Адаптивные изменения в лейкоцитах человека в ответ на длительное пребывание в Антарктиде

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Известно, что окислительный стресс и старение изменяют содержание повтора сателлита III (1q12) (SatIII(1q)) и теломерного повтора (telomere repeat, TR) в ДНК клеток человека. Экстремальные условия Антарктиды потенциально могут влиять на количество этих повторов в клетках крови человека, что может быть связано с угнетением антиоксидантной системы и активацией апоптоза. В данной работе были проанализированы содержание повтора рибосомной ДНК (рДНК), повторов SatIII(1q) и TR в лейкоцитах 11 мужчин – членов экспедиции на станцию Восток в 2019–2020 гг. Для наблюдения динамических изменений в количестве повторяющихся элементов генома и степени окисления ДНК проводили 6 заборов крови: до прибытия в Антарктиду, через 27, 85, 160, 270 и 315 дней зимовки. Для анализа адаптивных изменений измеряли уровни экспрессии генов белков BAX, BCL2, NOX4, NRF2, SOD1, HIF1. Удалось обнаружить снижение содержания SatIII(1q) и увеличение содержания TR на фоне стабильного содержания рДНК в клетках крови людей в ходе зимовки. Эти изменения наряду со снижением маркера окисления 8-oxodG в ДНК ассоциированы с увеличением активности гена NOX4, снижением активности гена NRF2, а также увеличением экспрессии гена проапоптотического белка BAX. Таким образом, зимовка в Антарктиде стимулирует в организме человека адаптивный ответ, который включает усиление элиминации из кровотока "балластных" клеток с высоким уровнем окисления ДНК, с высоким содержанием повтора SatIII(1q) и низким содержанием TR. В развитии ответа значительную роль может играть повышение уровня АФК вследствие хронической активации гена NOX4 на фоне блокирования активности гена антиокислительного транскрипционного фактора NRF2.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. Н. Вейко

ФГБНУ Медико-генетический научный центр имени академика Н.П. Бочкова

Email: shmarov.v.a@gmail.com
Россия, Москва

Е. С. Ершова

ФГБНУ Медико-генетический научный центр имени академика Н.П. Бочкова

Email: shmarov.v.a@gmail.com
Россия, Москва

Е М. Малиновская

ФГБНУ Медико-генетический научный центр имени академика Н.П. Бочкова

Email: shmarov.v.a@gmail.com
Россия, Москва

Е. А. Савинова

ФГБНУ Медико-генетический научный центр имени академика Н.П. Бочкова

Email: shmarov.v.a@gmail.com
Россия, Москва

Ю. М. Чудакова

ФГБНУ Медико-генетический научный центр имени академика Н.П. Бочкова

Email: shmarov.v.a@gmail.com
Россия, Москва

Ю. И. Елисеева

ФГБНУ Медико-генетический научный центр имени академика Н.П. Бочкова

Email: shmarov.v.a@gmail.com
Россия, Москва

С. В. Костюк

ФГБНУ Медико-генетический научный центр имени академика Н.П. Бочкова

Email: shmarov.v.a@gmail.com
Россия, Москва

А. А. Садова

ФГБУН ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАН

Email: shmarov.v.a@gmail.com
Россия, Москва

В. А. Шмаров

ФГБУН ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: shmarov.v.a@gmail.com
Россия, Москва

