заведующий лабораторией

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.)
- 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.
- 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 |
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 |
Чербунин Роман Викторович, 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 |
Книги:
- Винников Я. А., Титова Л. К., Кортиев орган. Гистофизиология и гистохимия, М.- Л., 1961
- Vinnikov, Ya., Titova, L. K.: The organ of Corti: its histophysiology and histochemistry. New York: Consultants Bureau 1964
- Винников Я. А., Титова Л. К,, Морфология органа обоняния, М., 1957
- Бронштейн, А. А. Обонятельные рецепторы позвоночных. Л.: Наука, 1977. – 160 с.
- Винников Я. А. Цитологические и молекулярные основы рецепции. — Л.: Наука, 1971. — 298 с.
- Evolution of receptor cells. cytological, membranous and molecular levels, yakov a. vinnikov, Springer-verlag, New york, 1982, 141 pp.
- 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
- Грибакин Ф. Г. Механизмы фоторецепции насекомых. Л., 1981.
- Савостьянов Г.А. Основы структурной гистологии. Пространственная организация эпителиев. СПб, 2005.
Статьи:
- 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.
- Firsov ML, Kolesnikov AV, Golobokova EY, Govardovskii VI. Two realms of dark adaptation. Vision Research. 45(2):147-51.
- Govardovskii VI1, Fyhrquist N, Reuter T, Kuzmin DG, Donner K. In search of the visual pigment template. Vis Neurosci. 2000;17(4):509-28.
- 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.
- 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.
- Astakhova LA, Firsov ML, Govardovskii VI. Kinetics of turn-offs of frog rod phototransduction cascade. J Gen Physiol. 2008;132(5):587-604.
- 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.
- Zhukovskaya M.I., Kapitsky S.V. Activity Modulation in Cockroach Sensillum: The Role of Octopamine. J. Insect Physiol. 2006. V. 52. P. 76-86.
- Zhukovskaya M.I. Modulation by Octopamine of Olfactory Responses to Nonpheromone Odorants in the Cockroach, Periplaneta americana Chemical Senses (2012) 37(5): 421-429
- 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.
- Lychakov DV. Functional and adaptive changes in the vestibular apparatus in space flight. Physiologist. 1991 Feb;34(1 Suppl):S204-5.
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.
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.
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.
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.
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.


ведущий научный сотрудник

ведущий научный сотрудник

старший научный сотрудник

старший научный сотрудник
старший научный сотрудник

научный сотрудник
вед. инж.-электрик

младший научный сотрудник