БИОХИМИЯ, 2019, том 84, вып. 3, с. 436–447

УДК 577.2

Экспрессия и функциональные свойства NMDA- и GABAA-рецепторов при дифференцировке индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека в вентральные мезенцефалические нейроны

© 2019 С.А. Антонов 1*, Е.В. Новосадова 1, А.Г. Кобылянский 1, С.Н. Иллариошкин 2, В.З. Тарантул 1, И.А. Гривенников 1

1 Институт молекулярной генетики РАН, 123182 Москва, Россия; электронная почта: vamore@inbox.ru

2 Научный центр неврологии, 125367 Москва, Россия

Поступила в редакцию 29.10.2018
После доработки 29.11.2018
Принята к публикации 29.11.2018

DOI: 10.1134/S0320972519030138

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: NMDA-рецепторы, GABAA-рецепторы, индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, мезенцефалические нейроны, дифференцировка.

Аннотация

Ионотропные глутаматные и ГАМК-рецепторы регулируют процесс дифференцировки и определяют функциональные свойства зрелых нейронов. Как недостаточная, так и избыточная активность этих систем нейротрансмиссии ассоциирована с различными заболеваниями нервной системы. В современной литературе имеются ограниченные сведения относительно профиля экспрессии данных рецепторов и механизмов их регуляции при дифференцировке специализированных типов нейронов человека. В настоящей работе с использованием ПЦР в реальном времени и иммуноцитохимического окрашивания был изучен профиль экспрессии NMDA- и GABAA-рецепторов при дифференцировке in vitro вентральных мезенцефалических нейронов, получаемых из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) человека. Исследована связь между процессом созревания нейронов и динамикой экспрессии данных генов. Также посредством прижизненного наблюдения клеток с применением флуоресцентного кальциевого индикатора была изучена функциональная активность рецепторов. С помощью трансдукции нейральных предшественников репортерными генами TagGFP и TagRFP проанализирована роль NMDA- и GABAA-рецепторов в регуляции роста нейритов и развитии спонтанной активности изучаемых клеток. Из полученных в работе результатов следует, что агонисты изучаемых рецепторов могут быть использованы для оптимизации существующих протоколов нейральной дифференцировки ИПСК, в частности для ускорения созревания нейронов.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 17-04-01661; Антонов С.А., Новосадова Е.В., Кобылянский А.Г., Гривенников И.А.; эксперименты по кальциевому имиджингу, трансфекции, ОТ-ПЦР и иммунофлуоресценции) и РНФ (грант № 14-15-01047-П; Новосадова Е.В., Иллариошкин С.Н., Гривенников И.А.; работы по культивированию, дифференцировке и исследованию апоптоза нейронов человека).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Все применимые международные, национальные и/или институциональные принципы ухода и использования животных были соблюдены.

Список литературы

1. Takahashi, K., Tanabe, K., Ohnuki, M., Narita, M., Ichisaka, T., Tomoda, K., and Yamanaka, S. (2007) Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors, Cell, 131, 861–872, doi: 10.1016/j.cell.2007.11.019.

2. Новосадова Е.В., Гривенников И.А. (2014) Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки: от получения до применения в биохимических и биомедицинских исследованиях, Успехи биологической химии, 54, 3–38.

3. Schaarschmidt, G., Schewtschik, S., Kraft, R., Wegner, F., Eilers, J., Schwarz, J., and Schmidt, H. (2009) A new culturing strategy improves functional neuronal development of human neural progenitor cells, J. Neurochem., 109, 238–247, doi: 10.1111/j.1471-4159.2009.05954.x.

4. Zhou, Q., and Sheng, M. (2013) NMDA receptors in nervous system diseases, Neuropharmacology, 74, 69–75, doi: 10.1016/j.neuropharm.2013.03.030.

5. Koutsilieri, E., and Riederer, P. (2007) Excitotoxicity and new antiglutamatergic strategies in Parkinson’s disease and Alzheimer’s disease, Parkinsonism Relat. Disord., 13, S329–S331, doi: 10.1016/s1353-8020(08)70025-7.

