БИОХИМИЯ, 2021, том 86, вып. 6, с. 904–916

УДК 616-092.9

Действие неонатальных введений бактериального эндотоксина на поведение и экспрессию генов ионотропных рецепторов глутамата в гиппокампе взрослых крыс после психогенной травмы

© 2021 В.А. Никитина 1, А.Н. Трофимов 1, М.В. Захарова 2, А.П. Шварц 2, Г.В. Безнин 1, С.Г. Цикунов 1, О.Е. Зубарева 2*zubarevaoe@mail.ru

ФГБНУ «Институт экспериментальной медицины», 197376 Санкт-Петербург, Россия

ФГБУН Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН, 194223 Санкт-Петербург, Россия

Поступила в редакцию 06.12.2020
После доработки 26.04.2021
Принята к публикации 28.04.2021

DOI: 10.31857/S0320972521060129

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: липополисахарид, раннее развитие, гиппокамп, стресс-реактивность, NMDA-рецептор, AMPA-рецептор, кортикостерон, поведение.

Аннотация

Согласно «двухударной» гипотезе формирования психонейропатологии, инфекционные заболевания, перенесённые в критические периоды раннего онтогенеза, нарушают нормальное развитие мозга, повышая чувствительность к стрессам в последующей жизни. Эти нарушения могут быть связаны с изменениями функциональной активности глутаматергической системы гиппокампа. В данной работе изучены особенности экспрессии генов ионотропных глутаматных NMDA (GluN1, GluN2a, GluN2b) и AMPA (GluA1, GluA2) рецепторов, а также транспортёра глутамата EAAT2 в вентральном и дорзальном отделах гиппокампа крыс, получавших бактериальный липополисахарид (ЛПС) в течение третьей недели жизни и переживших витальный стресс (контакт с хищником – питоном) во взрослом возрасте. Тестирование производили через 25 дней после стресса. Нарушения были обнаружены в вентральном, но не дорзальном отделе гиппокампа. Нестрессированные крысы, которым неонатально вводили ЛПС, имели более низкий уровень белка GluN2b по сравнению с нестрессированным контролем, однако после стресса у них (но не у контрольных животных) уровень GluN2b значимо увеличивался. Различные реакции на стресс у экспериментальных и контрольных крыс выявлены также по показателям исследовательского поведения: в первую минуту после помещения в «Отрытое поле» у стрессированных контрольных крыс активность увеличивалась, а у стрессированных экспериментальных – снижалась. Кроме того, стрессированные и нестрессированные крысы, которым в раннем возрасте вводили ЛПС, отличались бо́льшим временем, проведённым в открытых рукавах «Приподнятого крестообразного лабиринта» и пониженным уровнем кортикостерона в крови. Таким образом, воздействие бактериальным ЛПС в раннем постнатальном онтогенезе влияет на характер стресс-индуцированных изменений поведения и на особенности экспрессии генов субъединиц ионотропных рецепторов глутамата в гиппокампе после психогенной травмы, перенесённой во взрослом возрасте.

Текст статьи

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

captcha

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 17-04-02116).

Благодарности

Спектрофотометрические исследования и визуализация мембран выполнены на базе Центра коллективного пользования научного оборудования для физиологических, биохимических и молекулярно-биологических исследований ИЭФБ им. И.М. Сеченова РАН.

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. Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов.

Дополнительные материалы

Приложение к статье на английском языке опубликовано на сайте журнала «Biochemistry» (Moscow) (http://protein.bio.msu.ru/biokhimiya) и на сайте издательства Springer (https://link.springer.com/journal/10541), том 86, вып. 6, 2021.

Список литературы

1. Lee, R. S., Oswald, L. M., and Wand, G. S. (2018) Early life stress as a predictor of co-occurring alcohol use disorder and post-traumatic stress disorder, Alcohol. Res., 39, 147-159.

