Выбор языка |
Главная О КНТС Новости Программы Направления исследований Эксперименты Результаты Информационные ресурсы Приём заявок
Шифр эксперимента: Цитомеханариум
Направление НПИ: 4. Космическая биология и биотехнология
Секция КНТС: 1. Космическая биология и физиология
Наименование эксперимента: Поиск потенциальных механосенсоров клеток Drosophila melanogaster,находившихся в условиях космического полёта
Цель эксперимента:

Цель эксперимента – поиск кандидатов на роль белков-мишеней, являющихся потенциальными механосенсорами клеток Drosophila melanogaster, находившихся в условиях космического полёта.

 

Описание эксперимента:

Результаты большого числа исследований в условиях реальной и моделируемой гравитационной разгрузки свидетельствуют о том, что в различных органах и тканях формируются негативные изменения в результате действия микрогравитации. При этом взаимодействие клетки и внешнего механического поля, в том числе гравитационного, практически не изучено, хотя данная проблема является одной из ключевых в решении вопроса о реализации длительных космических полетов.

Как и любая механическая система во внешнем поле клетка находится в напряженном (с механической точки зрения) состоянии. Она формирует структуру и внутреннее механическое напряжение в соответствии с вектором и амплитудой внешней силы. Изменение внешнего воздействия (его вектора, амплитуды) закономерно приведет к изменению механического напряжения в клетке и возникновению деформаций. Уровень значимости, последствия этих деформаций для жизнедеятельности клетки будут зависеть от собственных механических характеристик клетки и чувствительности ее механосенсоров.

Нами был получен целый ряд данных (Ogneva I.V. et al., 2010; Ogneva I.V., 2010, 2011; Ogneva I.V. et al., 2014; Ogneva I.V. et al., 2015), позволяющих предположить роль актин-связывающих белков подмембранного цитоскелета в первичной механорецепции клетками скелетных мышц и миокарда. Однако в земных условиях исключить прямое действие на организм силы тяжести не удается. Поэтому наиболее эффективным инструментом для изучения влияния невесомости на живые организмы остается реальный космический полет.

Была разработана методика с использованием атомной силовой микроскопии, позволяющая определять поперечную жесткость как сократительного аппарата, так и мембраны с кортикальным цитоскелетом мышечных клеток (Ogneva I.V. et al., 2010). Было показано, что у волокон камбаловидной мышцы поперечная жесткость различных участков сократительного аппарата в расслабленном, активированном кальцием и ригор-состояниях снижается в ходе гравитационной разгрузки, у волокон икроножной мышцы практически не меняется, а передней большеберцовой – возрастает (Ogneva I.V. et al., 2009; Ogneva I.V., 2010). При этом поперечная жесткость сарколеммы с кортикальным цитоскелетом в расслабленном состоянии снижается во всех мышцах в динамике антиортостатического вывешивания, причем уже в первые сутки вывешивания, что может быть связано с непосредственным изменением вектора силы тяжести как внешнего механического фактора, меняющего напряжения на мембране (Ogneva I.V., 2010). В то же время для кардиомиоцитов крысы, для которых в условиях антиортостатического вывешивания, по-видимому, на ранних этапах вывешивания имело место возрастание механического напряжения в результате гиповолемии, жесткость мембраны с кортикальным цитоскелетом возрастала через 14 суток вывешивания (Ogneva I.V., Ushakov I.B., 2012; Ogneva I.V. et al., 2012). При восстановлении после антиортостатического вывешивания жесткость волокон скелетных мышц увеличивалась (Ogneva I.V., 2011), а кардиомиоцитов – уменьшалась (Ogneva I.V., Ushakov I.B., 2012; Ogneva I.V. et al., 2012), возвращаясь к уровню контроля.

Изменения в значениях поперечной жесткости как волокон скелетных мышц, так и кардиомиоцитов в условиях антиортостатического вывешивания и последующего восстановления коррелировали с содержанием в мембранной фракции немышечных изоформ актина, формирующих кортикальный цитоскелет, а также были связаны с разнонаправленным изменением содержания немышечных изоформ альфа-актинина (1 и 4) в мембранной и цитоплазматической фракциях (Ogneva I.V., 2011; Ogneva I.V. et al., 2012).

