Различия влияния бета-гидроксибутирата на биогенез митохондрий, маркеры окислительного стресса и воспаления в тканях молодых и старых крыс

Аннотация

Одним из подходов терапии возрастных заболеваний является воздействие на метаболизм клеток организма путём применения определённых диет или их фармакологических миметиков. Кетогенная диета значительно влияет на энергетический метаболизм клеток и функционирование митохондрий, в связи с чем активно исследуется при различных возрастных патологиях. В данной работе мы оценили влияние миметика кетогенной диеты бета-гидроксибутирата (БГБ) на экспрессию генов белков, регулирующих биогенез митохондрий (Ppargc1a, Nrf1, Tfam), контроль качества (Sqstm1), работу антиоксидантной системы (Nfe2l2, Gpx1, Gpx3, Srxn1, Txnrd2, Slc6a9, Slc7a11), а также воспалительный ответ (Il1b, Tnf, Ptgs2, Gfap) в мозге, лёгких, сердце, печени, почках и мышцах молодых и старых крыс. Кроме того, мы проанализировали количество копий митохондриальной ДНК (мтДНК), проанализировали накопление повреждений мтДНК, а также уровень окислительного стресса по концентрации соединений, реагирующих с тиобарбитуровой кислотой (ТБКРС) и восстановленного глутатиона. Мы показали, что в ряде органов старение нарушает биогенез митохондрий и функционирование антиоксидантной системы клеток, что сопровождалось повышенным окислительным стрессом и воспалением. Введение БГБ в течение 2 недель по-разному влияло на органы молодых и старых крыс. В частности, БГБ повышал экспрессию генов белков, связанных с биогенезом митохондрий и антиоксидантной системой, особенно в ткани печени и мышц молодых, но не старых животных. В то же время в почках старых крыс БГБ способствовал снижению количества ТБКРС. Таким образом, наше исследование показало, что экзогенное введение кетоновых тел может существенным образом влиять на экспрессию генов в органах молодых крыс, способствуя усилению биогенеза митохондрий и улучшению работы антиоксидантной системы, а также частично снижая уровень окислительного стресса. Однако у старых животных эти изменения были выражены значительно слабее.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 21-75-30009).

Вклад авторов

Е.Ю. Плотников – концепция и руководство работой; В.В. Нестерова, П.И. Бабенкова, Н.А. Самойлова, И.С. Садовникова, Д.С. Семенович, А.А. Брезгунова, Н.В. Андрианова – проведение экспериментов; Н.В. Андрианова, А.П. Гуреев, Е.Ю. Плотников – обсуждение результатов исследования; В.В. Нестерова, Н.В. Андрианова, А.П. Гуреев – написание текста; Е.Ю. Плотников – редактирование текста статьи.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Протоколы работы с животными были рассмотрены и одобрены этическим комитетом НИИ ФХБ имени А.Н. Белозерского МГУ имени М.В. Ломоносова (протокол № 006-1/1/2024). Все манипуляции с животными проводились в соответствии с руководствами ARRIVE.

Список литературы

1. Son, J. M., and Lee, C. (2019) Mitochondria: multifaceted regulators of aging, BMB Rep., 52, 13-23, doi: 10.5483/BMBRep.2019.52.1.300.

2. Harrington, J. S., Ryter, S. W., Plataki, M., Price, D. R., Choi, A. M. K. (2023) Mitochondria in health, disease, and aging, Physiol. Rev., 103, 2349-2422, doi: 10.1152/physrev.00058.2021.

3. Whitehall, J. C., Smith, A. L. M., and Greaves, L. C. (2023) Mitochondrial DNA mutations and ageing, Subcell. Biochem., 102, 77-98, doi: 10.1007/978-3-031-21410-3_4.

4. Nissanka, N., and Moraes, C. T. (2018) Mitochondrial DNA damage and reactive oxygen species in neurodegenerative disease, FEBS Lett., 592, 728-742, doi: 10.1002/1873-3468.12956.

5. Иванникова, Е. В., Алташина, М. А., Трошина, Е. А. (2021) Кетогенная диета: история возникновения, механизм действия, показания, Пробл. эндокринол., 68, 49-72, doi: 10.14341/probl12724.

6. Kumar, A., Kumari, S., and Singh, D. (2022) Insights into the cellular interactions and molecular mechanisms of ketogenic diet for comprehensive management of epilepsy, Curr. Neuropharmacol., 20, 2034-2049, doi: 10.2174/1570159X20666220420130109.

7. Shippy, D. C., Wilhelm, C., Viharkumar, P. A., Raife, T. J., and Ulland, T. K. (2020) β-Hydroxybutyrate inhibits inflammasome activation to attenuate Alzheimer’s disease pathology, J. Neuroinflammation, 17, 280, doi: 10.1186/s12974-020-01948-5.

8. Norwitz, N. G., Hu, M. T., and Clarke, K. (2019) The mechanisms by which the ketone body D-β-hydroxybutyrate may improve the multiple cellular pathologies of Parkinson’s disease, Front. Nutr., 6, 63, doi: 10.3389/fnut.2019.00063.

9. Wei, S., Binbin, L., Yuan, W., Zhong, Z., Donghai, L., and Caihua, H. (2022) β-Hydroxybutyrate in cardiovascular diseases: a minor metabolite of great expectations, Front. Mol. Biosci., 13, 823602, doi: 10.3389/fmolb.2022.823602.

10. Li, Y., Zhang, X., Ma, A., and Kang, Y. (2021) Rational application of β-hydroxybutyrate attenuates ischemic stroke by suppressing oxidative stress and mitochondrial-dependent apoptosis via activation of the Erk/CREB/eNOS pathway, ACS Chem. Neurosci., 12, 1219-1227, doi: 10.1021/acschemneuro.1c00046.

11. Rojas-Morales, P., Pedraza-Chaverri, J., and Tapia, E. (2020) Ketone bodies, stress response, and redox homeostasis, Redox Biol., 29, 101395, doi: 10.1016/j.redox.2019.101395.

12. Jin, L. W., Lucente, J. D., Mendiola, U. R., Suthprasertporn, N., Tomilov, A., Cortopassi, G., Kim, K., Ramsey, J. J., and Maezawa, I. (2023) The ketone body β-hydroxybutyrate shifts microglial metabolism and suppresses amyloid-β oligomer-induced inflammation in human microglia, FASEB J., 37, e23261, doi: 10.1096/fj.202301254R.

13. Newman, J. C., and Verdin, E. (2017) β-Hydroxybutyrate: a signaling metabolite, Annu. Rev. Nutr., 37, 51-76, doi: 10.1146/annurev-nutr-071816-064916.

14. Goshtasbi, H., Pakchin, P. S., Movafeghi, A., Barar, J., Castejon, A. M., Omidian, H., and Omidi, Y. (2022) Impacts of oxidants and antioxidants on the emergence and progression of Alzheimer’s disease, Neurochem. Int., 153, 105268, doi: 10.1016/j.neuint.2021.105268.

15. Kim, D. H., Park, M. H., Ha, S., Bang, E. J., Lee, Y., Lee, A. K., Lee, J., Yu, B. P., and Chung, H. Y. (2019) Anti-inflammatory action of β-hydroxybutyrate via modulation of PGC-1α and FoxO1, mimicking calorie restriction, Aging (Albany NY), 11, 1283-1304, doi: 10.18632/aging.101838.

16. Shi, X., Li, X., Li, D., Li, Y., Song, Y., Deng, Q., Wang, J., Zhang, Y., Ding, H., Yin, L., Zhang, Y., Wang, Z., Li, X., and Liu, G. (2014) β-Hydroxybutyrate activates the NF-κB signaling pathway to promote the expression of pro-inflammatory factors in calf hepatocytes, Cell Physiol. Biochem., 33, 920-932, doi: 10.1159/000358664.

