CC BY
31
ш
т
www.volsu.ru
®
DOI: https://doi.oig/10.15688/jvolsul 1.2018.1.9
UDC 577.113.3 LBC 28.072
8-OXO-2'-DEOXYGUANOSINE - BIOMARKER, SIGNAL MOLECULE, POTENTIAL PHARMACEUTICAL AGENT
Natalya V. Marmiy
Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russian Federation
Dmitriy S. Esipov
Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russian Federation
Abstract. The study is devoted to 8-oxo-2'-deoxyguanosine (8-oxo-dG), which is used as a biomarker of oxidative damage to DNA and its associated diseases. The study is based on the hypothesis put forward by the authors about the ability of 8-oxo-dG, which is the main product of DNA oxidation, to act as a signal molecule that activates cell resistance to nonspecific stress and DNA repair. In addition to studying the molecular mechanisms of the action of 8-oxo-dG, the authors have carried out an investigation of the effects that they caused on the organism level.
Key words: 8-oxo-dG, biomarker, signal molecule, pharmaceutical agent.
УДК 577.113.3 ББК 28.072
8-ОКСО-2'-ДЕЗОКСИГУАНОЗИН - БИОМАРКЕР, СИГНАЛЬНАЯ МОЛЕКУЛА, ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЙ АГЕНТ
Наталья Владимировна Мармий
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, г. Москва, Российская Федерация
Дмитрий Станиславович Есипов
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, г. Москва, Российская Федерация
Аннотация. Исследование посвящено 8-Оксо-2'-дезоксигуанозину (8-oxo-dG), который используется в качестве биомаркера окислительного повреждения ДНК и сопряженных с ним заболеваний. В основе исследования лежит выдвинутая авторами гипотеза о способности 8-oxo-dG, являющегося «главным» продуктом окисления ДНК, выступать в роли сигнальной молекулы, активирующей устойчивость клеток к неспецифическому стрессу и репарацию ДНК. Помимо изучения молекулярных механизмов действия 8-oxo-dG, авто-оо рами проводилось исследование вызываемых им эффектов на организменном уровне. о Ключевые слова: 8-oxo-dG, биомаркер, сигнальная молекула, фармацевтический агент.
О
§ 8-Оксо-2'-дезоксигуанозин (8-охо-ёО) и сопряженных с ним заболеваний. Уровень
к образуется в результате неферментативного 8-охо-ёО в ДНК повышается на фоне вос-
^ свободнорадикального окисления 2'-дезокси- палительных и аллергических реакций, он-
гуанозина ^О). При этом окисляться может кологических, аутоимунных, нейродегенера-
>я как гуанин нуклеотидного пула, так и нуклео- тивных заболеваний, неспецифических стрес-
^ зид в составе ДНК. Более двух десятилетий сов и старения [1]. Благодаря работе специ-
^ это соединение используется в качестве био- фического фермента репарации ДНК - 8-оксо-
© маркера окислительного повреждения ДНК гуанин-ДНК-гликозилазы (000-1) - после ус-
SScience Journal of VolSU. Natural Sciences. 2018. Vol. 8. No. 1
49
транения окислительного стресса содержание 8-oxo-dG быстро возвращается к базальному уровню. Следует отметить, что окисленный нуклеозид всегда присутствует в детектируемых количествах в ДНК здоровых и не испытывающих острого стресса живых организмов всех известных систематических групп.
Для количественного определения 8-oxo-dG в ДНК используется ряд аналитических методов. Одним из самых точных и чувствительных является реализованный в нашей лаборатории метод высокоэффективной жидкостной хроматографии с амперометрической детекцией [3].
Длительное время 8-oxo-dG рассматривался исключительно как побочный продукт окислительного метаболизма, способный оказать мутагенный эффект и «вредный» для клетки. Однако в последнее десятилетие появилось множество сообщений, свидетельствующих о том, что окисленные молекулы (например, продукты перекисного окисления липидов) проявляют биологическую активность, в частности, регулируя окислительный статус клетки.
