Перекисное окисление митохондриальных липидов инициирует быстрое накопление липофусцина в культуре клеток

Аннотация

Показано, что усиление перекисного окисления липидов (ПОЛ) в митохондриях кардиомиобластов крысы линии H9c2 и фибробластов человека под действием ингибитора транспорта цистина эрастина или ингибитора глутатионпероксидазы‑4 RSL3 сопровождается быстрым (18 ч) накоплением липофусцина. Митохондриально-направленный антиоксидант SkQ1 и редокс-медиатор метиленовый синий, который предотвращает образование активных форм кислорода (АФК) в комплексе I дыхательной цепи митохондрий, блокировали как ПОЛ в митохондриях, так и накопление липофусцина. Эти данные указывают на то, что ПОЛ в митохондриях служит движущей силой ускоренного накопления липофусцина в клетках. В изолированных митохондриях сердца наблюдалось быстрое (24 ч) образование липофусцина, которое зависело от присутствия ионов железа. Оно значительно ускорялось под действием АФК, генерируемых в комплексе I дыхательной цепи, и блокировалось SkQ1. Вопрос о том, служат ли окисленные компоненты митохондрий исходным материалом для образования липофусцина в клетках, остаётся открытым. Полученные результаты позволяют надеяться на успешное применение митохондриально-направленных соединений для лечения многих заболеваний, связанных с избыточным накоплением липофусцина.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Вклад авторов

Б.В. Черняк, К.Г. Лямзаев – концепция и руководство работой; Хэ Хуань, А.А. Пантелеева, Р.А. Симонян, А.В. Аветисян, К.Г. Лямзаев – проведение экспериментов; Б.В. Черняк, К.Г. Лямзаев – обсуждение результатов исследования; Б.В. Черняк, К.Г. Лямзаев – написание текста; Хэ Хуань, К.Г. Лямзаев – редактирование текста статьи.

Финансирование

Экспериментальная часть работы выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 23-14-00061. Анализ данных, обработка результатов и подготовка текста статьи осуществлялись в рамках государственного задания МГУ имени М.В. Ломоносова (тема № АААА-А19-119031390114-5).

Благодарности

Мы благодарны Программе развития МГУ PNR5 за предоставленный доступ к проточному цитометру Amnis Flowsight и микроскопу Olympus IX83.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Обращение с животными и проведение экспериментов осуществлялись в соответствии с международными рекомендациями по уходу и использованию лабораторных животных и были одобрены Институциональным этическим комитетом Института физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского Московского государственного университета (протокол № 012-5/05/2024 от 24 марта 2024 г.).

Список литературы

1. Hannover, A. (1842) Mikroskopiske undersögelser af nervesystemet, Kabernes Selkobs Naturv. Math. Afh. Copenhagen, 10, 1-112.

2. Hohn, A., Jung, T., Grimm, S., and Grune, T. (2010) Lipofuscin-bound iron is a major intracellular source of oxidants: role in senescent cells, Free Radic. Biol. Med., 48, 1100-1108, https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2010.01.030.

3. Lee, F. Y., Lee, T. S., Pan, C. C., Huang, A. L., and Chau, L. Y. (1998) Colocalization of iron and ceroid in human atherosclerotic lesions, Atherosclerosis, 138, 281-288, https://doi.org/10.1016/S0021-9150(98)00033-1.

4. Ablonczy, Z., Smith, N., Anderson, D. M., Grey, A. C., Spraggins, J., Koutalos, Y., Schey, K. L., and Crouch, R. K. (2014) The utilization of fluorescence to identify the components of lipofuscin by imaging mass spectrometry, Proteomics, 14, 936-944, https://doi.org/10.1002/pmic.201300406.

5. Feldman, T. B., Dontsov, A. E., Yakovleva, M. A., and Ostrovsky, M. A. (2022) Photobiology of lipofuscin granules in the retinal pigment epithelium cells of the eye: norm, pathology, age, Biophys. Rev., 14, 1051-1065, https://doi.org/10.1007/s12551-022-00989-9.

