CC BY
17
Серия «Биология. Экология»
2008. Т. 1, № 2. С. 33-36 Онлайн-доступ к журналу: http://isu.ru/izvestia
И З В Е С Т И Я
Иркутского
государственного
университета
УДК 611.86+812.86
Морфологические перестройки обонятельных рецепторных нейронов у рыб после их периодической стимуляции сахарозой
1 2 И. В. Клименков , Н. С. Косицын
1Лимнологический институт СО РАН, Иркутск
2Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва E-mail: [email protected]
Аннотация. Статья посвящена исследованию адаптивных перестроек в обонятельном эпителии у рыб (Barbus tetrazona tetrazona, Bleeker) после их периодической стимуляции химическими агентами неферомо-нальной природы. Предполагается, что хемочувствительные нейроны имеют аналогичные р-лимфоцитам иммунной системы механизмы дифференцировки: после фазы сенсибилизации они могут дифференцироваться в клетки секреторного типа, выделяя водорастворимые белки, специфичные к молекулам действующего вещества.
Ключевые слова: обонятельная клетка, Р-лимфоцит, аносмия.
В последнее время в сенсорной нейрофизиологии возрастает актуальность вопросов, связанных с изучением фундаментальных основ адаптивного функционирования обонятельного анализатора в связи с его особой ролью у животных и человека при формировании пищевого, хемокоммуникативного и других сложных форм их поведения. В первую очередь, это касается изучения молекулярных и цитологических основ, которые обеспечивают хемочувствительность рецепторных клеток, являющихся разновидностью нервных клеток, специализированных для обеспечения первичных процессов хеморецепции очень широкого спектра молекул различной природы [8].
Ранее, используя природную модель естественного репродуктивного поведения эндемичных байкальских бычковых рыб (Cotto-comephorus grewingki, БуЬ) нами показано, что в период возрастания обонятельного восприятия половых феромонов в рецепторных нейронах наблюдаются морфологические признаки усиления хемочувствительности: активация ядерно-цитоплазматических взаимодействий, увеличение плотности свободных и связанных с каналами эндоплазматического ретикулума рибосом, появление хорошо структурированных микротрубочек. На следующем этапе нереста (по окончании интенсивной феромональ-ной коммуникации) у самцов, приступающих к охране оплодотворенной икры, определенная часть рецепторных клеток теряет поверхност-
ный хемочувствительный аппарат (жгутики или микровиллы) и далее дифференцируется в клетки секреторного типа. У таких клеток в результате повышенной активности аппарата Гольджи дендритный отросток и видоизмененная вершина содержат большое количество везикул со светлым содержимым, которые встраиваются в поверхностную мембрану клетки и выделяют содержимое в обонятельную слизь [1; 2].
Впервые выявленный нами у рыб феномен трансформации рецепторных обонятельных клеток в клетки секреторного типа нуждается в дальнейшем изучении как в плане понимания механизмов, которые вызывают и обеспечивают этот процесс, так и в плане выяснения степени универсальности данного физиологического явления в рамках функционирования обонятельного эпителия у животных, принадлежащих разным систематическим группам.
Нами высказывалось предположение [2] о том, что связанная с обеспечением нереста динамика ультраструктурных перестроек обонятельных хеморецепторных клеток сходна с таковой у В-лимфоцитов иммунной системы в процессе их стимул-зависимой дифференци-ровки (как известно, Р-клетки после стимуляции антигеном сенсибилизируются и далее могут трансформироваться в клетки, секрети-рующие специфичные к нему антитела [6]). Согласно нашим представлениям, активированные обонятельным раздражителем (антиге-
ном) рецепторные клетки на определенных этапах функционирования способны синтезировать не только рецепторные мембраносвязанные, но и водорастворимые белки, специфически связывающие данные химические агенты за пределами вершин чувствительных клеток. В соответствии с этой гипотезой, выявленные у бычковых рыб на завершающих этапах нереста видоизмененные чувствительные клетки с повышенным уровнем метаболизма и активной секрецией формируются из обонятельных клеток в результате их соответствующей химической (в данном случае феромо-нальной) стимуляции. О феноменологическом сходстве механизмов функционирования обонятельных и иммунокомпетентных клеток говорят также и следующие факты: 1) мульти-генность семейства генов, кодирующих молекулярные обонятельные рецепторы [5]; 2) моноспецифичность обонятельных клеток [7]; 3) способность рецепторных клеток существенно изменять уровень экспрессии генов, кодирующих хеморецепторы [9]; 4) свойственный для ольфакторных нейронов феномен альтернативного сплайсинга, который может сопровождать экспрессию генов [9].
