Экспрессия эффекторов апоптоза, аутофагии и некроптоза в клетках гиппокампа крыс после избыточного потребления F-

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе исследовали экспрессию маркеров апоптоза, аутофагии и некроптоза в клетках гиппокампа крыс после длительного потребления избыточных доз F- на уровне транскрипции и трансляции. Самцы крыс Wistar были разделены на 4 группы, получавшие 0.4 (контроль), 5, 20 и 50 мг/л F- (в виде NaF) в течение 12 месяцев. Изменения содержания эффекторов митохондриального (Bcl-2, Bax, каспазы-9, каспазы-3) и рецепторного (каспазы-8, Fas) путей апоптоза, посредников (Ulk-1, Beclin-1) и модуляторов (AMPK, Akt, mTOR) аутофагии, а также некроптоза (RIP и MLKL) в клетках оценивали методом иммуноблоттинга, экспрессию генов (Bcl2, Bax, Casp3, Ulk1, Beclin1, Prkaa1, Akt и mTor) – методом ПЦР в реальном времени. В гиппокампе животных, подвергавшихся действию F-, снижалось соотношение экспрессии генов Bcl2/Bax и белков Bcl-2/Bax, активировались каспаза-9 и каспаза-3, однако уровень каспазы-8 и мембранного рецептора Fas оставался стабильным. Длительное потребление F- не оказало влияния на содержание инициаторного белка аутофагии Ulk-1 и протеинкиназ AMPK, Akt и mTOR, но привело к ингибированию ключевого посредника аутофагии Beclin-1. Уровни экспрессии эффекторов некроптоза RIP и MLKL также не изменялись в клетках гиппокампа крыс, получавших избыток F-. Таким образом, длительное воздействие F- сопровождалось активацией апоптоза, преимущественно по митохондриальному пути, на фоне подавления аутофагии.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

