БИОХИМИЯ, 2023, том 88, вып. 1, с. 147 - 163

УДК 577.1

АЦИЛИРОВАНИЕ БЕЛКОВ МОЗГА КРЫСЫ

ИЗМЕНЯЕТСЯ ПРИ СПЕЦИФИЧЕСКОМ ИНГИБИРОВАНИИ

ПИРУВАТДЕГИДРОГЕНАЗЫ in vivo

А.В. Граф^1,3, В.И. Буник^1,2,5*

¹ Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,

НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского,

119234 Москва, Россия; электронная почта: bunik@belozersky.msu.ru

² Сеченовский Университет, кафедра биохимии, 119048 Москва, Россия

³ Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет,

119234 Москва, Россия

⁴ Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,

химический факультет, 119234 Москва, Россия

⁵ Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,

факультет биоинженерии и биоинформатики, 119234 Москва, Россия

Поступила в редакцию 04.11.2022

После доработки 25.11.2022

Принята к публикации 25.11.2022

Адаптация организма к нарушениям обмена веществ требует существования механизмов, связы-

вающих метаболизм с экспрессией генов. В числе таких механизмов в последнее время все чаще

рассматривают ацилирование метаболических и гистоновых белков. Мы предположили, что изме-

нение уровня ацилирования белков опосредует адаптационный ответ на ингибирование ключевого

метаболического процесса, катализируемого продуцирующим ацетил-КоА комплексом пируватде-

гидрогеназы (ПДГ). Для проверки этой гипотезы животным интраназально вводили специфиче-

ские ингибиторы ПДГ: ацетил(метил)фосфинат (АцМеФ) или метиловый эфир ацетилфосфона-

та (АцФМе) - с последующей оценкой физиологических параметров, ацилирования белков мозга,

а также экспрессии и фосфорилирования кодируемой PDHA альфа-субъединицы ПДГ (α-ПДГ).

При одинаковой дозе сильный ингибитор АцМеФ, в отличие от менее эффективного АцФМе,

уменьшает уровень ацетилирования и увеличивает уровень сукцинилирования белков головного

мозга с кажущейся молекулярной массой 15-20 кДа. Белки 30-50 кДа демонстрируют изменения

ацетилирования лишь под влиянием сильного ингибитора АцМеФ, в то время как менее эффек-

тивный АцФМе в основном увеличивает уровень их сукцинилирования. Отсутствие изменений

в сукцинилировании белков массой 30-50 кДа после введения АцМеФ совпадает с индукцией этим

ингибитором десукцинилазы SIRT5, которая не наблюдается у животных, получавших АцФМе.

Экспрессия и фосфорилирование α-ПДГ в мозге, а также поведение животных и ЭКГ существен-

но не различаются между исследуемыми группами животных. Полученные результаты указывают

на то, что кратковременное ингибирование ПДГ головного мозга влияет на уровень ацетилиро-

вания и/или сукцинилирования белков головного мозга в зависимости от силы ингибитора, мо-

лекулярной массы белка и типа ацилирования. Стабильность физиологических параметров после

ингибирования ПДГ свидетельствует в пользу гомеостатического характера этих изменений.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ацетилирование белков мозга, сукцинилирование белков мозга, фосфоновые/фос-

финовые аналоги пирувата, пируватдегидрогеназа, сиртуин.

DOI: 10.31857/S0320972523010116, EDN: PCTPCD

Принятые сокращения: ПДГ - пируватдегидрогеназа; α-ПДГ - альфа-субъединица ПДГ; PDHA - ген, кодирую-

щий α-ПДГ; ОГДГ - 2-оксоглутаратдегидрогеназа (альфа-кетоглутаратдегидрогеназа); МДГ - малатдегидрогеназа;

интервал R-R - средний интервал между ударами сердца; SD - стандартное отклонение средних значений интерва-

ла R-R; dX - диапазон значений интервала R-R; RMSSD - среднеквадратичное значение последовательных различий

в интервалах R-R.

* Адресат для корреспонденции.

147

10*

148

АЛЕШИН и др.

ВВЕДЕНИЕ

ацетилирование белков печени у мышей [18].

Ацетилирование белков увеличивается и в том

Давно известно, что белковое ацетили-

случае, если стимулировать окисление жирных

рование регулирует организацию хроматина

кислот в культивируемых фибробластах чело-

гистонами [1-3] и работу митохондриальных

века [18]. Однако в этих экспериментальных

мультиферментных комплексов дегидрогеназ

системах окисление жирных кислот и гипер-

2-оксокислот, которые продуцируют ацил-КоА

ацетилирование белков вызваны направленны-

и другие реакционноспособные ацилсодержа-

ми изменениями метаболизма. Физиологиче-

щие интермедиаты [4, 5]. В последнее время

ский уровень ацетилирования белка, как и его

посттрансляционные модификации путем аци-

изменения в ответ на другие нарушения, впол-

лирования остатков лизина привлекают все

не может быть обеспечен другими источника-

больше внимания. Значительный интерес в

ми ацетил-КоА, такими как полиферментный

этом плане приобретают как неядерные бел-

комплекс пируватдегидрогеназы (ПДГ).

ки, помимо дегидрогеназ 2-оксокислот, так и

Ацилирование белков мозга представляет

NAD⁺-зависимые сиртуины - так называемые

особый интерес в связи с изучением молеку-

«омолаживающие» факторы, катализирующие

лярных механизмов памяти. Ацетилирование

деацилирование белков, отличных от гисто-

гистонов имеет важное значение для форми-

нов [6-8]. В то же время, наряду с известной

рования памяти, поскольку и обучение, и за-

митохондриальной локализацией комплексов

поминание требуют ремоделирования хрома-

дегидрогеназ 2-оксокислот, была выявлена и

тина, которое зависит от ацетилирования гисто-

их ядерная локализация, связанная с участием

нов [19]. Недавно выявленное снижение уров-

комплексов в ацилировании гистонов [9-12].

ня сукцинилирования митохондриальных бел-

Кроме того, в дополнение к автоацилирова-

ков в мозге пациентов с болезнью Альцгей-

нию [4, 5] показано участие комплексов деги-

мера (БА) [20] подтверждает патологическое

дрогеназ 2-оксокислот в ацилировании раз-

значение давно известного снижения актив-

личных метаболических белков [13, 14]. Таким

ности продуцента сукцинил-КоА - комплекса

образом, комплексы дегидрогеназ 2-оксокис-

2-оксоглутаратдегидрогеназы (ОГДГ) в мозге

лот могут поставлять ацильные производные

таких пациентов [21].

коэнзима А (ацил-КоА) для ацилирования гис-

Цель нашей работы - охарактеризовать

тоновых и негистоновых белков. Поскольку

влияние продуцируемого ПДГ ацетил-КоА на

основная функция комплексов тесно связана с

ацилирование белков коры головного мозга

аэробным окислением глюкозы мозга, саморе-

крысы в модели кратковременной пертурба-

гуляция этого ключевого для метаболизма моз-

ции метаболизма. Такое нарушение метаболиз-

га процесса с помощью ацилирования белков

ма может возникнуть под влиянием факторов

может участвовать в поддержании гомеостаза

внешней среды или иных подобных воздей-

при нарушениях метаболизма. Действительно,

ствиях, активирующих физиологические ме-

адаптивная роль ацилирования была выявлена

ханизмы поддержания гомеостаза. В данной

в недавнем исследовании вызванного судоро-

работе в качестве такого воздействия исполь-

гами дисбаланса обмена веществ в мозге на

зовано кратковременное обратимое ингибиро-

крысиной модели эпилепсии [15].

вание ПДГ [22-25]. Такая фармакологическая

В дополнение к реакциям, катализируе-

регуляция фермента имеет преимущества пе-

мым дегидрогеназами 2-оксокислот, молекулы

ред манипуляциями с экспрессией генов или

ацил-КоА могут быть синтезированы и в дру-

синтезом белка, поскольку последние могут

гих метаболических путях, таких как окисле-

затрагивать не только конкретную биохимиче-

ние жирных кислот или метаболизм кетоновых

скую реакцию, но и важные для организации

тел. В частности, в некоторых эксперимен-

биосистем белок-белковые взаимодействия.

тальных системах в ацетилирование гистонов

Ввиду строгой селективности ингибирую-

вовлечены ацетат-зависимая ацетил-КоА-син-

щего действия использованных нами фосфо-

тетаза 2 (ACSS2) или цитрат-зависимая ATP-

нового и фосфинового аналогов пирувата на

цитратлиаза [16, 17]. Поскольку потоки суб-

ПДГ in vivo [22, 23] и значительно более вы-

стратов по генерирующим ацил-КоА путям

сокой (порядка 100-кратной) ингибирующей

зависят от тканеспецифичного метаболизма

способности фосфинатного аналога, по срав-

и экспрессии белков, вклад отдельных мета-

нению с фосфонатным [23-25], в нашей ра-

болических путей в ацилирование белков мо-

боте используются два синтетических аналога

жет меняться. В частности, ацетил-КоА, об-

пирувата, представленные на рис. 1. Эти ана-

разующийся при окислении жирных кислот

логи, ацетил(метил)фосфинат (АцМеФ) и ме-

в условиях голодания, вызывает чрезмерное

тиловый эфир ацетилфосфоната (АцФМе),

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

АЦИЛИРОВАНИЕ БЕЛКОВ МОЗГА ПРИ ИНГИБИРОВАНИИ ПДГ

149

Рис. 1. Структуры пирувата (2-оксосубстрата ПДГ) и его фосфинатного (АцМеФ) и фосфонатного (АцФМе) аналогов.

