БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 7, с. 851–864

УДК 577.352.4

Алиспоривир нормализует митохондриальную функцию в первичной культуре эндотелиоцитов легких мышей в условиях гипергликемии

© 2022 В.С. Старинец 1,2, Д.А. Серов 3,4, Н.В. Пеньков 4, Н.В. Белослудцева 1,2, М.В. Дубинин 1, К.Н. Белослудцев 1,2*bekonik@gmail.com

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Марийский государственный университет», 424001 Республика Марий Эл, Йошкар-Ола, Россия

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и экспериментальной биофизики Российской академии наук, 142290 Московская обл., Пущино, Россия

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр «Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук», 119991 Москва, Россия

Институт биофизики клетки Российской академии наук — обособленное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Федеральный исследовательский центр “Пущинский научный центр биологических исследований Российской академии наук”», 142290 Московская обл., Пущино, Россия

Поступила в редакцию 11.04.2022
После доработки 16.05.2022
Принята к публикации 06.06.2022

DOI: 10.31857/S0320972522070028

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: митохондрии, алиспоривир, митохондриальная пора, гипергликемия, сахарный диабет, митофагия.

Аннотация

В настоящей работе мы исследовали влияние алиспоривира (ингибитора митохондриальной поры) на развитие митохондриальной дисфункции при индукции гипергликемии в первичной культуре легочных эндотелиоцитов мыши. Продемонстрировано, что в условиях гипергликемии (30 мМ глюкоза в течение 24 часов) в эндотелиоцитах развивается митохондриальная дисфункция, которая выражается в увеличении генерации активных форм кислорода, индукции митохондриальных пор и падении мембранного потенциала. Все это приводит к снижению жизнеспособности клеток. Инкубация эндотелиоцитов с 5 мкМ алиспоривиром в гипергликемических условиях приводит к восстановлению жизнеспособности эндотелиоцитов, уровня трансмембранного потенциала и подавлению открытия митохондриальных пор до контрольных значений. Продемонстрировано, что в условиях гипергликемии может происходить увеличение митофагии в первичной культуре эндотелиоцитов легких мышей: наблюдалось увеличение степени колокализации митохондрий и лизосом и уровня экспрессии гена Parkin. Алиспоривир восстанавливал эти параметры до уровней, наблюдаемых в контрольных клетках. Гипергликемия приводила к увеличению в эндотелиоцитах экспрессии гена Drp1, ответственного за синтез белка, участвующего в процессе деления митохондрий. При этом алиспоривир достоверно не изменял уровень экспрессии данного гена. Обсуждаются механизмы влияния алиспоривира на митохондриальную дисфункцию легочных эндотелиоцитов мышей в условиях гипергликемии.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 20-15-00120).

Благодарности

В работе использовали оборудование (конфокальный микроскоп DMI6000, «Leica», Германия) центра коллективного пользования ИБК РАН ФИЦ «Пущинский научный центр биологических исследований РАН».

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Работу с лабораторными животными выполняли в соответствии с Европейской конвенцией о защите позвоночных животных (Страсбург, 1986) и принципами Хельсинкской декларации (2000). Все протоколы были одобрены этической комиссией ИТЭБ РАН (протокол № 6/202 от 08.02.2021).

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы

Список литературы

1. American Diabetes Association Professional Practice Committee (2022) 2. Classification and Diagnosis of Diabetes: Standards of Medical Care in Diabetes-2022, Diab. Care, 45 (Suppl 1), S17-S38, doi: 10.2337/dc22-S002.

2. DeFronzo, R. A., Ferrannini, E., Groop, L., Henry, R. R., Herman, W. H., et al. (2015) Type 2 diabetes mellitus, Nat. Rev. Dis. Primers, 1, 15019, doi: 10.1038/nrdp.2015.19.

3. Skyler, J. S., Bakris, G. L., Bonifacio, E., Darsow, T., Eckel, R. H., et al. (2017) Differentiation of diabetes by pathophysiology, natural history, and prognosis, Diabetes, 66, 241-255, doi: 10.2337/db16-0806.

