БИОХИМИЯ, 2023, том 88, вып. 2, с. 228–242
УДК 577.352.4
Влияние активатора кальций-зависимого К+‑канала NS1619 на функцию митохондрий в сердце дистрофин-дефицитных мышей
1 ФГБОУ ВО «Марийский государственный университет», 424000 Республика Марий Эл, Йошкар‑Ола, Россия
2 ФГБУН Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, 192290 Пущино, Московская обл., Россия
3 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, 119991 Москва, Россия
Поступила в редакцию 13.11.2022
После доработки 15.01.2023
Принята к публикации 15.01.2023
DOI: 10.31857/S0320972523020045
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: дистрофия Дюшенна, сердце, митохондрии, NS1619, кальций-активируемый калиевый канал, BKCa.
Аннотация
Дистрофин-дефицитная врожденная мышечная дистрофия (дистрофия Дюшенна) характеризуется нарушением ионного гомеостаза, важную роль в котором играют митохондрии. В настоящей работе на модели дистрофин-дефицитных mdx‑мышей выявлено снижение эффективности транспорта ионов калия и общего содержания этого иона в митохондриях сердца. Оценено влияние на структуру и функцию органелл и состояние сердечной мышцы хронического введения производного бензимидазола NS1619, являющегося активатором Ca2+-активируемого K+‑канала большой проводимости (mitoBKCa). Показано, что NS1619 способствует улучшению транспорта K+ и увеличению содержания иона в митохондриях сердца mdx‑мышей, однако это не связано с изменением уровня белка mitoBKCa и экспрессии кодирующего его гена. Действие NS1619 сопровождается снижением интенсивности окислительного стресса, оцененного по уровню продуктов перекисного окисления липидов (МДА‑продуктов), и нормализацией ультраструктуры митохондрий в сердце mdx‑мышей. Кроме того, нами выявлены положительные изменения в ткани, выражающиеся в снижении уровня фиброза в сердце дистрофин-дефицитных животных, получавших NS1619. Отмечено, что NS1619 не оказывал существенного влияния на структуру и функцию митохондрий сердца животных «дикого типа». Обсуждаются механизмы влияния NS1619 на функцию митохондрий сердца мышей в условиях мышечной дистрофии Дюшенна и перспективы применения подхода для коррекции данной патологии.
Текст статьи
Сноски
* Адресат для корреспонденции.
Финансирование
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 20‑75‑10006).
Благодарности
Электронная микроскопия образцов выполнена при поддержке Программы развития МГУ (ПНР 5.13) и Центра коллективного пользования «Субдифракционная микроскопия» НИИ ФХБ имени А.Н. Белозерского МГУ
Вклад авторов
М.В. Дубинин и К.Н. Белослудцев – концепция и руководство работой; М.В. Дубинин, В.С. Старинец, Ю.А. Челядникова, Н.В. Белослудцева, И.Б. Михеева, Д.К. Пенкина, А.Д. Игошкина, Е.Ю. Таланов, И.И. Киреев – проведение экспериментов; М.В. Дубинин, К.Н. Белослудцев, Д.Б. Зоров – обсуждение результатов исследования; М.В. Дубинин – написание текста; М.В. Дубинин, К.Н. Белослудцев, Д.Б. Зоров – редактирование текста статьи.
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 с принципами Хельсинкской декларации (2000). Все протоколы были одобрены Комиссией по биологической безопасности и биоэтике МарГУ (протокол № 1/2021 от 18.10.2021).
Список литературы
1. Emery, A. E. (1991) Population frequencies of inherited neuromuscular diseases – A world survey, Neuromuscul. Disord., 1, 19-29, doi: 10.1016/0960-8966(91)90039-u.
2. Mavrogeni, S., Markousis-Mavrogenis, G., Papavasiliou, A., and Kolovou, G. (2015) Cardiac involvement in Duchenne and Becker muscular dystrophy, World J. Cardiol., 7, 410-414, doi: 10.4330/wjc.v7.i7.410.
3. Ignatieva, E., Smolina, N., Kostareva, A., and Dmitrieva, R. (2021) Skeletal muscle mitochondria dysfunction in genetic neuromuscular disorders with cardiac phenotype, Int. J. Mol. Sci., 22, 7349, doi: 10.3390/ijms22147349.
