Ингибирование аутофагии и апоптоза инсулином как основа его нейропротекторного действия на нейроны коры мозга крыс при окислительном стрессе in vitro

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Инсулин является одним из наиболее перспективных нейропротекторов. Существенным пробелом в понимании механизма его действия является отсутствие данных о том, способен ли он предотвращать аутофагическую гибель нейронов. Целью нашей работы были оценка вклада аутофагии и апоптоза в гибель нейронов коры мозга крыс в культуре при окислительном стрессе и изучение способности инсулина предотвращать эту гибель и ингибировать процессы аутофагии и апоптоза в нервных клетках. Изучено влияние перекиси водорода и инсулина на уровень двух основных маркеров аутофагии (LC3BII и SQSTM1/p62) и маркера апоптоза (расщепленная каспаза-3). Для оценки жизнеспособности нейронов использовали МТТ-тест, для измерения уровня маркерных белков применяли иммуноблоттинг. Найдено, что окислительный стресс вызывает активацию аутофагии и апоптоза в нейронах. Это проявляется в достоверном увеличении маркеров аутофагии LC3B-II и апоптоза (расщепленной каспазы-3) и в снижении уровня белка SQSTM1/p62. Содержание SQSTM1/p62, участвующего в образовании аутофагосом, снижается при активации аутофагии, т.к. белок подвергается деструкции в лизосомах. Перекись водорода вызывает аутофагическую и апоптотическую гибель нейронов, о чем свидетельствует значительное увеличение жизнеспособности нейронов в условиях окислительного стресса при действии ингибиторов аутофагии (3-метиладенина) и апоптоза (z-DEVD-FMK). В свою очередь инсулин, предотвращая гибель нейронов при окислительном стрессе, препятствует развитию аутофагии, вызывая снижение уровня липидированной формы LC3B-II и увеличение уровня SQSTM1/p62, и апоптоза, уменьшая уровень расщепленной каспазы-3. Защитное действие инсулина опосредуется активацией специфических сигнальных путей, связанных с рецепторами инсулина и IGF-1. Так, ингибитор рецепторов инсулина и IGF-1 BMS-754807 полностью блокирует нейропротекторный эффект инсулина. Таким образом, ярко выраженная активация аутофагии при окислительном стрессе является одной из причин гибели нейронов, а защита нейронов инсулином связана с подавлением не только апоптотической, но и аутофагической гибели этих клеток.

Об авторах

И. О. Захарова

Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова Российской академии наук

Email: avrova@iephb.ru
Россия, Санкт-Петербург

Л. В. Баюнова

Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова Российской академии наук

Email: avrova@iephb.ru
Россия, Санкт-Петербург

Д. К. Аврова

Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова Российской академии наук

