1.     Основное направление исследований

Исследование молекулярно-генетических механизмов взаимодействия стресс-связанных гормонов и инсулиноподобных факторов роста насекомых и их роли в адаптации к неблагоприятным условиям, с использованием Drosophila melanogaster в качестве модельного объекта.

Задачи, решаемые в рамках основного направления на данном этапе:

1. Изучение взаимодействия компонентов инсулинового сигнального пути со стресс-связанными гормонами (20-гидроксиэкдизоном, ювенильным гормоном и дофамином). Исследование метаболизма данных гормонов у линий D. melanogaster с мутациями в генах инсулинового сигнального пути или с нокаутом этих генов. Анализ экспрессии генов инсулинового пути в тканях, метаболизирующих гормоны стресса дрозофилы. Изучение влияния экзогенного инсулина либо подавления экспрессии его рецептора на метаболизм ювенильного гормона и дофамина.
2. Исследование роли инсулинового сигнального пути в контроле адаптации и приспособленности насекомых. Изучение влияния экзогенного инсулина и мутаций либо нокаута генов инсулинового пути на устойчивость самок и самцов D. melanogaster к различным видам стресса. Анализ полового диморфизма по этому признаку.
3. Исследование роли дофаминового и инсулинового сигнальных путей в регуляции функционирования нефроцитов насекомых. Изучение экспрессии инсулиновых рецепторов в нефроцитах дрозофилы и влияния ее снижения на устойчивость к токсическому стрессу.

2.     Аннотация базового бюджетного проекта подразделения

Бюджетный проект VI.53.2.3. «Исследование генетико-физиологических и молекулярных механизмов нейроэндокринной регуляции висцеральных функций и поведения, обеспечивающих гомеостаз» (координатор проекта: академик РАН Л. Н. Иванова). В рамках проекта запланирована проверка гипотезы о том, что гены инсулинового сигнального пути могут контролировать развитие нейроэндокринной стресс-реакции насекомых и половой диморфизм по устойчивости к действию стрессоров.

Лаборатория генетики стресса отвечает за блок 2 бюджетного проекта: «Молекулярно-генетический механизм взаимодействия генов инсулинового и дофаминового сигнальных путей в развитии нейроэндокринной стресс-реакции и контроле полового диморфизма по стрессоустойчивости (модель Drosophila)» (отв. исполнитель - д.б.н. Н.Е. Грунтенко).

3.     Прикладные разработки

В перспективе возможно использование D. melanogaster с нарушениями в уровне продукции инсулиноподобных белков в качестве модели для изучения диабета первого типа, а с нарушением экспрессии инсулинового рецептора – в качестве модели для изучения диабета второго типа.

4.     Иллюстрированное описание лучших результатов, полученных подразделением за последние 5 лет

Исследован механизм онтогенетических изменений в характере регуляции уровня дофамина ювенильным гормоном и 20-гидроксиэкдизоном у самок дрозофилы. 

Известно, что дофамин опосредует ряд нейральных и эндокринных функций как у позвоночных, так и у беспозвоночных. Дофаминовые сигнальные пути участвуют в регуляции агрессии, гормонального контроля сексуального поведения, контроля моторной и репродуктивной функций, устойчивости к действию стрессоров (Neckameyer, Leal, 2002. In: Hormones Brain and Behavior, 141-165). Мы показали, что у имаго дрозофилы дофамин находится в сложных, изменяющихся с возрастом, отношениях взаиморегуляции с гонадотропинами, ювенильным гормоном (ЮГ) и 20-гидроксиэкдизоном (20Э) (Gruntenko, Rauschenbach, 2008. J Insect Physiol. 56:902–908). Мы обнаружили, что стадия-специфичность воздействия ЮГ и 20Э на уровень дофамина у самок дрозофилы обусловлена различной направленностью воздействия этих гормонов у молодых и половозрелых самок на активность щелочной фосфатазы (ALP) – фермента, определяющего пул предшественника дофамина (тирозина), тирозингидроксилазы (TH) - скоростьлимитирующего фермента синтеза дофамина, и дофамин-зависимой N-ацетилтрансферазы (ДА-dependent AANAТ) – основного фермента деградации дофамина (Рис. 1).

Обнаружено, что ингибирующее влияние дофамина на синтез и деградацию ювенильного гормона опосредуется Д2-подобными, а активирующее Д1-подобными рецепторами.

