Накопление ионов Li⁺ в эндотелиальных клетках пупочной вены человека (HUVEC), обработанных LiCl, вызывает изменение транскрипции FOS, JUN, EGR1, MYC

Аннотация

Показано, что изменение внутриклеточных концентраций Na⁺ и K⁺ приводит к изменению экспрессии генов. Другой одновалентный катион, Li⁺, хорошо известен как компонент лекарственных препаратов, используемых для лечения психических расстройств, но механизм его действия неясен. Таким образом, важно оценить влияние Li⁺ на экспрессию генов в эндотелиальных клетках. В данной работе мы изучили влияние повышенной внутриклеточной концентрации Na⁺ или Li⁺ на транскрипцию Na⁺_i/K⁺_i-чувствительных генов. Инкубация эндотелиальных клеток пупочной вены человека (HUVEC) в присутствии LiCl в течение 1,5 ч приводила к накоплению Li⁺ в клетках. Это вызывало увеличение уровня мРНК FOS и EGR1 и снижение уровня мРНК JUN и MYC. Обработка HUVEC монензином обеспечивала накопление Na⁺ и потерю ионов K⁺ этими клетками. При этом Na⁺-ионофор монензин не оказывал существенного влияния на экспрессию генов. Инкубация HUVEC в среде с повышенной внеклеточной концентрацией NaCl приводила к увеличению внутриклеточного содержания K⁺ и транскрипции ATF3 и снижению транскрипции JUN. Эти результаты наглядно показывают, что Na⁺ и Li⁺ по-разному влияют на профиль экспрессии исследуемых генов, что, по-видимому, связано с различным действием на соотношение одновалентных катионов во внутриклеточном пространстве.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

# Авторы внесли равный вклад в работу.

Вклад авторов

Е.А. Климанова – концепция и руководство работой; О.Е. Квитко, Д.А. Федоров, С.В. Сидоренко – проведение экспериментов; О.Е. Квитко, Д.А. Федоров, Е.А. Климанова – обсуждение результатов исследования; О.Е. Квитко, Д.А. Федоров – написание текста; О.Д. Лопина – редактирование текста статьи.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 19-75-10009).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Skou, J. C., and Esmann, M. (1992) The Na,K-ATPase, J. Bioenerg. Biomembr., 24, 249-261, https://doi.org/10.1007/BF00768846.

2. Pollack, L. R., Tate, E. H., and Cook, J. S. (1981) Turnover and regulation of Na-K-ATPase in HeLa cells, Am. J. Physiol. Cell Physiol., 241, C173-C183, https://doi.org/10.1152/ajpcell.1981.241.5.C173.

3. Koltsova, S. V., Trushina, Y., Haloui, M., Akimova, O. A., Tremblay, J., Hamet, P., and Orlov, S. N. (2012) Ubiquitous Na⁺_i/K⁺_i-sensitive transcriptome in mammalian cells: evidence for Ca²⁺_i-independent excitation-transcription coupling, PLoS One, 7, e38032, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0038032.

4. Klimanova, E. A., Sidorenko, S. V., Smolyaninova, L. V., Kapilevich, L. V., Gusakova, S. V., Lopina, O. D., and Orlov, S. N. (2019) Ubiquitous and cell type-specific transcriptomic changes triggered by dissipation of monovalent cation gradients in rodent cells: physiological and pathophysiological implications, Curr. Top. Membr., 83, 107-149, https://doi.org/10.1016/bs.ctm.2019.01.006.

5. Beniaminov, A., Shchyolkina, A., and Kaluzhny, D. (2019) Conformational features of intramolecular G4-DNA constrained by single-nucleotide loops, Biochimie, 160, 122-128, https://doi.org/10.1016/j.biochi.2019.02.013.

6. Burge, S., Parkinson, G. N., Hazel, P., Todd, A. K., and Neidle, S. (2006) Quadruplex DNA: sequence, topology and structure, Nucleic Acids Res., 34, 5402-5415, https://doi.org/10.1093/nar/gkl655.

7. Papp, C., Mukundan, V. T., Jenjaroenpun, P., Winnerdy, F. R., Ow, G. S., Phan, A. T., and Kuznetsov, V. A. (2023) Stable bulged G-quadruplexes in the human genome: identification, experimental validation and functionalization, Nucleic Acids Res., 51, 4148-4177, https://doi.org/10.1093/nar/gkad252.