Константы ингибирования (Ki) приведены по опубликованным результатам [23-25]

обладают сходными электростатическими и

Российской Федерации Института медико-

стерическими свойствами; таким образом, они

биологических проблем РАН (ИМБП). В экс-

не должны существенно отличаться по своей

перименте использованы крысы в возрасте

биодоступности. Следовательно, введение од-

11-12 недель (массой 320 ± 30 г). Животных

ной и той же дозы этих разных по силе инги-

содержали при температуре 21 ± 2 °C и отно-

биторов должно моделировать различный уро-

сительной влажности 53 ± 5% с 12/12-часо-

вень ингибирования ПДГ в головном мозге.

вым циклом свет/темнота (свет включается

Ввиду недавно охарактеризованной взаимо-

в 9:00 = ZT 0 и выключается в 21:00 = ZT 12).

зависимости различных типов ацилирования

Животные имели свободный доступ к стан-

белка из-за перекрывающихся сайтов ацили-

дартному гранулированному корму для гры-

рования и конкуренции между комплексами

зунов и водопроводной воде. Для содержания

ПДГ и ОГДГ за их общий субстрат КоА [15],

животных использованы стандартные клетки

ингибирование ПДГ может оказывать не толь-

T/4K (555/4K, 580 × 375 × 200 мм), по 4-5 жи-

ко прямое влияние на ацетилирование белков,

вотных в каждой клетке.

но и косвенно влиять на другие типы ацили-

Введение ингибиторов пируватдегидроге-

рования. В частности, ингибирование ПДГ

назы. Интраназальное введение водного рас-

может влиять на сукцинилирование белков,

твора натриевых солей АцФМе или АцМеФ

поскольку существует тесная метаболическая

(в дозе 0,1 ммоль/кг) проводили один раз

связь между комплексами ПДГ и ОГДГ через

утром в 10:00 ± 1 ч. Интраназальное введение

цикл трикарбоновых кислот (ЦТК): комплекс

является неинвазивным методом, обеспечи-

ПДГ поставляет ацетил-КоА в качестве суб-

вающим прямой (в обход гематоэнцефаличе-

страта ЦТК, а комплекс ОГДГ, продуцирую-

ского барьера) доступ к центральной нервной

щий сукцинил-КоА, лимитирует поток суб-

системе [28, 29]. Разделение животных на груп-

стратов через ЦТК [25, 26]. Таким образом, в

пы, получавшие физиологический раствор

данной работе мы характеризуем ответ мозга

(0,9% NaCl; n = 6), АцФМе (n = 8) или АцМеФ

на ингибирование ПДГ на уровне как ацети-

(n = 8), является случайным. Через 24 ч после

лирования, так и сукцинилирования белков.

введения ингибиторов проведены физиоло-

гические тесты (процедуры описаны ниже)

с последующей декапитацией на гильотине

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

(«OpenScience», Россия). Декапитация счита-

ется одним из наименее стрессовых методов

Реагенты. Натриевые соли АцМеФ и АцФМе

эвтаназии молодых крыс [30-32]. Процедуру

синтезированы, как опубликовано ранее [24,

проводят в соответствии с рекомендуемыми

27], и их чистота была подтверждена мето-

протоколами [30-32]. После каждого исполь-

дом ЯМР. В работе использованы буферы,

зования гильотина тщательно промывается во-

соли и другие реагенты производства «Merck»

дой и этанолом, чтобы запах крови не вызывал

(Германия) или наивысшей из доступных сте-

стресса у экспериментальных крыс. Извлечен-

пени чистоты. Для приготовления растворов

ный мозг немедленно помещали в лед. Отде-

использовали деионизированную (MQ) воду.

ляемую в течение 60-90 с после декапитации

Используемые антитела указаны ниже в разде-

кору головного мозга замораживали в жидком

ле, посвященном Вестерн-блоттингу.

азоте и хранили при температуре -70 °C до

Лабораторные животные. Самцы крыс

проведения биохимических анализов.

линии Вистар (n = 22) приобретены в Го-

Поведенческие тесты и ЭКГ. Оценку по-

сударственном исследовательском центре

веденческой активности проводили в тесте

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

150

АЛЕШИН и др.

«Открытое поле», как описано ранее [33]. Для

молекулярной массы белков 100 кДа. Полные

тестирования использовали круглую полипро-

изображения мембран, окрашенных антите-

пиленовую арену («OpenScience», Россия). По-

лами, и соответствующих гелей, окрашенных

веденческие параметры (время и количество

2,2,2-трихлорэтанолом, используемых для

актов груминга, время замираний, количество

нормировки на белок дорожки, приведены

стоек и количество пересечений любого типа

на Fig. S1 в Приложении.

линий) определяли в качестве показателей

Статистический анализ данных. Данные

тревожности, исследовательской и локомотор-

проанализированы с использованием про-

ной активности [34, 35].

граммного обеспечения GraphPad Prism

7.0

ЭКГ с использованием неинвазивных элек-

(«GraphPad Software Inc.», США). Все данные

тродов регистрировали у бодрствующих живот-

на графиках показаны в виде столбцов со сред-

ных в течение 3 мин, как описано ранее [33].

ними значениями и стандартными ошибками

С помощью ЭКГ оценивают следующие пара-

среднего (SEM) с дополнительным приведени-

метры: средний интервал между сердечными

ем индивидуальных значений параметров для

сокращениями (интервал R-R, мс); стандарт-

каждого животного. Корреляции между пара-

ное отклонение средних значений интерва-

метрами проанализированы с использованием

ла R-R (SD, мс); диапазон значений интерва-

метода Спирмена. Статистическая значимость

ла R-R, т.е. разница между максимальными

различий при сравнении трех эксперименталь-

и минимальными значениями (dX, мс); сред-

ных групп оценена с помощью одностороннего

неквадратичное значение последовательных

дисперсионного анализа (ANOVA) с исполь-

отклонений в интервалах R-R (RMSSD, мс) и

зованием post-hoc-критерия Тьюки. Стати-

стресс-индекс (условные единицы).

стически значимые (р ≤ 0,05) различия пока-

Приготовление гомогенатов коры головного

заны на графиках. Статистическая значимость

мозга крысы. Гомогенизацию ткани и обработ-

(р ≤ 0,05) фактора обработки, согласно ANOVA

ку гомогенатов ультразвуком и детергентами

и F-значения со степенями свободы, показана

проводили в соответствии с ранее опублико-

под графиками как F (DFn, DFd). Во всех этих

ванным протоколом [36].

случаях значения F превышают соответствую-

Измерения активности ферментов. Актив-

щие критические значения, подтверждая зна-

ность малатдегидрогеназы (МДГ) измеряют,

чимость представленных результатов.

как описано ранее [37].

Анализ уровней и посттрансляционных мо-

дификаций белков в коре головного мозга с по-

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

мощью Вестерн-блоттинга. Уровни белковой

экспрессии SIRT3, SIRT5, α-ПДГ, фосфорили-

АцМеФ уменьшает уровень ацетилирования

рованной по Ser293 α-ПДГ и ацетилированных

основной белковой полосы 15 кДа, оказывая раз-

белков в коре головного мозга крыс определены

ные эффекты на ацетилирование белков головного

методом Вестерн-блоттинга с использованием

мозга 30-50 кДа. Вестерн-блоттинг с антитела-

первичных антител («Cell Signaling Technology»,

ми к ацетилированным белкам выявил основ-

США). Уровень сукцинилирования белков

ную полосу ацетилированных белков головного

определен с использованием антител («PTM

мозга в области 15 кДа (рис. 2, д). Значительная

Biolabs», США). Все первичные антитела ис-

интенсивность этой полосы и сходство ее кажу-

пользованы в разведениях 1 : 2000 с приме-

щейся молекулярной массы с таковой у коро-

нением вторичных антител к кроличьим ан-

вых гистонов [3] позволяют предположить, что

тигенам, конъюгированных с HRP («Имтек»,

полоса содержит гистоновые белки мозга.

Россия). Относительная количественная оцен-

Чем сильнее ингибитор ПДГ, тем бо-

ка хемилюминесценции проведена в про-

лее выражены его эффекты на ацетилиро-

грамме ChemiDoc Imager («Bio-Rad», США) с

вание белков головного мозга. Действитель-

использованием программного обеспечения

но, введение АцМеФ (K_i ~ 10^-6 M) изменяет

Image Lab версии 6.0.1 («Bio-Rad»). Уровни им-

уровни ацетилирования во всех четырех ко-

мунореактивности нормализованы на общий

личественно охарактеризованных полосах

белок в соответствующих полосах геля с ис-

ацетилированных белков, в то время как об-

пользованием количественного определения

работка АцФМе (K_i ~ 10^-5-10^-4 M) изменяет

флуоресценции нанесенного на дорожку геля

уровень ацетилирования только белковой по-

белка после взаимодействия с 2,2,2-трихлор-

лосы 31 кДа (рис. 2, б-в; верхняя часть). При-

этанолом [38]. Общую интенсивность окраши-

мечательно, что АцМеФ оказывает противо-

вания определяли как интегральную интен-

положные эффекты на ацилирование белков

сивность всего трека от конца геля до области

с разными молекулярными массами. Так, аце-

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

АЦИЛИРОВАНИЕ БЕЛКОВ МОЗГА ПРИ ИНГИБИРОВАНИИ ПДГ

151

Рис. 2. Ацилирование белков в гомогенатах коры головного мозга через 24 ч после введения ингибиторов ПДГ.