4. Kamdar, F., and Garry, D. J. (2016) Dystrophin-deficient cardiomyopathy, J. Am. Coll. Cardiol., 67, 2533-2546, doi: 10.1016/j.jacc.2016.02.081.
5. D’Amario, D., Amodeo, A., Adorisio, R., Tiziano, F. D., Leone, A. M., Perri, G., Bruno, P., Massetti, M., Ferlini, A., Pane, M., Niccoli, G., Porto, I., D’Angelo, G. A., Borovac, J. A., Mercuri, E., and Crea, F. (2017) A current approach to heart failure in Duchenne muscular dystrophy, Heart, 103, 1770-1779, doi: 10.1136/heartjnl-2017-311269.
6. Ware, S. M. (2017) Genetics of paediatric cardiomyopathies, Curr. Opin. Pediatr., 29, 534-540, doi: 10.1097/MOP.0000000000000533.
7. Angelini, G., Mura, G., and Messina, G. (2022) Therapeutic approaches to preserve the musculature in Duchenne muscular dystrophy: The importance of the secondary therapies, Exp. Cell Res., 410, 112968, doi: 10.1016/j.yexcr.2021.112968.
8. Rybalka, E., Timpani, C., Cooke, M. B., Williams, A., and Hayes, A. (2014) Defects in mitochondrial ATP synthesis in dystrophin-deficient mdx skeletal muscles may be caused by complex I insufficiency, PLoS One, 9, e115763, doi: 10.1371/journal.pone.0115763.
9. Vila, M. C., Rayavarapu, S., Hogarth, M., van der Meulen, J. H., Horn, A., Defour, A., Takeda, S., Brown, K. J., Hathout, Y., Nagaraju, K., and Jaiswal, J. K. (2017) Mitochondria mediate cell membrane repair and contribute to Duchenne muscular dystrophy, Cell Death Differ., 24, 330-342, doi: 10.1038/cdd.2016.127.
10. Schiavone, M., Zulian, A., Menazza, S., Petronilli, V., Argenton, F., Merlini, L., Sabatelli, P., and Bernardi, P. (2017) Alisporivir rescues defective mitochondrial respiration in Duchenne muscular dystrophy, Pharmacol. Res., 125, 122-131, doi: 10.1016/j.phrs.2017.09.001.
11. Hughes, M. C., Ramos, S. V., Turnbull, P. C., Rebalka, I. A., Cao, A., Monaco, C. M., Varah, N. E., Edgett, B. A., Huber, J. S., Tadi, P., Delfinis, L. J., Schlattner, U., Simpson, J. A., Hawke, T. J., and Perry, C. G. R. (2019) Early myopathy in Duchenne muscular dystrophy is associated with elevated mitochondrial H2O2 emission during impaired oxidative phosphorylation, J. Cachexia Sarcopenia Muscle, 10, 643-661, doi: 10.1002/jcsm.12405.
12. Dubinin, M. V., Talanov, E. Y., Tenkov, K. S., Starinets, V. S., Mikheeva, I. B., Sharapov, M. G., and Belosludtsev, K. N. (2020) Duchenne muscular dystrophy is associated with the inhibition of calcium uniport in mitochondria and an increased sensitivity of the organelles to the calcium-induced permeability transition, Biochim. Biophys. Acta Mol. Basis Dis., 1866, 165674, doi: 10.1016/j.bbadis.2020.165674.
13. Dubinin, M. V., Talanov, E. Y., Tenkov, K. S., Starinets, V. S., Belosludtseva, N. V., and Belosludtsev, K. N. (2020) The effect of deflazacort treatment on the functioning of skeletal muscle mitochondria in Duchenne muscular dystrophy, Int. J. Mol. Sci., 21, 8763, doi: 10.3390/ijms21228763.
14. Mareedu, S., Million, E. D., Duan, D., and Babu, G. J. (2021) Abnormal calcium handling in Duchenne muscular dystrophy: mechanisms and potential therapies, Front. Physiol., 12, 647010, doi: 10.3389/fphys.2021.647010.