17. Martins, R., Lithgow, G. J., and Link, W. (2016) Long live FOXO: unraveling the role of FOXO proteins in aging and longevity, Aging Cell., 15, 196-207, doi: 10.1111/acel.12427.

18. Gureev, A. P., Shaforostova, E. A., and Popov, V. N. (2019) Regulation of mitochondrial biogenesis as a way for active longevity: interaction between the Nrf2 and PGC-1α signaling pathways, Front. Genet., 14, 435, doi: 10.3389/fgene.2019.00435.

19. Loshchenova, P. S., Sinitsyna, O. I., Fedoseeva, L. A., Stefanova, N. A., and Kolosova, N. G. (2015) Influence of antioxidant SkQ1 on accumulation of mitochondrial DNA deletions in the hippocampus of senescence-accelerated OXYS rats, Biochemistry (Moscow), 80, 596-603, doi: 10.1134/S0006297915050120.

20. Gureev, A. P., Andrianova, N. V., Pevzner, I. B., Zorova, L. D., Chernyshova, E. V., Sadovnikova, I. S., Chistyakov, D. V., Popkov, V. A., Semenovich, D. S., Babenko, V. A., Silachev, D. N., Zorov, D. B., Plotnikov, E. Y., and Popov, V. N. (2022) Dietary restriction modulates mitochondrial DNA damage and oxylipin profile in aged rats, FEBS J., 289, 5697-5713, doi: 10.1111/febs.16451.

21. Ohkawa, H., Ohishi, N., and Yagi, K. (1979) Assay for lipid peroxides in animal tissues by thiobarbituric acid reaction, Anal. Biochem., 95, 351-358, doi: 10.1016/0003-2697(79)90738-3.

22. Hartree, E. F. (1972) Determination of protein: a modification of the Lowry method that gives a linear photometric response, Anal. Biochem., 48, 422-427, doi: 10.1016/0003-2697(72)90094-2.

23. Patsoukis, N., and Georgiou, C. D. (2004) Determination of the thiol redox state of organisms: new oxidative stress indicators, Anal. Bioanal. Chem., 378, 1783-1792, doi: 10.1007/s00216-004-2525-1.

24. Pal, S., and Tyler, J. K. (2016) Epigenetics and aging, Sci. Adv., 2, e1600584, doi: 10.1126/sciadv.1600584.

25. Hoppe, T., and Cohen, E. (2020) Organismal protein homeostasis mechanisms, Genetics, 215, 889-901, doi: 10.1534/genetics.120.301283.

26. Gregory, J. W. (2009) Metabolic disorders, Endocr. Dev., 15, 59-76, doi: 10.1159/000207610.

27. Lin, M. T., and Beal, M. F. (2006) Mitochondrial dysfunction and oxidative stress in neurodegenerative diseases, Nature, 443, 787-795, doi: 10.1038/nature05292.

28. Zorov, D. B., Isaev, N. K., Plotnikov, E. Y., Zorova, L. D., Stelmashook, E. V., Vasileva, A. K., Arkhangelskaya, A. A., and Khrjapenkova, T. G. (2007) The mitochondrion as Janus Bifrons, Biochemistry (Moscow), 72, 1115-1126, doi: 10.1134/s0006297907100094.

29. Schaum, N., Lehallier, B., Hahn, O., Pálovics, R., Hosseinzadeh, S., Lee, S. E., Sit, R., Lee, D. P., Losada, P. M., Zardeneta, M. E., Fehlmann, T., and Webber, J. T. (2020) Ageing hallmarks exhibit organ-specific temporal signatures, Nature, 583, 596-602, doi: 10.1038/s41586-020-2499-y.

30. Lima, T., Li, T. Y., Mottis, A., and Auwerx, J. (2022) Pleiotropic effects of mitochondria in aging, Nat. Aging., 2, 199-213, doi: 10.1038/s43587-022-00191-2.

31. Masuyama, M., Iida, R., Takatsuka, H., Yasuda, T., and Matsuki, T. (2005) Quantitative change in mitochondrial DNA content in various mouse tissues during aging, Biochim. Biophys. Acta., 1723, 302-308, doi: 10.1016/j.bbagen.2005.03.001.

