научная статья по теме TWO MOLECULAR MOTILITY SYSTEMS OF FROG OLFACTORY CILIA Биология

Текст научной статьи на тему «TWO MOLECULAR MOTILITY SYSTEMS OF FROG OLFACTORY CILIA»

БИОФИЗИКА, 2008, том 53, вып.6, c.993-999

= БИОФИЗИКА КЛЕТКИ =

УДК 577.3

ДВЕ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СИСТЕМЫ ПОДВИЖНОСТИ ОБОНЯТЕЛЬНЫХ ЖГУТИКОВ ЛЯГУШКИ

© 2008 В.О. Самойлов* **, Е.В. Бигдай* **, Я.Н. Руденко**, В.В. Бекусова***, Б.А. Дудич*

*Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251, Санкт-Петербург,

ул. Политехническая, 29; **Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, 199034, Санкт-Петербург, наб. Макарова, 6; ***Военно-медицинская академия, 194044, Санкт-Петербург, ул. Комиссара Смирнова, 10

E-mail: се11@т/гап.ги Поступила в редакцию 26.06.08 г.

Методом прижизненной телевизионной микроскопии изучена двигательная активность жгутиков обонятельных клеток лягушки Rana 1етрогапа под действием одорантов: амилового спирта, камфоры, цинеола, ванилина (первая группа), аммиака и сероводорода (вторая группа) и ингибиторов клеточного дыхания (ротенона и малоната). Показано, что обонятельные жгутики имеют как динеин-тубулиновую, так и актин-миозиновую молекулярные системы подвижности: первая обеспечивает неупорядоченные, а вторая - упорядоченные движения. Упорядочение подвижности происходит под действием одорантов. Влияние одорантов, принадлежащих к разным двум группам, на активность дыхательной цепи митохондрий и подвижность обонятельных жгутиков различно.

Ключевые слова: обонятельные жгутики, реорганизация цитоскелета, митохондриальное дыхание, динеин-тубулиновая и актин-миозиновая системы подвижности.

Обонятельные клетки являются первично-чувствующими (нейросенсорными) рецепторами. В них выделяют четыре основных морфо-функциональных отдела - верхушку, апикальный отросток, тело клетки и центральный отросток. Апикальный отросток на верхушке образует утолщение - булаву, снабженную жгутиками [1].

Различают три разновидности жгутиков, покрывающих поверхность обонятельных клеток: короткие и тонкие (20 - 30 мкм в длину), такой же длины, но более толстые, содержащие от двух до восьми жгутиков, заключенных в общую плазмалемму, и длинные (50 - 200 мкм). В состав их аксонем входит набор из 9x2+2 микротрубочек. Каждая пара из девяти периферических дублетов состоит из полной и неполной микротрубочек, взаимодействующих друг с другом посредством молекул динеина, которые работают как «цитомышцы» на тубу-линовом «цитоскелете». Такой набор ультраструктур характерен для всех локомоторных ресничек и жгутиков и обеспечивает их движения [1,2].

Сокращение: НАДН - восстановленный никотинамидаде-ниндинуклеотид.

Вопреки утверждениям некоторых исследователей [3], показано, что обонятельные жгутики всех позвоночных подвижны [1]. В отсутствие одорантов они совершают неупорядоченные изгибательные, волнообразные и воронкообразные движения. Короткие тонкие и толстые обонятельные жгутики колеблются с разной частотой: от 20 до 40 - 50 колебаний в минуту - первые и от 15 до 30 движений - вторые, а длинные двигаются с частотой 10 - 25 в минуту

[4].

Однако результаты электронно-микроскопических исследований показали, что в обонятельных жгутиках лягушек и крыс аксонема, образованная 9x2+2 микротрубочками, сосредоточена только в проксимальном отделе, а в дистальном участке обонятельного жгутика их состав неполный, причем ближе к его верхушке число микротрубочек постепенно уменьшается до одной - двух [1-3]. Таким образом, дисталь-ная часть жгутика оказывается лишенной ту-булярного цитоскелета, а следовательно, и молекулярных механизмов подвижности. Поэтому в активном локомоторном акте может участвовать, вероятно, только проксимальный отдел, тогда как дистальная часть пассивно следует за ним, и поэтому в процессе движения обонятельного жгутика она может закручиваться

в виде петли или диска, которые описаны при изучении фиксированных гистологических препаратов [1].

Значение подвижности жгутикового аппарата до сих пор неясно. Полагали, что основное ее предназначение сводится к перемешиванию обонятельной слизи с растворенными в ней молекулами пахучих веществ, что обеспечивает более быстрый их контакт с мембранными рецепторами. Однако это маловероятно, поскольку перемешивание слизевого секрета в носовой полости наземных позвоночных обеспечивается мерцательным эпителием [1].

По мнению А.А. Бронштейна [1] и по нашим данным [5,6], цилиарный аппарат обонятельных клеток является специализированной антенной, обеспечивающей активный поиск и обнаружение одорантов в слизи. Неупорядоченные движения обонятельных жгутиков в отсутствие одорантов осуществляются в режиме «рыскания» в довольно обширном пространстве. Возможно, такой характер их двигательной активности обеспечивает рецепторной клетке «ёкес-tional sensing» (направленное чувствование), что повышает вероятность встречи молекул одо-рантов с мембранными рецепторами, сосредоточенными в дистальном отделе обонятельных жгутиков.

