Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 54706 МЕДИЦИНСКАЯ БИОФИЗИКА И БИОФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ MEDICAL BIOPHYSICS AND BIOPHYSICAL CHEMISTRY МЕДИЦИНСКАЯ БИОФИЗИКА И БИОФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Oxidative stress in the intracellular zinc signaling system: in vitro investigation on human erythrocytes Окислительный стресс в системе внутриклеточной цинковой сигнализации: in vitro иссследование на эритроцитах человека Гармаза Ю М Harmaza Y M garmaza@yandex.ru Тамашевский А В Tamashevski A V Республиканский научно-практический центр трансфузиологии и медицинских биотехнологий МЗ РБ ru Republican Scientific and Practical Center for Transfusiology and Medical Biotechnologies ru Республиканский научно-практический центр трансфузиологии и медицинских биотехнологий МЗ РБ ru Republican Scientific and Practical Center for Transfusiology and Medical Biotechnologies ru 25 12 2021 25 12 2021 6 4 640 646 20 12 2021 20 12 2021 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/54706/view

Используя внутриклеточный и внеклеточный хелаторы для Zn2+ - TPEN и DTPA, продемонстрировано существование специфических рецепторов на поверхности эритроцитов и внутриклеточных депо, отвечающих за поддержание цинкового гомеостаза. В тоже время было показано, что увеличение цитозольного пула лабильного Zn2+ свыше 100 нМ приводит к запуску процессов эриптоза, а цитотоксические эффекты цинка обусловлены внутриклеточными молекулярными механизмами, приводящими к выходу Zn2+ из клеточных депо. Более того, выявлена обратная зависимость между изменением внутриклеточного пула лабильного цинка и эстеразной активности эритроцитов, при моделировании окислительного стресса, используя H2O2 in vitro , что свидетельствует о прямом участии Zn2+ в запуске эриптоза, а дисбаланс “прооксиданты/антиоксиданты” в пользу первых выступает в качестве триггера данного процесса. При этом обнаружен рост уровня экспрессии цитозольных тиол-содержащих белков металлотионеинов, как в эритроцитах, истощенных по Zn2+, так и в клетках после индукции окислительного стресса in vitro путем воздействия H2O2. Это свидетельствует о функционировании данных белков в качестве вспомогательного антиоксиданта в защитной системе эритроцитов в условиях окислительного стресса.

It was demonstrated the existence of specific receptors on the surface of red blood cells and intracellular stores responsible for maintaining zinc homeostasis using intracellular and extracellular zinc chelators - TPEN and DTPA. At the same time, it was shown that rise the cytosolic pool of labile Zn2+ over 100 nM leads to the initiation of apoptotic processes. The intracellular molecular mechanisms leading to Zn2+ release from cellular stores determine the cytotoxic zinc effects. Moreover, an inverse relationship between the intracellular labile zinc pool and esterase activity of red blood cells under modeling oxidative stress using H2O2 in vitro was revealed. It indicates the direct participation of Zn2+ in triggering eryptosis and that “prooxidants/antioxidants” imbalance in favor of the former acts as a trigger of this process. At the same time, an increase in the expression level of cytosolic thiol-containing metallothioneins was detected, both in red blood cells depleted by Zn2+ and in cells after the oxidative stress induction. These indicate the functioning of metallothioneins as an adjuvant antioxidant in the protective system of red blood cells under oxidative stress.

