Лаборатория эволюции органов чувств

firsov

      Заведующий лабораторией – д.б.н.

Фирсов Михаил Леонидович


Лаборатория была создана в 1956 г. проф. Я.А.Винниковым, под названием «Лаборатория эволюционной морфологии» (см. История лаборатории).  В настоящее время в лаборатории работают 10 научных сотрудников (4  доктора наук и 6 кандидатов наук), 1 инженер и 1 аспирант. Кроме того, в исследованиях, производящихся в лаборатории постоянно участвуют студенты биологических и медицинских специальностей, выполняющие различные курсовые и квалификационные работы. Лаборатория располагает современным и уникальным оборудованием для проведения электрофизиологических, поведенческих, гистологических исследований. Мы активно используем в нашей работе математическое моделирование интересующих нас биологических процессов и биологических структур.

Основными направлениями деятельности лаборатории являются:

Фоторецепция позвоночных. Исследование каскада фототрансдукции в палочках и колбочках сетчатки позвоночных. (В.И.Говардовский, М.Л.Фирсов, Л.А.Астахова,  Т.В.Федоткина, Д.А.Николаева, аспирант А.Ю. Ротов, магистрант В.С. Ситникова)

Каскад фототрансдукции – последовательность биохимических реакций, позволяющая превратить энергию поглощенного фотона в электрический ответ фоторецепторной клетки. Мы исследуем механизмы активации, выключения и адаптации каскада фототрансдукции к различным уровням освещения.  Основной механизм адаптации каскада фототрансдукции – т.н. кальциевая обратная связь. В общепринятой до последнего времени модели каскада фототрансдукции, уровень активации каскада через кальциевую обратную связь влияет на функциональные свойства трех его компонентов – родопсинкиназы, гуанилатциклазы и цГМФ-зависимых каналов.  Нами было показано, что уровень активации каскада влияет также на скорость выключения активной фосфодиэстеразы (Astakhova et al., 2008).

Наряду с цГМФ, в фоторецепторных клетках присутствует пул циклического аденозинмонофосфата (цАМФ). В последнее время накапливаются свидетельства того, что цАМФ может (вероятнее всего, через посредство протеинкиназы А) оказывать регулирующее влияние на каскад фототрансдукции путем модификации свойств многих его компонентов (фосдуцина, родопсинкиназы, цГМФ-управляемых каналов, гуанилатциклазы, γ-субъединицы ФДЭ и гуанилатциклазу-активирующего белка GСАР. Нами продемонстрировано, что аппликация неспецифического активатора аденилатциклазы, форсколина вызывает изменение внутриклеточного уровня цАМФ ([цАМФ]in) в палочке лягушки R.ridibunda в пределах, характерных для естественных колебаний уровня цАМФ в суточном цикле, и что эти изменения [цАМФ]in вызывают существенное изменение чувствительности фоторецептора. Основными механизмами этого изменения чувствительности являются повышение внутриклеточного уровня кальция и уменьшение базальной (темновой) активности цГМФ-специфичной фосфодиэстеразы (ФДЭ) (Astakhova et al., 2012).

Одним из направлений нашей работы является изучение специфики механизмов возбуждения и адаптации в колбочках по сравнению с палочками. Механизмы фототрансдукции в палочках детально изучены физиологическими, биохимическими и молекулярно-генетическими методами. Об особенностях работы каскада в колбочках известно гораздо меньше. В последние несколько лет нами получен набор данных, позволяющих идентифицировать ключевые особенности биохимического каскада фототрансдукции в колбочках, которые придают им способность поддерживать дневное зрение. Показано, что скорость активации каскада фототрансдукции (биохимическое усиление) в колбочках не ниже, чем в палочках. Все реакции выключения каскада, однако, в колбочках протекают на порядок быстрее, что и обусловливает их низкую чувствительность; таким образом колбочки эффективно обменивают чувствительность на быстродействие (Astakhova et al., 2015, Астахова и др. 2015). Способность колбочек работать при высоких освещенностях обеспечивается, кроме их низкой чувствительности, высокой скоростью регенерации зрительных пигментов.

