Генетически кодируемый биосенсор HyPer как инструмент для количественного определения внутриклеточного уровня перекиси водорода

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

В настоящем мини-обзоре систематизирована информация о методах количественной оценки внутриклеточной концентрации перекиси водорода, основанных на использовании генетически кодируемого сенсора пероксида HyPer. Рассматриваются два подхода: 1) градуировка биосенсора с использованием экзогенной перекиси водорода, основанная на оценке скорости проникновения пероксида в клетки и внутриклеточной пероксидазной активности; 2) прямое определение внутриклеточного содержания пероксида, основанное на измерении уровня окисления биосенсора, константы реакции окисления и константы реакции восстановления HyPer в клетках. Применение этих методов позволяет решать широкий спектр задач клеточной редокс-биологии — ранжировать диапазон физиологических и повреждающих концентраций перекиси водорода в клетках, оценивать эффективность системы антиоксидантной защиты в различных клеточных компартментах в условиях окислительного стресса, определять вклад различных ферментативных систем в пероксидазную активность клеток и изучать особенности систем антиоксидантной защиты в различных биологических контекстах (в процессе клеточного старения, дифференцировки, репрограммирования, при развитии патологий). Описанные методы могут быть адаптированы для других генетически-кодируемых биосенсоров перекиси водорода.

Об авторах

О. Г. Люблинская

Институт цитологии РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: o.lyublinskaya@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург, 194064

Ю. С. Иванова

Институт цитологии РАН

Email: o.lyublinskaya@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург, 194064

Список литературы

  1. Antunes F., Cadenas E. 2000. Estimation of H2O2 gradients across biomembranes. FEBS Lett. V. 475. P. 121.
  2. Belousov V. V., Fradkov A. F., Lukyanov K. A., Staroverov D. B., Shakhbazov K. S., Terskikh A. V., Lukyanov S. A. 2006. Genetically encoded fluorescent indicator for intracellular hydrogen peroxide. Nat. Methods V. 3. P. 281.
  3. Bilan D. S., Belousov V. V. 2016. HyPer family probes: state of the art. Antioxidants Redox Signal. V. 24. P. 731.
  4. Bilan D. S., Pase L., Joosen L., Gorokhovatsky A. Y., Ermakova Y. G., Gadella T. W., Grabher C., Schultz C., Lukyanov S., Belousov V. V. 2013. HyPer-3: a genetically encoded H2O2 probe with improved performance for ratiometric and fluorescence lifetime imaging. ACS Chem. Biol. V. 8. P. 535.
  5. Brito P. M., Antunes F. 2014. Estimation of kinetic parameters related to biochemical interactions between hydrogen peroxide and signal transduction proteins. Front. Chem. V. 2. P. 82.
  6. Huang B. K., Sikes H. D. 2014. Quantifying intracellular hydrogen peroxide perturbations in terms of concentration. Redox Biol. V. 2. P. 955.
  7. Huang B. K., Stein K. T., Sikes H. D. 2016. Modulating and measuring intracellular H2O2 using genetically encoded tools to study its toxicity to human cells. ACS Synth. Biol. V. 5. P. 1389.
  8. Ivanova J., Guriev N., Pugovkina N., Lyublinskaya O. 2023. Inhibition of thioredoxin reductase activity reduces the antioxidant defense capacity of human pluripotent stem cells under conditions of mild but not severe oxidative stress. Biochem. Biophys. Res. Commun. V. 642. P. 137.
  9. Lee C., Lee S. M., Mukhopadhyay P., Kim S. J., Lee S. C., Ahn W. S., Yu M. H., Storz G., Ryu S. E. 2004. Redox regulation of OxyR requires specific disulfide bond formation involving a rapid kinetic reaction path. Nat. Struct. Mol. Biol. V. 11. P. 1179.
  10. Lim J., Langford T., Huang B., Deen W., Sikes H. 2016. A reaction-diffusion model of cytosolic hydrogen peroxide. Free Radic. Biol. Med. V. 90. P. 85.
  11. Lyublinskaya O. G., Antonov S. A., Gorokhovtsev S. G., Pugovkina N. A., Kornienko J. S., Ivanova J. S., Shatrova A. N., Aksenov N. D., Zenin V. V., Nikolsky N. N. 2018. Flow cytometric HyPer-based assay for hydrogen peroxide. Free Radic. Biol. Med. V. 128 P. 40.
  12. Lyublinskaya O., Antunes F. 2019. Measuring intracellular concentration of hydrogen peroxide with the use of genetically encoded H2O2 biosensor HyPer. Redox Biol. V. 24: 101200.
  13. Malinouski M., Zhou Y, Belousov V, Hatfield D, Gladyshev V. 2011. Hydrogen peroxide probes directed to different cellular compartments. PLoS One. V. 6: e14564.
  14. Meyer A. J., Dick T. P. 2010. Fluorescent protein-based redox probes. Antioxid. Redox Signal. V. 13. P. 621.
  15. Milkovic L., Zarkovic N., Saso L. 2017. Controversy about pharmacological modulation of Nrf2 for cancer therapy. Redox Biol. V. 12. P. 727.
  16. Mishina N., Bogdanova Y., Ermakova Y., Panova A., Kotova D., Bilan D., Steinhorn B., Arnér E., Michel T., Belousov V. 2019. Which antioxidant system shapes intracellular H2O2 gradients? Antioxid. Redox Signal. V. 31. P. 664.
  17. Mishina N., Markvicheva K., Bilan D., Matlashov M., Shirmanova M., Liebl D., Schultz C., Lukyanov S., Belousov V. 2013. Visualization of intracellular hydrogen peroxide with HyPer, a genetically encoded fluorescent probe. Methods Enzymol. V. 526. P. 45.
  18. Pak V. V., Ezeriņa D., Lyublinskaya O. G., Pedre B., Tyurin-Kuzmin P.A., Mishina N. M., Thauvin M., Young D., Wahni K., Martínez Gache S. A., Demidovich A. D., Ermakova Y. G., Maslova Y. D., Shokhina A. G., Eroglu E., et al. 2020. Ultrasensitive genetically encoded indicator for hydrogen peroxide identifies roles for the oxidant in cell migration and mitochondrial function. Cell Metab. V. 31. P. 642.
  19. Sies H. 2021. Oxidative eustress: on constant alert for redox homeostasis. Redox Biol. V. 41: 101867.
  20. Sies H., Berndt C., Jones D. P. 2017. Oxidative stress. Annu Rev. Biochem. V. 86. P. 715.
  21. Sies H., Jones D. P. 2020. Reactive oxygen species (ROS) as pleiotropic physiological signalling agents. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. V. 21. P. 363.
  22. Sporn M. B., Liby K. T. 2012. NRF2 and cancer: the good, the bad and the importance of context. Nat. Rev. Cancer. V. 12. P. 564.
  23. Zenin V., Ivanova J., Pugovkina N., Shatrova A., Aksenov N., Tyuryaeva I., Kirpichnikova K., Kuneev I., Zhuravlev A., Osyaeva E., Lyublinskaya E., Gazizova I., Guriev N., Lyublinskaya O. 2022. Resistance to H2O2-induced oxidative stress in human cells of different phenotypes. Redox Biol. V. 50: 102245.
  24. Zheng M., Åslund F., Storz G. 1998. Activation of the OxyR transcription factor by reversible disulfide bond formation. Science. V. 279. P. 171 https://doi.org/10.1007/s10561-022-10011-x

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2024