БИОХИМИЯ, 2020, том 85, вып. 1, с. 34–48

УДК 577.1

Регуляция малатдегидрогеназ и глутаматдегидрогеназы мозга животных тиамином in vitro и in vivo*

© 2020 О.А. Меженская 1, В.А. Алешин 2,3, Т. Кэне 4, А.В. Артюхов 2,3, В.И. Буник 2,3**,***

Институт биохимии им. А.В. Палладина НАНУ, 01601 Киев, Украина

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, факультет биоинженерии и биоинформатики, 119991 Москва, Россия; электронная почта: bunik@belozersky.msu.ru

НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119991 Москва, Россия

Институт экспериментальной медицины Университета им. Отто фон Гюрике, 39120 Магдебург, Германия

Поступила в редакцию 05.08.2019
После доработки 24.09.2019
Принята к публикации 24.09.2019

DOI: 10.31857/S0320972520010030

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: тиамин, малатдегидрогеназа, глутаматдегидрогеназа, тиамин-сефароза, фосфобелок, ацетилирование, метилирование.

Аннотация

Для исследования механизмов некоферментного взаимодействия тиамина и его дифосфата (ТДФ) с белками мозга ацетоновый экстракт синаптосом мозга быка или гомогенат коры мозга крысы подвергали аффинной хроматографии на модифицированной тиамином сефарозе (тиамин-сефарозе). В последовательных элюатах тиамином (при рН 7,4 или 5,6), хлоридом натрия и мочевиной характеризовали представленность глутаматдегидрогеназы (ГДГ) и изоферментов малатдегидрогеназ (МДГ) методом масс-спектрометрии, а также изменение активностей данных ферментов в присутствии тиамина и/или ТДФ. Активация малатдегидрогеназной реакции тиамином максимальна после элюции белков синаптосомальной фракции кислым раствором тиамина, не приводящей к высвобождению МДГ1. Влияние экзогенного тиамина или ТДФ на активность ГДГ зависит от присутствия эндогенных регуляторов фермента. Так, тиамин и/или ТДФ активируют ГДГ мозга в элюатах с тиамин-сефарозы, но ингибируют фермент в наносимых на тиамин-сефарозу препаратах. Установлено, что ТДФ ингибирует ГДГ, активированную ADP. Активация ГДГ тиамином (но не ТДФ) снижена при ее элюции NaCl и мочевиной после применения кислого раствора тиамина по сравнению с аналогичными фракциями после элюции слабощелочным раствором тиамина. Одновременное повышение содержания МДГ2 и общей активности ГДГ в данных фракциях свидетельствует о роли известного взаимодействия ГДГ с МДГ2 в стабилизации активности ГДГ и регуляции ГДГ тиамином. Биологический потенциал регуляции ГДГ мозга тиамином подтвержден в экспериментах in vivo, установивших изменение регуляторных свойств ГДГ мозга после введения крысам высокой дозы тиамина. Биоинформатический анализ наборов элюируемых тиамином с тиамин-сефарозы белков показал специфическое обогащение их аннотации терминами «фосфобелок», «ацетилирование» и «метилирование». Связь тиамина с посттрансляционными модификациями в мозге может вносить вклад в механизмы нейропротекторного действия высоких доз тиамина, включающие регуляцию окисления основного возбуждающего нейромедиатора мозга — глутамата.

Сноски

* Статья посвящается 80-летию кафедры биохимии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова (см. том 84, вып. 11, 2019).

** Автор является выпускником кафедры биохимии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

*** Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа О.А. Меженской, аспирантки Института биохимии им. А.В. Палладина НАНУ (Киев, Украина) (экспериментальные результаты, представленные на рис. 1, 2, 4 и в табл. 1–3 за исключением данных масс-спектрометрии), по данному проекту, выполняемому в МГУ им. М.В. Ломоносова, была поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (грант № 15-34-50124) в числе работ, проводимых молодыми учеными под руководством кандидатов и докторов наук в научных организациях Российской Федерации. Эксперименты, представленные на рис. 3 и 5, анализ (в т.ч. биоинформатический) результатов аффинной хроматографии в сочетании с данными масс-спектрометрии и подготовка публикации к печати проведены в рамках выполнения проекта, финансируемого Российским научным фондом (грант № 18-14-00116).

Благодарности

Авторы выражают благодарность к.б.н. А.В. Граф и к.б.н. М.В. Масловой (МГУ им. М.В. Ломоносова) за предоставление образцов мозга крыс, использованных в данном исследовании.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Все применимые международные, национальные и/или институциональные принципы ухода и использования животных были соблюдены. В частности, все эксперименты с животными проводили с соблюдением этических норм согласно «Правилам проведения работ с использованием экспериментальных животных», утвержденным директивой Евросоюза 2010/63/EU. Эксперименты были одобрены Комиссией по биоэтике МГУ им. М.В. Ломоносова.

Список литературы

1. Frank, L.L. (2015) Thiamin in clinical practice, JPEN J. Parenter. Enteral. Nutr., 39, 503–520, doi: 10.1177/0148607114565245.

2. Tylicki, A., Lotowski, Z., Siemieniuk, M., and Ratkiewicz, A. (2018) Thiamine and selected thiamine antivitamins – biological activity and methods of synthesis, Biosci. Rep., 38, BSR20171148, doi: 10.1042/BSR20171148.

3. Pavlovic, D.M. (2019) Thiamine deficiency and benfotiamine therapy in brain diseases, Am. J. Biomed. Sci. Res., 3, 1–5, doi: 10.34297/AJBSR.2019.03.000621.

4. Bunik, V.I., and Aleshin, V.A. (2017) Analysis of the protein binding sites for thiamin and its derivatives to elucidate molecular mechanisms of the non-coenzyme action of thiamin (vitamin B1), Studies in Natural Products Chemistry, 53, 375–429, doi: 10.1016/B978-0-444-63930-1.00011-9.

5. Aleshin, V.A., Mkrtchyan, G.V., and Bunik, V.I. (2019) Mechanisms of the non-coenzyme action of thiamine: protein targets and medical implications, Biochemistry (Moscow), 84, 1051–1075, doi: 10.1134/S0006297919080017.

6. Mkrtchyan, G., Aleshin, V., Parkhomenko, Y., Kaehne, T., Luigi Di Salvo, M., Parroni, A., Contestabile, R., Vovk, A., Bettendorff, L., and Bunik, V. (2015) Molecular mechanisms of the non-coenzyme action of thiamin in brain: biochemical, structural and pathway analysis, Sci. Rep., 5, 12583, doi: 10.1038/srep12583.

7. Tsepkova, P.M., Artiukhov, A.V., Boyko, A.I., Aleshin, V.A., Mkrtchyan, G.V., Zvyagintseva, M.A., Ryabov, S.I., Ksenofontov, A.L., Baratova, L.A., Graf, A.V., and Bunik, V.I. (2017) Thiamine induces long-term changes in amino acid profiles and activities of 2-oxoglutarate and 2-oxoadipate dehydrogenases in rat brain, Biochemistry (Moscow), 82, 723–736, doi: 10.1134/S0006297917060098.

8. He, X., and Zhang, J. (2006) Toward a molecular understanding of pleiotropy, Genetics, 173, 1885–1891, doi: 10.1534/genetics.106.060269.

9. Morales-Gonzalez, J.A., Madrigal-Santillan, E., Morales-Gonzalez, A., Bautista, M., Gayosso-Islas, E., and Sanchez-Moreno, C. (2015) What is known regarding the participation of factor Nrf-2 in liver regeneration? Cells, 4, 169–177, doi: 10.3390/cells4020169.

10. Muller, S. (2017) DNA damage-inducing compounds: unraveling their pleiotropic effects using high throughput sequencing, Curr. Med. Chem., 24, 1558–1585, doi: 10.2174/0929867324666170124143710.

11. Leeuw, E.P.H., Lee, S.H., Kim, W.H., Kwasny, S.M., Opperman, T.J., and Lillehoj, H.S. (2018) Pleiotropic anti-infective effects of defensin-derived antimicrobial compounds, Avian Dis., 62, 381–387, doi: 10.1637/11912-061118-Reg.1.

