The Effect of Pharmacological Agents on the Expression of the Genes of the Chaperone GrpE and Co-Chaperone IbpA in Escherichia coli Cells

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

To study the effect of pharmacological agents on the expression of the DnaK chaperone and IbpA co-chaperone genes, two biosensors were used: Escherichia coli MG1655 pGrpE-lux and E. coli MG1655 pIbpA-lux. The luxCDABE operon of the bacterium P. luminescens, substituted for the promoters of the grpE and the ibpA genes correspondingly, serves as a reporter for the expression of these genes. The induction of the expression of the grpE and ibpA genes indicates the ability of the tested compounds to influence protein folding and refolding. 10 of the 12 tested compounds are known pharmacological agents. The fluoroquinoline topoisomerase inhibitors — the antibiotics ciprofloxacin and nalidixic acid, the cytostatics 5-fluorouracil and mitomycin C, as well as the antibacterial agent dioxin — elicited a response in both biosensors, indicating the ability of these substances to influence the structure of both de novo synthesized proteins and proteins functioning in the cell. Rifampicin induced a response only in the pGrpE-lux biosensor, whereas cisplatin and 5-bromo-2-deoxyuridine induced a response only in the pIbpA-lux biosensor. The cytostatic actinomycin D showed high toxicity to bacteria, which did not allow its activity against chaperones to be registered. 6-Thioguanine did not elicit a response from both biosensors. All these compounds have mutagenic/genotoxic activity. The standard genotoxicants/mutagens 4-NQO and NaN3 induced a response in both biosensors.

