Историческая справка
Лаборатория была создана в 1956 г. проф. Я.А.Винниковым, под названием «Лаборатория эволюционной морфологии». В начале своей деятельности, Лаборатория ставила перед собой задачи изучения морфологии сенсорных систем различной модальности — фото-, механо- и хеморецепторных. Со временем, в Лаборатории появилось и развилось сильное электрофизиологическое направление, а основным объектом исследования Лаборатории в настоящее время является фоторецепторная система позвоночных животных. Сегодня в Лаборатории активно развиваются три направления – исследование механизмов фоторецепции, разработка технологий оптогенетического протезирования сетчатки и изучение механизмов магниторецепции у мигрирующих животных. Первое направление является традиционным для Лаборатории. Основные вопросы, разработка которых продолжается и по сию пору, были поставлены основателем этого направления, замечательным ученым Виктором Исаевичем Говардовским. В это направление входит изучение свойств каскада фототрансдукции, различных адаптационных механизмов фоторецепторов и зрительной системы в целом, а также функциональных свойств зрительных пигментов. В конце 2023 года в Лабораторию эволюции органов чувств влилась группа Нейрофизиологии и патологии поведения под руководством ведущего научного сотрудника, к.б.н. Елены Владимировны Филатовой.
В настоящее время в Лаборатории работают 11 научных сотрудников (из них 2 доктора и 6 кандидатов наук), 1 аспирант, 1 инженер и 4 лаборанта. Кроме того, в исследованиях, проводимых в лаборатории постоянно участвуют студенты биологических, физических и медицинских специальностей, выполняющие различные курсовые и квалификационные работы. Лаборатория располагает современным и уникальным оборудованием для проведения электрофизиологических, биохимических, гистологических и молекулярно-биологических исследований. Мы активно используем в нашей работе математическое моделирование интересующих нас биологических процессов и биологических структур.
Основные направления научной деятельности:
1. Механизмы фоторецепции позвоночных
1.1. Исследование каскада фототрансдукции в палочках и колбочках сетчатки позвоночных.
(М.Л.Фирсов, Л.А.Астахова, А.Ю.Ротов, Д.А.Николаева, М.А.Некрасова)
Каскад фототрансдукции – последовательность биохимических реакций, позволяющая превратить энергию поглощенного фотона в электрический ответ фоторецепторной клетки через регуляцию внутриклеточной концентрации циклического гуанозинмонофосфата (цГМФ). 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).
Также мы исследуем специфику механизмов возбуждения и адаптации в рецепторах дневного зрения – колбочках по сравнению с палочками – высокочувствительными рецепторами ночного зрения. 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).
LIGHT ADAPTATION OF RETINAL RODS, ADAPTATION MEMORY, AND AFTERIMAGES//Rotov A.Y., Astakhova L.A., Firsov M.L., Govardovskii V.I. Neuroscience and Behavioral Physiology. 2021. Т. 51. № 1. С. 116-122. https://doi.org/10.1007/s11055-020-01046-2
THE EFFECTS OF DOPAMINE AND DOPAMINE RECEPTOR AGONISTS ON THE PHOTOTRANSDUCTION CASCADE OF FROG RODS//Nikolaeva D.A., Astakhova L.A., Firsov M.L. Molecular Vision. 2019. Т. 25. С. 400-414. IF 2.4 http://www.molvis.org/molvis/v25/400/
1.2. цАМФ-зависимые механизмы регуляции в каскаде фототрансдукции.
(М.Л.Фирсов, Л.А.Астахова, А.Ю.Ротов, Д.А.Николаева, Н.О.Ерофеева, М.В.Беляков)
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). Регуляция уровня цАМФ в фоторецепторных клетках в жизни могла бы происходить под действием дофамина, который выделяется клетками сетчатки в соответствии с суточными ритмами. Нами было исследовано, оказывает ли дофамин и агонисты его рецепторов на чувствительность к свету каскада фототрансдукции в палочках позвоночных, и было показано, что такая регулировка действительно возможна, но происходит она не только и не столько за счет регулирования внутриклеточного уровня цАМФ, а с привлечением других внутриклеточных посредников (например, Сa2+) (Nikolaeva et al., 2019).
