Группа нейрорегуляции мышечной функции

Заведующий группой — д.м.н., главный научный сотрудник Рубен Сергеевич Арутюнян

История лаборатории

Лаборатория нейрорегуляции мышечной функции была основана в 1974 г. профессором Григорием Александровичем Наследовым. Основными направлениями исследований лаборатории были изучение особенностей электромеханической связи (ЭМС) фазной и тонической мышечных систем позвоночных.

Ранее были изучены механизмы нейротрофического контроля фазных и тонических мышечных волокон. В этих исследованиях было установлено, что различия в электрических свойствах мембран фазных и тонических мышечных волокнах сохраняются и после хронической моторной денервации мышц. Мембранный потенциал тонических мышечных волокон остается ниже чем у фазных мышечных, а входное сопротивление и постоянная времени гораздо выше фазных, что свидетельствует о неодинаковом изменении проницаемости мембран фазных и тонических волокон к ионам, ответственных за генерацию потенциала действия после денервации. По-видимому, благодаря этому фактору, денервированные тонические волокна после хронической перерезки нерва начинают генерировать потенциал действия. В указанных экспериментах была установлена и роль нейротрофического фактора, транспортируемого по микротрубочкам на периферию к мембране мышечного волокна, в механизме регуляции ацетилхолиновой чувствительности мышечной мембраны. В исследованиях, посвященных изучению потенциалозависимых кальциевых каналов на низших этапах развития позвоночных животных было установлено, что потенциалзависимые кальциевые токи появляются в мышечных волокнах конечностей головастика лишь на определенной стадии развития в ходе метаморфоза. Появление этих каналов совпадает во времени с развитием Т-системы, что позволяет предположить их изначальную локализацию на мембране t-трубочек. Это подтверждается исчезновением токов двухвалентных катионов после детубуляции мышечных волокон глицерином. Феноменологический анализ потенциалозависимых интегральных ионных токов миобласта лягушки, развивающегося в условиях культивирования, показал, что одиночные миобласты лягушки, развивающиеся в культуре, имеют постоянно качественно и количественно изменяющийся набор трансмембранных потенциал зависимых ионных токов. На основании кинетических и фармакологических характеристик у миобластов лягушки было установлено наличие натриевого тока двух типов медленного кальциевого тока и шести типов потенциалозависимых выходящих калиевых токов. При этом удалось показать, что натриевый ток миобласта по своим кинетическим характеристикам почти не отличается от натриевого тока скелетного мышечного волокна взрослой лягушки. Более того, было установлено, что в процессе культивирования постоянно возрастает доля миобластов имеющих как выраженный натриевый, так и кальциевый токи.

В настоящее время лаборатория преобразована в группу, которой руководит д.м.н. Р.С. Арутюнян. Возглавляемый им коллектив продолжает заниматься изучением особенностей развития электромеханической связи в скелетных мышцах позвоночных животных в постнатальном онтогенезе у зрело- и незрелорождающих и роли внутриклеточной кальциевой сигнализации в формировании сократительных мышечных ответов.

 

Группа Арутюняна 1

На фото: ст. лаб. Степанов А.В., ст. лаб. Матросова Е.В., с.н.с., к.б.н. Кубасов, И.В., сидит руководитель группы в.н.с., д.б.н. Арутюнян Р.С