Таким образом, на основании полученных нами морфологических данных, а также в связи с обсуждающимся в последнее время вопросом
о возможности существования иммунных принципов функционирования обонятельных клеток [4] представляется актуальным на модельных объектах и произвольно выбранных неферомональных обонятельных стимулах экспериментально проверить принципиальную возможность стимул-зависимой дифференци-ровки обонятельных рецепторных клеток в клетки с повышенной хемочувствительностью и далее в клетки секреторного типа.
Материалы и методы
Экспериментальные работы проводились на аквариумной рыбке - суматранском барбусе (Barbus tetrazona tetrazona, Bleeker). В качестве произвольно выбранного обонятельного стимула неферомональной природы использовалась сахароза (мол. масса, 342 Д) в концентрации 10-9М. Согласно предложенной нами гипотезе об иммуноподобных принципах морфофункциональной дифференцировки обонятельных рецепторных клеток необходимо было учитывать, что для стимул-зависимой трансформации В-лимфоцитов в плазматические клетки, секретирующие антитела, обычно требуются как минимум две разделенные во вре-
мени иммунизации животных. В связи с этим, экспериментальная группа животных подвергалась двухэтапному химическому воздействию: после двухнедельного содержания в чистой воде барбусы сначала двое суток выдерживались в растворе сахарозы, далее три недели содержались в чистой воде и на следующем этапе подвергались повторной аналогичной стимуляции в растворе сахарозы. В качестве контроля использовались животные, которые в течение месяца содержались в чистой воде.
Кормление рыб из обеих исследуемых групп осуществлялось обычным кормом один раз в сутки в специальном аквариуме с чистой водой. После произведенных экспериментов обонятельные розетки рыб фиксировали в 2,5%-ном растворе глютаральдегида на 0,1М фосфатном буфере с последующей постфиксацией в 2%-ном растворе четырехокиси осмия и заливали в эпон. Срезы, полученные на ультрамикротоме «Ultracut R», («Leica», Австрия), контрастировали в цитрате свинца по Рейнольдсу и исследовали в трансмиссионном электронном микроскопе Leo 906Е («Zeiss», Германия).
Результаты и обсуждение
В обонятельном эпителии суматранского барбуса выявлены рецепторные клетки двух типов - жгутиковые и микровиллярные. Вершина жгутиковых клеток снабжена 4-5 ресничками, апикальный отдел у менее многочисленных микровиллярных клеток содержит либо несколько единичных, расширенных у основания отростков, либо несколько десятков более тонких, типичных для такого типа клеток, микровилл. Отличительной особенностью рецепторных клеток у барбусов контрольной группы является просветленный матрикс их цитоплазмы, хорошо выраженный на фоне более электроноплотных опорных клеток. В приядерной зоне клеток обнаруживается слабо развитая сеть каналов местами фрагментированного шероховатого эндоплазматического ретикулума с небольшим количеством связанных с ним рибосом. Аппарат Гольджи, как правило, занимает небольшую площадь и по ряду ультраструк-турных признаков его функциональная активность незначительна.
Характерным признаком дендритного отростка обонятельных клеток рыб, длительно содержащихся в чистой воде, является наличие здесь редко встречающихся микротрубочек. Нам кажется, что более ограниченное представительство микротрубочек в теле хемочувстви-
МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ПЕРЕСТРОЙКИ ОБОНЯТЕЛЬНЫХ РЕЦЕПТОРНЫХ НЕЙРОНОВ 3 5
тельных клеток у контрольных рыб является необходимым фактором поддержания их структурной целостности в период дефицита сенсорных сигналов. Кроме того, микротрубочки могут также отражать необходимый уровень готовности клеток к возможной последующей мобилизации их рецепторных свойств после соответствующей химической стимуляции. В целом, все выявленные нами вышеизложенные особенности ультрастрктурной организации хеморецепторных клеток у барбусов, хронически содержащихся в чистой воде, свидетельствуют об их существенно пониженной функциональной активности в условиях отсутствия обонятельных раздражителей.
В сравнении с контролем, в экспериментальной группе после периодического выдерживания барбусов в растворе сахарозы в структуре определенной части обонятельных клеток выявлены существенные морфологические изменения. В таких клетках обнаруживаются признаки усиления ядерно-цитоплазматичеких взаимодействий: ядерная мембрана приобретает повышенную плотность пор (7—9 пор на 1 мкм2), отчетливую структурированность гранулярного компонента приобретает ядрышко, которое обычно сближено с мембраной, как правило, в верхнем полюсе ядра. Характерной особенностью рецепторных клеток, периодически стимулированных раствором сахарозы, является хорошо развитый аппарат Гольджи. Обычно он занимает значительную площадь вблизи ядра и производит пузырьки со светлым содержимым диаметром 0,1—0,3 мкм. Несмотря на хорошо выраженную активность аппарата Гольджи, в большинстве исследованных нами метаболически активных хеморецепторных клетках такие пузырьки выявлялись только в непосредственной близости от производящей их органеллы. На всем протяжении дендрита между митохондриями располагаются пучки микротрубочек, достигающих базальных телец вершины клетки. Вышеизложенные морфологические особенности обонятельных клеток у опытной группы барбусов показывают высокий уровень их функциональной мобилизации после дозированной и периодической стимуляции раствором сахарозы.
На нашем материале в процессе детального изучения серийных срезов нейроэпителия у каждой из экспериментальных рыб нами были обнаружены несколько клеток, которые содержали повышенное количество секреторных пузырьков. В исследованном обонятельном эпителии экспериментальных животных было вы-
явлено несколько морфологически отличных от контроля, редко встречающихся клеток с необычно высоким содержанием пузырьков, которые по ряду признаков мы можем отнести к обонятельным хемочувствительным нейронам, находящимся на той, или иной стадии стимул-зависимой дифференцировки. По совокупности морфологических признаков данные клетки можно считать чувствительными нейронами жгутикового типа, которые в результате воздействия однотипным обонятельным стимулом дифференцируются в клетки с секреторной функцией.
Заключение
На основании проведенных экспериментов с использованием ольфакторных стимулов не-феромональной природы можно полагать, что наряду с другими механизмами, дифференци-ровка хемочувствительных клеток может также запускаться и самим обонятельным раздражителем после его комплементарного взаимодействия с молекулярными хеморецепторами, локализованными в мембранах моноспецифич-ных рецепторных клеток. Предполагается, что обонятельные нейроны в состоянии дендритной нейросекреции могут производить водорастворимую форму хеморецепторов, высокоспецифичных к молекулам действующего вещества, что может обеспечивать селективную аносмию животных, находящихся в условиях длительно действующих обонятельных раздражителей, характерных для очагов химических загрязнений. Такая специфическая анос-мия может приводить к тому, что животные, сохраняя способность к пищевому и половому поведению, лишаются возможности различать токсические вещества в низких концентрациях, что может приводить к их интенсивному накоплению в организме и последующему переносу в другие трофические уровни.
Литература
1. Косицын Н. С. Ультраструктурные перестройки рецепторных клеток обонятельного анализатора рыб в разные фазы репродуктивного поведения / Н. С. Косицын, И. В. Клименков, Т. М. Дмитриева // ДАН СССР. - 1990. - Т. 113, № 3. - С. 739-741.