М. П. Рыкова

ФГБУН ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАН

Email: shmarov.v.a@gmail.com
Россия, Москва

Н. Ю. Осецкий

ФГБУН ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАН

Email: shmarov.v.a@gmail.com
Россия, Москва

С. А. Пономарёв

ФГБУН ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАН

Email: shmarov.v.a@gmail.com
Россия, Москва

Список литературы

  1. de Koning A.P., Gu W., Castoe T.A. et al. Repetitive elements may comprise over two-thirds of the human genome // PLoS Genet. 2011. V. 7. № 12. P. e1002384.
  2. Monlong J., Cossette P., Meloche C. et al. Human copy number variants are enriched in regions of low mappability // Nucleic Acids Res. 2018. V. 46. № 14. P. 7236.
  3. Brahmachary M., Guilmatre A., Quilez J. et al. Digital genotyping of macrosatellites and multicopy genes reveals novel biological functions associated with copy number variation of large tandem repeats // PLoS Genet. 2014. V. 10. № 6. P. e1004418.
  4. Warburton P.E., Hasson D., Guillem F. et al. Analysis of the largest tandemly repeated DNA families in the human genome // BMC Genomics. 2008. V. 9. P. 533.
  5. Black E.M., Giunta S. Repetitive fragile sites: Centromere satellite DNA as a source of genome instability in human diseases // Genes (Basel). 2018. V. 9. № 12. P. 615.
  6. Hannan A.J. Tandem repeats mediating genetic plasticity in health and disease // Nat. Rev. Genet. 2018. V. 19. № 5. P. 286.
  7. Вейко Н.Н., Еголина Н.А., Радзивил Г.Г. и др. Количественное определение повторяющихся последовательностей в геномной ДНК человека. Обнаружение увеличенного количества рибосомных повторов в геномах больных шизофренией (результаты молекулярного и цитогенетического анализов) // Молекулярная биология. 2003. Т. 37. № 3. С. 409.
  8. Korzeneva I.B., Kostuyk S.V., Ershova E.S. et al. Human circulating ribosomal DNA content significantly increases while circulating satellite III (1q12) content decreases under chronic occupational exposure to low-dose gamma- neutron and tritium beta-radiation // Mutat. Res. 2016. V. 791–792. P. 49.
  9. Malinovskaya E.M., Ershova E.S., Golimbet V.E. et al. Copy number of human ribosomal genes with aging: Unchanged mean, but narrowed range and decreased variance in elderly group // Front. Genet. 2018. V. 9. P. 306.
  10. Ershova E.S., Malinovskaya E.M., Konkova M.S. et al. Copy number variation of human Satellite III (1q12) with aging // Front. Genet. 2019. V. 10. P. 704.
  11. Ershova E.S., Agafonova O.N., Zakharova N.V. et al. Copy number variation of Satellite III (1q12) in patients with schizophrenia // Front. Genet. 2019. V. 10. P. 1132.
  12. Ershova E.S., Savinova E.A., Kameneva L.V. et al. Satellite III (1q12) copy number variation in cultured human skin fibroblasts from schizophrenic patients and healthy controls // Front. Biosci. 2023. V. 28. № 8. P. 191.
  13. Konkova M.S., Ershova E.S., Savinova E.A. et al. 1Q12 loci movement in the interphase nucleus under the action of ROS is an important component of the mechanism that determines copy number variation of Satellite III (1q12) in health and schizophrenia // Front. Cell Dev. Biol. 2020. V. 8. P. 386.
  14. Veiko N.N., Ershova E.S., Veiko R.V. et al. Mild cognitive impairment is associated with low copy number of ribosomal genes in the genomes of elderly people // Front. Genet. 2022. V. 13. P. 967448.
  15. Chestkov I.V., Jestkova E.M., Ershova E.S. et al. Abundance of ribosomal RNA gene copies in the genomes of schizophrenia patients // Schizophr. Res. 2018. V. 197. P. 305.
  16. Li S., Otsuka I., Tanifuji T. et al. Ribosomal DNA gene copies are increased in blood and brain of Japanese schizophrenia patients // PLoS One. 2023. V. 18. № 1. P. e0280694.
  17. Porokhovnik L.N., Veiko N.N., Ershova E.S., Kostyuk S.V. The role of human Satellite III (1q12) copy number variation in the adaptive response during aging, stress, and pathology: A pendulum model // Genes (Basel). 2021. V. 12. №10. P. 1524.
  18. Cooke H.J., Hindley J. Cloning of human satellite III DNA: different components are on different chromosomes // Nucleic Acids Res. 1979. V. 6. № 10. P. 3177.
  19. Umriukhin P.E., Ershova E.S., Filev A.D. et al. The psychoemotional stress-induced changes in the abundance of SatIII (1q12) and telomere repeats, but not ribosomal DNA, in human leukocytes // Genes (Basel). 2022. V. 13. № 2. P. 343.
  20. Valgardsdottir R., Chiodi I., Giordano M. et al. Transcription of Satellite III non-coding RNAs is a general stress response in human cells // Nucleic Acids Res. 2008. V. 36. № 2. P. 423.
  21. Bersani F., Lee E., Kharchenko P.V. et al. Pericentromeric satellite repeat expansions through RNA-derived DNA intermediates in cancer // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2015. V. 112. № 49. P. 15148.
  22. Turner K.J., Vasu V., Griffin D.K. Telomere biology and human phenotype // Cells. 2019. V. 8. № 1. P. 73.
  23. Blackburn E.H., Epel E.S., Lin J. Human telomere biology: A contributory and interactive factor in aging, disease risks, and protection // Science. 2015. V. 350. № 6265. P. 1193.
  24. Shay J.W. Telomeres and aging // Curr. Opin. Cell Biol. 2018. V. 52. P. 1.
  25. Gomes N.M., Ryder O.A., Houck M.L. et al. Comparative biology of mammalian telomeres: hypotheses on ancestral states and the roles of telomeres in longevity determination // Aging Cell. 2011. V. 10. № 5. P. 761.
  26. Barnes R.P., Fouquerel E., Opresko P.L. The impact of oxidative DNA damage and stress on telomere homeostasis // Mech. Ageing Dev. 2019. V. 177. P. 37.
