Лаборатория экспериментальной экологии


Направления исследований

Исследование закономерностей эволюции механизмов устойчивости организмов водных  и почвенных беспозвоночных к действию неблагоприятных факторов среды

Основные научные результаты и достижения

Показано, что главной мишенью действия неблагоприятных факторов среды на организмы беспозвоночных является нервная система.

Показано, что изменения окружающей среды, такие как тепловой стресс, кратковременное голодание, гиперосмотический стресс и токсиканты, вызывают активацию холинергической системы беспозвоночных.

Выявлена роль серотонина и дофамина в реакции организмов беспозвоночных на ухудшение окружающей среды. Впервые показано, что регуляция термотолерантности Caenorhabditis elegans  серотонином осуществляется активацией SER-4 рецепторов серотонина.

****************************************************************************

c.elegans

Свободноживущая почвенная нематода Caenorhabditis elegans в последние 10-15 лет является одним из самых популярных модельных видов в нейробиологии и генетике. Впервые его использовал Сидней Бреннер в 1963 году. Преимущества C.elegans как модельного вида заключаются в следующем:

1. Эти беспозвоночные чрезвычайно удобны для экспериментов на надорганизменном уровне из-за микроскопических размеров тела, позволяющих одновременное содержание в контролируемых лабораторных условиях большого количества популяций в различающихся условиях окружающей среды. При этом современные методики содержания C.elegans, в которых почва заменена на агар, позволяют постоянную регистрацию таких популяционных параметров как численность, возрастная структура, плодовитость и выживаемость.

2. Быстрая смена поколений в популяции C.elegans (эта нематода достигает половой зрелости на 3-й день жизни) позволяет исследовать в модельных экспериментах медленные процессы адаптивной реакции популяции беспозвоночных на ухудшение среды, обусловленные обратимым изменением генетической структуры популяции естественным отбором фенотипов с высокой приспособленностью в течение ряда поколений. Быстрая смена поколений позволяет дифференцировать генетические и фенотипические модификации особей, индуцированные ухудшением среды.

3. В последние годы полностью охарактеризованы простая нервная система C.elegans, которая состоит из 302 нейронов,  и геном этой нематоды. Это облегчает интерпретацию экспериментальных данных о действии внутривидовых и межвидовых химических сигналов на устойчивость организма C.elegans к действию различных неблагоприятных факторов среды. Наличие десятков четко охарактеризованных мутантных линий C.elegans в различных лабораториях мира позволяет их использование при проведении исследований по генетике поведения, популяционной генетике, экологической физиологии, нейробиологии  и т.д.

Для координации изучения C.elegans в 1978 году при Национальном Институте здоровья США был создан Генетический центр Caenorhabditis (Caenorhabditis Genetic Center), расположенный в университете штата Миннесота (г. Миннеаполис). В нем собрана большая коллекция линий C.elegans, включающаяся в себя несколько тысяч мутантных линий и несколько десятков диких линий, собранных в разных уголках Земли. Эта коллекция постоянно пополняется. Кроме того, в Центре имеется большая база данных литературы по C.elegans, доступная через интернет. Подробную информацию о работе Центра можно получить на сайте http://www.cbs.umn.edu/CGC.

Накопленная к настоящему времени информация об экологии, биологии, развитии, физиологии и контроле отдельных форм поведения суммирована в электронной книге WormBook о Caenorhabditis elegans. По мере накопления знаний об этой нематоде и близкородственных видах книга пополняется новыми главами. Познакомиться с этой книгой можно на сайте http://www.wormbook.org

****************************************************************************

В экспериментах с C.elegans и C.briggsae показано, что экстремальная высокая температура вызывает ингибирование секреции ацетилхолина холинергическими нейронами. Ингибирование секреции ацетилхолина является одной из причин нарушения поведения C.elegans и C.briggsae гипертермией. Показано, что у C.elegans протекторный эффект ацетилхолина при гипертермии является следствием активации метаботропного мускаринового рецептора ацетилхолина GAR-3.

Показано, что эволюция термотолерантности Caenorhabditis включает в себя отбор на устойчивость холинергических синапсов к действию экстремальной высокой температуры.

Показано, что в ходе эволюции у почвенных беспозвоночных сохранились адаптации к теплу и гиперосмотическому стрессу, появившиеся уже у Protozoa, и были приобретены адаптации, сохраняющие процессы интеграции нейронов в условиях их нарушения стрессами.