При изменениях ионного состава среды или под действием лимонена, пиридина, амилацетата жгутики изменяют свою двигательную активность [5-7]. Движения ресничек мерцательного эпителия животных, а также жгутиков одноклеточных организмов нуждаются в энергетическом обеспечении [8-10]. Однако проблема снабжения энергией локомоторной активности обонятельных жгутиков, а также инициируемой одорантами реорганизации цитоске-лета в них до сих пор не только не решалась, но и не ставилась исследователями обонятельной рецепции.

Целью нашей работы было изучение участия двух молекулярных систем подвижности в локомоторной активности обонятельных жгутиков в отсутствие одорантов и при их наличии, а также ее энергетическое обеспечение.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для исследования двигательной активности обонятельных жгутиков в реальном времени мы применяли метод прижизненной телевизионной микроскопии. Для этого тонкий срез препарата обонятельной выстилки в капле раствора Рингера (рН 7,33) размещали на предметном столике светового микроскопа МИКМЕД-2 (ЛОМО, C.-Петербург, Россия). Общее увеличение системы для прижизненной люминесцентной микроскопии составляло 104.

Это позволяло увидеть отдельные обонятельные жгутики на тонких срезах обонятельной выстилки и наблюдать их движение.

Растворы одорантов (цинеол (Molecular Probes, Portland, OR), амиловый спирт, камфора и аммиак (все Реахим, С.-Петербург, Россия) -10 мкМ; ванилин (Мо1еси1аг Probes, Portland, OR) - 100 мкМ; Р-меркаптоэтанол (Sigma Che-mkals, St Louis, MO) 1:10000) подавали в проток под покровное стекло и регистрировали двигательную активность обонятельных жгутиков в ответ на раздражитель с помощью цифровой видеокамеры, аппаратного декодера и персонального компьютера. Более подробно данная методика описана нами ранее [5].

Для объективного анализа двигательной активности была разработана уникальная программа, в основу которой положено предположение о том, что обонятельный жгутик осуществляет поиск по алгоритму суперпозиции изображения. Такой алгоритм применяется в вычислительной технике для нахождения различий между двумя изображениями [11]. Использование разработанного прикладного пакета позволило построить трехмерные диаграммы движений обонятельных жгутиков в реальном времени (рис. 1).

Для исследования энергетического обеспечения локомоции применяли фармакологический анализ. В качестве ингибиторов клеточного дыхания в обонятельных клетках использовали ротенон, 5 мкМ (Moleralar Probes, Portland, OR) - специфический ингибитор НАДН-дегидрогеназного участка дыхательной цепи и малонат, 50 мМ (Sigma Chemkals, St Louis, MO), который подавляет активность сукцинат-убихиноноксидоредуктазы или II комплекса дыхательной цепи митохондрий. Изучали изменения характера двигательной активности обонятельных жгутиков под действием этих ингибиторов, а также их реакции на стимуляцию одо-рантами на фоне ингибиторов.

Полимеризованный F-актин исследовали посредством конфокальной сканирующей им-мунофлуоресцентной микроскопии. Для этого обонятельную выстилку резали на тонкие пласты, помещали на силиконизированные покровные стекла, покрытые фибронектином, и культивировали в течение 1 ч. Затем препарат в течение 10 мин фиксировали 3% формалином на растворе Pингеpа и 15 мин пермеабилизовали 0,1% раствором тритона X-100 в растворе Pин-гера. Обонятельную выстилку промывали три раза раствором Pингеpа и инкубировали с мо-ноклональными антителами к рб5 и вторыми антителами, конъюгированными с тетрарода-минизоцианатом (TRITC), полученными против иммуноглобулинов мыши. Все инкубации с антителами проводили 30 мин и после каждой

Рис. 1. Трехмерные диаграммы, отображающие движения обонятельного жгутика до (а) и после (б) воздействия цинеола (10 мкМ).

инкубации клетки трижды промывали раствором Рингера. Иммунофлуоресцентный сигнал выявляли с помощью родамин-фаллоидина, являющегося флуоресцентной меткой F-актина. Полимеризованный F-актин разрушали с помощью цитохалазина. Для этого через 1 ч после культивирования обонятельной выстилки на си-ликонизированных покровных стеклах меняли среду на другую, содержащую 100 нг-мл-1 эпи-дермального фактора роста и 2 мкг-мл-2 цитохалазина (все Мо1еси1аг Probes, Portland, OR), и повторяли описанную выше процедуру. Препараты исследовали с помощью конфокального микроскопа Ье1са (Ье1са MiCTosystems, Bensheim, Германия). Для возбуждения флуоресценции использовали HeNe-лазер (543 нм). Флуоресцен-

цию регистрировали в диапазоне длин волн 580 - 640 нм.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты наших исследований показали, что обонятельные жгутики лягушки без стимуляции их одорантами совершают медленные неупорядоченные движения, которым свойственны сложные траектории (воронкообразные, изгибательные или волнообразные). Они движутся в режиме рыскания и не имеют определенной направленности (рис. 1а). При этом дистальные участки жгутиков сворачиваются в виде петли или диска. Поскольку дистальный конец жгутика лишен тубулярного цито скелета, а следовательно, молекулярных механизмов

Рис. 2. Иммунофлуоресценция полимеризованного Б-актина в обонятельной выстилке лягушки, стимулированной амиловым спиртом (а), и влияние цитохалазина на этот процесс (б). Цифровая микрофотография, объектив 63,0x1,32.

подвижности [1-3], основная роль в обеспечении неупо

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком