Хемогенетически индуцированный окислительный стресс нейронов влияет на синаптическую пластичность
- Авторы: Мальцев Д.И.1,2, Калиниченко А.Л.1,3, Джэппи Д.2,4, Солотенков М.А.3, Солюс Г.М.1, Мухаметшина Л.Ф.1,3, Елесина Е.А.3, Соколов Р.А.5,6, Цопина А.С.3, Федотов И.В.3,7, Мощенко А.А.2, Федотов А.Б.3,7, Шайдуров В.А.2,8, Розов А.В.2, Подгорный О.В.1,2,5, Белоусов В.В.1,2,5
-
Учреждения:
- Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук
- Институт фундаментальной неврологии, Федеральный центр исследования мозга и нейротехнологий, Федеральное медико-биологическое агентство
- Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
- Казанский федеральный университет
- Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова
- Институт биологии и биомедицины, Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
- Российский квантовый центр «Сколково»
- Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской академии наук
- Выпуск: Том 18, № 4 (2023)
- Страницы: 512-515
- Раздел: Материалы конференции
- URL: https://journals.rcsi.science/2313-1829/article/view/256258
- DOI: https://doi.org/10.17816/gc623468
- ID: 256258
Цитировать
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Только для подписчиков
Аннотация
Гиперпродукция активных форм кислорода и окислительное повреждение клеток сопровождают большинство патологий головного мозга [1, 2]. В настоящее время предполагается, что дисрегуляция окислительно-восстановительного гомеостаза в стареющем мозге лежит в основе нарушения синаптической передачи и пластичности, что приводит к снижению вычислительной способности нейронов и, как следствие, к дефициту обучения и памяти. Однако изучение вклада окислительного стресса в развитие заболеваний мозга, таких как возрастная деменция и болезнь Альцгеймера, затруднено из-за отсутствия подходов к моделированию изолированного окислительного повреждения отдельных типов клеток [3]. В нашей работе мы применили хемогенетический инструмент на основе оксидазы D-аминокислот из дрожжей (DAAO) для генерации внутринейрональной перекиси водорода [4]. Для валидации этого подхода мы вначале подтвердили генерацию H2O2 в нейронах, в которые доставили DAAO с помощью аденоассоциированных вирусных векторов, на первичной клеточной культуре эмбрионального мозга и на переживающих срезах головного мозга мышей с помощью генетически кодируемого флуоресцентного биосенсора HyPer7 [5]. Изменения его флуоресценции при добавлении D-норвалина, являющегося субстратом для DAAO, показали хемогенетически индуцированную продукцию H2O2 в целевых нейронах. Затем с помощью методов электрофизиологии мы показали на уровне отдельных клеток, что хемогенетически вызванный окислительный стресс не меняет базальную синаптическую передачу и вероятность высвобождения нейротрансмиттера из пресинаптических окончаний, однако снижает долговременную потенциацию (ДВП).
Так как астроциты могут метаболизировать д-аминокислоты, делая неэффективным предлагаемый подход в in vivo экспериментах, нам было необходимо проверить данный инструмент в живом организме. Для того чтобы валидировать этот хемогенетический инструмент in vivo, мы собрали оптическую систему для возбуждения и детекции сигнала биосенсора HyPer7 через оптическое волокно, имплантированное в головной мозг мыши. Полученные данные подтверждают генерацию H2O2 в нейронах после внутрибрюшинного введения D-норвалина, что позволяет нам использовать этот инструмент для in vivo исследований. Таким образом, наши результаты показывают, что хемогенетический инструмент на основе DAAO в сочетании с электрофизиологическими записями может быть использован для выяснения ряда нерешенных вопросов, касающихся роли АФК-зависимой сигнализации в нормальном функционировании мозга и вклада окислительного стресса в патогенез когнитивного старения и ранних стадий нейродегенерации. Предлагаемый подход полезен для идентификации ранних маркеров окислительного стресса нейронов и может быть использован для скрининга потенциальных антиоксидантов, эффективных против окислительного повреждения нейронов.
Полный текст
Гиперпродукция активных форм кислорода и окислительное повреждение клеток сопровождают большинство патологий головного мозга [1, 2]. В настоящее время предполагается, что дисрегуляция окислительно-восстановительного гомеостаза в стареющем мозге лежит в основе нарушения синаптической передачи и пластичности, что приводит к снижению вычислительной способности нейронов и, как следствие, к дефициту обучения и памяти. Однако изучение вклада окислительного стресса в развитие заболеваний мозга, таких как возрастная деменция и болезнь Альцгеймера, затруднено из-за отсутствия подходов к моделированию изолированного окислительного повреждения отдельных типов клеток [3]. В нашей работе мы применили хемогенетический инструмент на основе оксидазы D-аминокислот из дрожжей (DAAO) для генерации внутринейрональной перекиси водорода [4]. Для валидации этого подхода мы вначале подтвердили генерацию H2O2 в нейронах, в которые доставили DAAO с помощью аденоассоциированных вирусных векторов, на первичной клеточной культуре эмбрионального мозга и на переживающих срезах головного мозга мышей с помощью генетически кодируемого флуоресцентного биосенсора HyPer7 [5]. Изменения его флуоресценции при добавлении D-норвалина, являющегося субстратом для DAAO, показали хемогенетически индуцированную продукцию H2O2 в целевых нейронах. Затем с помощью методов электрофизиологии мы показали на уровне отдельных клеток, что хемогенетически вызванный окислительный стресс не меняет базальную синаптическую передачу и вероятность высвобождения нейротрансмиттера из пресинаптических окончаний, однако снижает долговременную потенциацию (ДВП).
