Inducerea și modularea dietei feroptozei în Caenorhabditis elegans bioRxiv

  • Găsiți acest autor pe Google Scholar
  • Găsiți acest autor pe PubMed
  • Căutați acest autor pe acest site
  • Pentru corespondență: [email protected]

REZUMAT

Feroptoza este o formă dependentă de fier a morții celulare reglementate asociată cu fosfolipide polinesaturate oxidate. Înțelegerea rolului acestui proces in vivo a fost încetinită de lipsa sistemelor model ușor accesibile. Expunerea nematodului Caenorhabditis elegans la acidul dihomogamma-linolenic al acidului gras polinesaturat (DGLA; 20: 3n-6) determină moartea celulelor germinale și sterilitatea care este în mare măsură independentă de calea apoptozei canonice. Aici demonstrăm că moartea celulelor germinale indusă de DGLA este modulată de inhibitori ai feroptozei cu molecule mici, manipulare genetică a feritinei, NADPH oxidazei și glutation peroxidazelor și prin co-suplimentarea dietei cu acid oleic. Astfel, moartea celulelor germinale indusă de DGLA la C. elegans este foarte similară cu feroptoza din celulele mamiferelor. DGLA poate induce, de asemenea, feroptoza în celulele umane, subliniind în continuare acest PUFA omega-6 ca instigator metabolic al feroptozei. Împreună, aceste rezultate stabilesc C. elegans ca un model animal puternic pentru a studia inducerea și modularea feroptozei de către grăsimile dietetice.

feroptozei

Repere

- Moartea celulelor germinale indusă de acidul dihomogamma-linolenic (DGLA) în C. elegans este ameliorată de antioxidanți cu molecule mici și chelatori de fier

- Acidul oleic dietetic și endogen protejează împotriva feroptozei induse de DGLA

- Deficitul de eter-lipide crește sensibilitatea la feroptoza indusă de DGLA

- DGLA induce în mod specific feroptoza în celulele canceroase umane

INTRODUCERE

Acizii grași polinesaturați cu lanț lung (PUFA) sunt esențiali în dieta oamenilor, deși există încă dezbateri cu privire la cantitățile optime de diferite specii de grăsimi dietetice (Mukhopadhyay, 2012). PUFA-urile sunt clasificate ca omega-6 (n-6) sau omega-3 (n-3), în funcție de poziția legăturii duble terminale din moleculă. Acizii grași omega-6 sunt precursori ai moleculelor puternice de semnalizare, cum ar fi prostaglandinele și leucotrienele care promovează răspunsurile inflamatorii. Aceste răspunsuri sunt importante pentru combaterea agenților patogeni și pentru reproducerea normală, dar excesul de acizi grași omega-6 este asociat cu stări de boală, cum ar fi bolile cardiovasculare și cancerul (Harris și colab., 2009).

Ferroptoza, o formă dependentă de fier a morții celulare neapoptotice reglate, este definită de trei caracteristici conservate - prezența acizilor grași polinesaturați oxidați (PUFA), disponibilitatea fierului redox activ și repararea defectuoasă sau inhibată a peroxidului lipidic (Dixon și Stockwell, 2019). Ferroptoza a fost demonstrată în mai multe sisteme de mamifere, inclusiv diverse linii celulare de cancer (Dixon și colab., 2012; Dixon și colab., 2014), șoareci mutanți inductibili Gpx4 -/- (Friedmann Angeli și colab., 2014; Ingold și colab., 2018), felii de hipocamp de șobolan și culturi de oligodendrocite (Dixon și colab., 2012; Skouta și colab., 2014). În celulele de mamifere, feroptoza poate fi suprimată de chelatori de fier cu molecule mici și antioxidanți de captare a radicalilor (Stockwell și colab., 2017). Relevanța fiziologică și reglarea feroptozei este în prezent un subiect de mare interes, dar influența dietei asupra feroptozei nu a fost examinată. Progresele cu privire la această problemă și la alte probleme conexe au fost împiedicate de absența modelelor animale accesibile și ușor de manipulat ale procesului feroptotic.

