Функциональные изменения экспрессии гена Aqp4 в гипоталамусе крыс при смене питьевого режима и артериальной гипертензии

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Аквапорин-4 (AQP4) является основным водным каналом в центральной нервной системе. Его высокая экспрессия в структурах головного мозга предполагает важную роль в транспорте воды в норме и при патологии. Исследовалось влияние изменения питьевого режима (водная депривация и гипергидратация) и наследственной артериальной гипертензии на экспрессию гена водного канала AQP4 в гипоталамусе – центре регуляции висцеральных функций. Показано, что уровень мРНК Aqp4 у гипергидратированных животных более чем в 1.5 раза ниже, чем у животных с водной депривацией. Такое изменение экспрессии гена Aqp4 в гипоталамусе может быть связано с возможностью предотвращения цитотоксического отека при повышенном поступлении жидкости в организм. Крысы с наследственной артериальной гипертензией характеризуются повышенным уровнем мРНК Aqp4 в гипоталамусе, что позволяет предполагать вовлеченность этого канала в процессы, связанные с особенностями регуляции водного баланса мозга при артериальной гипертензии и предотвращения вазогенного отека. Таким образом, представительство водного канала AQP4 в мозге, связанное с защитой клеток мозга, функционально обусловлено состоянием организма, о чем могут свидетельствовать разнонаправленные изменения экспрессии гена Aqp4 при гипергидратации и артериальной гипертензии.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. А. Евтушенко

Научно-исследовательский институт нейронаук и медицины

Автор, ответственный за переписку.
Email: evtushenkoaa@neuronm.ru
Россия, Новосибирск

И. В. Орлов

Научно-исследовательский институт нейронаук и медицины; Новосибирский государственный университет

Email: evtushenkoaa@neuronm.ru
Россия, Новосибирск; Новосибирск

И. П. Воронова

Научно-исследовательский институт нейронаук и медицины

Email: evtushenkoaa@neuronm.ru
Россия, Новосибирск

Т. В. Козырева

Научно-исследовательский институт нейронаук и медицины; Новосибирский государственный университет