Большой интерес представляет также вопрос, участвует ли цАМФ в регулировке каскада фототрансдукции во время развития фотоответа, то есть реакции фоторецептора на короткий световой стимул или реакция на включение или выключение продолжительного светового стимула. Характерные времена этих процессов – секунды или десятки секунд. Для измерения изменений внутриклеточного уровня цАМФ в этой временной шкале, в лаборатории создана специальная установка, позволяющая осуществлять мгновенную криофиксацию уровня сигнальных метаболитов в фоторецепторах (грант РНФ 22-25-00656).
MULTIPLE ROLES OF CAMP IN VERTEBRATE RETINA//Erofeeva N., Meshalkina D., Firsov M. Cells. 2023. Т. 12. № 8. С. 1157. https://doi.org/10.3390/cells12081157 IF 6.6
CAMP-DEPENDENT REGULATION OF THE PHOTOTRANSDUCTION CASCADE IN CONES//Sitnikova V.S., Astakhova L.A., Firsov M.L. Neuroscience and Behavioral Physiology. 2021. Т. 51. № 1. С. 108-115. https://doi.org/10.1007/s11055-020-01045-3
1.3. Физиологические особенности фоторецепторов позвоночных в сравнительно-эволюционном аспекте.
(М.Л.Фирсов, Л.А.Астахова, А.Ю.Ротов, Николаева Д.А., А.Д.Новоселов, О.В.Чернышкова)
Среди различных групп позвоночных существуют как минимум несколько типов фоторецепторов двойственной природы, которые невозможно однозначно отнести к палочкам или колбочкам. Они совмещают признаки этих двух типов рецепторов в различных комбинациях и демонстрируют необычное поведение в ответ на световую стимуляцию. Исследование таких «промежуточных» фоторецепторов представляет большой интерес, поскольку оно может пролить свет на происхождение высокоспециализированных палочек и колбочек.
В последние годы мы исследовали зеленые палочки амфибий – уникальный для этой группы тип фоторецепторов, реализующий типично палочковую физиологию на основе каскада, содержащего колбочко-специфичные белки. Мы показали, что зеленые палочки современных бесхвостых амфибий (лягушки и жабы) являются даже более эффективными детекторами одиночных фотонов, чем также присутствующие в их сетчатке типичные («красные») палочки (Astakhova et al., 2021). Таким образом, амфибии потенциально способны воспринимать цвета даже в условиях минимальной освещенности, когда ночное зрение других позвоночных позволяет наблюдать лишь «черно-белую» картину окружения.
Еще одним направлением изучения фоторецепторов и фототрансдукции в эволюционном аспекте являются работы на эволюционно древнейшем позвоночном – миноге. В последнее время мы детально изучили физиологические свойства двух типов фоторецепторов речной миноги – коротки х и длинных фоторецепторов, и нами было показано, что хотя они обладают разной чувствительностью к свету, есть рабочий диапазон, где они могут обеспечивать миноге цветовое зрение, поскольку зрительные пигменты данных двух типов фоторецепторов имеют разные спектры поглощения (Govardovskii et al., 2020). Также в настоящее время мы заинтересовались вопросом, присутствует ли у миноги (т.е. были ли в далеком эволюционном прошлом) механизмы регуляции каскада фототрансдукции через рецепторы дофамина и внутриклеточный уровень цАМФ. В настоящее время данное исследование начато, и получены лишь первые результаты, которые пока трудно интерпретировать однозначно.