  27. Shigenaga M.K., Ames B.N. Assays for 8-hydroxy-2’-deoxyguanosine: a biomarker of in vivo oxidative DNA damage // Free Radic. Biol. Med. 1991. V. 10. № 3–4. P. 211.
  28. Pilger A., Rüdiger H.W. 8-Hydroxy-2’-deoxyguanosine as a marker of oxidative DNA damage related to occupational and environmental exposures // Int. Arch. Occup. Environ. Health. 2006. V. 80. № 1. P. 1.
  29. Guo S., Chen X. The human Nox4: Gene, structure, physiological function and pathological significance // J. Drug Target. 2015. V. 23. № 10. P. 888.
  30. Kasai S., Shimizu S., Tatara Y. et al. Regulation of Nrf2 by mitochondrial reactive oxygen species in physiology and pathology // Biomolecules. 2020. V. 10. № 2. P. 320.
  31. Mir S., Golden B.D.O., Griess B.J. et al. Upregulation of Nox4 induces a pro-survival Nrf2 response in cancer-associated fibroblasts that promotes tumorigenesis and metastasis, in part via Birc5 induction // Breast Cancer Res. 2022. V. 24. № 1. P. 48.
  32. Milani P., Ambrosi G., Gammoh O. et al. SOD1 and DJ-1 converge at Nrf2 pathway: a clue for antioxidant therapeutic potential in neurodegeneration // Oxid. Med. Cell. Longev. 2013. V. 2013. P. 836760.
  33. Niwa J., Yamada S., Ishigaki S. et al. Disulfide bond mediates aggregation, toxicity, and ubiquitylation of familial amyotrophic lateral sclerosis-linked mutant SOD1 // J. Biol. Chem. 2007. V. 282. № 38. P. 28087.
  34. Bi Z., Zhang Q., Fu Y. et al. Nrf2 and HIF1α converge to arsenic-induced metabolic reprogramming and the formation of the cancer stem-like cells // Theranostics. 2020. V. 10. № 9. P. 4134.
  35. Yu H., Chen B., Ren Q. Baicalin relieves hypoxia-aroused H9c2 cell apoptosis by activating Nrf2/HO-1-mediated HIF1α/BNIP3 pathway // Artif. Cells Nanomed. Biotechnol. 2019. V. 47. № 1. P. 3657.
  36. Di Gregorio J., Cilenti L., Ambivero C.T. et al. UBXN7 cofactor of CRL3KEAP1 and CRL2VHL ubiquitin ligase complexes mediates reciprocal regulation of NRF2 and HIF-1α proteins // Biochim. Biophys. Acta Mol. Cell Res. 2021. V. 1868. № 4. P. 118963.
  37. Oltvai Z.N., Milliman C.L., Korsmeyer S.J. Bcl-2 heterodimerizes in vivo with a conserved homolog, Bax, that accelerates programmed cell death // Cell. 1993. V. 74. № 4. P. 609.
  38. Hardwick J.M, Soane L. Multiple functions of BCL-2 family proteins // Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 2013. V. 5. № 2. P. a008722.
  39. Korsmeyer S.J., Shutter J.R., Veis D.J. et al. Bcl-2/Bax: A rheostat that regulates an anti-oxidant pathway and cell death // Semin. Cancer Biol. 1993. V. 4. № 6. P. 327.
  40. Ershova E.S., Savinova E.A., Kameneva L.V. et al. Antipsychotics affect Satellite III (1q12) copy number variations in the cultured human skin fibroblasts // Int. J. Mol. Sci. 2023. V. 24. № 14. P. 11283.
  41. Ershova E.S., Jestkova E.M., Chestkov I.V. et al. Quantification of cell-free DNA in blood plasma and DNA damage degree in lymphocytes to evaluate dysregulation of apoptosis in schizophrenia patients // J. Psychiatr. Res. 2017. V. 87. P. 15.
  42. Kuwabara T., Naruiwa N., Kawabe T. et al. Human change and adaptation in Antarctica: Psychological research on Antarctic wintering-over at Syowa station // Int. J. Circumpolar Health. 2021. V. 80. № 1. P. 1886704.
  43. Yadav A.P., Mishra K.P., Ganju L., Singh S.B. Wintering in Antarctica: Impact on immune response of Indian expeditioners // Neuroimmunomodulation. 2012. V. 19. № 6. P. 327.
  44. Ikeda A., Ohno G., Otani S. et al. Disease and injury statistics of Japanese Antarctic research expeditions during the wintering period: evaluation of 6837 cases in the 1st–56th parties – Antarctic health report in 1956–2016 // Int. J. Circumpolar Health. 2019. V. 78. № 1. P. 1611327.
  45. Van Ombergen A., Rossiter A., Ngo-Anh T.J. “White Mars” – nearly two decades of biomedical research at the Antarctic Concordia station // Exp. Physiol. 2021. V. 106. № 1. P. 6.
  46. Mrakic-Sposta S., Montorsi M., Porcelli S. et al. Effects of prolonged exposure to hypobaric hypoxia on oxidative stress: Overwintering in Antarctic Concordia Station // Oxid. Med. Cell. Longev. 2022. V. 2022. P. 4430032.
  47. O’Brien K.A., Pollock R.D., Stroud M. et al. Human physiological and metabolic responses to an attempted winter crossing of Antarctica: the effects of prolonged hypobaric hypoxia // Physiol. Rep. 2018. V. 6. № 5. P. e13613.
  48. Моруков Б.В., Рыкова М.П., Антропова Е.Н. и др. Иммунологические аспекты пилотируемого марсианского полета // Физиология человека. 2013. Т. 39. № 2. С. 19.
  49. Ponomarev S., Kutko O., Rykova M. et al. Changes in the cellular component of the human innate immunity system in short-term isolation // Acta Astronautica. 2020. V. 166. P. 89.
  50. Ponomarev S., Kalinin S., Sadova A. et al. Immunological Aspects of Isolation and Confinement // Front. Immunol. 2021. V. 12. P. 697435.
  51. Junghans P., Schrader G., Faust H. et al. Studies of the protein and the energy metabolism in man during a wintering in Antarctica // Isotopes Environ. Health Stud. 2012. V. 48. № 2. P. 208.
  52. Ershova E.S., Shmarina G.V., Martynov A.V. et al. NADPH-oxidase 4 gene over-expression in peripheral blood lymphocytes of the schizophrenia patients // PLoS One. 2022. V. 17. № 6. P. e0269130.
  53. Enukashvily N.I., Donev R., Waisertreiger I.S., Podgornaya O.I. Human chromosome 1 satellite 3 DNA is decondensed, demethylated and transcribed in senescent cells and in A431 epithelial carcinoma cells // Cytogenet. Genome Res. 2007. V. 118. № 1. P. 42.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Общая схема эксперимента.