2. Fisher, P. A., Beauchamp, K. G., Roos, L. E., Noll, L. K., Flannery, J., and Delker, B. C. (2016) The neurobiology of intervention and prevention in early adversity, Annu. Rev. Clin. Psychol., 12, 331-357, doi: 10.1146/annurev-clinpsy-032814-112855.

3. Van Camp, G., Cigalotti, J., Bouwalerh, H., Mairesse, J., Gatta, E., et al. (2018) Consequences of a double hit of stress during the perinatal period and midlife in female rats: mismatch or cumulative effect? Psychoneuroendocrinology, 93, 45-55, doi: 10.1016/j.psyneuen.2018.04.004.

4. Jaric I., Rocks, D., Cham, H., Herchek, A., and Kundakovic, M. (2019) Sex and estrous cycle effects on anxiety- and depression-related phenotypes in a two-hit developmental stress model, Front. Mol. Neurosci., 12, 74, doi: 10.3389/fnmol.2019.00074.

5. Koss, K. J., and Gunnar, M. R. (2018) Annual research review: early adversity, the hypothalamic-pituitary-adrenocortical axis, and child psychopathology, J. Child Psychol. Psychiatry, 59, 327-346, doi: 10.1111/jcpp.12784.

6. Dinel, A.-L., Joffre, C., Trifilieff, P., Aubert, A., Foury, A., Le Ruyet, P., and Layé, S. (2014) Inflammation early in life is a vulnerability factor for emotional behavior at adolescence and for lipopolysaccharide-induced spatial memory and neurogenesis alteration at adulthood, J. Neuroinflammation, 11, 155, doi: 10.1186/s12974-014-0155-x.

7. Doenni, V. M., Song, C. M., Hill, M. N., and Pittman, Q. J. (2017) Early-life inflammation with LPS delays fear extinction in adult rodents, Brain. Behav. Immun., 63, 176-185, doi: 10.1016/j.bbi.2016.11.022.

8. Lei, Y., Chen, C.-J., Yan, X.-X., Li, Z., and Deng, X.-H. (2017) Early-life lipopolysaccharide exposure potentiates forebrain expression of NLRP3 inflammasome proteins and anxiety-like behavior in adolescent rats, Brain Res., 1671, 43-54, doi: 10.1016/j.brainres.2017.06.014.

9. Trofimov, A., Strekalova, T., Mortimer, N., Zubareva, O., Schwarz, A., et al. (2017) Postnatal LPS challenge impacts escape learning and expression of plasticity factors Mmp9 and Timp1 in rats: effects of repeated training, Neurotox. Res., 32, 175-186, doi: 10.1007/s12640-017-9720-2.

10. Trofimov, A. N., Rotov, A. Y., Veniaminova, E. A., Fomalont, K., Schwarz, A. P., and Zubareva, O. E. (2020) Changes in behavior and the expression of ionotropic glutamate receptor genes in the brains of adult rats after neonatal administration of bacterial lipopolysaccharide, Neurosci. Behav. Physiol., 50, 1239-1248, doi: 10.1007/s11055-020-01025-7.

11. Zubareva, O. E., Postnikova, T. Y., Grifluk, A. V., Schwarz, A. P., Smolensky, I. V., et al. (2020) Exposure to bacterial lipopolysaccharide in early life affects the expression of ionotropic glutamate receptor genes and is accompanied by disturbances in long-term potentiation and cognitive functions in young rats, Brain. Behav. Immun., 90, 3-15, doi: 10.1016/j.bbi.2020.07.034.

12. Walker, A. K., Nakamura, T., Byrne, R. J., Naicker, S., Tynan, R. J., et al. (2009) Neonatal lipopolysaccharide and adult stress exposure predisposes rats to anxiety-like behaviour and blunted corticosterone responses: implications for the double-hit hypothesis, Psychoneuroendocrinology, 34, 1515-1525, doi: 10.1016/j.psyneuen.2009.05.010.

13. Walker, A. K., Nakamura, T., and Hodgson, D. M. (2010) Neonatal lipopolysaccharide exposure alters central cytokine responses to stress in adulthood in Wistar rats, Stress, 13, 506-515, doi: 10.3109/10253890.2010.489977.

14. Harré, E.-M., Galic, M. A., Mouihate, A., Noorbakhsh, F., and Pittman, Q. J. (2008) Neonatal inflammation produces selective behavioural deficits and alters N-methyl-D-aspartate receptor subunit mRNA in the adult rat brain, Eur. J. Neurosci., 27, 644-653, doi: 10.1111/j.1460-9568.2008.06031.x.

15. Hansen, K. B., Yi, F., Perszyk, R. E., Furukawa, H., Wollmuth, L. P., et al. (2018) Structure, function, and allosteric modulation of NMDA receptors, J. Gen. Physiol., 150, 1081-1105, doi: 10.1085/jgp.201812032.

16. Liu, S., Lau, L., Wei, J., Zhu, D., Zou, S., et al. (2004) Expression of Ca2+-permeable AMPA receptor channels primes cell death in transient forebrain ischemia, Neuron, 43, 43-55, doi: 10.1016/j.neuron.2004.06.017.

17. Wenzel, A., Fritschy, J. M., Mohler, H., and Benke, D. (1997) NMDA receptor heterogeneity during postnatal development of the rat brain: differential expression of the NR2A, NR2B, and NR2C subunit proteins, J. Neurochem., 68, 469-478, doi: 10.1046/j.1471-4159.1997.68020469.x.

18. Babb, T. L., Mikuni, N., Najm, I., Wylie, C., Olive, M., et al. (2005) Pre- and postnatal expressions of NMDA receptors 1 and 2B subunit proteins in the normal rat cortex, Epilepsy Res., 64, 23-30, doi: 10.1016/j.eplepsyres.2005.02.008.

19. Du Bois, T. M., and Huang, X.-F. (2007) Early brain development disruption from NMDA receptor hypofunction: relevance to schizophrenia, Brain Res. Rev., 53, 260-270, doi: 10.1016/j.brainresrev.2006.09.001.

20. Lippman-Bell, J. J., Zhou, C., Sun, H., Feske, J. S., and Jensen, F. E. (2016) Early-life seizures alter synaptic calcium-permeable AMPA receptor function and plasticity, Mol. Cell. Neurosci., 76, 11-20, doi: 10.1016/j.mcn.2016.08.002.

21. Yuan, T., and Bellone, C. (2013) Glutamatergic receptors at developing synapses: the role of GluN3A-containing NMDA receptors and GluA2-lacking AMPA receptors, Eur. J. Pharmacol., 719, 107-111, doi: 10.1016/j.ejphar.2013.04.056.

22. Sweatt, J. D. (2016) Neural plasticity and behavior – sixty years of conceptual advances, J. Neurochem., 139 Suppl, 179-199, doi: 10.1111/jnc.13580.

23. Diering, G. H., and Huganir, R. L. (2018) The AMPA receptor code of synaptic plasticity, Neuron, 100, 314-329, doi: 10.1016/j.neuron.2018.10.018.

24. Lisman, J. (2017) Glutamatergic synapses are structurally and biochemically complex because of multiple plasticity processes: long-term potentiation, long-term depression, short-term potentiation and scaling, Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci., 372, doi: 10.1098/rstb.2016.0260.

25. Sarantis, K., Antoniou, K., Matsokis, N., and Angelatou, F. (2012) Exposure to novel environment is characterized by an interaction of D1/NMDA receptors underlined by phosphorylation of the NMDA and AMPA receptor subunits and activation of ERK1/2 signaling, leading to epigenetic changes and gene expression in rat hippocampus, Neurochem. Int., 60, 55-67, doi: 10.1016/j.neuint.2011.10.018.

26. Barkus, C., McHugh, S. B., Sprengel, R., Seeburg, P. H., Rawlins, J. N. P., and Bannerman, D. M. (2010) Hippocampal NMDA receptors and anxiety: at the interface between cognition and emotion, Eur. J. Pharmacol., 626, 49-56, doi: 10.1016/j.ejphar.2009.10.014.

27. Pacheco, A., Aguayo, F. I., Aliaga, E., Muñoz, M., García-Rojo, G., et al. (2017) Chronic stress triggers expression of immediate early genes and differentially affects the expression of AMPA and NMDA subunits in dorsal and ventral hippocampus of rats, Front. Mol. Neurosci., 10, 244, doi: 10.3389/fnmol.2017.00244.

28. Costa-Nunes, J., Zubareva, O., Araújo-Correia, M., Valença, A., Schroeter, C. A., et al. (2014) Altered emotionality, hippocampus-dependent performance and expression of NMDA receptor subunit mRNAs in chronically stressed mice, Stress, 17, 108-116, doi: 10.3109/10253890.2013.872619.

29. Furini, C., Myskiw, J., and Izquierdo, I. (2014) The learning of fear extinction, Neurosci. Biobehav. Rev., 47, 670-683, doi: 10.1016/j.neubiorev.2014.10.016.

30. Matsumoto, Y., Morinobu, S., Yamamoto, S., Matsumoto, T., Takei, S., et al. (2013) Vorinostat ameliorates impaired fear extinction possibly via the hippocampal NMDA-CaMKII pathway in an animal model of posttraumatic stress disorder, Psychopharmacology (Berlin), 229, 51-62, doi: 10.1007/s00213-013-3078-9.

31. Réus, G. Z., Abelaira, H. M., Stringari, R. B., Fries, G. R., Kapczinski, F., and Quevedo, J. (2012) Memantine treatment reverses anhedonia, normalizes corticosterone levels and increases BDNF levels in the prefrontal cortex induced by chronic mild stress in rats, Metab. Brain Dis., 27, 175-182, doi: 10.1007/s11011-012-9281-2.

32. Padovan, C. M., and Guimarães, F. S. (2004) Antidepressant-like effects of NMDA-receptor antagonist injected into the dorsal hippocampus of rats, Pharmacol. Biochem. Behav., 77, 15-19, doi: 10.1016/j.pbb.2003.09.015.

33. Blacker, C. J., Millischer, V., Webb, L. M., Ho, A. M. C., Schalling, M., et al. (2020) EAAT2 as a research target in bipolar disorder and unipolar depression: a systematic review, Mol. Neuropsychiatry, 5, 44-59, doi: 10.1159/000501885.

34. Zink, M., Vollmayr, B., Gebicke-Haerter, P. J., and Henn, F. A. (2010) Reduced expression of glutamate transporters vGluT1, EAAT2 and EAAT4 in learned helpless rats, an animal model of depression, Neuropharmacology, 58, 465-473, doi: 10.1016/j.neuropharm.2009.09.005.

35. Zhang, X. H., Jia, N., Zhao, X. Y., Tang, G. K., Guan, L. X., et al. (2013) Involvement of pGluR1, EAAT2 and EAAT3 in offspring depression induced by prenatal stress, Neuroscience, 250, 333-341, doi: 10.1016/j.neuroscience.2013.04.031.

36. Kovalenko, A. A., Zakharova, M. V., Nikitina, V. A., Schwarz, A. P., Karyakin, V. B., et al. (2018) Alterations in the expression of genes that encode subunits of ionotropic glutamate receptors and the glutamate transporter in brain structures of rats after psychogenic stress, Neurochem. J., 12, 135-141, doi: 10.1134/S181971241802006X.

37. Nasca, C., Bigio, B., Zelli, D., de Angelis, P., Lau, T., et al. (2017) Role of the Astroglial glutamate exchanger xCT in ventral hippocampus in resilience to stress, Neuron, 96, 402-413.e5, doi: 10.1016/j.neuron.2017.09.020.

38. Beznin, G. V., Pshenichnaya, A. G., Kusov, A. G., and Tsikunov, S. G. (2012) Morphological and functional bases of behavioral deviations in the model of acute vital stress in rats, Med. Akadem. Zhurn., 12, 37-39.

39. Paxinos, G., and Watson, C. (2007) The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates, 6th Edition, Academic Press.

40. Kopec, A. M., Rivera, P. D., Lacagnina, M. J., Hanamsagar, R., and Bilbo, S. D. (2017) Optimized solubilization of TRIzol-precipitated protein permits Western blotting analysis to maximize data available from brain tissue, J. Neurosci. Methods, 280, 64-76, doi: 10.1016/j.jneumeth.2017.02.002.

41. Harrington, C. R. (1990) Lowry protein assay containing sodium dodecyl sulfate in microtiter plates for protein determinations on fractions from brain tissue, Anal. Biochem., 186, 285-7, doi: 10.1016/0003-2697(90)90081-j.

42. Laemmli, U. K. (1970) Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4, Nature, 227, 680-685, doi: 10.1038/227680a0.

43. Lei, T., Dong, D., Song, M., Sun, Y., Liu, X., and Zhao, H. (2020) Rislenemdaz treatment in the lateral habenula improves despair-like behavior in mice, Neuropsychopharmacology, 45, 1717-1724, doi: 10.1038/s41386-020-0652-9.

44. Delawary, M., Tezuka, T., Kiyama, Y., Yokoyama, K., Inoue, T., et al. (2010) NMDAR2B tyrosine phosphorylation regulates anxiety-like behavior and CRF expression in the amygdala, Mol. Brain, 3, 37, doi: 10.1186/1756-6606-3-37.

45. Rahman, T., Zavitsanou, K., Purves-Tyson, T., Harms, L. R., Meehan, C., et al. (2017) Effects of immune activation during early or late gestation on N-methyl-d-aspartate receptor measures in adult rat offspring, Front. Psychiatry, 8, 77, doi: 10.3389/fpsyt.2017.00077.

46. Tishkina, A., Stepanichev, M., Kudryashova, I., Freiman, S., Onufriev, M., et al. (2016) Neonatal proinflammatory challenge in male Wistar rats: effects on behavior, synaptic plasticity, and adrenocortical stress response, Behav. Brain Res., 304, 1-10, doi: 10.1016/j.bbr.2016.02.001.

47. Onufriev, M. V., Freiman, S. V., Peregud, D. I., Kudryashova, I. V, Tishkina, A. O., et al. (2017) Neonatal proinflammatory stress induces accumulation of corticosterone and interleukin-6 in the hippocampus of juvenile rats: potential mechanism of synaptic plasticity impairments, Biochemistry (Moscow), 82, 275-281, doi: 10.1134/S0006297917030051.

48. Postnikova, T. Y., Griflyuk, A. V, Ergina, J. L., Zubareva, O. E., and Zaitsev, A. V. (2020) Administration of bacterial lipopolysaccharide during early postnatal ontogenesis induces transient impairment of long-term synaptic plasticity associated with behavioral abnormalities in young rats, Pharmaceuticals (Basel), 13, doi: 10.3390/ph13030048.

49. Onufriev, M. V., Uzakov, S. S., Freiman, S. V., Stepanichev, M. Y., Moiseeva, Y. V., et al. (2018) The Dorsal and ventral hippocampus have different reactivities to proinflammatory stress: corticosterone levels, cytokine expression, and synaptic plasticity, Neurosci. Behav. Physiol., 48, 1024-1031, doi: 10.1007/s11055-018-0665-6.

50. Benmhammed, H., El Hayek, S., Nassiri, A., Bousalham, R., Mesfioui, A., et al. (2019) Effects of lipopolysaccharide administration and maternal deprivation on anxiety and depressive symptoms in male and female Wistar rats: Neurobehavioral and biochemical assessments, Behav. Brain Res., 362, 46-55, doi: 10.1016/j.bbr.2019.01.005.

51. Sulakhiya, K., Keshavlal, G. P., Bezbaruah, B. B., Dwivedi, S., Gurjar, S. S., et al. (2016) Lipopolysaccharide induced anxiety- and depressive-like behaviour in mice are prevented by chronic pre-treatment of esculetin, Neurosci. Lett., 611, 106-111, doi: 10.1016/j.neulet.2015.11.031.

52. Walker, F. R., March, J., and Hodgson, D. M. (2004) Endotoxin exposure in early life alters the development of anxiety-like behaviour in the Fischer 344 rat, Behav. Brain Res., 154, 63-69, doi: 10.1016/j.bbr.2004.01.019.

53. Spencer, S. J., Heida, J. G., and Pittman, Q. J. (2005) Early life immune challenge – effects on behavioural indices of adult rat fear and anxiety, Behav. Brain Res., 164, 231-238, doi: 10.1016/j.bbr.2005.06.032.

54. Custódio, C. S., Mello, B. S. F., Filho, A. J. M. C., de Carvalho Lima, C. N., Cordeiro, R. C., et al. (2018) Neonatal immune challenge with lipopolysaccharide triggers long-lasting sex- and age-related behavioral and immune/neurotrophic alterations in mice: relevance to autism spectrum disorders, Mol. Neurobiol., 55, 3775-3788, doi: 10.1007/s12035-017-0616-1.

55. Fan, L.-W., Tien, L.-T., Mitchell, H. J., Rhodes, P. G., and Cai, Z. (2008) Alpha-phenyl-n-tert-butyl-nitrone ameliorates hippocampal injury and improves learning and memory in juvenile rats following neonatal exposure to lipopolysaccharide, Eur. J. Neurosci., 27, 1475-1484, doi: 10.1111/j.1460-9568.2008.06121.x.

56. Zoladz, P. R., and Diamond, D. M. (2016) Predator-based psychosocial stress animal model of PTSD: preclinical assessment of traumatic stress at cognitive, hormonal, pharmacological, cardiovascular and epigenetic levels of analysis, Exp. Neurol., 284, 211-219, doi: 10.1016/j.expneurol.2016.06.003.

57. Zoladz, P. R., Park, C. R., Fleshner, M., and Diamond, D. M. (2015) Psychosocial predator-based animal model of PTSD produces physiological and behavioral sequelae and a traumatic memory four months following stress onset, Physiol. Behav., 147, 183-192, doi: 10.1016/j.physbeh.2015.04.032.

58. Auxéméry, Y. (2012) Posttraumatic stress disorder (PTSD) as a consequence of the interaction between an individual genetic susceptibility, a traumatogenic event and a social context, Encephale, 38, 373-380, doi: 10.1016/j.encep.2011.12.003.

59. Ding, X.-F., Li, Y.-H., Chen, J.-X., Sun, L.-J., Jiao, H.-Y., et al. (2017) Involvement of the glutamate/glutamine cycle and glutamate transporter GLT-1 in antidepressant-like effects of Xiao Yao san on chronically stressed mice, BMC Complement. Altern. Med., 17, 326, doi: 10.1186/s12906-017-1830-0.

60. Shanks, N., Larocque, S., and Meaney, M. J. (1995) Neonatal endotoxin exposure alters the development of the hypothalamic-pituitary-adrenal axis: early illness and later responsivity to stress, J. Neurosci., 15, 376-384.

61. Zoladz, P. R., Fleshner, M., and Diamond, D. M. (2012) Psychosocial animal model of PTSD produces a long-lasting traumatic memory, an increase in general anxiety and PTSD-like glucocorticoid abnormalities, Psychoneuroendocrinology, 37, 1531-1545, doi: 10.1016/j.psyneuen.2012.02.007.

62. Olff, M., Güzelcan, Y., de Vries, G.-J., Assies, J., and Gersons, B. P. R. (2006) HPA- and HPT-axis alterations in chronic posttraumatic stress disorder, Psychoneuroendocrinology, 31, 1220-1230, doi: 10.1016/j.psyneuen.2006.09.003.