Nematodul Caenorhabditis elegans (C. elegans) este un model puternic pentru investigarea importanței acizilor grași din dietă în dezvoltarea și menținerea liniei germinale. Această specie sintetizează o gamă largă de acizi grași (Hutzell și Krusberg, 1982; Watts și Browse, 2002) și crește și se reproduce pe o gamă largă de temperaturi. Reproducerea este un proces intensiv din punct de vedere energetic, în care la vârful depunerii de ouă un hermafrodit adult convertește zilnic echivalentul întregii sale mase corporale în ouă (Hirsh și colab., 1976). Grăsimile dietetice sunt o sursă importantă de lipide pentru producția de ouă de C. elegans, iar acizii grași din organism se transformă la fiecare 24 de ore (Dancy și colab., 2015).

Anterior, am descoperit că C. elegans cultivat în prezența acidului gras polinesaturat acid dihomogamma-linolenic (DGLA, 20: 3n-6) a devenit steril (Watts și Browse, 2006). Hermafroditele de tip sălbatic crescute pe DGLA sunt grav deficitare în producția de celule germinale, iar expunerea la niveluri mai scăzute de DGLA care nu a cauzat sterilitate de 100% în populație a condus totuși la un număr redus de celule germinale, spermă și descendenți (Watts și Browse 2006). Căile genetice care reglementează răspunsurile la stres oxidativ, homeostazia lipidică și durata de viață au modulat sensibilitatea la DGLA dietetic (Watts și Browse, 2006; Webster și colab., 2013), la fel ca și manipularea enzimelor de oxidare PUFA (Deline și colab., 2015).

În acest studiu am testat ipoteza că moartea celulelor germinale induse de DGLA în dietă are loc prin feroptoză. Folosind abordări biologice chimice, genetice și lipidomice, raportăm că fierul, speciile reactive de oxigen (ROS) și metabolismul lipidelor modulează efectele DGLA dietetice asupra sistemului reproductiv al viermilor. Mai mult, suplimentarea DGLA este suficientă pentru a induce feroptoza în celulele canceroase umane, demonstrând posibilitatea feroptozei mediată de dietă între specii.

REZULTATE

DGLA dietetic declanșează moartea celulelor germinale feroptotice

DGLA dietetic este un puternic inductor al morții celulelor germinale la C. elegans, cu dovezi genetice care sugerează că acest lucru ar putea fi parțial un proces oxidativ (Deline și colab., 2015; Watts și Browse, 2006; Webster și colab., 2013). Pentru a testa dacă acest proces a implicat feroptoză, am tratat animalele de tip sălbatic cu DGLA dietetică și antioxidantul feroptoză lipofilică specifică care captează antioxidantul ferostatin-1 (Fer-1) (Dixon și colab., 2012; Zilka și colab., 2017 ). În mod surprinzător, la animalele tratate împreună cu DGLA și Fer-1, atât moartea celulelor germinale, cât și sterilitatea au fost reduse comparativ cu viermii tratați numai cu DGLA (Figura 1A). Fer-1 singur nu a avut niciun efect de fertilitate. Nu numai că au existat mai mulți viermi fertili în grupul de tratament DGLA + Fer-1 comparativ cu DGLA singur, dar numărul de viermi fertili cu dezvoltare normală a gonadelor, așa cum a fost testat prin colorarea DAPI, a fost crescut comparativ cu grupul martor (Figurile 1B, C ).

(A) Procent (%) sterilitate a viermilor de tip sălbatic hrăniți combinațiile indicate de acid oleic (OA) și DGLA. Graficele arată procentul mediu de sterilitate la cinci populații de 50 de viermi expuși la diferite concentrații de DGLA și OA. Asteriscurile prezintă semnificație P N). Acest lucru ne-a permis să monitorizăm moartea celulară utilizând analiza scalabilă în timp a abordării cineticii morții celulare (STACK) (Forcina și colab., 2017). La fel ca un inductor de feroptoză cu molecule mici de control pozitiv, erastin2, DGLA exogen (500 μM) a fost capabil să declanșeze moartea celulelor sensibile la ferostatină-1 în decurs de 24 de ore (Figura 3A, B). La aceeași concentrație, AA exogenă a indus moartea celulară, dar aceasta nu a fost în mod eficient suprimată în timp prin co-tratament cu Fer-1, indicând că la această doză AA exogenă poate contribui la alte moduri de moarte celulară (Figura 3A). La doze mai mici (250 μM și mai mici), atât DGLA cât și AA au prezentat o letalitate redusă în celulele HT-1080 N (Figura 3A). Astfel, PUFA exogene omega-6 sunt suficiente pentru a declanșa feroptoza ca agenți unici în celulele canceroase umane într-o manieră specifică structurii.