6. Hohn, A., Sittig, A., Jung, T., Grimm, S., and Grune, T. (2012) Lipofuscin is formed independently of macroautophagy and lysosomal activity in stress-induced prematurely senescent human fibroblasts, Free Radic. Biol. Med., 53, 1760-1769, https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2012.08.591.

7. Ivy, G. O., Kanai, S., Ohta, M., Smith, G., Sato, Y., Kobayashi, M., and Kitani, K. (1989) Lipofuscin-like substances accumulate rapidly in brain, retina and internal organs with cysteine protease inhibition, Adv. Exp. Med. Biol., 266, 31-45, https://doi.org/10.1007/978-1-4899-5339-1_3.

8. Terman, A., Kurz, T., Navratil, M., Arriaga, E. A., and Brunk, U. T. (2010) Mitochondrial turnover and aging of long-lived postmitotic cells: the mitochondrial-lysosomal axis theory of aging, Antioxid. Redox Signal., 12, 503-535, https://doi.org/10.1089/ars.2009.2598.

9. Ottis, P., Koppe, K., Onisko, B., Dynin, I., Arzberger, T., Kretzschmar, H., Requena, J. R., Silva, C. J., Huston, J. P., and Korth, C. (2012) Human and rat brain lipofuscin proteome, Proteomics, 12, 2445-2454, https://doi.org/10.1002/pmic.201100668.

10. Li, W. W., Wang, H. J., Tan, Y. Z., Wang, Y. L., Yu, S. N., and Li, Z. H. (2021) Reducing lipofuscin accumulation and cardiomyocytic senescence of aging heart by enhancing autophagy, Exp. Cell Res., 403, 112585, https://doi.org/10.1016/j.yexcr.2021.112585.

11. Walter, S., Haseli, S. P., Baumgarten, P., Deubel, S., Jung, T., Hohn, A., Ott, C., and Grune, T. (2025) Oxidized protein aggregate lipofuscin impairs cardiomyocyte contractility via late-stage autophagy inhibition, Redox Biol., 81, 103559, https://doi.org/10.1016/j.redox.2025.103559.

12. Davies, S., Elliott, M. H., Floor, E., Truscott, T. G., Zareba, M., Sarna, T., Shamsi, F. A., and Boulton, M. E. (2001) Photocytotoxicity of lipofuscin in human retinal pigment epithelial cells, Free Radic. Biol. Med., 31, 256-265, https://doi.org/10.1016/S0891-5849(01)00582-2.

13. Baldensperger, T., Jung, T., Heinze, T., Schwerdtle, T., Hohn, A., and Grune, T. (2024) The age pigment lipofuscin causes oxidative stress, lysosomal dysfunction, and pyroptotic cell death, Free Radic. Biol. Med., 225, 871-880, https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2024.10.311.

14. Porta, E., Llesuy, S., Monserrat, A. J., Benavides, S., and Travacio, M. (1995) Changes in cathepsin B and lipofuscin during development and aging in rat brain and heart, Gerontology, 41, 81-93, https://doi.org/10.1159/000213727.

15. Nakano, M., Oenzil, F., Mizuno, T., and Gotoh, S. (1995) Age-related changes in the lipofuscin accumulation of brain and heart, Gerontology, 41, 69-79, https://doi.org/10.1159/000213726.

16. Kakimoto, Y., Okada, C., Kawabe, N., Sasaki, A., Tsukamoto, H., Nagao, R., and Osawa, M. (2019) Myocardial lipofuscin accumulation in ageing and sudden cardiac death, Sci. Rep., 9, 3304, https://doi.org/10.1038/s41598-019-40250-0.

17. Faragher, R. G. A. (2021) Simple detection methods for senescent cells: opportunities and challenges, Front. Aging, 2, 686382, https://doi.org/10.3389/fragi.2021.686382.

18. Barbouti, A., Lagopati, N., Veroutis, D., Goulas, V., Evangelou, K., Kanavaros, P., Gorgoulis, V. G., and Galaris, D. (2021) Implication of dietary iron-chelating bioactive compounds in molecular mechanisms of oxidative stress-induced cell ageing, Antioxidants (Basel), 10, 491, https://doi.org/10.3390/antiox10030491.

