Нейротоксическое действие ингибиторов ацетилхолинэстеразы на организм почвенной нематоды Caenorhabditis elegans Maupas

Анастасия Васильевна Егорова; Татьяна Борисовна Калинникова; Диляра Махмутриевна Хакимова; Рифгат Роальдович Шагидуллин; Anastasia Egorova; Tatiana Kalinnikova; Dilyara Khakimova; Rifgat Shagidullin

doi:10.17076/eb1429

Нейротоксическое действие ингибиторов ацетилхолинэстеразы на организм почвенной нематоды Caenorhabditis elegans Maupas

Анастасия Васильевна Егорова, Татьяна Борисовна Калинникова, Диляра Махмутриевна Хакимова, Рифгат Роальдович Шагидуллин, Anastasia Egorova, Tatiana Kalinnikova, Dilyara Khakimova, Rifgat Shagidullin

Аннотация

Проведено исследование влияния ингибиторов ацетилхолинэстеразы алдикарба и неостигмина на плавание почвенной нематоды Caenorhabditis elegans, индуцированное механическим стимулом. Кратковременная (30 минут) экспозиция нематод к алдикарбу (10–40 мкМ) и неостигмину (4–8 мМ) вызывала дозозависимые нарушения моторной программы плавания C. elegans при сохранении способности к плаванию у всех нематод. Эти результаты свидетельствуют о том, что частичное ингибирование ацетилхолинэстеразы в организме C. elegans нарушает регуляцию сокращения и расслабления мышц, необходимую для синусоидальных движений тела при плавании. При этом сохраняется холинергическая синаптическая трансмиссия в нервно-мышечных синапсах. Октопамин и дофамин повышали чувствительность поведения C. elegans к токсическому действию алдикарба. Октопамин и дофамин в организме C. elegans не оказывают прямого действия на локомоторные мышцы. Поэтому их влияние на чувствительность поведения к алдикарбу может быть следствием модуляции октопамином и дофамином синапсов нейрон-нейрон, а не нервно-мышечных синапсов. Выявленные в работе нарушения моторной программы плавания C. elegans являются следствием аномального повышения уровня ацетилхолина в нервной системе, а не в нервно-мышечных синапсах. Наиболее вероятным механизмом нарушения функций нервной системы C. elegans частичным ингибированием ацетилхолинэстеразы является гиперактивация нейрональных никотиновых рецепторов ацетилхолина. Результаты работы показывают, что причины токсического действия аномально высокого уровня ацетилхолина высококонсервативны в эволюции, и самой чувствительной мишенью токсического действия эндогенного ацетилхолина при превышении его оптимального уровня не только в организмах человека, позвоночных и высших беспозвоночных, но и в простых организмах нематод является нервная система.

Ключевые слова

Caenorhabditis elegans; ингибиторы ацетилхолинэстеразы; алдикарб; неостигмин; дофамин; октопамин. Caenorhabditis elegans; acetylcholinesterase inhibitors; aldicarb; neostigmine; dopamine; octopamine

Полный текст:

PDF

Литература

Anderson G. L., Cole R. D., Williams P. L. Assessing behavioral toxicity with Caenorhabditis elegans // Environ. Toxicol. Chem. 2004. Vol. 23. P. 1235–1240. http://dx.doi.org/10.1897/03-264

Arneric S. P., Holladay M., Williams M. Neuronal nicotinic receptors: a perspective on two decades of drug discovery research // Biochem. Pharmacol. 2007. Vol. 74. P. 1092–1101. https://doi.org/10.1016/j.bcp.2007.06.033

Assis C. R. D., Linhares A. G., Oliveira V. M., França R. C. P., Carvalho E. V. M. M., Bezerra R. S., de Carvalho L. B. Jr. Comparative effect of pesticides on brain acetylcholinesterase in tropical fish // Sci. Total Environ. 2012. Vol. 441. P. 141–150. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2012.09.058

Baron R. L. A carbamate insecticide: a case study of aldicarb // Environ. Health. Perspect. 1994. Vol. 102. P. 23–27. https://doi.org/10.1289/ehp.94102s1123

Belova E. B., Kolsanova R. R., Kalinnikova T. B., Khakimova D. M., Shagidullin R. R., Gainutdinov M. Kh. Serotonin-induced sensitization of nicotinic acetylcholine receptors in the soil nematode Caenorhabditis elegans // J. Evol. Biochem. Physiol. 2017. Vol. 53. P. 153–155. https://doi.org/10.1134/s1234567817020082

Brenner S. The genetics of Caenorhabditis elegans // Genetics. 1974. V. 77. P. 71–94.