PHOTOTRANSDUCTION IN ANURAN GREEN RODS: ORIGINS OF EXTRA-SENSITIVITY//Astakhova L.A., Novoselov A.D., Ermolaeva M.E., Firsov M.L., Rotov A.Yu. International Journal of Molecular Sciences. 2021. Т. 22. № 24. https://doi.org/10.3390/ijms222413400 IF 5.9
2. Исследование клеточных механизмов магниторецепции
(Н.С.Чернецов, Л.А.Астахова, А.Ю.Ротов, К.В.Кавокин, Ю.Г.Бояринова, Р.В.Чербунин, В.В.Шахпаронов, Д.М.Санников, М.Л. Фирсов)
Магнитное поле Земли является источником информации о сторонах света и о положении в пространстве для многих животных. Экспериментально подтверждены факты наличия магнитосенсорного чувства как еще одной сенсорной модальности в дополнение к гораздо лучше изученным фото-, хемо- и механорецепции, и менее изученной электрорецепции. В то
же время восприятие магнитного поля (МП) животными остается единственным чувством, для которого до сих пор неизвестен сенсорный механизм. В рамках грантов РНФ №№ 16-14-10159 «Механизм работы магнитного компаса мигрирующих птиц» и 21-14-00158 «Магниторецепция у позвоночных животных» (руководитель чл.-корр. РАН Н.С.Чернецов) в лаборатории проводились и проводятся комплексные электрофизиологические, поведенческие и морфологические исследования, имеющие целью идентификацию клеточного субстрата магниторецепции – гипотетической клетки-магниторецептора. В рамках данного направления в лаборатории была создана уникальная экспериментальная установка для записи электроретинограммы от изолированной сетчатки птиц с приложением к образцу сетчатки модулируемого магнитного поля (Rotov et al., 2018, Rotov et al., 2020, Astakhova et al., 2020). Также была разработана уникальная методика локального приложения осциллирующих магнитных полей к разным частям тела живой птицы, которая при этом сохраняет способность к миграционному поведению (Bojarinova et al., 2020).
MAGNETORECEPTORY FUNCTION OF EUROPEAN ROBIN RETINA: ELECTROPHYSIOLOGICAL AND MORPHOLOGICAL NON-HOMOGENEITY//Rotov A.Yu., Goriachenkov A.A., Cherbunin R.V., Firsov M.L., Chernetsov N., Astakhova L.A. Cells. 2022. Т. 11. № 19. С. 3056. https://doi.org/10.3390/cells11193056 IF 6.6
ELECTRORETINOGRAPHIC STUDY OF THE MAGNETIC COMPASS IN EUROPEAN ROBINS: STUDY OF AVIAN MAGNETIC COMPASS BY ERG//Astakhova L.A., Rotov A.Y., Cherbunin R.V., Goriachenkov A.A., Kavokin K.V., Firsov M.L., Chernetsov N. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 2020. Т. 287. № 1940. С. 20202507. https://doi.org/10.1098/rspb.2020.2507 IF 5.3
SEARCHING FOR MAGNETIC COMPASS MECHANISM IN PIGEON RETINAL PHOTORECEPTORS//Rotov A.Yu., Cherbunin R.V., Anashina A., Kavokin K.V., Chernetsov N., Firsov M.L., Astakhova L.A. PLoS ONE. 2020. Т. 15. № 3. С. e0229142. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0229142 IF 3.2
RELATIONSHIP BETWEEN AVIAN MAGNETIC COMPASS AND PHOTORECEPTION: HYPOTHESES AND UNRESOLVED QUESTIONS//Astakhova L.A., Rotov A.Yu., Kavokin K.V., Chernetsov N.S., Firsov M.L. Biology Bulletin Reviews. 2020. Т. 10. № 1. С. 1-10. https://doi.org/10.1134/S2079086420010028
3. Исследование биохимии зрительных пигментов фоторецепторов в интактных фоторецепторах.
(А.Ю.Ротов, Д.А.Николаева, А.Д.Новоселов)
Сконструированный В.И.Говардовским 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 происходящего после поглощения фотона распада (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 (Golobokova et al., 2006). Также, мы выявили, что процесс фотолиза в палочкоподобных клетках круглоротых (речной миноги) протекает с промежуточной скоростью между типичными палочками и колбочками (Govardovskii et al., 2020). Это подтверждает «промежуточную» природу этого типа фоторецепторов, и позволяет считать его аналогичным «предковой» примитивной палочке.
VISUAL CELLS AND VISUAL PIGMENTS OF THE RIVER LAMPREY REVISITED//Govardovskii V., Rotov A.Yu., Astakhova L.A., Nikolaeva D., Firsov M.L. Journal of Comparative Physiology A: Sensory, Neural, and Behavioral Physiology. 2020. Т. 206. № 1. С. 71-84. https://doi.org/10.1007/s00359-019-01395-5 IF 1.8
4. Разработка технологий протезирования сетчатки, подвергшейся нейродегенеративной деградации.