15. Zhang, W., ten Hove, M., Schneider, J. E., Stuckey, D. J., Sebag-Montefiore, L., Bia, B. L., Radda, G. K., Davies, K. E., Neubauer, S., and Clarke, K. (2008) Abnormal cardiac morphology, function and energy metabolism in the dystrophic mdx mouse: An MRI and MRS study, J. Mol. Cell. Cardiol., 45, 754-760, doi: 10.1016/j.yjmcc.2008.09.125.
16. Kyrychenko, V., Poláková, E., Janíček, R., and Shirokova, N. (2015) Mitochondrial dysfunctions during progression of dystrophic cardiomyopathy, Cell Calcium, 58, 186-195, doi: 10.1016/j.ceca.2015.04.006.
17. Willi, L., Abramovich, I., Fernandez-Garcia, J., Agranovich, B., Shulman, M., Milman, H., Baskin, P., Eisen, B., Michele, D. E., Arad, M., Binah, O., and Gottlieb, E. (2022) Bioenergetic and metabolic impairments in induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes generated from Duchenne muscular dystrophy patients, Int. J. Mol. Sci., 23, 9808, doi: 10.3390/ijms23179808.
18. Ascah, A., Khairallah, M., Daussin, F., Bourcier-Lucas, C., Godin, R., Allen, B. G., Petrof, B. J., Rosiers, C. D., Burelle, Y. (2011) Stress-induced opening of the permeability transition pore in the dystrophin-deficient heart is attenuated by acute treatment with sildenafil, Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol., 300, H144-H153, doi: 10.1152/ajpheart.00522.2010.
19. Dubinin, M. V., Talanov, E. Y., Tenkov, K. S., Starinets, V. S., Mikheeva, I. B., and Belosludtsev, K. N. (2020) Transport of Ca2+ and Ca2+-dependent permeability transition in heart mitochondria in the early stages of Duchenne muscular dystrophy, Biochim. Biophys. Acta Bioenerg., 1861, 148250, doi: 10.1016/j.bbabio.2020.148250.
20. Angebault, C., Panel, M., Lacôte, M., Rieusset, J., Lacampagne, A., and Fauconnier, J. (2021) Metformin reverses the enhanced myocardial SR/ER-mitochondria interaction and impaired complex I-driven respiration in dystrophin-deficient mice, Front. Cell Dev. Biol., 8, 609493, doi: 10.3389/fcell.2020.609493.
21. Dubinin, M. V., Starinets, V. S., Talanov, E. Y., Mikheeva, I. B., Belosludtseva, N. V., Serov, D. A., Tenkov, K. S., Belosludtseva, E. V., and Belosludtsev, K. N. (2021) Effect of the non-immunosuppressive MPT pore inhibitor alisporivir on the functioning of heart mitochondria in dystrophin-deficient mdx mice, Biomedicines, 9, 1232, doi: 10.3390/biomedicines9091232.
22. Bienengraeber, M., Olson, T. M., Selivanov, V. A., Kathmann, E. C., O’Cochlain, F., Gao, F., Karger, A. B., Ballew, J. D., Hodgson, D. M., Zingman, L. V., Pang, Y. P., Alekseev, A. E., and Terzic, A. (2004) ABCC9 mutations identified in human dilated cardiomyopathy disrupt catalytic KATP channel gating, Nat. Genet., 36, 382-387, doi: 10.1038/ng1329.
23. Farid, T. A., Nair, K., Massé, S., Azam, M. A., Maguy, A., Lai, R. F., Umapathy, K., Dorian, P., Chauhan, V., Varró, A., Al-Hesayen, A., Waxman, M., Nattel, S., and Nanthakumar, K. (2011) Role of KATP channels in the maintenance of ventricular fibrillation in cardiomyopathic human hearts, Circ. Res., 109, 1309-1318, doi: 10.1161/CIRCRESAHA.110.232918.
24. Graciotti, L., Becker, J., Granata, A. L., Procopio, A. D., Tessarollo, L., and Fulgenzi, G. (2011) Dystrophin is required for the normal function of the cardio-protective K(ATP) channel in cardiomyocytes, PLoS One, 6, e27034, doi: 10.1371/journal.pone.0027034.
