Молекулярная биология, 2022, T. 56, № 1, стр. 135-146

Изменение экспрессии селенопротеинов эндоплазматического ретикулума и маркеров апоптоза при воздействии селенита натрия и дитиотреитола на клетки линии MCF7 рака молочной железы

В. Н. Мальцева a*, М. В. Голтяев a, С. В. Новоселов a, Е. Г. Варламова a

a Институт биофизики клетки Российской академии наук “Федеральный исследовательский центр “Пущинский научный центр биологических исследований Российской академии наук”
142290 Пущино, Московская обл., Россия

* E-mail: mvn3@mail.ru

Поступила в редакцию 09.02.2021
После доработки 02.05.2021
Принята к публикации 30.05.2021

Аннотация

Изучено влияние индукторов стресса эндоплазматического ретикулума (ЭПР) – дитиотреитола (ДТТ) и селенита натрия (СН) – на экспрессию селенопротеинов ЭПР и маркеров апоптоза в клетках линии MCF7 рака молочной железы. Показано, что ДТТ в концентрациях 1 и 5 мМ не влиял на выживаемость клеток MCF7. Исходя из данных ПЦР в реальном времени и уровня маркеров стресса ЭПР мы предполагаем, что ДТТ в использованных концентрациях вызывает в клетках MCF7 развитие ЭПР-стресса по адаптационному пути, преимущественно с участием факторов транскрипции IRE1 и ATF6, а также селенопротеинов SELS, SELK, SELT, SELM, SELN. Обработка клеток MCF7 0.01 мкМ СН приводила к снижению уровня мРНК всех исследуемых генов. При увеличении концентрации СН до 0.1 мкМ наблюдалось повышение уровня экспрессии ключевых генов ЭПР-стресса и маркеров апоптоза: CHOP, GADD34, PUMA, BIM, ATF4, sXBP, uXBP, AKT1, BAX, BAK. Согласно полученным результатам, 0.1 мкМ СН инициирует развитие процесса, известного как “ответ на неправильную укладку белка” (unfolded protein response, UPR) по проапоптическому пути с участием PERK, а также по альтернативному пути IRE1. СН в концентрации 1 мкМ также вызывает повышение уровня мРНК маркеров апоптоза, усиливает экспрессию сплайсированной формы XBP1, а также сопровождается значительным снижением выживаемости опухолевых клеток. Мы предполагаем, что СН (1 мкМ) инициирует гибель клеток MCF7 по пути апоптоза. Показано, что в зависимости от природы и концентрации индуктора ЭПР-стресса в клетках активируются как адаптивные, так и проапоптотические пути передачи сигналов UPR.

Ключевые слова: стресс эндоплазматического ретикулума, селенопротеины, селенит натрия, дитиотреитол, апоптоз

Список литературы

  1. Azamjah N., Soltan-Zadeh Y., Zayeri F. (2019) Global trend of breast cancer mortality rate: a 25-year study. Asian. Pac. J. Cancer Prev. 20, 2015–2020.

  2. Tang Y., Wang Y., Kiani M.F., Wang B. (2016) Classification, treatment strategy, and associated drug resistance in breast cancer. Clin. Breast Cancer. 16, 335–343.

  3. Fisusi F.A., Akala E.O. (2019) Drug combinations in breast cancer therapy. Pharm. Nanotechnol. 7, 3–23.

  4. Comşa Ş., Cîmpean A.M., Raica M. (2015) The story of MCF 7 breast cancer cell Line: 40 years of experience in research. Anticancer Res. 35, 3147–3154.

  5. Hotamisligil G.S., Davis R.J. (2016) Cell signaling and stress responses. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 8, a006072.

  6. Almanza A., Carlesso A., Chintha C., Creedican S., Doultsinos D., Leuzzi B., Luís A., McCarthy N., Montibeller L., More S., Papaioannou A., Püschel F., Sassano M. L., Skoko J., Agostinis P., Belleroche J., Eriksson L.A., Fulda S., Gorman A.M., Healy S., Kozlov A., Muñoz-Pinedo C., Rehm M., Chevet E., Samali A. (2019) Endoplasmic reticulum stress signalling – from basic mechanisms to clinical applications. FEBS J. 286(2), 241–278.

  7. Lemmer I.L., Willemsen N., Hilal N., Bartelt A. (2021) A guide to understanding endoplasmic reticulum stress in metabolic disorders. Mol. Metab. 20, 101169.