 эритроциты человека цинковый гомеостаз лабильный пул цинка эстеразная активность металлотионеины окислительный стресс human erythrocytes zinc homeostasis labile zinc pool esterase activity metallothioneins oxidative stress

Outten C.E., O'Halloran T.V. Femtomolar sensitivity of metalloregulatory proteins controlling zinc homeostasis. Science, 2001, vol. 292, pp. 2488-2492. doi: 10.1126/science.1060331 Outten C.E., O'Halloran T.V. Femtomolar sensitivity of metalloregulatory proteins controlling zinc homeostasis. Science, 2001, vol. 292, pp. 2488-2492. doi: 10.1126/science.1060331 Frederickson C.J., Suh S.W., Silva D., Frederickson C.J., Thompson R.B. Importance of zinc in the central nervous system: the zinc-containing neuron. The Journal of Nutrition, 2000, vol. 130, suppl 5S, pp.1471S-1483S. doi: 10.1093/jn/130.5.1471S Frederickson C.J., Suh S.W., Silva D., Frederickson C.J., Thompson R.B. Importance of zinc in the central nervous system: the zinc-containing neuron. The Journal of Nutrition, 2000, vol. 130, suppl 5S, pp.1471S-1483S. doi: 10.1093/jn/130.5.1471S Haase H., Rink L. Zinc signals and immune function. Biofactors, 2014, vol. 40, pp. 27-40. doi: 10.1002/biof.1114 Haase H., Rink L. Zinc signals and immune function. Biofactors, 2014, vol. 40, pp. 27-40. doi: 10.1002/biof.1114 Eide D.J. Zinc transporters and the cellular trafficking of zinc. Biochim. Biophys. Acta, 2006, vol. 1763, pp. 711-722. doi: 10.1016/j.bbamcr.2006.03.005 Eide D.J. Zinc transporters and the cellular trafficking of zinc. Biochim. Biophys. Acta, 2006, vol. 1763, pp. 711-722. doi: 10.1016/j.bbamcr.2006.03.005 Beyersmann D., Haase H. Functions of zinc in signaling, proliferation and differentiation of mammalian cells. Biometals, 2001, vol. 14, pp. 331-341. dOI: 10.1023/a:1012905406548 Beyersmann D., Haase H. Functions of zinc in signaling, proliferation and differentiation of mammalian cells. Biometals, 2001, vol. 14, pp. 331-341. dOI: 10.1023/a:1012905406548 Yamasaki S., Sakata-Sogawa K., Hasegawa A., Suzuki T., Kabu K., Sato E., Kurosaki T., Yamashita S., Tokunaga M., Nishida K., Hirano T. Zinc is a novel intracellular second messenger. J. Cell Biol, 2007, vol. 177, no. 4, pp. 637-645. doi: 10.1083/jcb.200702081 Yamasaki S., Sakata-Sogawa K., Hasegawa A., Suzuki T., Kabu K., Sato E., Kurosaki T., Yamashita S., Tokunaga M., Nishida K., Hirano T. Zinc is a novel intracellular second messenger. J. Cell Biol, 2007, vol. 177, no. 4, pp. 637-645. doi: 10.1083/jcb.200702081 McCabe M.J., Jiang S.A., Orrenius S. Chelation of intracellular zinc triggers apoptosis in mature thymocytes. Lab. Invest, 1993, vol. 69, no. 1, pp. 101-110. PMID: 8331893 McCabe M.J., Jiang S.A., Orrenius S. Chelation of intracellular zinc triggers apoptosis in mature thymocytes. Lab. Invest, 1993, vol. 69, no. 1, pp. 101-110. PMID: 8331893 Gee K.R., Zhou Z-L., Ton-That D., Sensi S.L., Weiss J.H. Measuring zinc in living cells. A new generation of sensitive and selective fluorescent probes. Cell Calcium, 2002, vol. 31, no. 5, pp. 245-251. doi: 10.1016/S0143-4160(02)00053-2 Gee K.R., Zhou Z-L., Ton-That D., Sensi S.L., Weiss J.H. Measuring zinc in living cells. A new generation of sensitive and selective fluorescent probes. Cell Calcium, 2002, vol. 31, no. 5, pp. 245-251. doi: 10.1016/S0143-4160(02)00053-2 Harmaza Y.M., Tamashevski A.V., Slobozhanina E.I. Determination of the Dynamics of Change in the Intracellular Pool of Zinc Ions in Human Erythrocytes Using a FluoZin-3 Fluorescent Probe. Journal of Applied Spectroscopy, 2021, vol. 87, no. 6, pp. 1094-1099. doi: 10.1007/s10812-021-01114-6 Harmaza Y.M., Tamashevski A.V., Slobozhanina E.I. Determination of the Dynamics of Change in the Intracellular Pool of Zinc Ions in Human Erythrocytes Using a FluoZin-3 Fluorescent Probe. Journal of Applied