Липиды мембран в регуляции пресинаптического везикулярного цикла в периферических синапсах

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-14-00044

НазваниеЛипиды мембран в регуляции пресинаптического везикулярного цикла в периферических синапсах

Руководитель Петров Алексей Михайлович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Казанский научный центр Российской академии наук" , Республика Татарстан (Татарстан)

Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-106 - Нейробиология

Ключевые слова Липидные рафты, нервно-мышечный синапс, синаптические везикулы, экзоцитоз, эндоцитоз, везикулярные пулы, холестерин, нейромедиатор, бета2-адренорецепторы, статины, сфинголипиды, симпатические варикозы, освобождение нейромедиатора, неквантовая секреция

Код ГРНТИ34.15.43

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Коммуникация в нервной системе базируется на химической синаптической передаче, в ходе которой из нервных окончаний пресинаптической клетки высвобождаются молекулы нейромедиатора, активирующие специфичные рецепторы на постсинаптической клетке. Секреция нейромедиатора определяется везикулярными процессами. Эти события формируют цикл в пресинаптических нервных окончаниях и включают: экзоцитоз везикул, заполненных нейромедиатором; эндоцитоз, формирующий везикулы из компонентов, встроенных в пресинаптическую мембрану после экзоцитоза; заправка новых везикул нейромедиатором; включение везикул в определенный функциональный везикулярный пул; доставка везикул к активной зоне для последующего освобождения новой порции нейромедиатора. Существование нескольких типов экзоцитоза (спонтанный, вызванный синхронный и асинхронный) и эндоцитоза (ультра-быстрый, быстрый, медленный), а также различия в подвижности синаптических везикул, как и их группировка в отдельные пулы (немедленно готовый к освобождению, рециклирующий, резервный), перемешивание между которыми ограничено, все это создает мультивариантность цикла (рециклирования) синаптических везикул – основу для пресинаптической пластичности. Нарушения отдельных этапов везикулярного цикла наблюдаются при целом ряде патологий (нейродегенеративные и нервно-мышечные заболевания, эпилепсия, расстройства аутистического спектра, травматические повреждения мозга, ишемия) и вносят существенный вклад в их развитие. Причины нарушений в цикле синаптических везикул зачастую остаются не известными, что ограничивает возможности для поиска новых терапевтических подходов. Возможно, липидные изменения играют одну из весомых ролей в нарушении везикулярных процессов, поскольку пресинаптические мембраны и мембраны синаптических везикул имеют уникальные липидные профили. В частности, для этих мембран характерно высокое содержание холестерина, сфинголипидов и плазмалогенов. Данные липиды способствуют формированию липид-упорядоченной фазы в мембранах (липидных рафтов), а нарушения их метаболизма обычно сопряжены с развитием заболеваний нервной системы и пресинаптическими дисфункциями. Представленный проект посвящен выявлению роли липидов и липидных рафтов в организации и регуляции циклов синаптических везикул в периферических нервных окончаниях. Основным объектом будут двигательные нервные окончания мыши, содержащие тысячи синаптических везикул и являющиеся релевантными моделями для изучения везикулярных процессов. В ряде экспериментов также будут оценены пресинаптические процессы в двигательных нервных окончаниях лягушки (поскольку они имеют большую протяженность, что позволяет точнее оценить внутритерминальный транспорт везикул) и симпатических нервных окончаниях предсердий мыши (поскольку представляют собой удобную для исследования модель синаптического варикоза). В проекте, используя флуоресцентные, электрофизиологические и биохимические методы, предлагается сделать акцент на следующих моментах. Во-первых, планируется определить значение липидных рафтов в протекании ключевых этапов везикулярного цикла. Для разрушения липидных рафтов будут модифицированы их ключевые компоненты холестерин и сфингомиелин с помощью экзогенных ферментов - холестерин оксидазы и сфингомиелиназы. Аппликация ферментов в покое и после стимуляции массивного экзоцитоза (в последнем случае внутренняя мембрана везикул на минуты остается обращенной внеклеточной среде) позволит повлиять на липиды плазматической мембраны отдельно или совместно с липидами