БИОХИМИЯ, 2018, том 83, вып. 10, с. 1550–1561

УДК 577.218:57.044

SkQ1 контролирует экспрессию гена CASP3 и каспаза-3-подобную активность в головном мозге крыс при окислительном стрессе

© 2018 С.Б. Панина, О.И. Гуценко, Н.П. Милютина *, И.В. Корниенко, А.А. Ананян, Д.Ю. Гвалдин, А.А. Плотников, В.В. Внуков

Южный федеральный университет, Академия биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского, кафедра биохимии и микробиологии, 344090 Ростов-на-Дону, Россия; электронная почта: natmilut@rambler.ru

Поступила в редакцию 12.03.2018
После доработки 27.05.2018

DOI: 10.1134/S0320972518100093

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: митохондриально-адресованный антиоксидант, мозг, митохондрии, экспрессия гена CASP3, каспаза-3.

Аннотация

Исследовали влияние митохондриально-направленного антиоксиданта SkQ1 — катионного производного пластохинона — 10-(6′-пластохи­нонил)децилтри­фенил­фосфония — на уровень экспрессии гена CASP3 и активность каспазы-3 в коре больших полушарий и митохондриях мозга крыс в норме и при ГБО-индуцированном окислительном стрессе. Установлено, что в физиологических условиях применение SkQ1 (50 нмоль/кг, 5 дней) не приводит к изменению экспрессии гена CАSP3 и активности каспазы-3 в клетках коры больших полушарий, а также не влияет на активность фермента в митохондриях больших полушарий мозга, но способствует умеренному снижению содержания первичных продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ) и повышению уровня восстановленного глутатиона. При окислительном стрессе, индуцированном гипербарооксигена­цией (ГБО), (0,5 МПа, 90 мин) выявлено значительное повышение уровня мРНК гена CASP3 и активности каспазы-3 в коре больших полушарий мозга. Помимо этого, наблюдается значительная активации фермента в митохондриях на фоне снижения уровня восстановленного глутатиона, активности глутатионредуктазы и активации перекисного окисления липидов (ПОЛ). Предварительное применение SkQ1 перед сеансом гипербарооксигенации (ГБО) способствует поддержанию базального уровня экспрессии гена CASP3 и активности фермента в кортикальных отделах мозга, а также приводит к нормализации активности каспазы-3 и редокс-показателей в митохондриях мозга. Предполагается, что защитный эффект SkQ1 в условиях ГБО-индуцированного окислительного стресса в клетках мозга может реализоваться посредством прямого антиоксидантного эффекта и стимуляции антиапоптотических механизмов.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Исследование выполнено на оборудовании ЦКП «Высокие технологии» ЮФУ в рамках базовой части госзадания Минобрнауки РФ (проекты № 1878, № 6.6762.2017/БЧ).

Благодарности

Авторы выражают глубокую благодарность В.П. Скулачеву за предоставление для исследования препарата SkQ1 и за помощь в планировании экспериментов и интерпретации полученных результатов.

Конфликт интересов

У авторов отсутствует конфликт интересов в финансовой и в какой-либо иной сфере.

Соблюдение этических норм

Все процедуры, выполненные на животных, проводились с соблюдением принципов Европейской конвенции о защите позвоночных животных, используемых в эксперименте или в научных целях (Страсбург, 18 марта 1986 г.) и положениями Директивы 2010/63/EU Европейского Парламента и Совета Европейского Союза от 22 сентября 2010 г. по охране животных, используемых в научных целях (статья 27).

Список литературы

1. Circu, M.L., and Aw, T.Y. (2010) Reactive oxygen species, cellular redox systems, and apoptosis, Free Radic. Biol. Med., 48, 749–762.

2. Sinha, K., Das, J., Pal, P.B., and Sil, P.C. (2013) Oxidative stress: the mitochondria-dependent and mitochondria-independent pathways of apoptosis, Arch. Toxicol., 87, 1157–1180.

3. Redza-Dutordoir, M., and Averill-Bates, D.A. (2016) Activation of apoptosis signalling pathways by reactive oxygen species, Biochim. Biophys. Acta, 1863, 2977–2992.

