Экспрессия эффекторов апоптоза, аутофагии и некроптоза в клетках гиппокампа крыс после избыточного потребления F-
- Авторы: Надей О.В.1, Агалакова Н.И.1
-
Учреждения:
- Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН
- Выпуск: Том 110, № 9 (2024)
- Страницы: 1362-1376
- Раздел: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
- URL: https://medbiosci.ru/0869-8139/article/view/272672
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0869813924090062
- EDN: https://elibrary.ru/AJZMRG
- ID: 272672
Цитировать
Полный текст
Аннотация
В работе исследовали экспрессию маркеров апоптоза, аутофагии и некроптоза в клетках гиппокампа крыс после длительного потребления избыточных доз F- на уровне транскрипции и трансляции. Самцы крыс Wistar были разделены на 4 группы, получавшие 0.4 (контроль), 5, 20 и 50 мг/л F- (в виде NaF) в течение 12 месяцев. Изменения содержания эффекторов митохондриального (Bcl-2, Bax, каспазы-9, каспазы-3) и рецепторного (каспазы-8, Fas) путей апоптоза, посредников (Ulk-1, Beclin-1) и модуляторов (AMPK, Akt, mTOR) аутофагии, а также некроптоза (RIP и MLKL) в клетках оценивали методом иммуноблоттинга, экспрессию генов (Bcl2, Bax, Casp3, Ulk1, Beclin1, Prkaa1, Akt и mTor) – методом ПЦР в реальном времени. В гиппокампе животных, подвергавшихся действию F-, снижалось соотношение экспрессии генов Bcl2/Bax и белков Bcl-2/Bax, активировались каспаза-9 и каспаза-3, однако уровень каспазы-8 и мембранного рецептора Fas оставался стабильным. Длительное потребление F- не оказало влияния на содержание инициаторного белка аутофагии Ulk-1 и протеинкиназ AMPK, Akt и mTOR, но привело к ингибированию ключевого посредника аутофагии Beclin-1. Уровни экспрессии эффекторов некроптоза RIP и MLKL также не изменялись в клетках гиппокампа крыс, получавших избыток F-. Таким образом, длительное воздействие F- сопровождалось активацией апоптоза, преимущественно по митохондриальному пути, на фоне подавления аутофагии.
Полный текст
ВВЕДЕНИЕ
Соединения фтора (F) очень широко распространены в окружающей среде вследствие выброса в атмосферу и воду из природных и антропогенных источников [1, 2]. В регионах, где концентрация F- в воде, доступной для повседневного использования населением, превышает предельно допустимый уровень (1.5 мг/л), проживают около 300 миллионов человек. Такие регионы есть и на территории России [3]. За исключением чая и морской рыбы, содержание F- в пищевых продуктах незначительно, поэтому основным путем его поступления в организм человека и животных является вода [2, 4, 5]. В развитых странах большой вклад в потребление F- человеком вносит его намеренное добавление в питьевую воду, молоко, соль, а также стоматологическую продукцию и препараты для лечения остеопороза [1, 4, 6]. Случаи хронических или острых отравлений F- регистрируются на промышленных предприятиях по производству металлов, топлива и удобрений, на сельскохозяйственных предприятиях, интенсивно применяющих пестициды и фосфатные удобрения, при использовании угля для отопления и чистящих средств в быту. В результате поступление F- в организм может быть бесконтрольным и приводить к развитию флюороза – дегенеративного заболевания зубной и костной тканей [4, 7].
Однако в последние десятилетия появилось достаточно много работ о негативном влиянии F- на другие системы организма, в том числе о патологических изменениях в ЦНС. Обладая способностью проникать через гематоэнцефалический барьер, F- накапливается в различных отделах мозга и провоцирует множество неврологических и когнитивных расстройств [8–10]. Клинические обследования населения, проживающего в районах эндемического флюороза, выявили изменения локомоторной активности, ухудшение памяти и интеллектуальных способностей у взрослых, нарушение формирования памяти, дефицит абстрактного мышления и снижение среднего уровня IQ у детей. В тканях мозга экспериментальных животных, подверженных воздействию F-, были описаны многочисленные патологические процессы, в частности, нарушение синаптической передачи вследствие изменения синтеза нейротрансмиттеров, активности синаптических белков и молекул внутриклеточных сигнальных каскадов, участвующих в процессах формирования памяти, экспрессии транскрипционных и нейротрофических факторов, необходимых для поддержания жизнеспособности и функционирования нейронов, и повреждения структурных компонентов цитоскелета [8–10]. Все это ставит под сомнение необходимость широкого применения фтора для профилактики заболеваний зубов и показывает необходимость пересмотра его предельно допустимых доз.
В наших предыдущих работах в гиппокампе крыс, потреблявших избыточные дозы F- в течение длительного времени, были выявлены снижение когнитивных способностей, активация Са2+-зависимых сигнальных молекул, патоморфологические изменения и снижение численной плотности нейронов [11, 12]. Процессы гибели нейронов строго регулируются сложной сетью сигнальных путей, активирующихся в ответ на множество стрессовых стимулов и включающих изменения экспрессии генов и активности цитоплазматических белков-посредников [13, 14]. Ранее было описано, что патологические изменения, наблюдающиеся в тканях мозга при различных нейродегенеративных заболеваниях, запускают несколько разных механизмов гибели клеток, включая апоптоз, аутофагию и некроптоз [14–17]. Какой путь гибели будет активироваться в данных конкретных условиях, зависит от типа и интенсивности стрессового воздействия и соотношения активности внутриклеточных посредников различных сигнальных каскадов. Поэтому в данном исследовании были проанализированы изменения экспрессии инициаторов и эффекторов различных путей гибели клеток: митохондриального (Bax, Bcl-2, каспазы-9, каспазы-3) и рецепторного (каспазы-8, Fas) путей апоптоза, аутофагии (AMPK, Akt, mTOR, Ulk-1, Beclin-1) и некроптоза (MLKL, RIP) в клетках гиппокампа крыс после длительного потребления F-.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Экспериментальные животные. Для работы использовали 40 самцов крыс Wistar, полученных из вивария Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН. Животные содержались в стандартных условиях с температурой воздуха 22–25 °C и циклом освещение/темнота 12 ч/12 ч, получая корм из натуральных ингредиентов с низким содержанием F- и воду ad libitum.