32. Sharma, P., and Sampath, H. (2019) Mitochondrial DNA integrity: role in health and disease, Cells, 8, 100, doi: 10.3390/cells8020100.

33. Gadaleta, M. N., Rainaldi, G., Lezza, A. M., Milella, F., Fracasso, F., and Cantatore, P. (1992) Mitochondrial DNA copy number and mitochondrial DNA deletion in adult and senescent rats, Mutat. Res., 275, 181-193, doi: 10.1016/0921-8734(92)90022-h.

34. Bank, C., Soulimane, T., Schröder, J. M., Buse, G., and Zanssen, S. (2000) Multiple deletions of mtDNA remove the light strand origin of replication, Biochem. Biophys. Res. Commun., 279, 595-601, doi: 10.1006/bbrc.2000.3951.

35. Feng, J., Chen, Z., Liang, W., Wei, Z., and Ding, G. (2022) Roles of mitochondrial DNA damage in kidney diseases: a new biomarker, Int. J. Mol. Sci., 23, 15166, doi: 10.3390/ijms232315166.

36. Edwards, J. G. (2009) Quantification of mitochondrial DNA (mtDNA) damage and error rates by real-time QPCR, Mitochondrion, 9, 31-35, doi: 10.1016/j.mito.2008.11.004.

37. Zinovkina, L. A. (2018) Mechanisms of mitochondrial DNA repair in mammals, Biochemistry (Moscow), 83, 233-249, doi: 10.1134/S0006297918030045.

38. Nissanka, N., Minczuk, M., and Moraes, C. T. (2019) Mechanisms of mitochondrial DNA deletion formation, Trends Genet., 35, 235-244, doi: 10.1016/j.tig.2019.01.001.

39. Yan, C., Duanmu, X., Zeng, L., Liu, B., and Song, Z. (2019) Mitochondrial DNA: distribution, mutations, and elimination, Cells, 8, 379, doi: 10.3390/cells8040379.

40. Wang, L., Chen, P., and Xiao, W. (2021) β-Hydroxybutyrate as an anti-aging metabolite, Nutrients, 13, 3420, doi: 10.3390/nu13103420.

41. Shimazu, T., Hirschey, M. D., Newman, J., He, W., Shirakawa, K., Moan, N. L., Grueter, C. A., Lim, H., Saunders, L. R., Stevens, R. D., Newgard, C. B., Farese, R. V., Cabo, R., Ulrich, S., Akassoglou, K., and Verdin, E. (2013) Suppression of oxidative stress by β-hydroxybutyrate, an endogenous histone deacetylase inhibitor, Science, 339, 211-214, doi: 10.1126/science.1227166.

42. Makievskaya, C. I., Popkov, V. A., Andrianova, N. V., Liao, X., Zorov, D. B., and Plotnikov, E. Y. (2023) Ketogenic diet and ketone bodies against ischemic injury: targets, mechanisms, and therapeutic potential, Int. J. Mol. Sci., 24, 2576, doi: 10.3390/ijms24032576.

43. Jornayvaz, F. R., and Shulman, G. I. (2010) Regulation of mitochondrial biogenesis, Essays Biochem., 47, 69-84, doi: 10.1042/bse0470069.

44. Lu, Y., Li, Z., Zhang, S., Zhang, T., Liu, Y., and Zhang, L. (2023) Cellular mitophagy: Mechanism, roles in diseases and small molecule pharmacological regulation, Theranostics, 13, 736-766, doi: 10.7150/thno.79876.

45. Ashrafi, G., and Schwarz, T. L. (2013) The pathways of mitophagy for quality control and clearance of mitochondria, Cell Death Differ., 20, 31-42, doi: 10.1038/cdd.2012.81.

46. Newman, J., and Verdin, E. (2017) β-Hydroxybutyrate: a signaling metabolite, Annu. Rev. Nutr., 21, 51-76, doi: 10.1146/annurev-nutr-071816-064916.