19. Naseri, N. N., Ergel, B., Kharel, P., Na, Y., Huang, Q., Huang, R., Dolzhanskaya, N., Burre, J., Velinov, M. T., and Sharma, M. (2020) Aggregation of mutant cysteine string protein-alpha via Fe-S cluster binding is mitigated by iron chelators, Nat. Struct. Mol. Biol., 27, 192-201, https://doi.org/10.1038/s41594-020-0375-y.

20. Yin, D. (1996) Biochemical basis of lipofuscin, ceroid, and age pigment-like fluorophores, Free Radic. Biol. Med., 21, 871-888, https://doi.org/10.1016/0891-5849(96)00175-X.

21. Dixon, S. J., Lemberg, K. M., Lamprecht, M. R., Skouta, R., Zaitsev, E. M., Gleason, C. E., Patel, D. N., Bauer, A. J., Cantley, A. M., Yang, W. S., Morrison, B., 3rd, and Stockwell, B. R. (2012) Ferroptosis: an iron-dependent form of nonapoptotic cell death, Cell, 149, 1060-1072, https://doi.org/10.1016/j.cell.2012.03.042.

22. Berndt, C., Alborzinia, H., Amen, V. S., Ayton, S., Barayeu, U., Bartelt, A., Bayir, H., Bebber, C. M., Birsoy, K., Bottcher, J. P., Brabletz, S., Brabletz, T., Brown, A. R., Brune, B., Bulli, G., Bruneau, A., Chen, Q., DeNicola, G. M., Dick, T. P., Distefano, A., Dixon, S. J., Engler, J. B., Esser-von Bieren, J., Fedorova, M., Friedmann Angeli, J. P., Friese, M. A., Fuhrmann, D. C., Garcia-Saez, A. J., Garbowicz, K., Gotz, M., Gu, W., Hammerich, L., Hassannia, B., Jiang, X., Jeridi, A., Kang, Y. P., Kagan, V. E., Konrad, D. B., Kotschi, S., Lei, P., Le Tertre, M., Lev, S., Liang, D., Linkermann, A., Lohr, C., Lorenz, S., Luedde, T., Methner, A., Michalke, B., Milton, A. V., Min, J., Mishima, E., Muller, S., Motohashi, H., Muckenthaler, M. U., Murakami, S., Olzmann, J. A., Pagnussat, G., Pan, Z., Papagiannakopoulos, T., Pedrera Puentes, L., Pratt, D. A., Proneth, B., Ramsauer, L., Rodriguez, R., Saito, Y., Schmidt, F., Schmitt, C., Schulze, A., Schwab, A., Schwantes, A., Soula, M., Spitzlberger, B., Stockwell, B. R., Thewes, L., Thorn-Seshold, O., Toyokuni, S., Tonnus, W., Trumpp, A., Vandenabeele, P., Vanden Berghe, T., Venkataramani, V., Vogel, F. C. E., von Karstedt, S., Wang, F., Westermann, F., Wientjens, C., Wilhelm, C., Wolk, M., Wu, K., Yang, X., Yu, F., Zou, Y., and Conrad, M. (2024) Ferroptosis in health and disease, Redox Biol., 75, 103211, https://doi.org/10.1016/j.redox.2024.103211.

23. Stockwell, B. R. (2022) Ferroptosis turns 10: emerging mechanisms, physiological functions, and therapeutic applications, Cell, 185, 2401-2421, https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.06.003.

24. Yang, W. S., SriRamaratnam, R., Welsch, M. E., Shimada, K., Skouta, R., Viswanathan, V. S., Cheah, J. H., Clemons, P. A., Shamji, A. F., Clish, C. B., Brown, L. M., Girotti, A. W., Cornish, V. W., Schreiber, S. L., and Stockwell, B. R. (2014) Regulation of ferroptotic cancer cell death by GPX4, Cell, 156, 317-331, https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.12.010.

25. Lyamzaev, K. G., Panteleeva, A. A., Simonyan, R. A., Avetisyan, A. V., and Chernyak, B. V. (2023) Mitochondrial lipid peroxidation is responsible for ferroptosis, Cells, 12, 611, https://doi.org/10.3390/cells12040611.

26. Huan, H., Lyamzaev, K. G., Panteleeva, A. A., and Chernyak, B. V. (2024) Mitochondrial lipid peroxidation is necessary but not sufficient for induction of ferroptosis, Front. Cell Dev. Biol., 12, 1452824, https://doi.org/10.3389/fcell.2024.1452824.

27. Lyamzaev, K. G., Huan, H., Panteleeva, A. A., Simonyan, R. A., Avetisyan, A. V., and Chernyak, B. V. (2024) Exogenous iron induces mitochondrial lipid peroxidation, lipofuscin accumulation, and ferroptosis in H9c2 cardiomyocytes, Biomolecules, 14, 730, https://doi.org/10.3390/biom14060730.

28. Lyamzaev, K. G., Panteleeva, A. A., Simonyan, R. A., Avetisyan, A. V., and Chernyak, B. V. (2023) The critical role of mitochondrial lipid peroxidation in ferroptosis: insights from recent studies, Biophys. Rev., 15, 875-885, https://doi.org/10.1007/s12551-023-01126-w.

29. Pap, E. H., Drummen, G. P., Winter, V. J., Kooij, T. W., Rijken, P., Wirtz, K. W., Op den Kamp, J. A., Hage, W. J., and Post, J. A. (1999) Ratio-fluorescence microscopy of lipid oxidation in living cells using C11-BODIPY(581/591), FEBS Lett., 453, 278-282, https://doi.org/10.1016/S0014-5793(99)00696-1.

30. Malavolta, M., Giacconi, R., Piacenza, F., Strizzi, S., Cardelli, M., Bigossi, G., Marcozzi, S., Tiano, L., Marcheggiani, F., Matacchione, G., Giuliani, A., Olivieri, F., Crivellari, I., Beltrami, A. P., Serra, A., Demaria, M., and Provinciali, M. (2022) Simple detection of unstained live senescent cells with imaging flow cytometry, Cells, 11, 2506, https://doi.org/10.3390/cells11162506.

31. Chio, K. S., Reiss, U., Fletcher, B., and Tappel, A. L. (1969) Peroxidation of subcellular organelles: formation of lipofuscinlike fluorescent pigments, Science, 166, 1535-1536, https://doi.org/10.1126/science.166.3912.1535.

32. Pavshintsev, V. V., Podshivalova, L. S., Frolova, O. Y., Belopolskaya, M. V., Averina, O. A., Kushnir, E. A., Marmiy, N. V., and Lovat, M. L. (2017) Effects of mitochondrial antioxidant SkQ1 on biochemical and behavioral parameters in a Parkinsonism model in mice, Biochemistry (Moscow), 82, 1513-1520, https://doi.org/10.1134/S0006297917120100.

33. Konig, J., Ott, C., Hugo, M., Jung, T., Bulteau, A. L., Grune, T., and Hohn, A. (2017) Mitochondrial contribution to lipofuscin formation, Redox Biol., 11, 673-681, https://doi.org/10.1016/j.redox.2017.01.017.

34. Picca, A., Faitg, J., Auwerx, J., Ferrucci, L., and D’Amico, D. (2023) Mitophagy in human health, ageing and disease, Nat. Metab., 5, 2047-2061, https://doi.org/10.1038/s42255-023-00930-8.

35. Pollreisz, A., Messinger, J. D., Sloan, K. R., Mittermueller, T. J., Weinhandl, A. S., Benson, E. K., Kidd, G. J., Schmidt-Erfurth, U., and Curcio, C. A. (2018) Visualizing melanosomes, lipofuscin, and melanolipofuscin in human retinal pigment epithelium using serial block face scanning electron microscopy, Exp. Eye Res., 166, 131-139, https://doi.org/10.1016/j.exer.2017.10.018.