About the authors

S. V Smirnova

Vavilov Institute of General Genetics of Russian Academic Science

Email: s.v.smirnova.genet@gmail.com
Moscow, Russia

A. G Kurkieva

Vavilov Institute of General Genetics of Russian Academic Science

Moscow, Russia

I. V Manukhov

Moscow Institute of Physics and Technology

Dolgoprudny, Russia

V. V Fomin

Moscow Institute of Physics and Technology

Dolgoprudny, Russia

S. K Abilev

Vavilov Institute of General Genetics of Russian Academic Science

Moscow, Russia

References

  1. Feder M.E., Hofmann G.E. Heat-shock proteins, molecular chaperones, and the stress response: evolutionary and ecological physiology // Annu. Rev. Physiol. 1999. V. 61. P. 243–282. https://doi.org/10.1146/annurev.physiol.61.1.243
  2. Richter K., Haslbeck K., Buchner J. The heat shock response: Life on the verge of death // Mol. Cell. 2010. V. 40. P. 253–266. https://doi.org/10.1016/j.molcel.2010.10.006
  3. Mayer M.P. Gymnastics of molecular chaperones // Mol. Cell. 2010. V. 39. P. 321–331. https://doi.org/10.1016/j.molcel.2010.07.012
  4. Kampinga H.H., Hageman J., Vos M.J. et al. Guidelines for the nomenclature of the human heat shock proteins // Cell Stress Chaperones. 2009. V. 14. P. 105–111. https://doi.org/10.1007/s12192-008-0068-7
  5. Hartl F.U., Bracher A., Hayer-Hartl M. Molecular chaperones in protein folding and proteostasis // Nature. 2011. V. 475. P. 324–332. https://doi.org/10.1038/nature10317
  6. Евгеньев М.Б., Гарбуз Д.Г., Зацепина О.Г. Белки теплового шока: функции и роль в адаптации к гипертермии // Онтогенез. 2005. Т. 36. С. 265–273.
  7. Белан Д.В., Екимова И.В. Белки теплового шока при конформационных болезнях мозга // Рос. физиол. журнал им. И.М. Сеченова. 2019. Т. 105. С. 1465–1485.
  8. Rosenzweig R., Nillegoda N.B., Mayer M.P., Bukau B. The Hsp70 chaperone network // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2019. V. 20. P. 665–680. https://doi.org/10.1038/s41580-019-0133-3
  9. Gong W.J., Golic K.G. Loss of Hsp70 in Drosophila is pleiotropic, with effects on thermotolerance, recovery from heat shock and neurodegeneration // Genetics. 2006. V. 172. P. 275–286. https://doi.org/10.1534/genetics.105.048793
  10. Zatsepina O.G., Przhiboro A.A., Yushenova I.A. et al. A Drosophila heat shock response represents an exception rather than a rule among Diptera species // Insect. Mol. Biol. 2016. V. 25. P. 431–449. https://doi.org/10.1111/imb.12235
  11. Asea A., Rehli M., Kabingu E. et al. Novel signal transduction pathway utilized by extracellular HSP70: role of toll-like receptor (TLR) 2 and TLR4 // J. Biol. Chem. 2002. V. 277. P. 15028-15034. https://doi.org/10.1074/jbc.M200497200
  12. Calderwood S.K., Mambula S.S., Gray P.J. Jr., Theriault J. Rextracellular heat shock proteins in cell signaling // FEBS Lett. 2007. V. 581. P. 3689–3694. https://doi.org/10.1016/j.febslet.2007.04.044
  13. Ghosh A.K., Sinha D., Mukherjee S. et al. LPS stimulates and Hsp70 down-regulates TLR4 to orchestrate differential cytokine response of culture-differentiated innate memory CD8+ T cells // Cytokine. 2015. V. 73. P. 44-52. https://doi.org/10.1016/j.cyto.2015.01.018
  14. Kakimura J., Kitamura Y., Takata K. et al. Microglial activation and amyloid-beta clearance induced by exogenous heat-shock proteins // FASEB J. 2002. V. 16. P. 601–603. https://doi.org/10.1096/fj.01-0530fje
  15. Guzhova I., Kislyakova K., Moskaliova O. et al. In vitro studies show that Hsp70 can be released by glia and that exogenous Hsp70 can enhance neuronal stresstolerance // Brain Res. 2001. V. 914. P. 66–73. https://doi.org/10.1016/s0006-8993(01)02774-3
  16. Bobkova N.V., Garbuz D.G., Nesterova I.M. et al. Therapeutic effect of exogenous Hsp70 in mouse models of Alzheimer’s Disease // J. Alzheimers Dis. 2014. V. 38. P. 425–435. https://doi.org/10.3233/JAD-130779
  17. Evgen’ev M.B., Krasnov G.S., Nesterova I.V. et al. Molecular mechanisms underlying neuroprotective effect of intranasal administration of human Hsp70 in mouse model of Alzheimer’s Disease // J. Alzheimers Dis. 2017. V. 59. P. 415–426. https://doi.org/10.3233/JAD-170398