Скачать (426KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Изменения содержания трех тандемных повторов в ДНК, выделенной из клеток крови зимовщиков. А – содержание повтора SatIII(1q) в образцах ДНК, выделенных из клеток крови каждого зимовщика (а), и анализ изменений содержания SatIII(1q) у зимовщиков в условиях работы на станции по сравнению с периодом до прибытия на станцию (б); Б – содержание повтора TR в образцах ДНК, выделенных из клеток крови каждого зимовщика (а), и анализ изменений содержания повтора TR в условиях работы на станции по сравнению с периодом до прибытия на станцию (б); В – содержание рДНК в образцах ДНК, выделенных из клеток крови каждого зимовщика (а), и анализ изменений содержания рДНК в условиях работы на станции по сравнению с периодом до прибытия на станцию (б); Г – изменения в содержании повторов в клетках, полученных от зимовщиков в точках I–V, по сравнению с контролем (СА). Точки I–IV: N = 11 образцов ДНК; V: N = 9. * – содержание повторов в группе I–V отличается от содержания в контрольной группе (p < 0.01). Д – зависимость содержания (а) и изменения содержания (б) TR в ДНК от содержания и изменения содержания повтора SatIII(1q). Приводятся данные корреляционного анализа Спирмена (Rs и p). На рисунках А–В приводится среднее значение для трех измерений и ошибка измерения (SE). Темно-серый цвет столбиков – пробы крови получены до прибытия на станцию (проба СА). Серый цвет – пробы, полученные в период полярного дня. Черный цвет – пробы, полученные в период полярной ночи. На рисунках А–В белый цвет в таблицах – значение параметра не изменилось (p > 0.05, U-test); серый – значение параметра отличается от контроля (p < 0.05).

