Миозин и тонкий филамент миокарда – мишени двухвалентных катионов свинца и кадмия

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Свинец и кадмий – это тяжёлые металлы, которые широко распространены в окружающей среде и вносят значительный вклад в сердечно-сосудистую заболеваемость и смертность. С помощью окрашивания Leadmium Green мы показали, что двухвалентные катионы свинца и кадмия способны проникать внутрь кардиомиоцита, распределяясь по всей клетке. Методом искусственной подвижной системы мы показали, что скорость скольжения актина и нативного тонкого филамента по миозину снижается при повышении концентрации Pb2+ и Cd2+. Для остановки движения тонкого филамента по миозину требовались значительно меньшие концентрации Pb2+ и Cd2+ (0,6 мМ), чем для остановки движения актина по миозину (1,1–1,6 мМ). Для остановки движения актина по миозину требовалась более низкая концентрация Cd2+ (1,1 мМ) по сравнению с Pb2+ (1,6 мМ) и комбинацией Pb2+ + Cd2+ (1,3 мМ). При этом не было найдено отличий в воздействии ионов свинца и кадмия на относительную силу, развиваемую головками миозина, и количество осевших на миозин актиновых филаментов. Скорость скольжения актина по миозину левого предсердия, правого и левого желудочков одинаково изменялась при воздействии одной и той же дозы одного и того же металла. Таким образом, мы впервые показали, что Pb2+ и Cd2+ могут оказывать прямое воздействие на функцию миозина и тонкого филамента, при этом Cd2+ оказывает более токсичное влияние, нежели Pb2+.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

О. П. Герцен

Институт иммунологии и физиологии УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: o.p.gerzen@gmail.com
Россия, Екатеринбург