Email: avrova@iephb.ru
Россия, Санкт-Петербург

Н. Ф. Аврова

Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова Российской академии наук; Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: avrova@iephb.ru
Россия, Санкт-Петербург; Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Fan LW, Carter K, Beatt A, Pang Y (2019) Rapid transport of insulin to the brain following intranasal administration in rats. Neural Regen Res 14: 1046–1051. https://doi.org/10.4103/1673-5374.250624
  2. Tashima T (2020) Shortcut approaches to substance delivery into the brain based on intranasal administration using nanodelivery strategies for insulin. Molecules 25 (21): 5188. https://doi.org/10.3390/molecules25215188
  3. Farzampour S, Majdi A, Sadigh-Eteghad S (2016) Intranasal insulin treatment improves memory and learning in a rat amyloid-beta model of Alzheimer’s disease. Physiol Int 103 (3): 344–353. https://doi.org/10.1556/2060.103.2016.3.7
  4. Guo Z, Chen, Y, Mao YF, Zheng T, Jiang Y, Yan Y, Yin X, Zhang B (2017) Long-term treatment with intranasal insulin ameliorates cognitive impairment, tau hyperphosphorylation, and microglial activation in a streptozotocin-induced Alzheimer’s rat model. Sci Rep 7: 45971. https://doi.org/10.1038/srep45971
  5. Craft S, Raman R, Chow TW, Rafii MS, Sun CK, Rissman RA, Donohue MC, Brewer JB, Jenkins C, Harless K, Gessert D, Aisen PS. (2020) Safety, Efficacy, and Feasibility of Intranasal Insulin for the Treatment of Mild Cognitive Impairment and Alzheimer Disease Dementia. JAMA Neurol 77 (9): 1099–1109. https://doi.org/10.1001/jamaneurol.2020.1840
  6. Hallschmid M (2021) Intranasal Insulin for Alzheimer’s Disease. CNS Drugs 35 (1): 21–37. https://doi.org/10.1007/s40263-020-00781-x
  7. Woodfield A, Gonzales T, Helmerhorst E, Laws S, Newsholme P, Porter T, Verdile G (2022) Current Insights on the Use of Insulin and the Potential Use of Insulin Mimetics in Targeting Insulin Signalling in Alzheimer’s Disease. Int J Mol Sci 23 (24):15811. https://doi.org/10.3390/ijms232415811
  8. Russo V, Candeloro P, Malara N, Perozziello G, Iannone M, Scicchitano M, Mollace R, Musolino V, Gliozzi M, Carresi C (2019) Key role of cytochrome C for apoptosis detection using Raman microimaging in an animal model of brain ischemia with insulin treatment. Appl Spectrosc 73 (10): 1208–1217. https://doi.org/10.1177/0003702819858671
  9. Rizk NN, Rafols JA, Dunbar JC (2006) Cerebral ischemia-induced apoptosis and necrosis in normal and diabetic rats: effects of insulin and C-peptide. Brain Res 1096 (1): 204–212. https://doi.org/10.1016/j.brainres.2006.04.060
  10. Sanderson TH, Kumar R, Murariu-Dobrin AC, Page AB, Krause GS, Sullivan JM (2009) Insulin activates the PI3K-Akt survival pathway in vulnerable neurons following global brain ischemia. Neurol Res 31 (9): 947–958. https://doi.org/10.1179/174313209X382449
  11. Zorina II, Zakharova IO, Bayunova LV, Avrova NF (2018) Insulin administration prevents accumulation of conjugated dienes and trienes and inactivation of Na+, K+-ATPase in the rat cerebral cortex during two-vessel forebrain ischemia and reperfusion. J Evol Biochem Physiol 54 (3): 246–250. https://doi.org/10.1134/S0022093018030109
  12. Zorina II, Fokina EA, Zakharova IO, Bayunova LV, Shpakov AO (2019) Features of the changes in lipid peroxidation and activity of Na+/K+-ATPase in the brain of the aged rats in the conditions of two-vessel cerebral ischemia/reperfusion. Adv Gerontol 32 (6): 941–947.
  13. Huang SM, Tsai SY, Lin JA, Wu CH, Yen GC (2012) Cytoprotective effects of hesperetin and hesperidin against amyloid β-induced impairment of glucose transport through downregulation of neuronal autophagy. Mol Nutr Food Res 5: 601–609. https://doi.org/10.1002/mnfr.201100682