Скачать (673KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Повреждения ДНК клеток крови зимовщиков. А – содержание маркера окисления 8-oxodG в образцах ДНК, выделенных из клеток крови каждого зимовщика (а), изменения в содержании 8-oxodG в образцах ДНК в точках I-V по сравнению с контролем (СА) (б), анализ изменений 8-oxodG в условиях работы на станции по сравнению с периодом до прибытия на станцию (в). Б – зависимость изменения содержания SatIII(1q) (а) и содержания TR (б) в ДНК от изменения уровня маркера окисления 8-oxodG. Приводятся данные корреляционного анализа Спирмена (Rs и p). В – содержание РНК SATIII(1q) в образцах РНК, выделенных из клеток крови каждого зимовщика (а), изменения в содержании РНК SATIII(1q) в образцах РНК в точках I–V, по сравнению с контролем (СА) (б), анализ изменений содержания РНК SATIII(1q) в условиях работы на станции по сравнению с периодом до прибытия на станцию (в). На графиках A, a и В, а приводятся средние значения для трех измерений и ошибка измерения (SE). Темно-серый цвет столбиков – пробы крови получены до прибытия на станцию (проба СА), светло-серый цвет – пробы, полученные в период полярного дня, черный цвет – пробы, полученные в период полярной ночи. На графиках А, б и В, б точки I–IV: N = 11 образцов; V: N = 9, * – содержание повторов в группе I–V отличается от содержания в контрольной группе (p < 0.01). Белый цвет в таблицах (А, в и В, в) – значение параметра не изменилось (p > 0.05, U-test); темный – повышалось; * обозначены пробы, в которых параметр снижался.

Скачать (810KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Изменения в уровне РНК генов, контролирующих уровень окислительного стресса и гибель клеток. А – изменения в количестве РНК генов NOX4, NRF2 (NFE2L2), SOD1 и HIF1A, регулирующих уровень АФК в клетках, в точках I–V по сравнению с контролем (см. табл. 1). Б – изменения в количестве РНК генов BAX, BCL2, регулирующих апоптоз в клетках, и отношения РНК(BAX/BCL2) в точках I–V по сравнению с контролем (см. табл. 2). В – корреляционный анализ (по Спирмену) связей между изменениями анализируемых в работе генов. Г – зависимость изменений отношения РНК(BAX/BCL2) от изменений RNA NOX4. Д – корреляционный анализ связей между параметрами ДНК и РНК SATIII(1q), выделенных из клеток, и изменениями в количестве РНК анализируемых в работе генов. Е – анализ корреляций между изменениями в уровне РНК SATIII(1q) и изменениями в уровне РНКSOD1 (а) и РНК HIF1 (б), зависимость изменений в содержании TR от показателя, отражающего уровень апоптоза (в).

Скачать (694KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Схема, иллюстрирующая изменения в содержании повторов SatIII(1q) и TR в клетках крови зимовщиков.

Скачать (190KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024