Появление первой волны активации синтеза белка наблюдалось через час после подведения серотонина, ко 2-му часу она исчезала. На 3-м часу возникала вторая волна активации синтеза белка, более выраженная и протяженная во времени.
Анализ состава синтезируемых белков с помощью гель-электрофореза показал, что на первой фазе активации под влиянием серотонина и цАМФ создаются одни и те же 15 белков. Их активация кратковременна (от 1 до 3 ч) и наступает через 15—30 мин после начала воздействия. Вторая волна появляется через 3 ч после начала воздействия и длится около 5 ч; она включает синтез четырех новых белков, а через 24 ч — синтез еще двух.
154
Одна из популярных сегодня молекулярных моделей памяти представляет процесс формирования памяти следующим образом. Внешнее воздействие (изменение экстраклеточной среды) вызывает в геноме нейрона каскадную реакцию, в которой выделяются две фазы активации синтеза белков и РНК. Первая фаза активации соответствует индукции специфических регуляторных генов из класса «непосредственно ранних генов». Продукты ранних генов индуцируют экспрессию «поздних» генов — морфорегуляторных генов. Они определяют вторую фазу активации синтеза РНК и белков, что ведет к росту и/или изменению клеточных связей в мозге.
«Ранние гены» впервые были обнаружены при изучении влияния фактора роста на нейроны в культуре ткани. По своим свойствам они напоминали «непосредственно ранние гены» бактериофагов и эукариотических ДНК вирусов. Поэтому по аналогии с вирусными генами эти быстро активирующиеся клеточные гены были названы «генами первичного ответа», «генами раннего ответа», «генами компетентности». Одним из первых ранних генов, который был идентифицирован и клонирован, стал ген c-fos. Предполагается, что он контролирует клеточный рост и пролиферацию. К настоящему времени клонировано уже около 100 ранних генов. Продукты большинства ранних генов представляют собой регуля-торные белки. Ранние гены контролируют транскрипцию поздних генов, являющихся для них мишенями. Они влияют на регулятор-ные элементы поздних генов в их промоторных областях, которые служат рецепторами для продуктов ранних генов.
Механизм долговременной памяти с учетом двухкаскадной реакции экспрессии генов представлен на рис. 36. Показаны волны экспрессии ранних генов (РГ) и поздних генов (ПГ). ДП формируется после экспрессии поздних генов.
В ряде раббт специально проверялась связь первой волны активации синтеза РНК и белков с экспрессией ранних генов. Индукция ранних генов (c-fos, c-jun), контролируемая с помощью введения радиоактивных предшественников РНК, была обнаружена в неокортексе мышей через 15 мин уже после одного опыта с обучением пассивному избеганию. Сходный эффект был зафиксирован через 30 мин после сеанса обучения крыс активному избеганию электрического тока (запрыгиванием на полочку): синтез мРНК возрастал вследствие индукции раннего гена c-fos, но не с-тус. Изменение наблюдали в коре, гиппокампе и мозжечке (Анохин К.В., 1997).
Экспрессия ранних генов возникает на ранней стадии обучения и с автоматизацией навыка исчезает (Анохин К.В., 1997). Чем труднее идет обучение, тем сильнее выражена их экспрессия. Хуже
155
0246
Обучение
Ранние гены
12 Время (часы)
Поздние гены
Рис. 36. Две волны экспрессии генов, определяющих появление долговременной памяти (ДП).
Экспрессии ранних (РГ) и поздних (ПГ) генов. На абсциссе — время после обучения; на ординате — эффективность процессов, определяющих долговременную память (по К.В. Анохину, 1997).
обучающиеся мыши (неуспешная группа) отличались в 1,8 раза большей экспрессией гена c-fos по сравнению с успешной группой. Экспрессия ранних генов c-fos и c-jun стимулировалась не только ситуацией обучения, но и помещением животного в новую, сенсорно-обогащенную среду, а также отменой ожидаемого отрицательного подкрепления.
Удобным объектом для изучения механизмов памяти всегда был гиппокамп. На нем легко можно смоделировать процесс обучения, создавая в нем электрической стимуляцией эпилептический очаг активности. С помощью измерения синтеза РНК радиологическими методами было установлено, что эпилептическая активность увеличивает экспрессию ранних генов в пирамидных клетках гип-покампа и зубчатой фасции. Кроме того, в этих же структурах гип-покампа наблюдается экспрессия двух других генов. Один кодирует синтез протеинкиназы А, ответственной за фосфорилирование белков. Экспрессия другого гена вызывает синтез рецепторов NMDA, медиатором для которых служит глутамат. Известно, что через эти рецепторы в клетку входит особенно много ионов Са2+, поэтому они непосредственно участвуют в процессе обучения.