4. Clark, J. (2008) Oxygen toxicity, in Physiology and Medicine of Hyperbaric Oxygen Therapy (Neuman, T.S., and Thom, S.R., eds) Saunders, Philadelphia, PA, pp. 527–563.

5. Metrailler-Ruchonnet, I., Pagano, A., Carnesecchi, S., Ody, C., Donati, Y., and Argiroffo, C.B. (2007) Bcl-2 protects against hyperoxia-induced apoptosis through inhibition of the mitochondria-dependent pathway, Free Radic. Biol. Med., 42, 1062–1074.

6. Kim, G.H., Lee, J.J., Lee, S.H., Chung, Y.H., Cho, H.S., Kim, J.A., and Kim, M.K. (2016) Exposure of isoflurane-treated cells to hyperoxia decreases cell viability and activates the mitochondrial apoptotic pathway, Brain Res., 1636, 13-20.

7. Gore, A., Muralidhar, M., Espey, M.G., Degenhardt, K., and Mantell, L.L. (2010) Hyperoxia sensing: from molecular mechanisms to significance in disease, J. Immunotoxicol., 7, 239–254.

8. Yis, U., Kurul, S.H., Kumral, A., Cilaker, S., Tugyan, K., Genc, S., and Yэlmaz, O. (2008) Hyperoxic exposure leads to cell death in the developing brain, Brain Dev., 30, 556–562.

9. Hu, X., Qiu, J., Grafe, M.R., Rea, H.C., Rassin, D.K., and Perez-Polo, J.R. (2003) Bcl-2 family members make different contributions to cell death in hypoxia and/or hyperoxia in rat cerebral cortex, Int. J. Dev. Neurosci., 21, 371–377.

10. Внуков В.В., Милютина Н.П., Ананян А.А., Даниленко А.О., Гуценко О.И., Вербицкий Е.В. (2013) Влияние катионного производного пластохинона – 10-(6′-пластохинонил)децилтрифенилфосфония (SkQ1) – на интенсивность апоптоза и структурное состояние мембран лимфоцитов крыс при окислительном стрессе, вызванном гипербарооксигенацией, Вестник Южного научн. центра, 9, 78–86.

11. Song, B., Xie, B., Wang, C., and Li, M. (2011) Caspase-3 is a target gene of c-Jun: ATF2 heterodimers during apoptosis induced by activity deprivation in cerebellar granule neurons, Neurosci. Lett., 505, 76–81.

12. Parrish, A.B., Freel, C.D., and Kornbluth, S. (2013) Cellular mechanisms controlling caspase activation and function, Cold Spring Harb. Perspect. Biol., 5, 1–24.

13. Zhang, L., Wang, K., Lei, Y., Li, Q., Nice, E.C., and Huang, C. (2015) Redox signaling: Potential arbitrator of autophagy and apoptosis in therapeutic response, Free Radic. Biol. Med., 89, 452–465.

14. Skulachev, V.P. (2012) Mitochondria-targeted antioxidants as promising drugs for treatment of age-related brain diseases, J. Alzheimer’s Dis., 28, 283–289.

15. Skulachev, M.V., Antonenko, Y.N., Anisimov, V.N., Chernyak, B.V., Cherepanov, D.A., Chistyakov, V.A., Egorov, M.V., Kolosova, N.G., Korshunova, G.A., Lyamzaev, K.G., Plotnikov, E.Y., Roginsky, V.A., Savchenko, A.Y., Severina, I.I., Severin, F.F., Shkurat, T.P., Tashlitsky, V.N., Shidlovsky, K.M., Vyssokikh, M.Y., Zamyatnin, A.A. Jr., Zorov, D.B., and Skulachev, V.P. (2011) Mitochondrial-targeted plastoquinone derivatives. Effect on senescence and acute age-related pathologies, Curr. Drug Targets, 12, 800–826.

16. Silachev, D.N., Plotnikov, E.Y., Zorova, L.D., Pevzner, I.B., Sumbatyan, N.V., Korshunova, G.A., Gulyaev, M.V., Pirogov, Y.A., Skulachev, V.P., and Zorov, D.B. (2015) Neuroprotective effects of mitochondria-targeted plastoquinone and thymoquinone in a rat model of brain ischemia/reperfusion injury, Molecules, 20, 14487–14503.

