БИОХИМИЯ, 2021, том 86, вып. 2, с. 147–157

УДК 576.08/612.115.35/54-39

Использование конъюгированного с флуоресцентной меткой аптамера ARC1779 для оценки влияния Н2О2 на экзоцитоз фактора Виллебранда*

© 2021 П.П. Авдонин 1, С.К. Труфанов 1, А.А. Цитрина 1, Е.Ю. Рыбакова 1, Н.В. Гончаров 2,3, П.В. Авдонин 1**pvavdonin@yandex.ru

1 Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН, 119334 Москва, Россия

2 Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН, 194223 Санкт-Петербург, Россия

3 НИИ гигиены, профпатологии и экологии человека ФМБА России, 188663 пос. Кузьмоловский, Ленинградская обл., Россия

Поступила в редакцию 05.06.2020
После доработки 15.10.2020
Принята к публикации 15.10.2020

DOI: 10.31857/S0320972521020019

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: фактор Виллебранда, аптамеры, пероксид водорода, эндотелиальные клетки, секреция.

Статья на английском языке опубликована в режиме Open Access (открытого доступа) на сайте издательства Springer. DOI: 10.1134/S0006297921020012.

Аннотация

Предложен новый подход для количественного определения экспонированного на поверхности эндотелиальных клеток (ЭК) фактора Виллебранда (ФВ) с использованием аптамера ARC1779, взаимодействующего с доменом А1 в структуре ФВ. Для визуализации образующегося комплекса ФВ с аптамером к молекуле последнего была присоединена флуоресцентная метка Cy5. Культивируемые ЭК из пупочной вены человека прижизненно окрашивали конъюгатом ARC1779-Cy5, и снимали изображение с помощью флуоресцентного микроскопа. Анализ изображения проводили с помощью программы CellProfiler. Мультимерные комплексы ФВ, секретируемые тельцами Вейбеля–Паладе, при окраске конъюгатом ARC1779-Cy5 видны под микроскопом как яркие точечные структуры округлой и неправильной формы. Число этих структур многократно увеличивается при воздействии на ЭК активаторов секреции ФВ, гистамина и тромбина. Кроме того, ARC1779-Cy5 выявляет на поверхности активированных ЭК гигантские мультимеры ФВ, развёрнутые в виде длинных нитей. Секрецию ФВ в ЭК активируют вторичные мессенджеры – cAMP и Ca2+. Есть свидетельства, что пероксид водорода в ЭК также выполняет функцию вторичного мессенджера. Кроме того, в ЭК поступает экзогенный Н2О2, образующийся в лейкоцитах. Задачей работы было, используя предложенный метод, определить, какое влияние Н2О2 оказывает на экспрессию ФВ на поверхности ЭК. Показано, что пероксид водорода при концентрации 100 мкМ (ниже цитотоксической) в несколько раз увеличивает количество экспонированных на плазматической мембране точечных структур ФВ. Полученные данные свидетельствуют о роли Н2О2 в качестве посредника, активирующего экзоцитоз телец Вейбеля–Паладе и секрецию ФВ в эндотелии сосудов при воспалении и при индукции образования эндогенных активных форм кислорода в ЭК.

Текст статьи

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

captcha

Сноски

* Статья на английском языке опубликована в режиме Open Access (открытого доступа) на сайте издательства Springer (https://link.springer.com/journal/10541), том 86, вып. 2, 2021.

** Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 18-15-00417), а также в рамках госзадания № 0088-2021-0008 с использованием оборудования ЦКП ИБР им. Н.К. Кольцова РАН.

Конфликт интересов

Авторы подтверждают отсутствие конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Все процедуры, выполненные в исследовании с участием людей, соответствуют этическим стандартам институционального и национального комитета по исследовательской этике и Хельсинкской декларации 1964 года и ее последующим изменениям или сопоставимым нормам этики.

Список литературы

1. Langmead, C. J., and Summers, R. J. (2018) Molecular pharmacology of GPCRs, Br. J. Pharmacol., 175, 4005-4008, doi: 10.1111/bph.14474.