4. Roden, M., and Shulman, G. I. (2019) The integrative biology of type 2 diabetes, Nature, 576, 51-60, doi: 10.1038/s41586-019-1797-8.

5. Nolan, C.J., Prentki, M. (2019) Insulin resistance and insulin hypersecretion in the metabolic syndrome and type 2 diabetes: Time for a conceptual framework shift, Diab. Vasc. Dis. Res., 16, 118-127, doi: 10.1177/1479164119827611.

6. Belosludtsev, K. N., Belosludtseva, N. V., Dubinin, M. V. (2020) Diabetes mellitus, mitochondrial dysfunction and Ca2+-dependent permeability transition pore, Int. J. Mol. Sci., 21, 6559, doi: 10.3390/ijms21186559.

7. Montgomery, M. K., and Turner, N. (2015) Mitochondrial dysfunction and insulin resistance: An update, Endocr. Connect., 4, R1-R15, doi: 10.1530/EC-14-0092.

8. Fujimaki, S., and Kuwabara, T. (2017) Diabetes-induced dysfunction of mitochondria and stem cells in skeletal muscle and the nervous system, Int. J. Mol. Sci., 18, E2147, doi: 10.3390/ijms18102147.

9. Dai, W., Lu, H., Chen, Y., Yang, D., Sun, L., and He, L. (2021) The loss of mitochondrial quality control in diabetic kidney disease, Front Cell Dev Biol., 9, 706832, doi: 10.3389/fcell.2021.706832.

10. Белослудцев К. Н., Дубинин М. В., Белослудцева Н. В., Миронова Г. Д. (2019) Транспорт ионов Са2+ митохондриями: механизмы, молекулярные структуры и значение для клетки, Биохимия, 84, 759-775, doi: 10.1134/S0006297919060026.

11. Bonora, M., Patergnani, S., Ramaccini, D., Morciano, G., Pedriali, G., et al. (2020) Physiopathology of the permeability transition pore: molecular mechanisms in human pathology, Biomolecules, 10, 998, doi: 10.3390/biom10070998.

12. Neginskaya, M. A., Pavlov, E. V., and Sheu, S. S. (2021) Electrophysiological properties of the mitochondrial permeability transition pores: Channel diversity and disease implication, Biochim. Biophys. Acta. Bioenerg., 1862, 148357, doi: 10.1016/j.bbabio.2020.148357.

13. Zoratti, M., and Szabo, I. (1995) The mitochondrial permeability transition, Biochim. Biophys. Acta, 1241, 139-176, doi: 10.1016/0304-4157(95)00003-a.

14. Bernardi, P., Carraro, M., and Lippe, G. (2021) The mitochondrial permeability transition: Recent progress and open questions, FEBS J., doi: 10.1111/febs.16254.

15. Šileikytė, J., and Forte, M. (2016) Shutting down the pore: The search for small molecule inhibitors of the mitochondrial permeability transition, Biochim Biophys Acta, 1857, 1197-1202, doi: 10.1016/j.bbabio.2016.02.016.

16. Efimov, S. V., Dubinin, M. V., Kobchikova, P. P., Zgadzay, Y. O., Khodov, I. A., et al. (2020) Comparison of cyclosporin variants B-E based on their structural properties and activity in mitochondrial membranes, Biochem. Biophys. Res. Commun., 526, 1054-1060, doi: 10.1016/j.bbrc.2020.03.184.

17. Oliveira, P. J., Seiça, R., Coxito, P. M., Rolo, A. P., Palmeira, C. M., et al. (2003) Enhanced permeability transition explains the reduced calcium uptake in cardiac mitochondria from streptozotocin-induced diabetic rats, FEBS Lett., 554, 511-514, doi: 10.1016/s0014-5793(03)01233-x.

18. Lablanche, S., Cottet-Rousselle, C., Lamarche, F., Benhamou, P. Y., Halimi, S., et al. (2011) Protection of pancreatic INS-1 β-cells from glucose- and fructose-induced cell death by inhibiting mitochondrial permeability transition with cyclosporin A or metformin, Cell Death Dis., 2, e134, doi: 10.1038/cddis.2011.15.

