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

Публикации

2010	Dopamine down-regulates activity of alkaline phosphatase in Drosophila: the role of D2-Like receptors Bogomolova E.V., Rauschenbach I.Yu., Adonyeva N.V., Alekseev A.A., Faddeeva N.V., Gruntenko N.E. J INSECT PHYSIOL, 2010, V.56. P. 1155-1159
	Altered juvenile hormone metabolism, reproduction and stress response in Drosophila adults with genetic ablation of the corpus allatum cells Gruntenko N.Е.,Wen D., Karpova E.K., Adonyeva N.V., Liu Y., He Q., Faddeeva N.V., Fomin A.S., Li S., Rauschenbach I.Yu. INSECT BIOCHEM MOLEC, 2010, V.40, P.891-897
2009	Effect of Gonadotropin on Dopamine Metabolism in Adult Drosophila Females Bogomolova E.V., Adonyeva N.V., Alekseev A.A., Gruntenko N.E., Rauschenbach I.Yu. Doklady Biochemistry and Biophysics, 2009, Т.427, С.179-181
	Effects of 20-hydroxyecdysone and juvenile hormone on octopamine metabolism in females of Drosophila Bogomolova E.V., Adonyeva N.V., Gruntenko N.Е. , Rauschenbach I.Yu. ARCH INSECT BIOCHEM, 2009, №4, V.70, P.244-253
	20-hydroxyecdysone and juvenile hormone influence tyrosine hydroxylase activity in Drosophila females under normal and heat stress conditions Gruntenko N.Е., Karpova E.K., Chentsova N.A., Adonyeva N.V., Rauschenbach I.Yu ARCH INSECT BIOCHEM, 2009, №4, Т.72, P.263-272.
2008	Влияние мутации apterous56f на активность N-ацетилтрансферазы и щелочной фосфатазы у самок D. melanogaster. Богомолова Е.В.,. Адоньева Н.В, Грунтенко Н.Е., Раушенбах И.Ю. RUSS J GENET+, 2008, Т.44. С. 710-712.
	Gonadotropins Affect Tyrosine Decarboxylase Activity in Drosophila virilis E. V. Bogomolova, N. V. Adon’eva, N. E. Gruntenko, and I. Yu. Raushenbakh Doklady Biochemistry and Biophysics, 2008, №1, V.421, P.165-167
	Gonadotropins Regulate Tyrosine Hydroxylase Activity in Drosophila virilis E. K. Karpova, N. A. Chentsova, N. V. Adonyeva, A. A. Alekseev, L. V. Shumnaya, N. E. Gruntenko, and I. Yu. Rauschenbach Doklady Biochemistry and Biophysics, 2008, №1, V.423, P.325-327
	Interplay of juvenile hormone, 20-hydroxyecdisone and biogenic amines under normal and stress conditions and its effect on reproduction Gruntenko N.E., Rauschenbach I.Yu. J INSECT PHYSIOL, 2008, #6, V.54, P.902-908
	Physiological and Biochemical Distinctions between Solitary and Gregarious Caterpillars of the Meadow Moth Loxostege sticticalis L. (Lepidoptera: Pyralidae) A. A. Alekseev, V. V. Serebrov, O. N. Gerber, I. M. Dubovskii, V. V. Glupov, M. A. Ushakova, and I. Yu. Rauschenbach Doklady Biological Sciences, 2008, #2, V.422, P.316-317
2007	Dopamine and octopamine regulate 20-hydroxyecdysone level in vivo in Drosophila Rauschenbach I.Yu., Chentsova N.A., Alekseev A.A., Gruntenko N.Е., Adonyeva N.V., Karpova E.K., Komarova T.N., Vasiliev V.G., Bownes M. ARCH INSECT BIOCHEM, 2007, V.65, №2, P.95-102
	Ecdysone 20-Monooxygenase Activity in Drosophila virilis Strains Varying in Ecdysteroid Response to Heat Stress N. A. Chentsova, N. E. Gruntenko, and I. Yu. Rauschenbach RUSS J GENET+, 2007, #7, V.43, P.829-830
	Effect of Biogenic Amines on Juvenile Hormone Metabolism in Male Drosophila under Normal Conditions and during Heat Stress I. Yu. Rauschenbach, E. K. Karpova, N. E. Gruntenko, L. V. Shumnaya, N. V. Faddeeva Doklady Biological Sciences, 2007, #1, V.413, P.118-120
	Effect of Octopamine on Ecdysone-20 Monooxygenase Activity in Drosophila N. A. Chentsova, A. A. Alekseev, N. E. Gruntenko, and I. Yu. Raushenbakh Doklady Biochemistry and Biophysics, 2007, #4, V.415, P.559-561
	Effects of Juvenile hormone and 20-hydroxyecdysone on alkaline phosphatase activity in Drosophila under normal and heat stress conditions Rauschenbach I.Yu., Bogomolova E.V., Gruntenko N.E., Adonyeva N.V., Chentsova N.A. J INSECT PHYSIOL, 2007, #6, V.53, P.587-591
	Effects of octopamine on juvenile hormone metabolism, dopamine and 20-hydroxyecdysone contents and reproduction in Drosophila Gruntenko N.E., Karpova E.K., Alekseev A.A., Chentsova N.A., Bogomolova E.V, Bownes M., Rauschenbach I.Yu. ARCH INSECT BIOCHEM, 2007, #2, V.65, P.85-94
	Нарушение баланса гонадотропинов снижает приспособленность Drosophila Раушенбах И.Ю., Грунтенко Н.Е., Адоньева Н.В., Шумная Л.В., Фаддеева Н.В. Doklady Akademii Nauk, 2007, Т.415. №1. С. 139-141.
	Ювенильный гормон и 20-гидроксиэкдизон регулируют активность N-ацетилтрансферазы у Drosophila virilis. Адоньева Н.В.,Алексеев А.А., Грунтенко Н.Е.,Раушенбах И.Ю. Doklady Akademii Nauk, 2007, Т. 416. №2. С. 261-263.
	Biogenic Amines Regulate the Reproductive Function in Drosophila as Neurohormones I. Yu. Rauschenbach, E. K. Karpova, N. E. Gruntenko, Z. V. Saprykina, L. V. Shumnaya, and N. V. Faddeeva RUSS J DEV BIOL+, 2007, #1, V.38, P.42-47
	Changes in Juvenile Hormone Hydrolysis Rate and Dopamine Level in the Hemolymph of Galleria mellonella L. (Lepidoptera, Pyralidae) during Mycosis A. A. Alekseev, V. V. Serebrov, O. N. Gerber, M. A. Ushakova, T. N. Komarova, N. A. Chentsova, and I. Yu. Raushenbakh Doklady Biological Sciences, 2007, #5, V.412, P.58-60
2006	Rats with inherited stress-induced arterial hypertension (ISIAH strain) display specific quantitative trait loci for blood pressure and for body and kidney weight on chromosome 1 OE Redina, NA Machanova, VM Efimov and AL Markel CLIN EXP PHARMACOL P, 2006, V. 33. P. 456–464.