  18. De Mena L., Chhangani D., Fernandez-Funez P., Rincon-Limas D.E. Sec Hsp70 as a tool to approach amyloid-β42 and other extracellular amyloids // Fly. 2017. V. 11. P. 179–184. https://doi.org/10.1080/19336934.2017.1291104
  19. Hervás R., Oroz J. Mechanistic insights into the role of molecular chaperones in protein misfolding diseases: From molecular recognition to amyloid disassembly // Int. J. Mol. Sci. 2020. V. 21. https://doi.org/10.3390/ijms21239186
  20. Zhao K., Zhou G., Liu Y. et al. HSP70 family in cancer: Signaling mechanisms and therapeutic advances // Biomolecules. 2023. V. 13. P. 601. https://doi.org/10.3390/biom13040601
  21. Nadin S.B., Vargas-Roig L.M., Drago G. et al. Hsp27, Hsp70 and mismatch repair proteins hMLH1 and hMSH2 expression in peripheral blood lymphocytes from healthy subjects and cancer patients // Cancer Lett. 2007. V. 252. P. 131–146. https://doi.org/10.1016/j.canlet.2006.12.028
  22. Dubrez L., Causs S., Bonan N.B. et al. Heat-shock proteins: chaperoning DNA repair // Oncogene. 2020. V. 39. P. 516–529. https://doi.org/10.1038/s41388-019-1016-y
  23. Tran P.L., Kim S.A., Choi H.S. et al. Epigallocatechin-3-gallate suppresses the expression of HSP70 and HSP90 and exhibits anti-tumor activity in vitro and in vivo // BMC Cancer. 2010. V. 10. P. 276. https://doi.org/10. 1186/1471-2407-10-276
  24. Park S.H., Baek K.H., Shin I., Shin I. Subcellular Hsp70 inhibitors promote cancer cell death via different mechanisms // Cell. Chem. Biol. 2008. V. 25. P. 1242–1254. https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2018.06.010
  25. Du S., Liu Y., Yuan Y. et al. Advances in the study of HSP70 inhibitors to enhance the sensitivity of tumor cells to radiotherapy // Front. Cell Dev. Biol. 2002. V. 10. https://doi.org/10.3389/fcell.2022.942828
  26. Van Dyk T.K., Rosson R.A. Photorhabdus luminescens luxCDABE promoter probe vectors // Methods Mol Biol. 1998. V. 102. P. 85–95. https://doi.org/10.1385/0-89603-520-4:85
  27. Мелькина О.Е., Котова В.Ю., Манухов И.В., Завильгельский Г.Б. Влияние шаперонов IbpAB и Clpa на DnaKJE-зависимый рефолдинг бактериальных люцифераз в клетках Escherichia coli // Мол. биология. 2011. Т. 45. С. 524–528.
  28. Завильгельский Г.Б., Котова В.Ю., Манухов И.В. Сенсорные биолюминесцентные системы на основе lux-оперонов для детекции токсичных веществ // Хим. физика. 2012. Т. 31. № 10. С. 15–20.
  29. Collins J.A., Osheroff N. Gyrase and topoisomerase iv: Recycling old targets for new antibacterials to combat fluoroquinolone resistance // ACS Infect. Dis. 2024. V. 10. P. 1097−1115. https://doi.org/10.1021/acsinfecdis.4c00128
  30. Badawy S., Yang Y., Liu Y. et al. Toxicity induced by ciprofloxacin and enrofloxacin: oxidative stress and metabolism // Crit. Rev. Toxicol. 2021. V. 51. P. 754–787. https://doi.org/10.1080/10408444.2021.2024496
  31. Adams R.A., Leon G., Miller N.M. et al. Rifamycin antibiotics and the mechanisms of their failure // J. Antibiotic. 2021. V. 74. P. 786–798. https://doi.org/10.1038/s41429-021-00462-x
  32. Дурнев А.Д., Дубовская О.Ю., Нигарова Э.А. и др. Роль свободных радикалов кислорода в механизме мутагенного действия диоксидина // Хим.-фарм. журн. 1989. Т. 23. № 11. С. 1289–1294.
  33. Anirudha G., Khynriam D., Prasad S.B. Vitamin C mediated protection on cisplatin induced mutagenicity in mice // Mutat. Res. 1998. V. 42. P. 139–148. https://doi.org/10.1016/s0027-5107(98)00158-4
  34. Zhang N., Yin Y., Xu S.-J., Chen W.-S. 5-Fluorouracil: Mechanisms of resistance and reversal strategies // Molecules. 2008. V. 3. № 8. P. 1551–1569. https://doi.org/10.3390/molecules13081551
  35. Munshi P.N., Lubin M., Bertino J.R. 6-Thioguanine: A drug with unrealized potential for cancer therapy // Oncologist. 2014. V. 13. P. 760–765. https://doi.org/0.1634/theoncologist.2014-0178
  36. Djordjevic B., Szybalski W. Genetics of human cell lines: III. Incorporation of 5-bromo- and 5-iododeoxyuridine into the deoxyribonucleic acid of human cells and its effect on radiation sensitivity // Exp Med. 1960. V. 112. P. 509–531.
