БИОХИМИЯ, 2020, том 85, вып. 5, с. 706–717

УДК 577

Суперпродукция α-синуклеина в клетках нейробластомы приводит к накоплению тиофлавин S-позитивных агрегатов и уменьшению интенсивности гликолиза

© 2020 А.К. Мельникова 1*, Д.В. Поздышев 2, К.В. Баринова 2, С.С. Кудрявцева 1, В.И. Муронец 1,2

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, факультет биоинженерии и биоинформатики, 119234 Москва, Россия; электронная почта: alksmelnikova@gmail.com

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, 119234 Москва, Россия

Поступила в редакцию 17.02.2020
После доработки 13.03.2020
Принята к публикации 25.03.2020

DOI: 10.31857/S0320972520050097

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: α-синуклеин, глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, гликолиз, болезнь Паркинсона.

Аннотация

Важной особенностью синуклеинопатий, в том числе болезни Паркинсона, является ухудшение энергетического метаболизма пораженных клеток. Целью данной работы было изучение взаимосвязи накопления различных форм α-синуклеина с интенсивностью гликолиза. Нами были получены стабильные клеточные линии нейробластомы SH-SY5Y, продуцирующие α-синуклеин дикого типа и мутантный белок A53T, присутствующий у больных с наследственными формами болезни Паркинсона. Было показано, что суперпродукция двух типов α-синуклеина приводит к накоплению тиофлавин S-позитивных агрегатов. При этом количество агрегатов существенно выше при суперпродукции мутантной формы α-синуклеина A53T по сравнению с белком дикого типа. Изменения энергетического обмена, проявляющиеся в уменьшении накопления лактата и потреблении глюкозы, были обнаружены при суперпродукции двух форм α-синуклеина в стабильных клеточных линиях. Кроме того, снижение интенсивности гликолиза коррелировало со снижением активности глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы (ГАФД). Проведенные с выделенными белками эксперименты показали, что инактивация гликолитического фермента ГАФД происходит после его связывания с мономерными и олигомерными формами α-синуклеина. Таким образом, было показано, что одной из причин ухудшения энергетического обмена при синуклеинопатиях может быть уменьшение активности ГАФД, индуцированное ее взаимодействием с α-синуклеином.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках научного проекта № 18-34-00132.

Конфликт интересов

Авторы сообщают об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания выполненных авторами исследований с участием людей или использованием животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Schapira, A., Cooper, J., Dexter, D., Clark, J., Jenner, P., and Marsden, C. (1990) Mitochondrial complex I deficiency in Parkinson’s disease, J. Neurochem., 54, 823-827, doi: 10.1111/j.1471-4159.1990.tb02325.x.

2. Nakamura, K. (2013) α-Synuclein and mitochondria: partners in crime? Neurotherapeutics, 10, 391-9, doi: 10.1007/s13311-013-0182-9.

3. Henchcliffe, C., Shungu, D., Mao, X., Huang, C., Nirenberg, M., Jenkins, B., and Beal, M. (2008) Multinuclear magnetic resonance spectroscopy for in vivo assessment of mitochondrial dysfunction in Parkinson’s disease, Ann. N. Y. Acad. Sci., 1147, 206-220, doi: 10.1196/annals.1427.037.

4. Jiang, P., Gan, M., Ebrahim, A., Castanedes-casey, M., Dickson, D., and Yen, S. (2013) Adenosine monophosphate-activated protein kinase overactivation leads to accumulation of α-synuclein oligomers and decrease of neurites, Neurobiol. Aging, 34, 1504-1515, doi: 10.1016/j.neurobiolaging.2012.11.001.

5. Anandhan, A., Lei, S., Levytskyy, R., Pappa, A., Panayiotidis, M., Cerny, R., Khalimonchuk, O., Powers, R., and Franco, R. (2017) Glucose metabolism and AMPK signaling regulate dopaminergic cell death induced by gene (α-synuclein)–environment (paraquat) interactions, Mol. Neurobiol., 54, 3825-3842, doi: 10.1007/s12035-016-9906-2.

6. Anandhan, A., Jacome, M., Lei, S., Hernandez-Franco, P., Pappa, A., Panayiotidis, M., Powers, R., and Franco, R. (2017) Metabolic dysfunction in Parkinson’s disease: bioenergetics, redox homeostasis and central carbon metabolism, Brain Res. Bull., 133, 12-30, doi: 10.1016/j.brainresbull.2017.03.009.

7. Herrero-Mendez, A., Almeida, A., Fernández, E., Maestre, C., Moncada, S., and Bolaños, J. (2009) The bioenergetic and antioxidant status of neurons is controlled by continuous degradation of a key glycolytic enzyme by APC/C-Cdh1, Nat. Cell Biol., 11, 747-52, doi: 10.1038/ncb1881.

8. Dunn, L., Allen, G., Mamais, A., Ling, H., Li, A., Duberley, K., Hargreaves, I., Pope, S., Holton, J., Lees, A., Heales, S., and Bandopadhyay, R. (2014) Dysregulation of glucose metabolism is an early event in sporadic Parkinson’s disease, Neurobiol. Aging, 35, 1111-1115, doi: 10.1016/j.neurobiolaging.2013.11.001.

9. Polymeropoulos, M., Lavedan, C., Leroy, E., Ide, S., Dehejia, A., Dutra, A., Pike, B., Root, H., Rubenstein, J., Boyer, R., Stenroos, E., Chandrasekharappa, S., Athanassiadou, A., Papapetropoulos, T., Johnson, W., Lazzarini, A., Duvoisin, R., Iorio, G., Golbe, L., and Nussbaum, R. (1997) Mutation in the alpha-synuclein gene identified in families with Parkinson’s disease, Science, 276, 2045-2047, doi: 10.1126/science.276.5321.2045.

10. Krüger, R., Kuhn, W., Müller, T., Woitalla, D., Graeber, M., Kösel, S., Przuntek, H., Epplen, J., Schöls, L., and Riess, O. (1998) Ala30Pro mutation in the gene encoding alpha-synuclein in Parkinson’s disease, Nat. Genet., 18, 106-108, doi: 10.1038/ng0298-106.

11. Zarranz, J., Alegre, J., Gómez-Esteban, J., Lezcano, E., Ros, R., Ampuero, I., Vidal, L., Hoenicka, J., Rodriguez, O., Atarés, B., Llorens, V., Tortosa, E., Ser, T., Muñoz, D., and Yebenes, J. (2004 ) The new mutation, E46K, of alpha-synuclein causes Parkinson and Lewy body dementia. Ann. Neurol., 55, 164-173, doi: 10.1002/ana.10795.

12. Chartier-Harlin, M.-C., Kachergus, J., Roumier, C., Mouroux, V., Douay, X., Lincoln, S., Levecque, C., Larvor, L., Andrieux, J., Hulihan, M., Waucquier, N., Defebvre, L., Amouyel, P., Farrer, M., and Destée A. (2004) Alpha-synuclein locus duplication as a cause of familial Parkinson’s disease, Lancet (London, England), 364, 1167-1169, doi: 10.1016/S0140-6736(04)17103-1.

13. Singleton, A. B., Farrer, M., Johnson, J., Singleton, A., Hague, S., Kachergus, J., Hulihan, M., Peuralinna, T., Dutra, A., Nussbaum, R., Lincoln, S., Crawley, A., Hanson, M., Maraganore, D., Adler, C., Cookson, M., Muenter, M., Baptista, M., Miller, D., Blancato, J., Hardy, J., and Gwinn-Hardy, K. (2003) Alpha-synuclein locus triplication causes Parkinson’s disease, Science, 302, 841, doi: 10.1126/science.1090278.

14. Shalova, I., Cechalova, K., Rehakova, Z., Dimitrova, P., Ognibene, E., Caprioli, A., Schmalhausen, E., Muronetz, V., and Saso, L. (2007) Decrease of dehydrogenase activity of cerebral glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase in different animal models of Alzheimer’s disease, Biochim. Biophys. Acta, 1770, 826-832, doi: 10.1016/j.bbagen.2007.01.014.

15. Mazzola, J., and Sirover, M. (2001) Reduction of glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase activity in Alzheimer’s disease and in Huntington’s disease fibroblasts, J. Neurochem., 76, 442-449, doi: 10.1046/j.1471-4159.2001.00033.x.

16. Tatton, N. (2000) Increased caspase 3 and Bax immunoreactivity accompany nuclear GAPDH translocation and neuronal apoptosis in Parkinson’s disease, Exp. Neurol., 166, 29-43, doi: 10.1006/exnr.2000.7489.

17. Tsuchiya, K., Tajima, H., Kuwae, T., Takeshima, T., Nakano, T., Tanaka, M., Sunaga, K., Fukuhara, Y., Nakashima, K., Ohama, E., Mochizuki, H., Mizuno, Y., Katsube, N., and Ishitani, R. (2005) Pro-apoptotic protein glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase promotes the formation of Lewy body-like inclusions, Eur. J. Neurosci., 21, 317-326, doi: 10.1111/j.1460-9568.2005.03870.x.

18. Barinova, K., Khomyakova, E., Semenyuk, P., Schmalhausen, E., and Muronetz, V. (2018) Binding of alpha-synuclein to partially oxidized glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase induces subsequent inactivation of the enzyme, Arch. Biochem. Biophys., 642, 10-22, doi: 10.1016/j.abb.2018.02.002.

19. Barinova, K., Kuravsky, M., Arutyunyan, A., Serebryakova, M., Schmalhausen, E., and Muronetz, V. (2017) Dimerization of Tyr136Cys alpha-synuclein prevents amyloid transformation of wild-type alpha-synuclein, Int. J. Biol. Macromol., 96, 35-43, doi: 10.1016/j.ijbiomac.2016.12.011.

20. Bradford, M. (1976) A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding, Anal. Biochem., 72, 248-254, doi: 10.1006/abio.1976.9999.

21. Danshina, P., Schmalhausen, E., Avetisyan, A., and Muronetz, V. (2001) Mildly oxidized glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase as a possible regulator of glycolysis, IUBMB Life, 51, 309-314, doi: 10.1080/152165401317190824.

22. Barinova, K., Eldarov, M., Khomyakova, E., Muronetz, V., and Schmalhausen, E. (2017) Isolation of recombinant human untagged glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase from E. coli producer strain, Protein Expr. Purif., 137, 1-6, doi: 10.1016/j.pep.2017.06.009.

23. Lee, B., and Kamitani, T. (2019) Improved immunodetection of endogenous α-synuclein, PLoS One, 6, e23939, doi: 10.1371/journal.pone.0023939.

24. Medvedeva, M., Barinova, K., Melnikova, A., Semenyuk, P., Kolmogorov, V., Gorelkin, P., Erofeev, A., and Muronetz, V. (2020) Naturally occurring cinnamic acid derivatives prevent amyloid transformation of alpha-synuclein, Biochimie, 170, 128-139, doi: 10.1016/j.biochi.2020.01.004.

25. Liu, Z., Yu, Y., Li, X., Ross, C., and Smith, W. (2011) Curcumin protects against A53T alpha-synuclein-induced toxicity in a PC12 inducible cell model for Parkinsonism, Pharmacol. Res., 63, 439-444, doi: 10.1016/j.phrs.2011.01.004.

26. Mishizen, A. J., Lynch, D. R., Nakashima, A., Nagatsu, T., Giasson, B. I., Ota, A., Thomas, S. A., Mazzulli, J. R., and Ischiropoulos, H. (2006) Cytosolic catechols inhibit α-synuclein aggregation and facilitate the formation of intracellular soluble oligomeric intermediates, J. Neurosci., 26, 10068-78, doi: 10.1523/jneurosci.0896-06.2006.

27. Marmolino, D., Foerch, P., Atienzar, F., Staelens, L., Michel, A., and Scheller, D. (2016) Alpha-synuclein dimers and oligomers are increased in overexpressing conditions in vitro and in vivo, Mol. Cell. Neurosci., 71, 92-101, doi: 10.1016/J.MCN.2015.12.012.

28. Burré, J., Vivona, S., Diao, J., Sharma, M., Brunger, A., and Südhof, T. (2013) Properties of native brain α-synuclein, Nature, 498, 1-6, doi: 10.1038/nature12125.