В 6-недельном возрасте крысы были произвольно разделены на 4 группы по 10 особей в каждой. Животные из контрольной группы получали обычную воду с фоновым содержанием 0.2–0.4 мг F-/л. Крысам из других групп добавляли в воду 5 мг F-/л (11.05 мг NaF/л воды), 20 мг F-/л (44.2 мг NaF/л) и 50 мг F-/л (110.5 мг NaF/л). Длительность эксперимента составила 12 месяцев. Дозы NaF, выбранные для работы, позволили получить такие уровни F- в плазме крови крыс [18], которые сопоставимы с концентрациями F- в плазме крови людей, потребляющих воду с содержанием F- в диапазоне оптимальной и предельно допустимой концентраций (5 мг/л) или проживающих в регионах эндемического флюороза (20 и 50 мг/л) [19], учитывая более высокую (в среднем в 5 раз) скорость выведения F- из организма крыс.
Крыс выводили из эксперимента рассечением брюшной аорты после внутрибрюшинной анестезии Золетилом-100 (100 мг/кг массы тела). Мозг разрезали по продольной щели больших полушарий, из каждой части извлекали гиппокамп и сразу же замораживали его на сухом льду. Правый гиппокамп использовали для ПЦР анализа, левый – для иммуноблоттинга. До анализа пробы хранили при –80 °С.
ПЦР в реальном времени с обратной транскрипцией. Для выделения суммарной РНК из гиппокампа 0.5 мг ткани гомогенизировали с 1 мл реагента ExtractRNA (Евроген, Россия). Гомогенаты центрифугировали при 4 °C и 12000 g в течение 10 мин, супернатант смешивали с хлороформом (0.2 мл на 1 мл раствора ExtractRNA), смесь инкубировали в течение 5–6 мин при комнатной температуре и центрифугировали при 4 °C и 12000 g в течение 15 мин. К водной фазе, содержащей РНК, добавляли изопропанол (0.5 мл на 1 мл раствора ExtractRNA), инкубировали 10 мин при комнатной температуре и центрифугировали при 4 °C и 12000 g в течение 10 мин. Осадок промывали 75 %-ным этиловым спиртом, перерастворяли в dH2O и хранили при –80 °C. Общее содержание РНК в пробах (260 нм) и чистоту (260/280 нм) оценивали с помощью спектрофотометра NanoPhotometer–N50 (IMPLEN, Германия). Коэффициент поглощения при 260/280 нм превышал 1.8 во всех образцах, что указывало на их высокую чистоту.
Для синтеза кДНК путем обратной транскрипции 1 мкг РНК смешивали с 1 мкл смеси случайных декануклеотидных праймеров (Random(dN)10-primer), инкубировали 2 мин при 75 °C и останавливали реакцию на льду. К смеси добавляли 4 мкл Storage Buffer 5х (Евроген, Россия), 2 мкл смеси дезоксинуклеотидов (dNTP), 2 мкл дитиотреитола (DTT), 2 мкл деионизированной воды (dH2O) и 1 мкл MMLV ревертазы из набора MMLV RT (Евроген, Россия). Смесь инкубировали в течение 5 мин при 25 °C, 60 мин при 42 °C и 5 мин при 70 °C. Полученную кДНК разбавляли в 10 раз dH2O и хранили при –20 °C.
Реакции ПЦР проводили на термоциклере C1000 Touch с блоком обнаружения CFX96 (Bio-Rad Laboratories, Inc., CA, США). Реакционная смесь общим объемом 25 мкл содержала 17 мкл dH2O, 5 мкл qPCRmix-HS SYBR Master Mix (Евроген, Россия), по 1 мкл прямого и обратного праймеров (10 нМ) и 1 мкл раствора исследуемого образца кДНК. Программа амплификации состояла из начальной денатурации при 95 °C (5 мин) и 45 циклов амплификации, каждый из которых включал этап денатурации при 95 °C (5 с), этап отжига при 57–63 °C (10–50 с) и этап элонгации при 72 °C (30 с).
Результаты ПЦР анализировали с помощью программного обеспечения CFX Manager. Специфичность амплификации определяли по количеству пиков кривых плавления. Для этого ампликоны подвергали термической денатурации, включающей инкубацию при 65 °C (5 с) и медленное нагревание до 95 °C, после чего измеряли флуоресценцию. Все реакции проводили в трех повторах. Все гены также анализировали без ДНК-матрицы.
Последовательности использованных праймеров (синтезированных компанией «Евроген», Россия) представлены в табл. 1. Для анализа были отобраны пары праймеров, имеющие эффективность амплификации, близкую к идеальному значению 2, и коэффициент корреляции 0.98 или выше. Температура плавления была оптимизирована с помощью программы Primer Blast tool (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/tools/primer-blast/). Содержание GC составляло 40–60 %, размер продукта был ограничен 70–250 парами оснований. Эффективность амплификации рассчитывали по формуле E = 10(1/ α), где α – угол наклона стандартной кривой.
