MKT-077 подавляет функциональную активность изолированных митохондрий скелетных мышц мышей

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

В работе исследовано влияние производного родацианина MKT-077 на функционирование изолированных митохондрий скелетных мышц мышей. Показано, что MKT-077 дозозависимо подавляет дыхание митохондрий, энергизованных как глутаматом и малатом (субстраты комплекса I дыхательной цепи), так и сукцинатом (субстрат комплекса II дыхательной цепи). Такое действие MKT-077 сопровождается снижением мембранного потенциала органелл и связано как с ингибированием активности комплексов I и II дыхательной цепи митохондрий, так и c увеличением протонной проницаемости внутренней мембраны митохондрий. Молекулярный докинг выявил в комплексе I дыхательной цепи митохондрий сайты, обладающие сродством к MKT-077, сравнимым со сродством к специфическому ингибитору ротенону. 5 мкМ MKT-077 вызвал достоверное увеличение продукции перекиси водорода митохондриями скелетных мышц. Однако в концентрации 1 мкМ MKT-077 снижал прооксидантный эффект антимицина А. Кроме того, MKT-077 дозозависимо снизил способность митохондрий поглощать и аккумулировать ионы кальция в матриксе. В работе обсуждаются механизмы возможного действия MKT-077 на функционирование митохондрий скелетных мышц и их вклад в побочные эффекты, наблюдаемые при in vivo терапии патологических состояний с помощью этого производного родацианина.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Д. Игошкина

Марийский государственный университет

Email: dubinin1989@gmail.com
Россия, Йошкар-Ола

Н. В. Микина

Марийский государственный университет

Email: dubinin1989@gmail.com
Россия, Йошкар-Ола

А. В. Чулков

Марийский государственный университет

Email: dubinin1989@gmail.com
Россия, Йошкар-Ола

Е. И. Хорошавина

Марийский государственный университет

Email: dubinin1989@gmail.com
Россия, Йошкар-Ола

М. В. Дубинин

Марийский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: dubinin1989@gmail.com
Россия, Йошкар-Ола