Charlie N. K., Schade M. A., Thomure A. M., Miller K. G. Presynaptic UNC-31 (CAPS) is required to activate the G alpha(s) pathway of the Caenorhabditis elegans synaptic signaling network // Genetics. 2006. Vol. 172. P. 943–961. https://doi.org/10.1534/genetics.105.049577

Chase D. L., Pepper J. S., Koelle M. R. Mechanism of extrasynaptic dopamine signaling in Caenorhabditis elegans // Nature Neurosci. 2004. Vol. 7. P. 1096–1103. https://doi.org/10.1038/nn1316

Chatzigeorgiou M., Yoo S., Watson J. D., Lee W.-H., Spencer W. C., Kindt K. S., Hwang S. W., Miller D. M., Treinin M., Driscoll M., Schafer W. R. Specific roles for DEG/ENaC and TRP channels in touch and thermosensation in Caenorhabditis elegans nociceptors // Nat. Neurosci. 2010. Vol. 13. P. 861–868. https://doi.org/10.1038/nn.2581

Čolović M. B., Krstić D. Z., Lazarević-Pašti T. D., Bondžić A. M., Vasić V. M. Acetylcholinesterase inhibitors: pharmacology and toxicology // Curr. Neuropharmacol. 2013. Vol. 11. P. 315–335. https://doi.org/10.2174/1570159x11311030006

Conti-Tronconi B. M., Raftery M. A. The nicotinic cholinergic receptor: correlation of molecular structure with functional properties // Annu. Rev. Biochem. 1982. Vol. 51. P. 491–530. https://doi.org/10.1146/annurev.bi.51.070182.002423

Farlow M. R., Salloway S., Tariot P. N., Yardley J., Moline M. L., Wang Q., Brand-Shieber E., Zou H., Hsu T., Satlin A. Effectiveness and tolerability of high-dose (23 mg/d) versus standard-dose (ao mg/d) donepezil in moderate to severe Alzheimer's disease: a 24-week, randomized, double-blind study // Clin. Ther. 2010. Vol. 32. P. 1234–1251. https://doi.org/10.1016/j.clinthera.2010.06.019

Fleming J. T., Squire M. D., Barnes T. M., Tornoe C., Matsuda K., Ahnn J., Fire A., Sulston J. E., Barnard E. A., Sattelle D. B., Lewis J.A. Caenorhabditis elegans levamisole resistance genes lev-1, unc-29 and unc-38 encode functional nicotinic acetylcholine receptor subunits // J. Neurosci. 1997. Vol. 17. P. 5843–5857. https://doi.org/10.1523/jneurosci.17-15-05843.1997

Giacobini E. Cholinesterase inhibitors: new roles and therapeutic alternatives // Pharmacol. Res. 2004. Vol. 50. P. 433–440. https://doi.org/10.1016/s1043-6618(04)00085-4

Gottschalk A., Almedom R. B., Schedletzky T., Anderson S. D., Yates III J. R., Schafer W. R. Identification and characterization of novel nicotinic receptor associated proteins in Caenorhabditis elegans // The EMBO J. 2005. Vol. 24. P. 2566–2578. https://doi.org/10.1038/sj.emboj.7600741

Gupta R. C. Classification and uses of organophosphates and carbamates. In: Toxicology of organophosphate and carbamate compounds / Ed. R.C. Gupta. Amsterdam: Academic Press / Elsevier, 2006. P. 5–24. https://doi.org/10.1016/b978-012088523-7/50003-x

Jospin M., Qi Y. B., Stawicki T. M., Boulin T., Schuske K. R., Horvitz R., Bessereau J.-L., Jorgensen E. M., Jin Y. A neuronal acetylcholine receptor regulates the balance of muscle excitation and inhibition in Caenorhabditis elegans // PLoS Biology. 2009. Vol. 7. P. e1000265. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1000265

Lansdell S. J., Collins T., Goodchild J., Millar N. S. The Drosophila nicotinic acetylcholine receptor subunits Dα5 and Dα7 form functional homomeric and heteromeric ion channels // BMC Neurosci. 2012. Vol. 13. e73. https://doi.org/10.1186/1471-2202-13-73

Lane R. M., Potkin S. G., Enz A. Targeting acetylcholinesterase and butyrylcholinesterase in dementia // Int. J. Neuropsychoph. 2006. Vol. 9. P. 101–124. https://doi.org/10.1017/s1461145705005833