Мы предполагаем, что любое изменение внешних условий для клетки находит свое отражение в деформации её кортикального цитоскелета. Однако эти деформации принципиально различны при увеличении и уменьшении нагрузки. Самым первым результатом становится диссоциация от кортикального цитоскелета различных актин-связывающих белков: при уменьшении нагрузки – альфа-актинина-4, при увеличении – альфа-актинина-1 (Ogneva I.V., 2013; Ogneva I.V., Biryukov N.S., 2013). При дальнейшем развитии процесса, деформация приводит к разрушению структуры и, на последующих ранних этапах воздействия, к первоначальному снижению жесткости (Ogneva I.V. et al., 2014). Поэтому мы проанализировали содержание немышечных изоформ актина и альфа-актинина в мембранной и цитоплазматической фракциях белков, а также уровень экспрессии соответствующих генов.

Основная гипотеза, лежащая в основе предлагаемого космического эксперимента, связана с тем, что именно деформации кортикального цитоскелета (причём разнонаправленные в условиях уменьшения и увеличения внешней механической нагрузки), могут играть ключевую роль в запуске механотрансдукции.

Полученные нами в результате 30-суточного космического полета биоспутника «БИОН-М» №1 (Россия, 2013) данные о состоянии кортикального цитоскелета (Ogneva I.V. et al., 2014) дают возможность предположить, что изменения его структуры могут играть роль в первичной механорецепции.

Однако, учитывая, что подобный механизм может быть универсальным для любого типа клеток, интерес представляет, в том числе, и скрининговый анализ (полный протеом и транскриптом), который возможен, например, на плодовых мушках Drosophila melanogaster. В настоящий момент после 44,5-суточного космического полёта космического аппарата «ФОТОН-М» №4 (Россия, 2014) получен уникальный биологический материал в виде живых имаго (2-ое поколение) и личинок разных стадий развития (3-е поколение) плодовой мушки Drosophila melanogaster. Кроме того, повторное экспонирование Drosophila melanogaster условиям космического полета (экспедиция МКС 40/41) позволило получить пятое поколение личинок 3 стадии развития.

Представленные в доступной нам литературе результаты исследования различных аспектов жизнедеятельности плодовой мушки дрозофилы в условиях реальной и моделируемой микрогравитации позволяют говорить о том, что данный объект является весьма интересным и перспективным для последующего изучения молекулярно-генетических механизмов, лежащих в основе адаптационного ответа на экстремальные условия внешней среды.

Короткий жизненный цикл, нетребовательность к техническому устройству систем жизнеобеспечения экспериментов на борту спутников или МКС, а также полностью секвенированный геном дают возможность проведения широкого спектра скрининговых исследований.

Методики полногеномного секвенирования транскриптома, а также полного протеомного анализа на основе масс-спектрометрии позволяют в будущем рассчитывать на выявление механизмов регуляции развития и формирования адаптационного паттерна как на уровне клеточных структур, включающих регуляцию на уровне транскрипции и трансляции, так и на уровне целого организма.

В связи с вышеизложенным, целью предстоящих исследований является поиск других кандидатов (помимо изоформ альфа-актинина) на роль белков-мишеней, связанных с кортикальным цитоскелетом и являющихся потенциальными механосенсорами. Для достижения этой цели будет проведен анализ полного протеома (с использованием масс-спектрометрии) и полного транскриптома (с использованием полногеномного секвенирования транскриптома) полученных после космического полета имаго и личинок Drosophila melanogaster. Полученные после такого скрининга данные будут верифицированы с использованием вестерн-блоттинга и полимеразной цепной реакции.

 

Новизна эксперимента:

Научный эксперимент «ЦИТОМЕХАНАРИУМ» на борту РС МКС является новым шагом в развитии космической биологии. Впервые, благодаря новым методам послеполетного анализа биологического материала, предоставляется возможность получить данные о сочетанном воздействии факторов космического полета на развитие многоклеточного организма. Аналогов подобному эксперименту в доступной нам литературе найти не удалось.

 

Научная аппаратура:

В КЭ используется укладка ББ-МКС, доставляемая на борт РС МКС. Технических средств, привлекаемых или создаваемых для обеспечения внешних по отношению к РС МКС условий эксперимента, не требуется.

 

Ожидаемые результаты:

В результате выполнения эксперимента «ЦИТОМЕХАНАРИУМ» в ходе космического полёта ожидается получение новых научных данных:

а) о механизмах регуляции экспрессии полного генома на разных стадиях развития многоклеточного организма;

б) о механизмах регуляция паттерна транскриптома на разных стадиях развития многоклеточного организма;

в) о структурных изменениях цитоскелета.

Учитывая, что многие подобные механизмы у насекомых и млекопитающих на клеточном уровне имеют большое сходство, можно полагать, что результаты таких исследований будут полезны не только с фундаментальной, но и с практической точки зрения, в частности, при разработке подходов для протекции различных систем организма человека в условиях невесомости.