  8. Cui Z., Li C., Li X., Zhang Q., Zhang Y., Shao J., Zhou K. (2015) Sodium selenite (Na2SeO3) induces apoptosis through the mitochondrial pathway in CNE-2 nasopharyngeal carcinoma cells. Int. J. Oncol. 46(6), 2506–2514.

  9. Jiang Q., Li F., Shi K., Wu P., An J., Yang Y., Xu C. (2013) ATF4 activation by the p38MAPK–eIF4E axis mediates apoptosis and autophagy induced by selenite in Jurkat cells. FEBS Lett. 587(15), 2420–2429.

  10. Liu T., Sun Y., Yang S., Liang X. (2020) Inhibitory effect of selenium on esophagus cancer cells and the related mechanism. J. Nutr. Sci. Vitaminol. 66(5), 456–461.

  11. Bonfim N.E.S., Baranoski A., Mantovani M.S. (2020) Cytotoxicity of sodium selenite in HaCaT cells induces cell death and alters the mRNA expression of PUMA, ATR, and mTOR genes. J. Trace Elem. Med. Biol. 62, 126605.

  12. Yang L., Cai Y.-S., Xu K., Zhu J.-L., Li Y.-B., Wu X.-Q., Sun J., Lu S.-M., Xu P. (2018) Sodium selenite induces apoptosis and inhibits autophagy in human synovial sarcoma cell line SW982 in vitro. Mol. Med. Rep. 17(5), 6560–6568.

  13. Гольтяев М.В., Варламова Е.Г., Новосёлов С.В., Фесенко Е.Е. (2020) Активация сигнальных путей апоптоза в условиях пролонгированного ЭР-стресса, вызванного действием селен-содержащих соединений на клетки тератокарциномы семенников мыши. ДАН. 490(1), 9–11. https://doi.org/10.1134/S160767292001007X

  14. Кузнецова Ю.П., Гольтяев М.В., Горбачева О.С., Новосёлов С.В., Варламова Е.Г., Фесенко Е.Е. (2018) Влияние селенита натрия на экспрессию мРНК генов селеноцистеин-содержащих белков млекопитающих в раковых клетках семенников и предстательной железы. ДАН, 480(1), 107–111. https://doi.org/10.1134/S1607672918030018

  15. Takahashi K., Suzuki N., Ogra Y. (2017) Bioavailability comparison of nine bioselenocompounds in vitro and in vivo. Int. J. Mol. 18, 506.

  16. Misra S., Boylan M., Selvam A., Spallholz J.E., Björnstedt M. (2015) Redox-active selenium compounds – from toxicity and cell death to cancer treatment. Nutrients. 7, 3536–3556.

  17. Guan L., Han B., Li Z., Hua F., Huang F., Wei W., Yang Y., Xu C. (2009) Sodium selenite induces apoptosis by ROS-mediated endoplasmic reticulum stress and mitochondrial dysfunction in human acute promyelocytic leukemia NB4 cells. Apoptosis. 14, 218–225.

  18. Okuno T., Honda E., Arakawa T., Ogino H., Ueno H. (2014) Glutathione–dependent cell cycle G1 arrest and apoptosis induction in human lung cancer A549 cells caused by methylseleninic acid: comparison with sodium selenite. Biol. Pharm. Bull. 37, 1831–1837.

  19. Palsamy P., Bidasee K.R., Shinohara T. (2014) Selenite cataracts: activation of endoplasmic reticulum stress and loss of Nrf2/Keap1-dependent stress protection. Biochim. Biophys. Acta. 1842(9), 1794–1805.

  20. Cui Z., Li C., Li X., Zhang Q., Zhang Y., Shao J., Zhou K. (2015) Sodium selenite (Na2SeO3) induces apoptosis through the mitochondrial pathway in CNE-2 nasopharyngeal carcinoma cells. Int. J. Oncol. 46(6), 2506–2514.

  21. Badr D.M., Hafez H.F., Agha A.M., Shouman S.A. (2016) The combination of α-tocopheryl succinate and sodium selenite on breast cancer: a merit or a demerit? Oxid. Med. Cell Longev. 2016, 4741694.

  22. Tartier L., McCarey Y.L., Biaglow J.E., Kochevar I.E., Held K.D. (2000) Apoptosis induced by dithiothreitol in HL-60 cells shows early activation of caspase 3 and is independent of mitochondria. Cell Death Differ. 7(10), 1002–1010.

  23. Xiang X.Y., Yang X.C., Su J., Kang J.S., Wu Y., Xue Y.N., Dong Y.T., Sun L.K. (2016) Inhibition of autophagic flux by ROS promotes apoptosis during DTT-induced ER/oxidative stress in HeLa cells. Oncol. Rep. 35, 3471–3479.

