Механизм нейрогормональной реакции (стресс-реакции), развивающейся в ответ на действие экстремальных факторов (неблагоприятных температур, влажности, плотности популяции, токсинов, в том числе антропогенного происхождения) на живые организмы является объектом пристального внимания биологов. При этом резко изменяется гормональный статус и энергетический метаболизм организмов, причем стресс вызывает столь же резкие изменения в их репродуктивной функции. Эти изменения имеют много общих черт у млекопитающих и насекомых. Так, при стрессе изменяется уровень половых гормонов и биогенных аминов, играющих важную роль в контроле размножения. Феноменологически ответ репродуктивной системы насекомых и млекопитающих (человека, в частности) имеет общие черты, одной из которых является остановка репродуктивной функции самок в условиях сильного стресса.
Изучение закономерностей взаимодействия гормонов (и его генетической компоненты) требует возможности фармакологического изменения их уровня и проведения генетических экспериментов, что исключено для исследований, касающихся человека. Удобной моделью для выяснения этих закономерностей является дрозофила. Кроме того, знание нейроэндокринного механизма приводящего к остановке размножения насекомых, может стать базой для создания новых инсектицидов, безопасных для млекопитающих.
Ранее мы установили, что
1) в норме созревание и откладка яиц у дрозофилы определяется балансом половых гормонов, 20-гидроксиэкдизона (20Э) и ювенильного гормона (ЮГ): повышение титра ЮГ вызывает прекращение откладки яиц, повышение уровня 20Э – деградацию ооцитов;
2) при изменении уровня одного из половых гормонов в результате мутации, действия стрессора или “фармакологического вмешательства” (кормление 20Э, аппликация ЮГ) баланс восстанавливается за счет соответствующего изменения титра второго;
3) посредниками во взаимовлиянии ЮГ и 20Э служат биогенные амины, дофамин (ДА) и октопамин (ОА).
Задачей данного цикла исследований было выяснение механизма остановки откладки яиц и исследование биохимических механизмов взаимодействия половых гормонов и биогенных аминов в контроле размножения дрозофилы.Полученные результаты позволяют понять как именно происходит регуляция этих процессов, и воздействие на какие именно звенья стресс-реакции приводит к соответствующим изменениям плодовитости. Заметим, что плодовитость насекомых является одним из определяющих факторов их численности и понимание механизмов ее регуляции важно как для экологического моделирования, так и для разработки новых экологически безопасных защитных стратегий борьбы с вредными видами.
Интерес к исследованию гормональных основ стресс-ответа насекомых растет с каждым годом, однако каждая группа исследователей (США, Канада, Англия, Япония, Югославия, Польша, Чехия) изучает реакцию на стрессор какого-то одного из стресс-связанных гормонов. Коллектив авторов внес существенный вклад в эту область знания, впервые описав механизм данной реакции в целом, использовав дрозофилу в качестве модельного объекта. Новым в нашем подходе является сочетание традиционных методов эксперимента, когда изучается действие конкретного фактора на физиологические показатели и параметры стресс-реакции, с экспериментальным “манипулированием” титрами гормонов (аппликация ювенильного гормона, введение в корм биогенных аминов и экдистероидов). Наличие у нас ряда уникальных генетических линий дрозофилы с мутациями генов, регулирующих синтез гормонов, позволяет исследовать тонкие механизмы стресс-реакции. Разработка хроматографических методов измерения титров экдистероидов и биогенных аминов позволила выйти на новый уровень в проводимых нами исследованиях.
Нами было установлено, что гормонами стресса у дрозофилы являются биогенные амины (октопамин и дофамин) уровень которых резко возрастает при стрессе, обеспечивая повышение энергетического метаболизма. При этом повышение титра октопамина (ОА) и 20Э у половозрелых самок дрозофилы при стрессе вызывает повышение титра ЮГ, который останавливает откладку яиц и защищает часть ранних ооцитов от резорбции, которую может вызвать повышенный уровень 20Э. Все это способствует адаптации на популяционном уровне, поскольку позволяет популяции “переждать” неблагоприятные условия без значительной потери потенциальной численности.
Экспериментально показано, что ОА регулирует уровень 20Э – повышение его титра приводит к резкому повышению титра 20Э. При этом полученные данные подтвердили наше предположение о том, что эта регуляция осуществляется на ферментативном уровне: специфический фермент 20-экдизон-монооксигеназа (Э20МО) конвертирует неактивный прогормон экдизон в его активную форму 20Э. ОА влияет на активность этого фермента, регулируя таким образом титр 20Э.
Значимость этих результатов в том, что они существенно уточняют механизмы одного из важных звеньев стресс-реакции насекомых.
Работы выполнены на высоком уровне, с использованием современных биохимических и аналитических методов. Результаты наших работ получены при поддержке грантов РФФИ: 04-04-48273 (2004-2006), 06-04-48357 (2006-2008), 07-04-00194 (2007-2009), междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН №151 (2003-2005). Докладывались на международных конференциях: устные доклады на международном совещании по экдизону (International Ecdysone Workshop, 2006, Gent University, Belgium), устный доклад на международной конференции по стрессу (World Conference of Stress, 2007, Budapest, Hungary).