Экспрессия генов CDKN1A, MDM2 и ATM как биомаркер токсического действия тяжёлых металлов (обзор литературы)

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Разработка новых подходов, которые позволят дифференцировать широкий спектр токсических эффектов, поможет значительно улучшить оценку риска. Для понимания механизмов ответа на молекулярном уровне важно изучение экспрессии генов, отвечающих за репарацию ДНК, так как данный процесс является одним из ранних ответов на токсическое действие.

Цель исследования — обобщение имеющихся данных об экспрессии генов репарации (CDKN1A, MDM2 и ATM) в рамках токсического эффекта воздействия тяжёлых металлов.

Проведён систематический поиск для выявления исследований по заданной теме в электронных базах данных PubMed, Web of Science, eLIBRARY и Google Scholar. Для поиска использовались следующие ключевые слова: heavy metals, CDKN1A, MDM2, ATM, toxicity, DNA repair, gene expression. Поиск научных публикаций осуществлялся независимо тремя авторами, все найденные статьи проверялись и сравнивались для отсеивания дублирующихся статей. В данный обзор включено 50 литературных источников.

Анализ токсикогеномных исследований позволил выделить несколько генов для оценки токсичности тяжёлых металлов среди большого количества биомаркеров-кандидатов. Наиболее часто рассматриваемыми генами являются ген p21/CDKN1A, протоонкоген MDM2 и ген ATM.

Ограничения исследования. Ограничением данного обзора является рассмотрение изменения экспрессии лишь небольшого числа генов, отвечающих за репарацию ДНК.

Заключение. Таким образом, экспрессия вышеперечисленных генов биомаркеров даёт детальную картину реакции биологической системы на воздействие вредных факторов и может применяться в рамках оценки токсического действия.

Участие авторов. Все соавторы внесли равнозначный вклад в исследование и подготовку статьи к публикации, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Поступила: 09.10.2023 / Принята к печати: 15.11.2023 / Опубликована: 08.12.2023

Об авторах

Дарья Рамильевна Шаихова

ФБУН «Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека

Автор, ответственный за переписку.
Email: darya.boo@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7029-3406

Науч. сотр. отдела молекулярной биологии и электронной микроскопии ФБУН «Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промышленных предприятий» Роспотребнадзора, 620014, Екатеринбург

e-mail: darya.boo@mail.ru

Россия

Анна Михайловна Амромина

ФБУН «Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека

Email: amrominaam@ymrc.ru
ORCID iD: 0000-0001-8794-7288

Мл. науч. сотр. отдела молекулярной биологии и электронной микроскопии ФБУН «Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промышленных предприятий» Роспотребнадзора, 620014, Екатеринбург

e-mail: amrominaam@ymrc.ru

Россия

Иван Андреевич Берёза

ФБУН «Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека

Email: berezaia@ymrc.ru
ORCID iD: 0000-0002-4109-9268

Науч. сотр. отдела молекулярной биологии и электронной микроскопии ФБУН «Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промышленных предприятий» Роспотребнадзора, 620014, Екатеринбург