8. Venczel, E. A., and Sen, D. (1993) Parallel and antiparallel G-DNA structures from a complex telomeric sequence, Biochemistry, 32, 6220-6228, https://doi.org/10.1021/bi00075a015.

9. Yang, D., and Hurley, L. H. (2006) Structure of the biologically relevant G-quadruplex in the c-MYC promoter, Nucleosides Nucleotides Nucleic Acids, 25, 951-968, https://doi.org/10.1080/15257770600809913.

10. Klimanova, E. A., Sidorenko, S. V., Abramicheva, P. A., Tverskoi, A. M., Orlov, S. N., and Lopina, O. D. (2020) Transcriptomic changes in endothelial cells triggered by Na,K-ATPase inhibition: a search for upstream Na⁺_i/K⁺_i sensitive genes, IJMS, 21, 7992, https://doi.org/10.3390/ijms21217992.

11. Volkmann, C., Bschor, T., and Köhler, S. (2020) Lithium treatment over the lifespan in bipolar disorders, Front. Psychiatry, 11, 377, https://doi.org/10.3389/fpsyt.2020.00377.

12. Lowry, O. H., Rosebrough, N. J., Farr, A. L., and Randall, R. J. (1951) Protein measurement with the Folin phenol reagent, J. Biol. Chem., 193, 265-275, https://doi.org/10.1016/S0021-9258(19)52451-6.

13. Fedorov, D. A., Sidorenko, S. V., Yusipovich, A. I., Parshina, E. Y., Tverskoi, A. M., Abramicheva, P. A., Maksimov, G. V., Orlov, S. N., Lopina, O. D., and Klimanova, E. A. (2021) Na⁺_i/K⁺_i imbalance contributes to gene expression in endothelial cells exposed to elevated NaCl, Heliyon, 7, e08088, https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2021.e08088.

14. Livak, K. J., and Schmittgen, T. D. (2001) Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2^−ΔΔCT method, Methods, 25, 402-408, https://doi.org/10.1006/meth.2001.1262.

15. Chew, T. A., Zhang, J., and Feng, L. (2021) High-resolution views and transport mechanisms of the NKCC1 and KCC transporters, J. Mol. Biol., 433, 167056, https://doi.org/10.1016/j.jmb.2021.167056.

16. Lang, F. (2007) Mechanisms and significance of cell volume regulation, J. Am. College Nutr., 26, 613S-623S, https://doi.org/10.1080/07315724.2007.10719667.

17. Haloui, M., Taurin, S., Akimova, O. A., Guo, D.-F., Tremblay, J., Dulin, N. O., Hamet, P., and Orlov, S. N. (2007) Na⁺_i-induced c-Fos expression is not mediated by activation of the 5′-promoter containing known transcriptional elements, FEBS J., 274, 3557-3567, https://doi.org/10.1111/j.1742-4658.2007.05885.x.

18. Li, L., Song, H., Zhong, L., Yang, R., Yang, X.-Q., Jiang, K.-L., and Liu, B.-Z. (2015) Lithium chloride promotes apoptosis in human leukemia NB4 cells by inhibiting glycogen synthase kinase-3 beta, Int. J. Med. Sci., 12, 805-810, https://doi.org/10.7150/ijms.12429.

19. Watanabe, S., Iga, J., Nishi, A., Numata, S., Kinoshita, M., Kikuchi, K., Nakataki, M., and Ohmori, T. (2014) Microarray analysis of global gene expression in leukocytes following lithium treatment, Hum. Psychopharmacol. Clin. Exp., 29, 190-198, https://doi.org/10.1002/hup.2381.

20. Kim, S. H., Yu, H. S., Park, H. G., Ahn, Y. M., Kim, Y. S., Lee, Y. H., Ha, K., and Shin, S. Y. (2013) Egr1 regulates lithium-induced transcription of the Period 2 (PER2) gene, Biochim. Biophys. Acta, 1832, 1969-1979, https://doi.org/10.1016/j.bbadis.2013.06.010.

21. Haarman, B. (Benno) C., Riemersma-Van der Lek, R. F., Burger, H., Netkova, M., Drexhage, R. C., Bootsman, F., Mesman, E., Hillegers, M. H., Spijker, A. T., Hoencamp, E., Drexhage, H. A., and Nolen, W. A. (2014) Relationship between clinical features and inflammation-related monocyte gene expression in bipolar disorder – towards a better understanding of psychoimmunological interactions, Bipolar Disord., 16, 137-150, https://doi.org/10.1111/bdi.12142.