19. Monaco, C., Hughes, M. C., Ramos, S. V., Varah, N. E., Lamberz, C., et al. (2018). Altered mitochondrial bioenergetics and ultrastructure in the skeletal muscle of young adults with type 1 diabetes, Diabetologia, 61, 1411-1423, doi: 10.1007/s00125-018-4602-6.

20. Ferreira, F. M., Seiça, R., Oliveira, P. J., Coxito, P. M., Moreno, A. J., et al. (2003) Diabetes induces metabolic adaptations in rat liver mitochondria: Role of coenzyme Q and cardiolipin contents, Biochim. Biophys. Acta, 1639, 113-120, doi: 10.1016/j.bbadis.2003.08.001.

21. Belosludtsev, K. N., Starinets, V. S., Belosludtsev, M. N., Mikheeva, I. B., Dubinin, M. V., et al. (2021) Chronic treatment with dapagliflozin protects against mitochondrial dysfunction in the liver of C57BL/6NCrl mice with high-fat diet/streptozotocin-induced diabetes mellitus, Mitochondrion, 59, 246-254, doi: 10.1016/j.mito.2021.06.008.

22. Lindblom, R., Higgins, G. C., Nguyen, T. V., Arnstein, M., Henstridge, D. C., et al. (2020) Delineating a role for the mitochondrial permeability transition pore in diabetic kidney disease by targeting cyclophilin D, Clin. Sci., 134, 239-259, doi: 10.1042/CS20190787.

23. Taddeo, E. P., Laker, R. C., Breen, D. S., Akhtar, Y. N., Kenwood, B. M., et al. (2013) Opening of the mitochondrial permeability transition pore links mitochondrial dysfunction to insulin resistance in skeletal muscle, Mol. Metab., 3, 124-134, doi: 10.1016/j.molmet.2013.11.003.

24. Najafi, M., Farajnia, S., Mohammadi, M., Badalzadeh, R., Ahmadi Asl, N., et al. (2014) Inhibition of mitochondrial permeability transition pore restores the cardioprotection by postconditioning in diabetic hearts, J. Diabetes Metab. Disord., 13, 106, doi: 10.1186/s40200-014-0106-1.

25. Belosludtsev, K. N., Starinets, V. S., Talanov, E. Y., Mikheeva, I. B., Dubinin, M. V., et al. 2021) Alisporivir treatment alleviates mitochondrial dysfunction in the skeletal muscles of C57BL/6NCrl mice with high-fat diet/streptozotocin-induced diabetes mellitus, Int. J. Mol. Sci., 22, 9524, doi: 10.3390/ijms22179524.

26. Belosludtseva, N. V., Starinets, V. S., Mikheeva, I. B., Serov, D. A., Astashev, M. E., et al. (2021) Effect of the MPT pore inhibitor alisporivir on the development of mitochondrial dysfunction in the heart tissue of diabetic mice, Biology (Basel), 10, 839, doi: 10.3390/biology10090839.

27. Sobczak, M., Dargatz, J., and Chrzanowska-Wodnicka, M. (2010) Isolation and culture of pulmonary endothelial cells from neonatal mice, J. Vis. Exp., 46, e2316, doi: 10.3791/231.

28. Serov, D. A., Tankanag, A. V., and Astashev, M. E. (2022) Low frequency oscillations of murine skin microcirculations and periodic changes of [Ca2+]i and [NO]i levels in murine endotheliocytes: an effect of provocative tests, Cell Biol. Int., 46, 427-442, doi: 10.1002/cbin.11743.

29. Lee, W. C., Chau, Y. Y., Ng, H. Y., Chen, C. H., Wang, P. W., et al. (2019) Empagliflozin protects HK-2 cells from high glucose-mediated injuries via a mitochondrial mechanism, Cells, 8, 1085, doi: 10.3390/cells8091085.