Исследование зрительных пигментов фоторецепторов и процессов их фотолиза in vivo. (В.И.Говардовский, Д.А.Николаева, А. Ротов))

Сконструированный в лаборатории микроспектрофотометр дает возможность исследовать зрительные пигменты одиночных фоторецепторов как на изолированных клетках, так и в составе интактной сетчатки – фактически в условиях, близких к in vivo. Сравнительное изучение зрительных пигментов палочек и колбочек у разных животных позволяет охарактеризовать их системы цветового зрения и прослеживать эволюцию зрения в ряду позвоночных животных. Уникальной особенностью прибора является высокая скорость регистрации спектров, что дает возможность изучать временной ход процессов фотолиза зрительного пигмента. Мы показали, что фотолиз зрительного пигмента в колбочках происходит в 10 – 100 раз быстрее, чем в палочках, и это является одним из ключевых факторов, позволяющих колбочкам работать при дневных уровнях освещения.

 

Г.А.Савостьянов (совместно с  В.Ф. Левченко) и сотрудники ЦИН РАН (Грефнер Н.М.) и МГУ (Голубева Т.Б.)

  1. Разработка подхода для количественного описания становления и развития многоклеточности. Основа подхода – формализованный анализ процессов разделения функций между клетками и их объединение в элементарные единицы многоклеточности – гистионы.

Основные результаты:

  • Разработана теория разделения функций и впервые предложены параметры для количественного описания прогрессивного развития гистионов;
  • Описана динамика приобретения и реализации потенций и сформулирован закон их сохранения в развитии;
  • Построена параметрическая система гистионов в виде периодической таблицы.
  1. Разработка подхода для количественного описания пространственной организации биологических тканей. Основа подхода – построение топологических и геометрических моделей гистоархитектуры и их экспериментальная верификация.

Основные результаты:

  • Разработана теория строения клеточных сетей как полимеризованных гистионов, предсказывающая новые семейства моделей пространственной организации тканей;
  • Построены семейства компьютерных моделей тканей различного состава и структуры;
  • С помощью моделей с точностью до топологии проведена реконструкция трехмерного строения ряда покровных и сенсорных эпителиев.

Полученные результаты являются приоритетными и открывают новое направление исследований фило- и онтогенеза. Подробнее с ними можно ознакомиться на сайте:   http://members.tripod.com/~Gensav 

Ориентированные прикладные исследования.

Лаборатория участвует как исполнитель в проекте, нацеленном на разработку методов предотвращения дегенерации сетчатки и возможность восстановления ее функции в случае слепоты. Проект финансируется Российским фондом фундаменатльных исследований и реализуется  совместно с Лабораторией нанобиотехнологий Академического университета (Рязанцев М.Н., Бойцов В.М.). В рамках проекта  мы разрабатываем методы тестирования новых фармакологических веществ, которые, как предполагается, позволят восстановить чувствительность сетчатки к свету после потери фоторецепторных клеток в результате врожденной или возрастной их дегенерации. В текущем проекте проводится проверка эффективности и перспективности так называемых фотопереключателей – молекул, которые блокируют/деблокируют ионные каналы, изменяя свою конформацию под действием света (В.С. Ситникова, А.Ю. Ротов, Л.А. Астахова, М.Л. Фирсов В.И. Говардовский).

Второй из прикладных проектов связан с разработкой методов лечения диабетической ретинопатии (Ю. Рыжов, М.Л. Фирсов, Т.В Федоткина, Л.А. Астахова, С. Юсенко, совместно с сотрудниками лаборатории молекулярной эндокринологии и нейрохимии – А.О. Шпаковым и К.В. Декрач). Диабетическая ретинопатия является одним из осложнений сахарного диабета 1-го типа. В настоящее время еще не найдено эффективных подходов к ее лечению и профилактике. В рамках данного проекта мы тестируем эффективность интраназально вводимого инсулина при борьбе с диабетической ретинопатией в стрептозотоциновой модели диабета 1 типа у крыс. Зрительная функция (и косвенно – функциональное состояние сетчатки) оценивается посредством отведения электроретинограммы с глаза живых наркотизированных крыс. К настоящему времени уже удалось показать, что интраназально вводимый инсулин оказывает ретинопротекторное действие у крыс при диабете 1 типа и позволяет остановить развитие диабетической ретинопатии.

Основные гранты Лаборатории:

 Грант РНФ 16-14-10159 (2016-2018 г. )
«Механизм работы магнитного компаса мигрирующих птиц»

Руководитель гранта – чл.-корр. РАН Чернецов Н.С. (Зоологический институт  РАН ) http://www.zin.ru/rybachy/chernetsov.html

 Основные участники:

Ответственные исполнители: Астахова Л.А (к.б.н, С.н.с.), Кавокин К.В. (к.ф.н., С.н.с ФТИ РАН), Зуева Л.В.(к.б.н, В.н.с.)

Исполнители: Ротов А.Ю. (м.н.с.), Жуковская М.И. (к.б.н, В.н.с.), Пахомов А.Ф. (м.н.с.) , Бояринова Ю.Г. (к.б.н., С.н.с.), Чербунин Р.В. (к.ф.н, С.н.с.), Анашина А.Д. (ст.лаб.-иссл.),

 Краткая аннотация гранта.Ориентация и навигация животных является одной из наиболее интересных нерешённых проблем современного естествознания. Для успешной навигации животное должно обладать компасной системой, которая позволяет выбирать и поддерживать направление движения относительно сторон света, и картой, которая позволяет понять, где животное находится по отношению к цели движения. Вопрос “как мигрирующие организмы находят дорогу?” распадается на два связанные между собой, но отдельные вопроса: “какова природа карты?” и “какова природа компаса?”. 
В настоящее время существование магнитной компасной системы у птиц не подвергается сомнению. Есть сообщения об использовании магнитного компаса и другими позвоночными и беспозвоночными животными. Сенсорный механизм, однако, до сих пор остается неизвестным, хотя в последние 15-20 лет в этой области достигнут заметный прогресс . Наше исследование направлено на установление сенсорного механизма магнитной ориентации животных на примере птиц, для которых поведенческие проявления ориентации по магнитному полю надежно установлены и позволяют ставить эксперименты в контролируемых условиях.
Мы предполагаем создать новую модель магниторецептора в сетчатке птиц. Неспособность использовать магнитный компас в присутствии осциллирующих магнитных полей была предложена в качестве диагностического теста на наличие радикальных реакций в основе магнитного компаса. Однако дезориентация птиц начинается при амплитудах переменных полей, на два порядка меньших, чем можно было бы ожидать, исходя из теории радикальных реакций (Kavokin 2009; Kavokinetal. 2014). Из результатов поведенческих экспериментов вытекает необходимость ревизии представлений о биофизической природе процесса магниторецепции в сетчатке. Изучение субклеточной структуры сетчатки птиц может позволить проверить валидность нашей модели
.

Грант РФФИ  14-04-00428  (2014-2016).
«Неизвестные  реакции каскада  фототрансдукции позвоночных».

Руководитель гранта – д.б.н. М.Л.Фирсов.

Участники гранта: к.б.н. Л.А.Астахова, к.б.н. Д.А.Николаева, к.б.н. С.В.Капицкий, С.О.Гапанович.

Краткая аннотация гранта.Современная каноническая схема работы каскада фототрансдукции сложилась в результатемноголетних усилий большого числа лабораторий и является наиболее детальной по сравнению с трансдукционными схемами других сенсорных модальностей. Тем не менее, в последние годы появляются многочисленные экспериментальные свидетельства того, что наши знания о механизмах работы каскада фототрансдукции существенно неполны. Так, анализ работы математически х моделей каскада приводит  к выводу, что использование только известных канонических регулировок не позволяет воспроизвести многие наблюдаемые в эксперименте эффекты, в частности  влияние  светового фона на фотоответы. Феномены, не укладывающиеся в каноническую схему поведения каскада фототрансдукции, могут бытьв принципе  объяснены  тремя основными группами причин, а  именно: существованием неизвестных ранее кальций-зависимыхмеханизмов регулировки каскада; наличием неизвестной  ранее медленной компоненты обмена кальция и существованием неизвестных кальций-независимых механизмов. Весьма вероятно также одновременное действие двух или даже всех трех причин. Кроме того, возможно, что у разных классов позвоночных (амфибий  и  млекопитающих) могут преобладать  разные механизмы. Ряд признаков позволяют предположить, что по мощности  эти  механизмы  сопоставимы с каноническими регуляторными механизмами  каскада  фототрансдукции. Поиск и  описание этих механизмов является предметом  настоящей работы.