2. Sriram, K., and Insel, P. A. (2018) G protein-coupled receptors as targets for approved drugs: how many targets and how many drugs? Mol. Pharmacol., 93, 251-258, doi: 10.1124/mol.117.111062.

3. Deyev, S. M., and Lebedenko, E. N. (2015) Supramolecular agents for theranostics, Russ. J. Bioorg. Khim., 41, 481-493, doi: 10.1134/s1068162015050052.

4. Ellington, A. D., and Szostak, J. W. (1990) In vitro selection of RNA molecules that bind specific ligands, Nature, 346, 818-822, doi: 10.1038/346818a0.

5. Tuerk, C., and Gold, L. (1990) Systematic evolution of ligands by exponential enrichment: RNA ligands to bacteriophage T4 DNA polymerase, Science, 249, 505-510, doi: 10.1126/science.2200121.

6. Wang, J., and Li, G. (2011) Aptamers against cell surface receptors: selection, modification and application, Curr. Med. Chem., 18, 4107-4116, doi: 10.2174/092986711797189628.

7. Spiridonova, V. A., Novikova, T. M., Sizov, V. A., Shashkovskaya, V. S., Titaeva, E. V., Dobrovolsky, A. B., Zharikova, E. B., and Mazurov, A. V. (2019) DNA aptamers to thrombin exosite I. Structure-function relationships and antithrombotic effects, Biochemistry (Moscow), 84, 1521-1528, doi: 10.1134/S0006297919120113.

8. Rahimizadeh, K., Al Shamaileh, H., Fratini, M., Chakravarthy, M., Stephen, M., Shigdar, S., and Veedu, R. N. (2017) Development of cell-specific aptamers: recent advances and insight into the selection procedures, Molecules, 22, 2070, doi: 10.3390/molecules22122070.

9. Zhuo, Z., Yu, Y., Wang, M., Li, J., Zhang, Z., et al. (2017) Recent advances in SELEX technology and aptamer applications in biomedicine, Int. J. Mol. Sci., 18, 2142, doi: 10.3390/ijms18102142.

10. Zhang, Y., Lai, B. S., and Juhas, M. (2019) Recent advances in aptamer discovery and applications, Molecules, 24, 941, doi: 10.3390/molecules24050941.

11. Bauer, M., Macdonald, J., Henri, J., Duan, W., and Shigdar, S. (2016) The application of aptamers for immunohistochemistry, Nucleic Acid Ther., 26, 120-126, doi: 10.1089/nat.2015.0569.

12. Zhang, P., Zhao, N., Zeng, Z., Feng, Y., Tung, C. H., Chang, C. C., and Zu, Y. (2009) Using an RNA aptamer probe for flow cytometry detection of CD30-expressing lymphoma cells, Lab. Invest., 89, 1423-1432, doi: 10.1038/labinvest.2009.113.

13. Sadler, J. E. (1998) Biochemistry and genetics of von Willebrand factor, Annu. Rev. Biochem., 67, 395-424, doi: 10.1146/annurev.biochem.67.1.395.

14. Duggan, S. (2018) Caplacizumab: first global approval, Drugs, 78, 1639-1642, doi: 10.1007/s40265-018-0989-0.

15. Bae, O. N. (2012) Targeting von Willebrand factor as a novel anti-platelet therapy; application of ARC1779,an anti-vWF aptamer, against thrombotic risk, Arch. Pharm. Res., 35, 1693-1699, doi: 10.1007/s12272-012-1000-3.

16. Jilma-Stohlawetz, P., Knobl, P., Gilbert, J. C., and Jilma, B. (2012) The anti-von Willebrand factor aptamer ARC1779 increases von Willebrand factor levels and platelet counts in patients with type 2B von Willebrand disease, Thromb. Haemost., 108, 284-290, doi: 10.1160/TH11-12-0889.

17. Sakai, K., Someya, T., Harada, K., Yagi, H., Matsui, T., and Matsumoto, M. (2019) Novel aptamer to von Willebrand factor A1 domain (TAGX-0004) shows total inhibition of thrombus formation superior to ARC1779 and comparable to caplacizumab, Haematologica, 105, 2631-2638, doi: 10.3324/haematol.2019.235549.

18. Matsunaga, K. I., Kimoto, M., and Hirao, I. (2017) High-Affinity DNA aptamer generation targeting von Willebrand factor A1-domain by genetic alphabet expansion for systematic evolution of ligands by exponential enrichment using two types of libraries composed of five different bases, J. Am. Chem. Soc., 139, 324-334, doi: 10.1021/jacs.6b10767.

19. Valentijn, K. M., van Driel, L. F., Mourik, M. J., Hendriks, G. J., Arends, T. J., Koster, A. J., and Valentijn, J. A. (2010) Multigranular exocytosis of Weibel–Palade bodies in vascular endothelial cells, Blood, 116, 1807-1816, doi: 10.1182/blood-2010-03-274209.

20. Kovacevic, K. D., Buchtele, N., Schoergenhofer, C., Derhaschnig, U., Gelbenegger, G., Brostjan, C., Zhu, S., Gilbert, J. C., and Jilma, B. (2020) The aptamer BT200 effectively inhibits von Willebrand factor (VWF) dependent platelet function after stimulated VWF release by desmopressin or endotoxin, Sci. Rep., 10, 11180, doi: 10.1038/s41598-020-68125-9.

21. Nimjee, S. M., Dornbos, D., 3rd, Pitoc, G. A., Wheeler, D. G., Layzer, J. M., et al. (2019) Preclinical development of a vWF aptamer to limit thrombosis and engender arterial recanalization of occluded vessels, Mol. Ther., 27, 1228-1241, doi: 10.1016/j.ymthe.2019.03.016.

22. Goncharov, N. V., Sakharov, I., Danilov, S. M., and Sakandelidze, O. G. (1987) Use of collagenase from the hepatopancreas of the Kamchatka crab for isolating and culturing endothelial cells of the large vessels in man, Bull. Eksp. Biol. Med., 104, 376-378.

23. Maciag, T., Cerundolo, J., Ilsley, S., Kelley, P. R., and Forand, R. (1979) An endothelial cell growth factor from bovine hypothalamus: identification and partial characterization, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 76, 5674-5678, doi: 10.1073/pnas.76.11.5674.

24. Kudryavtsev, I. V., Garnyuk, V. V., Nadeev, A. D., and Goncharov, N. V. (2014) Hydrogen peroxide modulates expression of surface antigens by human umbilical vein endothelial cells in vitro, Biochemistry (Moscow) Supp. Ser. A Membr. Cell Biol., 8, 97-102, doi: 10.1134/S1990747813050103.

25. Bray, M. A., Vokes, M. S., and Carpenter, A. E. (2015) Using CellProfiler for automatic identification and measurement of biological objects in images, Curr. Protoc. Mol. Biol., 109, 1-18, doi: 10.1002/0471142727.mb1417s109.

26. Avdonin, P. V., Tsitrina, A. A., Mironova, G. Y., Avdonin, P. P., Zharkikh, I. L., Nadeev, A. D., and Goncharov, N. V. (2017) Hydrogen peroxide stimulates exocytosis of von Willebrand factor in human umbilical vein endothelial cells, Biol. Bull., 44, 531-537, doi: 10.1134/s106235901705003x.

27. Hattori, R., Hamilton, K. K., Fugate, R. D., McEver, R. P., and Sims, P. J. (1989) Stimulated secretion of endothelial von Willebrand factor is accompanied by rapid redistribution to the cell surface of the intracellular granule membrane protein GMP-140, J. Biol. Chem., 264, 7768-7771.

28. Kaufmann, J. E., Oksche, A., Wollheim, C. B., Gunther, G., Rosenthal, W., and Vischer, U. M. (2000) Vasopressin-induced von Willebrand factor secretion from endothelial cells involves V2 receptors and cAMP, J. Clin. Invest., 106, 107-116, doi: 10.1172/JCI9516.

29. Esposito, B., Gambara, G., Lewis, A. M., Palombi, F., D’Alessio, A., et al. (2011) NAADP links histamine H1 receptors to secretion of von Willebrand factor in human endothelial cells, Blood, 117, 4968-4977, doi: 10.1182/blood-2010-02-266338.

30. Schluter, T., and Bohnensack, R. (1999) Serotonin-induced secretion of von Willebrand factor from human umbilical vein endothelial cells via the cyclic AMP-signaling systems independent of increased cytoplasmic calcium concentration, Biochem. Pharmacol., 57, 1191-1197.

31. Vischer, U. M., and Wollheim, C. B. (1997) Epinephrine induces von Willebrand factor release from cultured endothelial cells: involvement of cyclic AMP-dependent signalling in exocytosis, Thromb. Haemost., 77, 1182-1188.

32. Vischer, U. M., and Wollheim, C. B. (1998) Purine nucleotides induce regulated secretion of von Willebrand factor: involvement of cytosolic Ca2+ and cyclic adenosine monophosphate-dependent signaling in endothelial exocytosis, Blood, 91, 118-127.

33. Matsushita, K., Yamakuchi, M., Morrell, C. N., Ozaki, M., O’Rourke, B., Irani, K., and Lowenstein, C. J. (2005) Vascular endothelial growth factor regulation of Weibel–Palade-body exocytosis, Blood, 105, 207-214, doi: 10.1182/blood-2004-04-1519.

34. Bernardo, A., Ball, C., Nolasco, L., Moake, J. F., and Dong, J. F. (2004) Effects of inflammatory cytokines on the release and cleavage of the endothelial cell-derived ultralarge von Willebrand factor multimers under flow, Blood, 104, 100-106, doi: 10.1182/blood-2004-01-0107.

35. Vischer, U. M. (2006) Von Willebrand factor, endothelial dysfunction, and cardiovascular disease, J. Thromb. Haemost., 4, 1186-1193, doi: 10.1111/j.1538-7836.2006.01949.x.

36. Breton-Romero, R., and Lamas, S. (2014) Hydrogen peroxide signaling in vascular endothelial cells, Redox Biol., 2, 529-534, doi: 10.1016/j.redox.2014.02.005.

37. Rhee, S. G., Kang, S. W., Jeong, W., Chang, T. S., Yang, K. S., and Woo, H. A. (2005) Intracellular messenger function of hydrogen peroxide and its regulation by peroxiredoxins, Curr. Opin. Cell Biol., 17, 183-189, doi: 10.1016/j.ceb.2005.02.004.

38. Avdonin, P. V., Nadeev, A. D., Mironova, G. Y., Zharkikh, I. L., Avdonin, P. P., and Goncharov, N. V. (2019) Enhancement by hydrogen peroxide of calcium signals in endothelial cells induced by 5-HT1B and 5-HT2B receptor agonists, Oxid. Med. Cell. Longev., 2019, 1701478, doi: 10.1155/2019/1701478.

39. Avdonin, P. V., Nadeev, A. D., Tsitrin, E. B., Tsitrina, A. A., Avdonin, P. P., Mironova, G. Y., Zharkikh, I. L., and Goncharov, N. V. (2017) Involvement of two-pore channels in hydrogen peroxide-induced increase in the level of calcium ions in the cytoplasm of human umbilical vein endothelial cells, Dokl. Biochem. Biophys., 474, 209-212, doi: 10.1134/S1607672917030152.

40. Vischer, U. M., Jornot, L., Wollheim, C. B., and Theler, J. M. (1995) Reactive oxygen intermediates induce regulated secretion of von Willebrand factor from cultured human vascular endothelial cells, Blood, 85, 3164-3172.

41. Yang, S., Zheng, Y., and Hou, X. (2019) Lipoxin A4 restores oxidative stress-induced vascular endothelial cell injury and thrombosis-related factor expression by its receptor-mediated activation of Nrf2-HO-1 axis, Cell. Signal., 60, 146-153, doi: 10.1016/j.cellsig.2019.05.002.

42. Mourik, M. J., Valentijn, J. A., Voorberg, J., Koster, A. J., Valentijn, K. M., and Eikenboom, J. (2013) Von Willebrand factor remodeling during exocytosis from vascular endothelial cells, J. Thromb. Haemost., 11, 2009-2019, doi: 10.1111/jth.12401.

43. Zhu, S., Gilbert, J. C., Hatala, P., Harvey, W., Liang, Z., Gao, S., Kang, D., and Jilma, B. (2020) The development and characterization of a long acting anti-thrombotic von Willebrand factor (VWF) aptamer, J. Thromb. Haemost., 18, 1113-1123, doi: 10.1111/jth.14755.

44. Shappell, S. B., Toman, C., Anderson, D. C., Taylor, A. A., Entman, M. L., and Smith, C. W. (1990) Mac-1 (CD11b/CD18) mediates adherence-dependent hydrogen peroxide production by human and canine neutrophils, J. Immunol., 144, 2702-2711.

45. Jones, D. P. (2008) Radical-free biology of oxidative stress, Am. J. Physiol. Cell. Physiol., 295, C849-C868, doi: 10.1152/ajpcell.00283.2008.

46. Forman, H. J., Bernardo, A., and Davies, K. J. (2016) What is the concentration of hydrogen peroxide in blood and plasma? Arch. Biochem. Biophys., 603, 48-53, doi: 10.1016/j.abb.2016.05.005.

47. Varma, S. D., and Devamanoharan, P. S. (1991) Hydrogen peroxide in human blood, Free Radic. Res. Commun., 14, 125-131, doi: 10.3109/10715769109094124.

48. Nadeev, A. D., Kudryavtsev, I. V., Serebriakova, M. K., Avdonin, P. V., Zinchenko, V. P., and Goncharov, N. V. (2016) Dual proapoptotic and pronecrotic effect of hydrogen peroxide on human umbilical vein endothelial cells, Cell Tiss. Biol., 10, 145-151, doi: 10.1134/S1990519X16020097.

49. Yang, D., Liu, X., Liu, M., Chi, H., Liu, J., and Han, H. (2015) Protective effects of quercetin and taraxasterol against H2O2-induced human umbilical vein endothelial cell injury in vitro, Exp. Ther. Med., 10, 1253-1260, doi: 10.3892/etm.2015.2713.

50. Bradley, J. R., Johnson, D. R., and Pober, J. S. (1993) Endothelial activation by hydrogen peroxide. Selective increases of intercellular adhesion molecule-1 and major histocompatibility complex class I, Am. J. Pathol., 142, 1598-1609.

51. Xiong, Y., Huo, Y., Chen, C., Zeng, H., Lu, X., et al. (2009) Vascular endothelial growth factor (VEGF) receptor-2 tyrosine 1175 signaling controls VEGF-induced von Willebrand factor release from endothelial cells via phospholipase C-gamma 1- and protein kinase A-dependent pathways, J. Biol. Chem., 284, 23217-23224, doi: 10.1074/jbc.M109.019679.

52. Mo, S. J., Son, E. W., Rhee, D. K., and Pyo, S. (2003) Modulation of TNF-alpha-induced ICAM-1 expression, NO and H2O2 production by alginate, allicin and ascorbic acid in human endothelial cells, Arch. Pharm. Res., 26, 244-251.

53. Avdonin, P. V., Rybakova, E. Y., Avdonin, P. P., Trufanov, S. K., Mironova, G. Y., Tsitrina, A. A., and Goncharov, N. V. (2019) VAS2870 Inhibits histamine-induced calcium signaling and vWF secretion in human umbilical vein endothelial cells, Cells, 8, 196, doi: 10.3390/cells8020196.