  14. Wang M, Li YJ, Ding Y, Zhang HN, Sun T, Zhang K, Yang L, Guo YY, Liu SB, Zhao MG, Qu YM (2016) Silibinin prevents autophagic cell death upon oxidative stress in cortical neurons and cerebral ischemia-reperfusion injury. Mol Neurobiol 53: 932–943. https://doi.org/10.1007/s12035-014-9062-5
  15. Li L, Tian J, Long MK-W, Chen Y, Lu J, Zhou C, Wang T (2016) Protection against experimental stroke by ganglioside GM1 is associated with the inhibition of autophagy. PLoS One 11: e0144219. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0144219
  16. Hu Y, Zhou H, Zhang H, Sui Y, Zhang Z, Zou Y, Li K, Zhao Y, Xie J, Zhang L (2022) The neuroprotective effect of dexmedetomidine and its mechanism. Front Pharmacol 13: 965661. eCollection 2022. https://doi.org/10.3389/fphar.2022.965661
  17. Zhang H, Wang X, Chen W, Yang Y, Wang Y, Wan H, Zhu Z (2023) Danhong injection alleviates cerebral ischemia-reperfusion injury by inhibiting autophagy through miRNA-132-3p/ATG12 signal axis. J Ethnopharmacol 300: 115724. https://doi.org/10.1016/j.jep.2022.115724
  18. Nabavi SF, Sureda A, Sanches-Silva A, Pandima DK, Ahmed T, Shahid M (2019) Novel therapeutic strategies for stroke: the role of autophagy. Critical Rev Clin Lab Sci 56 (3): 182–199. https://doi.org/10.1080/10408363.2019.1575333
  19. Campbell BCV, Khatri P (2020) Stroke. Lancet 396 (10244): 149–142. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(20)31179-X
  20. He C, Xu Y, Sun J, Li L, Zhang JH, Wang Y (2023) Autphagy and apoptosis in acute brain injuries: From mechanism to treatment. Antioxid Redox Signal 38 (1–3): 234–257. https://doi.org/10.1089/ars.2021.0094
  21. Fokina EA, Zakharova IO, Bayunova LV, Avrova DK, Ilyasov IO, Avrova NF (2023) Intranasal insulin decreases autophagic and apoptotic death of neurons in the rat hippocampal C1 region and frontal cortex under forebrain ischemia–reperfusion. J Evol Biochem Physiol 59 (1): 45–57. https://doi.org/10.1134/S0022093023010040
  22. Dichter MA (1978) Rat cortical neurons in cell culture: culture methods, cell morphology, electrophysiology, and synapse formation. Brain Res 149: 279–293. https://doi.org/10.1016/0006-8993(78)90476-6
  23. Mironova EV, Evstratova AA, Antonov SM (2007) A fluorescence vital assay for the recognition and quantification of excitotoxic cell death by necrosis and apoptosis using confocal microscopy on neurons in culture. J Neurosci Methods 163 (1): 1–8. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2007.02.010
  24. Hansen MB, Nielsen SE, Berg K (1989) Re-examination and further development of a precise and rapid dye method for measuring cell growth/cell kill. Immunol Methods 119 (2): 203–210. https://doi.org/10.1016/0022-1759(89)90397-9
  25. Zakharova.O, Sokolova TV, Bayunova LV, Vlasova YA, Rychkova MP, Avrova NF (2012) α-Tocopherol in nanomolar concentrations protects PC12 cells from hydrogen peroxide-induced death and modulates protein kinase activities. Int J Mol Sci 13: 11543–11668. https://doi.org/10.3390/ijms130911543
  26. Zakharova IO, Sokolova TV, Zorina II, Bayunova LV, Rychkova MP, Avrova NF (2018) Protective effect of insulin on rat cortical neurons in oxidative stress and its dependence on modulation of protein kinase B (Akt) activity. J Evol Biochem Physiol 54 (3): 192–205. https://doi.org/10.134/S0022093018030043
  27. Zhou H, Wang J, Jiang J, Stavrovskaya IG, Li M, Li W, Wu Q, Zhang X, Luo C, Zhou S, Sirianni AC, Sarkar S, Kristal BS, Friedlander RM, Wang X (2014) N-acetyl-serotonin offers neuroprotection through inhibiting mitochondrial death pathways and autophagic activation in experimental models of ischemic injury. J Neurosci 34: 2967–2978. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1948-13.2014