17. Antonenko, Y.N., Avetisyan, A.V., Bakeeva, L.E., Chernyak, B.V., Chertkov, V.A., Domnina, L.V., Ivanova, O.Y., Izyumov, D.S., Khailova, L.S., Klishin, S.S., Korshunova, G.A., Lyamzaev, K.G., Muntyan, M.S., Nepryakhina, O.K., Pashkovskaya, A.A., Pletjushkina, O.Y., Pustovidko, A.V., Roginsky, V.A., Rokitskaya, T.I., Ruuge, E.K., Saprunova, V.B., Severina, I.I., Simonyan, R.A., Skulachev, I.V., Skulachev, M.V., Sumbatyan, N.V., Sviryaeva, I.V., Tashlitsky, V.N., Vassiliev, J.M., Vyssokikh, M.Y., Yaguzhinsky, L.S., Zamyatnin, A.A., Jr., and Skulachev, V.P. (2008) Mitochondria-targeted plastoquinone derivatives as tools to interrupt execution of the aging program. 1. Cationic plastoquinone derivatives: synthesis and in vitro studies, Biochemistry (Moscow), 73, 1273–1287.

18. Skulachev, V.P., Antonenko, Y.N., Cherepanov, D.A., Chernyak, B.V.,Izyumov, D.S., Khailova, L.S., Klishin, S.S., Korshunova, G.A., Lyamzaev, K.G., Pletjushkina, O.Yu., Roginsky, V.A., Rokitskaya, T.I., Severin, F.F., Severina, I.I., Simonyan, R.A., Skulachev, M.V., Sumbatyan, N.V., Sukhanova, E.I., Tashlitsky V.N., Trendeleva, T.A., Vyssokikh, M.Yu., Renata A., and Zvyagilskaya, R.A. (2010) Prevention of cardiolipin oxidation and fatty acid cycling as two antioxidant mechanisms of cationic derivatives of plastoquinone (SkQs), Biochim. Biophys. Acta, 1797, 878–889.

19. Galkin, I.I., Pletjushkina, O.Yu., Zinovkin, R.A., Zakharova, V.V., Birjukov, I.S., Chernyak, B.V., and Popova, E.N. (2014) Mitochondria-targeted antioxidants prevent TNFα-induced endothelial cell damage, Biochemistry (Moscow), 79, 124–130.

20. Troy, C.M., and Jean, Y.Y. (2015) Caspases: therapeutic targets in neurologic disease, Neurotherapeutics, 12, 42–48.

21. Glushakova, O.Y., Glushakov, A.A., Wijesinghe, D.S., Valadka, A.B., Hayes, R.L., and Glushakov, A.V. (2017) Prospective clinical biomarkers of caspase-mediated apoptosis associated with neuronal and neurovascular damage following stroke and other severe brain injuries: implications for chronic neurodegeneration, Brain Circ., 3, 87–108.

22. Лукаш А.И., Внуков В.В., Ананян A.A., Милютина Н.П., Кваша П.Н. (1996) Металлосодержащие соединения плазмы крови при гипербарической оксигенации. (Экспериментальные и клинические аспекты) Изд-во РГУ. Ростов-на-Дону.

23. Chistyakov, V.A., Alexandrova, A.A., Milyutina, N.P., Prokofev, V.N., Mashkina, E.V., Gutnikova, L.V., Dem’yanenko, S.V., and Serezhenkov, V.A. (2010) Effect of plastoquinone derivative 10-(6’-plastoquinonyl)decyltriphenylphosphonium (SkQ1) on contents of steroid hormones and NO level in rats, Biochemistry (Moscow), 75, 1383–1387.

24. Ещенко Н.Д., Вольский Г.Г., Прохорова М.И. (1982) Методы биохимических исследований (липидный и энергетический обмен) (под ред. М.И. Прохоровой) Изд-во Ленинградского университета, Ленинград.

25. Walsh, J.G., Cullen, S.P., Sheridan, C., Luthi, A.U., Gerner, C., and Martin, S.J. (2008) Executioner caspase-3 and caspase-7 are functionally distinct proteases, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 105, 12815–12819.