Lanzafame A. A., Christopoulos A., Mitchelson F. Cellular signaling mechanism for muscarinic acetylcholine receptors // Receptors and Channels. 2003. Vol. 9. P. 241–260. https://doi.org/10.1080/10606820308263

Leung M. C. K., Williams P. L., Benedetto A., Au K., Helmcke K. J., Aschner M., Meyer J. N Caenorhabditis elegans: an emerging model in biomedical and environmental toxicology // Toxicol. Sci. 2008. Vol. 106. P. 5–28. https://doi.org/10.1093/toxsci/kfn121

Liu S., Schulze E., Baumeister R. Temperature- and touch-sensitive neurons couple CNG and TRPV channel activities to control heat avoidance in Caenorhabditis elegans // PLoS ONE. 2012. Vol. 7. P. e32360. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0032360

Mahoney T. R., Luo S., Nonet M. L. Analysis of synaptic transmission in Caenorhabditis elegans using an aldicarb-sensitivity assay // Nat. Protoc. 2006. Vol. 1. P. 1772–1777. https://doi.org/10.1038/nprot.2006.281

Metcalf R. L., Horowitz A. R. Insect control // Ullmann's Encyclopedia of industrial chemistry. Wiley-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA, 2014. https://doi.org/10.1002/14356007.s14_s01

Nurrish S., Ségalat L., Kaplan J. M. Serotonin inhibition of synaptic transmission: Gα0 decreases the abundance of UNC-13 at release site // Neuron. 1999. Vol. 24. P. 231–242. https://doi.org/10.1016/s0896-6273(00)80835-1

Pereira L., Kratsios P., Serrano-Saiz E., Sheftel H., Mayo A. E., Hall D. H., White J. G., LeBoeuf B., Garcia L. R., Alon U., Hobert O. A cellular and regulatory map of the cholinergic nervous system of C. elegans // eLIFE. 2015. Vol. 4. e12432. https://doi.org/10.7554/elife.12432

Petrash H. A., Philbrook A., Haburcak M., Barbagallo B., Francis M. M. ACR-12 ionotropic acetylcholine receptor complexes regulate inhibitory motor neuron activity in Caenorhabditis elegans // J. Neurosci. 2013. Vol. 33. P. 5524–5532. https://doi.org/10.1523/jneurosci.4384-12.2013

Rand J. B. Acetylcholine // Wormbook, ed. The C. elegans Research Community. 2007. https://doi.org/10.1895/wormbook.1.131.1

Richmond J. E., Jorgensen E. M. One GABA and two acetylcholine receptors function at the C. elegans neuromuscular junction // Nat. Neurosci. 1999. Vol. 2. P. 791–797. https://doi.org/10.1038/12160

Sattelle D. B. Invertebrate nicotinic acetylcholine receptors – targets for chemicals and drugs important in agriculture, veterinary medicine and human health // J. Pestic. Sci. 2009. Vol. 34. P. 233–240. https://doi.org/10.1584/jpestics.r09-02

Savolainen K. Understanding the toxic action of organophosphates. In: Handbook of pesticide toxicology / Eds. R.I. Krieger and W.C. Krieger. Academic Press, 2001. P. 1013–1043. https://doi.org/10.1016/b978-012426260-7.50053-7

Sikora R.A., Hartwig J. Mode-of-action of the carbamate nematicides cloethocarb, aldicarb and carbofuran on Heterodera schachtii. 2. Systemic activity // Revue Nématol. 1991. Vol. 14. P. 531–536.

Silva K. C. C., Assis C. R. D., Oliveira V. M., Carvalho L. B. Jr., Bezerra R. S. Kinetic and physicochemical properties of brain acetylcholinesterase from the peacock bass (Cichla ocellaris) and in vitro effect of pesticides and metal ions // Aquat. Toxicol. 2013. Vol. 126. P. 191–197. https://doi.org/10.1016/j.aquatox.2012.11.001

Tayeb H. O., Yang H. D., Price B. H., Tarazi F. I. Pharmacotherapies for Alzheimer's disease: beyond cholinesterase inhibitors // Pharmacol. Therap. 2012. Vol. 134. P. 8–25. https://doi.org/10.1016/j.pharmthera.2011.12.002

Tomizawa M., Casida J. E. Selective toxicity of neonicotinoids attributable to specificity of insect and mammalian nicotinic receptors // Annu. Rev. Entomol. 2003. Vol. 48. P. 339–364. https://doi.org/10.1146/annurev.ento.48.091801.112731

References in English