Лаборатория по изучению внеклеточного матрикса мозга

• Изучены закономерности вызванной разрушением матрикса активности нейрон-глиальных сетей первичной культуры гиппокампа.
• Выявлены молекулярные механизмы вызванной эпилептиформной активности на уровне ионных каналов и глутаматных рецепторов.
• Изучена роль молекул внеклеточного матрикса в регуляции синаптической пластичности. Выявлено, что разрушение гепаран-сульфатов приводит к уменьшению долговременной потенциации посредством механизма, зависящего от L-типа кальциевых каналов, а разрушение хондроитинсульфат-протеогликанов снижает соотношение NMDA/AMPA-токов в пирамидных нейронах СА1 гиппокампа при отсутствии изменения мембранной возбудимости.
• Проведен анализ синаптической и экстрасинаптической сигнализации после ферментативного разрушения компонентов внеклеточного матрикса у мышей дикого типа и бревикан-нокаутных мышей.
• Разработаны подходы и методы визуализации синаптической пластичности и ассоциированных изменений в матриксе.
• Выявлена тонкая структура внеклеточного матрикса, окружающего синапсы на дендритах нейронов.
• Проведено количественное моделирование синаптической динамики с применением математической модели четырехкомпонентного синапса.
• Предложена и исследована феноменологическая модель астроцитарной регуляции активности нейронной сети.
• Проведен анализ поведения, характерного для модели шизофрении, вызванной блокадой NMDA-рецепторов антагонистом МК801.
• Иммуноцитохимически выявлены нарушения структуры внеклеточного матрикса в амигдале головного мозга, коррелирующие с измененным поведением мышей, оцениваемым по поведенческим тестам эндофенотипа шизофреноподобного поведения.
• Проведен транскриптомный анализ ткани гиппокампа и клеток гиппокампа после разрушения матрикса, выявлено различие в количестве дифференциально экспрессирующихся генов in vivo и in vitro.
• Показано, что разрушение гиалуроновой кислоты вызывает активацию каскада воспалительных реакций, негативно сказывающихся на возбудимости нейронов и их сетевой активности in vivo.
• Выявлена заинтересованность генов синаптических контактов, митохондриального метаболизма и рибосомального аппарата после разрушения гиалуронового матрикса.

Внедрение результатов исследования:

• Создана серия вирусных векторов для визуализации синаптической пластичности и для исследования роли молекулы внеклеточного матрикса LGI1 в эпилептогенезе, что представляет коммерческий интерес в плане использования данной серии вирусных векторов для визуализации синаптической пластичности и для исследования роли молекул внеклеточного матрикса в различных научно-исследовательских лабораториях.

• Создана математическая модель четырехкомпонентного синапса для изучения синаптической динамики, позволяющая наиболее полно прогнозировать изменение активности мозга в норме и при патологии.

Образование и переподготовка кадров:

• Защиты: 1 докторская диссертация, 8 кандидатских диссертаций.

• Проведены программы подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре, а также исследовательская школа «Нейробиотехнологии» Института биологии и биомедицины Нижегородского государственного университета имени Н. И. Лобачевского.

Организационные и инфраструктурные преобразования:

• Создан Нейронаучный центр Нижегородского государственного университета имени Н. И. Лобачевского.

• Создан Центр трансляционных технологий Нижегородского университета имени Н. И. Лобачевского.

• Создан Центр генетических коллекций экспериментальных животных с SPF-виварием.

• Создана сетевая лаборатория молекулярно-клеточных технологий совместно с Приволжским исследовательским медицинским университетом.

