Ecological geneticsEcological geneticsЭкологическая генетика1811-09322411-9202Eco-Vector4385310.17816/ecogen43853Genetic basis of ecosystems evolutionГенетические основы эволюции экосистемResearch ArticleGenome destabilization under stress in cells of the prefrontal cortex, hippocampus and bone marrow of rats with contrast excitability of the nervous systemСтрессорная дестабилизация генома в клетках префронтальной коры, гиппокампа и костного мозга крыс с контрастной возбудимостью нервной системы6457-5630PavlovaMarina B.ПавловаМарина Борисовна
Russian Federation

PhD, Junior Researcher, Laboratory of Higher Nervous Activity Genetics

младший научный сотрудник, лаборатория генетики высшей нервной деятельности

pavlova@infran.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6209-99021323-5153VaidoAlexander I.ВайдоАлександр Иванович
Russian Federation

Dr Sci., Main Researcher, Laboratory of Higher Nervous Activity Genetics

д-р биол. наук, главный научный сотрудник, лаборатория генетики высшей нервной деятельности

vaidoai@infran.ruKhlebaevaDiana A.-A.ХлебаеваДиана Азрет-Алиевна
Russian Federation

Junior Researcher, Laboratory of Higher Nervous Activity Genetics

младший научный сотрудник, лаборатория генетики высшей нервной деятельности

dibair@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2036-6790DaevEugene V.ДаевЕвгений Владиславович
Russian Federation

Dr. Sci. (Biol.), Professor

д-р биол. наук, профессор кафедры генетики и биотехнологии. Санкт-Петербургский государственный университет

mouse_gene@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7550-118X6603486439J-7202-2018DyuzhikovaNatalia A.ДюжиковаНаталья Алековна
Russian Federation

Dr. Sci. (Biol.), Head of the Laboratory of Higher Nervous Activity Genetics

д-р биол. наук, заведующий лабораторией генетики высшей нервной деятельности

dyuzhikova@infran.ruPavlov Institute of Physiology, Russian Academy of SciencesФедеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт физиологии им. И.П. Павлова» Российской академии наукSaint Petersburg State UniversityФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет»12112020121220201844574660909202012112020Copyright ©; 2021, Pavlova С., Vaido A.I., Khlebaeva K., Daev E.V., Dyuzhikova N.A.Copyright ©; 2021, ООО "Эко-вектор"2021Pavlova С., Vaido A.I., Khlebaeva K., Daev E.V., Dyuzhikova N.A.ООО "Эко-вектор"http://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.eco-vector.com/ecolgenet/article/view/43853

We studied changes in the stability of the genome in cells of two brain regions (prefrontal cortex and hippocampus), as well as in the bone marrow of rats with a hereditary high and low thresholds of excitability of the nervous system (strains HT and LT, respectively) after prolonged exposure with emotional-pain stressor. To study the reactivity of the brain cells genome, phosphorylated histone γ-H2AX (γ-H2AX phospho Ser139) was used. The level of mitotic disturbances in bone marrow cells was also assessed. Between the animals of the control groups, there were no interstrain differences in the studied parameters. Stress exposure increases the immunoreactivity to γ-H2AX phospho Ser139 of the prefrontal cortex cells and the level of chromosomal aberrations in bone marrow cells in animals of both strains. In cells of the dentate gyrus of the hippocampus, a specific increase in immunoreactivity to γ-H2AX phospho Ser139 was revealed in rats of the low-excitable HT strain. The relationship between the reaction of cells of this zone of hippocampus to the stressor exposure with the hereditary level of excitability of the nervous system of animals is discussed.