22. Zhang, W. V., Jüllig, M., Connolly, A. R., and Stott, N. S. (2005) Early gene response in lithium chloride induced apoptosis, Apoptosis, 10, 75-90, https://doi.org/10.1007/s10495-005-6063-x.

23. Fedorov, D. A., Sidorenko, S. V., Yusipovich, A. I., Bukach, O. V., Gorbunov, A. M., Lopina, O. D., and Klimanova, E. A. (2022) Increased extracellular sodium concentration as a factor regulating gene expression in endothelium, Biochemistry (Moscow), 87, 489-499, https://doi.org/10.1134/S0006297922060013.

24. Taurin, S., Dulin, N. O., Pchejetski, D., Grygorczyk, R., Tremblay, J., Hamet, P., and Orlov, S. N. (2002) c-Fos Expression in ouabain-treated vascular smooth muscle cells from rat aorta: evidence for an intracellular-sodium-mediated, calcium-independent mechanism, J. Physiol., 543, 835-847, https://doi.org/10.1113/jphysiol.2002.023259.

25. Lopina, O. D., Tverskoi, A. M., Klimanova, E. A., Sidorenko, S. V., and Orlov, S. N. (2020) Ouabain-induced cell death and survival. Role of α1-Na,K-ATPase-mediated signaling and Na⁺_i/K⁺_i-dependent gene expression, Front. Physiol., 11, https://doi.org/10.3389/fphys.2020.01060.

26. Villegas-Vázquez, E. Y., Quintas-Granados, L. I., Cortés, H., González-Del Carmen, M., Leyva-Gómez, G., Rodríguez-Morales, M., Bustamante-Montes, L. P., Silva-Adaya, D., Pérez-Plasencia, C., Jacobo-Herrera, N., Reyes-Hernández, O. D., and Figueroa-González, G. (2023) Lithium: a promising anticancer agent, Life, 13, 537, https://doi.org/10.3390/life13020537.

27. Masana, M. I., Bitran, J. A., Hsiao, J. K., and Potter, W. Z. (1992) In vivo evidence that lithium inactivates G_i modulation of adenylate cyclase in brain, J. Neurochem., 59, 200-205, https://doi.org/10.1111/j.1471-4159.1992.tb08891.x.

28. Rao, A. S., Kremenevskaja, N., Resch, J., and Brabant, G. (2005) Lithium stimulates proliferation in cultured thyrocytes by activating Wnt/β-catenin signalling, Eur. J. Endocrinol., 153, 929-938, https://doi.org/10.1530/eje.1.02038.

29. Zeng, Z., Wang, H., Shang, F., Zhou, L., Little, P. J., Quirion, R., and Zheng, W. (2016) Lithium ions attenuate serum-deprivation-induced apoptosis in PC12 cells through regulation of the Akt/FoxO1 signaling pathways, Psychopharmacology, 233, 785-794, https://doi.org/10.1007/s00213-015-4168-7.

30. Chowdhury, S., Wang, J., Nuccio, S. P., Mao, H., and Di Antonio, M. (2022) Short LNA-modified oligonucleotide probes as efficient disruptors of DNA G-quadruplexes, Nucleic Acids Res., 50, 7247-7259, https://doi.org/10.1093/nar/gkac569.

31. Esain-Garcia, I., Kirchner, A., Melidis, L., Tavares, R. C. A., Dhir, S., Simeone, A., Yu, Z., Madden, S. K., Hermann, R., Tannahill, D., and Balasubramanian, S. (2024) G-quadruplex DNA structure is a positive regulator of MYC transcription, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 121, e2320240121, https://doi.org/10.1073/pnas.2320240121.

32. Lopina, O. D., Sidorenko, S. V., Fedorov, D. A., and Klimanova, E. A. (2024) G-quadruplexes as sensors of intracellular Na⁺/K⁺ ratio: potential role in regulation of transcription and translation, Biochemistry (Moscow), 89, S262-S277, https://doi.org/10.1134/S0006297924140153.

33. Sen, D., and Gilbert, W. (1990) A sodium-potassium switch in the formation of four-stranded G4-DNA, Nature, 344, 410-414, https://doi.org/10.1038/344410a0.