Ю. К. Потоскуева

Институт иммунологии и физиологии УрО РАН

Email: o.p.gerzen@gmail.com
Россия, Екатеринбург

А. Е. Цыбина

Институт иммунологии и физиологии УрО РАН

Email: o.p.gerzen@gmail.com
Россия, Екатеринбург

Т. А. Мячина

Институт иммунологии и физиологии УрО РАН

Email: o.p.gerzen@gmail.com
Россия, Екатеринбург

Л. В. Никитина

Институт иммунологии и физиологии УрО РАН

Email: o.p.gerzen@gmail.com
Россия, Екатеринбург

Список литературы

  1. Haselgrove, J. C., and Huxley, H. E. (1973) X-ray evidence for radial cross-bridge movement and for the sliding filament model in actively contracting skeletal muscle, J. Mol. Biol., 77, 549-568, https://doi.org/10.1016/0022-2836(73)90222-2.
  2. Gordon, A. M., Homsher, E., and Regnier, M. (2000) Regulation of contraction in striated muscle, Physiol. Rev., 80, 853-924, https://doi.org/10.1152/physrev.2000.80.2.853.
  3. Walklate, J., Ferrantini, C., Johnson, C. A., Tesi, C., Poggesi, C., and Geeves, M. A. (2021) Alpha and beta myosin isoforms and human atrial and ventricular contraction, Cell. Mol. Life Sci., 78, 7309-7337, https://doi.org/10.1007/s00018-021-03971-y.
  4. Yamashita, H. (2003) Myosin light chain isoforms modify force-generating ability of cardiac myosin by changing the kinetics of actin-myosin interaction, Cardiovasc. Res., 60, 580-588, https://doi.org/10.1016/j. cardiores.2003.09.011.
  5. Da Silva, A. C. R., Kendrick-Jones, J., and Reinach, F. C. (1995) Determinants of ion specificity on EF-hands sites, J. Biol. Chem., 270, 6773-6778, https://doi.org/10.1074/jbc.270.12.6773.
  6. Sitbon, Y. H., Yadav, S., Kazmierczak, K., and Szczesna-Cordary, D. (2020) Insights into myosin regulatory and essential light chains: a focus on their roles in cardiac and skeletal muscle function, development and disease, J. Muscle Res. Cell Motil., 41, 313-327, https://doi.org/10.1007/s10974-019-09517-x.
  7. Walker, B. C., Walczak, C. E., and Cochran, J. C. (2021) Switch‐1 instability at the active site decouples ATP hydrolysis from force generation in myosin II, Cytoskeleton, 78, 3-13, https://doi.org/10.1002/cm.21650.
  8. Gordon, A. M., Regnier, M., and Homsher, E. (2001) Skeletal and cardiac muscle contractile activation: tropomyosin “rocks and rolls,” Physiology, 16, 49-55, https://doi.org/10.1152/physiologyonline.2001.16.2.49.
  9. World Health Organization (2019) The Public Health Impact of Chemicals: Knowns and Unknowns. Data Addendum for 2019.
  10. Wu, X., Cobbina, S. J., Mao, G., Xu, H., Zhang, Z., and Yang, L. (2016) A review of toxicity and mechanisms of individual and mixtures of heavy metals in the environment, Environ. Sci. Pollut. Res., 23, 8244-8259, https://doi.org/10.1007/s11356-016-6333-x.
  11. Rosin, A. (2009) The long-term consequences of exposure to lead, Isr. Med. Assoc. J., 11, 689-694.
  12. Suwazono, Y., Kido, T., Nakagawa, H., Nishijo, M., Honda, R., Kobayashi, E., Dochi, M., and Nogawa, K. (2009) Biological half-life of cadmium in the urine of inhabitants after cessation of cadmium exposure, Biomarkers, 14, 77-81, https://doi.org/10.1080/13547500902730698.
  13. Ali, S., Awan, Z., Mumtaz, S., Shakir, H. A., Ahmad, F., Ulhaq, M., Tahir, H. M., Awan, M. S., Sharif, S., Irfan, M., and Khan, M. A. (2020) Cardiac toxicity of heavy metals (cadmium and mercury) and pharmacological intervention by vitamin C in rabbits, Environ. Sci. Pollut. Res., 27, 29266-29279, https://doi.org/10.1007/s11356-020-09011-9.
  14. Davuljigari, C. B., and Gottipolu, R. R. (2020) Late-life cardiac injury in rats following early life exposure to lead: reversal effect of nutrient metal mixture, Cardiovasc. Toxicol., 20, 249-260, https://doi.org/10.1007/s12012-019-09549-2.
  15. Tai, Y.-T., Chou, S.-H., Cheng, C.-Y., Ho, C.-T., Lin, H.-C., Jung, S.-M., Chu, P.-H., and Ko, F.-H. (2022) The preferential accumulation of cadmium ions among various tissues in mice, Toxicol. Rep., 9, 111-119, https://doi.org/10.1016/ j.toxrep.2022.01.002.
  16. Borné, Y., Barregard, L., Persson, M., Hedblad, B., Fagerberg, B., and Engström, G. (2015) Cadmium exposure and incidence of heart failure and atrial fibrillation: a population-based prospective cohort study, BMJ Open, 5, e007366, https://doi.org/10.1136/bmjopen-2014-007366.
  17. Ruiz-Hernandez, A., Navas-Acien, A., Pastor-Barriuso, R., Crainiceanu, C. M., Redon, J., Guallar, E., and Tellez-Plaza, M. (2017) Declining exposures to lead and cadmium contribute to explaining the reduction of cardiovascular mortality in the US population, 1988-2004, Int. J. Epidemiol., 46, 1903-1912, https://doi.org/10.1093/ije/dyx176.
  18. Messner, B., Knoflach, M., Seubert, A., Ritsch, A., Pfaller, K., Henderson, B., Shen, Y. H., Zeller, I., Willeit, J., Laufer, G., Wick, G., Kiechl, S., and Bernhard, D. (2009) Cadmium is a novel and independent risk factor for early atherosclerosis mechanisms and in vivo relevance, Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol., 29, 1392-1398, https://doi.org/10.1161/ATVBAHA.109.190082.
  19. Fatima, G., Raza, A. M., Hadi, N., Nigam, N., and Mahdi, A. A. (2019) Cadmium in human diseases: it’s more than just a mere metal, Indian J. Clin. Biochem., 34, 371-378, https://doi.org/10.1007/s12291-019-00839-8.