Изучали изменение стабильности генома в клетках двух районов головного мозга (префронтальная кора и гиппокамп), а также в костном мозге у крыс с наследственно обусловленным высоким и низким порогом возбудимости нервной системы (линии ВП и НП соответственно) после длительного эмоционально-болевого стрессорного воздействия. Для исследования реактивности генома клеток головного мозга использовали фосфорилированный гистон γ-H2AX (γ-H2AX phospho Ser139). Оценивали уровень митотических нарушений в клетках костного мозга. Между животными контрольных групп не выявлено межлинейных различий по изучаемым показателям. Стрессорное воздействие повышает иммунореактивность к γ-H2AX phospho Ser139 клеток префронтальной коры и уровень хромосомных аберраций в клетках костного мозга у животных обеих линий. В клетках зубчатой извилины гиппокампа выявлено специфическое повышение иммунореактивности к γ-H2AX phospho Ser139 у крыс низковозбудимой линии ВП. Обсуждается связь реакции клеток этой зоны гиппокампа на стрессорное воздействие с наследственно обусловленным уровнем возбудимости нервной системы животных.

chromosomal aberrationsγ-H2AXdouble-strand breaksprefrontal cortexhippocampusbone marrowstressexcitabilityratsхромосомные аберрацииγ-H2AXдвойные разрывы ДНКпрефронтальная корагиппокампкостный мозгстрессвозбудимостькрысыВайдо А.И., Ширяева Н.В., Павлова М.Б., и др. Селектированные линии крыс с высоким и низким порогом возбудимости: модель для изучения дезадаптивных состояний, зависимых от уровня возбудимости нервной системы // Лабораторные животные для научных исследований. – 2018. – № 3. – С. 12–23. [Vaido AI, Shiryaeva NV, Pavlova MB, et al. Selected rat strains HT, LT as a model for the study of dysadaptation states dependent on the level of excitability of the nervous system. Laboratornye zhivotnye dlya nauchnykh issledovanii. 2018;(3):12-23. (In Russ.)]. https://doi.org/10.29296/2618723X-2018-03-02.Вайдо А.И., Дюжикова Н.А., Ширяева Н.В., и др. Системный контроль молекулярно-клеточных и эпигенетических механизмов долгосрочных последствий стресса // Генетика. – 2009. – Т. 45. – № 3. – С. 342–348. (In Russ.). [Vaido AI, Dyuzhikova NA, Shiryaeva NV, et al. Systemic control of molecular, cell, and epigenetic mechanisms of long-term consequences of stress. Russian Journal of Genetics. 2009;45(3): 298-303. (In Engl.)]. https://doi.org/10.1134/s1022795409030065.Дюжикова Н.А., Скоморохова Е.Б., Вайдо А.И. Эпигенетические механизмы формирования постстрессорных состояний // Успехи физиологических наук. – 2015. – Т. 46. – № 1. – С. 47–75. [Dyuzhikova NA, Skomorokhova EB, Vaido AI. Epigenetic mechanisms in post-stress states. Uspekhi fiziologicheskikh nauk. 2015;46(1):47-75. (In Russ.)]Insel TR. Disruptive insights in psychiatry: transforming a clinical discipline. J Clin Invest. 2009;119(4):700-705. https://doi.org/10.1172/JCI38832.Шалагинова И.Г., Шеремет В.В., Хлебаева Д.А., и др. Влияние длительного эмоционально-болевого стрессорного воздействия на лейкоцитарный состав крови у крыс с различным уровнем возбудимости нервной системы // Медицинский академический журнал. – 2019. – Т. 19. – № 4. – С. 67–74. [Shalaginova IG, Sheremet VV, Khlebaeva DA, et al. Effect of long-term emotional-painful stress on the leukocyte composition of blood in rats with different levels of excitability of the nervous system. Medical academic journal. 2019;19(4):67-74. (In Russ.)]