О. В. Надей

Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН

Email: nagalak@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург

Н. И. Агалакова

Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: nagalak@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Johnston NR, Strobel SA (2020) Principles of fluoride toxicity and the cellular response: a review. Arch Toxicol 94(4): 1051–1069. https://doi.org/10.1007/s00204-020-02687-5
  2. Shaji E, Sarath KV, Santosh M, Krishnaprasad PK, Arya BK, Manisha S Babu (2024) Fluoride contamination in groundwater: a global review of the status, processes, challenges, and remedial measures. Geosci Front 15: 101734. https://doi.org/10.1016/j.gsf.2023.101734
  3. Макеева ИМ, Волков АГ, Мусиев АА (2017) Эндемический флюороз зубов – причины, профилактика и лечение. Росс стоматол журн 21(6): 340–344. [Makeeva IM, Volkov AG, Musiev AA (2017) Endemic fluorosis of teeth – causes, prevention and treatment. Russ Stomatol J 21(6): 340–344. (In Russ)].
  4. Lubojanski A, Piesiak-Panczyszyn D, Zakrzewski W, Dobrzynski W, Szymonowicz M, Rybak Z, Mielan B, Wiglusz RJ, Watras A, Dobrzynski M (2023) The safety of fluoride compounds and their effect on the human body-a narrative review. Materials (Basel) 16(3): 1242. https://doi.org/10.3390/ma16031242
  5. Taher MK, Momoli F, Go J, Hagiwara S, Ramoju S, Hu X, Jensen N, Terrell R, Hemmerich A, Krewski D (2024) Systematic review of epidemiological and toxicological evidence on health effects of fluoride in drinking water. Crit Rev Toxicol 6: 1–33. https://doi.org/10.1080/10408444.2023.2295338
  6. Petrović B, Kojić S, Milić L, Luzio A, Perić T, Marković E, Stojanović GM (2023) Toothpaste ingestion-evaluating the problem and ensuring safety: systematic review and meta-analysis. Front Public Health 11: 1279915. https://doi.org/10.3389/fpubh.2023.1279915
  7. Veneri F, Iamandii I, Vinceti M, Birnbaum LS, Generali L, Consolo U, Filippini T (2023) Fluoride exposure and skeletal fluorosis: a systematic review and dose-response meta-analysis. Curr Environ Health Rep 10(4): 417–441. https://doi.org/10.1007/s40572-023-00412-9
  8. Agalakova NI, Nadei OV (2020) Inorganic fluoride and functions of brain. Crit Rev Toxicol 50(1): 28–46. https://doi.org/10.1080/10408444.2020.1722061
  9. Ottappilakkil H, Babu S, Balasubramanian S, Manoharan S, Perumal E (2023) Fluoride induced neurobehavioral impairments in experimental animals: a brief review. Biol Trace Elem Res 201(3): 1214–1236. https://doi.org/10.1007/s12011-022-03242-2
  10. Veneri F, Vinceti M, Generali L, Giannone ME, Mazzoleni E, Birnbaum LS, Consolo U. Filippini T (2023) Fluoride exposure and cognitive neurodevelopment: systematic review and dose-response meta-analysis. Environ Res 221: 115239. https://doi.org/10.1016/j.envres.2023.115239
  11. Nadei OV, Khvorova IA, Agalakova NI (2020) Cognitive decline of rats with chronic fluorosis is associated with alterations in hippocampal calpain signaling. Biol Trace Elem Res 197(2): 495–506. https://doi.org/10.1007/s12011-019-01993-z
  12. Надей ОВ, Иванова ТИ, Суфиева ДА, Агалакова НИ (2020) Морфологические изменения нейронов гиппокампа крыс как результат избыточного потребления фтора. Журн анат гистопатол 9(2): 53–60. [Nadei OV, Ivanova TI, Sufieva DA, Agalakova NI (2020) Morphological Changes of the Rat Hippocampal Neurons Following Excessive Fluoride Consumption. J Anat Histopathol 9(2): 53–60. (In Russ)]. https://doi.org/10.18499/2225-7357-2020-9-2-53-60
  13. Newton K, Strasser A, Kayagaki N, Dixit VM (2024) Cell death. Cell 187(2): 235–256. https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.11.044
  14. Ai Y, Meng Y, Yan B, Zhou Q, Wang X (2024) The biochemical pathways of apoptotic, necroptotic, pyroptotic, and ferroptotic cell death. Mol Cell 84(1): 170–179. https://doi.org/10.1016/j.molcel.2023.11.040
  15. Gupta R, Ambasta RK, Pravir Kumar (2021) Autophagy and apoptosis cascade: which is more prominent in neuronal death? Cell Mol Life Sci 78(24): 8001–8047. https://doi.org/10.1007/s00018-021-04004-4
  16. Deng Z, Zhou X, Lu JH, Yue Z (2021) Autophagy deficiency in neurodevelopmental disorders. Cell Biosci 11(1): 214. https://doi.org/10.1186/s13578-021-00726-x
  17. Liénard C, Pintart A, Bomont P (2024) Neuronal autophagy: regulations and implications in health and disease. Cells 13(1): 103. https://doi.org/10.3390/cells13010103
  18. Agalakova NI, Gusev GP (2013) Excessive fluoride consumption leads to accelerated death of erythrocytes and anemia in rats. Biol Trace Elem Res 153(1–3): 340–349. https://doi.org/10.1007/s12011-013-9691-y
  19. Baselt RC (2004) Disposition of Toxic Drugs and Chemicals in Man. 7th ed. Biomedical Publications. Foster City. CA. 468–470. https://doi.org/10.1373/clinchem.2004.039271
  20. Nadei OV, Agalakova NI (2024) Optimal reference genes for RT-qPCR experiments in hippocampus and cortex of rats chronically exposed to excessive fluoride. Biol Trace Elem Res 202(1): 199–209. https://doi.org/10.1007/s12011-023-03646-8