Таблица 1. Нуклеотидные последовательности праймеров, использованных для ПЦР в реальном времени
Ген | Номер NCBI | Последовательность праймеров |
Bcl2 | NM_016993.2 | Прямой: GGTGAACTGGGGGAGGATTG Обратный: GCATGCTGGGGCCATATAGT |
Bax | NM_017059.2 | Прямой: TCCACCAAGAAGCTGAGCGAG Обратный: GTCCAGCCCATGATGGTTCT |
Casp3 | NM_012922.2 | Прямой: AACGGACCTGTGGACCTGAA Обратный: TCAATACCGCAGTCCAGCTCT |
Becn1 | NM_001034117.1 | Прямой: AGCACGCCATGTATAGCAAAGA Обратный: GGAAGAGGGAAAGGACAGCAT |
Prkaa1 | NM_019142.2 | Прямой: AAACCCACAGAAATCCAAACAC Обратный: CCTTCCATTCATAGTCCAACTG |
Akt1 | NM_033230.3 | Прямой: CTCATTCCAGACCCACGAC Обратный: ACAGCCCGAAGTCCGTTA |
Mtor | NM_019906.2 | Прямой: AGAACCTGGCTCAAGTACGC Обратный: AGGATGGTCAAGTTGCCGAG |
Eef1a1 | NM_175838.1 | Прямой: CTCCACTTGGTCGTTTTGCTG Обратный: GCAGACTTGGTGACTTTGCC |
Ppia | NM_017101.1 | Прямой: AGGATTCATGTGCCAGGGTG Обратный: CTCAGTCTTGGCAGTGCAGA |
Относительную экспрессию целевых генов оценивали методом 2-ΔΔCT. В качестве референсных генов были выбраны Ppia и Eef1a1, для валидации использовали программу RefFinder, как описано ранее [20].
Иммуноблоттинг
Гиппокампы гомогенизировали в буфере, содержащем 150 мМ NaCl, 50 мМ Tris/HCl (pH 7.6), Triton X-100 (0.1 %), ингибиторы протеаз (P8340, Sigma-Aldrich, США) и фосфатаз (1 мМ Na3VO4 2 H2O и 1 мМ Na2-EDTA). Гомогенаты центрифугировали при 1000 g в течение 15 мин для удаления неразрушенных клеток, аликвоты супернатантов отбирали для дальнейшей работы, а оставшуюся часть центрифугировали при 11000 g в течение 15 мин. Полученные супернатанты замораживали при –80 °С до анализа. Общее содержание белка в пробах оценивали методом Лоури.
Полученные пробы гомогенатов гиппокампа смешивали с буфером Лэммли и нагревали при 90 °С в течение 10 мин для денатурации белков. Методом SDS-PAGE электрофореза белки в пробах разделяли по молекулярной массе, используя гели с 7.5, 10 % или 12 % акриламида. После разделения белки переносили из гелей на нитроцеллюлозные мембраны (GE Health Care/Life Sciences, Великобритания), неспецифическое связывание которых в течение часа блокировали 5 %-ным раствором обезжиренного молока в буфере TТBS (150 мМ NaCl, 20 мМ Tris-HCl, 0.1 % Tween-20). Затем мембраны инкубировали в течение ночи с первичными антителами к тестируемым белкам. В работе использовали кроличьи антитела производства Cell Signaling (США) – Bcl-2 (D17C4) (1: 500, #3498), Bax (1: 500, #2772), Cleaved Caspase-9 (Asp353) (1: 200, #9507), Caspase-3 (D3R6Y) (1: 500, #14220), Cleaved caspase-3 (Asp175) (5A1E) (1: 200, #9664), Caspase-8 (D35G2) (1: 500, #4790), Ulk-1 (D8H5) (1: 500, #8054), Beclin-1 (D40C5) (1: 500, #3495), Phospho-Beclin-1 (Ser30) (E1C4X) (1: 200, #35955), AMPKα (D5A2) (1: 500, #5831), Akt (pan) (C67E7) (1: 500, #4691), RIP (D94C12) (1: 750, #3493), MLKL (D2I6N) (1: 750, #14993); BioVision (США) – Fas (1: 1000, #3070R) и Sigma-Aldrich (США) – mTOR (1: 500, # SAB4501038), а также мышиные антитела Cell Signaling к Caspase-9 (C9) (1: 1000, #9508) и Cleaved Caspase-8 (Asp384) (11G10) (1: 200, #9748). В качестве вторичных использовали анти-кроличьи антитела, конъюгированные с пероксидазой хрена (1: 1000, GE Health Care/Life Sciences, Великобритания). Иммунопозитивный сигнал визуализировали с помощью набора хемилюминесцентных растворов ECL (GE Health Care/Life Sciences, Великобритания), используя рентгеновскую пленку и проявочные растворы фирмы CEA (Швеция). Для нормализации экспрессии изучаемых белков мембраны инкубировали с первичными антителами мыши или кролика к GAPDH (1: 1000, sc-32233, sc-166545, sc-25778) производства Santa Cruz Biotechnology (США). Денситометрический анализ экспрессии белков проводили с помощью программы ImageJ program (NIH, США).
Результаты экспериментов анализировали в программе GraphPad Prism 8.1 (San Diego, CA, США), нормальность распределения оценивали с помощью критерия Shapiro-Wilk, для проверки выборок на выбросы использовали критерий ROUT (α = 0.05). Статистически значимые различия определяли с помощью алгоритмов ANOVA и апостериорного теста Dunnet’s. Различия считались достоверными при р < 0.05.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Экспрессия посредников митохондриального и рецепторного путей апоптоза в клетках гиппокампа крыс
Для анализа влияния избыточного потребления F- на экспрессию посредников митохондриального каскада апоптоза были выбраны белки семейства Bcl-2 (Bcl-2 и Bax), инициаторная каспаза-9 и эффекторная каспаза-3.
