Экспрессия миоглобина опухолевыми клетками и его роль в развитии заболевания

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

В обзоре рассмотрены имеющиеся в литературе данные об экспрессии миоглобина в различных опухолях и клеточных линиях опухолевых клеток немышечной природы и о влиянии на этот процесс гипоксии, активных форм кислорода и азота, гормонов, факторов роста, пола и возраста. Проанализированы также данные о влиянии опухолевого миоглобина на процессы, протекающие в клетках – окислительный стресс, ингибирование митохондриального дыхания оксидом азота и метаболизм жирных кислот, как в случае собственной эндогенной экспрессии небольших количеств (~ 1 мкМ) миоглобина, так и при сверхэкспрессии белка (~ 150 мкМ) посредством встроенного в геном опухолевой клетки миоглобинового гена. Сделано заключение, что индуцируемая гипоксией собственная экспрессия малых концентраций миоглобина благодаря его способности утилизировать активные формы кислорода и азота, которые могут повредить опухолевые клетки, обеспечивает их лучшее выживание, способствуя прогрессии опухоли и ее метастазированию. Соответственно, эта экспрессия миоглобина связана, как правило, с более агрессивным типом опухоли, плохим прогнозом течения и исхода заболевания и может, таким образом, служить «маркером» агрессивного злокачественного образования. Напротив, искусственная сверхэкспрессия миоглобина способна значительно ингибировать развитие опухоли и улучшить течение болезни за счет переключения метаболизма раковых клеток с гликолиза, характерного для опухоли, на окислительное фосфорилирование, присущее здоровой ткани. Сверхэкспрессия миоглобина может, таким образом, быть эффективным терапевтическим средством в онкологии.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Г. Б. Постникова

Институт биофизики клетки РАН – обособленное подразделение ФИЦ «Пущинский научный центр биологических исследований РАН»

Email: shekhovtsova.ekaterina@mail.ru
Россия, Пущино, Московская обл., 142290

Е. А. Шеховцова

Институт биофизики клетки РАН – обособленное подразделение ФИЦ «Пущинский научный центр биологических исследований РАН»

Автор, ответственный за переписку.
Email: shekhovtsova.ekaterina@mail.ru
Россия, Пущино, Московская обл., 142290