Программа РАН

Грант РФФИ 17-04-00807  (2017 – 2018 гг.)

«Механизмы генерации дискретного темнового шума в фоторецепторах сетчатки»

Руководитель гранта – д.б.н. Говардовский В.И.

«Фундаментальные основы применения оптогенетических методов для протезирования сетчатки» (2018 –

Руководитель гранта – д.б.н. Фирсов М.Л.

 

Сотрудники лаборатории:

Фирсов Михаил Леонидович, зав. лаб., д-р. биол. наук
Говардовский Виктор Исаевич, гл. науч. сотр., д-р. биол. наук
Савостьянов Геннадий Александрович, вед. науч. сотр, д-р. биол. наук
Поляновский Андрей Дмитриевич, вед. науч. сотр, канд.биол.наук
Чернецов Никита Севирович, вед. науч. сотр, чл.-корр., д-р. биол. наук, Директор биостанции “Рыбачий” (Куршская коса)
Астахова Любовь Александровна, ст. науч. сотр, канд.биол.наук
Капицкий Сергей Викторович, ст. науч. сотр, канд.биол.наук
Федоткина Тамара Викторовна, ст. науч. сотр, канд.биол.наук
Николаева Дарья Александровна, науч. сотр, канд.биол.наук
Ротов Александр Юрьевич, м.н.с., аспирант
Лавров Сергей Анатольевич, вед. инж.-электрик
Ситникова Виктория Сергеевна, студентка  СПБГПУ,  ст. лаб.-исслед.
Зубов Александр Сергеевич, ст. лаб.-исслед.
Рыжов Юлиан Рэммович, ПСПбГ мед.университет им. И. П. Павлова, студент-стажер

 

Книги:

  1. Винников Я. А., Титова Л. К., Кортиев орган. Гистофизиология и гистохимия, М.- Л., 1961
  2. Vinnikov, Ya., Titova, L. K.: The organ of Corti: its histophysiology and histochemistry. New York: Consultants Bureau 1964
  3. Винников Я. А., Титова Л. К,, Морфология органа обоняния, М., 1957
  4. Бронштейн, А. А. Обонятельные рецепторы позвоночных. Л.: Наука, 1977. – 160 с.
  5. Винников Я. А. Цитологические и молекулярные основы рецепции. — Л.: Наука, 1971. — 298 с.
  6. Evolution of receptor cells. cytological, membranous and molecular levels, yakov a. vinnikov, Springer-verlag, New york, 1982, 141 pp.
  7. Винников Я.А., Газенко О.Г. и др. Проблемы космической биологии. Рецептор гравитации. Эволюция структурной, цитохимической и функциональной организации. Т.XII 1971. 522 с. Л., Наука, 1971
  8. Грибакин Ф. Г. Механизмы фоторецепции насекомых. Л., 1981.
  9. Савостьянов Г.А. Основы структурной гистологии. Пространственная организация эпителиев. СПб, 2005.