а-в - Ацетилирование и сукцинилирование показаны в верхней и нижней частях рисунков. Интенсивность каждой

полосы нормализовалась на общее содержание белка в дорожке и оценивалась относительно среднего значения нор-

мализованной интенсивности полос в контрольной группе крыс, как описано в разделе «Материалы и методы». Зна-

чимость различий между группами на панелях (а-г) обозначена линиями с указанием p-значений над ними. Когда

фактор обработки является значимым согласно анализу ANOVA, характеристические p- и F-значения приведены под

графиками. а - Общее ацетилирование и сукцинилирование белков. б - Изменения ацилирования низкомолекуляр-

ных белков (15-20 кДа). в - Изменения ацилирования белков 30-50 кДа. г -Влияние ингибиторов ПДГ на общую

активность малатдегидрогеназы (МДГ) в гомогенатах коры головного мозга. д - Репрезентативные Вестерн-блоты

ацетилированных (слева) и сукцинилированных (справа) белков головного мозга, использованные для количествен-

ных оценок, представленных на панелях (а-в). Маркеры молекулярной массы приведены слева. Стрелками указаны

полосы, использованные для количественного анализа. Здесь и далее одна панель образцов объединяет соответствую-

щие части, вырезанные из одного блота, тогда как полные изображения мембран и соответствующих гелей, используе-

мых для нормализации белка, показаны на Fig. S1 в Приложении

тилирование белков с массами 15, 29, 31 кДа

вестно повышение при ацетилировании фер-

уменьшается после обработки АцМеФ, в то

мента [39], демонстрирует тенденцию (р = 0,1)

время как ацетилирование белков 50 кДа уве-

к увеличению (рис. 2, г) одновременно с ин-

личивается (рис. 2, б-в; верхняя часть). В ре-

дуцированным АцМеФ увеличением ацети-

зультате противоположных эффектов АцМеФ

лирования метаболических белков (50 кДа;

на ацетилирование разных белков и низкого

рис. 2, в; верхняя часть).

вклада полосы 31 кДа, изменяющейся под дей-

Сукцинилирование и ацетилирование бел-

ствием АцФМе, в общую интенсивность сум-

ков мозга меняются при ингибировании ПДГ

марный уровень ацетилирования белков го-

по-разному. Снижение под действием АцМеФ

ловного мозга не меняется после введения ни

уровня ацетилирования белков массой 15 кДа

АцМеФ, ни АцФМе (рис. 2, а; верхняя часть).

сопровождается увеличением уровня сукци-

Индуцированное АцМеФ увеличение аце-

нилирования белков массой 15-20 кДа. При

тилирования белковой полосы 50 кДа согласу-

этом менее эффективный ингибитор АцФМе

ется с результатами функциональных тестов.

не влияет на уровень сукцинилирования бел-

Активность МДГ (36 кДа), для которой из-

ков головного мозга с низкой молекулярной

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

152

АЛЕШИН и др.

Рис. 3. Изменения уровней митохондриальной деацетилазы SIRT3 (а) и деацилазы отрицательно заряженных ациль-

ных групп SIRT5 (б) в гомогенатах коры головного мозга после введения ингибиторов ПДГ. Интенсивность каждого

образца нормализована на содержание общего белка в дорожке и приведена в % к среднему значению такой интен-

сивности в контрольной группе крыс (см. раздел «Материалы и методы»). Репрезентативные Вестерн-блоты, исполь-

зованные для количественной оценки, показаны под графиками. Различия между группами и соответствующие им

p-значения показаны на графиках линиями. При значимости фактора обработки согласно анализу ANOVA, под гра-

фиками приведены характеристические p- и F-значения

массой (рис. 2, а-в; нижняя часть). Иная ситуа-

ПДГ (рис. 2), мы оценили уровни экспрессии

ция наблюдается для сукцинилирования бел-

соответствующих митохондриальных деаци-

ков головного мозга массой 30-50 кДа. Сукци-

лаз мозга: деацетилазы сиртуина 3 (SIRT3) и

нилирование этих белковых полос значительно

десукцинилазы сиртуина 5 (SIRT5) (рис. 3).

увеличивается при воздействии менее эффек-

Ингибиторы ПДГ не индуцируют существен-

тивного ингибитора ПДГ - АцФМе, но не из-

ных изменений в уровнях SIRT3 или SIRT5

меняется под действием сильного ингибитора

по сравнению с контрольными животными,

АцМеФ (рис. 2, а-в; нижняя часть). Посколь-

однако уровень SIRT5 значительно повыша-

ку белки с массой 30-50 кДа представляют

ется после воздействия АцМеФ по сравне-

собой наибольшую часть сукцинилированных

нию с АцФМе (рис. 3). Получавшие АцМеФ и

белков, общий уровень сукцинилирования так-

АцФМе животные также существенно различа-

же увеличивается под действием АцФМе, в от-

лись по уровням сукцинилирования белковых

личие от АцМеФ.

полос в интервале масс 37-50 кДа (рис. 2, в;

Таким образом, сильный ингибитор ПДГ

нижняя часть). Таким образом, умеренное

АцМеФ действует по-разному не только на

ингибирование ПДГ при действии АцФМе не

ацилирование белков с разной молекулярной

влияет на уровни SIRT3 и SIRT5 (рис. 3), но

массой, но и на различные типы ацилирова-

увеличивает сукцинилирование белков мас-

ния. Вызванное АцМеФ снижение ацетилиро-

сой 37-50 кДа по сравнению с контрольными

вания белков с кажущейся молекулярной мас-

и получившими АцМеФ животными (рис. 2, в).

сой, близкой к молекулярной массе коровых

При более сильном ингибировании ПДГ у жи-

гистонов (15-20 кДа), сопровождается повы-

вотных, получавших АцМеФ, по сравнению с

шенным уровнем сукцинилирования этих бел-

получавшими АцФМе животными повышается

ков, тогда как на сукцинилирование метаболи-

экспрессия десукцинилазы SIRT5 (рис. 3, б),

ческих белков (30-50 кДа) АцМеФ не влияет.

что согласуется с отсутствием роста сукци-

Экспрессия митохондриальной деацетилазы

нилирования белков массой 37-50 кДа у этой

SIRT3 и десукцинилазы SIRT5 после ингибиро-

группы по сравнению с контролем, в отличие

вания ПДГ. Принимая во внимание изменения

от обработанной АцФМе группы (рис. 2, в).

в уровне ацетилирования и сукцинилирова-

Комплементарные изменения экспрес-

ния белков мозга под действием ингибиторов сии SIRT5 и сукцинилирования белков при

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

АЦИЛИРОВАНИЕ БЕЛКОВ МОЗГА ПРИ ИНГИБИРОВАНИИ ПДГ

153

ингибировании ПДГ показывают критиче-

щих и утилизующих ацетильные остатки по

скую роль SIRT5 в поддержании уровня сук-

сравнению с теми, что участвуют в генерации

цинилирования белков. Контроль сукцинили-

и утилизации сукцинильных остатков.

рования за счет экспрессии SIRT5 согласуется

С другой стороны, уровень сукцинили-

с существованием отрицательной корреля-

рования белков массой 30 кДа положительно

ции между уровнем сукцинилирования бел-

коррелирует с уровнем деацетилазы SIRT3 в

ков мозга и уровнем десукцинилазы SIRT5

мозге (табл. 1). Это наблюдение свидетельству-

в мозге (табл. 1). Напротив, отрицательной

ет о конкурентных отношениях между ацети-

корреляции между уровнем ацетилирования

лированием и сукцинилированием данных

белков и уровнем митохондриальной деацети-

белков. По-видимому, деацетилирование ли-

лазы SIRT3 не выявлено. Вместо этого и общее

зинов под действием SIRT3 может увеличивать

ацетилирование, и ацетилирование белков

их доступность для сукцинилирования.

массой 15 кДа положительно коррелируют с

Экспрессия альфа-субъединицы ПДГ и степень

уровнем SIRT3 (табл. 1). Таким образом, взаи-

ее фосфорилирования по Ser293 после ингибиро-

мосвязи между белковым ацетилированием и

вания ПДГ. Экспрессия ПДГ и регуляция фер-

экспрессией деацетилаз могут быть сложнее,

мента фосфорилированием могут участвовать в

чем взаимосвязи между белковым сукцинили-

компенсаторном ответе на ингибирование ПДГ,

рованием и экспрессией десукцинилаз. По-ви-

поскольку физиологические уровни активности

димому, это связано с существенно большим

ПДГ контролируются системой (де)фосфорили-

количеством метаболических путей, генерирую-

рования фермента. Фосфорилирование ПДГ

по Ser293 киназой ПДГ инактивирует фермент,

в то время как дефосфорилирование фосфата-

Таблица 1. Корреляции Спирмена между ацилированием

зой ПДГ увеличивает активность. Как видно

различных белков и экспрессией SIRT3 и SIRT5

из рис. 4, экспрессия кодируемой PDHА альфа-

SIRT3

SIRT5

субъединицы ПДГ в мозге и фосфорилирова-

Белки

ние ее Ser293 достоверно не изменяются по-

сле введения ингибиторов ПДГ по сравнению

с контролем. Дисперсионный анализ ANOVA

Aц-K Общее

0,45

0,04

0,15

0,51

показывает влияние ингибирования на фос-

форилирование Ser293 (рис. 4, б), однако до-

Aц-K 15 кДа

0,55

0,01

0,03

0,90

стоверной разницы между тремя исследован-

Aц-K 29 кДа

-0,02

0,92

-0,26

0,24

ными группами не выявлено. Не отличаются

эти группы животных и по отношению фосфо-

Aц-K 31 кДа

-0,11

0,63

-0,35

0,11

рилированной субъединицы к общей экспрес-

сии α-ПДГ (рис. 4, в), что свидетельствует о

Aц-K 50 кДа

-0,02

0,92

0,21

0,34

пропорциональном изменении обоих параме-

Сук-K Общее

0,12

0,6

-0,33

0,13

тров без изменения уровня фосфорилирования

белка. Таким образом, ингибирование ПДГ,

Сук-K 50 кДа

-0,03

0,89

-0,5

0,02

изменяющее ацетилирование и сукцинилиро-

вание белков мозга (рис. 2 и 3), не вызывает

Сук-K 40 кДа

0,30

0,18

-0,37

0,09

компенсаторного повышения активности ПДГ

посредством дефосфорилирования фермен-

Сук-K 37 кДа

0,20

0,36

-0,67

0,00

та (рис. 4).