. https://doi.org/10.17816/MAJ19079.Быковская Н.В., Дюжикова Н.А., Вайдо А.И., и др. Частота хромосомных аберраций, индуцированных стрессорным воздействием и циклофосфаном в клетках костного мозга крыс, селектированных по порогу возбудимости нервной системы // Генетика. – 1994. – Т. 30. – № 9. – С. 1224–1228. [Bykovskaya NV, Dyuzhikova NA, Vaido AI, et al. Frequency of chromosomal aberrations induced by stress and cyclophosphamide in bone marrow cells of rats selected on the excitability threshold of the nervous system. Russian Journal of Genetics. 1994;30(9):1224-1228. (In Russ.)]Hare BD, Thornton TM, Rincon M, et al. Two weeks of variable stress increases Gamma-H2AX levels in the mouse bed nucleus of the stria terminalis. Neuroscience. 2018;373:137-144. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2018.01.024.Kuo LJ, Yang LX. γ-H2AX-A novel biomarker for DNA double-strand breaks. In Vivo. 2008;22(3):305-309.Макаров В.Б., Сафронов В.В. Цитогенетические методы анализа хромосом. – М.: Наука, 1978. – 85 с. [Makarov VB, Saphronov VV. Tsitogeneticheskie metody analiza khromosom. Moscow: Nauka; 1978. 85 р. (In Russ.)]Даев Е.В., Казарова В.Э., Выборова А.М., Дукельская А.В. Влияние «феромоноподобных» пиразинсодержащих соединений на стабильность генетического аппарата в клетках костного мозга самцов домовой мыши Mus. musculus L. // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. – 2009. – Т. 45. – № 5. – С. 486–491. [Daev EV, Kazarova VE, Vyborova AM, Dukel’skaya AV. Effects of “Pheromone-Like” pyrazine-containing compounds on stability of genetic apparatus in bone marrow cells of the male house mouse Mus musculus L. Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology. 2009;45(5):486-491. (In Russ.)]. https://doi.org/10.1134/s0022093009050053.Paxinos G, Watson C. The rat brain in stereotaxic coordinates. 6th edition. Elsevier, Academic Press; 2007. 456 р.Даев Е.В. Генетические последствия ольфакторных стрессов у мышей: Автореф. дис. … д-ра биол. наук. – СПб., 2006. – 34 с. [Daev EV. Geneticheskie posledstviya ol’faktornykh stressov u myshei. [dissertation abstract] Saint Petersburg; 2006. 34 р. (In Russ.)]Дюжикова Н.А., Даев Е.В. Геном и стресс-реакция у животных и человека // Экологическая генетика. – 2018. – Т. 16. – № 1. – С. 4–26. [Dyuzhikova NA, Daev EV. Genome and stress-reaction in animals and humans. Ecological genetics. 2018;16(1):4-26. (In Russ.)]. https://doi.org/10.17816/ecogen1614-26.Liu G, Stevens JB, Horne SD, et al. Genome chaos: survival strategy during crisis. Cell Cycle. 2014;13(4):528-537. https://doi.org/10.4161/cc.27378.Suberbielle E, Sanchez PE, Kravitz AV, et al. Physiologic brain activity causes DNA double-strand breaks in neurons, with exacerbation by amyloid-β. Nat Neurosci. 2013;16(5):613-621. https://doi.org/10.1038/nn.3356.Паткин Е.Л., Вайдо А.И., Кустова М.Е., и др. Однонитевые разрывы ДНК в отдельных клетках мозга различных линий крыс в норме и при стрессорном воздействии // Цитология. – 2001. – Т. 43. – № 3. – С. 269–272. [Patkin EL, Vaido AI, Kustova ME, et al. Single-strand DNA breaks in brain cells of different rat strains under normal condition and during exposure to stress. Tsitologiia. 2001;43(3):269-273. (In Russ.)].Дмитриева Н.И., Гоццо С. Структурные особенности головного мозга крыс, селектированных по порогу возбудимости // Архив анатомии, гистологии и эмбриологии. – 1985. – Т. 88. – № 2. – С. 5–10. [Dmitriyeva NI, Gozzo S. Strukturnye osobennosti golovnogo mozga krys, selektirovannykh po porogu vozbudimosti. Arkhiv anatomii, gistologii i ehmbriologii. 