  20. Ferreira De Mattos, G., Costa, C., Savio, F., Alonso, M., and Nicolson, G. L. (2017) Lead poisoning: acute exposure of the heart to lead ions promotes changes in cardiac function and Cav1.2 ion channels, Biophys. Rev., 9, 807-825, https://doi.org/10.1007/s12551-017-0303-5.
  21. Ferreira, G., Santander, A., Chavarría, L., Cardozo, R., Savio, F., Sobrevia, L., and Nicolson, G. L. (2022) Functional consequences of lead and mercury exposomes in the heart, Mol. Aspects Med., 87, 101048, https://doi.org/ 10.1016/j.mam.2021.101048.
  22. Fioresi, M., Furieri, L. B., Simões, M. R., Ribeiro, R. F., Jr., Meira, E. F., Fernandes, A. A., Stefanon, I., and Vassallo, D. V. (2013) Acute exposure to lead increases myocardial contractility independent of hypertension development, Braz. J. Med. Biol. Res., 46, 178-185, https://doi.org/10.1590/1414-431X20122190.
  23. Javorac, D., Tatović, S., Anđelković, M., Repić, A., Baralić, K., Djordjevic, A. B., Mihajlović, M., Stevuljević, J. K., Đukić-Ćosić, D., Ćurčić, M., Antonijević, B., and Bulat, Z. (2022) Low-lead doses induce oxidative damage in cardiac tissue: Subacute toxicity study in Wistar rats and Benchmark dose modelling, Food Chem. Toxicol., 161, 112825, https://doi.org/10.1016/j.fct.2022.112825.
  24. Patra, R. C., Rautray, A. K., and Swarup, D. (2011) Oxidative stress in lead and cadmium toxicity and its amelioration, Vet. Med. Int., 2011, 1-9, https://doi.org/10.4061/2011/457327.
  25. Wang, Y., Fang, J., Leonard, S. S., and Krishna Rao, K. M. (2004) Cadmium inhibits the electron transfer chain and induces reactive oxygen species, Free Radic. Biol. Med., 36, 1434-1443, https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2004.03.010.
  26. Chou, S.-H., Lin, H.-C., Chen, S.-W., Tai, Y.-T., Jung, S.-M., Ko, F.-H., Pang, J.-H. S., and Chu, P.-H. (2023) Cadmium exposure induces histological damage and cytotoxicity in the cardiovascular system of mice, Food Chem. Toxicol., 175, 113740, https://doi.org/10.1016/j.fct.2023.113740.
  27. Li, C., Shi, L., Peng, C., Yu, G., Zhang, Y., and Du, Z. (2021) Lead-induced cardiomyocytes apoptosis by inhibiting gap junction intercellular communication via autophagy activation, Chem. Biol. Interact., 337, 109331, https://doi.org/10.1016/j.cbi.2020.109331.
  28. Shen, J., Wang, X., Zhou, D., Li, T., Tang, L., Gong, T., Su, J., and Liang, P. (2018) Modelling cadmium‐induced cardiotoxicity using human pluripotent stem cell‐derived cardiomyocytes, J. Cell. Mol. Med., 22, 4221-4235, https://doi.org/10.1111/jcmm.13702.
  29. Katsnelson, B. A., Klinova, S. V., Gerzen, O. P., Balakin, A. A., Lookin, O. N., Lisin, R. V., Nabiev, S. R., Privalova, L. I., Minigalieva, I. A., Panov, V. G., Katsnelson, L. B., Nikitina, L. V., Kuznetsov, D. A., and Protsenko, Y. L. (2020) Force-velocity characteristics of isolated myocardium preparations from rats exposed to subchronic intoxication with lead and cadmium acting separately or in combination, Food Chem. Toxicol., 144, 111641, https:// doi.org/10.1016/j.fct.2020.111641.
  30. Klinova, S. V., Minigalieva, I. A., Protsenko, Y. L., Sutunkova, M. P., Ryabova, I. V., Gerzen, O. P., Nabiev, S. R., Balakin, A. A., Lookin, O. N., Lisin, R. V., Kuznetsov, D. A., Privalova, L. I., Panov, V. G., Chernyshov, I. N., Katsnelson, L. B., Nikitina, L. V., and Katsnelson, B. A. (2021) Analysis of changes in the rat cardiovascular system under the action of lead intoxication and muscular exercise, Hyg. Sanit., 100, 1467-1474, https://doi.org/10.47470/0016-9900-2021-100-12-1467-1474.
  31. Protsenko, Y. L., Klinova, S. V., Gerzen, O. P., Privalova, L. I., Minigalieva, I. A., Balakin, A. A., Lookin, O. N., Lisin, R. V., Butova, K. A., Nabiev, S. R., Katsnelson, L. B., Nikitina, L. V., and Katsnelson, B. A. (2020) Changes in rat myocardium contractility under subchronic intoxication with lead and cadmium salts administered alone or in combination, Toxicol. Rep., 7, 433-442, https://doi.org/10.1016/j.toxrep.2020.03.001.
  32. Protsenko, Y. L., Katsnelson, B. A., Klinova, S. V., Lookin, O. N., Balakin, A. A., Nikitina, L. V., Gerzen, O. P., Minigalieva, I. A., Privalova, L. I., Gurvich, V. B., Sutunkova, M. P., and Katsnelson, L. B. (2018) Effects of subchronic lead intoxication of rats on the myocardium contractility, Food Chem. Toxicol., 120, 378-389, https://doi.org/10.1016/j.fct.2018.07.034.
  33. Gerzen, O. P., Nabiev, S. R., Klinova, S. V., Minigalieva, I. A., Sutunkova, M. P., Katsnelson, B. A., and Nikitina, L. V. (2022) Molecular mechanisms of mechanical function changes of the rat myocardium under subchronic lead exposure, Food Chem. Toxicol., 169, 113444, https://doi.org/10.1016/j.fct.2022.113444.
  34. Tang, N., Liu, X., Jia, M.-R., Shi, X.-Y., Fu, J.-W., Guan, D.-X., and Ma, L. Q. (2022) Amine- and thiol-bifunctionalized mesoporous silica material for immobilization of Pb and Cd: Characterization, efficiency, and mechanism, Chemosphere, 291, 132771, https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.132771.
  35. De Souza, I. D., De Andrade, A. S., and Dalmolin, R. J. S. (2018) Lead-interacting proteins and their implication in lead poisoning, Crit. Rev. Toxicol., 48, 375-386, https://doi.org/10.1080/10408444.2018.1429387.
  36. Kirberger, M., and Yang, J. J. (2008) Structural differences between Pb2+- and Ca2+-binding sites in proteins: Implications with respect to toxicity, J. Inorg. Biochem., 102, 1901-1909, https://doi.org/10.1016/j.jinorgbio. 2008.06.014.
  37. Yu, H., Zhen, J., Xu, J., Cai, L., Leng, J., Ji, H., and Keller, B. B. (2020) Zinc protects against cadmium-induced toxicity in neonatal murine engineered cardiac tissues via metallothionein-dependent and independent mechanisms, Acta Pharmacol. Sin., 41, 638-649, https://doi.org/10.1038/s41401-019-0320-y.
  38. Vassallo, D. V., Lebarch, E. C., Moreira, C. M., Wiggers, G. A., and Stefanon, I. (2008) Lead reduces tension development and the myosin ATPase activity of the rat right ventricular myocardium, Braz. J. Med. Biol. Res., 41, 789-795, https://doi.org/10.1590/S0100-879X2008000900008.
  39. Chao, S., Bu, C.-H., and Cheung, W. Y. (1990) Activation of troponin C by Cd2+ and Pb2+, Arch. Toxicol., 64, 490-496, https://doi.org/10.1007/BF01977632.
  40. Chao, S. H., Suzuki, Y., Zysk, J. R., and Cheung, W. Y. (1984) Activation of calmodulin by various metal cations as a function of ionic radius, Mol. Pharmacol., 26, 75-82.
  41. Shirran, S. L., and Barran, P. E. (2009) The use of ESI-MS to probe the binding of divalent cations to calmodulin, J. Am. Soc. Mass Spectrom., 20, 1159-1171, https://doi.org/10.1016/j.jasms.2009.02.008.
  42. Butova, X. A., Myachina, T. A., and Khokhlova, A. D. (2021) A combined Langendorff-injection technique for simultaneous isolation of single cardiomyocytes from atria and ventricles of the rat heart, MethodsX, 8, 101189, https://doi.org/10.1016/j.mex.2020.101189.
  43. Margossian, S. S., and Lowey, S. (1982) Preparation of myosin and its subfragments from rabbit skeletal muscle, Methods Enzymol., 85, 55-71, https://doi.org/10.1016/0076-6879(82)85009-x.
  44. Pardee, J. D., and Spudich, J. A. (1982) Purification of muscle actin, Methods Enzymol., 85, 164-181, https://doi.org/10.1016/0076-6879(82)85020-9.
  45. Li, A., Nelson, S. R., Rahmanseresht, S., Braet, F., Cornachione, A. S., Previs, S. B., O’Leary, T. S., McNamara, J. W., Rassier, D. E., Sadayappan, S., Previs, M. J., and Warshaw, D. M. (2019) Skeletal MyBP-C isoforms tune the molecular contractility of divergent skeletal muscle systems, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 116, 21882-21892, https://doi.org/10.1073/pnas.1910549116.
  46. Gerzen, O. P., Potoskueva, Iu. K., Permyakova, Yu. V., Grebenschchikova, A. V., Selezneva, I. S., and Nikitina, L. V. (2022) SDS-PAGE for myosin heavy chains: fast and furious, J. Evol. Biochem. Physiol., 58, S92-S97, https://doi.org/10.1134/S0022093022070109.
  47. Laemmli, U. K. (1970) Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4, Nature, 227, 680-685, https://doi.org/10.1038/227680a0.
  48. Nikitina, L. V., Kopylova, G. V., Shchepkin, D. V., Nabiev, S. R., and Bershitsky, S. Y. (2015) Investigations of molecular mechanisms of actin-myosin interactions in cardiac muscle, Biochemistry (Moscow), 80, 1748-1763, https://doi.org/10.1134/S0006297915130106.
  49. Haeberle, J. R., and Hemric, M. E. (1995) Are actin filaments moving under unloaded conditions in the in vitro motility assay? Biophys. J., 68, 306S-310S; discussion 310S-311S.
  50. Gerzen, O. P., Votinova, V. O., Potoskueva, I. K., Tzybina, A. E., and Nikitina, L. V. (2023) Direct effects of toxic divalent cations on contractile proteins with implications for the heart: unraveling mechanisms of dysfunction, Int. J. Mol. Sci., 24, 10579, https://doi.org/10.3390/ijms241310579.
  51. Ge, J., Gargey, A., Nesmelova, I. V., and Nesmelov, Y. E. (2019) CaATP prolongs strong actomyosin binding and promotes futile myosin stroke, J. Muscle Res. Cell Motil., 40, 389-398, https://doi.org/10.1007/s10974-019-09556-4.
  52. Polosukhina, K., Eden, D., Chinn, M., and Highsmith, S. (2000) CaATP as a substrate to investigate the myosin lever arm hypothesis of force generation, Biophys. J., 78, 1474-1481, https://doi.org/10.1016/S0006-3495(00)76700-2.
  53. Snyder, E. E., Buoscio, B. W., and Falke, J. J. (1990) Calcium(II) site specificity: effect of size and charge on metal ion binding to an EF-hand-like site, Biochemistry, 29, 3937-3943, https://doi.org/10.1021/bi00468a021.
  54. Kopp, S. J., Bárány, M., Erlanger, M., Perry, E. F., and Perry, H. M. (1980) The influence of chronic low-level cadmium and/or lead feeding on myocardial contractility related to phosphorylation of cardiac myofibrillar proteins, Toxicol. Appl. Pharmacol., 54, 48-56, https://doi.org/10.1016/0041-008X(80)90007-1.
  55. Ćirović, A., and Tasić, N. (2023) Accumulation of metal(loid)s in myocardial tissue and the mechanisms underlying their cardiotoxic effects, Med. Podml., 74, 21-25, https://doi.org/10.5937/mp74-46164.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Кардиомиоцит левого желудочка крысы, окрашенный Leadmium Green, в светлопольном режиме (а), на 0-й (б) и 10-й минуте (в) обработки PbCl2 во флуоресцентном режиме; нормированная интенсивность флуоресценции на 0-й и 10-й минуте обработки PbCl2 (г), данные представлены как среднее ± стандартное отклонение. Кардиомиоцит левого желудочка крысы, окрашенный Leadmium Green, в светлопольном режиме (д), на 0-й (е) и 10-й минуте (ж) обработки CdCl2 во флуоресцентном режиме; нормированная интенсивность флуоресценции на 0-й и 10-й минуте обработки CdCl2 (з), данные представлены как среднее ± стандартное отклонение