Известно, что физиологические функции дофамина опосредуют два семейства G-протеин-сопряженных рецепторов: Д1-подобные (активирующие) и Д2-подобные (ингибирующие). Эти рецепторы высоко консервативны у млекопитающих, человека в частности, и дрозофилы, в силу чего последняя является удобной моделью для исследования молекулярно-генетического механизма взаимодействия стресс-связанных гормонов (Vallone et al., 2000. Neurosci Biobehav R. 24:125–132). Необходимо подчеркнуть, что хотя интерес к структуре и функционированию дофаминовых рецепторов в мире очень велик, исследование опосредованной ими регуляции метаболизма гонадотропных гормонов в контроле приспособленности осуществлено нами впервые. Мы провели иммуногистохимический анализ экспрессии Д1- и Д2-подобных рецепторов в тканях, ответственных за продукцию ЮГ и ферментов его деградации, у молодых и половозрелых самок дрозофилы (рис. 2), и показали, что переключение направленности действия дофамина на метаболизм ЮГ связано с происходящим с возрастом изменением уровня экспрессии Д1- иД2-подобных рецепторов в этих тканях (железе corpus allatum, синтезирующей ЮГ, и жировом теле, синтезирующем ферменты его деградации).

Рисунок 2. Экспрессия Д1- (DopR) и Д2-подобных (DD2R) рецепторов (зеленый сигнал, иммуногистохимическое окрашивание) в клетках corpus allatum (красный сигнал) и жирового тела (fat body) у молодых [а] и половозрелых [b] самок D. melanogaster (Gruntenko et al., J Insect Physiol. 2012. 58:1534-1540).

Продемонстрировано участие инсулинового сигнального пути в регуляции метаболизма стресс-связанных гормонов, дофамина и ювенильного гормона, у самок дрозофилы в нормальных условиях и при тепловом стрессе.

Инсулиновый сигнальный путь, существующий у всех многоклеточных организмов, участвует в регуляции различных функций, включая рост, развитие, размножение, метаболический гомеостаз, продолжительность жизни и устойчивость к стрессу. Этот путь консервативен от дрозофилы до человека, что позволяет использовать D. melanogaster в качестве удобного модельного объекта для его изучения (Tatar et al. 2003. Science. 299:1346–1351; Broughton et al. 2005. PNAS. 102:3105-3110). Мы впервые продемонстрировали, что подавление экспрессии гена инсулинового рецептора InR у самок D. melanogaster и обработка инсулином приводят к изменениям в метаболизме ЮГ и дофамина в нормальных условиях, а также влияют на интенсивность стресс-реакции (рис. 3).

Рисунок 3. Влияние инъекции инсулина на стресс-реактивность ЮГ (процент падения уровня деградации ЮГ при стрессе по отношению к его уровню в нормальных условиях) у самок D. melanogaster. ФСБ – инъекция фосфатно-солевого буфера.

Показано, что половой диморфизм дрозофилы по стрессоустойчивости исчезает при подавлении экспрессии гена инсулиноподобного рецептора (InR) в corpus allatum – железе, синтезирующей ювенильный гормон.

Ранее мы обнаружили, что у Drosophila существует половой диморфизм по устойчивости к действию стрессоров: выживаемость самок при тепловом стрессе (38°C) или при голодании существенно превышает выживаемость самцов (Gruntenko et al., Insect Mol. Biol. 2003. 12:353–363; Gruntenko et al., Arch. Insect Biochem. Physiol. 2004. 55:55–67). Как оказалось, у имаго дрозофилы инсулин повышает устойчивость самок, но не самцов, к тепловому стрессу (Рис. 4А). Мы показали, что инсулиновый сигнальный путь регулирует половой диморфизм дрозофилы по устойчивости к стрессу, и эта регуляция опосредуется ЮГ, поскольку нокдаун гена InR специфически в corpus allatum (Рис. 4В) аннулирует половой диморфизм, а при повсеместном подавлении его экспрессии этого не происходит (Рис. 4Б).

Рисунок 4. Влияние теплового стресса на выживаемость самок и самцов линии дикого типа D. melanogaster, инъецированных инсулином (А), при повсеместном подавлении экспрессии инсулинового рецептора (Б) и при ее подавлении в corpus allatum (В).

5.     Задачи, планируемые на перспективу

• Комплексное исследование роли эндосимбионта Wolbachia в приспособленности организма-хозяина (D. melanogaster): оценка влияния инфицирования вольбахией на устойчивость к стрессам и развитие нейрогормональной стресс-реакции; изучение влияния изменений гормонального фона хозяина на пролиферацию Wolbachia.
• Разработка модели для изучения диабета второго типа с использованием нокаута гена инсулиноподорбного рецептора у D. melanogaster (прикладное направление).

Бывшие сотрудники