Группа редокс-биологии

Отдел метаболизма и редокс-биологии

Руководитель: Подгорный О.В.

инсулин, диабет, бета клетки, АФК, DAO, DAAO, DAAD, окислительный стресс, термогенетика, TRP

Группа редокс-биологии основана в 2019 году в составе отдела Метаболизма и редокс-биологии под руководством Всеволода Вадимовича Белоусова.

Группа проводит исследования окислительно-восстановительных процессов, связанных с продукцией пероксида водорода в живых системах. Пероксид водорода является одной из активных форм кислорода (АФК), незаряженной и наиболе стабильной, и принимает участие в огромной количестве химических реакций внутри клетки, тесно связанных с внутриклеточной передачей сигнала.

Также группа разарабатывает термогенетические инструменты для управления профилем кальциевого сигнала в живых системах на уровне клетки, ткани, а также индивидуальных живых орагнизмов in vivo в совместном проекте с Лабораторией молекулярных технологий,  лабораторией клеточной нейробиологии обучения (Институт высшей нервной деятельности РАН д.б.н., проф. П. М. Балабан) и группой нелинейной оптики (МГУ им. М.В. Ломоносоваб проф. д. ф.-м. н., А.М. Жёлтиков).

На настоящий момент актуальной модельной системой изучения является модель культуральных и первичных клеток поджелудочной железы мыши, а также поджелудочной железы мыши in vivo в колаборации с Группой метаболических основ патологии ( д.б.н., Д. С. Билан).

Наличие подобных инструментов управления активностью β-клеток и изучения механизмов их работы имеет важнейшее биомедицинское значение.

Более 300 миллионов человек во всем мире страдают от сахарного диабета, комплексного заболевания, связанного с нарушением усвоения глюкозы. 

Следствием сахарного диабета является стабильное повышение уровня глюкозы в крови (гипергликемия), приводящая к нарушению всех основных видов обмена веществ: углеводного, белкового, липидного, водно-солевого.

Сахарный диабет является хроническим заболеванием, его развития и лечение занимает длительное время.

Существуют несколько методов лечения диабета, одним из которых является плановое введение инъекций инсулина в кровь в течение всей жизни. Это лечение рекомендовано людям, восстановить секрецию инсулина у которых не представляется возможным, и требует постоянных инъекций и контроля уровня глюкозы в крови.

Учитывая долговременное развитие заболевания наилучшим подходом к его лечению является сохранения и регуляция работы секреции инсулина собственными β-клетками пациента, и для разработки этих методов необходимо детально изучить механизмы регуляции кальций-зависимой секреции инсулина, что входит в основные задачи группы редокс-биологии.

Окислительно-восстановительная регуляция секреции инсулина.

Нарушение секреции инсулина является основной причиной развития сахарного диабета. Известно, что секреция инсулина поджелудочной железой регулируется внутриклеточным сигналингом β- клеток островков Лангерганса, и АФК принимают непосредственное участие в данном процессе.

На сегодняшний день нет четкого представления о механизме действия АФК в процессе регуляции секреции инсулина, и данные, полученные in vivo и in vitro, сильно разнятся, что связано с недостатком методов эндогенной продукции АФК без активации различных вышестоящих белков сигнальных каскадов.

С помощью дрожжевой оксидазы D-аминокислот (DAO), мы сможем специфично регулировать продукцию АФК в различных компартментах β- клеток, и ответить на вопрос о влиянии локальных концентраций АФК в β- клетках на продукцию инсулина данными клетками in vitro (первичные и иммортализованные культуры β- клеток) и в животных in vivo.

Использование DAO позволяет стимулировать продукцию АФК неинвазивно, внося в клеточную среду или питьевую воду животного D-аминокислоты, легко проникающие в различные клеточные компартменты и органы. Мониторинг уровня глюкозы и инсулина в крови животного с помощью ELISA позволит длительное время наблюдать за изменением метаболического состояния животного по анализу крови.