Сук-K 30 кДа

0,39

0,07

-0,21

0,34

Корреляционный анализ уровня ацетили-

рования белков головного мозга и экспрессии

Сук-K 21 кДа

0,11

0,62

0,05

0,84

субъединицы α-ПДГ (скорость-лимитирующе-

го компонента ПДГ-комплекса), определенных

Сук-K 15 кДа

-0,18

0,43

0,17

0,44

у животных всех исследованных групп, пока-

зал, что экспрессия α-ПДГ коррелирует поло-

Примечание. Корреляции определены с использова-

жительно с ацетилированием белков массой

нием параметров исследованных животных всех групп

(n = 22). Ац-К - Ацетилированные лизиновые остатки

50 кДа и отрицательно - с ацетилированием

белков; Сук-К - сукцинилированные лизиновые остат-

белков массой около 30 кДа (табл. 2). Такой ре-

ки белков; Rs - коэффициент корреляции; SIRT3 - ми-

зультат корреляционного анализа соответствует

тохондриальная деацетилаза; и SIRT5 - десукцинилаза;

p - значимость корреляции. Статистически значимые

противоположным изменениям средних уров-

(p < 0,05) положительные или отрицательные корреляции

ней ацетилирования этих белков при действии

окрашены в красный или синий цвета соответственно и

ингибиторов ПДГ (рис. 2). Уровень фосфори-

выделены жирным шрифтом; тенденции (0,05 < p < 0,1)

выделены жирным курсивом.

лированной α-ПДГ (α-ПДГ-Ф) положительно

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

154

АЛЕШИН и др.

Рис. 4. Регуляция экспрессии и фосфорилирования α-ПДГ в гомогенатах коры головного мозга при введении ин-

гибиторов ПДГ. а - Уровень альфа-субъединицы ПДГ (α-ПДГ); б - уровень α-ПДГ, фосфорилированной по Ser293

(α-ПДГ-Ф); в - отношение между фосфорилированной и общей α-ПДГ. α-ПДГ и ее фосфорилирование определя-

ли по Вестерн-блотам, показанным под графиками. Интенсивность каждой полосы нормализована на общий белок

дорожки и представлена в % от среднего значения нормализованной на белок интенсивности в контрольной группе

крыс (см. раздел «Материалы и методы»). В случае статистической значимости фактора обработки согласно анализу

ANOVA, характеристические p- и F-значения приведены под графиками

Таблица 2. Корреляции Спирмена между ацетилированием или сукцинилированием белков и экспрессией α-ПДГ,

ее фосфорилированием по Ser293 и отношением фосфорилированной формы к общей экспрессии α-ПДГ

α-ПДГ

α-ПДГ-Ф

α-ПДГ-Ф/α-ПДГ

Белки

Aц-K Общее

0,11

0,64

0,03

0,90

0,04

0,87

Aц-K 15 кДа

0,03

0,88

0,02

0,92

0,01

0,96

Aц-K 29 кДа

-0,60

0,00

-0,01

0,95

0,30

0,18

Aц-K 31 кДа

-0,52

0,01

-0,17

0,46

0,15

0,52

Aц-K 50 кДа

0,58

0,00

0,01

0,97

-0,21

0,35

Сук-K Общее

-0,02

0,91

0,47

0,03

0,25

0,26

Сук-K 50 кДа

-0,02

0,94

0,50

0,02

0,26

0,23

Сук-K 40 кДа

0,06

0,77

0,44

0,04

0,24

0,29

Сук-K 37 кДа

0,03

0,89

0,54

0,01

0,34

0,12

Сук-K 30 кДа

-0,14

0,53

0,27

0,22

0,13

0,56

Сук-K 21 кДа

0,14

0,54

0,14

0,53

-0,10

0,67

Сук-K 15 кДа

0,01

0,96

0,15

0,52

-0,10

0,64

Примечание. Уровни белковой экспрессии и ацилирования определяли с помощью Вестерн-блоттинга, как описано

в разделе «Материалы и методы». Ац-К - Ацетилирование; Сук-К - сукцинилированные лизиновые остатки белков;

α-ПДГ-Ф - фосфорилирование субъединицы по Ser293; Rs - коэффициент корреляции Спирмена; p - статистическая

значимость корреляций. Статистически значимые (p < 0,05) положительные или отрицательные корреляции выделе-

ны жирным шрифтом и окрашены в красный или синий цвета соответственно.

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

АЦИЛИРОВАНИЕ БЕЛКОВ МОЗГА ПРИ ИНГИБИРОВАНИИ ПДГ

155

Рис. 5. Параметры поведения и ЭКГ через 24 ч после введения ингибиторов ПДГ. Время замирания, время грумин-

га, количество актов груминга, стоек и локомоции определены в тесте «Открытое поле», как описано в «Материалах

и методах». Длина интервала R-R (мс), стандартное отклонение средних значений интервала R-R (SD, мс), показатель

вариабельности сердечного ритма dX, парасимпатический (релаксационный) RMSSD индекс и стресс-индекс симпа-

тической регуляции определены по ЭКГ, как описано в разделе «Материалы и методы»

коррелирует с уровнем сукцинилирования ме-

экспериментальных животных на контрольном

таболических белков (табл. 2; Сук-К 37-50 кДа).

уровне. Однако следует отметить, что при от-

Таким образом, когда активность ПДГ-ком-

сутствии существенных изменений в средних

плекса снижена в результате ее фосфорили-

по выборке значениях физиологических па-

рования или действия ингибитора АцФМе

раметров внутригрупповые различия между

(рис. 2, б-в; нижняя часть), сукцинилирование

отдельными животными могут значительно

метаболических белков увеличивается.

изменяться под действием ингибиторов ПДГ.

Физиологические параметры эксперимен-

Например, у крыс, получавших сильный ингиби-

тальных животных не изменяются под действием

тор ПДГ АцМеФ, наблюдается снижение вариа-

ингибиторов ПДГ. Для определения потенци-

бельности такого параметра как продолжитель-

альных эффектов ингибиторов ПДГ на физио-

ность замирания, а вариабельность параметров

логическое состояние оценивали поведение

ЭКГ возрастает по сравнению с контрольными

животных в тесте «Открытое поле» (рис. 5,

крысами, тогда как слабый ингибитор АцФМе

верхняя часть) и параметры неинвазивной

не оказывает такого действия (рис. 5).

ЭКГ (рис. 5, нижняя часть). Отсутствие су-

Важность изученных компонентов систе-

щественных изменений данных параметров у

мы ацилирования мозга для физиологии оче-

животных после введения АцМеФ или АцФМе

видна из ряда значимых корреляций с параме-

по сравнению с контрольной группой пока-

трами поведения (табл. 3) и ЭКГ (табл. 4). Так,

зывает, что биохимические изменения в мозге

экспрессия SIRT5 демонстрирует положи-

отражают адаптационный ответ, поддерживаю-

тельную корреляцию со временем замирания;

щий постоянство физиологических параметров

количество стоек положительно коррелирует

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

156

АЛЕШИН и др.

Таблица 3. Корреляции Спирмена между компонентами системы ацилирования мозга и параметрами поведения

Длительность

Акты груминга

Стойки

Локомоция

замирания

груминга

Компоненты

SIRT3

-0,05

0,83

-0,29

0,18

-0,20

0,37

0,01

0,98

-0,22

0,33

SIRT5

0,41

0,06

0,22

0,33

0,11

0,61

-0,17

0,44

0,20

0,37

Aц-K Общее

0,12

0,58

-0,06

0,79

-0,49

0,02

-0,03

0,90

-0,26

0,24

Aц-K 15 кДа

-0,02

0,94

-0,22

0,33

-0,38

0,08

0,01

0,97

-0,37

0,09

Aц-K 29 кДа

0,07

0,75

0,14

0,54

0,05

0,81

0,19

0,39

0,24

0,29

Aц-K 31 кДа

-0,03

0,88

-0,01

0,97

-0,07

0,76

0,10

0,67

0,09

0,69

Aц-K 50 кДа

0,12

0,58

0,29

0,19

-0,26

0,24

-0,16

0,47

-0,16

0,47

Сук-K Общее

-0,13

0,56

-0,30

0,18

0,07

0,76

0,43

0,05

-0,01

0,97

Сук-K 50 кДа

-0,17

0,46

-0,17

0,44

0,15

0,50

0,31

0,17

-0,04

0,87

Сук-K 40 кДа

-0,10

0,67

-0,33

0,13

-0,13

0,55

0,38

0,08

0,01

0,96

Сук-K 37 кДа

-0,25

0,27

-0,35

0,11

-0,03

0,89

0,30

0,18

-0,18

0,42

Сук-K 30 кДа

-0,04

0,85

-0,12

0,59

0,07

0,77

0,37

0,09

-0,01

0,96

Сук-K 21 кДа

-0,27

0,23

-0,29

0,20

0,11

0,62

0,41

0,06

0,79

Сук-K 15 кДа

-0,14

0,52

-0,04

0,87

0,37

0,09

0,15

0,50

0,09

0,68

α-ПДГ

-0,14

0,55

0,09

0,69

-0,40

0,07

-0,01

0,95

-0,41

0,06

α-ПДГ-Ф

-0,12

0,61

-0,14

0,52

0,07

0,75

0,00

0,98

-0,16

0,47

α-ПДГ-Ф/ α-ПДГ

0,05

0,84

-0,21

0,35

0,11

0,61

0,04

0,87

0,11

0,62

МДГ

-0,02

0,94

0,19

0,40

0,44

0,04

0,08

0,74

0,39

0,07

Примечание. Rs - Коэффициенты корреляций Спирмена; p - статистическая значимость корреляций. Статистически

значимые (p < 0,05) положительные или отрицательные корреляции окрашены в красный или синий цвета соответ-

ственно и выделены жирным шрифтом; тенденции (0,05 < p < 0,1) выделены жирным курсивом. Принятые сокраще-

ния даны в Примечании к табл. 2.