Spectroscopy, 2021, vol. 87, no. 6, pp. 1094-1099. doi: 10.1007/s10812-021-01114-6 Bratosin D., Mitrofan L., Palii C., Estaquier J., Montreuil J. Novel fluorescence assay using Calcein-AM for the determination of human erythrocyte viability and aging. Cytometry A, 2005, vol. 66A, pp. 78-84. doi: 10.1002/cyto.a.20152 Bratosin D., Mitrofan L., Palii C., Estaquier J., Montreuil J. Novel fluorescence assay using Calcein-AM for the determination of human erythrocyte viability and aging. Cytometry A, 2005, vol. 66A, pp. 78-84. doi: 10.1002/cyto.a.20152 Hershfinkel M. The Zinc Sensing Receptor, ZnR/GPR39, in Health and Disease.Int. J. Mol. Sci, 2018, vol. 19, no. 439, pp. 57-75. doi: 10.3390/ijms19020439 Hershfinkel M. The Zinc Sensing Receptor, ZnR/GPR39, in Health and Disease.Int. J. Mol. Sci, 2018, vol. 19, no. 439, pp. 57-75. doi: 10.3390/ijms19020439 Harmaza Y.M., Slobozhanina E.I. Zinc essentiality and toxicity. Biophysical aspects. Biophysics, 2014, vol. 59, no. 2, pp. 264-275. doi: 10.1134/S0006350914020092 Harmaza Y.M., Slobozhanina E.I. Zinc essentiality and toxicity. Biophysical aspects. Biophysics, 2014, vol. 59, no. 2, pp. 264-275. doi: 10.1134/S0006350914020092 Harmaza Y.M., Tamashevski A.V., Kanash Y.S., Zubritskaya G.P., Kutko A.G., Slobozhanina E.I. The role of intracellular zinc in H2O2-induced oxidative stress in human erythrocytes. Biophysics, 2016, vol. 61, no. 6, pp. 950-958. doi: 10.1134/S0006350916060087 Harmaza Y.M., Tamashevski A.V., Kanash Y.S., Zubritskaya G.P., Kutko A.G., Slobozhanina E.I. The role of intracellular zinc in H2O2-induced oxidative stress in human erythrocytes. Biophysics, 2016, vol. 61, no. 6, pp. 950-958. doi: 10.1134/S0006350916060087 Гармаза Ю.М., Тамашевский А.В. Zn-дефицитные состояния в эритроцитах человека in vitro и свободнорадикальные процессы. Журнал Белорусского государственного университета. Экология, 2017, № 3, с. 54-63. @@Harmaza Y.M., Tamashevski A.V. Zn-deficient states in human erythrocytes in vitro and free radical processes. J. Belarus. State Univ. Ecol, 2017, vol. 3, pp. 54-63. (In Russ) Garmaza Yu.M., Tamashevskiy A.V. Zn-deficitnye sostoyaniya v eritrocitah cheloveka in vitro i svobodnoradikal'nye processy. Zhurnal Belorusskogo gosudarstvennogo universiteta. Ekologiya, 2017, № 3, s. 54-63. @@Harmaza Y.M., Tamashevski A.V. Zn-deficient states in human erythrocytes in vitro and free radical processes. J. Belarus. State Univ. Ecol, 2017, vol. 3, pp. 54-63. (In Russ) Nordberg J., Arner E.S. Reactive oxygen species, antioxidants, and the mammalian thioredoxin system. Free Radic. Biol. Med, 2001, vol. 31, pp. 1287-1312. doi: 10.1016/s0891-5849(01)00724-9 Nordberg J., Arner E.S. Reactive oxygen species, antioxidants, and the mammalian thioredoxin system. Free Radic. Biol. Med, 2001, vol. 31, pp. 1287-1312. doi: 10.1016/s0891-5849(01)00724-9 Sato M., Kondoh M. Recent studies on metallothionein: protection against toxicity of heavy metals and oxygen free radicals. Tohoku J. Exp. Med, 2002, vol. 196, pp. 9-22. doi: 10.1620/tjem.196.9 Sato M., Kondoh M. Recent studies on metallothionein: protection against toxicity of heavy metals and oxygen free radicals. Tohoku J. Exp. Med, 2002, vol. 196, pp. 9-22. doi: 10.1620/tjem.196.9 Harmaza Y.M., Tamashevski A.V., Slobozhanina E.I. The role of metallothioneins in the maintance of zinc homeostasis and state in erythrocytes of cardiologic patients with the metabolic disorders. Journal of Integrated OMICS, 2019, vol. 9, no. 1, pp. 10-16. doi: 10.5584/jiomics.v9i1.260 Harmaza Y.M., Tamashevski A.V., Slobozhanina E.I. The role of metallothioneins in the maintance of zinc homeostasis and state in erythrocytes of cardiologic patients with the metabolic disorders. Journal of Integrated OMICS, 2019, vol. 9, no. 1, pp. 10-16. doi: 10.5584/jiomics.v9i1.260