Уровень мРНК гена Bcl2, кодирующего антиапоптотический белок Bcl-2, в клетках гиппокампа крыс, получавших F-, не изменялся по сравнению с таковым у животных, получавших воду с нормальным содержанием F-. Экспрессия гена Bax, кодирующего проапоптотический белок Bax, напротив, статистически значимо увеличивалась в гиппокампе животных из всех групп, подверженных действию F- (рис. 1a). Содержание белка Bcl-2 снижалось по сравнению с контролем в клетках гиппокампа животных, потреблявших 20 и 50 мг/л F-. Наоборот, уровень экспрессии белка Bax увеличивался в гиппокампе крыс, получавших все три дозы F- (рис. 1b, c). Такие изменения привели к снижению соотношения между экспрессией антиапоптотического и проапоптотического маркеров этого семейства как на уровне транскрипции (рис. 1d), так и на уровне трансляции (рис. 1e).
Рис. 1. Изменения экспрессии антиапоптотического белка Bcl-2 и проапоптотического белка Bax в гиппокампе крыс после воздействия F- на уровне транскрипции и трансляции. (a) – Уровни экспрессии генов Bcl2 и Bax в клетках гиппокампа, нормализованные по отношению к экспрессии пары референсных генов Eef1a1+Ppia (средние значения ± SE, n = 7–9). (b) – Репрезентативные иммуноблоты для одной крысы из каждой группы. (c) – Среднее содержание белков Bcl-2 и Bax ± SE в клетках гиппокампа, рассчитанное по отношению к оптической плотности референсного белка GAPDH (n = 7). (d) – Отношение экспрессии генов Bcl-2 и Bax. (e) – Соотношение уровней белка Bcl-2 и Bax. * p < 0.05, ** p < 0.01, *** p < 0.001 по сравнению с контрольной группой (Con).
Средний уровень нативной формы каспазы-9 с молекулярной массой 51 kDa был низким в цитоплазме клеток гиппокампа контрольных животных, однако он повышался в гиппокампе крыс из всех групп, получавших избыток фтора (рис. 2a, b). Кроме того, в гиппокампе животных, получавших 20 и 50 мг/л F-, наблюдалось увеличение содержания зрелой формы каспазы-9 с молекулярной массой 38 kDa (рис. 2a, b). Такие процессы приводят к изменению соотношения уровней экспрессии прокаспазы-9, не обладающей протеолитической активностью, и активной каспазы-9, принимающей участие в реализации программы апоптоза.
Рис. 2. Уровень каспазы-9 в гиппокампе крыс, потреблявших избыток F-. (a) – Типичные примеры иммуноблотов нативной формы каспазы-9 и активной каспазы-9 для одной крысы из каждой экспериментальной группы. (b) – Среднее содержание ± SE двух форм каспазы-9, нормализованное по GAPDH (n = 5). * p < 0.05, *** p < 0.001 по сравнению с контролем.
Экспрессия гена Casp-3, кодирующего один из ключевых посредников апоптоза – каспазу-3, была сравнима в клетках гиппокампа крыс из всех экспериментальных групп (рис. 3a). Однако содержание этой эффекторной молекулы изменялось на уровне белка. В гиппокампе контрольных животных практически весь клеточный пул каспазы-3 был представлен ее протеолитически неактивной проформой с молекулярной массой 32 kDa, однако у крыс, получавших 20 и 50 мг/л F-, уровень этой нативной формы достоверно снижался (рис. 3b, c). В противоположность этому в клетках гиппокампа крыс из контрольной группы определялись лишь небольшие количества активной каспазы-3 с молекулярной массой 17 kDa, но воздействие 5, 20 и 50 мг/л F- привело к значительному увеличению ее содержания. Такие изменения уровней экспрессии прокаспазы-3 и активной каспазы В привели к смещению соотношения в сторону последней (рис. 3d) и подтверждают стимуляцию процессов апоптоза.
Рис. 3. Стимуляция каспазы-3 в гиппокампе крыс, потреблявших избыток F-. (a) – Уровни Casp3 мРНК в клетках гиппокампа крыс всех экспериментальных групп (средние значения ± SE, n = 8–10). (b) – Типичные примеры иммуноблотов нативной формы каспазы-3 и активной каспазы-3 для одной крысы из каждой экспериментальной группы. (c) – Среднее содержание ± SE двух форм каспазы-3, нормализованное по GAPDH. (d) – Изменения соотношения уровней прокаспазы-3 и активной каспазы-3 (n = 6). * p < 0.05, ** p < 0.01, *** p < 0.001 по сравнению с контролем.
Однако длительное воздействие избыточных доз F⁻ на организм крыс не оказало влияния на уровень белка одного из ключевых компонентов рецепторного пути апоптоза – каспазы-8 в клетках гиппокампа (рис. 4a, b). Содержание мембранного рецептора Fas в гиппокампе крыс, получавших избыточные дозы F-, было сравнимо с таковым у контрольных животных (рис. 4a, b).
Рис. 4. Экспрессия на уровне белка двух форм каспазы-8 и рецепторов Fas в клетках гиппокампа крыс после длительного воздействия F-. (a) – Пример иммуноблотов для одного животного из каждой группы. (b) – Среднее содержание белков каспазы-8 и Fas ± SE в клетках, рассчитанное по отношению к содержанию референсного белка GAPDH (n = 4).
Таким образом, длительное потребление крысами избыточных доз F- сопровождается активацией эффекторов митохондриального, но не рецепторного пути апоптоза.