Email: evtushenkoaa@neuronm.ru
Россия, Новосибирск; Новосибирск

Список литературы

  1. Koefoed-Johnsen V, Ussing HH (1958) The nature of the frog skin potential. Acta Physiol Scand 42: 298–308. https://doi.org/10.1111/j.1748-1716.1958.tb01563.x
  2. Macey RI, Farmer REL (1970) Inhibition of water and solute permeability in human red cells. Biochim Biophys Acta 211: 104–106. https://doi.org/0.1016/0005-2736(70)90130-6
  3. Preston GM, Agre P (1991) Isolation of the cDNA for erythrocyte integral membrane protein of 28 kilodaltons: Member of an ancient channel family. Proc Natl Acad Sci U S A 88: 11110–11114. https://doi.org/ 10.1073/pnas.88.24.11110
  4. Agre P, Preston GM, Smith BL, Jung JS, Raina S, Moon C, Guggino WB, Nielsen S (1993) Aquaporin CHIP: The archetypal molecular water channel. Am J Physiol Physiol 265: 463–476. https://doi.org/10.1152/ajprenal.1993.265.4.F463
  5. Trillo-Contreras JL, Ramírez-Lorca R, Villadiego J, Echevarría M (2022) Cellular Distribution of Brain Aquaporins and Their Contribution to Cerebrospinal Fluid Homeostasis and Hydrocephalus. Biomolecules 12(4): 530. https://doi.org/10.3390/biom12040530
  6. Verkman AS, Mitra AK (2000) Structure and function of aquaporin water channels. Am J Physiol 278: 13–28. https://doi.org/ 10.1152/ajprenal.2000.278.1.F13
  7. Gorelick DA, Praetorius J, Tsunenari T, Nielsen S, Agre P (2006) Aquaporin-11: A channel protein lacking apparent transport function expressed in brain. BMC Biochem 7: 14. https://doi.org/10.1186/1471-2091-7-14
  8. Rash JE, Yasumura T, Hudson CS, Agre P, Nielsen S (1998) Direct immunogold labeling of aquaporin-4 in square arrays of astrocyte and ependymocyte plasma membranes in rat brain and spinal cord. Proc Natl Acad Sci U S A 95: 11981–11986. https://doi.org/10.1073/pnas.95.20.11981
  9. Carbrey JM, Agre P (2009) Discovery of the Aquaporins and Development of the Field. Anxiety Anxiolytic Drugs 190: 3–28. https://doi.org/10.1007/978-3-540-79885-9_1
  10. Amiry-Moghaddam M, Ottersen OP (2003) The molecular basis of water transport in the brain. Nat Rev Neurosci 4(12): 991–1001. https://doi.org/10.1038/nrn1252. PMID: 14682361
  11. Verkman AS, Smith AJ, Phuan PW, Tradtrantip L, Anderson MO (2017) The aquaporin-4 water channel as a potential drug target in neurological disorders. Expert Opin Ther Targets 21 (12): 1161–1170. https://doi.org/10.1080/14728222.2017.1398236
  12. Iliff JJ, Wang M, Liao Y, Plogg BA, Peng W, Gundersen GA, Benveniste H, Vates GE, Deane R, Goldman SA, Nagelhus EA, Nedergaard M (2012) A Paravascular Pathway Facilitates CSF Flow Through the Brain Parenchyma and the Clearance of Interstitial Solutes, Including Amyloid β. Sci Transl Med 4: 147ra111-147ra111. https://doi.org/10.1126/scitranslmed.3003748
  13. Benfenati V, Ferroni S (2010) Water transport between CNS compartments: functional and molecular interactions between aquaporins and ion channels. Neuroscience 168: 926–940. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2009.12.017
  14. Tomassoni D, Bramanti V, Amenta F (2010) Expression of aquaporins 1 and 4 in the brain of spontaneously hypertensive rats. Brain Res 1325: 155–163. https://doi.org/10.1016/j.brainres.2010.02.023
  15. González-Marrero I, Hernández-Abad LG, González-Gómez M, Soto-Viera M, Carmona-Calero EM, Castañeyra-Ruiz L, Castañeyra-Perdomo A (2022) Altered Expression of AQP1 and AQP4 in Brain Barriers and Cerebrospinal Fluid May Affect Cerebral Water Balance during Chronic Hypertension. Int J Mol Sci 23(20): 12277. https://doi.org/10.3390/ijms232012277
  16. Chu H, Huang C, Ding H, Dong J, Gao Z, Yang X, Tang Y, Dong Q (2016) Aquaporin-4 and Cerebrovascular Diseases. Int J Mol Sci 17(8): 1249. https://doi.org/10.3390/ijms17081249
  17. Peng S, Liu J, Liang C, Yang L, Wang G (2023) Aquaporin-4 in glymphatic system, and its implication for central nervous system disorders. Neurobiol Dis 179: 106035. https://doi.org/10.1016/j.nbd.2023.106035
  18. Silva I, Silva J, Ferreira R, Trigo D (2021) Glymphatic system, AQP4, and their implications in Alzheimer’s disease. Neurol Res Pract 3(1): 5. https://doi.org/10.1186/s42466-021-00102-7
