Лаборатория эволюции органов чувств

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.

2. 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: