Изменения экспрессии генов системы инсулин/инсулиноподобных факторов роста в поле СА1 и зубчатой фасции гиппокампа при предъявлении нового контекста

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, 117485 Москва, Россия

Поступила в редакцию 20.05.2022
После доработки 19.09.2022
Принята к публикации 19.09.2022

DOI: 10.31857/S0320972522110045

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: обучение, память, Irs2, гиппокамп, транскриптом, условно-рефлекторное замирание.

Аннотация

Формирование памяти – это сложный процесс, основанный на механизмах регуляции как функционирования синапсов, так и экспрессии генов, кодирующих инсулиноподобные факторы роста. Мы проанализировали изменения в уровне экспрессии генов, кодирующих белки системы инсулин/инсулиноподобных факторов роста в ранний период обучения, в дорсальной и вентральной СА1‑области и зубчатой фасции гиппокампа у мышей через час после предъявления нового контекста как с негативным подкреплением (модель контекстного условно-рефлекторного замирания), так и без подкрепления. Обнаружено, что при предъявлении нового контекста, независимо от сочетания с негативным подкреплением, наряду с изменением уровня экспрессии хорошо известных ранних генов с‑Fos (во всех исследованных областях гиппокампа) и Arc (в дорсальной и вентральной областях СА1 и дорсальной зубчатой фасции), изменяется и уровень экспрессии гена субстрата инсулинового рецептора 2, Irs2, в дорсальной области СА1 и вентральной зубчатой фасции, что свидетельствует об участии системы инсулина/IGFs в ранних стадиях активации нейронов при предъявлении нового контекста.

Текст статьи

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа поддержана Министерством науки и образования РФ (грант № 075-15-2020-801) и Российским научным фондом (грант № 18-75-10112, исследования гена Irs2).

Вклад авторов

Н.В. Баль, П.М. Балабан – концепция и руководство работой; А.М. Швадченко, М.В. Волобуева, В.О. Иванова, Г.Р. Смирнова, Н.В. Баль – проведение экспериментов; А.П. Белецкий, Н.В. Баль – статистический анализ; А.М. Швадченко, М.В. Волобуева, Н.В. Баль, А.П. Белецкий, П.М. Балабан – обсуждение результатов исследования; Н.В. Баль, А.М. Швадченко – написание текста; П.М. Балабан, Н.В. Баль, А.М. Швадченко – редактирование текста статьи.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Все принятые международные, национальные и институциональные принципы ухода и использования животных были соблюдены.

Список литературы

1. Chen, D. Y., Stern, S. A., Garcia-Osta, A., Saunier-Rebori, B., Pollonini, G., et al. (2011) A critical role for IGF-II in memory consolidation and enhancement, Nature, 469, 491-497, doi: 10.1038/nature09667.

2. Pascual-Lucas, M., Viana da Silva, S., Di Scala, M., Garcia‐Barroso, C., González‐Aseguinolaza, G., et al. (2014) Insulin‐like growth factor 2 reverses memory and synaptic deficits in APP transgenic mice, EMBO Mol. Med., 6, 1246-1262, doi: 10.15252/emmm.201404228.

3. Agis-Balboa, R. C., Arcos-Diaz, D., Wittnam, J., Govindarajan, N., Blom, K., et al. (2011) A hippocampal insulin-growth factor 2 pathway regulates the extinction of fear memories, EMBO J., 30, 4071-4083, doi: 10.1038/emboj.2011.293.

4. Dou, J. T., Chen, M., Dufour, F., Alkon, D. L., and Zhao, W. Q. (2005) Insulin receptor signaling in long-term memory consolidation following spatial learning, Learn Mem., 12, 646-655, doi: 10.1101/lm.88005.

5. Zhao, W. Q., Chen, H., Quon, M. J., and Alkon, D. L. (2004) Insulin and the insulin receptor in experimental models of learning and memory, Eur. J. Pharmacol., 490, 71-81, doi: 10.1016/j.ejphar.2004.02.045.

6. Schubert, M., Brazil, D., Burks, D., Kushner, J., Ye, J., et al. (2003) Insulin receptor substrate-2 deficiency impairs brain growth and promotes tau phosphorylation, J. Neurosci., 23, 7084-7092, doi: 10.1523/JNEUROSCI.23-18-07084.2003.

7. Irvine, E. E., Drinkwater, L., Radwanska, K., Al-Qassab, H., Smith, M. A., et al. (2011) Insulin receptor substrate 2 is a negative regulator of memory formation, Learn. Mem., 18, 375-383, doi: 10.1101/lm.2111311.

8. Khan, S. (2019) IGFBP-2 signaling in the brain: from brain development to higher order brain functions, Front. Endocrinol. (Lausanne), 10, 822, doi: 10.3389/fendo.2019.00822.

9. Gilbert, P., Kesner, R., and Lee, I. (2001) Dissociating hippocampal subregions: a double dissociation between dentate gyrus and CA1, Hippocampus, 11, 626-636, doi: 10.1002/hipo.1077.

10. Hunsaker, M., and Kesner, R. (2008) Evaluating the differential roles of the dorsal dentate gyrus, dorsal CA3, and dorsal CA1 during a temporal ordering for spatial locations task, Hippocampus, 18, 955-964, doi: 10.1002/hipo.20455.

11. Gulyaeva, N. V. (2019) Functional neurochemistry of the ventral and dorsal hippocampus: stress, depression, dementia and remote hippocampal damage, Neurochem. Res., 44, 1306-1322, doi: 10.1007/S11064-018-2662-0.

12. Strange, B., Witter, M., Lein, E., and Moser, E. (2014) Functional organization of the hippocampal longitudinal axis, Nat. Rev. Neurosci., 15, 655-669, doi: 10.1038/nrn3785.

13. Bannerman, D., Rawlins, J., McHugh, S., Deacon, R., Yee, B. K., et al. (2004) Regional dissociations within the hippocampus – memory and anxiety, Neurosci. Biobehav. Rev., 28, 273-283, doi: 10.1016/j.neubiorev.2004.03.004.

14. Fanselow, M., and Dong, H., (2010) Are the dorsal and ventral hippocampus functionally distinct structures? Neuron, 65, 7-19, doi: 10.1016/j.neuron.2009.11.031.

15. Moser, M., and Moser, E. (1998) Functional differentiation in the hippocampus, Hippocampus, 8, 608-619, doi: 10.1002/(SICI)1098-1063(1998)8:6<608::AID-HIPO3>3.0.CO;2-7.

16. Kenney, J., Raybuck, J., and Gould, T. (2012) Nicotinic receptors in the dorsal and ventral hippocampus differentially modulate contextual fear conditioning, Hippocampus, 22, 1681-1690, doi: 10.1002/hipo.22003.

17. Chomczynski, P., and Sacchi, N. (1987) Single-step method of RNA isolation by acid guanidinium thiocyanate-phenol-chloroform extraction, Anal. Biochem., 162, 156-159, doi: 10.1006/abio.1987.9999.

18. Анохин К. В. (1992) «Ранние гены» в механизмах обучения и памяти, Диcс. докт. биол. наук, МГУ, Москва.

19. Aimone, J., Deng, W., and Gage, F. (2011) Resolving new memories: a critical look at the dentate gyrus, adult neurogenesis, and pattern separation, Neuron, 70, 589-596, doi: 10.1016/J.NEURON.2011.05.010.

20. Cembrowski, M., Wang, L., Sugino, K., Shields, B., and Spruston, N. (2016) Hipposeq: a comprehensive RNA-seq database of gene expression in hippocampal principal neurons, Elife, 5, e14997, doi: 10.7554/ELIFE.14997.

21. Cho, J., Yu, N., Choi, J.-H., Sim, S., Kang, S. J., et al. (2015) Multiple repressive mechanisms in the hippocampus during memory formation, Science, 350, 82-87, doi: 10.1126/science.aac7368.

22. Harris, R. M., Kao, H-Y., Alarcón, J. M., Fenton, A. A., and Hofmann, H. A. (2020) Transcriptome analysis of hippocampal subfields identifies gene expression profiles associated with long-term active place avoidance memory, bioRxiv, 2020.02.05.935759, doi: 10.1101/2020.02.05.935759.

23. Katzman, A., Khodadadi-Jamayran, A., Kapeller-Libermann, D., Ye, X., Tsirigos, A., et al. (2021) Distinct transcriptomic profiles in the dorsal hippocampus and prelimbic cortex are transiently regulated following episodic learning, J. Neurosci., 41, 2601-2614, doi: 10.1523/JNEUROSCI.1557-20.2021.

24. Ivashkina, O., Toropova, K., Ivanov, A., Chekhov, S., and Anokhin, K. (2016) Waves of c-Fos and Arc proteins expression in neuronal populations of the hippocampus in response to a single episode of new experience, Bull. Exp. Biol. Med., 160, 729-732, doi: 10.1007/S10517-016-3296-3.

25. Murawski, N., Klintsova, A., and Stanton, M. (2012) Neonatal alcohol exposure and the hippocampus in developing male rats: effects on behaviorally induced CA1 c-Fos expression, CA1 pyramidal cell number, and contextual fear conditioning, Neuroscience, 206, 89-99, doi: 10.1016/J.NEUROSCIENCE.2012.01.006.

26. Chawla, M., Sutherland, V., and Olson, K. (2018) Behavior-driven Arc expression is reduced in all ventral hippocampal subfields compared to CA1, CA3 and dentate gyrus in rat dorsal hippocampus, Hippocampus, 28, 178-185, doi: 10.1002/hipo.22820.

27. Heroux, N., Osborne, B., Miller, L., Kawan, M., Buban, K., et al. (2018) Differential expression of the immediate early genes c-Fos, Arc, Egr-1, and Npas4 during long-term memory formation in the context preexposure facilitation effect (CPFE), Neurobiol. Learn. Mem., 147, 128-138, doi: 10.1016/J.NLM.2017.11.016.

28. Persaud, S., Liu, B., Sampaio, H., Jones, P., and Muller, D. (2011) Calcium/calmodulin-dependent kinase IV controls glucose-induced Irs2 expression in mouse beta cells via activation of cAMP response element-binding protein, Diabetologia, 54, 1109-1120, doi: 10.1007/S00125-011-2050-7.