Список литературы

  1. Smith T.W., Davidson R.I. 1984. Medullomyoblastoma. A histologic, immunohistochemical, and ultrastructural study. Cancer. 54, 323–332.
  2. Emoto M., Iwasaki H., Kikuchi M., Shirakawa K. 1993. Characteristics of cloned cells of mixed mullerian tumor of the human uterus. Carcinoma cells showing myogenic differentiation in vitro. Cancer. 71, 3065–3075.
  3. Carda C., Ferrer J., Vilanova M., Peydró A., Llombart-Bosch A. 2005. Anaplastic carcinoma of the thyroid with rhabdomyosarcomatous differentiation: a report of two cases. Virchows Arch. 446, 46–51.
  4. Eusebi V., Bondi A., Rosai J. 1984. Immunohistochemical localization of myoglobin in nonmuscular cells. Am.J. Surg. Pathol. 8, 51–55.
  5. Flonta S.E., Arena S., Pisacane A., Michieli P., Bardelli A. 2009. Expression and functional regulation of myoglobin in epithelial cancers. Am.J. Pathol. 175, 201–206.
  6. Kristiansen G., Rose M., Geisler C., Fritzsche F.R., Gerhardt J., Luke C., Ladhoff A.M., Knuchel R., Dietel M., Moch H., Varga Z., Theurillat J.P., Gorr T.A., Dahl E. 2010. Endogenous myoglobin in human breast cancer is a hallmark of luminal cancer phenotype. Br.J. Cancer. 102, 1736–1745.
  7. Kristiansen G., Hu J., Wichmann D., Stiehl D.P., Rose M., Gerhardt J., Bohnerdt A., ten Haaf A., Moch H., Raleigh J., Varia M.A., Subarsky P., Scandurra F.M., Gnaiger E., Gleixner E., Bicker A., Gassmann M., Hankeln Th., Dahl E., Gorr, Th.A. 2011. Endogenous myoglobin in breast cancer is hypoxia-inducible by alternative transcription and functions to impair mitochondrial activity. A role in tumor suppression? J. Biol. Chem. 286, 43417–43428.
  8. Behnes C.L., Bedke J., Schneider S., Küffer S., Strauss A., Bremmer S., Ströbel P., Radzun H.J. 2013. Myoglobin expression in renal cell carcinoma is regulated by hypoxia. Exp. Mol. Pathol. 95, 307–312.
  9. Bicker A., Brahmer A.M., Meller S., Kristiansen G., Gorr T.A., Hankeln T. 2015. The distinct gene regulatory network of myoglobin in prostate and breast cancer. PloS One. 10, e0142662.
  10. Meller S., van Ellen A., Gevensleben H., Bicker A., Hankeln Th., Gorr Th.A., Sailer V., Dröge F., Schröck F., Bootz F., Schröck A., Perner S., Dietrich D., Kristiansen G. 2016. Ectopic myoglobin expression is associated with a favourable outcome in head and neck squamous cell carcinoma patients. Anticancer Research. 36, 6235–6242.
  11. Braganza A., Quesnelle K., Bickta J., Reyes Ch., Wang Y., Jessup M., St. Croix C., Scott J., Singh Sh.V., Shiva S. 2019. Myoglobin induces mitochondrial fusion thereby inhibiting breast cancer cell proliferation. J. Biol. Chem. 294, 7269–7282.
  12. Elsherbiny M.E., Shaaban M., El-Tohamy R., Elkholi I., Hammam O.A., Magdy M., Allalunis-Turner J., Emara M. 2021. Expression of myoglobin in normal and cancer brain tissues: correlation with hypoxia markers. Frontiers in Oncology. 11, 590771.
  13. Galluzzo M., Pennacchietti S., Rosano S., Comoglio P.M., Michielli P. 2009. Prevention of hypoxia by myoglobin expression in human tumor cells promotes differentiation and inhibits metastasis. J. Clin. Invest. 119, 865–875.
  14. Hsu P.P., Sabatini D.M. 2008. Cancer cell metabolism: Warburg and beyond. Cell. 134, 703–707.
  15. Meller S., Bicker A., Montani M., Ikenberg K., Rostamzadeh B., Sailer V., Wild P., Dietrich D., Uhl B., Sulser T., Moch H., Gorr T.A., Stephan C., Jung K., Hankeln T., Kristiansen G. 2014. Myoglobin expression in prostate cancer is correlated to androgen receptor expression and markers of tumor hypoxia. Virchows Arch. 465, 419–427.
  16. Quinting Th., Heymann A.K., Bicker A., Nauth Th., Bernardini A., Hankeln Th., Fandrey J., Schreiber T. 2021. Myoglobin protects breast cancer cells due to its ROS and NO scavenging properties. Frontiers in Endocrinology (Lausanne). 12, 732190.
  17. Hill R.L. 1933. Oxygen affinity of muscle haemoglobin. Nature. 132, 897–898.
  18. Millikan G.A. 1939. Muscle hemoglobin. Physiol.Rev. 19, 503–523.
  19. Postnikova G.B., Shekhovtsova E.A. 2013. Myoglobin and mitochondria: How does the «oxygen store» work? J. Phys. Chem. Biophys. 3, 126.
  20. Postnikova G.B., Shekhovtsova E.A. 2014. The interaction of myoglobin with neutral and negatively charged artificial bilayer phospholipid membranes. Their effect on conformation of myoglobin and its affinity for oxygen. Physiol. Sci. 1, 1–11.