6. Dong, X.X., Wang, Y., and Qin, Z.H. (2009) Molecular mechanisms of excitotoxicity and their relevance to pathogenesis of neurodegenerative diseases, Acta Pharmacol. Sin., 30, 379–387, doi: 10.1038/aps.2009.24.

7. Rowley, N.M., Madsen, K.K., Schousboe, A., and Steve White, H. (2012) Glutamate and GABA synthesis, release, transport and metabolism as targets for seizure control, Neurochem. Int., 61, 546–558, doi: 10.1016/j.neuint.2012.02.013.

8. Nacher, J., and McEwen, B.S. (2006) The role of N-methyl-D-asparate receptors in neurogenesis, Hippocampus, 16, 267–270, doi: 10.1002/hipo.20160.

9. Galanopoulou, A.S. (2008) GABAA receptors in normal development and seizures: friends or foes? Curr. Neuropharmacol., 6, 1–20, doi: 10.2174/157015908783769653.

10. Young, A., Machacek, D.W., Dhara, S.K., Macleish, P.R., Benveniste, M., Dodla, M.C., Sturkie, C.D., and Stice, S.L. (2011) Ion channels and ionotropic receptors in human embryonic stem cell derived neural progenitors, Neuroscience, 192, 793–805, doi: 10.1016/j.neuroscience.2011.04.039.

11. Zhang, W.B., Ross, P.J., Tu, Y., Wang, Y., Beggs, S., Sengar, A.S., Ellis, J., and Salter, M.W. (2016) Fyn kinase regulates GluN2B subunit-dominant NMDA receptors in human induced pluripotent stem cell-derived neurons, Sci. Rep., 6, 23837, doi: 10.1038/srep23837.

12. Ishii, M.N., Yamamoto, K., Shoji, M., Asami, A., and Kawamata, Y. (2017) Human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived neurons respond to convulsant drugs when co-cultured with hiPSC-derived astrocytes, Toxicology, 389, 130–138, doi: 10.1016/j.tox.2017.06.010.

13. Некрасов Е.Д., Лебедева О.С., Честков И.В., Сюсина М.А., Федотова Е.Ю., Лагарькова М.А., Киселев С.Л., Гривенников И.А., Иллариошкин С.Н. (2011) Получение и характеристика индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека из фибробластов кожи пациентов с нейроденеративными заболеваниями, Клеточная трансплантология и тканевая инженерия, 6, 1–7.

14. Лебедева О.С., Новосадова Е.В., Мануилова Е.С., Арсеньева Е.Л., Киселев С.Л., Лагарькова М.А., Хаспеков Л.Г., Иллариошкин С.Н., Гривенников И.А. (2014) Получение и характеристика клеточной модели болезни Паркинсона на основе индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, в сб. Стволовые клетки и регенеративная медицина (под ред. Ткачука В.А.), Изд-во Московского Университета, Москва, с. 154–168.

15. Antonov, S.A., Novosadova, E.V., Arsenyeva, E.L., Grefenstein, M.A., Zykova, A.A., Kobylyansky, A.G., Manuilova, E.S., Grivennikov, I.A., Illarioshkin, S.N., and Myasoedov, N.F. (2016) Investigation of the effects of GABA receptor agonists in the differentiation of human induced pluripotent stem cells into dopaminergic neurons, Dokl. Biol. Sci., 470, 244–246, doi: 10.1134/s0012496616050045.

16. Livak, K.J., and Schmittgen, T.D. (2001) Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2–ΔΔCT method, Methods, 25, 402–408, doi: 10.1006/meth.2001.1262.

17. Zhao, H., and Darzynkiewicz, Z. (2017) Rapid detection of DNA strand breaks in apoptotic cells by flow- and image-cytometry, Methods Mol. Biol., 1644, 139–149, doi: 10.1007/978-1-4939-7187-9_12.