  24. Hughes D.J., Kunická T., Schomburg L., Liška V., Swan N., Souček P. (2018) Expression of selenoprotein genes and association with selenium status in colorectal adenoma and colorectal cancer. Nutrients. 10(11), 1812.

  25. Jia Y., Dai J., Zeng Z. (2020) Potential relationship between the selenoproteome and cancer. Mol. Clin. Oncol. 13(6), 83.

  26. Capone F., Polo A., Sorice A., Budillon A., Costantini S. (2020) Integrated analysis to study the relationship between tumor-associated selenoproteins: focus on prostate cancer. Int. J. Mol. Sci. 21(18), 6694.

  27. Li J., Zhu Y., Zhou Y., Jiang H.G., Chen Z.H., Lu B.H., Shen X.N. (2020) The SELS rs34713741 polymorphism is associated with susceptibility to colorectal cancer and gastric cancer: a meta-analysis. Genet. Test. Mol. Biomarkers. 24(12), 835–844.

  28. Callejón-Leblic B., Arias-Borrego A., Rodríguez-Moro G., Roldán F.N., Pereira-Vega A., Gómez-Ariza J.L., García-Barrera T. (2021) Advances in lung cancer biomarkers: the role of (metal-) metabolites and selenoproteins. Adv. Clin. Chem. 100, 91–137.

  29. Varlamova E.G. (2020) Protein–protein interactions of ER-resident selenoproteins with their physiological partners. Biochimie. 171–172, 197–204. https://doi.org/10.1016/j.biochi.2020.03.012

  30. Rocca C., Pasqua T., Boukhzar L., Anouar Y., Angelone T. (2019) Progress in the emerging role of selenoproteins in cardiovascular disease: focus on endoplasmic reticulum-resident selenoproteins. Cell Mol. Life Sci. 76(20), 3969–3985.

  31. Zhang C., Ge J., Liv M., Zhang Q., Talukder M., Li J.L. (2020) Selenium prevent cadmium-induced hepatotoxicity through modulation of endoplasmic reticulum-resident selenoproteins and attenuation of endoplasmic reticulum stress. Environ. Pollut. 260, 113873.

  32. Pitts M.W., Hoffmann P.R. (2018) Endoplasmic reticulum-resident selenoproteins as regulators of calcium signaling and homeostasis. Cell Calcium. 70, 76–86.

  33. Wang P., Lu Z., He M., Shi B., Lei X., Shan A. (2020) The effects of endoplasmic-reticulum-resident selenoproteins in a nonalcoholic fatty liver disease pig model induced by a high-fat diet. Nutrients. 12(3), 692.

  34. Varlamova E.G. (2018) Participation of selenoproteins localized in the ER in the processes occurring in this organelle and in the regulation of carcinogenesis-associated processes. J. Trace Elem. Med. Biol. 48, 172–180.

  35. Варламова Е.Г., Гольтяев М.В., Фесенко Е.Е. (2019) Белки-партнеры селенопротеина SELM и роль соединений селена в регуляции его экспрессии в раковых клетках человека. ДАН. 488(2), 212–216.

  36. Goltyaev M.V., Mal’tseva V.N., Varlamova E.G. (2020) Expression of ER-resident selenoproteins and activation of cancer cells apoptosis mechanisms under ER-stress conditions caused by methylseleninic acid. Gene. 755, 144884.

  37. Kim C., Kim B. (2018) Anti-cancer natural products and their bioactive compounds inducing ER stress–mediated apoptosis: a review. Nutrients. 10(8), 1021.

  38. Harnoss J., Thomas A., Reichelt M., Guttman O., Wu T.D., Marsters S.A., Shemorry A., Lawrence D., Kan D., Segal E., Merchant M., Totpal K., Crocker L.M., Mesh K., Dohse M., Solon M., Modrusan Z., Rudolph J., Koeppen H., Walter P., Ashkenazi A. (2020) IRE1α disruption in triple-negative breast cancer cooperates with antiangiogenic therapy by reversing ER stress adaptation and remodeling the tumor microenvironment. Cancer Res. 80(11), 2368–2379.

  39. Zhang Y., Roh Y.J., Han S.J., Park I., Lee H.M., Ok Y.S., Lee B.C., Lee S.R. (2020) Role of selenoproteins in redox regulation of signaling and the antioxidant system: a review. Antioxidants (Basel). 9(5), 383.