В частности, значительное внимание уделяется исследованию возможности подключения к основному механизму ЭМС — “деполяризацией-индуцируемому ” освобождению Ca2+ из саркоплазматического ретикулума (DICR), дополнительного, “Ca2+ -индуцируемого освобождения Ca2+” (CICR). Известно, что на условия формирования мышечных тетанусов существенное влияние могут оказывать достаточно большое количество дополнительных динамических факторов, не являющихся определяющими для одиночного сокращения. Тетанические ответы могут сопровождаться значительными изменениями ионных градиентов, состояния ион-транспортирующих систем саркоплазматической мембраны и стационарных и мобильных буферных систем в цитозоле, уровня освобождения кальция из СР и его экструзии, посттрансляционными изменениями контрактильного аппарата (например, фосфорилирование звеньев миозиновых цепей), изменением окислительно-восстановительного баланса. Соответственно, каждый последовательный сократительный ответ, следующий в составе тетануса, зависит от условий, формируемых предыдущими ответами. Очевидно, что эти условия могут существенно различаться в быстрых и медленных мышечных волокнах, особенно при переходе от режима одиночной стимуляции к тетанической даже в «физиологических» диапазонах. Однако динамика изменений индивидуальных сократительных ответов, следующих в составе тетанусов, и факторы, ее определяющие, остаются малоизученными. В частности, остается неясным, является ли интегральный тетанический ответ результатом простой суммации исходных (начальных) сократительных ответов, или амплитудно-временные параметры этих ответов по ходу развития тетануса претерпевают определенные изменения, и насколько эти изменения соотносятся с возможными изменениями уровня освобождения из СР Ca2+ и его удалением из цитоплазмы. Так в предварительных исследованиях нами было показано, что в быстрых и медленных скелетных мышцах крысы изменения амплитудно-временных характеристик элементарных сократительных ответов, следующих в составе тетанусов, демонстрируют существенную зависимость, как от частоты стимуляции, так и от числа стимулов в составе раздражающей пачки. При этом в условиях аналогичного протокола стимуляции мышц, достоверных изменений в электрогенезе внеклеточно регистрируемых потенциалов действия (ПД) скелетных мышечных волокон не наблюдалось. Это позволяет полагать, что наблюдаемая трансформация сократительных ответов, следующих в составе тетанусов различной длительности, не связана с изменениями функционального состояния основных ион-транспортирующих систем плазматической мембраны. Там же было показано, что максимальная потенциация тетанических ответов в m. Soleus и m. EDL наблюдается в районе физиологических частот их активации (20 и 50 Гц, соответственно). Высказывается предположение о существовании в пределах саркомеров скелетных мышечных волокон морфо-функциональных латеральных микродоменов, включающих зону локализации рианодиновых рецепторов и начальных участков актино-миозинового комплекса. Существование таких микродоменов позволяет обеспечивать достаточно продолжительную локальную аккумуляцию освобождающихся из СР ионов Ca2+, как это имеет место, например, в волокнах гладких мышц. Локальное накопление Ca2+ в этих микродоменах может вызывать длительную оккупацию большей части сайтов связывания ионов кальция на тропонине С и переход начальных участков мышечных саркомеров в состояние частичной контрактуры.

установка 1

    Электрофизиологическая установка для внеклеточной и внутриклеточной регистрации потенциалов действия и токов.

Научные работы, выполняемые группой, многократно поддерживались фондами РФФИ и ФЦП, и проводились, в том числе, в тесном сотрудничестве с зарубежными исследователями из США (Dr. M.G. Dobretsov, Department of Anesthesiology, University of Arkansas for Medical Sciences, Little Rock, AR USA) и Канады ( Dr. B. MacIntosh, Human Performance Laboratory, Faculty of Kinesiology, University of Calgary,Alberta, Canada).

Результаты выполненных в этом направлении исследований опубликованы в многочисленных отечественных и зарубежных журналах, доложены на международных съездах и симпозиумах.

Список сотрудников:

Арутюнян Рубен Сергеевич, рук. группы, вед. науч. сотр., д-р. биол. наук
Кубасов Игорь Владимирович, ст. науч. сотр., канд.биол.наук
Степанов Андрей Валентинович, ст. лаб.-исслед.
Матросова Елизавета Владимировна, ст. лаб.-исслед.