 

Полученные результаты:

 

Сроки проведения: 2016 – 2025 гг.
Состояние эксперимента: Готовится
Организация постановщик: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Государственный научный центр Российской Федерации - Институт медико-биологических проблем РАН (ГНЦ РФ - ИМБП РАН)
Организации участники:
Научный руководитель: Огнева И. В., ИМБП РАН, старший научный сотрудник, д.ф-м.н.
Публикации по эксперименту:

1. Ogneva I.V., Kurushin V.A., Altaeva E.G., Ponomareva E.V., Shenkman B.S. Effect of short-time gravitational unloading on rat and Mongolian gerbil muscles // Journal of Muscle research and cell motility. 2009. Vol. 30. P. 261 – 265.

2. Ogneva I.V., Lebedev D.V., Shenkman B.S. Transversal stiffness and Young’s modulus of single fibers from rat soleus muscle probed by atomic force microscopy // Biophysical Journal. 2010. Vol. 98. Issue 3. P. 418 – 424.

3. Ogneva I.V. The transversal stiffness of fibers and the desmin content in the leg muscles of rats under gravitational unloading of various duration // Journal of Applied Physiology. 2010. Vol. 109. Issue 6. P. 1702 – 1709.

4. Ogneva I.V., Ponomareva E.V., Kartashkina N.L., Altaeva E.G., Fokina N.M., Kurushin V.A., Kozlovskaya I.B., Shenkman B.S. Decrease of contractile properties and transversal stiffness of single fibers in human soleus after 7-day “dry” immersion // Acta Astranautica. 2011. Vol. 68. P. 1478 – 1485.

5. Ogneva I.V. Transversal stiffness and beta-actin and alpha-actinin-4 content of the m. soleus fibers in the conditions of a 3-day reloading after 14-day gravitational unloading // Journal of Biomedicine and Biotechnology. 2011. Vol. 2011, Article ID 393405, 7 pages.

6. Ogneva I.V., Ushakov I.B. The transversal stiffness of skeletal muscle fibers and cardiomyocytes in control and after simulated microgravity // Book «Atomic Force Microscopy Investigations into Biology – From Cell to Protein» (Edited by Dr. Christopher L. Frewin, University of South Florida, USA), InTech, Chroatia, 2012, 354 pp. ISBN 978-953-51-0114-7. Chapter № 15, P. 325 – 354.

7. Ogneva I.V., Mirzoev T.M., Biryukov N.S., Veselova O.M., Larina I.M. Structure and functional characteristics of rat’s left ventricle cardiomyocytes under antiorthostatic suspension of various duration and subsequent reloading // Journal of Biomedicine and Biotechnology. 2012. Vol. 2012, Article ID 659869, 11 pages.

8. Ogneva I.V., Biryukov N.S. Mathematical modeling cardiomyocyte’s and skeletal muscle fiber’s membrane: interaction with external mechanical field // Applied mathematics. 2013. Vol. 4. № 8A. P. 1 – 6.

9. Ogneva I.V. Cell mechanosensitivity: mechanical properties and interaction with gravitational field // BioMed Research International. 2013. Vol. 2013, Article ID 598461, 17 pages.

10. Ogneva I.V., Buravkov S.V., Shubenkov A.N., Buravkova L.B. Mechanical characteristics of mesenchymal stem cells under impact of silica-based nanoparticles // Nanoscale Research Letters. 2014, 9:284.

11. Ogneva I.V., Maximova M.V., Larina I.M. Structure of cortical cytoskeleton in fibers of mouse muscle cells after being exposed to a 30-day space flight on board the BION-M1 biosatellite // Journal of Applied Physiology. 2014. Vol. 116. Issue 10. P. 1315 – 1323.

12. Ogneva I.V., Biryukov N.S., Leinsoo T.A., Larina I.M. Possible role of non-muscle alpha-actinins in muscle cell mechanosensitivity // PLoS ONE. 2014. Vol. 9. Issue 4:e96395

13. Ogneva I.V., Gnyubkin V., Laroche N., Maximova M.V., Larina I.M., Vico L. Structure of the cortical cytoskeleton in fibers of postural muscles and cardiomyocytes of mice after 30-day 2g-centrifugation // Journal of Applied Physiology. 2015. Vol. 118. Issue 5. P. 613 – 623.

 

Последнее обновление: 17.11.2017

Информационная справка

Программы

Изображения