Разработаны новые методы измерения биологической активности лекарственных препаратов с использованием Caenorhabditis elegans как тест-организма. Показано, что с использованием C.elegans как тест организма можно измерять биологическую активность: 1) антигельминтных средств; 2) препаратов, действующих на холинергическую систему, за исключением агонистов и антагонистов мускариновых рецепторов ацетилхолина; 3) препаратов, действующих на серотонинергическую и дофаминергическую систему; 4)  препаратов для лечения сердечно-сосудистой системы, включающие в себя агонисты и антагонисты α-адренорецепторов, но не агонисты и антагонисты β-адренорецепторов.

Показано, что механизмом нейротоксического действия ионов марганца на организм человека является селективное разрушение дофаминергических нейронов.

Основные публикации

1. Гайнутдинов М.Х., Яргунов В.Г., Красноперова И.А., Плеханова В.А., Лобода В.И., Кузнецова Т.В., Петрова  Р.Б. О возможности существования программы гибели Daphnia magna (Cladocera) // Доклады Академии наук. 1997. Т. 355, № 5. С. 708–711.

2. Гайнутдинов М.Х., Яргунов В.Г., Красноперова И.А., Калинникова Т.Б., Плеханова В.А., Лобода В.И., Зайнулгабидинов Э.Р. Сахара как сигнальные молекулы в системе управления сообществ гидробионтов // Доклады Академии наук. 1997. Т. 357,  № 2. С. 278–280.

3. Гайнутдинов М.Х., Калинникова Т.Б., Яргунов В.Г., Варламов В.Е., Гайнутдинов Т.М. Медиаторзависимая гибель малощетинкового червя Enchytraeus albidus при действии высокой температуры // Доклады Академии наук. 1999. Т. 367,  № 5. С. 694–697.

4. Гайнутдинов М.Х., Яргунов В.Г., Варламов В.Е., Калинникова Т.Б., Гайнутдинов Т.М. Эффект группы у малощетинковых червей Enchytraeus albidus при действии  высокой температуры среды // Доклады Академии наук. 1999. Т. 368, № 4. С. 565–567.

5. Гайнутдинов М.Х., Красноперова И.А., Лобода В.И., Яргунов В.Г., Гайнутдинов Т.М. Регуляция феромонами численности оппортунистической популяции Daphnia magna (Cladocera) при действии высокой температуры среды // Доклады Академии наук. 2000. Т. 372,  № 1. С. 135–137.

6. Гайнутдинов М.Х., Яргунов В.Г., Красноперова И.А., Варламов В.Е., Калинникова Т.Б., Лобода В.И., Петрова Р.Б., Гайнутдинов Т.М. Кодирование хемосенсорной информации нервной системой Daphnia magna и  Enchytraeus albidus в условиях действия высокой температуры среды // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 2000. Т. 36,  № 3. С. 214–218.

7. Гайнутдинов М.Х., Яргунов В.Г., Калинникова Т.Б., Гайнутдинов Т.М., Варламов В.Е. О роли децентрализованной системы управления в приспособлении популяции малощетинковых червей Tubifex tubifex к действию высокой температуры среды // Экология. 2000. № 6. С. 478–480.

8. Гайнутдинов М.Х., Калинникова Т.Б., Гайнутдинов Т.М., Яргунов В.Г. Саморегуляция организмов малощетинковых червей распространяемыми ими химическими сигналами // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 2002. Т.38., № 3. С. 283–284.

9. Калинникова Т.Б., Гайнутдинов Т.М., Серазиев Р.Х., Гайнутдинов М.Х. Влияние температуры окружающей среды на взаимодействия между особями одного вида малощетинковых червей Enchytraeus albidus и Tubifex tubifex, регулирующие теплоустойчивость организма // Экология. 2003. №3. С. 220–224.

10. Калинникова Т.Б., Красноперова И.А., Гайнутдинов Т.М., Садыкова С.В., Гайнутдинов М.Х. О роли взаимодействий между особями в реакции пресноводных ракообразных Daphnia magna  на тепловой стресс // Экология. 2005. №2. С. 126–131.

11. Калинникова Т.Б., Тимошенко А.Х., Гайнутдинов Т.М., Гиндина В.В., Гайнутдинов М.Х. Адаптация нематоды Caenorhabditis elegans к высокой температуре среды // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 2006. Т.42, № 5. С. 457–462.

12. Гайнутдинов М.Х., Тимошенко А.Х., Гиндина В.В., Гайнутдинов Т.М., Калинникова Т.Б. Адаптация лабораторных популяций Caenorhabditis elegans к высокой температуре как модель эволюции термотолерантности пойкилотермных Metazoa // Доклады Академии наук. 2007. Т. 413, № 5. С. 707–710.

13. Гайнутдинов М.Х., Тимошенко А.Х., Гайнутдинов Т.М., Калинникова Т.Б. Характеристика новых линий Caenorhabditis elegans с высокой и низкой термотолерантностью // Генетика. 2007. Т. 43, № 9. С. 1218–1225.