  28. Li X, Wang M, Qin C, Fan WH, Tian DS, Liu JL (2017) Fingolimod suppresses neuronal autophagy through the mTOR/p70S6K pathway and alleviates ischemic brain damage in mice. PloS One 12: e0188748. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0188748
  29. Moller AB, Voss TS, Vendelbo MH, Pedersen SB, Moller N, Jessen N (2018) Insulin inhibits autophagy signaling independent of counter-regulatory hormone levels, but does not affect the effects of exercise. J Appl Physiol 125: 1204–1209. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00490.2018
  30. Ribeiro M, Lopes de Figueroa P, Blanco FJ, Mendes AF, Carames B (2016) Insulin decreases autophagy and leads to cartilage degradation. Osteoarthritis and Cartilage 24 (4): 731–739. https://doi.org/10.1016/j.joca.2015.10.017
  31. Barber AJ, Nakamura M, Wolpert EB, Reiter CE, Seigel GM, Antonetti DA, Gardner TW (2001) Insulin rescues retinal neurons from apoptosis by a phosphatidylinositol 3-kinase/Akt-mediated mechanism that reduces the activation of caspase-3. J Biol Chem 276 (35): 32814–32821. https://doi.org/10.1074/jbc.M104738200
  32. Yu XR, Jia GR, Gao GD, Wang SH, Han Y, Cao W. (2006) Neuroprotection of insulin against oxidative stress-induced apoptosis in cultured retinal neurons: involvement of phosphoinositide 3-kinase/Akt signal pathway. Acta Biochim Biophys Sin (Shanghai) 38 (4): 241–248. https://doi.org/10.1111/j.1745-7270.2006.00152.x
  33. Liu Q, Wang Z, Cao J, Dong Y, Chen Y (2023) Insulin ameliorates dim blue light at night-induced apoptosis in hippocampal neurons via the IR/IRS1/AKT/GSK3β/β-catenin signaling pathway. Ecotoxicol Environ Saf 250: 114488. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2022.114488
  34. Minokoshi Y, Alquier T, Furukawa N, Kim YB, Lee A, Xue B, Mu J, Foufelle F, Ferre P, `Birnbaum MJ, Stuck B.J, Kahn BB (2004) AMP-kinase regulates food intake by responding to hormonal and nutrient signals in the hypothalamus. Nature 428: 569–574. https://doi.org/10.1038/nature02440
  35. Valentine RJ, Coughlan KA, Ruderman NB, Saha AK (2014) Insulin inhibits AMPK activity and phosphorylates AMPK Ser485/491 through Akt in hepatocytes, myotubes and incubated rat skeletal muscle. Arch Biochem Biophys 562: 62–69. https://doi.org/10.1016/j.abb.2014.08.013
  36. Zakharova IO, Sokolova TV, Bayunova LV, Zorina II, Rychkova MP, Shpakov AO, Avrova NF (2019) The protective effect of insulin on rat cortical neurons in oxidative stress and its dependence on the modulation of Akt, GSK-3beta, ERK1/2, and AMPK Activities. Int J Mol Sci 20 (15): 3702. https://doi.org/10.3390/ijms20153702
  37. Collino M, Aragno M, Castiglia S, Tomasinelli C, Thiemermann C, Boccuzzi G, Fantozzi R (2009) Insulin reduces cerebral ischemia/reperfusion injury in the hippocampus of diabetic rats: a role for glycogen synthase kinase-3beta. Diabetes 58 (1):235–242. https://doi.org/10.2337/db08-0691
  38. Kim B, Sullivan KA, Backus C, Feldman EL (2011) Cortical neurons develop insulin resistance and blunted Akt signaling. A potential mechanism contributing to enhanced ischemic injury in diabetes. Antioxid Redox Sign 14: 1829–1839. https://doi.org/10.1089/ars.2010.381632
  39. Duarte AI, Santos P, Oliveira CR, Santos MS, Rego AC (2008) Insulin neuroprotection against oxidative stress is mediated by Akt and GSK-3 signaling pathways and changes in protein expression. Biochim Biophys Acta 1783: 994–1002. https://doi.org/10.1016/j.bbamcr.2008.02.016

Дополнительные файлы


© И.О. Захарова, Л.В. Баюнова, Д.К. Аврова, Н.Ф. Аврова, 2023

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».