  21. King LE, Hohorst L, Garcıá-Sáez AJ (2023) Expanding roles of BCL-2 proteins in apoptosis execution and beyond. J Cell Sci 136(22): jcs260790. https://doi.org/10.1242/jcs.260790
  22. Gong Q, Wang H, Zhou M, Zhou L, Wang R, Li Y (2024) B-cell lymphoma-2 family proteins in the crosshairs: Small molecule inhibitors and activators for cancer therapy. Med Res Rev 44(2): 707–737. https://doi.org/10.1002/med.21999
  23. Dixit VM (2023) The road to death: caspases, cleavage, and pores. Science Adv 9(17): eadi2011. https://doi.org/10.1126/sciadv.adi2011
  24. Sahoo G, Samal D, Khandayataray P, Murthy MK (2023) Review on caspases: key regulators of biological activities and apoptosis. Mol Neurobiol 60(10): 5805–5837. https://doi.org/10.1007/s12035-02-03433-5
  25. Ribeiro DA, Cardoso CM, Yujra VQ, De Barros Viana M, Aguiar O Jr, Pisani LP, Oshima CT (2017) Fluoride induces apoptosis in mammalian cells: in vitro and in vivo studies. Anticancer Res 37: 4767–4777. https://doi.org/10.21873/anticanres.11883
  26. Angwa LM, Nyadanu SD, Kanyugo AM, Adampah T, Pereira G (2023) Fluoride-induced apoptosis in non-skeletal tissues of experimental animals: A systematic review and meta-analysis. Heliyon 9(8): e18646. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e18646
  27. Sun Y, Ke L, Zheng X, Li T, Ouyang W, Zhang Z (2017) Effects of different levels of calcium intake on brain cell apoptosis in fluorosis rat offspring and its molecular mechanisms. Biol Trace Elem Res 176(2): 355–366. https://doi.org/10.1007/s12011-016-0850-9
  28. Wei N, Dong YT, Deng J, Wang Y, Qi XL, Yu WF, Xiao Y, Zhou JJ, Guan ZZ (2018) Changed expressions of N-methyl-d-aspartate receptors in the brains of rats and primary neurons exposed to high level of fluoride. J Trace Elem Med Biol 45: 31–40. https://doi.org/10.1016/j.jtemb.2017.09.020
  29. Liu YJ, Guan ZZ, Gao Q, Pei JJ (2011) Increased level of apoptosis in rat brains and SH-SY5Y cells exposed to excessive fluoride – a mechanism connected with activating JNK phosphorylation. Toxicol Lett 204: 183–189. https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2011.04.030
  30. Wang C, Liang C, Ma J, Manthari RK, Niu R, Wang J, Wang J, Zhang J (2018) Co-exposure to fluoride and sulfur dioxide on histological alteration and DNA damage in rat brain. J Biochem Mol Toxicol 32(2). https://doi.org/10.1002/jbt.22023
  31. Tang Y, Zhang J, Hu Z, Xu W, Xu P, Ma Y, Xing H, Niu Q (2023) PRKAA1 induces aberrant mitophagy in a PINK1/Parkin-dependent manner, contributing to fluoride-induced developmental neurotoxicity. Ecotoxicol Environ Saf 255: 114772. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2023.114772
  32. Yan N, Liu Y, Liu S, Cao S, Wang F, Wang Z, Xi S (2016) Fluoride-induced neuron apoptosis and expressions of inflammatory factors by activating microglia in rat brain. Mol Neurobiol 53: 4449–4460. https://doi.org/10.1007/s12035-015-9380-2
  33. Liao Q, Zhang R, Wang X, Nian W, Ke L, Ouyang W, Zhang Z (2017) Effect of fluoride exposure on mRNA expression of cav1.2 and calcium signal pathway apoptosis regulators in PC12 cells. Environ Toxicol Pharmacol 54: 74–79. https://doi.org/10.1016/j.etap.2017.06.018
  34. Tu W, Zhang Q, Liu Y, Han L, Wang Q, Chen P, Zhang S, Wang A, Zhou X (2018) Fluoride induces apoptosis via inhibiting SIRT1 activity to activate mitochondrial p53 pathway in human neuroblastoma SH-SY5Y cells. Toxicol Appl Pharmacol 347: 60–69. https://doi.org/10.1016/j.taap.2018.03.030
  35. Chen J, Rodriguez AS, Morales MA, Fang X (2023) Autophagy modulation and its implications on glioblastoma treatment. Curr Issues Mol Biol 45(11): 8687–8703. https://doi.org/10.3390/cimb45110546
  36. Menon MB, Dhamija S (2018) Beclin 1 Phosphorylation – at the center of autophagy regulation. Front Cell Dev Biol 6: 137. https://doi.org/10.3389/fcell.2018.00137
  37. Rong Z, Zheng K, Chen J, Jin X (2022) Function and regulation of ULK1: From physiology to pathology. Gene 840: 146772. https://doi.org/10.1016/j.gene.2022.146772
  38. Prerna K, Dubey VK (2022) Beclin1-mediated interplay between autophagy and apoptosis: new understanding. Int J Biol Macromol 204: 258–273. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.02.005
  39. Niu Q, Chen J, Xia T, Li P, Zhou G, Xu C, Zhao Q, Dong L, Zhang S, Wang A (2018) Excessive ER stress and the resulting autophagic flux dysfunction contribute to fluoride-induced neurotoxicity. Environ Pollut 233: 889–899. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2017.09.015
  40. Han X, Tang Y, Zhang Y, Zhang J, Hu Z, Xu W, Xu S, Niu Q (2022) Impaired V-ATPase leads to increased lysosomal pH, results in disrupted lysosomal degradation and autophagic flux blockage, contributes to fluoride-induced developmental neurotoxicity. Ecotoxicol Environ Saf 236: 113500. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2022.113500
  41. Zhang L, Hu Z, Li Z, Lin Y (2024) Crosstalk among mitophagy, pyroptosis, ferroptosis, and necroptosis in central nervous system injuries. Neural Regen Res 19(8): 1660–1670. https://doi.org/10.4103/1673-5374.389361