  19. Simon M, Wang MX, Ismail O, Braun M, Schindler AG, Reemmer J, Wang Z, Haveliwala MA, O’Boyle RP, Han WY, Roese N, Grafe M, Woltjer R, Boison D, Iliff JJ (2022) Loss of perivascular aquaporin-4 localization impairs glymphatic exchange and promotes amyloid β plaque formation in mice. Alzheimers Res Ther 14(1): 59. https://doi.org/10.1186/s13195-022-00999-5
  20. Кушнер СР, Иглина НГ, Маркель АЛ, Маханова НА, Айзман РИ (2001) Водно-солевой состав органов и тканей крыс с наследственной, индуцированной стрессом артериальной гипертензией (НИСАГ). Нефрология 3: 104 [Kushner SR, Iglina NG, Markel AL, Makhanova NA, Aizman RI (2001) The water-salt composition of organs and tissues of rats with hereditary, stress-induced arterial hypertension (ISIAH). Nephrology 3: 104. (In Russ)].
  21. Fedoseeva LA, Ryazanova MA, Antonov EV, Dymshits GM, Markel AL (2011) Renin-angiotensin system gene expression in the kidney and in the heart in hypertensive ISIAH rats. Biomed Chem 57(4): 410–419. https://doi.org/10.18097/pbmc20115704410
  22. Abramova TO, Smolenskaya SE, Antonov EV, Redina OE, Markel AL (2016) Expression of catechol-o-methyltransferase (Comt), mineralocorticoid receptor (Mlr), and epithelial sodium channel (ENaC) genes in kidneys of hypertensive ISIAH rats at rest and during response to stress. Russ J Genet 52(2): 180–187. https://doi.org/10.1134/S1022795415120029
  23. Rapp JP (2000) Genetic analysis of inherited hypertension in the rat. Physiol Rev 80: 135–172. https://doi.org/10.1152/physrev.2000.80.1.135
  24. Ryazanova MA, Plekanchuk VS, Prokudina OI, Makovka YV, Alekhina TA, Redina OE, Markel AL (2023) Animal Models of Hypertension (ISIAH Rats), Catatonia (GC Rats), and Audiogenic Epilepsy (PM Rats) Developed by Breeding. Biomedicines 11(7): 1814. https://doi.org/10.3390/biomedicines11071814
  25. Markel AL (1992) Development of a new strain of rats with inherited stress-induced arterial hypertension. In: Sassard J (ed) Genetic Hypertension. Colloque INSERM John Libbey Eurotext. London 405–407.
  26. Markel AL, Redina OE, Gilinsky MA, Dymshits GM, KalashnikovaEV, Khvorostova YuV, Fedoseeva LA, Jacobson GS (2007) Neuroendocrine profiling in inherited stress-induced arterial hypertension rat strain with stress-sensitive arterial hypertension. J Endocrinol 195: 439–450. https://doi.org/10.1677/JOE-07-0254
  27. Voronova IP, Tuzhikova AA, Kozyreva TV (2013) Gene expression of thermosensitive TRP ion channels in the rat brain structures: Effect of adaptation to cold. J Therm Biol 38: 300–304. https://doi.org/10.1016/j.jtherbio.2013.03.009
  28. Voronova IP, Tuzhikova AA, Markel AL, Kozyreva TV (2015) Inherited stress-induced hypertension associates with altered gene expression of thermosensitive TRP ion channels in hypothalamus. J Exp Integr Med 5: 149–156. https://doi.org/10.5455/jeim.021015.or.136
  29. Evtushenko AA, Voronova IP, Kozyreva TV (2023) Effect of Long-Term Adaptation to Cold and Short-Term Cooling on the Expression of the TRPM2 Ion Channel Gene in the Hypothalamus of Rats. Current Issues Mol Biol 45(2): 1002–1011. https://doi.org/10.3390/cimb45020065
  30. Chomczynski P, Sacchi N (1987) Single-step method of RNA isolation by acid guanidinium thiocyanate-phenol-chloroform extraction. Ann Biochem 162: 156–159. https://doi.org/10.1006/abio.1987.9999
  31. Walther DJ, Peter JU, Bashammakh S, Horyangl H, Voits M, Fink H, Bader M (2003) Synthesis of serotonin by a second tryptophan hydroxylase isoform. Science 299: 76–84. https://doi.org/10.1126/science.1078197
  32. Naumenko VS, Kulikov AV (2006) Quantitative assay of 5-HT(1A) serotonin receptor gene expression in the brain. Mol Biol 40: 37–44. https://doi.org/10.1134/s0026893306010079
  33. Ginzinger DG (2002) Gene quantification using real-time quantitative PCR: An emerging technology hits the mainstream. Exp Hematol 30: 503–512. https://doi.org/10.1016/S0301-472X(02)00806-8
  34. Kulikov AV, Naumenko VS, Voronova IP, Tikhonova MA, Popova NK (2005) Quantitative RT-PCR assay of 5-HT1A and 5-HT2A serotonin receptor mRNAs using genomic DNA as an external standard. J Neurosci Methods 141: 97–101. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2004.06.005
  35. Naumenko VS, Osipova DV, Kostina EV, Kulikov AV (2008) Utilization of a two-standard system in real-time PCR for quantification of gene expression in the brain. J Neurosci Methods 170: 197–203. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2008.01.008
