Молекулярная нейробиология

Современное развитие биологической науки невозможно без понимания принципов функционирования нервной системы различных организмов, включая человека. Настоящий курс лекций содержит краткое изложение общих принципов функционирования нервной системы, в основном млекопитающих, с акцентом на биохимические и молекулярно-генетические аспекты ее функционирования. Основное внимание уделяется функционированию нервных и глиальных клеток, основам сигнализации в нервной системе, процессам обучения и формирования памяти, а также рассмотрению на молекулярном уровне ряда патологий нервной системы, встречающихся у человека.

Лектор - профессор, д.б.н. И.А. Гривенников

Программа курса:

Лекция 1. Общая характеристика клеток нервной системы и сигнализации в нейронах.

Клетки нервной системы. Нейроны и глия, общая характеристика. Астроциты, олигодендроциты, микроглия. Особенности строения нейрона. Сигнализация в нейронах. Синапсы. Химические и электрические синапсы. Методы и уровни изучения нервной системы.

Лекция 2. Химические передатчики в синапсах.

Химические передатчики в синапсах. Непептидные и пептидные нейротрансмиттеры, общая характеристика. Локализация нейротрансмиттеров. Синаптические везикулы. Совместная локализация классических и пептидных нейротрансмиттеров. Тормозные и возбуждающие нейротрансмиттеры. Синтез и распад нейротрансмиттеров.

Лекция 3. Потенциал и лиганд-зависимые ионные каналы.

Потенциал-зависимые ионные каналы. Натриевые, калиевые и кальциевые каналы. Структура и принцип работы. Роль в передаче нервного импульса. Синаптическая передача. Ацетилхолиновый рецептор. Структура и принцип работы. Ацетилхолиновый рецептор рыб. Выброс нейротрансмиттеров в синаптическую щель. Судьба нейротрансмиттеров в синаптической щели.

Лекция 4. Рецепторы нейротрансмиттеров.

Ионотропные и метаботропные рецепторы. Общая схема организации. Глутаматные рецепторы, дофаминовые и серотониновые рецепторы. ГАМК- рецепторы. Опиоидные рецепторы. Меланокортиновые рецепторы. Глициновые рецепторы. Подтипы разных рецепторов. Эволюционное древо рецепторов.

Лекция 5. Внутриклеточная сигнализация в нейронах и глиальных клетках.

Передачи сигнала от рецепторов на мембране внутрь клетки. ГТФ- связывающие белки. Вторичные мессенджеры. Синтез и распад вторичных мессенджеров: аденилатциклаза, гуанилатциклаза, фосфодиэстеразы циклических нуклеотидов. Инозитолтрифосфат, диацилглицерол. Оксид азота. Кальций, калмодулин. Система протеинкиназ. Усиление сигнала при передаче информации от рецептора на систему вторичных мессенджеров, протеинкиназ и их субстратов. Некоторые примеры регуляции активности нейроспецифических белков с помощью фосфорилирования (тирозингидроксилаза, рецепторы нейротрансмиттеров, белки, связанные с выбросом нейротрансмиттеров). Система протеинфосфатаз в нервной системе, примеры и характеристика отдельных представителей. Тирозинкиназы и тирозинфосфатазы в клетках нервной системы и их роль в передаче сигнала от факторов роста.

Лекция 6. Регуляция экспрессии генов в ЦНС.

Иерархия регуляции генов. Факторы транскрипции. Индуцибельные и конститутивные факторы транскрипции. Транскрипционный фактор CREB - структура и функции. CREB-зависимые гены. Протоонкогены и их роль в развитии нервной системы и ее функционировании. Рецепторы стероидных гормонов в качестве факторов транскрипции. Нейроспецифические гены и регуляция их экспрессии.

Лекция 7. Цитоскелет нервной клетки.

Характеристика основных компонентов цитоскелета. Микротрубочки, промежуточные филаменты, актиновые микрофиламенты. Их сборка и время существования. Транспорт макромолекул в нервной клетке. Медленный и быстрый аксональный ток. Методы его изучения. Молекулярные моторы в быстром аксональном транспорте.

Лекция 8. Миелин и миелинизация.

Происхождение миелина. Структура миелина. Миелин центральной и периферической нервной системы. Клетки, которые образуют миелин в нервной системе. Гены миелина и регуляция их экспрессии. Болезни, связанные с нарушениями в обмене миелина.

Лекция 9. Нейропептиды и регуляция функций нервной системы.

семейства нейропептидов и их классификация. Специфичность действия. Краткая характеристика функций различных представителей семейств. Гены нейропептидов, синтез и процессинг нейропептидов. Несколько копий нейропептида в молекуле предшественника (проопиомеланокортин). Опиоидные пептиды. Меланокортины и их рецепторы. Деградация нейропептидов. Лекарства на основе нейропептидов- лекарства нового поколения.

Лекция 10. Развитие и дифференцировка нервных клеток.

Молекулярный механизм нейронального развития. Образование отростков и рост аксонов. Роль глии в прорастании аксонов. Образование контактов. Развитие и функционирование нервно-мышечных окончаний. Молекулы клеточной адгезии и их характеристика.

Лекция 11. Нейротрофические факторы, их рецепторы. Функции этих факторов в нервной системе.

Жизнь и смерть нейронов. Нейротрофические факторы и их характеристика. Семейство нейротрофинов. Фактор роста нервов, нейротрофический фактор мозга. Специфичность синтеза и действия нейротрофинов в нервной системе. Рецепторы нейротрофических факторов и механизм передачи сигнала в клетку.

Лекция 12. Регенерация клеток нервной системы, стволовые клетки.

Регенерация клеток нервной системы. Возможна ли она? Стволовые клетки нервной системы. Стадии дифференцировки нейронов и клеток глии из клеток- предшественников. Локализация стволовых клеток в мозге млекопитающих. Методы и подходы к их идентификации.

Лекция 13. Память - основная функция нервной системы. Методы и подходы к ее изучению.

Память – основная функция нервной системы. Модели изучения памяти. Развитие представлений о формировании памяти. Роль нейротрансмиттеров и нейропептидов в процессах формирования памяти. Кратковременная и долговременная память. Биохимические механизмы формирования памяти. Некоторые патологии, связанные с нарушениями памяти.

Лекция 14. Примеры и краткая характеристика некоторых распространенных заболеваний нервной системы человека.

Молекулярные подходы к изучению некоторых болезней нервной системы. Нейродегенеративные заболевания: Болезни Паркинсона, Альцгеймера, хорея Гентингтона. Эпилепсия и шизофрения. Возможные подходы к коррекции и лечению этих заболеваний. Генотерапия и клеточная терапия. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки и перспективы их использования в неврологии. Вещества с нейротропным действием. Алкоголь. Наркотики, галлюциногены. Возможные механизмы действия. Механизм развития наркотической и алкогольной зависимости.

Рекомендуемая литература:

1. E. Kandel, J.H. Schwartz, T.M. Jessell, Essentials of neural science and behavior (1995).
2. Z.W. Hall et al., Molecular neurobiology (an introduction) (1992).
3. Basic Neurochemistry. G.J. Siegel et al. (ed.), (2012).
4. From molecules to networks. J. Byrne, J. Roberts (ed.), (2009).
5. Биохимия мозга. И.П. Ашмарин (ред.), (1999).
6. Д. Николс с соавт., От нейрона к мозгу (2008).
7. Болдырев А.А. с соавт., Нейрохимия, М. (2010).