14. Калинникова Т.Б., Тимошенко А.Х., Галактионова Д.Ю., Гайнутдинов Т.М., Гайнутдинов М.Х. Эффект группы у свободноживущей почвенной нематоды Caenorhabditis elegans при действии высокой температуры среды // Доклады Академии наук. 2008. Т. 422, № 2. С. 276–278.

15. Калинникова Т.Б., Тимошенко А.Х., Галактионова Д.Ю., Гайнутдинов Т.М., Гайнутдинов М.Х. Протекторный эффект дофамина в адаптации нервной системы нематоды Caenorhabditis elegans к тепловому стрессу // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 2008. Т. 44, № 6. С. 644–646.

16. Гайнутдинов М.Х., Тимошенко А.Х., Петров А.М., Гайнутдинов Т.М., Калинникова Т.Б. Сенсибилизация этанолом нервной системы нематоды Caenorhabditis elegans к тепловому стрессу // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2010. Т. 150, № 7. С. 62–65.

17. Калинникова Т.Б., Тимошенко А.Х., Тарасов О.Ю., Гайнутдинов Т.М., Гайнутдинов М.Х. Термотолерантность организмов почвенных нематод Caenorhabditis briggsae линии AF16 и Caenorhabditis elegans линии N2 в эксперименте // Экология. 2011. № 5. С. 398–400.

18. Колсанова Р.Р., Тимошенко А.Х., Гайнутдинов М.Х., Калинникова Т.Б. Действие левамизола и пирантела на поведение почвенных нематод Caenorhabditis elegans и Caenorhabditis briggsae // Ученые записки Казанского университета. Серия Естественные науки. 2011. Т. 153, кн. 2. С. 180–189.

19. Калинникова Т.Б., Тарасов О.Ю., Колсанова Р.Р., Гайнутдинов М.Х. О нейротоксичности марганца в питьевой воде из подземных источников // Георесурсы. 2011. № 5. С. 31–34.

20. Колсанова Р.Р., Гайнутдинов М.Х., Калинникова Т.Б. Влияние ионов Mn2+ на устойчивость поведения свободноживущей почвенной нематоды Caenorhabditis elegans к тепловому стрессу // Вестник Оренбургского государственного университета. 2011. № 15. С. 64–66.

21. Колсанова Р.Р., Гайнутдинов М.Х., Калинникова Т.Б. Сенсибилизация организма нематоды Caenorhabditis elegans к действию левамизола повышением температуры среды // Ветеринарный врач. 2011. № 5. С. 57–60.

22. Калинникова Т.Б., Тимошенко А.Х., Колсанова Р.Р., Захаров С.В., Гайнутдинов М.Х., Шагидуллин Р.Р. Действие ацетальдегида на организмы свободноживущих почвенных нематод Caenorhabditis elegans линий N2 и IPE1 // Токсикологический вестник. 2012. № 4. С. 45–48.

23. Kalinnikova T.B., Kolsanova R.R., Gainutdinov M.Kh. Caenorhabditis elegans as a convenient model organism for understanding heat stress effects upon intact nervous system // In: Heat Stress: Causes, Treatment and Prevention / Eds. Stanislas Josipovich and Elias Ludwig. NY: Nova Science Publishers, 2012. P. 113–140.

24. Калинникова Т.Б., Колсанова Р.Р., Шагидуллин Р.Р., Осипова Е.Б., Гайнутдинов М.Х. О роли гена рецептора серотонина SER-4 в теплоустойчивости поведения Caenorhabditis elegans // Генетика. 2013. Т. 49, № 3. С. 415–419.

25. Kalinnikova T.B., Shagidullin R.R., Kolsanova R.R., Osipova E.B., Zakharov S.V., Gainutdinov M.Kh. Acetylcholine deficiency in Caenorhabditis elegans induced by hyperthermia can be compensated by ACh-esterase inhibition or activation of GAR-3 mAChRs // Environment and Natural Resources Research – 2013 – V. 3, № 3. – P. 98–113.

Сотрудники

Гайнутдинов Марат Хамитович – заведующий лабораторией, доктор биологических наук, профессор

Калинникова Татьяна Борисовна – старший научный сотрудник, кандидат биологических наук

Гайнутдинов Тимур Маратович – научный сотрудник, кандидат биологических наук

Колсанова Руфина Рифкатовна – научный сотрудник

Белова Евгения Борисовна – младший научный сотрудник

Полезные ссылки

Caenorhabditis Genetic Center http://www.cbs.umn.edu/CGC

WormBook http://www.wormbook.org