с сукцинилированием белков мозга, в то вре-

активности (RMSSD) имеет тенденцию к от-

мя как количество актов груминга и в меньшей

рицательной корреляции с уровнем деацети-

степени локомоторная активность связаны с

лазы SIRT3 (табл. 4). Таким образом, получе-

ацетилированием белков мозга и экспрессией

ны взаимодополняющие результаты о том, что

α-ПДГ (табл. 3).

релаксация падает с ростом деацетилирования

Среди компонентов системы ацилирова-

митохондриальных белков, а стресс падает с

ния мозга, коррелирующих с параметрами ЭКГ,

ростом ацетилирования белков 29 кДа.

ацетилирование белков с молекулярной массой

29 кДа демонстрирует сильную положитель-

ную корреляцию с частотой сердечных сокра-

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

щений и вариабельностью сердечного ритма,

коррелируя отрицательно со стресс-индексом,

При помощи фармакологического ингиби-

характеризующим симпатическую активность.

рования ПДГ фосфинатным и фосфонатным

Индекс парасимпатической (релаксационной)

аналогами пирувата мы определили связь между

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

АЦИЛИРОВАНИЕ БЕЛКОВ МОЗГА ПРИ ИНГИБИРОВАНИИ ПДГ

157

Таблица 4. Корреляции Спирмена между компонентами системы ацилирования головного мозга и параметрами ЭКГ

Интервалы R-R

RMSSD

Стресс-индекс

Компоненты

SIRT3

-0,06

0,79

-0,27

0,23

-0,04

0,87

-0,36

0,10

0,20

0,38

SIRT5

-0,07

0,76

-0,03

0,91

-0,12

0,60

-0,06

0,79

0,12

0,60

Aц-K Общее

0,10

0,65

0,00

0,99

0,14

0,54

-0,09

0,68

-0,08

0,73

Aц-K 15 кДа

0,06

0,77

-0,12

0,58

0,07

0,77

-0,20

0,38

0,02

0,92

Aц-K 29 кДа

0,58

0,00

0,49

0,02

0,46

0,03

0,25

0,27

-0,50

0,02

Aц-K 31 кДа

0,29

0,18

0,29

0,20

0,17

0,44

0,11

0,63

-0,30

0,18

Aц-K 50 кДа

-0,29

0,19

-0,11

0,63

-0,19

0,40

0,02

0,94

0,19

0,40

Сук-K Общее

0,05

0,84

-0,06

0,79

0,25

0,27

0,02

0,91

-0,01

0,97

Сук-K 50 кДа

0,05

0,84

-0,04

0,87

0,16

0,48

0,05

0,84

0,00

0,99

Сук-K 40 кДа

0,10

0,67

-0,12

0,60

0,18

0,41

-0,11

0,64

0,03

0,89

Сук-K 37 кДа

-0,05

0,84

-0,29

0,19

-0,02

0,94

-0,18

0,43

0,19

0,39

Сук-K 30 кДа

0,21

0,35

-0,02

0,92

0,34

0,12

0,05

0,84

-0,07

0,77

Сук-K 21 кДа

-0,17

0,44

-0,27

0,23

-0,02

0,92

-0,15

0,49

0,23

0,30

Сук-K 15 кДа

-0,13

0,55

-0,01

0,95

0,14

0,55

0,12

0,60

0,03

0,89

α-ПДГ

-0,34

0,12

-0,24

0,27

-0,21

0,34

-0,22

0,33

0,25

0,26

α-ПДГ-Ф

-0,08

0,73

-0,03

0,90

0,12

0,60

0,24

0,29

-0,03

0,90

α-ПДГ-Ф/α-ПДГ

0,01

0,97

0,03

0,89

0,08

0,73

0,20

0,38

-0,10

0,66

МДГ

-0,03

0,90

0,12

0,58

0,10

0,67

-0,11

0,63

-0,07

0,75

Примечание. Расшифровка параметров ЭКГ приводится в подписи к рис. 5 и в разделе «Материалы и методы».

Rs - Коэффициенты корреляций Спирмена; p - статистическая значимость корреляций. Статистически значимые

(p < 0,05) положительные или отрицательные корреляции окрашены в красный или синий цвета соответственно и

выделены жирным шрифтом; тенденции (0,05 < p < 0,1) выделены жирным курсивом. Принятые сокращения даны

в Примечании к табл. 2.

катализируемой ПДГ реакцией и ацилировани-

рование белков головного мозга. При сильном

ем белков мозга. Согласно охарактеризованной

ингибировании ПДГ (рис. 6, б) значительно

ранее [23-25] эффективности действия данных

уменьшается ацетилирование основной полосы

ингибиторов ПДГ, введение животным одной

белкового ацетилирования, молекулярная мас-

и той же дозы АцМеФ и АцФМе должно при-

са которой (15 кДа) соответствует массе гисто-

водить к различным уровням ингибирования

нов, а сукцинилирование этих белков увеличи-

фермента in vivo. Определенная нами иерар-

вается. Для белков с другими молекулярными

хичность ответа системы ацилирования мозга

массами при сильном ингибировании ПДГ на-

на введение этих ингибиторов ПДГ хорошо со-

блюдается как уменьшение (29 и 31 кДа), так и

гласуется с разными уровнями ингибирования

увеличение (50 кДа) ацетилирования. При этом

фермента (рис. 6). При умеренном уровне ин-

уровень сукцинилирования этих негистоновых

гибирования ПДГ (рис. 6, а) ацетилирование

белков не меняется, а экспрессия десукцини-

значимо уменьшается только для белков мас-

лазы SIRT5 растет (рис. 3). Наблюдаемые из-

сой 31 кДа, но значительно растет сукцинили-

менения системы ацилирования мозга в ответ

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

158

АЛЕШИН и др.

на ингибирование ПДГ согласуются с ядерной

локализации этих белков вне и внутри ядра со-

локализацией гистонов (15 кДа), вовлекаемых

ответственно, поскольку SIRT5 предназначен

в транскрипционную регуляцию при сильном

для десукцинилировании негистоновых белков,

ингибировании ПДГ и митохондриальной/ци-

тогда как деацилазы гистонов являются фер-

топлазматической локализацией других белков

ментами другого типа.

(30-50 кДа), реагирующих на умеренный уро-

Результаты данного исследования указы-

вень ингибирования ПДГ (рис. 6). Примеча-

вают на отсутствие однонаправленного от-

тельно, что в независимом исследовании с ис-

вета ацетилирования всех белков мозга на

пользованием специфических антител к белкам

изменения функций ПДГ (продуцента аце-

разной внутриклеточной локализации и инги-

тильных остатков) и SIRT3 (деацетилазы).

бирования ПДГ за счет нарушенного липоили-

В частности, повышенное ацетилирование

рования ПДГ-комплекса были также показаны

белков головного мозга с кажущейся молеку-

различия в изменении ацетилирования белков

лярной массой, соответствующей массе гис-

в зависимости от их локализации [40].

тонов (15 кДа), положительно коррелирует

Повышенное сукцинилирование белков го-

с уровнями митохондриального SIRT3, что

ловного мозга с кажущейся молекулярной мас-

может свидетельствовать о вкладе ацетили-

сой, соответствующей гистонам (15-20 кДа)

рования митохондриальных белков в ретро-

(рис. 2, б), совпадает с повышенной экспрес-

градную передачу сигнала от митохондрий

сией десукцинилазы SIRT5 (рис. 3, б). Такие

к ядру (рис. 6). Напротив, экспрессия α-ПДГ

cопряженные изменения могут быть следстви-

положительно коррелирует с уровнем аце-

ем ожидаемой активации транскрипции при

тилирования негистоновых белков, молеку-

сукцинилировании гистонов, меняющим заряд

лярная масса которых (50 кДа) соответствует

лизиновых остатков гистонов с положительно-

массе тубулина. С другой стороны, ацетили-

го на отрицательный. Тот факт, что повышен-

рование белков с массой около 30 кДа с уров-

ная экспрессия десукцинилазы метаболических

нем α-ПДГ коррелирует отрицательно. Таким

белков (SIRT5) уменьшает сукцинилирование

образом, наши данные свидетельствуют о том,

негистоновых белков (30-50 кДа, рис. 2), но не

что функция ПДГ по-разному контролирует

белков массой 15 кДа, свидетельствует в пользу

ацетилирование конкретных белков мозга.