  40. Du S., Zhou J., Jia Y., Huang K. (2010) SelK is a novel ER stress-regulated protein and protects HepG2 cells from ER stress agent-induced apoptosis. Arch. Biochem. Biophys. 502(2), 137–143.

  41. Fan R.F., Cao C.Y., Chen M.H., Shi Q.X., Xu S.W. (2018) Gga–let–7f–3p promotes apoptosis in selenium deficiency-induced skeletal muscle by targeting selenoprotein K. Metallomics. 10(7), 941–952.

  42. Addinsall A.B., Wright C.R., Andrikopoulos S., Poel C., Stupka N. (2018) Emerging roles of endoplasmic reticulum-resident selenoproteins in the regulation of cellular stress responses and the implications for metabolic disease. Biochem J. 475(6), 1037–1057.

  43. Marciel M.P., Hoffmann P.R. (2019) Molecular mechanisms by which selenoprotein K regulates immunity and cancer. Biol. Trace Elem. Res. 192(1), 60–68.

  44. Lee J.H., Park K.J., Jang J.K., Jeon Y.H., Ko K.Y., Kwon J.H., Lee S.R., Kim I.Y. (2015) Selenoprotein S-dependent selenoprotein K binding to p97(VCP) protein is essential for endoplasmic reticulum-associated degradation. J. Biol. Chem. 290(50), 29941–29952.

  45. Shchedrina V.A., Everley R.A., Zhang Y., Gygi S.P., Hatfield D.L., Gladyshev V.N. (2011) Selenoprotein K binds multiprotein complexes and is involved in the regulation of endoplasmic reticulum homeostasis. J. Biol. Chem. 286(50), 42937–42948.

  46. Huang J.Q., Ren F.Z., Jiang Y.Y., Lei X. (2016) Characterization of selenoprotein M and its response to selenium deficiency in chicken brain. Biol. Trace Elem. Res. 170(2), 449–458.

  47. Gong T., Hashimoto A.C., Sasuclark A.R., Khadka V.S., Gurary A., Pitts M.W. (2019) Selenoprotein M promotes hypothalamic leptin signaling and thioredoxin antioxidant activity. Antioxid. Redox Signal. https://doi.org/10.1089/ars.2018.7594

  48. Jiang H., Shi Q.Q., Ge L.Y., Zhuang Q.F., Xue D., Xu H.Y., He X.Z. (2019) Selenoprotein M stimulates the proliferative and metastatic capacities of renal cell carcinoma through activating the PI3K/AKT/mTOR pathway. Cancer Med. 8(10), 4836–4844.

  49. Varone E., Pozzer D., Di Modica S., Chernorudskiy A., Nogara L., Baraldo M., Cinquanta M., Fumagalli S., Villar-Quiles R.N., De Simoni M.G., Blaauw B., Ferreiro A., Zito E. (2019) SELENON (SEPN1) protects skeletal muscle from saturated fatty acid-induced ER stress and insulin resistance. Redox Biol. 24, 101176.

  50. AlRasheed M.M., AlAnzi A., AlShalhoub R., Abanmy N., Bakheet D. (2019) A study of the role of DIO1 and DIO2 polymorphism in thyroid cancer and drug response to therapy in the Saudi population. Saudi Pharm. J. 27(6), 841–845.

  51. Zevenbergen C., Groeneweg S., Swagemakers S.M.A., de Jong A., Medici-Van den Herik E., Rispens M., Klootwijk W., Medici M., de Rijke Y.B., Meima M.E., Larsen P.R., Chavatte L., Venter D., Peeters R.P., Van der Spek P.J., Visser W.E. (2019) Functional analysis of genetic variation in the SECIS element of thyroid hormone activating type 2 deiodinase. J. Clin. Endocrinol. Metab. 104(5), 1369–1377.

  52. Sovolyova N., Healy S., Samali A., Logue S.E. (2014) Stressed to death – mechanisms of ER stress-induced cell death. Biol. Chem. 395(1), 1–13.

  53. Hetz C., Zhang K., Kaufman R.J. (2020) Mechanisms, regulation and functions of the unfolded protein response. Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 21(8), 421–438.

  54. Sano R., Reed J.C. (2013) ER stress-induced cell death mechanisms. Biochim. Biophys. Acta. 1833(12), 3460–3470.

  55. Maurel M., Chevet E., Tavernier J., Gerlo S. (2014) Getting RIDD of RNA: IRE1 in cell fate regulation. Trends Biochem. Sci. 39(5), 245–254.

Дополнительные материалы отсутствуют.