Impact of the Stimulation and Inhibition of NAD +  Biosynthesis on the Maintenance of Pluripotency in Mouse Embryonic Stem Cells

M. V. Antipova; Антипова М. В.; V. A. Kulikova; Куликова В. А.; L. V. Solovjeva; Соловьева Л. В.; A. V. Kropotov; Кропотов А. В.; M. P. Svetlova; Светлова М. П.; A. P. Yakimov; Якимов А. П.; K. B. Nerinovski; Нериновский К. Б.; E. I. Bakhmet; Бахмет Е. И.; A. A. Nikiforov; Никифоров А. А.

doi:10.31857/S0041377123030033

Влияние стимуляции и подавления биосинтеза NAD⁺ на поддержание плюрипотентности эмбриональных стволовых клеток мыши

Авторы: Антипова М.В.¹, Куликова В.А.¹^,2, Соловьева Л.В.¹, Кропотов А.В.¹, Светлова М.П.¹, Якимов А.П.¹^,3, Нериновский К.Б.⁴, Бахмет Е.И.¹, Никифоров А.А.¹
Учреждения:
1. Институт цитологии РАН
2. Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН
3. Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
4. Санкт-Петербургский государственный университет
Выпуск: Том 65, № 3 (2023)
Страницы: 273-282
Раздел: Статьи
URL: https://journals.rcsi.science/0041-3771/article/view/140086
DOI: https://doi.org/10.31857/S0041377123030033
EDN: https://elibrary.ru/VBPSEK
ID: 140086

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Никотинамидадениндинуклеотид (NAD⁺) играет ключевую роль в клеточном метаболизме и сигналинге. В последние годы появилось множество свидетельств того, что NAD⁺-зависимые процессы принимают участие в регуляции плюрипотентности и дифференцировки эмбриональных стволовых клеток млекопитающих. Основным способом поддержания уровня NAD⁺ в клетках млекопитающих является его биосинтез из различных форм витамина В3. В настоящей работе мы выяснили, как стимуляция и подавление биосинтеза NAD⁺ влияют на поддержание плюрипотентности эмбриональных стволовых клеток мыши линии Е14 Tg2a (клетки Е14). Статус плюрипотентности клеток Е14 оценивали при помощи иммуноцитохимического анализа и иммуноблоттинга с использованием антител к фактору плюрипотентности Oct4, а также окраски на щелочную фосфатазу. С помощью метода ЯМР-спектроскопии мы установили, что концентрация NAD⁺ в плюрипотентных клетках Е14, культивируемых в присутствии фактора ЛИФ, составляет около 4 нмоль/мг и остается неизменной после индукции дифференцировки ретиноевой кислотой. Также мы показали, что фармакологическая стимуляция биосинтеза NAD⁺ никотинамидрибозидом повышает уровень внутриклеточного NAD⁺ на 20%, и это не влияет на поддержание плюрипотентности клеток Е14. Более того, в условиях критического истощения внутриклеточного пула NAD⁺ при подавлении его синтеза из никотинамида ингибитором Nampt (FK866) клетки Е14 сохраняли плюрипотентность, в то время как уровень белка Oct4 был понижен.

Ключевые слова

NAD⁺, ЯМР-спектроскопия, мышиные эмбриональные стволовые клетки Е14 Tg2α, плюрипотеность, дифференцировка, Oct4