мембраны синаптических везикул. Подобный протокол позволит оценить значение липидных рафтов плазматических мембран нейронов и мембран синаптических везикул. Во-вторых, планируется оценить роль липидных рафтов в зависимой β2-адренорецепторов (АР) и P2Y13 пуринорецепторов регуляции везикулярного цикла. Эти рецепторы - потенциальные резиденты мембранных микродоменов. β2-АР обеспечивают чувствительность нервно-мышечной передачи к стресс гормонам/нейромедиаторам (норадреналину и адреналину); их фармакологическая активация увеличивает стабильность нервно-мышечных синапсов и используется для лечения врожденных миастенических синдромов. P2Y13 рецепторы опосредуют ингибиторное влияние АТФ, главного комедиатора в холинергических синапсах; избыточная активация этих рецепторов может вызывать метаболические нарушения и нейровоспаление. Примечательно, что как β2-АР, так и P2Y13 рецепторы могут взаимодействовать с Gs и Gi-белками, запускать пути сигнализации зависимые от митоген-активируемых протеин киназ и фосфоинозитол-3-киназ. Будут проанализированы эффекты активации этих рецепторов (по отдельности и совместно) на этапы везикулярного цикла, а также основные G-белок зависимые и независимые сигнальные пути, опосредующие эти влияния на экзо-эндоцитоз синаптических везикул. Выявление изменений действия агонистов β2-АР и P2Y13 рецепторов (в т.ч. при коактивации), а также последующей цепочки внутриклеточной передачи сигнала после разрушение липидных рафтов даст понимание значения мембранных микродоменов в регуляции пресинаптических процессов со стороны этих рецепторов и сопряженных сигнальных систем. Дополнительно, будет определено влияние активации данных рецепторов на свойства синаптических мембран (текучесть, упорядоченность) и поведение мембранных меток, преимущественно распределяющихся в липидных рафтах. Это позволит оценить вовлечение рецепторов в регуляцию стабильности мембранных микродоменов в синапсе. В-третьих, планируется оценить изменения свойств мембран и этапов везикулярного цикла в нервно-мышечных синапсах в ответ на длительное введение холестерин-понижающих препаратов статинов. Также в этих условиях будет определено изменение эффектов активации β2-АР и P2Y13 рецепторов и ассоциированных с этими рецепторами путей сигнализации. Статины - одни из самых широко применяемых в клинике препаратов, которые используются для снижения уровня холестерина в плазме. Механизм их действия связан с ингибированием ключевого фермента в цепи синтеза холестерина. Самые распространенные побочные эффекты статинов связаны с нарушениями в работе мышц (миалгии, судороги, миопатии, вплоть до рабдомиолиза). Более того, статины обостряют или проявляют скрытые на ранних этапах нервно-мышечные патологии (в том числе, боковой амиотрофический склероз). Однако механизм такого разрушительного действия статинов не ясен. Известно, что более 90% всего холестерина локализовано в плазматических мембранах, где он выступает основным организатором липидных рафтов и регулятором текучести. Синаптические мембраны, в частности мембраны синаптических везикул, особенно богаты холестерином. Следовательно, ингибирование синтеза холестерина может снижать его содержание в синаптических мембранах и стабильность липидных рафтов; это, в свою очередь, может влиять на этапы пресинаптического везикулярного цикла и сигнализацию, зависимую от липидных рафтов, которая регулирует нервно-мышечную передачу. Данная возможность не была исследована. Несмотря на наличие более 57000 статей в PubMed относительно статинов, нам не удалось найти ни одной, описывающей изменения мембранных свойств и пресинаптических процессов в периферических синапсах. Поставленные задачи не были реализованы и являются продолжением цикла работ нашей группы, проводимых на стыке синаптологии и исследовании роли ключевых липидов. Наш коллектив владеет всеми необходимыми для решения поставленных задач методическими подходами и опытом совместной эффективной работы.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ценцевицкий А.Н., Петров А.М. L-type Ca 2+ Channels at Low External Calcium Differentially Regulate Neurotransmitter Release in Proximal-Distal Compartments of the Frog Neuromuscular Junction Cellular and Molecular Neurobiology, Cell Mol Neurobiol (2021). https://doi.org/10.1007/s10571-021-01152-w (год публикации - 2021)
10.1007/s10571-021-01152-w