  21. Postnikova G.B., and Shekhovtsova E.A. 2014. Myoglobin acts as the oxygen carrier to mitochondria. Physiol. Sci. 1, 12–16.
  22. Postnikova G.B., Shekhovtsova E.A. 2015. The effect of mitochondrial and artificial bilayer phospholipid membranes on conformation of myoglobin and its affinity for oxygen. Am.J. Biol. Chem. 3, 16–32.
  23. Postnikova G.B, Shekhovtsova E.A. 2018. Myoglobin: Oxygen depot or oxygen transporter to mitochondria? A novel mechanism of myoglobin deoxygenation in cells. Biochemistry (Moscow). 83, 168–183.
  24. Jones D.P., Kennedy F.G. 1982. Intracellular O2 gradients in cardiac myocytes. Lack of a role for myoglobin in facilitation of intracellular O2 diffusion. Biochem. Biophys. Res. Commun. 105, 419–424.
  25. Jurgens K.D., Papadopoulos S., Peters T., and Gross G. 2000. Myoglobin: Just an oxygen store or also an oxygen transporter? News Physiol. Sci. 15, 269–274.
  26. Wittenberg J.B., Wittenberg B.A. 2003. Myoglobin function reassessed. J. Experim. Biol. 206, 2011–2020.
  27. Sievers G., Ponnberg M. 1978. Study of the pseudoperoxidatic activity of soybean leghemoglobin and sperm whale myoglobin. Biochim. Biophys. Acta. 533, 293–301.
  28. Flogel U., Godecke A., Klotz L.O., Shrader J. 2004. Role of myoglobin in the antioxidant defense of the heart. FASEB J. 18, 1156–1158.
  29. Brunori M. 2001. Nitric oxide, cytochrome c oxidase and myoglobin. Trends Biochem. Sci. 26, 21–23.
  30. Doeller J E., Wittenberg B.A. 1991. Myoglobin function and energy metabolism of isolated cardiac myocytes: Effect of sodium nitrite. Am.J. Physiol. 261, 53–62.
  31. Jourd’heuil D., Mills L., Miles A.M., Grisham M.B. 1998. Effect of nitric oxide on hemoprotein-catalyzed oxidative reactions. Nitric Oxide. 2, 37–44.
  32. Götz F.M., Hertel M., Gröschel-Stewart U. 1994. Fatty acid binding of myoglobin depends on its oxygenation. Biol. Chem. Hoppe-Seyler. 375, 387–392.
  33. Shih L., Chung Y., Sriram R., Jue T. 2014. Palmitate interaction with physiological states of myoglobin. Biochim. Biophys. Acta. 1840, 656–666.
  34. Sriram R., Kreutzer U., Shih L., Jue T. 2008. Fatty acid binding to myoglobin. FEBS Lett. 582, 3643–3649.
  35. Pesce A., Bolognesi M., Bocedi A., Ascenzi P., Dewide S., Moens L., Hankeln Th., Burmester Th. 2002. Neuroglobin and cytoglobin. Fresh blood for the vertebrate globin family. EMBO Rep. 3, 1146–1151.
  36. Riggs A.F., Gorr Th.A. 2006. A globin in every cell? Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 103, 2469–2470.
  37. Burmester Th., Gerlach F., Hankeln Th. 2007. Regulation and role of neuroglobin and cytoglobin under hypoxia. Edv. Exp. Med. Biol. 618, 169–180.
  38. D’Aprile A., Scrima R., Quarato G., Tataranni T., Falzetti F., Di Ianni M. 2014. Hematopoietic stem/progenitor cells express myoglobin and neuroglobin: Adaptation to hypoxia or prevention from oxidative stress? Stem Cells. 32, 1267–1277.
  39. Oleksievicz U., Daskoulidou N., Liloglou T., Tasopoulou K., Bryan J., Gosney J.R., Field J.K., Xinarianos G. 2011. Neuroglobin and myoglobin in non-small cell lung cancer: expression, regulation and prognosis. Lung Cancer. 74, 411–418.
  40. Shivapurkar N., Stastny V., Okumura N., Girard L., Xie Y., Prinsen C., Thunnissen F.B., Wistuba I.I., Czerniak B., Frenkel E., Roth J.A., Liloglou T., Xinarianos G., Field J.K., Minna J.D., Gazdar A.F. 2008. Cytoglobin, the newest member of the globin family, functions as a tumor suppressor gene. Cancer Res. 68, 7448–7456.
  41. Gorr T.A., Wichmann D., Pilarsky C., Theurillat J.-P., Fabrizius A., Laufs T., Bauer T., Koslowski M., Horn S., Burmester T., Hankeln T., Kristiansen G. 2011. Old proteins – new locations: Myoglobin, haemoglobin, neuroglobin and cytoglobin in solid tumours and cancer cells. Acta Physiologica. 202, 563–581.
  42. El-Tohamy R., Elkholi I., Elsherbiny M.E., Magdy M., Hammam O., Allalunis-Turner J., Emara M. 2020. Myoglobin variants are expressed in human glioblastoma cells-hypoxia effect? Oncology Reports. 43, 975–985.
