В экспериментах на животных ученые раскрыли механизм, отвечающий за управление внутренними часами и восприятие боли у мышей. Если определенный транскрипционный фактор - белок, регулирующий включение и выключение генов, - отсутствует во время развития эмбриона мыши, это приводит к серьезным аномальным изменениям в головном мозге, которые также влияют на циркадианную систему и восприятие боли.
Включение и выключение генов регулируется факторами транскрипции, т. е. белками, которые связываются с очень специфическими контрольными областями генов. Рецепторы половых гормонов являются, например, такими транскрипционными факторами, которые гормонозависимым образом регулируют многочисленные гены и тем самым контролируют процессы эмбрионального развития и физиологические процессы. Эти рецепторы расположены в ядре клетки и поэтому также называются ядерными рецепторами. В дополнение к ядерным рецепторам, связывающим гормоны, существуют так называемые рецепторы-сироты: «сироты», для которых гормон либо еще не известен, либо, возможно, недоступен. Тем не менее, эти орфанные рецепторы регулируют ряд процессов развития, например, в центральной нервной системе. Ear2, также известный как Nr2f6, является одним из них и образует подсемейство вместе с факторами транскрипции COUP-TFI и COUP-TFII.
Расшифрована функция Ear2 в процессе развития мозга мыши
Что касается Ear2, ученым Макса Планка удалось создать жизнеспособного мутанта мыши и продемонстрировать функцию Ear2 в процессе развития мозга мыши. Ген Ear2 удаляли у мышей молекулярно-генетическими методами. Исследователи во главе с Грегором Эйхеле, директором института, смогли показать с помощью этого мутанта мыши, известного как Ear2-/-, что отсутствие этого транскрипционного фактора во время эмбриогенеза у взрослой мыши приводит к повышенной болевой чувствительности, а также ухудшает чувствительность к боли. - так называемая циркадианная система переднего мозга. Исследователи смогли проследить этот дефицит у взрослой мыши до дефекта в небольшой, но важной области мозга.
Чтобы выяснить функцию Ear2, ученые определили, где в эмбрионе впервые включается ген Ear2. Они обнаружили, что это имеет место в небольшой группе нейронов, которая позже становится голубым пятном (LC), ядром в мозге млекопитающих, которое является основным источником нейротрансмиттера норадреналина. У взрослой мыши эта область мозга состоит примерно из 1300 нейронов, у человека их даже 3000. LC посылает сеть нервных волокон почти ко всем областям мозга и регулирует широкий спектр поведенческих и физиологических функций, таких как система возбуждения, обучаемость или восприятие боли, главным образом посредством высвобождения норадреналина.
Поэтому для исследователей важно понять развитие и функции LC. С мутантной мышью Ear2 у ученых появилась возможность узнать об этом больше. Потому что без гена Ear2 в мозгу взрослых мышей отсутствовало около 70 процентов клеток голубого пятна, причем особенно пострадали нейроны в спинной части. В норме оттуда в кору головного мозга - кору направляются в основном норадреналин-высвобождающие волокна. У мутанта Ear2 число дорсальных нейронов настолько уменьшено, что корковая концентрация высвобождаемого норадреналина в четыре раза ниже, чем у нормальной мыши. Ученым удалось показать, что снижение концентрации норадреналина приводит к нарушению функций коры головного мозга.
"Стрельба" в циркадном ритме
Исследователи подозревали, что голубое пятно участвует в регуляции системы возбуждения и поведения сна-бодрствования. А именно известно, что нейроны этого ядра «срабатывают» в суточном ритме. Достаточная причина для ганноверских эндокринологов исследовать мутантов Ear2 на наличие дефектов циркадного поведения, тем более что эта область была одним из основных направлений деятельности Института в течение многих лет. Ученые сосредоточили внимание на переднем мозге, так как к нему подходят многочисленные норадренергические нервные волокна, идущие от дорсальной части LC.
Кроме того, передний мозг уже был охарактеризован как имеющий свой собственный циркадный водитель ритма, который функционирует в значительной степени независимо от центрального часового механизма, супрахиазматического ядра (СХЯ). Помимо прочего, этот кардиостимулятор регулирует адаптацию фаз активности к изменению световых циклов и временным сдвигам в питании.
Uhrengen Period1 больше не читается
Используя гибридизацию in situ, первоначально можно было показать, что часовой ген Period1 в переднем мозгу мутанта Ear2/- больше не читается в циркадном ритме. При гибридизации in situ матричная РНК гена окрашивается специфическим зондом в тонком срезе мозга. В дополнение к определению паттернов экспрессии генов Хенрик Остер и его циркадная команда провели поведенческие эксперименты, чтобы определить фенотипические эффекты этого дефекта в циркадной системе коры головного мозга.
Выяснилось, что морфологическое изменение LC, обусловленное отсутствием Ear2 в эмбриональном развитии, влечет за собой задержку адаптации к сдвинутому циклу свет-темнота и что мутанты также адаптируются хуже эффективно адаптируются к ограниченному времени кормления во время фактического периода покоя. Кроме того, можно было показать, что точность ритма активности была снижена у животных с дефицитом Ear2 и что они имели тенденцию полностью терять свой ритм при постоянном освещении. Сложные связи LC с другими центрами центральной нервной системы также делают этот мутант интересной модельной системой для изучения циркадной регуляции многих других функций ЦНС.
Важная роль в восприятии боли
Голубое пятно также играет особую роль в процессе восприятия боли. Потому что норадреналин, который вырабатывается в ЦП, подавляет активность передающих боль нейронов и, таким образом, оказывает болеутоляющее действие. Если часть LC отсутствует, как у мутанта Ear2, это должно влиять на восприятие боли мышами. На самом деле, эксперименты показали, что мутанты были более чувствительны к боли, что можно объяснить ограниченным LC и последующим снижением уровня норадреналина в спинном мозге.
Для ганноверских эндокринологов мутант Ear2, у которого отсутствует большая часть голубого пятна, открыл возможность воспроизведения функций этого ядра, важного для многих физиологических процессов и поведения, в свою естественную среду для проверки. «Теперь было бы интересно исследовать, проявляет ли мутант аномалии в других формах поведения, связанных с LC», - говорит Грегор Эйхеле. Это также включает тревожное поведение, обучающее поведение или производительность памяти. Поэтому ученые сначала хотят выяснить, как именно сложная сеть нейронных волокон, посылаемых LC, изменяется у животных с дефицитом Ear2.