2. Закирьянова Г.Ф., Ценцевицкий А.Н., Кузнецова Е.А., Петров А.М. Immune-related oxysterol modulates neuromuscular transmission via non-genomic liver X receptor-dependent mechanism FREE RADICAL BIOLOGY AND MEDICINE, Vol. 74, P. 121-134. (год публикации - 2021)
10.1016/j.freeradbiomed.2021.08.013

3. Одношивкина Ю.Г., Петров А.М. The Role of Neuro-Cardiac Junctions in Sympathetic Regulation of the Heart Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology, Vol. 57, P. 527–541. (год публикации - 2021)
10.1134/S0022093021030078

4. Г. Ф. Закирьянова, К. А. Мухутдинова, Е. А. Кузнецова, А. М. Петров Липидные рафты как принцип организации пресинаптического везикулярного цикла Издательство ФИЦ КазНЦ РАН, c. 33-34 (год публикации - 2021)

5. Петров А. М. Липидные рафты, пресинаптический везикулярный цикл и оксистеролы как связанные элементы Сборник статей. Под редакцией А.В. Бережнова, В.П. Зинченко, Т.2, С. 426-431 (год публикации - 2021)

6. Одношивкина Ю.Г., Петров А.М. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛОЖНОГО ФЛУОРЕСЦЕНТНОГО НЕЙРОМЕДИАТОРА FFN511 ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ НЕЙРОПЕРЕДАЧИ В ПРЕСИНАПТИЧЕСКИХ ВАРИКОЗАХ ПРЕДСЕРДИЯ МЫШИ Казань: Издательство ФИЦ КазНЦ РАН, С. 79-80 (год публикации - 2021)

Публикации

1. Ценценцевицкий А.Н., Хазиев Э.Ф., Ковязина И.В., Петров А.М. GIRK channel as a versatile regulator of neurotransmitter release via L-type Ca2+ channel-dependent mechanism in the neuromuscular junction Neuropharmacology, Volume 209, 15 May 2022, 109021 (год публикации - 2022)
10.1016/j.neuropharm.2022.109021

2. Гафурова Ч.Р., Ценцевицкий А.Н., Петров А.М. Frequency-Dependent Engagement of Synaptic Vesicle Pools in the Mice Motor Nerve Terminals CELLULAR AND MOLECULAR NEUROBIOLOGY, Cell Mol Neurobiol (2022) Feb 3. doi: 10.1007/s10571-022-01202-x (год публикации - 2022)
10.1007/s10571-022-01202-x

3. Петров А.М., Закирьянова Г.Ф., Ковязина И.В., Ценцевицкий А.Н., Бухараева Э.А. Adrenergic receptors control frequency-dependent switching of the exocytosis mode between "full-collapse" and "kiss-and-run" in murine motor nerve terminal Life Sciences, Volume 296, 1 May 2022, 120433 (год публикации - 2022)
10.1016/j.lfs.2022.120433

4. Архипов А., Хузиахметова В., Петров А.М., Бухараева Э.А. Catecholamine-dependent hyperpolarization of the junctional membrane via β2- adrenoreceptor/Gi-protein/α2-Na-K-ATPase pathway Brain Research, Volume 1795, 15 November 2022, 148072 (год публикации - 2022)
10.1016/j.brainres.2022.148072

5. Одношивкина Ю.Г., Петров А.М. Роль мембранного холестерина и сфингомиелина в экзоцитозе из пресинаптических варикозов предсердий мыши Сборник тезисов XVIII Международного Междисциплинарного Конгресса «Нейронаука для медицины и психологии», стр. 252-253 (год публикации - 2022)
10.29003/m2867.sudak.ns2022-18/251-252

6. Гафурова Ч.Р., Ценцевицкий А.Н., Петров А.М. β2-адренорецепторы усиливают нервно-мышечную передачу через пресинаптический механизм: роль сфингомиелина мембран Сборник трудов VI Междисциплинарной конференции "Современные проблемы системной регуляции физиологических функций", стр. 135-136 (год публикации - 2022)

7. Гафурова Ч.Р., Петров А.М., Ценцевицкий А.Н. Организация пулов синаптических везикул в нервно-мышечных синапсах Материалы V Всероссийского научного медицинского форума студентов и молодых ученых с международным участием «Белые цветы», стр. 662-663 (год публикации - 2022)

8. Гафурова Ч.Р., Ценцевицкий А.Н., Петров А.М. Особенности организации пулов синаптических везикул в нервно-мышечных синапсах мыши Motor control 2022: Сборник тезисов IX Российской, с международным участием, конференции по управлению движением, посвященной 95-летию со дня рождения И. Б. Козловской, стр. 72 (год публикации - 2022)

9. Одношивкина Ю.Г., Кузнецова Е.А., Петров А.М. 25-Hydroxycholesterol as a Signaling Molecule of the Nervous System Biochemistry Moscow, volume 87, issue 6, pages 524–537 (год публикации - 2022)
10.1134/S0006297922060049

10. Ценцевицкий А.Н., Гафурова Ч.Р., Петров А.М. KATP channels as ROS-dependent modulator of neurotransmitter release at the neuromuscular junctions Life Sciences, Volume 310, 1 December 2022, 121120 (год публикации - 2022)
10.1016/j.lfs.2022.121120

Публикации

1. Кузнецова Е.А., Ценцевицкий А.Н., Петров А.М. 25-ГИДРОКСИХОЛЕСТЕРИН КАК ПРОТЕКТОР СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ В УСЛОВИЯХ МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ДИСФУНКЦИИ Сборник тезисов XXIV съезда физиологического общества им. И.П. Павлова, с. 425-426 (год публикации - 2023)

2. Кузнецова Е.А., Ценцевицкий А.Н., Петров А.М. ПРОТЕКТИВНОЕ ДЕЙСТВИЕ 25-ГИДРОКСИХОЛЕСТЕРИНА В МОДЕЛИ МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ДИСФУНКЦИИ В СКЕЛЕТНОЙ МЫШЦЕ Современные проблемы нейробиологии. Материалы IV международной научной конференции., с. 34-35 (год публикации - 2023)

3. Гафурова Ч.Р., Ценцевицкий А.Н., Петров А.М. МОДУЛЯЦИЯ НЕРВНО-МЫШЕЧНОЙ ПЕРЕДАЧИ АГОНИСТОМ β2-АДРЕНОРЕЦЕПТОРОВ Современные проблемы нейробиологии. Материалы IV международной научной конференции., с. 17-18 (год публикации - 2023)

4. Одношивкина Ю.Г., Сибгатуллина Г.В., Петров А.М. Lipid-dependent regulation of neurotransmitter release from sympathetic nerve endings in mice atria Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes, Том 1865, выпуск 7, номер статьи 184197 (год публикации - 2023)
10.1016/j.bbamem.2023.184197

5. Мухамедьяров М.А., Хабибрахманов А.Н., Хузахметова В.Ф., Гиниатуллин А.Р., Закирьянова Г.Ф., Жиляков Н.В., Мухутдинова К.А., Самигуллин Д.В., Григорьев П.Н., Захаров А.В., Зефиров А.Л., Петров А.М. Early Alterations in Structural and Functional Properties in the Neuromuscular Junctions of Mutant FUS Mice International journal of molecular sciences, Том 24, выпуск 10, статья номер 9022 (год публикации - 2023)
10.3390/ijms24109022

6. Гафурова Ч.Р., Петров А.М. Сфингомиелиназы как модуляторы синаптической передачи Гены и клетки, Том 18, номер 4, с349-361 (год публикации - 2023)
10.23868/gc546062

7. Закирьянова Г.Ф., Гиниатуллин А.Р., Гафурова Ч.Р., Маломуж А.И., Федоров Н.С., Хазиев А.Н., Ценцевицкий А.Н., Петров А.М. Effects of cholesterol oxidase on neurotransmission and acetylcholine levels at the mice neuromuscular junctions Archives of Biochemistry and Biophysics, Том 749, номер статьи 109803 (год публикации - 2023)
10.1016/j.abb.2023.109803

8. Петров А.М. Oxysterols in Central and Peripheral Synaptic Communication Advances in Experimental Medicine and Biology, Том 1440, cтр. 91-123 (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-43883-7_6

9. Ценцевицкий А.Н., Гафурова Ч.Р., Мухутдинова К.А., Гиниатуллин А.Р., Федоров Н.С., Маломуж А.И., Петров А.М. Sphingomyelinase modulates synaptic vesicle mobilization at the mice neuromuscular junctions Life sciences, Том 318, номер статьи 121507 (год публикации - 2023)
10.1016/j.lfs.2023.121507