Статьи:

  1. Gribakin F.G., Govardovskii V.I.. The role of photoreceptor membrane in photoreceptor optics. In "Photoreceptor optics", Ed. A. Snyder and R. Menzel, 1975. Springer Verlag, Berlin-Heidelberg-New York.
  2. Firsov ML, Kolesnikov AV, Golobokova EY, Govardovskii VI. Two realms of dark adaptation. Vision Research. 45(2):147-51.
  3. Govardovskii VI1, Fyhrquist N, Reuter T, Kuzmin DG, Donner K. In search of the visual pigment template. Vis Neurosci. 2000;17(4):509-28.
  4. Firsov ML, Donner K, Govardovskii VI. pH and rate of "dark" events in toad retinal rods: test of a hypothesis on the molecular origin of photoreceptor noise. J Physiol. 2002 15;539 (Pt 3):837-46.
  5. Govardovskii VI, Korenyak DA, Shukolyukov SA, Zueva LV. Lateral diffusion of rhodopsin in photoreceptor membrane: a reappraisal. Mol Vis. 2009 Aug 28;15:1717-29.
  6. Astakhova LA, Firsov ML, Govardovskii VI. Kinetics of turn-offs of frog rod phototransduction cascade. J Gen Physiol. 2008;132(5):587-604.
  7. Astakhova L, Firsov M, Govardovskii V. Activation and quenching of the phototransduction cascade in retinal cones as inferred from electrophysiology and mathematical modeling. Mol Vis. 2015. 7; 21:244-63.
  8. Zhukovskaya M.I., Kapitsky S.V. Activity Modulation in Cockroach Sensillum: The Role of Octopamine. J. Insect Physiol. 2006. V. 52. P. 76-86.
  9. Zhukovskaya M.I. Modulation by Octopamine of Olfactory Responses to Nonpheromone Odorants in the Cockroach, Periplaneta americana Chemical Senses (2012) 37(5): 421-429
  10. Zhukovskaya M.I. Grooming Behavior in American Cockroach is Affected by Novelty and Odor, The Scientific World Journal, vol. 2014, Article ID 329514, 6 pages, 2014. doi:10.1155/2014/329514.
  11. Lychakov DV. Functional and adaptive changes in the vestibular apparatus in space flight. Physiologist. 1991 Feb;34(1 Suppl):S204-5.
  12. Rotov A.Y., Astakhova L.A., Firsov M.L., Govardovskii V.I. Origins of the phototransduction delay as inferred from stochastic and deterministic simulation of the amplification cascade / Mol Vis 23: 416-430, 2017.

  13. Astakhova L.A., Nikolaeva D.A., Fedotkina T.V., Govardovskii V.I., Firsov M.L. Elevated cAMP improves signal-to-noise ratio in amphibian rod photoreceptors / J Gen Physiol 43(7): 689-701, 2017.

  14. Maryanovich A.T.,  Kormilets D.Yu.,  Polyanovsky A.D.. Regulatory Peptides: Exchange across the Blood-Brain Barrier / Psychol Health Med 1(1): 1-5, 2017.

  15. Pahomov A.F., Boyaronova J.G., Cherbunin R.V., Chetverikova R., Grigoryev P.S., Kavokin K.V., Kobylkov D., Lubkovskaja R., Chernetsov N.S. Very weak oscillating magnetic field disrupts the magnetic compass of songbird migrants / J R Soc Interface 12(133): 2017.

  16. Kavokin K.V. Can a hybrid chemical-ferromagnetic model of the avian compass explain its outstanding sensitivity to magnetic noise? / Plos One 12(3): , 2017.

Фирсов Михаил Леонидович д.б.н.

заведующий лабораторией

Говардовский Виктор Исаевич д.б.н.

главный научный сотрудник

Савостьянов Геннадий Александрович д.б.н.

ведущий научный сотрудник

Поляновский Андрей Дмитриевич к.б.н.

ведущий научный сотрудник

Астахова Любовь Александровна к.б.н.

старший научный сотрудник

Капицкий Сергей Викторович к.б.н.

старший научный сотрудник

Федоткина Тамара Викторовна, к.б.н.

старший научный сотрудник

Николаева Дарья Александровна к.б.н.

научный сотрудник

ЛавровСергей Анатольевич,

вед. инж.-электрик

Ситникова Виктория Сергеевна, студентка СПБГПУ

старший лаборант-исследователь

Ротов Александр Юрьевич, аспирант

младший научный сотрудник

Рыжов Юлиан Рэммович, студент ПСПбГ медицинского университета им. И. П. Павлова

студент-стажер

Зубов Александр Сергеевич

старший лаборант-исследователь