авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Действие дельта-эндотоксина bacillus thuringiensis на перевиваемые культуры клеток

На правах рукописи

КАМЕНЕК ДМИТРИЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ ДЕЙСТВИЕ ДЕЛЬТА-ЭНДОТОКСИНА BACILLUS THURINGIENSIS НА ПЕРЕВИВАЕМЫЕ КУЛЬТУРЫ КЛЕТОК Специальность 03.00.07 – микробиология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Казань, 2009

Работа выполнена на кафедре общей и биологической химии Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Ульяновский государственный университет

Научный консультант: доктор биологических наук, профессор, член-корр. АН Татарстана Ильинская Ольга Николаевна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Алимова Фарида Кашифовна (зав.кафедрой биохимии Казанского государственного университета им. В.И.

Ульянова - Ленина,г. Казань).

доктор биологических наук, профессор Васильев Дмитрий Аркадьевич (зав.кафедрой микробиологии, вирусологии, эпизоотологии, ветеринарно санитарной экспертизы Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии)

Ведущая организация: ФГОУ ВПО Cаратовский государственный университет им.

Н.Г.Чернышевского

Защита диссертации состоится «_» 2009 года в часов на заседании диссертационного совета Д 212.081.08 при ГОУ Казанский государственный университет имени В.И. Ульянова-Ленина, по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлёвская, 18, аудитория 211.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. Н.И.

Лобачевского Казанского государственного университета им. В.И. Ульянова

Автореферат разослан «_» 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук, профессор З.И. Абрамова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Bacillus thuringiensis является широко распространенной в природе кристаллофорной спорообразующей бактерией.

Известны ее энтомопатогенные свойства и промышленные препараты на основе бактерии являются наиболее важными средствами биологического контроля численности насекомых во многих странах.

Известно, что основным действующим началом B. thuringiensis, ответственным за комплекс патологических проявлений в организме чувствительного насекомого, является дельта – эндотоксин, продуцируемый ею. Показана также антимикробная активность дельта-эндотоксинов B.thuringiensis для различных бактерий и микроскопических грибов (Юдина и Бурцева, 1997;

Климентова, 2001;

Тюльпинева, 2003;

Каменек и соавт., 2005). Отмечали кроме того селективное ингибирующее действие белков кристаллов subsp. thuringiensis на развитие опухолевых клеток млекопитающих, в том числе человека (Prasad & Shethna, 1976;

Ito et al., 2004). Эндотоксины предпочтительно убивали раковые клетки HeP, не оказывая влияния на развитие нормальных клеток. