БИОХИМИЯ, 2021, том 86, вып. 7, с. 1018–1026
УДК 577.24
Эффекты ингибиторов супероксиддисмутазы и глюкозы на гибель клеток и образование активных форм кислорода в листьях гороха
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет, 119234 Москва, Россия
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, ООО «НИИ Митоинженерии МГУ», 119234 Москва, Россия
Поступила в редакцию 09.02.2021
После доработки 15.06.2021
Принята к публикации 15.06.2021
DOI: 10.31857/S032097252107006X
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: глюкоза, супероксиддисмутаза, активные формы кислорода, программируемая клеточная смерть, устьичные клетки листьев, горох.
Аннотация
Исследовали действие ингибиторов супероксиддисмутазы (СОД) диэтилдитиокарбамата (ДДК), триэтилентетрамина (триена) и их комбинации с глюкозой на клетки эпидермиса из листьев гороха разного возраста: быстро растущих молодых листьев и старых листьев с замедленным ростом. ДДК и триен вызывали гибель устьичных клеток, которую регистрировали по разрушению их ядер. Глюкоза не влияла на разрушение ядер, вызванное ингибиторами СОД в клетках из старых листьев, но усиливала его в клетках из молодых листьев. Ингибитор гликолиза 2-дезоксиглюкоза и имитирующий СОД антиоксидант пропилгаллат подавляли зависимое от ингибиторов СОД и глюкозы разрушение ядер в клетках эпидермиса из молодых, но не из старых листьев. Глюкоза и триен стимулировали, а пропилгаллат уменьшал образование активных форм кислорода (АФК) в эпидермисе гороха, определяемое по флуоресценции 2,7-дихлорфлуоресцеина (DCF). Протонофорный разобщитель окислительного и фотосинтетического фосфорилирования м-хлоркарбонилцианидфенилгидразон (ХКФ) подавлял флуоресценцию DCF в устьичных клетках. Обработка клеток ХКФ с последующей отмывкой от него усиливала разрушение ядер, вызванное ингибиторами СОД и глюкозой. В молодых листьях ХКФ был менее эффективен, чем в старых. Полученные результаты демонстрируют эффекты ингибиторов СОД и глюкозы на гибель клеток и генерацию АФК и могут свидетельствовать о зависимом от гликолиза образовании АФК.
Текст статьи
Сноски
* Адресат для корреспонденции.
Финансирование
Исследование выполнено в рамках научного проекта государственного задания МГУ № 121042600047-9.
Благодарности
Авторы благодарны сотрудникам Центра коллективного пользования МГУ имени М.В. Ломоносова за предоставленную возможность использовать оборудование, приобретенное за счет средств Программы развития МГУ при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Соблюдение этических норм
Настоящее исследование проводили без использования животных и без привлечения людей в качестве испытуемых.
Список литературы
1. Samuilov, V. D., Kiselevsky, D. B., Shestak, A. A., Nesov, A. V., and Vasil’ev, L. A. (2008) Reactive oxygen species in programmed death of pea guard cells, Biochemistry (Moscow), 73, 1076-1084, doi: 10.1134/s0006297908100039.
2. Sachdev, S., Ansari, S. A., Ansari, M. I., Fujita, M., and Hasanuzzaman, M. (2021) Abiotic stress and reactive oxygen species: generation, signaling, and defense mechanisms, Antioxidants, 10, 277, doi: 10.3390/antiox10020277.
3. Samuilov, V. D., Lagunova, E. M., Kiselevsky, D. B., Dzyubinskaya, E. V., Makarova, Y. V., and Gusev, M. V. (2003) Participation of chloroplasts in plant apoptosis, Biosci. Rep., 23, 103-117, doi: 10.1023/a:1025576307912.
4. Vasil’ev, L. A., Dzyubinskaya, E. V., Kiselevsky, D. B., Shestak, A. A., and Samuilov, V. D. (2011) Programmed cell death in plants: protective effect of mitochondrial-targeted quinones, Biochemistry (Moscow), 76, 1120-1130, doi: 10.1134/S0006297911100051.
5. Samuilov, V. D., Kiselevsky, D. B., and Oleskin, A. V. (2019) Mitochondria-targeted quinones suppress the generation of reactive oxygen species, programmed cell death and senescence in plants, Mitochondrion, 46, 164-171, doi: 10.1016/j.mito.2018.04.008.
6. Yamazaki, I., and Yokota, K. (1973) Oxidation states of peroxidase, Mol. Cell. Biochem., 2, 39-52, doi: 10.1007/BF01738677.
7. Dell’Aglio, E., Giustini, C., Kraut, A., Couté, Y., Costa, A., et al. (2019) Identification of the Arabidopsis calmodulin-dependent NAD+ kinase that sustains the elicitor-induced oxidative burst, Plant Physiol., 181, 1449-1458, doi: 10.1104/pp.19.00912.
8. Imlay, J. A. (2013) The molecular mechanisms and physiological consequences of oxidative stress: lessons from a model bacterium, Nat. Rev. Microbiol., 11, 443-454, doi: 10.1038/nrmicro3032.
9. Wang, W., Xia, M. X., Chen, J., Yuan, R., Deng, F. N., and Shen, F. F. (2016) Gene expression characteristics and regulation mechanisms of superoxide dismutase and its physiological roles in plants under stress, Biochemistry (Moscow), 81, 465-480, doi: 10.1134/S0006297916050047.
10. Alscher, R. G., Erturk, N., and Heath, L. S. (2002) Role of superoxide dismutases (SODs) in controlling oxidative stress in plants, J. Exp. Bot., 53, 1331-1341.
11. Tsunoda, S., Kibe, N., Kurahashi, T., and Fujii, J. (2013) Differential responses of SOD1-deficient mouse embryonic fibroblasts to oxygen concentrations, Arch. Biochem. Biophys., 537, 5-11, doi: 10.1016/j.abb.2013.06.008.
12. Heikkila, R. E., Cabbat, F. S., and Cohen, G. (1976) In vivo inhibition of superoxide dismutase in mice by diethyldithiocarbamate, J. Biol. Chem., 251, 2182-2185.
13. Cocco, D., Calabrese, L., Rigo, A., Argese, E., and Rotilio, G. (1981) Re-examination of the reaction of diethyldithiocarbamate with the copper of superoxide dismutase, J. Biol. Chem., 256, 8983-8986.
14. Benov, L., and Fridovich, I. (1996) Functional significance of the Cu,ZnSOD in Escherichia coli, Arch. Biochem. Biophys., 327, 249-253, doi: 10.1006/abbi.1996.0117.
15. Lushchak, V., Semchyshyn, H., Lushchak, O., and Mandryk, S. (2005) Diethyldithiocarbamate inhibits in vivo Cu,Zn-superoxide dismutase and perturbs free radical processes in the yeast Saccharomyces cerevisiae cells, Biochem. Biophys. Res. Commun., 338, 1739-1744, doi: 10.1016/j.bbrc.2005.10.147.
16. Kelner, M. J., Bagnell, R., Hale, B., and Alexander, N. M. (1989) Inactivation of intracellular copper-zinc superoxide dismutase by copper chelating agents without glutathione depletion and methemoglobin formation, Free Radic. Biol. Med., 6, 355-360, doi: 10.1016/0891-5849(89)90079-8.
17. An, J., and Hsie, A. W. (1992) Effects of an inhibitor and a mimic of superoxide dismutase on bleomycin mutagenesis in Chinese hamster ovary cells, Mutat. Res., 270, 167-175, doi: 10.1016/0027-5107(92)90127-n.
18. An, J., and Hsie, A. W. (1993) Polymerase chain reaction-based deletion screening of bleomycin induced 6-thioguanine-resistant mutants in Chinese hamster ovary cells: the effects of an inhibitor and a mimic of superoxide dismutase, Mutat. Res., 289, 215-222, doi: 10.1016/0027-5107(93)90072-n.
19. Pasteur, L. (1861) Expériences et vues nouvelles sur la nature de fermentations, C. R. Acad. Sci., 52, 1260-1264.
20. Racker, E. (1974) History of the Pasteur effect and its pathobiology, Mol. Cell. Biochem., 5, 17-23, doi: 10.1007/BF01874168.
21. Ленинджер А. (1985) Основы биохимии, Мир, Москва.
22. Lunt, S. Y., and Vander Heiden, M. G. (2011) Aerobic glycolysis: meeting the metabolic requirements of cell proliferation, Annu. Rev. Cell Dev. Biol., 27, 441-464, doi: 10.1146/annurev-cellbio-092910-154237.
23. Pfeiffer, T., Schuster, S., and Bonhoeffer, S. (2001) Cooperation and competition in the evolution of ATP-producing pathways, Science, 292, 504-507, doi: 10.1126/science.1058079.
24. Warburg, O., Posener, K., and Negelein, E. (1924) Über den stoffwechsel der carcinomzelle, Biochem. Z., 152, 309-344.
25. Warburg, O. (1956) On the origin of cancer cells, Science, 123, 309-314, doi: 10.1126/science.123.3191.309.
26. Sokolov, S. S., Balakireva, A. V., Markova, O. V., and Severin, F. F. (2015) Negative feedback of glycolysis and oxidative phosphorylation: mechanisms of and reasons for it, Biochemistry (Moscow), 80, 559-564, doi: 10.1134/S0006297915050065.
27. Aykin-Burns, N., Ahmad, I. M., Zhu, Y., Oberley, L. W., and Spitz, D. R. (2009) Increased levels of superoxide and H2O2 mediate the differential susceptibility of cancer cells versus normal cells to glucose deprivation, Biochem. J., 418, 29-37, doi: 10.1042/BJ20081258.