36. Huang, D., Heath Jeffery, R. C., Aung-Htut, M. T., McLenachan, S., Fletcher, S., Wilton, S. D., and Chen, F. K. (2022) Stargardt disease and progress in therapeutic strategies, Ophthalmic Genet., 43, 1-26, https://doi.org/10.1080/13816810.2021.1966053.

37. Stojanovic, A., Roher, A. E., and Ball, M. J. (1994) Quantitative analysis of lipofuscin and neurofibrillary tangles in the hippocampal neurons of Alzheimer disease brains, Dementia, 5, 229-233, https://doi.org/10.1159/000106728.

38. Ulfig, N., Braak, E., and Braak, H. (1989) Changes within the basal nucleus in Parkinson’s disease, Prog. Clin. Biol. Res., 317, 493-500.

39. Moreno-Garcia, A., Kun, A., Calero, O., Medina, M., and Calero, M. (2018) An overview of the role of lipofuscin in age-related neurodegeneration, Front. Neurosci., 12, 464, https://doi.org/10.3389/fnins.2018.00464.

40. Fang, Y., Taubitz, T., Tschulakow, A. V., Heiduschka, P., Szewczyk, G., Burnet, M., Peters, T., Biesemeier, A., Sarna, T., Schraermeyer, U., and Julien-Schraermeyer, S. (2022) Removal of RPE lipofuscin results in rescue from retinal degeneration in a mouse model of advanced Stargardt disease: Role of reactive oxygen species, Free Radic. Biol. Med., 182, 132-149, https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2022.02.025.

41. Kaarniranta, K., Uusitalo, H., Blasiak, J., Felszeghy, S., Kannan, R., Kauppinen, A., Salminen, A., Sinha, D., and Ferrington, D. (2020) Mechanisms of mitochondrial dysfunction and their impact on age-related macular degeneration, Prog. Retin. Eye Res., 79, 100858, https://doi.org/10.1016/j.preteyeres.2020.100858.

42. Muraleva, N. A., Kozhevnikova, O. S., Zhdankina, A. A., Stefanova, N. A., Karamysheva, T. V., Fursova, A. Z., and Kolosova, N. G. (2014) The mitochondria-targeted antioxidant SkQ1 restores alphaB-crystallin expression and protects against AMD-like retinopathy in OXYS rats, Cell Cycle, 13, 3499-3505, https://doi.org/10.4161/15384101.2014.958393.

43. Novikova, Y. P., Gancharova, O. S., Eichler, O. V., Philippov, P. P., and Grigoryan, E. N. (2014) Preventive and therapeutic effects of SkQ1-containing Visomitin eye drops against light-induced retinal degeneration, Biochemistry (Moscow), 79, 1101-1110, https://doi.org/10.1134/S0006297914100113.

44. Oh, M., Yeom, J., Schraermeyer, U., Julien-Schraermeyer, S., and Lim, Y. H. (2022) Remofuscin induces xenobiotic detoxification via a lysosome-to-nucleus signaling pathway to extend the Caenorhabditis elegans lifespan, Sci. Rep., 12, 7161, https://doi.org/10.1038/s41598-022-11325-2.

45. Braak, E., Sandmann-Keil, D., Rub, U., Gai, W. P., de Vos, R. A., Steur, E. N., Arai, K., and Braak, H. (2001) alpha-synuclein immunopositive Parkinson’s disease-related inclusion bodies in lower brain stem nuclei, Acta Neuropathol., 101, 195-201, https://doi.org/10.1007/s004010000247.

46. Klemmensen, M. M., Borrowman, S. H., Pearce, C., Pyles, B., and Chandra, B. (2024) Mitochondrial dysfunction in neurodegenerative disorders, Neurotherapeutics, 21, e00292, https://doi.org/10.1016/j.neurot.2023.10.002.

47. Stefanova, N. A., Muraleva, N. A., Skulachev, V. P., and Kolosova, N. G. (2014) Alzheimer’s disease-like pathology in senescence-accelerated OXYS rats can be partially retarded with mitochondria-targeted antioxidant SkQ1, J. Alzheimers Dis., 38, 681-694, https://doi.org/10.3233/JAD-131034.