Мы предположили, что 8-oxo-dG, как «главный» продукт окисления ДНК, также способен выступать в роли сигнальной молекулы, активирующей устойчивость клеток к неспецифическому стрессу и репарацию ДНК. Некоторые подтверждения этой гипотезы присутствуют в мировой литературе, в частности, серия работ корейской группы исследователей продемонстрировала противовоспалительный и иммунорегулирующий эффекты свободного 8-oxo-dG, который реализуется за счет аллосте-рического взаимодействия нуклеозида с ГТФ-азами семейств Rac, Ras и Rho. Из других источников известно, что 8-оксо-гуанин (8-oxo-Guo) аллостерически активирует фермент репарации OGG-1, при этом образующийся комплекс способен еще и осуществлять «обратную связь», активируя образование активных форм кислорода через каскад ГТФ-азы Ras-1. Вместе с тем 8-oxo-dG в составе ДНК способен усиливать экспрессию генов и запускать ее на промоторах, способных принимать структуру квадруплекса, которая затрудняет посадку полимераз [4]. Таким образом, данное соединение может являться не «вредным» продуктом окисления, а эпигенетической меткой
в ДНК и сигнальной молекулой - в свободном виде.
При этом основным источником свободного 8-oxo-dG, вероятно, является в первую очередь не репарация ДНК, в ходе которой, как правило, выщепляется 8-охо^ио. Нуклеозиды цитоплазматического пула подвергаются сво-боднорадикальному окислению даже легче, чем входящие в состав ДНК. Вполне вероятно, что именно они за счет высокой концентрации, доступности для радикалов и низкого окислительно-восстановительного потенциала, являются основным антиоксидантным буфером клетки. 8-Оксо-dG, по некоторым источникам, проявляет более выраженную антиоксидант-ную активность, чем ряд фармацевтических препаратов этой направленности [2]. Тем не менее биологическую роль 8-oxo-dG нельзя свести только к «прямому» перехвату активных форм кислорода (АФК).
Влияние экзогенного 8-oxo-dG на содержание окисленного гуанина в ДНК было изучено нами на организмах различных систематических групп. Дрожжи Saccharomyces cerevisae, клетки яичника китайского хомячка и плодовые мушки Drosophila melanogaster, подвергнутые воздействию экзогенного 8-охо-dG (1мкМ нуклеозида вносился в корм или куль-туральную среду), демонстрировали более низкие уровни окислительного повреждения ДНК, нежели организмы контрольных групп. Однако во всех поставленных нами экспериментах указанный эффект проявлялся только на старых или подвергнутых неспецифическому стрессу объектах. Экзогенный нуклеозид не приводил к уменьшению содержания 8-oxo-dG в ДНК ниже базального уровня, характерного для здоровых клеток и тканей. Это хорошо согласуется с приведенными выше данными об «обратной связи» репарации ДНК и генерации АФК.
При параллельном (с одной пробы клеток) хроматографическом анализе содержания окисленного гуанина в нуклеотидном пуле и высокомолекулярной РНК было выявлено, что экзогенный 8-oxo-dG также приводит к сокращению окислительного повреждения РНК. Однако этот эффект значительно менее выражен, чем аналогичный для ДНК. Таким образом, можно предположить, что 8-oxo-dG выступает в роли не только антиоксиданта, но и активатора репарации ДНК.
Н.В. Мармий, Д.С. Есипов. 8-оксо-2'-дезоксигуанозин - биомаркер, сигнальная молекула
Отдельно следует отметить, что dG, неокисленный предшественник 8-oxo-dG, используемый в аналогичных концентрациях и условиях, выраженного эффекта снижения содержания окисленного гуанина в ДНК и РНК не вызывает.
Не менее важным, нежели изучение молекулярных механизмов действия 8-oxo-dG, является исследование вызываемых им эффектов на организменном уровне.