10. Закирьянова Г.Ф., Ценцевицкий А.Н. , Гафурова Ч.Р., Петров А.М. Влияние статинов на пресинаптические процессы в нервно-мышечном синапсе мыши СБОРНИК ТЕЗИСОВ XXIV СЪЕЗДА ФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА ИМ. И. П. ПАВЛОВА, с. 424 (год публикации - 2023)

11. Гафурова Ч.Р., Ценцевицкий А.Н., Петров А.М. ЛИПИДНОЕ ОКРУЖЕНИЕ КАК ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ Β2-АДРЕНЕРГИЧЕСКОЙ РЕГУЛЯЦИИ МОБИЛИЗАЦИИ СИНАПТИЧЕСКИХ ВЕЗИКУЛ В АКСОНЕ МОТОНЕЙРОНОВ СБОРНИК ТЕЗИСОВ XXIV СЪЕЗДА ФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА ИМ. И. П. ПАВЛОВА, с. 558 (год публикации - 2023)

12. Ценцевицкий А.Н., Гафурова Ч.Р., Мухутдинова К.А., Гиниатуллин А.Р., Петров А.М. ЭКСТРАКЛЕТОЧНЫЕ СФИНГОМИЕЛИНАЗЫ В РЕГУЛЯЦИИ СИНАПТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ СБОРНИК ТЕЗИСОВ XXIV СЪЕЗДА ФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА ИМ. И. П. ПАВЛОВА, с. 555-556 (год публикации - 2023)

13. Одношивкина Ю.Г., Сибгатуллина Г.В., Петров А.М. РЕГУЛЯЦИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СЕРДЦА НА ПРЕСИНАПТИЧЕСКОМ УРОВНЕ СБОРНИК ТЕЗИСОВ XXIV СЪЕЗДА ФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА ИМ. И. П. ПАВЛОВА, с. 394 (год публикации - 2023)

14. Одношивкина Ю.Г., Петров А.М. ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ РОЛЬ 25-ГИДРОКСИХОЛЕСТЕРИНА В БЕТА-АДРЕНЕРГИЧЕСКОЙ РЕГУЛЯЦИИ ПРЕДСЕРДИЙ В МОДЕЛИ ВОСПАЛЕНИЯ СБОРНИК ТЕЗИСОВ XXIV СЪЕЗДА ФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА ИМ. И. П. ПАВЛОВА, с. 407 (год публикации - 2023)

15. Хазиев А.Н. Ценцевицкий А.Н, Петров А.М. ЭФФЕКТЫ ИОНОВ ЦИНКА НА ПАРАМЕТРЫ СЕКРЕЦИИ НЕЙРОМЕДИАТОРА В ДИАФРАГМЕ МЫШИ Современные проблемы нейробиологии. Материалы IV международной научной конференции., с. 80 (год публикации - 2023)

16. Гафурова Ч.Р., Ценцевицкий А.Н., Федоров Н.С., Хазиев А.Н., Маломуж А.И., Петров А.М. β2-Adrenergic Regulation of the Neuromuscular Transmission and Its Lipid-Dependent Switch Molecular Neurobiology, https://doi.org/10.1007/s12035-024-03991-2 (год публикации - 2024)
10.1007/s12035-024-03991-2

17. Гиниатуллин А.Р., Мухутдинова К.А., Петров А.М. Mechanism of Purinergic Regulation of Neurotransmission in Mouse Neuromuscular Junction: The Role of Redox Signaling and Lipid Rafts Neurochemical Research, 49(8):2021-2037. doi: 10.1007/s11064-024-04153-5 (год публикации - 2024)
10.1007/s11064-024-04153-5

18. Федоров Н.С., Маломуж А.И., Петров А.М. Effects of membrane cholesterol-targeting chemicals on skeletal muscle contractions evoked by direct and indirect stimulation Journal of Muscle Research and Cell Motility, J Muscle Res Cell Motil (2024). https://doi.org/10.1007/s10974-024-09675-7 (год публикации - 2024)
10.1007/s10974-024-09675-7