Оптогенетическое протезирование биполярных клеток сетчатки
(М.Л.Фирсов, Д.А.Мешалкина, А.Ю.Ротов, И.С.Романов, Л.А.Астахова, Ю.А.Чилигина, Н.О.Ерофеева, А.В.Карпушев)
Задача этого направления работы лаборатории – разработка технологии оптогенетического протезирования сетчатки, как одного из многообещающих подходов для восстановления зрительной функции, утраченной вследствие дегенеративных заболеваний сетчатки. В результате таких болезней, как возрастная макулодистрофия, пигментный ретинит и другие, погибает слой фоторецепторных клеток и наступает полная или почти полная слепота, однако другие нейронные слои сохраняются. Возможным вариантом лечения слепоты является искусственное создание в сетчатке светочувствительных элементов, способных взять на себя функции фоторецепторов и вновь запустить сохранившиеся пути передачи зрительной информации в мозг. Наиболее перспективной мишенью для протезирования дегенерировавшей сетчатки являются вторые нейроны — биполярные клетки. Мы разрабатываем комплексную технологию, включающую создание в биполярных клетках высокоэффективного трасдукционного каскада, основанного на химерном светочувствительном GPCR-рецепторе, а также использование полимерных нанокапсул в качестве векторов для доставки в сетчатку генетического материала.
Параллельно в лаборатории проводятся исследования молекулярных механизмов дегенерации фоторецепторов на модельных организмах – мышах с нокаутом палочко-специфичной фосфодиэстеразы. В частности, мы изучаем вклад клеточного ответа на несвернутый белок в прогрессирующую гибель палочек на линии мышей, разработанной на базе Центра трансгенеза и редактирования генома СПбГУ.
VIRUS VECTORS FOR OPTOGENETIC PROSTHETIZATION OF THE RETINA//Rotov A.Y., Nikolaeva D.A., Astakhova L.A., Firsov M.L. Neuroscience and Behavioral Physiology. 2020. Т. 50. № 3. С. 358-366. https://doi.org/10.1007/s11055-020-00911-4
DOES BACKGROUND MATTER? A COMPARATIVE CHARACTERIZATION OF MOUSE MODELS OF AUTOSOMAL RETINITIS PIGMENTOSA RD1 AND PDE6B-KO//Chirinskaite A.V., Rotov A.Yu., Ermolaeva M.E., Tkachenko L.A., Vaganova A.N., Danilov L.G., Fedoseeva K.N., Kostin N.A., Sopova Ju.V., Firsov M.L., Leonova E.I. International Journal of Molecular Sciences. 2023. Т. 24. № 24. С. 17180. IF 5.9 https://doi.org/10.3390/ijms242417180
5. Разработка формализованной теории развития элементарных единиц многоклеточности и пространственной организации клеточных пластов
(Г.А. Савостьянов, Н.М. Грефнер (ФГБНУ ИЭМ) и Т.Б. Голубева (МГУ))
Цель этого направления – разработка концепции элементарных единиц многоклеточности как основы для выявления законов развития, создания формализованного номогенеза и построения вычислительной трехмерной гистологии. Основой направления является количественный анализ процессов специализации клеток и их интеграции в элементарные единицы многоклеточности – гистионы. Полученные результаты являются приоритетными и открывают новое направление исследований фило- и онтогенеза многоклеточности, а также построения трехмерной гистологии как теоретической основы тканевой инженерии. Подробнее с результатами можно ознакомиться по монографии Г.А. Савостьянов СТРУКТУРНЫЕ ОСНОВЫ БИОЛОГИИ РАЗВИТИЯ И ТРЕХМЕРНОЙ ГИСТОЛОГИИ. НОВЫЙ ПОДХОД К ИЗУЧЕНИЮ КАНЦЕРОГЕНЕЗА. СПб: Лемма, 2020, 832 с, а также на сайте: http://members.tripod.com/~Gensav