Список литературы

  1. Modica-Napolitano J.S., Koya K., Weisberg E., Brunelli B.T., Li Y., Chen L.B. 1996. Selective damage to carcinoma mitochondria by the rhodacyanine MKT-077. Cancer Res. 56 (3), 544–550.
  2. Koya K., Li Y., Wang H., Ukai T., Tatsuta N., Kawakami M., Shishido, Chen L.B. 1996. MKT-077, a novel rhodacyanine dye in clinical trials, exhibits anticarcinoma activity in preclinical studies based on selective mitochondrial accumulation. Cancer Res. 56, 538–543.
  3. Chiba Y., Kubota T., Watanabe M., Matsuzaki S.W., Otani Y., Teramoto T., Matsumoto Y., Koya K., Kitajima M. 1998. MKT-077, localized lipophilic cation: Antitumor activity against human tumor xenografts serially transplanted into nude mice. Anticancer Res. 18 (2A), 1047–1052.
  4. Wen B., Xu K., Huang R., Jiang T., Wang J., Chen J., Chen J., He B. 2022. Preserving mitochondrial function by inhibiting GRP75 ameliorates neuron injury under ischemic stroke. Mol Med Rep. 25 (5), 165. https://doi.org/10.3892/mmr.2022.12681
  5. Liang T., Hang W., Chen J., Wu Y., Wen B., Xu K., Ding B., Chen J. 2021. ApoE4 (Δ272-299) induces mitochondrial-associated membrane formation and mitochondrial impairment by enhancing GRP75-modulated mitochondrial calcium overload in neuron. Cell Biosci. 11 (1), 50. https://doi.org/10.1186/s13578-021-00563-y
  6. Rousaki A., Miyata Y., Jinwal U.K., Dickey C.A., Gestwicki J.E., Zuiderweg E.R. 2011. Allosteric drugs: The interaction of antitumor compound MKT-077 with human Hsp70 chaperones. J. Mol. Biol. 411 (3), 614–632. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2011.06.003
  7. Xu H., Guan N., Ren Y.L., Wei Q.J., Tao Y.H., Yang G.S., Liu X.Y., Bu D.F., Zhang Y., Zhu S.N. 2018. IP3R-Grp75-VDAC1-MCU calcium regulation axis antagonists protect podocytes from apoptosis and decrease proteinuria in an Adriamycin nephropathy rat model. BMC Nephrol. 9 (1), 140. https://doi.org/10.1186/s12882-018-0940-3
  8. Li J., Qi F., Su H., Zhang C., Zhang Q., Zhang S. 2022. GRP75-faciliated mitochondria-associated ER membrane (MAM) integrity controls cisplatin-resistance in ovarian cancer patients. Int. J. Biol Sci. 18 (7), 2914–2931. https://doi.org/10.7150/ijbs.71571
  9. Esfahanian N., Knoblich C.D., Bowman G.A., Rezvani K. 2023. Mortalin: Protein partners, biological impacts, pathological roles, and therapeutic opportunities. Front. Cell Dev. Biol. 11, 1028519. https://doi.org/10.3389/fcell.2023.1028519
  10. Williamson C.L., Dabkowski E.R., Dillmann W.H., Hollander J.M. 2008. Mitochondria protection from hypoxia/reoxygenation injury with mitochondria heat shock protein 70 overexpression. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 294 (1), H249–H256. https://doi.org/10.1152/ajpheart.00775.2007
  11. Dubinin M.V., Stepanova A.E., Mikheeva I.B., Igoshkina A.D., Cherepanova A.A., Talanov E.Y., Khoroshavina E.I., Belosludtsev K.N. 2024. Reduction of mitochondrial calcium overload via MKT-077-induced inhibition of glucose-regulated protein 75 alleviates skeletal muscle pathology in dystrophin-deficient mdx mice. Int. J. Mol. Sci. 25 (18), 9892. https://doi.org/10.3390/ijms25189892
  12. Weisberg E.L., Koya K., Modica-Napolitano J., Li Y., Chen L.B. 1996. In vivo administration of MKT-077 causes partial yet reversible impairment of mitochondrial function. Cancer Res. 56 (3), 551–555.
  13. Dubinin M.V., Talanov E.Y., Tenkov K.S., Starinets V.S., Mikheeva I.B., Sharapov M.G., Belosludtsev K.N. 2020. Duchenne muscular dystrophy is associated with the inhibition of calcium uniport in mitochondria and an increased sensitivity of the organelles to the calcium-induced permeability transition. Biochim. Biophys. Acta Mol. Basis Dis. 1866 (5), 165674. https://doi.org/10.1016/j.bbadis.2020.165674