1985;88(2):5-10. (In Russ.)]Дюжикова Н.А., Быковская Н.В., Вайдо А.И., и др. Частота хромосомных нарушений, индуцированных однократным стрессорным воздействием у крыс, селектированных по возбудимости нервной системы // Генетика. – 1996. – Т. 32. – № 6. – С. 742–743. (In Russ.). [Dyuzhikova NA, Bykovskaya NV, Vaido AI, et al. Rate of chromosomal aberrations induced by short-term stress in rats selected by excitability of the nervous system. Russian Journal of Genetics. 1996;32(6):851-853. (In Engl.)]Chaudhuri A. Pathophysiology of Stress: A Review. Int J Res Rev. 2019;6(5):199-213.Lambert MW. The functional importance of lamins, actin, myosin, spectrin and the LINC complex in DNA repair. Exp Biol Med (Maywood). 2019;244(15):1382-1406. https://doi.org/10.1177/1535370219876651.Даев Е.В. О стрессе, хемокоммуникации у мышей и физиологической гипотезе мутационного процесса // Генетика. – 2007. – Т. 43. – № 10. – С. 1299–1310. (In Russ.). [Daev EV. Stress, chemocommunication, and the physiological hypothesis of mutation. Russian Journal of Genetics. 2007;43(10): 1082-1092. (In Engl.)]. https://doi.org/10.1134/S102279540710002X.Fragkos M, Naim V. Rescue from replication stress during mitosis. Cell Cycle. 2017;16(7): 613-633. https://doi.org/10.1080/15384101.2017.1288322.Wilhelm T, Said M, Naim V. DNA replication stress and chromosomal instability: dangerous liaisons. Genes. 2020;11(6):642. https://doi.org/10.3390/genes11060642.Даев Е.В., Петрова М.В., Онопа Л.С., и др. Повреждение ДНК в клетках костного мозга самцов мышей in vivo после феромонального воздействия методом ДНК-комет // Генетика. – 2017. – Т. 53. – №10. – С. 1170–1178. (In Russ.). [Daev EV, Petrova MV, Onopa LS, et al. DNA damage in bone marrow cells of mouse males in vivo after exposure to the pheromone: comet assay. Russian Journal of Genetics. 2017;53(10):1105-1112. (In Engl.)]. https://doi.org/10.1134/S1022795417100027.Mateuca R, Lombaert N, Aka PV, et al. Chromosomal changes: induction, detection methods and applicability in human biomonitoring. Biochimie. 2006;88(11):1515-1531. https://doi.org/10.1016/j.biochi.2006.07.004.Zhao H, Tanaka T, Halicka HD. Cytometric assessment of DNA damage by exogenous and endogenous oxidants reports aging-related processes. Cytometry A. 2007;71(11):905-914. https://doi.org/10.1002/cyto.a.20469.Halicka HD, Zhao H, Li J, et al. Attenuation of constitutive DNA damage signaling by 1,25-dihydroxyvitamin D3. Aging (Albany NY). 2012;4(4):270-278. https://doi.org/10.18632/aging.100450.Torres-Berrío A, Hernandez G, Nestler EJ, Flores C. The Netrin-1/DCC guidance cue pathway as a molecular target in depression: Translational evidence. Biol Psychiatry. 2020;88(8):611-624. https://doi.org/10.1016/j.biopsych.2020.04.025.Hoffmann AA, Hercus MJ. Environmental stress as an evolutionary force. BioScience. 2000;50(3):217-226. https://doi.org/10.1641/0006-3568(2000)050[0217: esaaef]2.3.co;2.Zachepilo TG, Kalendar R, Schulman AH, Vaido A. Emotionally painful stress causes changes in L1 insertion pattern in the hippocampus in rats with different nervous system excitability. [Conference Paper] 27th ECNP Congress. European Neuropsychopharmacology. 2014;24(Suppl 2):163. https://doi.org/10.1016/s0924-977x(14)70247-0.