Сильное влияние на представление о молекулярных механизмах памяти оказали работы Э. Кэндела и его коллег (Goelet P. et al., 1986; Kandel E. et al., 1987). Его теория каскада молекулярных реакций при обучении предполагает три уровня памяти. Кратковремен-
156
ная память, которая длится от нескольких минут до нескольких часов, обусловлена ковалентной модификацией белков, не достигших состояния возбуждения. Промежуточная память, охватывающая несколько часов, обусловлена фосфорилированием белков. Долговременная память, длящаяся более чем один день, зависит уже от индукции новых генов через вторичных посредников и регуляторов транскрипции. Авторы предположили, что ранние эф-фекторные гены ответственны за синтез белков, которые сохраняют память в течение дней. Память, сохраняемая в течение недель и месяцев, поддерживается другими — поздними эффекторными генами, которые включаются ранними регуляторными генами.
На основе накопленных за последние годы сведений об экспрессии генов при обучении некоторые исследователи приходят к выводу о том, что память'использует тот же генетический аппарат, который связан с онтогенетическим развитием организма, с регуляцией роста и дифференциацией его клеток. Подчеркивается общность молекулярного каскада экспрессии генов при обучении и развитии. Оба процесса реагируют на изменения экстраклеточной среды. На стадии развития организма новые экстраклеточные сигналы ведут к инициации экспрессии генов, обеспечивающей клеточную дифференцировку и консолидацию генетически запрограммированных функциональных систем.
При обучении комбинация экстраклеточных сигналов вызывает реэкспрессию генов, бывших активными на стадии созревания и онтогенетического развития организма.
На рис. 37 показано сходство основных этапов процессов экспрессии генов при развитии и обучении. Экстраклеточные сигналы активируют вторичные мессенджеры, которые высвобождают каталитические субъединицы протеинкиназ. Протеинкиназа транспортируется в ядро клетки и там через транскрипционные факторы действует на ранние гены (c-fos и c-jun), вызывая их экспрессию.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122
Анализ состава синтезируемых белков с помощью гель-электрофореза показал, что на первой фазе активации под влиянием серотонина и цАМФ создаются одни и те же 15 белков. Их активация кратковременна (от 1 до 3 ч) и наступает через 15—30 мин после начала воздействия. Вторая волна появляется через 3 ч после начала воздействия и длится около 5 ч; она включает синтез четырех новых белков, а через 24 ч — синтез еще двух.
154
Одна из популярных сегодня молекулярных моделей памяти представляет процесс формирования памяти следующим образом. Внешнее воздействие (изменение экстраклеточной среды) вызывает в геноме нейрона каскадную реакцию, в которой выделяются две фазы активации синтеза белков и РНК. Первая фаза активации соответствует индукции специфических регуляторных генов из класса «непосредственно ранних генов». Продукты ранних генов индуцируют экспрессию «поздних» генов — морфорегуляторных генов. Они определяют вторую фазу активации синтеза РНК и белков, что ведет к росту и/или изменению клеточных связей в мозге.
«Ранние гены» впервые были обнаружены при изучении влияния фактора роста на нейроны в культуре ткани. По своим свойствам они напоминали «непосредственно ранние гены» бактериофагов и эукариотических ДНК вирусов. Поэтому по аналогии с вирусными генами эти быстро активирующиеся клеточные гены были названы «генами первичного ответа», «генами раннего ответа», «генами компетентности». Одним из первых ранних генов, который был идентифицирован и клонирован, стал ген c-fos. Предполагается, что он контролирует клеточный рост и пролиферацию. К настоящему времени клонировано уже около 100 ранних генов. Продукты большинства ранних генов представляют собой регуля-торные белки. Ранние гены контролируют транскрипцию поздних генов, являющихся для них мишенями. Они влияют на регулятор-ные элементы поздних генов в их промоторных областях, которые служат рецепторами для продуктов ранних генов.
Механизм долговременной памяти с учетом двухкаскадной реакции экспрессии генов представлен на рис. 36. Показаны волны экспрессии ранних генов (РГ) и поздних генов (ПГ). ДП формируется после экспрессии поздних генов.