В сочетании с новейшими генетически-кодируемыми сенсорами, позволяющими проводить мониторинг колебаний кальция (GCaMP6s), пероксида водорода (HyPer1-3, HyPerRed), инсулиновых гранул (RINS1) и локальной экспрессией DAO, мы можем мультипараметрически наблюдать за продукцией пероксида водорода и секрецией инсулина. Наблюдение за уровнем экспрессии генов редокс-ответа клеток, а также генов-маркеров развития паталогических состояний β-клеток позволит сравнить действие окислительного стресса на β- клетки с процессами, происходящим при развитии заболеваний поджелудочной железы.

Вторым направением исследований в колаборации с Лабораторией молекулярных технологий являтся Разработка термогенетических модуляторов для управления поведением клеток поджелудочной железы с помощью терморецепторов.

Терморецепторы большинства организмов, представленные каналами TRPA1, TRPV1 (Transient Receptor Potential), являются неселективными катионными каналами, т.е. способны при активации пропускать гидратированные катионы натрия, калия, кальция и магния.

При активации терморецепторов, в клетки преимущественно поступают катионы кальция, т.к. градиент между внутри- и внеклеточной концентрациями этого катиона максимален.

Диаметр поры TRPA1, TRPV1 на 3 порядка больше, чем у натриевых светочувсвительных каналов ChRs (ChannelRhodopsine), поэтому иногда в литературе их называют «кальциевыми», что отражает не столько их строение, сколько функцию. TRP каналы быстро активируются и инактивируются, т.к. являются рецепторами физического воздействия (температуры), а также имеют ряд химических агонистов, способных приводить к их активации (алилизотиоционат, капсаицин) за счет окисления остатков цистеина в С-чувствительной части канала.

1image.png

Фигура 1. Схема установки для термогенетической стимуляции клеток и её параметры для клеток MIN6.

Термогенетика представляет собой подход для регуляции активности клеток с помощью термоактивируемых каналов надсемейства TRP, применимый как для модельных клеточных культур, так и для животных in vivo, и является частью группы методов оптогенетики, т.е. методики активации клеток с помощью света, с тем отличием, что «свет» в данном случае относится к не видимому излучению, а чаще всего инфракрасному (ИК).

Излучение, необходимое для активации термоканалов, невидимо для живых организмов, что снижает влияние стресса животного в процессе стимуляции. За счет низкого поглощения собственными пигментами, инфракрасное и СВЧ излучение не вызывает фототоксических эффектов в первых слоях тканей образца, т.к. нет нужды 50-ти кратно увеличивать дозу излучения, как это делается в случае синего света, используемого для активации ChRs, из-за поглощения в верхних слоях образца.

Молекулярные инструменты термогенетики прекрасно зарекомендовали себя в наших экспериментах по стимуляции нейронов. Однако ввиду их высокой проводимости по кальцию, очевидным следующим шагом является распространение этой технологии для стимуляции клеток не-нейронального фенотипа. Ионы кальция являются ключевыми мессенджерами в клетках.

Существует большая потребность в методах, позволяющих управлять концентрацией Ca2+ на внутриклеточном уровне. Однако в настоящий момент такие технологии практически отсутствуют, несколько имеющихся методик обладают недостатками, делающими их широкое применение невозможным.

Нам представляется, что идеальным решением данной проблемы будет применение термогенетических кальциевых переключателей.

В качестве модели мы используем инсулин-продуцирующие β-клетки поджелудочной железы.

Их активация регулируется, с одной стороны, деполяризацией мембраны, а с другой – входом кальция в цитоплазму, поэтому каналы TRPA1 представляются удобным синтетическим активатором продукции инсулина.

Наличие подобных инструментов управления активностью β-клеток и изучения механизмов их работы имеет важнейшее биомедицинское значение.

В процессе существования лаборатории защищена  магистерская диссертация (Пак В. В.)

ФИОДолжностьКонтакты
Ермакова Ю.Г., к.б.н.рук.
Мальцев Д.И.м.н.с.
Пак В.В.студ.
Загрузка...
Загрузка...

Подгорный О.В.

Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10 — На карте

Загрузка...