Экспрессия посредников аутофагии в клетках гиппокампа крыс, получавших избыточные дозы F⁻
В клетках гиппокампа крыс, получавших избыток F⁻, содержание белка Ulk-1, который принимает сигналы от разнообразных внутриклеточных протеинкиназ, регулирующих процессы клеточного метаболизма, и таким образом функционирует как инициатор аутофагии, не изменялось по сравнению с таковым у контрольных крыс (рис. 5a). Однако длительное воздействие всех экспериментальных доз F- привело к изменению экспрессии гена Beclin1, кодирующего белок Beclin-1, который играет важнейшую роль в процессе формирования и созревания фагофора (рис. 5b). В гиппокампе крыс, потреблявших 20 и 50 мг/л F-, также снижались уровни нативной и фосфорилированной форм этого ключевого посредника аутофагии (рис. 5c).
Рис. 5. Экспрессия посредников аутофагии в гиппокампе крыс, подверженных воздействию F-. (a) – Типичные иммуноблоты и средние уровни ± SE белка ULK-1 в клетках гиппокампа крыс, получавших разные дозы F- (n = 7). (b) – Изменения экспрессии гена Beclin1 в гиппокампе животных, получавших избыток F-, на уровне транскрипции (n = 6). (c) – Изменения содержания белка Beclin-1 в гиппокампе животных после длительного потребления F- (n = 6). Показаны типичные иммуноблоты для одного животного из каждой группы и средние значения ± SE нативной и фосфорилированной форм (Ser30) Beclin-1. * p < 0.05, ** p < 0.01, *** p < 0.001, # p < 0.0001 по сравнению с контролем.
Длительное потребление крысами избыточных доз F- также не оказало влияния на уровни мРНК и белка некоторых внутриклеточных модуляторов аутофагии – киназы AMPK, функционирующей как энергетический сенсор клеток и напрямую фосфорилирующей белок Ulk-1, киназы Akt – посредника сигнального пути PI3K/Akt, регулирующего рост и выживание клеток, и киназы mTOR, предотвращающей взаимодействие Ulk1 и АМРК (рис. 6).
Рис. 6. Экспрессия модуляторов аутофагии AMPK, Akt и mTOR в гиппокампе крыс, получавших избыток F-, на уровне транскрипции и трансляции. (a) – Уровни экспрессии генов Prkaa1, Akt и mTOR в клетках гиппокампа крыс. (b) – Репрезентативные иммуноблоты для одного животного из каждой группы. (c) – Средние значения ± SE содержания AMPK, Akt и mTOR на уровне белка (n = 5).
Влияние избыточного потребления F- крысами на экспрессию посредников некроптоза в гиппокампе крыс
Экспрессия исследуемых посредников некроптоза – белков RIP и MLKL также не изменялась в клетках гиппокампа крыс, получавших избыток фтора (рис. 7).
Рис. 7. Уровни белков RIP и MLKL в гиппокампе крыс, получавших разные дозы F-. (a) – Показательные иммуноблоты для одного животного из каждой группы. (b) – Средние значения содержания ± SE белков RIP и MLKL в клетках гиппокампа (n = 5).
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Результаты данного исследования показали, что длительное потребление крысами избыточных количеств F- привело к изменениям экспрессии маркеров гибели клеток, функционирующих как регуляторы митохондриального пути апоптоза, в частности, к снижению уровня антиапоптотического белка Bcl-2, но активации проапоптотического белка Bax, инициаторной каспазы-9 и эффекторной каспазы-3 (рис. 1–3). Однако воздействие F- не оказало влияния на экспрессию каспазы-8 и мембранных рецепторов Fas – важнейших эффекторов рецепторного пути апоптоза (рис. 4).
Апоптоз представляет собой многоступенчатый и хорошо контролируемый тип клеточной гибели, играющий ключевую роль в процессах разрушения и утилизации поврежденных или лишних клеток как в ходе нормального физиологического развития и роста организма, так и при патологических состояниях [13–15]. Семейство Bcl-2 (B-cell lymphoma/leukemia-2) включает в себя несколько белков, функционирующих как активаторы каспаз [21, 22]. Располагаясь на внешней мембране митохондрий, Bcl-2 связывает проапоптотические белки (в том числе Bax), таким образом подавляя их активность и обеспечивая целостность мембраны. Если уровень Bcl-2 снижается, Bax олигомеризуется и образует поры на внешней мембране митохондрий, что увеличивает ее проницаемость и приводит к выходу нескольких белков, включая цитохром С, из межмембранного пространства в цитоплазму клеток. Эти и множество других летальных стимулов, формирующихся внутри клеток или на их мембранах, последовательно стимулируют инициаторные (каспазы-2, -8, -9, -10, -12) и эффекторные (каспазы-3, -6 и -7) каспазы – цистеиновые протеазы, участвующие в протеолитическом расщеплении клеточных субстратов и разрушении клеточных компонентов [23, 24]. Таким образом, белки Bcl-2 и каспазы являются ключевыми игроками сигнальных каскадов митохондриального каскада апоптоза.
Апоптотическая трансформация клеток мозга экспериментальных животных, подверженных действию F-, и клеток нейрональных линий, культивируемых в присутствии высоких концентраций F-, была описана в нескольких работах ранее [25, 26]. Например, число апоптотических клеток увеличивалось в поле гиппокампа СА3 18-дневных эмбрионов и крысят первых 28 дней жизни, чьи матери потребляли 45–50 мг/л F- в период гестации и лактации [27, 28]. Повышенный уровень апоптоза также наблюдался в гиппокампе или целом мозге взрослых крыс, подвергавшихся воздействию 50–100 мг/л NaF в течение 6 месяцев [28–31]. Гибель клеток микроглии была описана у крыс, потреблявших 60–120 мг/л F- в течение 10 недель [32]. Развитие апоптоза сопровождалось ингибированием активности белка Bcl-2, но увеличением экспрессии белка Bax, каспазы-12, каспазы-9, каспазы-3, высвобождением PARP и цитохрома С как на уровне транскрипции, так и на уровне трансляции [27, 31, 32]. Снижение экспрессии Bcl-2, но стимуляция Bax и каспазы-3 были выявлены и в клетках нейробластомы линий PC12 и SH-SY5Y, культивируемых с NaF [33, 34].