  14. Belosludtsev K.N., Belosludtseva N.V., Kosareva E.A., Talanov E.Y., Gudkov S.V., Dubinin M.V. 2020. Itaconic acid impairs the mitochondrial function by the inhibition of complexes II and IV and induction of the permeability transition pore opening in rat liver mitochondria. Biochimie. 176, 150–157. https://doi.org/10.1016/j.biochi.2020.07.011
  15. Pollard A.K., Craig E.L., Chakrabarti L. 2016. Mitochondrial complex I activity measured by spectrophotometry is reduced across all brain regions in ageing and more specifically in neurodegeneration. PLoS One. 11 (6), e0157405. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0157405
  16. Spinazzi M., Casarin A., Pertegato V., Salviati L., Angelini C. 2012. Assessment of mitochondrial respiratory chain enzymatic activities on tissues and cultured cells. Nat. Protoc. 7 (6), 1235–1246. https://doi.org/10.1038/nprot.2012.058
  17. Dubinin M.V., Svinin A.O., Vedernikov A.A., Starinets V.S., Tenkov K.S., Belosludtsev K.N., Samartsev V.N. 2019. Effect of hypothermia on the functional activity of liver mitochondria of grass snake (Natrix natrix): Inhibition of succinate-fueled respiration and K+ transport, ROS-induced activation of mitochondrial permeability transition. J. Bioenerg. Biomembr. 51 (3), 219–229. https://doi.org/10.1007/s10863-019-09796-6
  18. Gu J., Liu T., Guo R., Zhang L., Yang M. 2022. The coupling mechanism of mammalian mitochondrial complex I. Nat. Struct. Mol. Biol. 29 (2), 172–182. https://doi.org/10.1038/s41594-022-00722-w
  19. Eberhardt J., Santos-Martins D., Tillack A.F., Forli S. 2021. AutoDock Vina 1.2.0: New docking methods, expanded force field, and python bindings. J. Chem. Inf. Model. 61 (8), 3891–3898. https://doi.org/10.1021/acs.jcim.1c00203
  20. Trott O., Olson A.J. 2010. AutoDock Vina: improving the speed and accuracy of docking with a new scoring function, efficient optimization, and multithreading. J. Comput. Chem. 31 (2), 455–461. https://doi.org/10.1002/jcc.21334
  21. Neese F., Wennmohs F., Becker U., Riplinger C. 2020. The ORCA quantum chemistry program package. J. Chem. Phys. 152 (22), 224108. https://doi.org/10.1063/5.0004608
  22. Dubinin M. V., Mikheeva I. B., Stepanova A. E., Mikina N. V., Sushentsov D. V., Sharapov V. A., Cherepanova A. A., Loskutov V. V., Belosludtsev K. N. 2024. MKT-077 normalizes mitochondrial function and mitigates cardiac pathology in mdx mice. Biocell. 48 (12), 1815–1825. https://doi.org/10.32604/biocell.2024.058068
  23. Kharechkina E.S., Nikiforova A.B., Belosludtsev K.N., Rokitskaya T.I., Antonenko Y.N., Kruglov A.G. 2021. Pioglitazone is a mild carrier-dependent uncoupler of oxidative phosphorylation and a modulator of mitochondrial permeability transition. Pharmaceuticals (Basel). 14 (10), 1045. https://doi.org/10.3390/ph14101045
  24. Zorov D.B., Juhaszova M., Sollott S.J. 2014. Mitochondrial reactive oxygen species (ROS) and ROS-induced ROS release. Physiol. Rev. 94 (3), 909–950. https://doi.org/10.1152/physrev.00026.2013
  25. Chen Q., Vazquez E.J., Moghaddas S., Hoppel C.L., Lesnefsky E.J. 2003. Production of reactive oxygen species by mitochondria: Central role of complex III. J. Biol. Chem. 278 (38), 36027–36031. https://doi.org/10.1074/jbc.M304854200
  26. Белослудцев К.Н., Дубинин М.В., Белослудцева Н.В., Миронова Г.Д. 2019. Транспорт ионов Ca2+ митохондриями: механизмы, молекулярные структуры и значение для клетки. Биохимия. 6 (84), 759–775. https://doi.org/10.1134/S0320972519060022
  27. Park S.H., Baek K.H., Shin I., Shin I. 2018. Subcellular HSP70 inhibitors promote cancer cell death via different mechanisms. Cell Chem Biol. 25 (10), 1242–1254. https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2018.06.010
  28. Ozaki T., Yamashita T., Ishiguro S. 2009. Mitochondrial m-calpain plays a role in the release of truncated apoptosis-inducing factor from the mitochondria. Biochim. Biophys. Acta. 1793 (12), 1848–1859. https://doi.org/10.1016/j.bbamcr.2009.10.002