30. Serov, D., Tikhonova, I., Safronova, V., and Astashev, M. (2021) Calcium activity in response to nAChR ligands in murine bone marrow granulocytes with different Gr-1 expression, Cell Biol. Int., 45, 1533-1545, doi: 10.1002/cbin.11593.

31. Berezhnov, A. V., Soutar, M. P., Fedotova, E. I., Frolova, M. S., Plun-Favreau, H., et al. (2016) Intracellular pH modulates autophagy and mitophagy, J. Biol Chem., 291, 8701-8708, doi: 10.1074/jbc.M115.691774.

32. Sasaki, K., Donthamsetty, R., Heldak, M., Cho, Y. E., Scott, B. T., et al. (2012) VDAC: old protein with new roles in diabetes, Am. J. Physiol. Cell Physiol., 303, 1055-1060, doi: 10.1152/ajpcell.00087.2012.

33. Zhao, Z., Gordan, R., Wen, H., Fefelova, N., Zang, W. J., et al. (2013) Modulation of intracellular calcium waves and triggered activities by mitochondrial Ca flux in mouse cardiomyocytes, PLoS One, 8, e80574, doi: 10.1371/journal.pone.0080574.

34. Ye, J., Coulouris, G., Zaretskaya, I., Cutcutache, I., Rozen, S., et al. (2012) Primer-BLAST: A tool to design target-specific primers for polymerase chain reaction, BMC Bioinformatics, 13, 134, doi: 10.1186/1471-2105-13-134.

35. Schmittgen, T. D., and Livak, K. J. (2008) Analyzing real-time PCR data by the comparative C(T) method, Nat. Protoc., 3, 1101-1108, doi: 10.1038/nprot.2008.73.

36. Onphachanh, X., Lee, H. J., Lim, J. R., Jung, Y. H., Kim, J. S., et al. (2017) Enhancement of high glucose-induced PINK1 expression by melatonin stimulates neuronal cell survival: Involvement of MT2/Akt/NF-κB pathway, J. Pineal Res., 63, doi: 10.1111/jpi.12427.

37. Benton, C. R., Holloway, G. P., Han, X. X., Yoshida, Y., Snook, L. A., et al. (2010) Increased levels of peroxisome proliferator-activated receptor gamma, coactivator 1 alpha (PGC-1alpha) improve lipid utilisation, insulin signalling and glucose transport in skeletal muscle of lean and insulin-resistant obese Zucker rats, Diabetologia, 53, 2008-2019, doi: 10.1007/s00125-010-1773-1.

38. Narendra, D., Tanaka, A., Suen, D. F., and Youle, R. J. (2008) Parkin is recruited selectively to impaired mitochondria and promotes their autophagy, J. Cell Biol., 183, 795-803, doi: 10.1083/jcb.200809125.

39. Bhansali, S., Bhansali, A., Walia, R., Saikia, U. N., and Dhawan, V. (2017) Alterations in mitochondrial oxidative stress and mitophagy in subjects with prediabetes and type 2 diabetes mellitus, Front. Endocrinol., 8, 347, doi: 10.3389/fendo.2017.00347.

40. Dubinin, M. V., Sharapov, V. A., Ilzorkina, A. I., Efimov, S. V, Klochkov, V. V., et al. (2022) Comparison of structural properties of cyclosporin A and its analogue alisporivir and their effects on mitochondrial bioenergetics and membrane behavior. Biochim. Biophys. Acta. Biomembr., 1864, 183972, doi: 10.1016/j.bbamem.2022.183972.

41. Di Lisa, F., Carpi, A., Giorgio, V., and Bernardi, P. (2011) The mitochondrial permeability transition pore and cyclophilin D in cardioprotection, Biochim. Biophys. Acta, 1813, 1316-1322, doi: 10.1016/j.bbamcr.2011.01.031.

42. Softic, L., Brillet, R., Berry, F., Ahnou, N., Nevers, Q., et al. (2020) Inhibition of SARS-CoV-2 infection by the cyclophilin inhibitor Alisporivir (Debio 025), Antimicrob. Agents Chemother., 64, e00876-20, doi: 10.1128/AAC.00876-20.