Так как астроциты могут метаболизировать д-аминокислоты, делая неэффективным предлагаемый подход в in vivo экспериментах, нам было необходимо проверить данный инструмент в живом организме. Для того чтобы валидировать этот хемогенетический инструмент in vivo, мы собрали оптическую систему для возбуждения и детекции сигнала биосенсора HyPer7 через оптическое волокно, имплантированное в головной мозг мыши. Полученные данные подтверждают генерацию H2O2 в нейронах после внутрибрюшинного введения D-норвалина, что позволяет нам использовать этот инструмент для in vivo исследований. Таким образом, наши результаты показывают, что хемогенетический инструмент на основе DAAO в сочетании с электрофизиологическими записями может быть использован для выяснения ряда нерешенных вопросов, касающихся роли АФК-зависимой сигнализации в нормальном функционировании мозга и вклада окислительного стресса в патогенез когнитивного старения и ранних стадий нейродегенерации. Предлагаемый подход полезен для идентификации ранних маркеров окислительного стресса нейронов и может быть использован для скрининга потенциальных антиоксидантов, эффективных против окислительного повреждения нейронов.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Источник финансирования. Эксперименты по электрофизиологии поддержаны грантом РНФ № 22-15-00293; in vivo валидации хемогенетического инструмента на основе DAAO поддержаны грантом РНФ № 23-75-30023; работы по разработке световодных зондов поддержаны грантом РНФ № 22-22-00590.
Об авторах
Д. И. Мальцев
Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук; Институт фундаментальной неврологии, Федеральный центр исследования мозга и нейротехнологий, Федеральное медико-биологическое агентство
Автор, ответственный за переписку.
Email: maltsev.d@fccps.ru
Россия, Москва; Москва
А. Л. Калиниченко
Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Email: maltsev.d@fccps.ru
Россия, Москва; Москва
Д. Джэппи
Институт фундаментальной неврологии, Федеральный центр исследования мозга и нейротехнологий, Федеральное медико-биологическое агентство; Казанский федеральный университет
Email: maltsev.d@fccps.ru
Россия, Москва; Казань
М. А. Солотенков
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Email: maltsev.d@fccps.ru
Россия, Москва
Г. М. Солюс
Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук
Email: maltsev.d@fccps.ru
Россия, Москва
Л. Ф. Мухаметшина
Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Email: maltsev.d@fccps.ru
Россия, Москва; Москва
Е. А. Елесина
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Email: maltsev.d@fccps.ru
Россия, Москва
Р. А. Соколов
Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова; Институт биологии и биомедицины, Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
Email: maltsev.d@fccps.ru
Россия, Москва; Нижний Новгород
А. С. Цопина
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Email: maltsev.d@fccps.ru
Россия, Москва
И. В. Федотов
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Российский квантовый центр «Сколково»
Email: maltsev.d@fccps.ru
Россия, Москва; Москва
А. А. Мощенко
Институт фундаментальной неврологии, Федеральный центр исследования мозга и нейротехнологий, Федеральное медико-биологическое агентство
Email: maltsev.d@fccps.ru
Россия, Москва
А. Б. Федотов
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Российский квантовый центр «Сколково»
Email: maltsev.d@fccps.ru
Россия, Москва; Москва
В. А. Шайдуров
Институт фундаментальной неврологии, Федеральный центр исследования мозга и нейротехнологий, Федеральное медико-биологическое агентство; Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской академии наук
Email: maltsev.d@fccps.ru
Россия, Москва; Москва
А. В. Розов
Институт фундаментальной неврологии, Федеральный центр исследования мозга и нейротехнологий, Федеральное медико-биологическое агентство
Email: maltsev.d@fccps.ru
Россия, Москва
О. В. Подгорный
Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук; Институт фундаментальной неврологии, Федеральный центр исследования мозга и нейротехнологий, Федеральное медико-биологическое агентство; Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова
Email: maltsev.d@fccps.ru
Россия, Москва; Москва; Москва
В. В. Белоусов
Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук; Институт фундаментальной неврологии, Федеральный центр исследования мозга и нейротехнологий, Федеральное медико-биологическое агентство; Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова
Email: maltsev.d@fccps.ru
Россия, Москва; Москва; Москва
Список литературы
- Sies H., Berndt C., Jones D.P. Oxidative Stress // Annual Review of Biochemistry. 2017. Vol. 86. P. 715–748. doi: 10.1146/annurev-biochem-061516-045037
- Cobley J.N., Fiorello M.L., Bailey D.M. 13 reasons why the brain is susceptible to oxidative stress // Redox Biology. 2018. Vol. 15. P. 490–503. doi: 10.1016/j.redox.2018.01.008
- Kumar A., Yegla B., Foster T.C. Redox Signaling in Neurotransmission and Cognition During Aging // Antioxidants & Redox Signaling. 2018. Vol. 28, N 18. P. 1724–1745. doi: 10.1089/ars.2017.7111
- Pollegioni L., Langkau B., Tischer W., et al. Kinetic mechanism of D-amino acid oxidases from Rhodotorula gracilis and Trigonopsis variabilis // Journal of Biological Chemistry. 1993. Vol. 268, N 19. P. 13850–13857. doi: 10.1016/S0021-9258(19)85181-5
- Pak V.V., Ezeriņa D., Lyublinskaya O.G., et al. Ultrasensitive Genetically Encoded Indicator for Hydrogen Peroxide Identifies Roles for the Oxidant in Cell Migration and Mitochondrial Function // Cell Metabolism. 2020. Vol. 31, N 3. P. 642–653.e6. doi: 10.1016/j.cmet.2020.02.003
Дополнительные файлы