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Химическая структура MKT-077

Скачать (37KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Дыхание изолированных митохондрий скелетных мышц мышей, энергизованных глутаматом и малатом (а и б) или сукцинатом (в и г) в отсутствие (а и в) и в присутствии (б и г) 20 мкМ MKT-077. Состав среды: 120 мМ KCl, 5 мМ NaH2PO4 и 10 мМ HEPES-KOH (pH 7.4). Субстраты и реагенты: 2.5 мМ малат калия и 2.5 мМ глутамат калия, 5 мМ янтарная кислота, 1 мкМ ротенон, 200 мкМ ADP, 50 мкМ ДНФ. С.2 – состояние 2, С.3 – состояние 3, С.4 – состояние 4, С.3UДНФ – состояние 3UДНФ, M – митохондрии.

Скачать (307KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Молекулярный докинг взаимодействия MKT-077 и ротенона с комплексом I дыхательной цепи митохондрий. а – Внутренний и внешний сайты связывания децилубихинона в комплексе I дыхательной цепи митохондрий. б – Сравнение кристаллографических данных с рассчитанным положением ротенона для двух сайтов связывания (ротенон1 – кристаллографические данные, ротенон2 – результат докинга), указаны субъединицы, образующие сайты связывания: 49 кДа (PDB цепь 4), PSST (PDB цепь 6), ND1 (PDB цепь H). в – Сравнение положения во внутреннем сайте связывания MKT-077 и ротенона. г – Сравнение положения во внешнем сайте связывания MKT-077 и ротенона.

Скачать (667KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Влияние MKT-077 на мембранный потенциал митохондрий скелетных мышц мышей, энергизованных глутамат и малатом (а) или сукцинатом (б). Субстраты и реагенты: 2.5 мМ малат калия, 2.5 мМ глутамат калия, 1 мкМ ТФФ+, 5 мМ янтарная кислота, 1 мкМ ротенон, 50 мкМ ДНФ. На каждом из рисунков представлены данные типичного эксперимента, полученные на одном препарате митохондрий. В каждом случае аналогичные результаты были получены еще в двух независимых экспериментах. Пунктирные линии демонстрируют результаты экспериментов в условиях отсутствия добавок MKT-077.

Скачать (133KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Скорость образования H2O2 митохондриями скелетных мышц мышей, энергизованными глутаматом и малатом (Глу/мал) или сукцинатом (Сукцинат+рот): a – в присутствии различных концентраций MKT-077; б – при действии 1 мкМ антимицина А (АнтА) в отсутствие и в присутствии 1 мкМ MKT-077. Контроль – отсутствие АнтА и MKT-077. Приведены средние значения ± стандартная ошибка среднего (n = 4). * – p < 0.05 против контроля; # – p < 0.05 против 1 мкМ АнтА.

Скачать (151KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Влияние MKT-077 на транспорт кальция в митохондриях скелетных мышц мыши. а – Поглощение добавок Са2+ (пульсы по 10 мкМ) митохондриями скелетных мышц, энергизованными глутаматом и малатом, в отсутствие добавок (1) и в присутствии 1 мкМ (2), 5 мкМ (3) и 10 мкМ (4) MKT-077. б – Поглощение добавок Са2+ (пульсы по 10 мкМ) митохондриями скелетных мышц, энергизованными сукцинатом, в отсутствие добавок (1) и в присутствии 1 мкМ (2), 5 мкМ (3) и 10 мкМ (4) MKT-077. в – Кальциевая емкость митохондрий скелетных мышц, энергизованных глутаматом и малатом (Глу/мал) или сукцинатом (Сукцинат+рот), в отсутствие (контроль) и в присутствии различных концентраций MKT-077. Субстраты и реагенты: 2.5 мМ малат калия, 2.5 мМ глутамат калия (а, в), 5 мМ янтарная кислота, 1 мкМ ротенон (б, в). Концентрация митохондриального белка в кювете – 0.25 мг/мл. Приведены средние значения ± стандартная ошибка среднего (n = 4). * – p < 0.05 против контроля.

Скачать (243KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025