Скачать (263KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость скорости скольжения актина по миозину от концентрации PbCl2 (а), CdCl2 (б) и комбинации PbCl2 и CdCl2 (1 : 1) (в); зависимость фракции подвижных филаментов от концентрации PbCl2 (г), CdCl2 (д) и комбинации PbCl2 и CdCl2 (1 : 1) (е)

Скачать (252KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость скорости скольжения актина по миозину от доли NEM-модифицированного миозина в контрольной группе (К), при добавлении 0,5 мМ PbCl2 (а), 0,5 мМ CdCl2 (б) и 0,5 мМ комбинации PbCl2 и CdCl2 (1 : 1) (в). Количество филаментов в поле зрения экспериментальной записи при добавлении PbCl2 (г), CdCl2 (д) и комбинации PbCl2 и CdCl2 (1 : 1) (е)

Скачать (278KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Нормированная скорость скольжения актина по миозину предсердий (а), правого (б) и левого (в) желудочка свиньи в присутствии 0,1 мМ и 0,5 мМ PbCl2 или CdCl2. * Статистически значимые отличия от контрольной группы (p < 0,05)

Скачать (174KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Нормированная скорость скольжения актина (а) и НТФ левого желудочка свиньи (б) по миозину левого желудочка свиньи в присутствии 0,1 мМ и 0,5 мМ PbCl2, CdCl2 или их комбинации. * Статистически значимые отличия от контрольной группы (p < 0,05)

Скачать (166KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024