Список литературы

Bieganowski P., Brenner C. 2004. Discoveries of nicotinamide riboside as a nutrient and conserved NRK genes establish a Preiss-Handler independent route to NAD+ in fungi and humans. Cell. V. 117. P. 495. https://doi.org/10.1016/s0092-8674(04)00416-7
Cercillieux A., Ciarlo E., Canto C. 2022. Balancing NAD(+) deficits with nicotinamide riboside: therapeutic possibilities and limitations. Cell. Mol. Life Sci. V. 79 P. 463. https://doi.org/10.1007/s00018-022-04499-5
Fang Y., Tang S., Li X. 2019. Sirtuins in metabolic and epigenetic regulation of stem cells. Trends Endocrino. Metabolism. V. 30 P. 177. https://doi.org/10.1016/j.tem.2018.12.002
Ginsburg M., Snow M.H., McLaren A. 1990. Primordial germ cells in the mouse embryo during gastrulation. Development (Cambridge, England), V. 110. P. 521. https://doi.org/10.1242/dev.110.2.521
Gu W., Gaeta X., Sahakyan A., Chan A.B., Hong C.S., Kim R., Braas D., Plath K., Lowry W.E., Christofk H.R. 2016. Glycolytic metabolism plays a functional role in regulating human pluripotent stem cell state. Cell Stem Cell. V. 19. P. 476. https://doi.org/10.1016/j.stem.2016.08.008
Hasmann M., Schemainda I. 2003. FK866, a highly specific noncompetitive inhibitor of nicotinamide phosphoribosyltransferase, represents a novel mechanism for induction of tumor cell apoptosis. Cancer Res. V. 63 P. 7436.
Hwang B., Madabushi A., Adhikary G., Kerr C., Lu A. 2017. Histone deacetylase SIRT1 facilitates Oct4 gene expression and generation of induced pluripotent stem cells. Stem Cell Adv. Res. Ther. V. P. J108. https://doi.org/. 000008https://doi.org/10.29011/SCRT-108
Kellner S., Kikyo N. 2010. Transcriptional regulation of the Oct4 gene, a master gene for pluripotency. Histol. Histopathol. V. 25 P. 405. https://doi.org/10.14670/hh-25.405
Kropotov A., Kulikova V., Nerinovski K., Yakimov A., Svetlova M., Solovjeva L., Sudnitsyna J., Migaud M.E., Khodorkovskiy M., Ziegler M., Nikiforov A. 2021. Equilibrative nucleoside transporters mediate the import of nicotinamide riboside and nicotinic acid riboside into human cells. Int. J. Mol. Sci. V. 22 P. 1391. https://doi.org/10.3390/ijms22031391
Kropotov A., Kulikova V., Solovjeva L., Yakimov A., Nerinovski K., Svetlova M., Sudnitsyna J., Plusnina A., Antipova M., Khodorkovskiy M., Migaud M.E., Gambaryan S., Ziegler M., Nikiforov A. 2022. Purine nucleoside phosphorylase controls nicotinamide riboside metabolism in mammalian cells. J. Biol. Chem. V. 298 P. 102615. https://doi.org/10.1016/j.jbc.2022.102615
Kulikova V.A., Gromyko D.V., Nikiforov A.A. 2018. The regulatory role of NAD in human and animal cells. Biochemistry. Biokhimiia. V. 83 P. 800. https://doi.org/10.1134/s0006297918070040
Laemmli U.K. 1970. Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4. Nature. V. 227 P. 680. https://doi.org/10.1038/227680a0
Nikiforov A., Dölle C., Niere M., Ziegler M. 2011. Pathways and subcellular compartmentation of NAD biosynthesis in human cells: from entry of extracellular precursors to mitochondrial NAD generation. J. Biol. Chem. V. 286 P. 21767. https://doi.org/10.1074/jbc.M110.213298
Nikiforov A., Kulikova V., Ziegler M. 2015. The human NAD metabolome: functions, metabolism and compartmentalization. Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol. V. 50 P. 284. https://doi.org/10.3109/10409238.2015.1028612
Roper S.J., Chrysanthou S., Senner C.E., Sienerth A., Gnan S., Murray A., Masutani M., Latos P.,Hemberger M. 2014. ADP-ribosyltransferases Parp1 and Parp7 safeguard pluripotency of ES cells. Nucleic Acids Res. V. 42. P. 8914. https://doi.org/10.1093/nar/gku591
Semrau S., Goldmann J.E., Soumillon M., Mikkelsen T.S., Jaenisch R.,van Oudenaarden A. 2017. Dynamics of lineage commitment revealed by single-cell transcriptomics of differentiating embryonic stem cells. Nature Commun. V. 8. P. 1096. https://doi.org/10.1038/s41467-017-01076-4
Shabalin K., Nerinovski K., Yakimov A., Kulikova V., Svetlova M., Solovjeva L., Khodorkovskiy M., Gambaryan S., Cunningham R., Migaud M.E., Ziegler M., Nikiforov A. 2018. NAD Metabolome analysis in human cells using 1H NMR spectroscopy. Int. J. Mol. Sci. V. 19. P. 3906. https://doi.org/10.3390/ijms19123906
Wulansari N., Sulistio Y.A., Darsono W.H.W., Kim C.H., Lee S.H. 2021. LIF maintains mouse embryonic stem cells pluripotency by modulating TET1 and JMJD2 activity in a JAK2-dependent manner. Stem Cells. V. 39 P. 750. https://doi.org/10.1002/stem.3345
Yang T., Chan N.Y.,Sauve A.A. 2007. Syntheses of nicotinamide riboside and derivatives: effective agents for increasing nicotinamide adenine dinucleotide concentrations in mammalian cells. J. Med. Chem. V. 50 P. 6458. https://doi.org/10.1021/jm701001c
Yang Y., Sauve A.A. 2016. NAD+ metabolism: bioenergetics, signaling and manipulation for therapy. Biochim. Biophys. Acta. – Proteins and Proteomics. V. 1864. P. 1787. https://doi.org/10.1016/j.bbapap.2016.06.014
Ying W. 2008. NAD+/NADH and NADP+/NADPH in cellular functions and cell death: regulation and biological consequences. Antioxidants Redox Signal. V. 10 P. 179. https://doi.org/10.1089/ars.2007.1672