Одновременно со стимуляцией эффекторов апоптоза в клетках гиппокампа крыс, потреблявших избыток F- в течение года, наблюдалось ингибирование ключевого посредника аутофагии Beclin-1 (рис. 5), хотя экспрессия инициаторного белка аутофагии Ulk-1 (рис. 5) и его модуляторов AMPK, Akt и mTOR (рис. 6) не изменялась. Аутофагия представляет собой сложный катаболический процесс, характеризующийся формированием аутофагосом, доставляющих поврежденные белки и органеллы к лизосомам, что приводит к образованию аутолизосом с последующей деградацией и утилизацией содержимого [14, 15]. Аутофагия обычно активируется в ответ на недостаток питательных веществ, а нарушение ее процессов в клетках мозга часто наблюдается при различных нейродегенеративных заболеваниях [16, 17]. Каскад киназ PI3K/Akt/mTOR (phosphoinositide 3-kinase/Akt kinase/mammalian target of rapamycin) является одним из важнейших сигнальных путей, контролирующих такие клеточные функции, как пролиферация, рост, метаболизм и выживание [35]. Белок Ulk-1 критически необходим для ранних этапов биогенеза аутофагосом и играет центральную роль в индукции аутофагии, запуская каскад фосфорилирования нижестоящих эффекторов в составе белковых комплексов. Протеинкиназа AMPK фосфорилирует Ulk-1 по нескольким аминокислотным остаткам, включая Ser317, Ser555 и Ser777, в то время как mTOR фосфорилирует Ulk-1 по Ser757 и нарушает взаимодействие между Ulk-1 и AMPK. В свою очередь, Ulk-1 фосфорилирует ключевой посредник аутофагии – Beclin-1, который локализуется около митохондрий и в нормальных клетках ингибирует этот тип клеточной гибели, образуя комплексы с антиапоптотическими белками Bcl-2 и Bcl-xL [36–38]. Однако стрессовые стимулы приводят к диссоциации Beclin-1 от Bcl-2 вследствие конкурентного взаимодействия Bcl-2 и Bax. Активный свободный Beclin-1 вместе с киназой PI3K запускает формирование и созревание фагофора. Если же уровень Bcl-2 в клетках снижается, Beclin-1 деактивируется и начинается процесс апоптоза. Таким образом, кинетика взаимодействия Beclin-1 и Bcl-2 является одним из основных факторов выбора клеток между аутофагией и апоптозом.
В нашем исследовании длительное отравление крыс F- привело к подавлению важнейшего посредника аутофагии и смещению механизмов гибели клеток гиппокампа в сторону апоптоза, вероятнее всего, через нарушение взаимодействия Beclin-1 и Bcl-2 или истощение клеточного пула этих молекул. Однако в нескольких предыдущих исследованиях, наоборот, была описана активация ключевых маркеров аутофагии в мозге лабораторных животных. Так, в гиппокампе крыс, получавших 25–100 мг/л F- в течение 6 месяцев, было выявлено значимое повышение уровней Beclin-1, LC3-II и p62 [39, 40]. Мы полагаем, что такое расхождение может быть связано с разной длительностью воздействия F-. Аутофагия часто используется клетками как альтернативный источник энергии, поэтому ее активация после короткого действия стрессовых стимулов может быть адаптивным компенсаторным ответом, чтобы избежать гибели. В случае продолжительного влияния неблагоприятных факторов на клетки уровней или активности эффекторов аутофагии может быть недостаточно, поэтому активируются процессы апоптоза.
Экспрессия посредников некроптоза RIP и MLKL также оставалась стабильной в клетках гиппокампа крыс, получавших избыток F- (рис. 7). Некроптоз, один из путей некротического типа гибели, запускается разнообразными воспалительными сигналами и негативно регулируется каспазами. Этот механизм инициируется через комплексы, называемые некросомами и состоящие из киназ RIP (receptor-interacting protein) и их мишеней MLKL (mixed lineage kinase domain-like protein) [14, 41]. Возможное участие некроптоза в реализации патологических процессов в мозге лабораторных животных под действием F- не было исследовано ранее, однако наша работа показала, что токсические эффекты F- на клетки гиппокампа крыс даже после продолжительного воздействия не связаны с активацией этого типа гибели.
Таким образом, морфологические изменения и гибель клеток гиппокампа, включая нейроны, описанные в нашем предыдущем исследовании, осуществляются преимущественно по митохондриальному пути апоптоза на фоне ингибирования аутофагии.
ВКЛАДЫ АВТОРОВ
Идея исследования и дизайн эксперимента (Н. И. А.), проведение экспериментов и сбор материала для исследования (Н. И. А., О. В. Н.), обработка результатов (Н. И. А., О. В. Н.), написание и редактирование текста (Н. И. А., О. В. Н.).
ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ
Данная работа финансировалась за счет средств бюджета государственного задания № 075–00264–24–00 Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН. Исследование проведено с использованием оборудования Центра коллективного пользования Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН. Никаких дополнительных грантов на проведение или руководство данным конкретным исследованием получено не было.
CОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ
Эксперименты с животными проводились в соответствии с международными рекомендациями по проведению биомедицинских исследований с лабораторными животными и были одобрены Комитетом по биоэтике Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН (протокол № 9/2020 от 24.09.2020).
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
Об авторах
О. В. Надей
Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН
Email: nagalak@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург
Н. И. Агалакова
Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН
Автор, ответственный за переписку.