В экспериментах на Drosophila melanogaster нами было показано, что экзогенный 8-oxo-dG оказывает протекторное действие на этих насекомых в условиях теплового шока. При этом сокращается как быстрая гибель подвергнутых тепловому шоку имаго, так и отсроченная, наблюдаемая у личинок Drosophila во время метаморфоза. Протекторный эффект 8-oxo-dG реализуется в широком диапазоне концентраций (от 1 нМ до 1 мкМ), что свидетельствует о его сигнальном механизме. При этом ни 8-оксоаденозин, ни 2'-де-зоксигуанозин не оказывают аналогичного действия, несмотря на сходство структуры.
Следует отметить, что протекторный эффект 8-oxo-dG в условиях теплового шока нельзя обосновать его антиоксидантным действием либо влиянием на репарацию ДНК. Воздействие высокой температуры не сводится к окислительному стрессу, и за устойчивость к тепловому шоку отвечают особые биохимические и физиологические реакции. Таким образом, 8-oxo-dG может быть сигналом неспецифического стресса и одним из эндогенных агентов, обусловливающих реакцию прекондиционирования (повышения устойчивости организма к стрессовому фактору при
неоднократном его воздействии с возрастающей интенсивностью).
Исследования биологической роли 8-oxo-dG только начинаются, однако полученных данных уже достаточно, чтобы сделать вывод о наличии у этого соединения выраженной биорегуляторной активности. Более того, существуют перспективы использования 8-oxo-dG в качестве лекарственного препарата. Фармацевтически значимым может оказаться как протекторное действие окисленного нуклеози-да при неспецифическом стрессе, так и возможность активировать репарацию ДНК, влиять на течение иммунных реакций и за счет взаимодействия с малыми ГТФ-азами регулировать клеточное движение (включая мета-стазирование опухолевых клеток), секрецию и пролиферацию.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. 8-Оксо-2'-дезоксигуанозин - биомаркер окислительного стресса / Т. С. Невредимова [и др.] // Вестник МИТХТ. - 2014. - Т. 9, № 5. - С. 3-10.
2. 8-Оксо-7,8-дигидро-2'- дезоксигуанозин: биомедицинские свойства, механизмы действия, терапевтический потенциал / А. В. Черников [и др.] // Успехи биологической химии. - 2017. - Т. 57. -С. 267-302.
3. Определение отношения 8-оксо-2-дезокси-гуанозина к 2-дезоксигуанозину в ДНК с помощью обращенно-фазовой ВЭЖХ в сочетании с амперо-метрической детекцией / Д. С. Есипов [и др.] // Вестник МИТХТ. - 2010. - Т. 5. - № 3. - С. 69-74.
4. Marmiy, N. V. Biological role of 8-oxo-2'-deoxyguanosine / N. V Marmiy, D. S. Esipov // Moscow University Biological Sciences Bulletin. - 2015. - Vol. 70, № 4. - P. 168-172.
Information about the Authors
Natalya V. Marmiy, Researcher of R&D Department, Research Institute of Mitoengineering, Lomonosov Moscow State University, Leninskie gory St., 1, 119991 Moscow, Russian Federation, marmiynv@gmail.com.
Dmitriy S. Esipov, Candidate of Sciences (Chemistry), Associate Professor, Department of Bioorganic Chemistry, Lomonosov Moscow State University, Leninskie gory St., 1, 119991 Moscow, Russian Federation, bioeng@genebee.msu.ru.
Science Journal of VolSU. Natural Sciences. 2018. Vol. 8. No. 1
51
Информация об авторах
Наталья Владимировна Мармий, научный сотрудник отдела научных разработок, НИИ митоинженерии, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Ленинские горы, 1, 119991 г. Москва, Российская Федерация, marmiynv@gmail.com.
Дмитрий Станиславович Есипов, кандидат химических наук, доцент, кафедра биоорганической химии, биологический факультет, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Ленинские горы, 1, 119991 г. Москва, Российская Федерация, bioeng@genebee.msu.ru.