18. Verpelli, C., Carlessi, L., Bechi, G., Fusar Poli, E., Orellana, D., Heise, C., Franceschetti, S., Mantegazza, R., Mantegazza, M., Delia, D., and Sala, C. (2013) Comparative neuronal differentiation of self-renewing neural progenitor cell lines obtained from human induced pluripotent stem cells, Front. Cell. Neurosci., 7, 1–14, doi: 10.3389/fncel.2013.00175.

19. Liu, X.B., Murray, K.D., and Jones, E.G. (2004) Switching of NMDA receptor 2A and 2B subunits at thalamic and cortical synapses during early postnatal development, J. Neurosci., 24, 8885–8895, doi: 10.1523/jneurosci.2476-04.2004.

20. Elkabetz, Y., Panagiotakos, G., Al Shamy, G., Socci, N.D., Tabar, V., and Studer, L. (2008) Human ES cell-derived neural rosettes reveal a functionally distinct early neural stem cell stage, Genes Dev., 22, 152–165, doi: 10.1101/gad.1616208.

21. Dingledine, R., Borges, K., Bowie, D., and Traynelis, S.F. (1999) The glutamate receptor ion channels, Pharmacol. Rev., 51, 7–61.

22. Ben-Ari, Y. (2002) Excitatory actions of gaba during development: the nature of the nurture, Nat. Rev. Neurosci., 3, 728–739, doi: 10.1038/nrn920.

23. Herlenius, E., and Lagercrantz, H. (2010) Neurotransmitters and neuromodulators during brain development, in The newborn brain: neuroscience and clinical applications (Lagercrantz, H., ed.), 2nd еdn, Cambridge University Press, pp. 99–119.

24. Rogawski, M.A. (2011) Revisiting AMPA receptors as an antiepileptic drug target, Epilepsy Curr., 11, 56–63, doi: 10.5698/1535-7511-11.2.56.

25. Gupta, K., Hardingham, G.E., and Chandran, S. (2013) NMDA receptor-dependent glutamate excitotoxicity in human embryonic stem cell-derived neurons, Neurosci. Lett., 543, 95–100, doi: 10.1016/j.neulet.2013.03.010.

26. Bergey, G.K., Fitzgerald, S.C., Schrier, B.K., and Nelson, P.G. (1981) Neuronal maturation in mammalian cell culture is dependent on spontaneous electrical activity, Brain Res., 207, 49–58, doi: 10.1016/0006-8993(81)90678-8

27. Lam, R.S., Topfer, F.M., Wood, P.G., Busskamp, V., and Bamberg, E. (2017) Functional maturation of human stem cell-derived neurons in long-term cultures, PLoS One, 12, e0169506, doi: 10.1371/journal.pone.0169506.

28. Gunhanlar, N., Shpak, G., van der Kroeg, M., Gouty-Colomer, L.A., Munshi, S.T., Lendemeijer, B., Ghazvini, M., Dupont, C., Hoogendijk, W.J.G., Gribnau, J., de Vrij, F.M.S., and Kushner, S.A. (2017) A simplified protocol for differentiation of electrophysiologically mature neuronal networks from human induced pluripotent stem cells, Mol. Psychiatry, 23, 1336–1344, doi: 10.1038/mp.2017.56.

29. Hirasawa, T., Wada, H., Kohsaka, S., and Uchino, S. (2003) Inhibition of NMDA receptors induces delayed neuronal maturation and sustained proliferation of progenitor cells during neocortical development, J. Neurosci. Res., 74, 676–687, doi: 10.1002/jnr.10795.

30. Yamasaki, M., Okada, R., Takasaki, C., Toki, S., Fukaya, M., Natsume, R., Sakimura, K., Mishina, M., Shirakawa, T., and Watanabe, M. (2014) Opposing role of NMDA receptor GluN2B and GluN2D in somatosensory development and maturation, J. Neurosci., 34, 11534–11548, doi: 10.1523/jneurosci.1811-14.2014.