Другие результаты:

• Изучение уровня экспрессии генов в длительно культивируемых на мультиэлектродных матрицах клетках мозга мышей in vitro и гиппокампе мышей in vivo через 2 часа после разрушения внеклеточного матрикса выявило отсутствие различия в уровне экспрессии генов субъединиц АМРА-рецепторов, обеспечивающих проницаемость для ионов кальция, отсутствие различий в пространственном распределении проницаемых и непроницаемых для кальция АМРА-рецепторов на мембране нейронов, снижение активности нейронов в культуре и мнестических функций мышей. Через 2-3 дня после введения гиалуронидазы методами иммуноблотинга обнаружено значительное увеличение синаптических GluA1-содержащих кальцийпроницаемых AMPA-рецепторов по отношению к GluA2-содержащим AMPA-рецепторам. Повышение содержания GluA1-содержащих кальцийпроницаемых AMPA-рецепторов в культуре и ткани гиппокампа сопровождалось развитием эпилептиформной активности нейронных сетей in vitro, улучшением обучаемости и памяти, наличием аудиогенных судорог у 50% мышей линии С57BL/6 in vivo. Изменения носили транзиторный характер и нормализовались при восстановлении внеклеточного матрикса мозга через 9-10 суток.

• Дополнительно, полногеномный транскриптомный анализ клеток культур гиппокампа через 2 часа после разрушения внеклеточного матрикса выявил 1494 генов, уровень экспрессии которых был подвержен наиболее выраженным изменениям (log fold change ≥2.0). Из них активация показана для 811 генов, а для 683 установлено снижение уровня мРНК.

• Идентифицированы функциональные группы генов, структурно и функционально связанные с 1) синаптической передачей; 2) функцией рибосом и биосинтезом белка; 3) процессами энергетического метаболизма, локализованными в митохондриях, изменение экспрессии которых вызваны разрушением внеклеточного матрикса мозга.

• Транскриптомный анализ клеток ткани гиппокампа выявил 2484 дифференциально-экспрессирующихся гена. Из них активация экспрессии показана для 1282 генов, а для 1202 генов установлено снижение уровня мРНК.

• Идентифицированы 5 функциональных кластеров (гены Ca2+ связывающего EF-домена, гены, кодирующие домены EGF, гены, кодирующие актин-связывающие белки, гены, кодирующие белки, связанные с биоритмом, и гены, кодирующие белки системы убиквитинирования).

• Биоинформационный анализ сигнальных путей с участием белков, для которых были выявлены дифференциально-экспрессирующиеся гены, обнаружил активацию генов, структурно и функционально связанных с сигнальными каскадами аксонального роста; нейровоспалительным сигнальным каскадом; сигнальным путем, обусловленным эфриновым рецептором; ремоделированием эпителиальных адгезионных контактов. Поиск регуляторов транскрипции обнаруженных дифференциально-экспрессирующихся генов, показал предполагаемую активацию регуляторов транскрипции CREB1 и FGF2.

• Предполагается, что отдаленное повышение активности нейронов в составе нейронных сетей, приводящее к эпилептоподобной активности, после разрушения гиалуронового матрикса обусловлено не изменением экспрессии белков кальцийпроницаемых субъединиц АМРА-рецепторов, а посттрансляционными изменениями, обусловленными, например, гиалуронидаза-зависимой дисфункции РНК-зависимой аденозиндеаминазы (ADAR2). Возможно, что редактирование GluА2-транскрипта с помощью ADAR2 нарушено из-за перемещения ADAR2 в цитоплазму/его разрушения при изменении внутриклеточных сигнальных путей, обусловленном разрушением внеклеточного матрикса. Выявление механизма нарушения редактирования РНК GluA2-субъединицы при гомеостатическом изменении активности нейронных сетей гиппокампа позволит рассматривать фермент РНК-зависимую аденозиндезаминазу (ADAR2) как мишень регуляторного воздействия в терапии эпилепсии, а, возможно, и других ишемических, воспалительных и нейродегенеративных заболеваний. Кроме того, важную роль в отдаленных гомеостатических изменениях работы нейронных сетей могут играть белки воспалительных внутриклеточных сигнальных путей, которые активируются разрушением внеклеточного матрикса.

Сотрудничество:

• Приволжский исследовательский медицинский университет (Россия): совместный грант Российского фонда фундаментальных исследований, совместные исследования, студенческие обмены, научные мероприятия, научные публикации.

• Высшая медицинская школа Ганновера (Германия), Немецкий центр нейродегенеративных заболеваний (Германия), Итальянский институт технологий (Италия): совместные исследования, студенческие обмены, научные мероприятия, научные публикации.

• Европейская сеть по матриксу мозга: совместные научные мероприятия и публикации.