Дієтична індукція та модуляція ферроптозу при Caenorhabditis elegans bioRxiv

  • Знайдіть цього автора на Google Scholar
  • Знайдіть цього автора на PubMed
  • Шукайте цього автора на цьому сайті
  • Для листування: [email protected]

РЕЗЮМЕ

Ферроптоз - це залізозалежна форма регульованої загибелі клітин, пов’язана з окисленими поліненасиченими фосфоліпідами. Розуміння ролі цього процесу in vivo сповільнюється відсутністю легкодоступних модельних систем. Вплив нематоди Caenorhabditis elegans на поліненасичену жирну кислоту дигомогамма-ліноленова кислота (DGLA; 20: 3n-6) спричинює загибель та стерильність зародкових клітин, що значною мірою не залежить від канонічного шляху апоптозу. Тут ми демонструємо, що DGLA-індукована загибель зародкових клітин модулюється за допомогою малих молекул інгібіторів ферроптозу, генетичних маніпуляцій з феритином, NADPH-оксидазою та глутатіонпероксидазами та шляхом дієтичного доповнення олеїновою кислотою. Таким чином, індукована DGLA загибель зародкових клітин у C. elegans є дуже аналогічною ферроптозу в клітинах ссавців. DGLA також може індукувати ферроптоз у клітинах людини, додатково виділяючи цю омега-6 PUFA як метаболічний стимулювач ферроптозу. Разом ці результати дозволяють встановити C. elegans як потужну тваринну модель для вивчення індукції та модуляції ферроптозу харчовими жирами.

індукція

Основні моменти

- Індукована дієтичною дігомогама-лінолевою кислотою (DGLA) загибель зародкових клітин у C. elegans полегшується за рахунок малих молекул антиоксидантів та хелаторів заліза

- Дієтична та ендогенна олеїнова кислота захищає від ферроптозу, викликаного DGLA

- Дефіцит ефіру-ліпідів підвищує чутливість до ферроптозу, викликаного DGLA

- DGLA спеціально індукує ферроптоз у ракових клітинах людини

ВСТУП

Поліненасичені жирні кислоти з довгими ланцюгами (ПНЖК) мають важливе значення в харчуванні людини, хоча досі існують суперечки щодо оптимальної кількості різних видів харчових жирів (Mukhopadhyay, 2012). PUFA класифікуються як омега-6 (n-6) або омега-3 (n-3), залежно від положення кінцевого подвійного зв’язку в молекулі. Омега-6 жирні кислоти є попередниками потужних сигнальних молекул, таких як простагландини та лейкотрієни, що сприяють запальній реакції. Ці відповіді важливі для боротьби з патогенами та для нормального розмноження, але надлишок омега-6 жирних кислот пов'язаний із захворюваннями, такими як серцево-судинні захворювання та рак (Harris et al., 2009).

Ферроптоз, залізозалежна форма регульованої неапоптотичної загибелі клітин, визначається трьома збереженими ознаками - наявністю окислених поліненасичених жирних кислот (ПНЖК), наявністю окисно-відновного заліза та дефектним або інгібованим відновленням перекису ліпідів (Діксон) та Стоквелл, 2019). Ферроптоз був продемонстрований у декількох системах ссавців, включаючи різні клітинні лінії раку (Dixon et al., 2012; Dixon et al., 2014), індуцибельні миші-мутанти Gpx4 -/(Friedmann Angeli et al., 2014; Ingold et al., 2018), зрізи гіпокампа щурів та культури олігодендроцитів (Dixon et al., 2012; Skouta et al., 2014). У клітинах ссавців ферроптоз може бути придушений за допомогою малих молекул заліза хелаторів заліза та антиоксидантів, що захоплюють радикали (Stockwell et al., 2017). На сьогодні фізіологічна значимість та регуляція ферроптозу є предметом великого інтересу, але вплив дієти на ферроптоз не вивчався. Прогресу в цьому та інших супутніх питаннях заважає відсутність доступних і простих в управлінні моделей тварин ферроптотичного процесу.

