Структурно-функциональная организация трансмиттерных сигнальных систем в клетках ранних эмбрионов

Функционирование трансмиттерных систем в эмбриональных клетках опирается на те же ключевые компоненты, что и синаптическая передача: ферменты синтеза и деградации, мембранные транспортёры, рецепторы. Однако на ранних стадиях развития эти системы обладают рядом принципиальных особенностей. В одной эмбриональной клетке нередко одновременно функционально активны сразу несколько трансмиттеров и несколько рецепторных механизмов. Кроме того, в период дробления в ряде случаев сигнальная функция нейротрансмиттеров, включая связывание с рецепторами или их функциональными аналогами, реализуется на внутриклеточном уровне.

В лаборатории ведётся комплексное исследование экспрессии компонентов трансмиттерных систем в ранних эмбрионах ряда модельных и немодельных животных, что позволяет прослеживать эволюционные закономерности немедиаторных функций серотонина. Так, анализ транскриптомных данных, полученных на морских ежах, амфибиях и млекопитающих, показал, что яйцеклетки и ранние эмбрионы содержат компоненты практически всех известных трансмиттерных систем, что позволяет говорить о трансмиттерах как об универсальном наборе регуляторов раннего развития.

Работа с эмбрионами мыши показала, что ранний зародыш млекопитающих представляет собой автономную систему, способную не только захватывать серотонин из материнского микроокружения через мембранный транспортёр SERT, но и синтезировать его de novo из предшественника 5-HTP при участии декарбоксилазы ароматических L-аминокислот DDC. При ограничении поступления материнского серотонина в эмбрионе включается компенсаторный механизм: содержание серотонина в бластоцисте не падает, а парадоксально возрастает, что сопровождается тенденцией к повышению транскрипции гена Ddc. Таким образом, уровень внутриклеточного серотонина активно поддерживается сопряжённой работой систем захвата, везикулярного транспорта, синтеза и деградации.

Мы изучаем пространственное распределение компонентов трансмиттерных систем и их колокализацию с внутриклеточными структурами. Иммуноцитохимический анализ выявил специфический кортикальный паттерн распределения ключевых компонентов. Сам серотонин, везикулярный транспортёр VMAT2 и рецепторы 5-HT1D, 5-HT5A и 5-HT7 концентрируются преимущественно в периферической зоне ооцита и клеток раннего эмбриона. При этом функциональная активность VMAT2 обеспечивает накопление серотонина в компактных везикулярных структурах кортикальной зоны ооцита, а её блокада приводит к почти полному исчезновению этого депонированного пула. Это свидетельствует о роли серотонина как сигнальной молекулы межклеточного взаимодействия в раннем развитии.

Роль серотонина в регуляции процессов оогенеза и овариального фолликулогенеза млекопитающих

Функциональная активность моноаминергических трансмиттеров проявляется уже в период оогенеза, когда закладывается материальный базис будущего эмбрионального развития. Так, серотонин служит фактором созревания яйцеклеток у многих животных и оказывает стимулирующее действие на фолликулогенез в яичнике млекопитающих. Ключевым механизмом, определяющим функциональную активность серотонина в яичнике, является его специфический захват ооцитами растущих фолликулов, опосредованный мембранным транспортёром серотонина SERT (SLC6A4).

Мы показали, что интенсивность SERT-зависимого захвата нарастает по мере роста фолликула и может служить функциональным индикатором потенциала фолликула и зрелости ооцита. Клетки гранулёзы, окружающие ооцит, за счёт собственного захвата и последующей деградации серотонина формируют активный функциональный тканевой барьер. Они ограничивают его поступление к ооциту и контролируют локальную концентрацию медиатора в микроокружении фолликула. Таким образом, гранулёза и ооцит образуют сопряжённую систему, а взаимодействие между ними двунаправленно. Это позволяет рассматривать серотониновую сигнализацию как один из компонентов диалога между ооцитом и соматическими клетками фолликула.

Данное направление обладает практической значимостью в контексте исследования побочных эффектов антидепрессантов, в первую очередь селективных ингибиторов обратного захвата серотонина (СИОЗС). Поскольку именно SERT-зависимый захват лежит в основе функциональной активности серотонина в яичнике, СИОЗС, блокируя транспортёр, вмешиваются в физиологический механизм регуляции фолликулогенеза. Мы изучаем, как острое и хроническое воздействие флуоксетина нарушает овариальную серотониновую сигнализацию, сказывается на развитии и компетентности ооцитов и на репродуктивных исходах, а также анализируем компенсаторные реакции. Для решения этих задач в группе создана и охарактеризована иммортализованная линия клеток гранулёзы IMG-A1 как in vitro модель ФСГ-зависимого фолликулогенеза и овариальной патофизиологии, а также отработаны методы культивирования овариальных фолликулов.

Неканонические механизмы действия трансмиттеров в раннем эмбриональном развитии

Традиционной экспериментальной моделью для исследования механизмов трансмиттерных регуляций раннего развития является фармакологическая блокада первого деления дробления эмбрионов морского ежа. Показано, что цитостатический эффект антагонистов рецепторов дофамина и серотонина реализуется на внутриклеточном уровне и опосредован влиянием на элементы цитоскелета: эти вещества вызывают увеличение степени полимеризации актинового цитоскелета и нарушают пространственную организацию веретена деления. Благодаря чувствительности и синхронности развития эмбрионов морского ежа, эта «бластомерная модель» позволяет количественно оценивать эффекты эмбриотоксических веществ. Данная модель остаётся эталонным методом для оценки неканонического, внутриклеточного действия трансмиттеров и их аналогов на делящуюся клетку.

В экспериментах на доимплантационных эмбрионах мыши мы выяснили, что повышение концентрации внутриклеточного серотонина не нарушает базовых параметров жизнеспособности эмбриона. Однако это достоверно усиливает серотонилирование гистона H3. Ингибирование трансглутаминаз цистамином подавляет этот эффект, подтверждая ферментативную природу модификации. Таким образом, колебания внутриклеточного уровня серотонина, в том числе на фоне материнского воздействия флуоксетина или блокады моноаминоксидазы, влияют на эпигенетическое «мечение» хроматина, способное проявляться отсрочено на последующих этапах развития.

Новым направлением, продолжающим анализ неканонических функций трансмиттеров в раннем развитии, стало изучение влияния серотонина на клетки нервного гребня. Эти клетки обладают полноценным набором компонентов серотонинергической системы и чувствительны к серотонину сразу на нескольких уровнях: наряду с классическим рецепторным механизмом они способны к активному захвату молекулы и её внутриклеточной деградации. Таким образом, они не только ощущают внешний серотониновый сигнал, но способны сами формировать локальную концентрацию медиатора по ходу миграционного маршрута.

Лаборатория работает в рамках Государственного задания ИБР РАН № 0088-2024-0015.

Гранты РНФ:

• Роль L-ДОФА в патогенезе синдрома поликистозных яичников и использование его в терапии данной патологии. 2023–2024, руководитель — Никишина Юлия Олеговна.
• Молекулярные механизмы побочного действия антидепрессантов на репродуктивное здоровье женщин. 2022–2025, руководитель — Никишин Денис Александрович.
• Влияние антидепрессантов группы селективных ингибиторов обратного захвата серотонина (СИОЗС) на женскую репродуктивную функцию. 2018–2020, руководитель — Никишин Денис Александрович.

Исследования ведутся в тесном сотрудничестве с кафедрой эмбриологии биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.