e-mail: berezaia@ymrc.ru

Россия

Список литературы

  1. Sakai R., Kondo C., Oka H., Miyajima H., Kubo K., Uehara T. Utilization of CDKN1A/p21 gene for class discrimination of DNA damage-induced clastogenicity. Toxicology. 2014; 315: 8–16. https://doi.org/10.1016/j.tox.2013.10.009
  2. Radhakrishnan S., Gierut J., Gartel A. Multiple alternate p21 transcripts are regulated by p53 in human cells. Oncogene. 2006; 25(12): 1812–5. https://doi.org/10.1038/sj.onc.1209195
  3. Kriwacki R.W., Hengst L., Tennant L., Reed S.I., Wright P.E. Structural studies of p21Waf1/Cip1/Sdi1 in the free and Cdk2-bound state: conformational disorder mediates binding diversity. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1996; 93(21): 11504–9. https://doi.org/10.1073/pnas.93.21.11504
  4. Cazzalini O., Scovassi A.I., Savio M., Stivala L.A., Prosperi E. Multiple roles of the cell cycle inhibitor p21(CDKN1A) in the DNA damage response. Mutat. Res. 2010; 704(1–3): 12–20. https://doi.org/10.1016/j.mrrev.2010.01.009
  5. Abbas T., Dutta A. p21 in cancer: intricate networks and multiple activities. Nat. Rev. Cancer. 2009; 9(6): 400–14. https://doi.org/10.1038/nrc2657
  6. Duensing A., Ghanem L., Steinman R.A., Liu Y., Duensing S. p21(Waf1/Cip1) deficiency stimulates centriole overduplication. Cell Cycle. 2006; 5(24): 2899–902. https://doi.org/10.4161/cc.5.24.3567
  7. Mantel C., Braun S.E., Reid S., Henegariu O., Liu L., Hangoc G., et al. p21(cip-1/waf-1) deficiency causes deformed nuclear architecture, centriole overduplication, polyploidy, and relaxed microtubule damage checkpoints in human hematopoietic cells. Blood. 1999; 93(4): 1390–8.
  8. Kreis N.N., Sanhaji M., Rieger M.A., Louwen F., Yuan J. p21Waf1/ Cip1 deficiency causes multiple mitotic defects in tumor cells. Oncogene. 2013; 33(50): 5716–28. https://doi.org/10.1038/onc.2013.518
  9. Badie C., Dziwura S., Raffy C., Tsigani T., Alsbeih G., Moody J., et al. Aberrant CDKN1A transcriptional response associates with abnormal sensitivity to radiation treatment. Br. J. Cancer. 2008; 98(11): 1845–51. https://doi.org/10.1038/sj.bjc.6604381
  10. Chatterjee D., Bhattacharjee P., Sau T.J., Das J.K., Sarma N., Bandyopadhyay A.K., et al. Arsenic exposure through drinking water leads to senescence and alteration of telomere length in humans: A case-control study in West Bengal, India. Mol. Carcinog. 2014; 54(9): 800–9. https://doi.org/10.1002/mc.22150
  11. Yih L.H., Lee T.C. Arsenite induces p53 accumulation through an ATM-dependent pathway in human fibroblasts. Cancer Res. 2000; 60(22): 6346–52.
  12. Taylor B.F., McNeely S.C., Miller H.L., Lehmann G.M., McCabe M.J., States J.C. p53 suppression of arsenite-induced mitotic catastrophe is mediated by p21CIP1/WAF1. J. Pharmacol. Exp. Ther. 2006; 318(1): 142–51. https://doi.org/10.1124/jpet.106.103077
  13. Vogt B.L., Rossman T.G. Effects of arsenite on p53, p21 and cyclin D expression in normal human fibroblasts – a possible mechanism for arsenite’s comutagenicity. Mutat. Res. 2001; 478(1-2): 159–68. https://doi.org/10.1016/s0027-5107(01)00137-3
  14. Komissarova E.V., Rossman T.G. Arsenite induced poly(ADPribosyl)ation of tumor suppressor P53 in human skin keratinocytes as a possible mechanism for carcinogenesis associated with arsenic exposure. Toxicol. Appl. Pharmacol. 2010; 243(3): 399–404. https://doi.org/10.1016/j.taap.2009.12.014
  15. Katsiki M., Trougakos I.P., Chondrogianni N., Alexopoulos E.C., Makropoulos V., Gonos E.S. Alterations of senescence biomarkers in human cells by exposure to CrVI in vivo and in vitro. Exp. Gerontol. 2004; 39(7): 1079–87. https://doi.org/10.1016/j.exger.2004.03.039
  16. Hill R., Leidal A.M., Madureira P.A., Gillis L.D., Waisman D.M., Chiu A., et al. Chromium-mediated apoptosis: involvement of DNA-dependent protein kinase (DNA-PK) and differential induction of p53 target genes. DNA Repair (Amst.). 2008; 7(9): 1484–99. https://doi.org/10.1016/j.dnarep.2008.05.007
  17. Choi Y.J., Yin H.Q., Suh H.R., Lee Y.J., Park S.R., Lee B.H. Involvement of E2F1 transcriptional activity in cadmium-induced cell-cycle arrest at G1 in human lung fibroblasts. Environ. Mol. Mutagen. 2011; 52(2): 145–52. https://doi.org/10.1002/em.20593