Нематода Caenorhabditis elegans (C. elegans) є потужною моделлю для дослідження значення дієтичних жирних кислот у розвитку та підтримці зародкової лінії. Цей вид синтезує широкий спектр жирних кислот de novo (Hutzell and Krusberg, 1982; Watts and Browse, 2002), а також росте і розмножується в широкому діапазоні температур. Розмноження є енергетично інтенсивним процесом, коли в пік відкладання яєць дорослий гермафродит щодня перетворює еквівалент всієї маси свого тіла на яйця (Hirsh et al., 1976). Дієтичні жири є важливим джерелом ліпідів для вироблення яєць C. elegans, а жирні кислоти в організмі перетворюються кожні 24 години (Dancy et al., 2015).

Раніше ми виявили, що C. elegans, культивований у присутності поліненасиченої жирної кислоти дигомогамма-лінолевої кислоти (DGLA, 20: 3n-6), став стерильним (Watts and Browse, 2006). Гермафродити дикого типу, вирощені на DGLA, сильно дефіцитні у виробництві зародкових клітин, а вплив нижчих рівнів DGLA, що не викликало 100% стерильності серед населення, тим не менше призвело до зменшення кількості статевих клітин, сперми та потомства (Watts and Browse, 2006). Генетичні шляхи, що регулюють реакції на окислювальний стрес, ліпідний гомеостаз та тривалість життя, модулювали чутливість до дієтичного DGLA (Watts and Browse, 2006; Webster et al., 2013), як і маніпуляції ферментами окислення PUFA (Deline et al., 2015).

У цьому дослідженні ми перевірили гіпотезу про те, що дієтична DGLA-індукована загибель зародкових клітин відбувається через ферроптоз. Використовуючи хімічну біологію, генетичний та ліпідомічний підходи, ми повідомляємо, що залізо, активні форми кисню (АФК) та ліпідний обмін модулюють вплив дієтичного ДГЛА на репродуктивну систему глистів. Крім того, добавок DGLA достатньо для індукування ферроптозу в ракових клітинах людини, демонструючи можливість опосередкованого дієтою ферроптозу у всіх видів.

РЕЗУЛЬТАТИ

Дієтична DGLA викликає загибель ферроптотичних зародкових клітин

Дієтичний DGLA є потужним індуктором загибелі зародкових клітин у C. elegans, і генетичні дані свідчать, що це може бути частково окислювальним процесом (Deline et al., 2015; Watts and Browse, 2006; Webster et al., 2013). Щоб перевірити, чи включає цей процес ферроптоз, ми спільно обробляли тварин дикого типу дієтичним DGLA та ферроптозом-специфічним ліпофільним радикалом, що захоплює антиоксидант ферростатин-1 (Fer-1) (Dixon et al., 2012; Zilka et al., 2017 ). Вражаюче, що у тварин, які отримували спільне лікування з DGLA та Fer-1, загибель і стерильність зародкових клітин були зменшені порівняно з глистами, які отримували лише DGLA (рис. 1А). Сам фер-1 не впливав на фертильність. Мало того, що в групі лікування DGLA + Fer-1 було більше запліднених черв’яків порівняно з однією лише DGLA, але і кількість запліднених черв’яків з нормальним розвитком гонад, як оцінювали за допомогою фарбування DAPI, було збільшено порівняно з контрольною групою (Рисунки 1B, C ).

(A) Відсоток (%) стерильності червів дикого типу, що годуються зазначеними комбінаціями олеїнової кислоти (ОА) та DGLA. Графіки показують середній відсоток стерильності у п’яти популяціях із 50 черв’яків, що зазнали впливу різних концентрацій DGLA та OA. Зірочки демонструють значення P N). Це дозволило нам відстежувати загибель клітин за допомогою масштабованого підходу аналізу кінетики клітинної смерті (STACK) (Forcina et al., 2017). Подібно до позитивного контролю, малий молекулярний індуктор ферроптозу, ерастин2, екзогенний DGLA (500 мкМ) здатний викликати загибель клітин, чутливих до ферростатину-1, протягом 24 годин (рис. 3А, В). При тій же концентрації екзогенний АА спричиняв загибель клітин, але це не було ефективно придушено з часом спільним лікуванням Fer-1, що вказує на те, що при цій дозі екзогенний АА може сприяти іншим способам клітинної загибелі (рис. 3А). При менших дозах (250 мкМ і нижче) і DGLA, і АА виявляли незначну летальність у клітинах HT-1080 N (рис. 3А). Таким чином, екзогенних омега-6 ПНЖК достатньо для того, щоб викликати ферроптоз як окремі агенти в ракових клітинах людини специфічно для структури.