  36. Hubbard JA, Szu JI, Binder DK (2018) The role of aquaporin-4 in synaptic plasticity, memory and disease. Brain Res Bull 136: 118–129. https://doi.org/10.1016/j.brainresbull.2017.02.011
  37. Manley GT, Fujimura M, Ma T, Noshita N, Filiz F, Bollen AW, Chan P, Verkman AS (2000) Aquaporin-4 deletion in mice reduces brain edema after acute water intoxication and ischemic stroke. Nat Med 6(2): 159–163. https://doi.org/10.1038/72256
  38. Thiagarajah JR, Papadopoulos MC, Verkman AS (2005) Non-invasive early detection of brain edema in mice by near-infrared light scattering. J Neurosci Res 80: 293–299. https://doi.org/10.1002/jnr.20439
  39. Papadopoulos MC, Manley GT, Krishna S, Verkman AS (2004) Aquaporin-4 facilitates reabsorption of excess fluid in vasogenic brain edema. FASEB J 18(11): 1291–1293. https://doi.org/10.1096/fj.04-1723fje
  40. Verkman AS (2009) Knock-out models reveal new aquaporin functions. Handb Exp Pharmacol (190): 359–381. https://doi.org/10.1007/978-3-540-79885-9_18
  41. Gomolka RS, Hablitz LM, Mestre H, Giannetto M, Du T, Hauglund NL, Xie L, Peng W, Martinez PM, Nedergaard M, Mori Y (2023) Loss of aquaporin-4 results in glymphatic system dysfunction via brain-wide interstitial fluid stagnation. Elife 12: e82232. https://doi.org/10.7554/eLife.82232
  42. Yang B, Zador Z, Verkman AS (2008) Glial cell aquaporin-4 overexpression in transgenic mice accelerates cytotoxic brain swelling. J Biol Chem 283: 15280–15286. https://doi.org/10.1074/jbc.M801425200
  43. Manley GT, Binder DK, Papadopoulos MC, Verkman AS (2004) New insights into water transport and edema in the central nervous system from phenotype analysis of aquaporin-4 null mice. Neuroscience 129(4): 983–991. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2004.06.088
  44. Papadopoulos MC, Verkman AS (2005) Aquaporin-4 gene disruption in mice reduces brain swelling and mortality in pneumococcal meningitis. J Biol Chem 280: 13906–13912. https://doi.org/10.1074/jbc.M413627200
  45. Saito N, Ikegami H, Shimada K (2005) Effect of water deprivation on aquaporin 4 (AQP4) mRNA expression in chickens (Gallus domesticus). Mol Brain Res 141(2): 193–197. https://doi.org/10.1016/j.molbrainres.2005.09
  46. Шмерлинг МД, Филюшина ЕЕ, Лазарев ВА, Буцуева ИИ, Маркель АЛ, Якобсон ГС (2001) Ультраструктурные особенности почечных телец у крыс с наследственной индуцированной стрессом артериальной гипертензией. Морфология 120 (6): 70–74. [Shmerling MD, Filyushina EE, Lazarev VA, Buzueva II, Markel AL, Yakobson GS (2001) Ultrastructural characteristics of renal corpuscles in rats with heredited stress-induced arterial hypertension. Morphology 120 (6): 70–74. (In Russ)].
  47. Filyushina EE, Shmerling MD, Buzueva II, Lazarev VA, Yakobson GS, Markel AL (2013) Structural characteristics of renomedullary interstitial cells of hypertensive ISIAH rats. Bull Exp Biol Med 155(3): 408–412.
  48. Hatashita S, Hoff JT, Ishii S (1986) Focal brain edema associated with acute arterial hypertension. J Neurosurg 64(4): 643–649. https://doi.org/10.3171/jns.1986.64.4.0643
  49. Michinaga S, Koyama Y (2015) Pathogenesis of brain edema and investigation into anti-edema drugs. Int J Mol Sci 16(5): 9949–9975. https://doi.org/10.3390/ijms16059949
  50. Naessens DMP, Coolen BF, de Vos J, VanBavel E, Strijkers GJ, Bakker ENTP (2020) Altered brain fluid management in a rat model of arterial hypertension. Fluids Barriers CNS 17(1): 41. https://doi.org/10.1186/s12987-020-00203-6

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Влияние питьевого режима (водной депривации и гипергидратации) на экспрессию гена Aqp4 в заднем гипоталамусе крыс. * – достоверные различия между группами водной депривации и гипергидратации, р < 0.05. Индивидуальные значения представлены на рисунке треугольниками.

Скачать (104KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Экспрессия гена Aqp4 в переднем (белые столбцы) и заднем (серые столбцы) гипоталамусе нормо- и гипертензивных крыс. * – достоверные различия между отделами гипоталамуса; # – достоверные различия между нормо- и гипертензивными животными, р < 0.05. Индивидуальные значения представлены на рисунке треугольниками.

Скачать (105KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024