Email: nagalak@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург
Список литературы
- Johnston NR, Strobel SA (2020) Principles of fluoride toxicity and the cellular response: a review. Arch Toxicol 94(4): 1051–1069. https://doi.org/10.1007/s00204-020-02687-5
- Shaji E, Sarath KV, Santosh M, Krishnaprasad PK, Arya BK, Manisha S Babu (2024) Fluoride contamination in groundwater: a global review of the status, processes, challenges, and remedial measures. Geosci Front 15: 101734. https://doi.org/10.1016/j.gsf.2023.101734
- Макеева ИМ, Волков АГ, Мусиев АА (2017) Эндемический флюороз зубов – причины, профилактика и лечение. Росс стоматол журн 21(6): 340–344. [Makeeva IM, Volkov AG, Musiev AA (2017) Endemic fluorosis of teeth – causes, prevention and treatment. Russ Stomatol J 21(6): 340–344. (In Russ)].
- Lubojanski A, Piesiak-Panczyszyn D, Zakrzewski W, Dobrzynski W, Szymonowicz M, Rybak Z, Mielan B, Wiglusz RJ, Watras A, Dobrzynski M (2023) The safety of fluoride compounds and their effect on the human body-a narrative review. Materials (Basel) 16(3): 1242. https://doi.org/10.3390/ma16031242
- Taher MK, Momoli F, Go J, Hagiwara S, Ramoju S, Hu X, Jensen N, Terrell R, Hemmerich A, Krewski D (2024) Systematic review of epidemiological and toxicological evidence on health effects of fluoride in drinking water. Crit Rev Toxicol 6: 1–33. https://doi.org/10.1080/10408444.2023.2295338
- Petrović B, Kojić S, Milić L, Luzio A, Perić T, Marković E, Stojanović GM (2023) Toothpaste ingestion-evaluating the problem and ensuring safety: systematic review and meta-analysis. Front Public Health 11: 1279915. https://doi.org/10.3389/fpubh.2023.1279915
- Veneri F, Iamandii I, Vinceti M, Birnbaum LS, Generali L, Consolo U, Filippini T (2023) Fluoride exposure and skeletal fluorosis: a systematic review and dose-response meta-analysis. Curr Environ Health Rep 10(4): 417–441. https://doi.org/10.1007/s40572-023-00412-9
- Agalakova NI, Nadei OV (2020) Inorganic fluoride and functions of brain. Crit Rev Toxicol 50(1): 28–46. https://doi.org/10.1080/10408444.2020.1722061
- Ottappilakkil H, Babu S, Balasubramanian S, Manoharan S, Perumal E (2023) Fluoride induced neurobehavioral impairments in experimental animals: a brief review. Biol Trace Elem Res 201(3): 1214–1236. https://doi.org/10.1007/s12011-022-03242-2
- Veneri F, Vinceti M, Generali L, Giannone ME, Mazzoleni E, Birnbaum LS, Consolo U. Filippini T (2023) Fluoride exposure and cognitive neurodevelopment: systematic review and dose-response meta-analysis. Environ Res 221: 115239. https://doi.org/10.1016/j.envres.2023.115239
- Nadei OV, Khvorova IA, Agalakova NI (2020) Cognitive decline of rats with chronic fluorosis is associated with alterations in hippocampal calpain signaling. Biol Trace Elem Res 197(2): 495–506. https://doi.org/10.1007/s12011-019-01993-z
- Надей ОВ, Иванова ТИ, Суфиева ДА, Агалакова НИ (2020) Морфологические изменения нейронов гиппокампа крыс как результат избыточного потребления фтора. Журн анат гистопатол 9(2): 53–60. [Nadei OV, Ivanova TI, Sufieva DA, Agalakova NI (2020) Morphological Changes of the Rat Hippocampal Neurons Following Excessive Fluoride Consumption. J Anat Histopathol 9(2): 53–60. (In Russ)]. https://doi.org/10.18499/2225-7357-2020-9-2-53-60
- Newton K, Strasser A, Kayagaki N, Dixit VM (2024) Cell death. Cell 187(2): 235–256. https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.11.044
- Ai Y, Meng Y, Yan B, Zhou Q, Wang X (2024) The biochemical pathways of apoptotic, necroptotic, pyroptotic, and ferroptotic cell death. Mol Cell 84(1): 170–179. https://doi.org/10.1016/j.molcel.2023.11.040
- Gupta R, Ambasta RK, Pravir Kumar (2021) Autophagy and apoptosis cascade: which is more prominent in neuronal death? Cell Mol Life Sci 78(24): 8001–8047. https://doi.org/10.1007/s00018-021-04004-4
- Deng Z, Zhou X, Lu JH, Yue Z (2021) Autophagy deficiency in neurodevelopmental disorders. Cell Biosci 11(1): 214. https://doi.org/10.1186/s13578-021-00726-x
- Liénard C, Pintart A, Bomont P (2024) Neuronal autophagy: regulations and implications in health and disease. Cells 13(1): 103. https://doi.org/10.3390/cells13010103
- Agalakova NI, Gusev GP (2013) Excessive fluoride consumption leads to accelerated death of erythrocytes and anemia in rats. Biol Trace Elem Res 153(1–3): 340–349. https://doi.org/10.1007/s12011-013-9691-y
- Baselt RC (2004) Disposition of Toxic Drugs and Chemicals in Man. 7th ed. Biomedical Publications. Foster City. CA. 468–470. https://doi.org/10.1373/clinchem.2004.039271
- Nadei OV, Agalakova NI (2024) Optimal reference genes for RT-qPCR experiments in hippocampus and cortex of rats chronically exposed to excessive fluoride. Biol Trace Elem Res 202(1): 199–209. https://doi.org/10.1007/s12011-023-03646-8
- King LE, Hohorst L, Garcıá-Sáez AJ (2023) Expanding roles of BCL-2 proteins in apoptosis execution and beyond. J Cell Sci 136(22): jcs260790. https://doi.org/10.1242/jcs.260790
