно наблюдать сосание пальца, что готовит к акту сосания и преодолению дискомфортных состояний после рождения.
Слайд 78 Плод отвечает на химические, тактильные и слуховые стимулы
и может запоминать их. Протекание амниотической жидкости через вкусовые и
обонятельные рецепторы подготавливает к идентификации пищи. Все сенсорные системы, кроме зрительной, начинают функционировать до рождения.
Слайд 79 Примеры
1. Впрыскивание
пахучего вещества (цитраль) в полость матки крыс приводило к тому,
что после рождения крысята предпочитали получать молоко из материнских сосков, обработанных цитралью.
Слайд 80 2. Новорожденные дети, по-видимому, помнят внутриутробные слуховые сигналы.
Они легко узнают голос матери среди других, способны дифференцировать сложные
фонемы (звуки «т» и «д»). Компьютерное моделирование подтверждает это заключение.
Регистрация ЭЭГ у плодов показывает, что в ней присутствуют периоды сна и бодрствования, характерные для новорожденного.
Слайд 81 Наследуется ли асимметрия полушарий, или формируется в процессе
внутриутробного развития?
По гипотезе М. Annett, существует ген правого сдвига (ГПС),
который определяет правшество. Левшество при отсутствии ГПС определяется случайными причинами.
Слайд 82 У новорожденного есть признаки врождённой асимметрии в строении
мозга (височная пластинка – Planum temporale – имеет большие размеры
в левом полушарии) и в поведении (асимметрия позы – «поза фехтовальщика»).
Слайд 84 По гипотезе Previc, пренатальный вестибулярный опыт ребёнка, связанный
с асимметрией расположения плода в матке (спина чаще всего повёрнута
к левой стороне матери), приводит к асимметричной иннервации отолитических органов и, возможно, формирует асимметрию новорожденного.