Список основных научных публикаций

  1.  Ho H.T., Belevych A.E., Liu B., Bonilla I.M., Radwański P.B., Kubasov I.V., Valdivia H.H., Schober K., Carnes C.A., Györke S. 2017. Muscarinic Stimulation Facilitates Sarcoplasmic ReticulumCa Release by Modulating Ryanodine Receptor 2 Phosphorylation Through Protein Kinase G and Ca/Calmodulin-Dependent Protein Kinase II. Hypertension. 69 (4): 1-8;
  2. Kubasov I.V., Arutyunyan R. S., Matrosova E.V. 2016. Transformation of individual contractile responses during tetanus in rat fast and slow skeletal muscles. J. of Evol. Biochem. and Phys. 52 (1): 46-55;
  3. Kubasov I.V., Arutyunyan R. S., Matrosova E.V., Kubasov I.I. Properties of intratetanic individual contractile responses in rat slow skeletal muscles during modulation of sarcoplasmic reticulum Ca2+ release. J. of Evol. Biochem. and Phys. 52 (5): 369-379;
  4. Степанов А.В., Байдюк Е.В., Сакута Г.А. 2016. Характеристики митохондрий кардиомиоцитов крыс с хронической сердечной недостаточностью.  Цитология. 58 (11) : 875–882.
  5. I. V. Kubasov, M. G. Dobretsov. Characteristics of spreading action potentials recorded in various areas of skeletal muscle fibers of the frog Rana temporaria. Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology . October 2011, Volume 47, Issue 5, pp 486-489 DOI: 10.1134/S0022093011050124
  6. I. V. Kubasov, M. G. Dobretsov. Effects of barium and ouabain on electrogenesis in various sites of intact and detubulated skeletal muscle fibers of the frog R. temporariaJournal of Evolutionary Biochemistry and Physiology . July 2012, Volume 48, Issue 4, pp 422-429 DOI10.1134/S0022093012040068
  7. Кубасов И.В., Добрецов М.Г. Differential effects of the cloride channels blocker 9-AC on two types of extracellular action potentials of the frog (R. Temporaria) skeletal muscle fibers. Intern. Symp. "Biological Motility: Fundamental and Applied Science". Pushchino, Moscow region, Russia (May 11-15, 2012). P.96-99.
  8. I.V. Kubasov, M.G. Dobretsov. Влияние блокаторов кальциевого тока на потенциалзависимые калиевые токи развивающихся в культуре скелетно-мышечных клеток лягушки. Докл. Росс. АН, Т. 338, № 1, 119-121, 1994.
  9. Kubasov I.V., Dobretsov, M. Two types of extracellular action potentials recorded with narrow-tipped pipettes in skeletal muscle of frog, Rana temporaria. // J. Physiol. —2012. — Vol. 590. — P.937-944 DOI: 10.1113/jphysiol.2012.230813
  10. Кубасов И. В., Арутюнян Р. С. Исследование и анализ распределения хлорных каналов на поверхностной мембране и на мембране т-трубочек скелетных мышечных волокон лягушки // Рос. физиол. журн. им. И.М.Сеченова. –2012. Т.98, №9. – С. 1149–1158.
  11. I. V. Kubasov, R. S. Arutyunyan. The influence of 9-anthracene carbonic acid on the contractile and electric parameters of the frog (Rana temporaria) skeletal muscle fibers // Doklady Biological Sciences . V449, (1), pp 93-95 DOI: 10.1134/S0012496613020142
  12. Kubasov I.V., Arutunian R.S., Dobretsov M. Distribution of chloride channels between different compartments of frog, RANA TEMPORARIA skeletal muscle fibers (Abstract) // J.Gen. Physiol. 2013. 142: 8a-9a.
  13. I. V. Kubasov, R. S. Arutyunyan. The influence of 9-anthracene carbonic acid on the contractile and electric parameters of the frog (Rana temporaria) skeletal muscle fibers // Doklady Biological Sciences . V449, (1), pp 93-95 DOI: 10.1134/S0012496613020142 SCOPUS да
  14. Kubasov I.V., Arutunian R.S., Dobretsov M. Distribution of chloride channels between different compartments of frog, RANA TEMPORARIA skeletal muscle fibers (Abstract) // J.Gen. Physiol. 2013. 142: 8a-9a.
  15. И. В. Кубасов, Р. С. Арутюнян, М. Г. Добрецов, Е. В. Матросова. Действие инсулина на сократительные и электрические ответы скелетных мышц крысы. // Рос. физиол. журн. им. И.М.Сеченова. 2013. т. 99, №10, 1200-1213.
  16. И.В. Кубасов, Р.С. Арутюнян, М.Г. Добрецов, А.О. Шпаков, Е.В. Матросова. Влияние инсулина на характеристики сократительных ответов быстрых и медленных скелетных мышц у крыс с острой моделью стрептозотоцинового диабета. // Журнал Эволюционной биохимии и физиологии. 2014. т.50, №2, стр. 37-45.
  17.  И. В. Кубасов, М.В. Нечаева, Т.А. Алексеева. Влияние гипоксии на сократительные и электрические ответы скелетных мышц куриного зародыша в последней трети эмбриогенеза. Рос. физиол. журн. им. И.М.Сеченова. 2014. Т.100, №2, стр. 187-200.
  18.  Kubasov I.V., Arutunian R.S., Matrosova E.V. Evolution of individual contractile events during tetanic stimulation of fast- and slow-twitch rat muscles. In: Biological motility: New facts and hypoteses. Puschino: ITEB RAS.2014. p.142-145.
Арутюнян Рубен Сергеевич д.м.н.

главный научный сотрудник

Дьерке Шандор

ведущий научный сотрудник

Кубасов Игорь Владимирович к.б.н.

старший научный сотрудник

Степанов Андрей Валентинович

старший лаборант-исследователь