47. Koronowski, K. B., Greco, C. M., Huang, H., Kim, J., Fribourgh, J. L., Crosby, P., Mathur, L., Ren, X., Partch, C. L., Jang, C., Qiao, F., Zhao, Y., and Sassone-Corsi, P. (2021) Ketogenesis impact on liver metabolism revealed by proteomics of lysine β-hydroxybutyrylation, Cell Rep., 36, 109487, doi: 10.1016/j.celrep.2021.109487.

48. Pan, A., Sun, X., Huang, F., Liu, J., Cai, Y., and Wu, X. (2022) The mitochondrial β-oxidation enzyme HADHA restrains hepatic glucagon response by promoting β-hydroxybutyrate production, Nat. Commun., 13, 386, doi: 10.1038/s41467-022-28044-x.

49. Lee, A. K., Kim, D. H., Bang, E., Choi, Y. J., and Chung, H. Y. (2020) β-Hydroxybutyrate suppresses lipid accumulation in aged liver through GPR109A-mediated signaling, Aging Dis., 11, 777-790, doi: 10.14336/AD.2019.0926.

50. Newman, J. C., and Verdin, E. (2014) β-Hydroxybutyrate: much more than a metabolite, Diabetes Res. Clin. Pract., 106, 173-181, doi: 10.1016/j.diabres.2014.08.009.

51. Komaravelli, N., Tian, B., Ivanciuc, T., Mautemps, N., Brasier, A. R., Garofalo, R. P., and Casola, A. (2015) Respiratory syncytial virus infection down-regulates antioxidant enzyme expression by triggering deacetylation-proteasomal degradation of Nrf2, Free Radic. Biol. Med., 88, 391-403, doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2015.05.043.

52. Fang, Y., Chen, B., Gong, A. Y., Malhotra, D. K., Gupta, R., Dworkin, L. D., and Gong, R. (2021) The ketone body β-hydroxybutyrate mitigates the senescence response of glomerular podocytes to diabetic insults, Kidney Int., 100, 1037-1053, doi: 10.1016/j.kint.2021.06.031.

53. Gureev, A. P., Sadovnikova, I. S., Chernyshova, E. V., Tsvetkova, A. D., Babenkova, P. I., Nesterova, V. V., Krutskikh, E. P., Volodina, D. E., Samoylova, N. A., Andrianova, N. V., Silachev, D. N., and Plotnikov, E. Y. (2024) Beta-hydroxybutyrate mitigates sensorimotor and cognitive impairments in a photothrombosis-induced ischemic stroke in mice, Int. J. Mol. Sci., 25, 5710, doi: 10.3390/ijms25115710.

54. Kwak, M., Itoh, K., Yamamoto, M., and Kensler, T. W. (2002) Enhanced expression of the transcription factor Nrf2 by cancer chemopreventive agents: role of antioxidant response element-like sequences in the nrf2 promoter, Mol. Cell. Biol., 22, 2883-2892, doi: 10.1128/MCB.22.9.2883-2892.2002.

55. Luo, S., Yang, M., Han, Y., Zhao, H., Jiang, N., Li, L., Chen, W., Li, C., Yang, J., Liu, Y., Liu, C., Zhao, C., and Sun, L. (2022) β-Hydroxybutyrate against Cisplatin-Induced acute kidney injury via inhibiting NLRP3 inflammasome and oxidative stress, Int. Immunopharmacol., 111, 109101, doi: 10.1016/j.intimp.2022.109101.

56. Huang, T., Linden, M. A., Fuller, S. E., Goldsmith, F. R., Simon, J., Batdorf, H. M., Scott, M. C., Essajee, N. M., Brown, J. M., and Noland, R. C. (2021) Combined effects of a ketogenic diet and exercise training alter mitochondrial and peroxisomal substrate oxidative capacity in skeletal muscle, Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab., 320, E1053-E1067, doi: 10.1152/ajpendo.00410.2020.