25. Dubinin, M. V., Starinets, V. S., Belosludtseva, N. V., Mikheeva, I. B., Chelyadnikova, Y. A., Penkina, D. K., Vedernikov, A. A., and Belosludtsev, K. N. (2022) The effect of uridine on the state of skeletal muscles and the functioning of mitochondria in Duchenne dystrophy, Int. J. Mol. Sci., 23, 10660, doi: 10.3390/ijms231810660.
26. Dubinin, M. V., Starinets, V. S., Belosludtseva, N. V., Mikheeva, I. B., Chelyadnikova, Y. A., Igoshkina, A. D., Vafina, A. B., Vedernikov, A. A., and Belosludtsev, K. N. (2022) BKCa activator NS1619 improves the structure and function of skeletal muscle mitochondria in Duchenne dystrophy, Pharmaceutics, 14, 2336, doi: 10.3390/ijms231810660.
27. Checchetto, V., Leanza, L., De Stefani, D., Rizzuto, R., Gulbins, E., and Szabo, I. (2021) Mitochondrial K+ channels and their implications for disease mechanisms, Pharmacol. Ther., 227, 107874, doi: 10.1016/j.pharmthera.2021.107874.
28. Zorov, D. B. (2022) A window to the potassium world. The evidence of potassium energetics in the mitochondria and identity of the mitochondrial ATP-dependent K+ channel, Biochemistry (Moscow), 87, 683-688, doi: 10.1134/S0006297922080016.
29. Juhaszova, M., Kobrinsky, E., Zorov, D. B., Nuss, H. B., Yaniv, Y., Fishbein, K. W., de Cabo, R., Montoliu, L., Gabelli, S. B., Aon, M. A., Cortassa, S., and Sollott, S. J. (2021) ATP Synthase K+– and H+-fluxes drive ATP synthesis and enable mitochondrial K+-“Uniporter” function: I. Characterization of ion fluxes, Function (Oxf), 3, zqab065, doi: 10.1093/function/zqab065.
30. Juhaszova, M., Kobrinsky, E., Zorov, D. B., Nuss, H. B., Yaniv, Y., Fishbein, K. W., de Cabo, R., Montoliu, L., Gabelli, S. B., Aon, M. A., Cortassa, S., and Sollott, S. J. (2022) ATP synthase K+– and H+-fluxes drive ATP synthesis and enable mitochondrial K+-“Uniporter” function: II. Ion and ATP synthase flux regulation, Function (Oxf), 3, zqac001, doi: 10.1093/function/zqac001.
31. González-Sanabria, N., Echeverría, F., Segura, I., Alvarado-Sánchez, R., and Latorre, R. (2021) BK in double-membrane organelles: A biophysical, pharmacological, and functional survey, Front. Physiol., 12, 761474, doi: 10.3389/fphys.2021.761474.
32. Wang, X., Yin, C., Xi, L., and Kukreja, R. C. (2004) Opening of Ca2+-activated K+ channels triggers early and delayed preconditioning against I/R injury independent of NOS in mice, Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol., 287, H2070-H2077, doi: 10.1152/ajpheart.00431.2004.
33. Lam, J., Katti, P., Biete, M., Mungai, M., AshShareef, S., Neikirk, K., Garza Lopez, E., Vue, Z., Christensen, T. A., Beasley, H. K., Rodman, T. A., Murray, S. A., Salisbury, J. L., Glancy, B., Shao, J., Pereira, R. O., Abel, E. D., and Hinton, A. (2021) A universal approach to analyzing transmission electron microscopy with ImageJ, Cells, 10, 2177, doi: 10.3390/cells10092177.
34. Bradford, M. 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.
35. Dubinin, M. V., Semenova, A. A., Ilzorkina, A. I., Markelova, N. Y., Penkov, N. V., Shakurova, E. R., Belosludtsev, K. N., and Parfenova, L. V. (2021) New quaternized pyridinium derivatives of betulin: Synthesis and evaluation of membranotropic properties on liposomes, pro- and eukaryotic cells, and isolated mitochondria, Chem. Biol. Interact., 349, 109678, doi: 10.1016/j.cbi.2021.109678.