28. Crabtree, H. G. (1929) Observations on the carbohydrate metabolism of tumours, Biochem. J., 23, 536-545, doi: 10.1042/bj0230536.
29. Diaz-Ruiz, R., Rigoulet, M., and Devin, A. (2011) The Warburg and Crabtree effects: on the origin of cancer cell energy metabolism and of yeast glucose repression, Biochim. Biophys. Acta, 1807, 568-576, doi: 10.1016/j.bbabio.2010.08.010.
30. Lee, A. C., Zizi, M., and Colombini, M. (1994) Beta-NADH decreases the permeability of the mitochondrial outer membrane to ADP by a factor of 6, J. Biol. Chem., 269, 30974-30980.
31. LeBel, C. P., Ischiropoulos, H., and Bondy, S. C. (1992) Evaluation of the probe 2′,7′-dichiorofluorescin as an indicator of reactive oxygen species formation and oxidative stress, Chem. Res. Toxicol., 5, 227-231, doi: 10.1021/tx00026a012.
32. Karlsson, M., Kurz, T., Brunk, U. T., Nilsson, S. E., and Frennesson, C. I. (2010) What does the commonly used DCF test for oxidative stress really show? Biochem. J., 428, 183-190, doi: 10.1042/BJ20100208.
33. Sesay, A., Stewart, C. R., and Shibles, R. M. (1986) Effects of KCN and salicylhydroxamic acid on respiration of soybean leaves at different ages, Plant Physiol., 82, 443-447, doi: 10.1104/pp.82.2.443.
34. Moore, B. D., and Edwards, G. E. (1988) The influence of leaf age on C4 photosynthesis and the accumulation of inorganic carbon in Flaveria trinervia, a C4 Dicot, Plant Physiol., 88, 125-130, doi: 10.1104/pp.88.1.125.
35. Hajiboland, R., Rahmat, S., Zeinalzadeh, N., Farsad-Akhtar, N., and Hosseinpour-Feizi, M.-A. (2019) Senescence is delayed by selenium in oilseed rape plants, J. Trace Elem. Med. Biol., 55, 96-106, doi: 10.1016/j.jtemb.2019.06.005.
36. Reddan, J. R., Giblin, F. J., Sevilla, M., Padgaonkar, V., Dziedzic, D. C., et al. (2003) Propyl gallate is a superoxide dismutase mimic and protects cultured lens epithelial cells from H2O2 insult, Exp. Eye Res., 76, 49-59, doi: 10.1016/s0014-4835(02)00256-7.
37. Sugiyama, Y., Shudo, T., Hosokawa, S., Watanabe, A., Nakano, M., and Kakizuka, A. (2019) Emodin, as a mitochondrial uncoupler, induces strong decreases in adenosine triphosphate (ATP) levels and proliferation of B16F10 cells, owing to their poor glycolytic reserve, Genes Cells, 24, 569-584, doi: 10.1111/gtc.12712.
38. Reddi, A. R., and Culotta, V. C. (2013) SOD1 integrates signals from oxygen and glucose to repress respiration, Cell, 152, 224-235, doi: 10.1016/j.cell.2012.11.046.
39. Korshunov, S. S., Skulachev, V. P., and Starkov, A. A. (1997) High protonic potential actuates a mechanism of production of reactive oxygen species in mitochondria, FEBS Lett., 416, 15-18, doi: 10.1016/s0014-5793(97)01159-9.
40. Dzyubinskaya, E. V., Kiselevsky, D. B., Lobysheva, N. V., Shestak, A. A., and Samuilov, V. D. (2006) Death of stoma guard cells in leaf epidermis under disturbance of energy provision, Biochemistry (Moscow), 71, 1120-1127, doi: 10.1134/s0006297906100105.
41. Petrat, F., Pindiur, S., Kirsch, M., and de Groot, H. (2003) NAD(P)H, a primary target of 1O2 in mitochondria of intact cells, J. Biol. Chem., 278, 3298-3307, doi: 10.1074/jbc.M204230200.
42. Brooks, J. L. (1983) Stimulation of peroxidase reactions by hydroxamates, Biochem. Biophys. Res. Comm., 116, 916-921.
43. Самуилов В. Д., Киселевский Д. Б. (2016) Салицилгидроксамат усиливает НАДН-оксидазную активность пероксидазы в суспензиях митохондрий и хлоропластов гороха, Вестник Московского университета. Серия 16, Биология, 1, 23-28, doi: 10.3103/S0096392516010089.
44. Samuilov, V. D., Kiselevsky, D. B., Sinitsyn, S. V., Shestak, A. A., Lagunova, E. M., and Nesov, A. V. (2006) H2O2 intensifies CN–-induced apoptosis in pea leaves, Biochemistry (Moscow), 71, 384-394, doi: 10.1134/s0006297906040067.