  18. Aimola P., Carmignani M., Volpe A.R., Di Benedetto A., Claudio L., Waalkes M.P., et al. Cadmium induces p53-dependent apoptosis in human prostate epithelial cells. PLoS One. 2012; 7(3): e33647. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0033647
  19. Blagus T., Zager V., Cemazar M., Sersa G., Kamensek U., Zegura B., et al. A cell-based biosensor system HepG2CDKN1A-DsRed for rapid and simple detection of genotoxic agents. Biosens. Bioelectron. 2014; 61: 102–11. https://doi.org/10.1016/j.bios.2014.05.002
  20. Roy R., Singh S.K., Chauhan L.K., Das M., Tripathi A., Dwivedi P.D. Zinc oxide nanoparticles induce apoptosis by enhancement of autophagy via PI3 K/Akt/mTOR inhibition. Toxicol. Lett. 2014; 227(1): 29–40. https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2014.02.024
  21. Satapathy S.R., Mohapatra P., Preet R., Das D., Sarkar B., Choudhuri T., et al. Silver-based nanoparticles induce apoptosis in human colon cancer cells mediated through p53. Nanomedicine (Lond.). 2013; 8(8): 1307–22. https://doi.org/10.2217/nnm.12.176
  22. Tuomela S., Autio R., Buerki-Thurnherr T., Arslan O., Kunzmann A., Andersson-Willman B., et al. Gene expression profiling of immune-competent human cells exposed to engineered zinc oxide or titanium dioxide nanoparticles. PLoS One. 2013; 8(7): e68415. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0068415
  23. Srivastava R.K., Rahman Q., Kashyap M.P., Singh A.K., Jain G., Jahan S., et al. Nano-titanium dioxide induces genotoxicity and apoptosis in human lung cancer cell line, A549. Hum. Exp. Toxicol. 2013; 32(2): 153–66. https://doi.org/10.1177/0960327112462725
  24. Petković J., Zegura B., Stevanović M., Drnovšek N., Uskoković D., Novak S., et al. DNA damage and alterations in expression of DNA damage responsive genes induced by TiO2 nanoparticles in human hepatoma HepG2 cells. Nanotoxicology. 2011; 5(3): 341–53. https://doi.org/10.3109/17435390.2010.507316
  25. Kang S.J., Kim B.M., Lee Y.J., Chung H.W. Titanium dioxide nanoparticles trigger p53-mediated damage response in peripheral blood lymphocytes. Environ. Mol. Mutagen. 2008; 49(5): 399–405. https://doi.org/10.1002/em.20399
  26. Wu J., Sun J. Investigation on mechanism of growth arrest induced by iron oxide nanoparticles in PC12 cells. J. Nanosci. Nanotechnol. 2011; 11(12): 11079–83. https://doi.org/10.1166/jnn.2011.3948
  27. Liao M.Y., Liu H.G. Gene expression profiling of nephrotoxicity from copper nanoparticles in rats after repeated oral administration. Environ. Toxicol. Pharmacol. 2012; 34(1): 67–80. https://doi.org/10.1016/j.etap.2011.05.014
  28. Mendoza M., Mandani G., Momand J. The MDM2 gene family. Biomol. Concepts. 2013; 5(1): 9–19. https://doi.org/10.1515/bmc-2013-0027
  29. Ellinger-Ziegelbauer H., Stuart B., Wahle B., Bomann W., Ahr H.J. Comparison of the expression profiles induced by genotoxic and nongenotoxic carcinogens in rat liver. Mutat. Res. 2005; 575(1–2): 61–84. https://doi.org/10.1016/j.mrfmmm.2005.02.004
  30. Deng H., Ikeda A., Cui H., Bartlett J.D., Suzuki M. MDM2-mediated p21 proteasomal degradation promotes fluoride toxicity in ameloblasts. Cells. 2019; 8(5): 436. https://doi.org/10.3390/cells8050436
  31. Liu H., Deng H., Jian Z., Cui H., Guo H., Fang J., et al. Copper exposure induces hepatic G0/G1 cell-cycle arrest through suppressing the Ras/PI3K/Akt signaling pathway in mice. Ecotoxicol. Environ. Saf. 2021; 222: 112518. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2021.112518
  32. Lee J.Y., Tokumoto M., Fujiwara Y., Hasegawa T., Seko Y., Shimada A., et al. Accumulation of p53 via down-regulation of UBE2D family genes is a critical pathway for cadmium-induced renal toxicity. Sci. Rep. 2016; 6: 21968. https://doi.org/10.1038/srep21968
  33. Alkharashi N.A.O., Periasamy V.S., Athinarayanan J., Alshatwi A.A. Sulforaphane alleviates cadmium-induced toxicity in human mesenchymal stem cells through POR and TNFSF10 genes expression. Biomed. Pharmacother. 2019; 115: 108896. https://doi.org/10.1016/j.biopha.2019.108896