  37. Paz M.M., Zhang H., Lu J., Holmgren A. A new mechanism of action for the anticancer drug mitomycin c: mechanism-based inhibition of thioredoxin reductase // Chem. Res. Toxicol. 2012. V. 25. P. 1502–1511. https://doi.org/10.1021/tx3002065
  38. Lu D.-F., Wang Y.-S., Li C. et al. Actinomycin D inhibits cell proliferations and promotes apoptosis in osteosarcoma cells // Int. J. Clin. Exp. Med. 2015. V. 8. № 2. P. 1904–1911.
  39. Bailleul B., Daubersies P., Galiègue-Zouitina S., Loucheux-Lefebvre M.H. Molecular basis of 4-nitroquinoline 1-oxide carcinogenesis // Jpn. J. Cancer Res. 1989. V. 80. P. 691–697.
  40. Maron D.M., Ames B.N. Revised methods for Salmonella mutagenicity test // Mutat. Res. 1983. V. 113. P. 173–215. https://doi.org/10.1016/0165-1161(83)90010-9
  41. Попов Д.А., Анучина Н.М., Терентьев А.А. и др. Диоксидин: антимикробная активность и перспективы клинического применения на современном этапе // Антибиотики и химиотерапия. 2013. № 3–4.
  42. Overbeck T.L., Knight J.M., Beck D.J. A comparison of the genotoxic effects of carboplatin and cisplatin in Escherichia coli // Mutat. Res. 1996. V. 362. P. 249–259. https://doi.org/10.1016/0921-8777(95)00056-9
  43. Verwei J., Pinedo H.M. Mitomycin C: mechanism of action, usefulness and limitations // Anticancer Drugs. 1990. V. 1. № 1. P. 5–13.
  44. Ros H.H., Caldeira M., Reynolds B.A. et al. Bromodeoxyuridine inhibits cancer cell proliferation in vitro and in vivo // Neoplasia. 2008. V. 10. P. 804–816. https://doi.org/10.1593/neo.08382
  45. Chang S., Lamm S.H. Human health effects of sodium azide exposure: A literature review and analysis // Int. J. Toxicol. 2003. V. 22. P. 175–186. https://doi.org/10.1080/10915810305109
  46. Nealson K.H., Platt T., Hastings J.W. Cellular control of the synthesis and activity of the bacterial luminescent system // J. Bacteriol. 1970. V. 104. P. 313–322. https://doi.org/10.1128/jb.104.1.313-322.1970
  47. Daunert S., Barett G., Feliciano J.S. et al. Genetically engineered whole cell sensing systems: coupling biological recognition with reporter genes // Chem. Rev. 2000. V. 100. P. 2705–2738. https://doi.org/10.1021/cr990115p
  48. Fomin V.V., Bazhenov S.V., Kononchuk O.V., et al. Photorhabdus lux-operon heat shock-like regulation // Heliyon. 2023. V. 9. e14527. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e14527
  49. Bazhenov S.V., Novoyatlova U.S., Scheglova E.S. et al. Bacterial lux-biosensors: constructing, applications, and prospects // Biosensors and Bioelectronics. 2023. V. 13. https://doi.org/10.1016/j.biosx.2023.100323
  50. Abilev S.K., Igonina E.V., Sviridova D.A., Smirnova S.V. Bacterial lux biosensors in genotoxicological studies // Biosensors. 2023. V. 13. № 511. https://doi.org/10.3390/bios13050511
  51. Zhu Y., Elcin E., Jiang M. et al. Use of whole-cell bioreporters to assess bioavailability of contaminants in aquatic systems // Front. Chem. 2022. V. 10. https://doi.org/10.3389/fchem.2022.1018124.
  52. Kotova V.Y., Manukhov I.V., Zavilgelskii G.B. Lux-biosensors for detection of SOS-response, heat shock, and oxidative stress // Appl. Biochem. Microbiol. 2010. V. 46. P. 781–788.
  53. Дурнев А.Д., Жанатаев А.К., Еремина Н.И. Глава 1 // Генетическая токсикология. М.: Миттель-Пресс, 2022. C. 18–36.
  54. Chatterjee N., Walker G.C. Mechanisms of DNA damage, repair and mutagenesis // Environ Mol. Mutagen. 2017. V. 58. P. 235–263. https://doi.org/10.1002/em.22087
  55. Liebler D.C. Protein damage by reactive electrophiles: targets and consequences // Chem. Res. Toxicol. 2008. V. 21. P. 117–128. https://doi.org/10.1021/tx700235t
  56. LoPachin R.M., Gavin T. Reactions of electrophiles with nucleophilic thiolate sites: Relevance to pathophysiological mechanisms and remediation // Free Radic Res. 2016. V. 50. P. 195–205. https://doi.org/10.3109/10715762.2015.1094184
  57. Свиридова Д.А., Мачигов Э.А., Игонина Е.В. и др. Изучение механизма генотоксичности диоксидина с помощью lux-биосенсоров Esсherichia coli // Радиац. биология. Радиоэкология. 2020. Т. 60. № 6. С. 595–603. https://doi.org/10.31857/S0869803120060223

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».