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Изменения экспрессии антиапоптотического белка Bcl-2 и проапоптотического белка Bax в гиппокампе крыс после воздействия F- на уровне транскрипции и трансляции. (a) – Уровни экспрессии генов Bcl2 и Bax в клетках гиппокампа, нормализованные по отношению к экспрессии пары референсных генов Eef1a1+Ppia (средние значения ± SE, n = 7–9). (b) – Репрезентативные иммуноблоты для одной крысы из каждой группы. (c) – Среднее содержание белков Bcl-2 и Bax ± SE в клетках гиппокампа, рассчитанное по отношению к оптической плотности референсного белка GAPDH (n = 7). (d) – Отношение экспрессии генов Bcl-2 и Bax. (e) – Соотношение уровней белка Bcl-2 и Bax. * p < 0.05, ** p < 0.01, *** p < 0.001 по сравнению с контрольной группой (Con).

Скачать (204KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Уровень каспазы-9 в гиппокампе крыс, потреблявших избыток F-. (a) – Типичные примеры иммуноблотов нативной формы каспазы-9 и активной каспазы-9 для одной крысы из каждой экспериментальной группы. (b) – Среднее содержание ± SE двух форм каспазы-9, нормализованное по GAPDH (n = 5). * p < 0.05, *** p < 0.001 по сравнению с контролем.

Скачать (91KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Стимуляция каспазы-3 в гиппокампе крыс, потреблявших избыток F-. (a) – Уровни Casp3 мРНК в клетках гиппокампа крыс всех экспериментальных групп (средние значения ± SE, n = 8–10). (b) – Типичные примеры иммуноблотов нативной формы каспазы-3 и активной каспазы-3 для одной крысы из каждой экспериментальной группы. (c) – Среднее содержание ± SE двух форм каспазы-3, нормализованное по GAPDH. (d) – Изменения соотношения уровней прокаспазы-3 и активной каспазы-3 (n = 6). * p < 0.05, ** p < 0.01, *** p < 0.001 по сравнению с контролем.

Скачать (156KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Экспрессия на уровне белка двух форм каспазы-8 и рецепторов Fas в клетках гиппокампа крыс после длительного воздействия F-. (a) – Пример иммуноблотов для одного животного из каждой группы. (b) – Среднее содержание белков каспазы-8 и Fas ± SE в клетках, рассчитанное по отношению к содержанию референсного белка GAPDH (n = 4).

Скачать (120KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Экспрессия посредников аутофагии в гиппокампе крыс, подверженных воздействию F-. (a) – Типичные иммуноблоты и средние уровни ± SE белка ULK-1 в клетках гиппокампа крыс, получавших разные дозы F- (n = 7). (b) – Изменения экспрессии гена Beclin1 в гиппокампе животных, получавших избыток F-, на уровне транскрипции (n = 6). (c) – Изменения содержания белка Beclin-1 в гиппокампе животных после длительного потребления F- (n = 6). Показаны типичные иммуноблоты для одного животного из каждой группы и средние значения ± SE нативной и фосфорилированной форм (Ser30) Beclin-1. * p < 0.05, ** p < 0.01, *** p < 0.001, # p < 0.0001 по сравнению с контролем.

Скачать (135KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Экспрессия модуляторов аутофагии AMPK, Akt и mTOR в гиппокампе крыс, получавших избыток F-, на уровне транскрипции и трансляции. (a) – Уровни экспрессии генов Prkaa1, Akt и mTOR в клетках гиппокампа крыс. (b) – Репрезентативные иммуноблоты для одного животного из каждой группы. (c) – Средние значения ± SE содержания AMPK, Akt и mTOR на уровне белка (n = 5).

Скачать (166KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Уровни белков RIP и MLKL в гиппокампе крыс, получавших разные дозы F-. (a) – Показательные иммуноблоты для одного животного из каждой группы. (b) – Средние значения содержания ± SE белков RIP и MLKL в клетках гиппокампа (n = 5).

Скачать (85KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024