31. Sernagor, E., Chabrol, F., Bony, G., and Cancedda, L. (2010) GABAergic control of neurite outgrowth and remodeling during development and adult neurogenesis: general rules and differences in diverse systems, Front. Cell Neurosci., 4, 11, doi: 10.3389/fncel.2010.00011.

32. Rushton, D.J., Mattis, V.B., Svendsen, C.N., Allen, N.D., and Kemp, P.J. (2013) Stimulation of GABA-induced Ca2+ influx enhances maturation of human induced pluripotent stem cell-derived neurons, PLoS One, 8, e81031, doi: 10.1371/journal.pone.0081031.

33. Paoletti, P., Bellone, C., and Zhou, Q. (2013) NMDA receptor subunit diversity: impact on receptor properties, synaptic plasticity and disease, Nat. Rev. Neurosci., 14, 383–400, doi: 10.1038/nrn3504.

34. Hartfield, E.M., Yamasaki-Mann, M., Ribeiro Fernandes, H.J., Vowles, J., James, W.S., Cowley, S.A., and Wade-Martins, R. (2014) Physiological characterisation of human iPS-derived dopaminergic neurons, PLoS One, 9, e87388, doi: 10.1371/journal.pone.0087388.

35. Stanslowsky, N., Haase, A., Martin, U., Naujock, M., Leffler, A., Dengler, R., and Wegner, F. (2014) Functional differentiation of midbrain neurons from human cord blood-derived induced pluripotent stem cells, Stem Cell Res. Ther., 5, 35, doi: 10.1186/scrt423.

36. Bagasrawala, I., Memi, F., Radonjic, N., and Zecevic, N. (2017) N-Methyl D-aspartate receptor expression patterns in the human fetal cerebral cortex, Cereb. Cortex, 27, 5041–5053, doi: 10.1093/cercor/bhw289.

37. Skilbeck, K.J., Johnston, G.A., and Hinton, T. (2010) Stress and GABA receptors, J. Neurochem., 112, 1115–1130, doi: 10.1111/j.1471-4159.2009.06539.x.

38. Momcilovic, O., Liu, Q., Swistowski, A., Russo-Tait, T., Zhao, Y., Rao, M.S., and Zeng, X. (2014) Genome wide profiling of dopaminergic neurons derived from human embryonic and induced pluripotent stem cells, Stem Cells Dev., 23, 406–420, doi: 10.1089/scd.2013.0412.

39. Gulacsi, A., Lee, C.R., Sik, A., Viitanen, T., Kaila, K., Tepper, J.M., and Freund, T.F. (2003) Cell type-specific differences in chloride-regulatory mechanisms and GABAA receptor-mediated inhibition in rat substantia nigra, J. Neurosci., 23, 8237–8246, doi: 10.1523/jneurosci.23-23-08237.2003.

40. Kaila, K., Price, T.J., Payne, J.A., Puskarjov, M., and Voipio, J. (2014) Cation-chloride cotransporters in neuronal development, plasticity and disease, Nat. Rev. Neurosci., 15, 637–654, doi: 10.1038/nrn3819.

41. Wang, C., Liu, F., Patterson, T.A., Paule, M.G., and Slikker, W., Jr. (2017) Relationship between ketamine-induced developmental neurotoxicity and NMDA receptor-mediated calcium influx in neural stem cell-derived neurons, Neurotoxicology, 60, 254–259, doi: 10.1016/j.neuro.2016.04.015.

42. Kritis, A.A., Stamoula, E.G., Paniskaki, K.A., and Vavilis, T.D. (2015) Researching glutamate-induced cytotoxicity in different cell lines: a comparative/collective analysis/study, Front. Cell Neurosci., 9, 1–18, doi: 10.3389/fncel. 2015.00091.

43. Kikuchi, S., and Kim, S.U. (1993) Glutamate neurotoxicity in mesencephalic dopaminergic neurons in culture, J. Neurosci. Res., 36, 558–569, doi: 10.1002/jnr.490360508.