26. Стальная И.Д. (1977) Метод определения диеновой конъюгации ненасыщенных высших жирных кислот. Современные методы в биохимии (под ред. В.Н. Ореховича) Медицина, Москва, стр. 63–64.

27. Стальная И.Д., Гаришвили Т.Г. (1977) Метод определения малонового диальдегида с помощью тиобарбитуровой кислоты. Современные методы в биохимии (под ред. В.Н. Ореховича) Медицина, Москва, стр. 66–68.

28. Bidlack, W.R., and Tappel, A.T. (1973) Fluorescent products of phospholipids during lipid peroxidation, Lipids, 8, 203–209.

29. Bligh, E., and Dyer, W. (1959) Rapid method of lipids extraction and purification, Can. J. Biochem. Physiol., 37, 911–917.

30. Юсупова Л.Б. (1989) О повышении точности определения активности глутатионредуктазы эритроцитов, Лаб. дело, 4, 19–21.

31. Ellman, Q.L. (1959) Tissue sulfhydryl groups, Arch. Biochem. Biophys., 82, 70–77.

32. Mannick, J.B., Schonho, C., Papeta, N., Ghafourifa, P., Szibor, M., Fang, K., and Gaston, B. (2001) S-Nitro-sylation of mitochondrial caspases, J. Cell Biol., 154, 1111–1116.

33. Tiwari, M., Sharma, L.K., Saxena, A.K., and Godbole, M.M. (2015) Interaction between mitochondria and caspases: apoptotic and non-apoptotic roles, Cell Biol., 3, 22–30.

34. Zhivotovsky, B, Samali, A., Gahm, A., and Orrenius, S. (1999) Caspases: their intracellular localization and translocation during apoptosis, Cell Death Differ., 6, 644–651.

35. Samali, A., Zhivotovsky, B., Jones, D.P., and Orrenius, S. (1998) Detection of pro-caspase-3 in cytosol and mitochondria of various tissues, FEBS Lett., 431, 167–169.

36. Яковлев А.А. (2016) Плейотропные протеазы в функционировании мозга: каспаза-3 и катепсин В: автореф. дис. д-ра биол. наук. ИВНД и НФ РАН, Москва.

37. Kaminsky, Yu.G., Kosenko, E.A., Venediktova, N.I., Felipo, V., and Montoliu, V. (2007) Apoptotic markers in the mitochondria, cytosol, and nuclei of brain cells during ammonia toxicity, Neurochem. J., 1, 78–85.

38. Kosenko, E., Poghosyan, A., and Kaminsky, Y. (2011) Subcellular compartmentalization of proteolytic enzymes in brain regions and the effects of chronic β-amyloid treatment, Brain Res., 1369, 184–193.

39. Liu, W., Wang, G., and Yakovlev, F.G. (2002) Identification and functional analysis of the rat caspase-3 gene promoter, J. Biol. Chem., 277, 8273–8278.

40. Terraneo, L., and Samaja, M. (2017) Comparative response of brain to chronic hypoxia and hyperoxia, Int. J. Mol. Sci., 18, 2–24.

41. Wright, C.J., and Dennery, P.A. (2009) Manipulation of gene expression by oxygen: aprimer from bedside to bench, Pediatr. Res., 66, 3–9.

42. Ryu, H., Lee, J., Zaman, K., Kubilis, J., Ferrante, R.J., Ross, B.D., Neve, R., and Ratan, R.R. (2003) Sp1 and Sp3 are oxidative stress-inducible, antideath transcription factors in cortical neurons, J. Neurosci., 23, 3597–3606.

43. Dasari, A., Bartholomew, J.N., Volonte, D., and Galbiati, F. (2006) Oxidative stress induces premature senescence by stimulating caveolin-1 gene transcription through p38 mitogen-activated protein kinase/Sp1-mediated activation of two GC-rich promoter elements, Cancer Res., 66, 10805–10814.

44. Vnukov, V.V., Gutsenko, O.I., Milyutina, N.P., Kornienko, I.V., Ananyan, A.A., Plotnikov, A.A., and Panina, S.B. (2017) SkQ1 regulates expression of Nrf2, ARE-controlled genes encoding antioxidant enzymes, and their activity in cerebral cortex under oxidative stress, Biochemistry (Moscow), 82, 942–952.

45. Niture, S.K., and Jaiswal, A.K. (2012) Nrf2 protein upregulates antiapoptotic protein Bcl-2 and prevents cellular apoptosis, J. Biol. Chem., 287, 9873–9886.

46. Niture, S.K., and Jaiswal, A.K. (2013) Nrf2-induced anti-apoptotic Bcl-xL protein enhances cell survival and drug resistance, Free Radic. Biol. Med., 57, 119–131.

47. Liang, H., Ran, Q., Jang, Y. C., Holstein, D., Lechleiter, J., McDonald-Marsh, T., Musatov, A., Song, W., Van Remmen, H., and Richardson, A. (2009) Glutathione peroxidase 4 differentially regulates the release of apoptogenic proteins from mitochondria, Free Radic. Biol. Med., 47, 312–320.

48. Yoo, S.-E., Chen, L., Na, R., Liu, Y., Rios, C., Van Remmen, H., Richardson, A., and Ran, Q. (2012) Gpx4 ablation in adult mice results in a lethal phenotype accompanied by neuronal loss in brain, Free Radic. Biol. Med., 52, 1820–1827.

49. Maguire, J.J., Tyurina, Yu.Y., Mohammadyani, D., Kapralov, A.A., Anthonymuthu, T.S., Qua, F., Amos- cato, A.A., Sparvero, L.J., Tyurin, V.A., Planas-Iglesias, J., He, R.-R., Klein-Seetharaman, J., Bayir, H., and Kagan, V.E. (2017) Known unknowns of cardiolipin signaling: the best is yet to come, Biochim. Biophys. Acta, 1862, 8–24.

50. Plotnikov, E.Y., Chupyrkina, A.A., Jankauskas, S.S., Pevzner, I.B., Silachev, D.N., Skulachev, V.P., and Zorov, D.B. (2011) Mechanisms of nephroprotective effect of mitochondria-targeted antioxidants under rhabdomyolysis and ischemia/reperfusion, Biochim. Biophys. Acta, 1812, 77–86.

51. Silachev, D.N., Isaev, N.K., Pevzner, I.B., Zorova, L.D., Stelmashook, E.V., Novikova, S.V., Plotnikov, E.Y., Skulachev, V.P., and Zorov, D.B. (2012) The Mitochondria-targeted antioxidants and remote kidney preconditioning ameliorate brain damage through kidney-to-brain crosstalk, PLoS One, 7, 1–11.

52. Sifringer, M., Brait, D., Weichelt, U., Zimmerman, G., Endesfelder, S., Brehmer, F., von Haefen, C., Friedman, A., Soreq, H., Bendix, I., Gerstner, B., and Felderhoff-Mueser, U. (2010) Erythropoietin attenuates hyperoxia-induced oxidative stress in the developing rat brain, Brain Behav.Immun., 24, 792–799.

53. Bailey, D.M., Lundby, C., Berg, R.M., Taudorf, S., Rahmouni, H., Gutowski, M., Mulholland, C.W., Sullivan, J.L., Swenson, E.R., McEneny, J., Young, I.S., Pedersen, B.K., Moller, K., Pietri, S., and Culcasi, M. (2014) On the antioxidant properties of erythropoietin and its association with the oxidative-nitrosative stress response to hypoxia in humans, Acta Physiol. (Oxf.), 212, 175–187.

54. Meng, H., Guo, J., Wang, H., Yan, P., Niu X., and Zhang J. (2014) Erythropoietin activates Keap1–Nrf2/ARE pathway in rat brain after ischemia, Int. J. Neurosci., 124, 362–368.

55. Wu, H., Zhao, J., Chen., M., Wang, H., Yao, Q., Fan, J., and Zhang, M. (2017) The anti-aging effect of erythropoietin via the ERK/Nrf2-Are pathway in aging rats, J. Mol. Neurosci., 61, 449–458.

56. Firsov, A.M., Kotova, E.A., Orlov, V.N., Antonenko, Y.N., and Skulachev, V.P. (2016) A mitochondria-targeted antioxidant can inhibit peroxidase activity of cytochrome c by detachment of the protein from liposomes, FEBS Lett., 590, 2836–2843.