36. Belosludtseva, N. V., Starinets, V. S., Pavlik, L. L., Mikheeva, I. B., Dubinin, M. V., and Belosludtsev, K. N. (2020) The effect of S-15176 difumarate salt on ultrastructure and functions of liver mitochondria of C57BL/6 mice with streptozotocin/high-fat diet-induced type 2 diabetes, Biology, 9, 309, doi: 10.3390/biology9100309.
37. Ye, J., Coulouris, G., Zaretskaya, I., Cutcutache, I., Rozen, S., and Madden, T. L. (2012) Primer-BLAST: A tool to design target-specific primers for polymerase chain reaction, BMC Bioinform., 13, 134, doi: 10.1186/1471-2105-13-134.
38. Schmittgen, T. D., and Livak, K. J. (2008) Analyzing real-time PCR data by the comparative CT method, Nat. Protoc., 3, 1101-1108, doi: 10.1038/nprot.2008.73.
39. Quiros, P. M., Goyal, A., Jha, P., and Auwerx, J. (2017) Analysis of mtDNA/nDNA ratio in mice, Curr. Protoc. Mouse Biol., 7, 47-54, doi: 10.1002/cpmo.21.
40. Szewczyk, A., Skalska, J., Głąb, M., Kulawiak, B., Malińska, D., Koszela-Piotrowska, I., and Kunz, W. S. (2006) Mitochondrial potassium channels: from pharmacology to function, Biochim. Biophys. Acta, 1757, 715-720, doi: 10.1016/j.bbabio.2006.05.002.
41. Singh, H., Rong, L., Bopassa, J., Meredith, A., Stefani, E., and Toro, L. (2013) MitoBK-Ca is encoded by the KCNMA1 gene, and a splicing sequence defines its mitochondrial location, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 110, 10836-10841, doi: 10.1073/pnas.1302028110.
42. Heinen, A., Aldakkak, M., Stowe, D. F., Rhodes, S. S., Riess, M. L., Varadarajan, S. G., and Camara, A. K. (2007) Reverse electron flow-induced ROS production is attenuated by activation of mitochondrial Ca2+-sensitive K+ channels, Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol., 293, H1400-H1407, doi: 10.1152/ajpheart.00198.2007.
43. Kharraz, Y., Guerra, J., Pessina, P., Serrano, A. L., and Muñoz-Cánoves, P. (2014) Understanding the process of fibrosis in Duchenne muscular dystrophy, Biomed. Res. Int., 2014, 965631, doi: 10.1155/2014/965631.
44. Wissing, E. R., Millay, D. P., Vuagniaux, G., and Molkentin, J. D. (2010) Debio-025 is more effective than prednisone in reducing muscular pathology in mdx mice, Neuromuscul. Disord., 20, 753-760, doi: 10.1016/j.nmd.2010.06.016.
45. Dubinin, M. V., Starinets, V. S., Talanov, E. Y., Mikheeva, I. B., Belosludtseva, N. V., and Belosludtsev, K. N. (2021) Alisporivir Improves mitochondrial function in skeletal muscle of mdx mice but suppresses mitochondrial dynamics and biogenesis, Int. J. Mol. Sci., 22, 9780, doi: 10.3390/ijms22189780.
46. Dai, H., Wang, M., Patel, P. N., Kalogeris, T., Liu, Y., Durante, W., and Korthuis, R. J. (2017) Preconditioning with the BKCa channel activator NS-1619 prevents ischemia-reperfusion-induced inflammation and mucosal barrier dysfunction: Roles for ROS and heme oxygenase-1, Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol., 313, H988-H999, doi: 10.1152/ajpheart.00620.2016.
47. Li, Y., Zhang, S., Zhang, X., Li, J., Ai, X., Zhang, L., Yu, D., Ge, S., Peng, Y., and Chen, X. (2014) Blunted cardiac beta-adrenergic response as an early indication of cardiac dysfunction in Duchenne muscular dystrophy, Cardiovasc. Res., 103, 60-71, doi: 10.1093/cvr/cvu119.