12. Gomes, M.B., and Negrato, C.A. (2014) Alpha-lipoic acid as a pleiotropic compound with potential therapeutic use in diabetes and other chronic diseases, Diabetol. Metab. Syndr., 6, 80, doi: 10.1186/1758-5996-6-80.

13. Turner, P.V., Pekow, C., Vasbinder, M.A., and Brabb, T. (2011) Administration of substances to laboratory animals: equipment considerations, vehicle selection, and solute preparation, J. Am. Assoc. Lab. Anim. Sci., 50, 614–627.

14. Postoyenko, V.A., Parkhomenko, Y.M., Vovk, A.I., Khalmuradov, A.G., and Donchenko, G.V. (1987) Isolation and some properties of thiamine-binding protein from the rat brain synaptosomes, Biokhimiia, 52, 1792–1797.

15. Graf, A., Kabysheva, M., Klimuk, E., Trofimova, L., Dunaeva, T., Zundorf, G., Kahlert, S., Reiser, G., Storozhevykh, T., Pinelis, V., Sokolova, N., and Bunik, V. (2009) Role of 2-oxoglutarate dehydrogenase in brain pathologies involving glutamate neurotoxicity, J. Mol. Catal. B Enzym., 61, 80–87, doi: 10.1016/j.molcatb.2009.02.016.

16. Klyashchitsky, B.A., Pozdnev, V.F., Mitina, V.K., Voskoboev, A.I., and Chernikevich, I.P. (1980) Isolation and purification of biopolymers by biospecific affinity chromatography. V. Affinity chromatography of pyruvate decarboxylase from brewer’s yeast, Russ. J. Bioorg. Chem., 6, 1572–1579.

17. Lowry, O.H., Rosebrough, N.J., Farr, A.L., and Randall, R.J. (1951) Protein measurement with the Folin phenol reagent, J. Biol. Chem., 193, 265–275.

18. Bunik, V., Kaehne, T., Degtyarev, D., Shcherbakova, T., and Reiser, G. (2008) Novel isoenzyme of 2-oxoglutarate dehydrogenase is identified in brain, but not in heart, FEBS J., 275, 4990–5006, doi: 10.1111/j.1742-4658.2008.06632.x.

19. MacLean, B., Tomazela, D.M., Shulman, N., Chambers, M., Finney, G.L., Frewen, B., Kern, R., Tabb, D.L., Liebler, D.C., and MacCoss, M.J. (2010) Skyline: an open source document editor for creating and analyzing targeted proteomics experiments, Bioinformatics, 26, 966–968, doi: 10.1093/bioinformatics/btq054.

20. Wood, D.C., Jurgensen, S.R., Geesin, J.C., and Harrison, J.H. (1981) Subunit interactions in mitochondrial malate dehydrogenase. Kinetics and mechanism of reassociation, J. Biol. Chem., 256, 2377–2382.

21. Bleile, D.M., Schulz, R.A., Harrison, J.H., and Gregory, E.M. (1977) Investigation of the subunit interactions in malate dehydrogenase, J. Biol. Chem., 252, 755–758.

22. Fahien, L.A., Kmiotek, E., and Smith, L. (1979) Glutamate dehydrogenase–malate dehydrogenase complex, Arch. Biochem. Biophys., 192, 33–46, doi: 10.1016/0003-9861(79)90069-9.

23. Fahien, L.A., Kmiotek, E.H., MacDonald, M.J., Fibich, B., and Mandic, M. (1988) Regulation of malate dehydrogenase activity by glutamate, citrate, alpha-ketoglutarate, and multienzyme interaction, J. Biol. Chem., 263, 10687–10697.

24. Fahien, L.A., MacDonald, M.J., Teller, J.K., Fibich, B., and Fahien, C.M. (1989) Kinetic advantages of heteroenzyme complexes with glutamate dehydrogenase and the alpha-ketoglutarate dehydrogenase complex, J. Biol. Chem., 264, 12303–12312.

25. Bunik, V., Artiukhov, A., Aleshin, V., and Mkrtchyan, G. (2016) Multiple forms of glutamate dehydrogenase in animals: structural determinants and physiological implications, Biology (Basel), 5, 53, doi: 10.3390/biology5040053.