В ряде раббт специально проверялась связь первой волны активации синтеза РНК и белков с экспрессией ранних генов. Индукция ранних генов (c-fos, c-jun), контролируемая с помощью введения радиоактивных предшественников РНК, была обнаружена в неокортексе мышей через 15 мин уже после одного опыта с обучением пассивному избеганию. Сходный эффект был зафиксирован через 30 мин после сеанса обучения крыс активному избеганию электрического тока (запрыгиванием на полочку): синтез мРНК возрастал вследствие индукции раннего гена c-fos, но не с-тус. Изменение наблюдали в коре, гиппокампе и мозжечке (Анохин К.В., 1997).
Экспрессия ранних генов возникает на ранней стадии обучения и с автоматизацией навыка исчезает (Анохин К.В., 1997). Чем труднее идет обучение, тем сильнее выражена их экспрессия. Хуже
155
0246
Обучение
Ранние гены
12 Время (часы)
Поздние гены
Рис. 36. Две волны экспрессии генов, определяющих появление долговременной памяти (ДП).
Экспрессии ранних (РГ) и поздних (ПГ) генов. На абсциссе — время после обучения; на ординате — эффективность процессов, определяющих долговременную память (по К.В. Анохину, 1997).
обучающиеся мыши (неуспешная группа) отличались в 1,8 раза большей экспрессией гена c-fos по сравнению с успешной группой. Экспрессия ранних генов c-fos и c-jun стимулировалась не только ситуацией обучения, но и помещением животного в новую, сенсорно-обогащенную среду, а также отменой ожидаемого отрицательного подкрепления.
Удобным объектом для изучения механизмов памяти всегда был гиппокамп. На нем легко можно смоделировать процесс обучения, создавая в нем электрической стимуляцией эпилептический очаг активности. С помощью измерения синтеза РНК радиологическими методами было установлено, что эпилептическая активность увеличивает экспрессию ранних генов в пирамидных клетках гип-покампа и зубчатой фасции. Кроме того, в этих же структурах гип-покампа наблюдается экспрессия двух других генов. Один кодирует синтез протеинкиназы А, ответственной за фосфорилирование белков. Экспрессия другого гена вызывает синтез рецепторов NMDA, медиатором для которых служит глутамат. Известно, что через эти рецепторы в клетку входит особенно много ионов Са2+, поэтому они непосредственно участвуют в процессе обучения.
Сильное влияние на представление о молекулярных механизмах памяти оказали работы Э. Кэндела и его коллег (Goelet P. et al., 1986; Kandel E. et al., 1987). Его теория каскада молекулярных реакций при обучении предполагает три уровня памяти. Кратковремен-
156
ная память, которая длится от нескольких минут до нескольких часов, обусловлена ковалентной модификацией белков, не достигших состояния возбуждения. Промежуточная память, охватывающая несколько часов, обусловлена фосфорилированием белков. Долговременная память, длящаяся более чем один день, зависит уже от индукции новых генов через вторичных посредников и регуляторов транскрипции. Авторы предположили, что ранние эф-фекторные гены ответственны за синтез белков, которые сохраняют память в течение дней. Память, сохраняемая в течение недель и месяцев, поддерживается другими — поздними эффекторными генами, которые включаются ранними регуляторными генами.
На основе накопленных за последние годы сведений об экспрессии генов при обучении некоторые исследователи приходят к выводу о том, что память'использует тот же генетический аппарат, который связан с онтогенетическим развитием организма, с регуляцией роста и дифференциацией его клеток. Подчеркивается общность молекулярного каскада экспрессии генов при обучении и развитии. Оба процесса реагируют на изменения экстраклеточной среды. На стадии развития организма новые экстраклеточные сигналы ведут к инициации экспрессии генов, обеспечивающей клеточную дифференцировку и консолидацию генетически запрограммированных функциональных систем.
При обучении комбинация экстраклеточных сигналов вызывает реэкспрессию генов, бывших активными на стадии созревания и онтогенетического развития организма.
На рис. 37 показано сходство основных этапов процессов экспрессии генов при развитии и обучении. Экстраклеточные сигналы активируют вторичные мессенджеры, которые высвобождают каталитические субъединицы протеинкиназ. Протеинкиназа транспортируется в ядро клетки и там через транскрипционные факторы действует на ранние гены (c-fos и c-jun), вызывая их экспрессию.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122