  34. Strauch B.M., Niemand R.K., Winkelbeiner N.L., Hartwig A. Comparison between micro- and nanosized copper oxide and water soluble copper chloride: interrelationship between intracellular copper concentrations, oxidative stress and DNA damage response in human lung cells. Part. Fibre Toxicol. 2017; 14(1): 28. https://doi.org/10.1186/s12989-017-0209-1
  35. Petković J., Zegura B., Stevanović M., Drnovšek N., Uskoković D., Novak S., et al. DNA damage and alterations in expression of DNA damage responsive genes induced by TiO2 nanoparticles in human hepatoma HepG2 cells. Nanotoxicology. 2011; 5(3): 341–53. https://doi.org/10.3109/17435390.2010.507316
  36. Chen F.C., Huang C.M., Yu X.W., Chen Y.Y. Effect of nano zinc oxide on proliferation and toxicity of human gingival cells. Hum. Exp. Toxicol. 2022; 41: 9603271221080236. https://doi.org/10.1177/09603271221080237
  37. Kim M.H., Jeong H.J. Zinc oxide nanoparticles demoted MDM2 expression to suppress TSLP-induced mast cell proliferation. J. Nanosci. Nanotechnol. 2016; 16(3): 2492–8. https://doi.org/10.1166/jnn.2016.10785
  38. Uziel T., Savitsky K., Platzer M., Ziv Y., Helbitz T., Nehls M., et al. Genomic organization of the ATM gene. Genomics. 1996; 33(2): 317–20. https://doi.org/10.1006/geno.1996.0201
  39. Khanna K.K., Jackson S.P. DNA double-strand breaks: signalling, repair and the cancer connection. Nat. Genet. 2001; 27(3): 247–54. https://doi.org/10.1038/85798
  40. Kim S.T., Lim D.S., Canman C.E., Kastan M.B. Substrate specificities and identification of putative substrates of ATM kinase family members. J. Biol. Chem. 1999; 274(53): 37538–43. https://doi.org/10.1074/jbc.274.53.37538
  41. O’Neill T., Dwyer A.J., Ziv Y., Chan D.W., Lees-Miller S.P., Abraham R.H., et al. Utilization of oriented peptide libraries to identify substrate motifs selected by ATM. J. Biol. Chem. 2000; 275(30): 22719–27. https://doi.org/10.1074/jbc.m001002200
  42. Kastan M.B., Lim D.S. The many substrates and functions of ATM. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2000; 1(3): 179–86. https://doi.org/10.1038/35043058
  43. Jin M.H., Oh D.Y. ATM in DNA repair in cancer. Pharmacol. Ther. 2019; 203: 107391. https://doi.org/10.1016/j.pharmthera.2019.07.002
  44. Barlow C., Hirotsune S., Paylor R., Liyanage M., Eckhaus M., Collins F., et al. Atm-deficient mice: a paradigm of ataxia-telangiectasia. Cell. 1996; 86(1): 159–71. https://doi.org/10.1016/s0092-8674(00)80086-0
  45. Xu Y., Ashley T., Brainerd E.E., Bronson R.T., Meyn S.M., Baltimore D. Targeted disruption of ATM leads to growth retardation, chromosomal fragmentation during meiosis, immune defects and thymic lymphoma. Genes Dev. 1996; 10(19): 2411–22. https://doi.org/10.1101/gad.10.19.2411
  46. Taylor A.M., Metcalfe J.A., Thick J., Mak Y.F. Leukemia and lymphoma in ataxia telangiectasia. Blood. 1996; 87(2): 423–38.
  47. Alves M.G.O., Carta C.F.L., de Barros P.P., Issa J.S., Nunes F.D., Almeida J.D. Repair genes expression profile of MLH1, MSH2 and ATM in the normal oral mucosa of chronic smokers. Arch. Oral Biol. 2017; 73: 60–5. https://doi.org/10.1016/j.archoralbio.2016.09.006
  48. Morimoto H., Tsukada J., Kominato Y., Tanaka Y. Reduced expression of human mismatch repair genes in adult T-cell leukemia. Am. J. Hematol. 2005; 78(2): 100–7. https://doi.org/10.1002/ajh.20259
  49. Asare N., Duale N., Slagsvold H.H., Lindeman B., Olsen A.K., Gromadzka-Ostrowska J., et al. Genotoxicity and gene expression modulation of silver and titanium dioxide nanoparticles in mice. Nanotoxicology. 2015; 10(3): 312–21. https://doi.org/10.3109/17435390.2015.1071443
  50. Muenyi C.S., Ljungman M., States J.C. Arsenic disruption of DNA damage responses-potential role in carcinogenesis and chemotherapy. Biomolecules. 2015; 5(4): 2184–93. https://doi.org/10.3390/biom5042184

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Шаихова Д.Р., Амромина А.М., Берёза И.А., 2024


СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 37884 от 02.10.2009.