  43. Fraser J., Vieira de Mello L., Ward D., Rees H.H., Williams D.R., Fang Y., Brass A., Gracey A.Y., and Cossing A.R. 2006. Hypoxia-inducible myoglobin expression in nonmuscle tissues. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 103, 2977–2981.
  44. Arcasoy M.O., Amin K., Karayal A.F., Chou S.C., Raleigh J.A., Varia M.A., Haroon Z.A. 2002. Functional significance of erithropoetin receptor expression in breast cancer. Lab. Invest. 82, 911–918.
  45. Zhukova A.G., Kazitskaya A.S., Sazontova T.G., Mikhailova N.N. 2019. Hypoxia-inducible factor (HIF): Structure, function and genetic polymorphism. Hygiene and Sanitation. 98, 723–728.
  46. Bensaad K., Tsuruta A., Selak M.A., Nieves Calvo Vidal M., Nakano K., Bartrons R., Gottlieb E., Vousden K.H. 2006. TIGAR, a p53-inducible regulator of glycolysis and apoptosis. Cell. 126, 107–120.
  47. Konstantinov A.A., Peskin A.V., Popova E., Khomutov G.B., Ruuge E.K. 1987. Superoxide generation by the respiratory chain of tumor mitochondria. Biochim. Biophys. Acta. 894, 1–10.
  48. Kaelin W.G. Jr. 2005. ROS: Really involved in oxygen sensing. Cell Metab. 357–358.
  49. Borutaite V., Brown G.C. 1996. Rapid reduction of nitric oxide by mitochondria, and reversible inhibition of mitochondrial respiration by nitric oxide. Biochem. J. 315 (Pt 1), 295–299.
  50. Salimian Rizi B., Caneba C., Nowicka A., Nabiyar A.W., Liu X., Chen K., Klopp A., Nagrath D. 2015. Nitric oxide mediates metabolic coupling of omentum-derived adipose stroma to ovarian and endometrial cancer cells. Cancer Res. 75, 456–471.
  51. Kim J.K., Jeon H.M., Jeon H.Y., Oh S.Y., Kim E.J., Jin X., Kim S.H., Jin X., Kim H. 2018. Conversion of glioma cells to glioma stem-like cells by angiocrine factors. Biochem. Biophys. Res. Commun. 496, 1013–1018.
  52. Quintero M., Brennan P.A., Thomas G.J., Moncada S. 2006. Nitric oxide is a factor in the stabilization of hypoxia-inducible factor-1 alpha in cancer: Role of free radical formation. Cancer Res. 66, 770–774.
  53. Simon M.C. 2006. Mitochondrial reactive oxygen species are required for hypoxic HIF alpha stabilization. Adv. Exp. Med. Biol. 588, 165–170.
  54. Hendgen-Cotta U.B., Esfeld S., Coman C., Ahrends R., Klein-Hitpass L., Flögel U., Rassaf T., Totzeck M. 2017. A novel phisiological role for cardiac myoglobin in lipid metabolism. Scientific Reports. 7, 43219.
  55. Elkholi I.E., Elsherbiny M.E., Emara M. 2022. Myoglobin: From physiological roles to potential implication in cancer. BBA – Reviews on cancer. 1877, 188706.
  56. Aboouf M.A., Armbruster J., Thiersch M., Guscetti F., Kristiansen G., Schraml P., Bicker A., Petry R., Hankeln Th., Gassmann M., Gorr T.A. 2022. Pro-apoptotic and anti-invasive properties underscore the tumor-suppressing impact of myoglobin on a subset of human breast cancer cells. Int. J. Mol. Sci. 23, 11483.
  57. Aboouf M.A., Armbruster J., Guscetti F., Thiersch M., Boss A., Gödescke A., Winning S., Padberg C., Fandrey J., Kristiansen G., Bicker A., Hankeln Th., Gassmann M., Gorr T.A. 2023. Endogenous myoglobin expression in mouse models of mammary carcinoma reduces hypoxia and metastasis in PyMT mice. Sci. Rep. 13, 7530.
  58. Eich R.F., Li T., Lemon D.D., Doherty D.H., Curry Sh. R., Aitken J.F., Mathews A.J., Johnson K.A., Smith R.D., Phillips G.N., Jr., Olson J.S. 1996. Mechanism of NO-induced oxidation of myoglobin and hemoglobin. Biochemistry. 35, 6976–6983.
  59. Yamada T., Morita Y., Takada R., Funamoto M., Okamoto W., Kohno M., Komatsu T. 2023. Zinc substituted myoglobin-albumin fusion protein: A photosensitizer for cancer therapy. Chemistry. 29, e202203952.
  60. Ma X., Liang X., Yao M., Gao Y., Luo Q., Li X., Yu Y., Sun Y., Cheng M.H.Y., Chen J., Zheng G., Shi J., Wang F. 2023. Myoglobin-loaded gadolinium nanotexaphyrins for oxygen synergy and imaging-guided radiosensitization therapy. Nat. Commun. 14, 6187.
  61. Zhang L., Yang L., Du K., Yang Y. 2024. Myoglobin improves doxycycline sensitivity in pancreatic cancer through promoting heme oxygenase-1-mediated ferroptosis. Environ. Toxicol. 39, 2166–2181.
  62. Kendrew J.C., Dickerson R.T., Strandberg B.E., Hart R.G., Davis D.R., Phillips D.C., Shore V.C. 1960. Structure of myoglobin. A three-dimensional Fourier synthesis at 2 Å resolution. Nature (London). 185, 422–427.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2024