Рис. 6. Схема предполагаемых механизмов адаптационной перестройки метаболизма мозга через ацилирование белков,

изменяющееся под действием ингибиторов ПДГ АцФМе (а) и АцМеФ (б). Указаны известные локализации полифер-

ментных комплексов пируватдегидрогеназы (ПДГ) и 2-оксоглутаратдегидрогеназы (ОГДГ) в митохондриях и ядре

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

АЦИЛИРОВАНИЕ БЕЛКОВ МОЗГА ПРИ ИНГИБИРОВАНИИ ПДГ

159

Одной из особенностей этой сложной си-

45], который, по-видимому, не нарушен в на-

стемы является сильная взаимозависимость

ших экспериментальных условиях. В результа-

различных типов ацилирования белка. Резуль-

те адаптационный ответ на кратковременное

таты протеомных исследований, хранящиеся в

ингибирование ПДГ поддерживается взаимо-

базах данных (например, PhosphoSite [41]), по-

связанными реакциями ацилирования, а не фос-

казывают, что во многих случаях одни и те же

форилированием α-ПДГ. Тем не менее уровень

остатки лизина могут подвергаться различным

фосфорилированной (неактивной) α-ПДГ по-

типам ацилирования. Вероятная конкуренция

ложительно коррелирует с сукцинилировани-

различных типов ацилирования за реакцион-

ем негистоновых белков (табл. 2), что хорошо

носпособные белковые остатки лизина может

соответствует росту сукцинилирования при

приводить к тому, что сукцинилирование неко-

фармакологическом ингибировании ПДГ. Кор-

торых остатков увеличивается, когда их ацети-

реляция может отражать известное участие фос-

лирование - уменьшается. Такая конкуренция

форилирования α-ПДГ в метаболическом пе-

может объяснять наблюдаемую нами положи-

реключении потоков субстратов между циклом

тельную корреляцию сукцинилирования белков

трикарбоновых кислот, генерирующим сук-

массой 30 кДа с уровнем деацетилазы SIRT3 в

цинил-КоА, и гликолизом [46-48]. Механизм

мозге (табл. 1) и аналогичные результаты не-

такого переключения может включать образо-

давнего масс-спектрометрического исследо-

вание комплекса между фосфорилированной

вания белкового ацилирования на крысиной

α-ПДГ и пируваткиназой 2M, выступающего

модели эпилепсии [15]. Конкуренция комплек-

в качестве регулятора транскрипции [44]. Схо-

сов ПДГ и ОГДГ за их субстрат КoA, который

жее транскрипционное действие известно для

является предшественником ацилирующих

ОГДГ в комплексе с ацетил-КоА-ацилтранс-

белки производных КоА, может также вносить

феразой 2, связывание которой с ДНК контро-

вклад в конкуренцию между разными типами

лирует ацилирование гистонов [12]. Исследо-

ацилирований белков. Так, повышение доступ-

вания ацилирования белков мозга указывают,

ности свободного КоА за счет уменьшения вы-

что формирование памяти и ее возрастные или

работки ацетил-КоА заингибированным ком-

патологические нарушения зависят не только

плексом ПДГ может стимулировать выработку

от давно известного ацетилирования [17, 49-

сукцинил-КоА комплексом ОГДГ.

51], но и от сукцинилирования гистонов [12].

С другой стороны, как в данной рабо-

Нарушение сукцинилирования негистоновых

те (табл. 1), так и в недавнем исследовании

белков головного мозга является характерной

модели эпилепсии у крыс [15] уровни ацети-

чертой мозга пациентов с болезнью Альцгей-

лирования белков коррелируют с уровнями

мера [21], для которого давно известно сниже-

деацетилаз SIRT3 и SIRT2 положительно. Это

ние активности комплекса ОГДГ - продуцента

указывает на отсутствие прямого контроля со-

сукцинил-КоА [20].

стояния ацетилирования клеточных белков за

Наши результаты показывают иерархию

счет экспрессии деацетилаз. Возможно, взаим-

изменений ацетилирования и сукцинилиро-

ные отношения между деацетилазами и уровнем

вания белков, направленных на поддержание

белкового ацетилирования неоднозначны из-за

стабильности физиологических параметров в

различных источников и мишеней ацетилиро-

условиях метаболического стресса. Умеренный

вания белков. Напротив, сукцинилирование не-

ингибитор ПДГ АцФМе изменяет ацилирова-

гистоновых белков коррелирует с экспрессией

ние белков массой 30-50 кДа, а ацилирование

десукцинилазы метаболических белков (SIRT5)

белков массой 15-20 кДа изменяется под дей-

отрицательно, что соответствует непосредствен-

ствием сильного ингибитора АцМеФ (рис. 2).

ному контролю уровня сукцинилирования с по-

Мы предполагаем, что такая последователь-

мощью экспрессии десукцинилазы. Таким об-

ность событий указывает на два уровня си-

разом, факторы конкуренции и специфическая

стемного ответа мозга на ингибирование ПДГ.

регуляция источников и мишеней ацилирова-

В первую очередь реагирует система ацилиро-

ния могут обусловить наблюдаемые взаимные

вания метаболических белков, а далее наблю-

влияния процессов ацетилирования и сукцини-

дается регуляция транскрипции за счет ацили-

лирования белков мозга, продемонстрирован-

рования гистонов (рис. 6).

ные при специфическом ингибировании ПДГ.

Корреляции между различными компо-

Фосфорилирование α-ПДГ не претерпе-

нентами системы ацилирования белков голов-

вает существенных изменений в ответ на крат-

ного мозга и физиологическими параметра-

ковременное действие ингибиторов ПДГ. Дей-

ми (табл. 3 и 4) раскрывают физиологическое

ствительно, известно, что фосфорилирование

значение ацилирования белков - тему, кото-

α-ПДГ реагирует на гормональный фон [42-

рая еще очень мало разработана. В частности,

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

160

АЛЕШИН и др.

отрицательные корреляции между SIRT3 в моз-

массой 30-50 кДа неоднозначно. В отличие от

ге и RMSSD ЭКГ, а также между уровнем аце-

ацилирования белков мозга, фосфорилиро-

тилирования белков 29 кДа мозга и стресс-ин-

вание ПДГ существенно не изменяется после

дексом ЭКГ (табл.

4) указывают на связь

24-часового воздействия ингибиторов ПДГ. Та-

баланса парасимпатической (релаксационной)

ким образом, изменение ацилирования белков

и симпатической (стрессорной) вегетативной

головного мозга представляет собой кратковре-

регуляции с уровнем ацетилирования белков

менный ответ на ингибирование ПДГ, который

головного мозга. Эта взаимосвязь может быть

может обеспечивать адаптацию организма к ме-

обусловлена тем фактом, что более высокий

таболическому стрессу и участвовать в механиз-

«потенциал ацетилирования» может отражать

мах развития патологий.

повышенный биосинтез ацетил-КоА, который

является субстратом для биосинтеза нейроме-

Вклад авторов. ВАА изучал белковое ацили-

диатора парасимпатической нервной системы

рование, проводил анализ и визуализацию био-

ацетилхолина. Известно, что баланс контроли-

химических экспериментов; ДАС выполняла

рующих стресс симпатической и парасимпа-

животные эксперименты и изучала экспрессию

тической систем находится в сложной взаимо-

и фосфорилирование α-ПДГ; АВК предоста-

связи с формированием памяти [52], причем

вил аналоги пирувата; АВГ руководила работой

при определенных условиях стресс может

с животными, спланировала и анализировала

улучшать память [53]. В этой связи обнаружен-

животные эксперименты; ВИБ получила фи-

ные нами корреляции между активностью па-

нансирование, сформулировала концепцию и

расимпатической системы и ацетилированием

руководила исследованием, написала и отре-

белков мозга могут указывать на зависимость

дактировала текст статьи. Все авторы прочита-

памяти и когнитивных функций от ацилирова-

ли и согласились с опубликованной версией.

ния белков мозга. Дальнейшая идентификация

Финансирование. Эта работа была выпол-

специфических белков в составе белковых по-

нена при поддержке Российского научного

лос, ацилирование которых изменяется в ответ

фонда (грант № 18-14-00116).

на ингибиторы ПДГ и коррелирует с физиоло-

Конфликт интересов. Авторы заявляют об

гическими параметрами, может способство-

отсутствии конфликтов интересов. Финан-

вать определению специфических компонен-

сирующие спонсоры не принимали участия в

тов системы ацилирования мозга, важных для

разработке дизайна исследования, а также в

контролируемых ацилированием белков мозга

сборе, анализе или интерпретации данных, на-

физиологических процессов. Эти компоненты

писании рукописи или в принятии решения о

могут участвовать и в нарушениях регуляции

публикации результатов.

системы ацилирования при заболеваниях.

Соблюдение этических норм. Все экспе-

рименты на животных проводились в со-

ответствии с методическими Директивами

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Хельсинкской декларации и были одобрены

Комитетом по биоэтике Московского государ-

Усиление ингибирования комплекса ПДГ

ственного университета имени М.В. Ломоно-

в головном мозге уменьшает ацетилирование

сова (протокол № 139-а от 11 ноября 2021 года).

и увеличивает сукцинилирование белков мас-

Дополнительные материалы. Приложение к

сой 15 кДа, в то время как влияние ингибиторов

статье на английском языке опубликовано на

ПДГ на ацилирование белков головного мозга

сайте: https://www.springer.com/journal/10541.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Joseph, A. D. A., Robert, A. T., and Lawrence, R. G.

3. Jeans, C., Thelen, M. P., and Noy, A. (2006) Single

(1980) Concentration-Dependent effects of sodium

molecule studies of chromatin, Front. Cell Dev. Biol.,

butyrate in Chinese hamster cells: cell-cycle progres-

9, 699771, doi: 10.2172/877892.

sion, inner-histone acetylation, histone H1 dephos-

4. Akiyama, S. K., and Hammes, G. G. (1980) Ele-

phorylation, and induction of an H1-like protein, Bio-

mentary steps in the reaction mechanism of the py-

chemistry, 19, 2656-2671, doi: 10.1021/BI00553A019.

ruvate dehydrogenase multienzyme complex from

2. Fischle, W., Wang, Y., and Allis, C. D. (2003) Histone

Escherichia coli: kinetics of acetylation and deacetyl-

and chromatin cross-talk, Curr. Opin. Cell Biol., 15,

ation, Biochemistry,

19,

4208-4213, doi:

10.1021/

172-183, doi: 10.1016/s0955-0674(03)00013-9.

BI00559A011.

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

АЦИЛИРОВАНИЕ БЕЛКОВ МОЗГА ПРИ ИНГИБИРОВАНИИ ПДГ

161

Waskiewicz, D. E., and Hammes, G. G.

(1984)

cell lines, J. Neurochem., 134, 86-96, doi: 10.1111/

Elementary steps in the reaction mechanism of the

jnc.13096.

α-ketoglutarate dehydrogenase multienzyme complex

15.

Zavileyskiy, L. G., Aleshin, V. A., Kaehne, T., Karlina,

from Escherichia coli: kinetics of succinylation

I. S., Artiukhov, A. V., Maslova, M. V., Graf, A. V., and

and desuccinylation, Biochemistry,

23,

3136-3143,

Bunik, V. I. (2022) The brain protein acylation system

doi: 10.1021/BI00309A005.

responds to seizures in the rat model of PTZ-induced

Xu, Y., Shi, Z., and Bao, L. (2022) An expanding

epilepsy, Int. J. Mol. Sci., 23, 12302, doi: 10.3390/

repertoire of protein acylations, Mol. Cell. Proteomics,

ijms232012302.

21, 100193, doi: 10.1016/J.MCPRO.2022.100193.

16.

Pietrocola, F., Galluzzi, L., Bravo-San Pedro, J. M.,

Bruzzone, S., Parenti, M. D., Grozio, A., Ballestrero,

Madeo, F., and Kroemer, G. (2015) Acetyl coenzyme A:

A., Bauer, I., del Rio, A., and Nencioni, A. (2013)

a central metabolite and second messenger, Cell Me-

Rejuvenating sirtuins: the rise of a new family of

tab., 21, 805-821, doi: 10.1016/j.cmet.2015.05.014.

cancer drug targets, Ingentaconnect. Com., 19, 614-623,

17.

Mews, P., Donahue, G., Drake, A. M., Luczak, V.,

doi: 10.2174/138161213804581954.

Abel, T., and Berger, S. L. (2017) Acetyl-CoA syn-

Grabowska, W., Sikora, E., and Bielak-Zmijewska, A.

thetase regulates histone acetylation and hippocam-

(2017) Sirtuins, a promising target in slowing down

pal memory, Nature, 546, 381-386, doi: 10.1038/

the ageing process, Biogerontology,

18,

447-476,

NATURE22405.

doi: 10.1007/S10522-017-9685-9.

18.

Pougovkina, O., te Brinke, H., Ofman, R., van

Sutendra, G., Kinnaird, A., Dromparis, P., Paulin, R.,

Cruchten, A. G., Kulik, W., Wanders, R. J. A.,

Stenson, T. H., Haromy, A., Hashimoto, K., Zhang, N.,

Houten, S. M., and de Boer, V. C. J. (2014) Mitochon-

Flaim, E., and Michelakis, E. D. (2014) A nuclear

drial protein acetylation is driven by acetyl-CoA from

pyruvate dehydrogenase complex is important for the

fatty acid oxidation, Hum. Mol. Genet., 23, 3513-3522,

generation of Acetyl-CoA and histone acetylation,

doi: 10.1093/HMG/DDU059.

Cell, 158, 84-97, doi: 10.1016/J.CELL.2014.04.046.

19.

Gräff, J., and Tsai, L.-H. (2013) Histone acetylation:

10.

Chueh, F. Y., Leong, K. F., Cronk, R. J.,

molecular mnemonics on the chromatin, Nat. Rev.

Venkitachalam, S., Pabich, S., and Yu, C. L. (2011)

Neurosci., 14, 97-111, doi: 10.1038/nrn3427.

Nuclear localization of pyruvate dehydrogenase

20.

Gibson, G. E., Blass, J. P., Beal, M. F., and Bunik, V.

complex-E2 (PDC-E2), a mitochondrial enzyme,

(2005) The α-ketoglutarate-dehydrogenase complex:

and its role in signal transducer and activator of

a mediator between mitochondria and oxidative stress

transcription 5 (STAT5)-dependent gene transcription,

in neurodegeneration, Mol. Neurobiol., 31, 43-63,

Cell Signal., 23, 1170-1178, doi: 10.1016/J.CELLSIG.

doi: 10.1385/MN:31:1-3:043.

2011.03.004.

21.

Yang, Y., Tapias, V., Acosta, D., Xu, H., Chen, H.,

11.

Wang, Y., Guo, Y. R., Liu, K., Yin, Z., Liu, R., Xia,

Bhawal, R., Anderson, E. T., Ivanova, E., Lin, H.,

Y., Tan, L., Yang, P., Lee, J. H., Li, X. J., Hawke, D.,

Sagdullaev, B. T., Chen, J., Klein, W. L., Viola, K.

Zheng, Y., Qian, X., Lyu, J., He, J., Xing, D., Tao, Y. J.,

L., Gandy, S., Haroutunian, V., Beal, M. F., Eliezer,

and Lu, Z. (2017) KAT2A coupled with the α-KGDH

D., Zhang, S., and Gibson, G. E. (2022) Altered

complex acts as a histone H3 succinyltransferase,

succinylation of mitochondrial proteins, APP and

Nature, 552, 273-277, doi: 10.1038/NATURE25003.

tau in Alzheimer’s disease, Nat. Commun., 13, 159,

12.

Choi, S., Pfleger, J., Jeon, Y. H., Yang, Z., He, M.,

doi: 10.1038/S41467-021-27572-2.

Shin, H., Sayed, D., Astrof, S., and Abdellatif, M.

22.

Bunik, V. I., Tylicki, A., and Lukashev, N. V. (2013)

(2019) Oxoglutarate dehydrogenase and acetyl-

Thiamin diphosphate-dependent enzymes: from

CoA acyltransferase

2 selectively associate with

enzymology to metabolic regulation, drug design and

H2A. Z-occupied promoters and are required

disease models, FEBS J., 280, 6412-6442, doi: 10.1111/

for histone modifications, Biochim. Biophys. Acta

febs.12512.

Gene Regul. Mech.,

1862,

194436, doi:

10.1016/

23.

Bunik, V. I., Artiukhov, A., Kazantsev, A., Goncalves, R.,

J.BBAGRM.2019.194436.

Daloso, D., Oppermann, H., Kulakovskaya, E.,

13.

Boyko, A. I., Karlina, I. S., Zavileyskiy, L. G., Aleshin,

Lukashev, N., Fernie, A., Brand, M., and Gaunitz, F.

V. A., Artiukhov, A. V., Kaehne, T., Ksenofontov,

(2015) Specific inhibition by synthetic analogs of

A. L., Ryabov, S. I., Graf, A. V., Tramonti, A., and

pyruvate reveals that the pyruvate dehydrogenase

Bunik, V. I. (2022) Delayed impact of 2-oxoadipate

reaction is essential for metabolism and viability

dehydrogenase inhibition on the rat brain metabolism

of glioblastoma cells, Oncotarget, 6, 40036-40052,

is linked to protein glutarylation, Front. Med., 9,

doi: 10.18632/ONCOTARGET.5486.

896263, doi: 10.3389/fmed.2022.896263.

24.

Nemeria, N. S., Korotchkina, L. G., Chakraborty, S.,

14.

Gibson, G. E., Xu, H., Chen, H.-L., Chen, W.,

Patel, M. S., and Jordan, F. (2006) Acetylphosphinate

Denton, T. T., and Zhang, S. Z. (2015) Alpha-

is the most potent mechanism-based substrate-like

ketoglutarate dehydrogenase complex-dependent

inhibitor of both the human and Escherichia coli

succinylation of proteins in neurons and neuronal

pyruvate dehydrogenase components of the pyruvate

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

162

АЛЕШИН и др.

dehydrogenase complex, Bioorg. Chem., 34, 362-379,

36.

Aleshin, V. A., Mkrtchyan, G. V., Kaehne, T., Graf,

doi: 10.1016/J.BIOORG.2006.09.001.

A. V., Maslova, M. V., and Bunik, V. I. (2020) Diurnal

25.

Artiukhov, A. V., Graf, A. V., and Bunik, V. I.

regulation of the function of the rat brain glutamate

(2016)

Directed regulation of multienzyme

dehydrogenase by acetylation and its dependence on

complexes of

2-oxo acid dehydrogenases using

thiamine administration, Wiley Online Library, 153,

phosphonate and phosphinate analogs of 2-oxo acids,

80-102, doi: 10.1111/jnc.14951.

Biochemistry (Moscow), 81, 1498-1521, doi: 10.1134/

37.

Tsepkova, P., Artiukhov, A., Boyko, A., Aleshin, V. A.,

S0006297916120129.

Mkrtchyan, G. V., Zvyagintseva, M. A., Ryabov, S. I.,

26.

Bunik, V. I., and Fernie, A. R. (2009) Metabolic

Ksenofontov, A. L., Baratova, L. A., Graf, A. V.,

control exerted by the 2-oxoglutarate dehydrogenase

and Bunik, V. I. (2017) Thiamine induces long-

reaction: a cross-kingdom comparison of the crossroad

term changes in amino acid profiles and activities

between energy production and nitrogen assimilation,

of 2-oxoglutarate and 2-oxoadipate dehydrogenases

Biochem. J., 422, 405-421, doi: 10.1042/BJ20090722.

in rat brain, Biochemistry (Moscow), 82, 723-736,

27.

Artiukhov, A. V., Aleshin, V. A., Karlina, I. S., Ka-

doi: 10.1134/S0006297917060098.

zantsev, A. V., Sibiryakina, D. A., Ksenofontov, A. L.,

38.

Ladner, C. L., Yang, J., Turner, R. J., and Edwards, R. A.

Lukashev, N. V., Graf, A. V., and Bunik, V. I.

(2004) Visible fluorescent detection of proteins in

(2022) Phosphonate inhibitors of pyruvate dehydroge-

polyacrylamide gels without staining, Anal. Biochem.,

nase perturb homeostasis of amino acids and protein

326, 13-20, doi: 10.1016/J.AB.2003.10.047.

succinylation in the brain, Int. J. Mol. Sci., 23, 13186,

39.

Kim, E. Y., Kim, W. K., Kang, H. J., Kim, J. H.,

doi: 10.3390/IJMS232113186.

Chung, S. J., Seo, Y. S., Park, S. G., Lee, S. C., and

28.

Badhan, R. K. S., Kaur, M., Lungare, S., and Obuobi, S.

Bae, K. H. (2012) Acetylation of malate dehydrogenase

(2014) Improving brain drug targeting through

1 promotes adipogenic differentiation via activating

exploitation of the nose-to-brain route: a physiological

its enzymatic activity, J. Lipid Res., 53, 1864-1876,

and pharmacokinetic perspective, Curr. Drug Deliv.,

doi: 10.1194/JLR.M026567.