2. Косицын Н. С. Общность структурнофункциональных перестроек обонятельных рецепторных клеток и р-лимфоцитов иммунной системы /
Н. С. Косицын, И. В. Клименков, А. В. Курылев // Морфология. - 1993. - Т. 105, вып. 7-8. - С. 35.
3. Косицын Н. С. Трансформация элементов цитоскелета рецепторных клеток обонятельного
Серия «Биология. Экология» 2008. Т. 1, № 2
анализатора у рыб на разных этапах жизненного цикла / Н. С. Косицын, И. В. Клименков // Докл. Академии наук. - 1994. - Т. 336, № 2. - С. 261-263.
4. Марков А. В. Гипотеза иммунологического тестирования партнеров - согласованность развития адаптаций и смены половых предпочтений / А. В. Марков, А. М. Куликов // Изв. РАН, Сер. биол. -2006. - № 3. - С. 261-274.
5. Buck L. A novel multigene family may encode odorant receptors: a molecular basis for odor recognition / L. Buck, R. Axel // Cell. - 1991. - Vol. 65. -P. 175-187.
6. Burnet F. M. The Clonal selection theory of acquired immunity / F. M. Burnet // The Abraham Flexner
Lectures, 1958. - Cambridge : Cambridge Univ. Press, 1959. - P. 49-80.
7. Chess A. Allelic inactivation regulates olfactory receptor gene expression / A. Chess [h gp.] // Cell. - 1994. - Vol. 78. - P. 823-834;
8. Handbook of Olfaction and Gustation / Edited by Richard L. Doty. - Philadelphia, Pennsylvania, USA, 2003. - 1121 p.
9. Young J. M. Odorant receptor expressed sequence tags demonstrate olfactory expression of over 400 genes, extensive alternate splicing and unequal expression levels / J. M. Young [et al.] // Genome Biol. -2003. - Vol. 4, № 11. - P. R71.1-R71.15.
Morphological reorganizations olfactory neurons at fishes after their periodic stimulation by sucrose
I. V. Klimenkov 1, N. S. Kositzyn 2
1 Institute of Limnology SB RAS, Irkutsk
2Institute of Higher Nervous Activity & Neurophysiology RAS, Moscow
Abstract. Article is devoted research of adaptive reorganizations in the olfactory analyzer at fishes (Barbus tetra-zona tetrazona, Bleeker) after their periodic stimulation by non-pheromonal chemical agents. It is supposed that olfactory cells after chemical stimulation differentiates like the immune system р-lymphocytes: after sensibilisation period olfactory neurons differentiates into secretory cells producing odorant-binding proteins in the olfactory mucus.
Key words: olfactory cell, р-lymphocyte, anosmia.
Клименков Игорь Викторович Лимнологический институт СО РАН 664033, г. Иркутск, ул. Улан-Баторская, 3, а/я 278 кандидат биологических наук, старший научный сотрудник отдела ультраструктуры клетки 664033, г. Иркутск, а/я. 278 тел. (395 2) 42-32-80, факс (395 2) 42-54-05 Е-mail: [email protected]
Косицын Николай Степанович Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии 174851, г. Москва, ул. Бутлерова, 5-а доктор биологических наук, профессор зав лабораторией ультраструктурных и цитохимических основ условного рефлекса тел. (495) 334-70-50
Klimenkov Igor Viktorovitch Institute of Limnology SB RAS 664033, Irkutsk, 3, Ulan-Batorskaya St.
Ph. D. in Biology, senior research scientist Department of Cell Ultrastructure phone: (395 2) 42-32-80, fax: (395 2) 42-54-05 Е-mail: [email protected]
Kositzyn Nikolay Stepanovitch Institute of Higher Nervous Activity & Neurophysiology RAS 174851, Moscow, 5-a, Butlerova St.
D. Sc. in Biology, prof. phone: (495) 334-70-50