- Gong Q, Wang H, Zhou M, Zhou L, Wang R, Li Y (2024) B-cell lymphoma-2 family proteins in the crosshairs: Small molecule inhibitors and activators for cancer therapy. Med Res Rev 44(2): 707–737. https://doi.org/10.1002/med.21999
- Dixit VM (2023) The road to death: caspases, cleavage, and pores. Science Adv 9(17): eadi2011. https://doi.org/10.1126/sciadv.adi2011
- Sahoo G, Samal D, Khandayataray P, Murthy MK (2023) Review on caspases: key regulators of biological activities and apoptosis. Mol Neurobiol 60(10): 5805–5837. https://doi.org/10.1007/s12035-02-03433-5
- Ribeiro DA, Cardoso CM, Yujra VQ, De Barros Viana M, Aguiar O Jr, Pisani LP, Oshima CT (2017) Fluoride induces apoptosis in mammalian cells: in vitro and in vivo studies. Anticancer Res 37: 4767–4777. https://doi.org/10.21873/anticanres.11883
- Angwa LM, Nyadanu SD, Kanyugo AM, Adampah T, Pereira G (2023) Fluoride-induced apoptosis in non-skeletal tissues of experimental animals: A systematic review and meta-analysis. Heliyon 9(8): e18646. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e18646
- Sun Y, Ke L, Zheng X, Li T, Ouyang W, Zhang Z (2017) Effects of different levels of calcium intake on brain cell apoptosis in fluorosis rat offspring and its molecular mechanisms. Biol Trace Elem Res 176(2): 355–366. https://doi.org/10.1007/s12011-016-0850-9
- Wei N, Dong YT, Deng J, Wang Y, Qi XL, Yu WF, Xiao Y, Zhou JJ, Guan ZZ (2018) Changed expressions of N-methyl-d-aspartate receptors in the brains of rats and primary neurons exposed to high level of fluoride. J Trace Elem Med Biol 45: 31–40. https://doi.org/10.1016/j.jtemb.2017.09.020
- Liu YJ, Guan ZZ, Gao Q, Pei JJ (2011) Increased level of apoptosis in rat brains and SH-SY5Y cells exposed to excessive fluoride – a mechanism connected with activating JNK phosphorylation. Toxicol Lett 204: 183–189. https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2011.04.030
- Wang C, Liang C, Ma J, Manthari RK, Niu R, Wang J, Wang J, Zhang J (2018) Co-exposure to fluoride and sulfur dioxide on histological alteration and DNA damage in rat brain. J Biochem Mol Toxicol 32(2). https://doi.org/10.1002/jbt.22023
- Tang Y, Zhang J, Hu Z, Xu W, Xu P, Ma Y, Xing H, Niu Q (2023) PRKAA1 induces aberrant mitophagy in a PINK1/Parkin-dependent manner, contributing to fluoride-induced developmental neurotoxicity. Ecotoxicol Environ Saf 255: 114772. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2023.114772
- Yan N, Liu Y, Liu S, Cao S, Wang F, Wang Z, Xi S (2016) Fluoride-induced neuron apoptosis and expressions of inflammatory factors by activating microglia in rat brain. Mol Neurobiol 53: 4449–4460. https://doi.org/10.1007/s12035-015-9380-2
- Liao Q, Zhang R, Wang X, Nian W, Ke L, Ouyang W, Zhang Z (2017) Effect of fluoride exposure on mRNA expression of cav1.2 and calcium signal pathway apoptosis regulators in PC12 cells. Environ Toxicol Pharmacol 54: 74–79. https://doi.org/10.1016/j.etap.2017.06.018
- Tu W, Zhang Q, Liu Y, Han L, Wang Q, Chen P, Zhang S, Wang A, Zhou X (2018) Fluoride induces apoptosis via inhibiting SIRT1 activity to activate mitochondrial p53 pathway in human neuroblastoma SH-SY5Y cells. Toxicol Appl Pharmacol 347: 60–69. https://doi.org/10.1016/j.taap.2018.03.030
- Chen J, Rodriguez AS, Morales MA, Fang X (2023) Autophagy modulation and its implications on glioblastoma treatment. Curr Issues Mol Biol 45(11): 8687–8703. https://doi.org/10.3390/cimb45110546
- Menon MB, Dhamija S (2018) Beclin 1 Phosphorylation – at the center of autophagy regulation. Front Cell Dev Biol 6: 137. https://doi.org/10.3389/fcell.2018.00137
- Rong Z, Zheng K, Chen J, Jin X (2022) Function and regulation of ULK1: From physiology to pathology. Gene 840: 146772. https://doi.org/10.1016/j.gene.2022.146772
- Prerna K, Dubey VK (2022) Beclin1-mediated interplay between autophagy and apoptosis: new understanding. Int J Biol Macromol 204: 258–273. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.02.005
- Niu Q, Chen J, Xia T, Li P, Zhou G, Xu C, Zhao Q, Dong L, Zhang S, Wang A (2018) Excessive ER stress and the resulting autophagic flux dysfunction contribute to fluoride-induced neurotoxicity. Environ Pollut 233: 889–899. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2017.09.015
- Han X, Tang Y, Zhang Y, Zhang J, Hu Z, Xu W, Xu S, Niu Q (2022) Impaired V-ATPase leads to increased lysosomal pH, results in disrupted lysosomal degradation and autophagic flux blockage, contributes to fluoride-induced developmental neurotoxicity. Ecotoxicol Environ Saf 236: 113500. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2022.113500
- Zhang L, Hu Z, Li Z, Lin Y (2024) Crosstalk among mitophagy, pyroptosis, ferroptosis, and necroptosis in central nervous system injuries. Neural Regen Res 19(8): 1660–1670. https://doi.org/10.4103/1673-5374.389361
Дополнительные файлы