11, 458-471, doi: 10.2174/1567201811666140321113555.

40.

Tong, W. H., Maio, N., Zhang, D. L., Palmieri, E. M.,

29.

Djupesland, P. G., Messina, J. C., and Mahmoud, R. A.

Ollivierre, H., Ghosh, M. C., McVicar, D. W., and

(2014) The nasal approach to delivering treatment

Rouault, T. A. (2018) TLR-activated repression of Fe-S

for brain diseases: an anatomic, physiologic, and

cluster biogenesis drives a metabolic shift and alters

delivery technology overview, Ther. Deliv., 5, 709-733,

histone and tubulin acetylation, Blood Adv, 2, 1146-

doi: 10.4155/tde.14.41.

1156, doi: 10.1182/BLOODADVANCES.2018015669.

30.

Pierozan, P., Jernerén, F., Ransome, Y., and Karlsson, O.

41.

Hornbeck, P. V., Zhang, B., Murray, B.,

(2017) The choice of euthanasia method affects

Kornhauser, J. M., Latham, V., and Skrzypek, E.

metabolic serum biomarkers, Basic Clin. Pharmacol.

(2015) PhosphoSitePlus,

2014: mutations, PTMs

Toxicol., 121, 113-118, doi: 10.1111/BCPT.12774.

and recalibrations, Nucleic Acids Res., 43, D512-520,

31.

Suckow, M., Stevens, K., and Wilson, R. (2012) The

doi: 10.1093/nar/gku1267.

Laboratory Rabbit, Guinea Pig, Hamster, and Other

42.

Arumugam, R., Horowitz, E., Noland, R. C., Lu, D.,

Rodents, Academic Press.

Fleenor, D., and Freemark, M. (2010) Regulation

32.

Underwood, W., and Anthony, R. (2020) AVMA

of islet β-cell pyruvate metabolism: interactions of

Guidelines for the Euthanasia of Animals:

prolactin, glucose, and dexamethasone, Endocrinology,

2020 edition.

151, 3074-3083, doi: 10.1210/EN.2010-0049.

33.

Aleshin, V. A., Graf, A. V., Artiukhov, A. V., Boyko,

43.

Consitt, L. A., Saxena, G., Saneda, A., and Hou-

A. I., Ksenofontov, A. L., Maslova, M. V., Nogués, I.,

mard, J. A. (2016) Age-related impairments in skeletal

di Salvo, M. L., and Bunik, V. I. (2021) Physiological

muscle PDH phosphorylation and plasma lactate are

and biochemical markers of the sex-specific sensitivity

indicative of metabolic inflexibility and the effects of

to epileptogenic factors, delayed consequences of

exercise training, J. Physiol. Endocrinol. Metab., 311,

seizures and their response to vitamins B1 and B6 in rat

E145-156, doi: 10.1152/ajpendo.00452.2015.

model, Pharmaceuticals (Basel), 14, 737, doi: 10.3390/

44.

Hossain, A. J., Islam, R., Kim, J.-G., Dogsom, O.,

ph14080737.

Cap, K. C., and Park, J.-B. (2022) Pyruvate dehy-

34.

Jackson, H. F., and Broadhurst, P. L. (1982) The effects

drogenase A1 phosphorylated by insulin associates

of Parachlorophenylalanine and stimulus intensity on

with pyruvate kinase M2 and induces LINC00273

open-field test measures in rats, Neuropharmacology,

through histone acetylation, Biomedicines, 10, 1256,

21, 1279-1282, doi: 10.1016/0028-3908(82)90133-2.

doi: 10.3390/BIOMEDICINES10061256.

35.

Liebsch, G., Montkowski, A., Holsboer, F., and

45.

Denton, R. M., McCormack, J. G., Rutter, G. A.,

Landgraf, R. (1998) Behavioral profiles of two Wistar

Burnett, P., Edgell, N. J., Moule, S. K., and Diggle,

rat lines selectively bred for high or low anxiety-related

T. A. (1996) The hormonal regulation of pyruvate

behaviour, Behavioural. Brain Res.,

94,

301-310,

dehydrogenase complex, Adv. Enzyme Regul., 36, 183-

doi: 10.1016/S0166-4328(97)00198-8.

198, doi: 10.1016/0065-2571(95)00020-8.

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

АЦИЛИРОВАНИЕ БЕЛКОВ МОЗГА ПРИ ИНГИБИРОВАНИИ ПДГ

163

46. Kim, W., and Kaelin, J. W. G. (2003) The von Hippel-

HDAC2 negatively regulates memory formation and

Lindau tumor suppressor protein: new insights into

synaptic plasticity, Nature, 459, 55-60, doi: 10.1038/

oxygen sensing and cancer, Curr. Opin. Genet Dev., 13,

NATURE07925.

55-60, doi: 10.1016/S0959-437X(02)00010-2.

50. Li, X., Zhang, J., Li, D., He, C., He, K., Xue, T.,

47. Li, X., Jiang, Y., Meisenhelder, J., Yang, W., Hawke,

Wan, L., Zhang, C., and Liu, Q. (2021) Astrocytic

D. H., Zheng, Y., Xia, Y., Aldape, K., He, J., Hunter, T.,

ApoE reprograms neuronal cholesterol metabolism and

Wang, L., and Lu, Z.

(2016) Mitochondria-

histone-acetylation-mediated memory, Neuron, 109,

translocated PGK1 functions as a protein kinase

957-970.e8, doi: 10.1016/J.NEURON.2021.01.005.

to coordinate glycolysis and the TCA cycle in

51. Stilling, R. M., and Fischer, A. (2011) The role of his-

tumorigenesis, Mol. Cell, 61, 705-719, doi: 10.1016/

tone acetylation in age-associated memory impair-

J.MOLCEL.2016.02.009.

ment and Alzheimer’s disease, Neurobiol. Learn Mem.,

48. Nie, H., Ju, H., Fan, J., Shi, X., Cheng, Y.,

96, 19-26, doi: 10.1016/J.NLM.2011.04.002.

Cang, X., Zheng, Z., Duan, X., and Yi, W. (2020)

52. Shields, G. S., Sazma, M. A., McCullough, A. M.,

O-GlcNAcylation of PGK1 coordinates glycolysis and

and Yonelinas, A. P. (2017) The effects of acute stress

TCA cycle to promote tumor growth, Nat. Commun.,

on episodic memory: A meta-analysis and integrative

11, 36, doi: 10.1038/S41467-019-13601-8.

review, Psychol. Bull., 143, 636-675, doi: 10.1037/

49. Guan, J. S., Haggarty, S. J., Giacometti, E.,

BUL0000100.

Dannenberg, J. H., Joseph, N., Gao, J., Nieland, T. J.

53. Goldfarb, E. V. (2019) Enhancing memory with stress:

F., Zhou, Y., Wang, X., Mazitschek, R., Bradner, J. E.,

Progress, challenges, and opportunities, Brain Cogn.,

DePinho, R. A., Jaenisch, R., and Tsai, L. H. (2009)

133, 94-105, doi: 10.1016/J.BANDC.2018.11.009.

ACYLATION OF THE RAT BRAIN PROTEINS IS AFFECTED

BY THE INHIBITION OF PYRUVATE DEHYDROGENASE in vivo

V. A. Aleshin^1,2, D. A. Sibiryakina³, A. V. Kazantsev^1,4, A. V. Graf^1,3, and V. I. Bunik^1,2,5*

¹ A. N. Belozersky Institute of Physicochemical Biology, Department of Biokinetics,

Lomonosov Moscow State University, 119234 Moscow, Russia; e-mail: bunik@belozersky.msu.ru

² Department of Biochemistry, Sechenov University, 119048 Moscow, Russia

³ Faculty of Biology, Lomonosov Moscow State University, 119234 Moscow, Russia

⁴ Faculty of Chemistry, Lomonosov Moscow State University, 119234 Moscow, Russia

⁵ Faculty of Bioengineering and Bioinformatics, Lomonosov Moscow State University, 119234 Moscow, Russia

Organism adaptation to metabolic challenges requires coupling of metabolism to gene expression. In this

regard, acylations of histones and metabolic proteins acquire significant interest. We hypothesize that

adaptive response to inhibition of a key metabolic process, catalyzed by the acetyl-CoA-generating pyruvate

dehydrogenase (PDH) complex, is mediated by changes in the protein acylations. The hypothesis is tested

by intranasal administration to animals of PDH-specific inhibitors acetyl(methyl)phosphinate (AcMeP) or

acetylphosphonate methyl ester (AcPMe), followed by the assessment of physiological parameters, brain

protein acylation, and expression/phosphorylation of PDHA subunit. At the same dose, AcMeP, but not

AcPMe, decreases acetylation and increases succinylation of the brain proteins with apparent molecular

masses of 15-20 kDa. Regarding the proteins of 30-50 kDa, a strong inhibitor AcMeP affects acetylation

only, while a less efficient AcPMe mostly increases succinylation. The unchanged succinylation of the

30-50 kDa proteins after the administration of AcMeP coincides with the upregulation of desuccinylase

SIRT5. No significant differences between the levels of brain PDHA expression, PDHA phosphorylation,

parameters of behavior or ECG are observed in the studied animal groups. The data indicate that the short-

term inhibition of brain PDH affects acetylation and/or succinylation of the brain proteins, that depends on

the inhibitor potency, protein molecular mass, and acylation type. The homeostatic nature of these changes

is implied by the stability of physiological parameters after the PDH inhibition.

Keywords: brain protein acetylation, brain protein succinylation, phosphonate/phosphinate analog of pyruvate,

pyruvate dehydrogenase, sirtuin

БИОХИМИЯ том 88 вып. 1 2023

11*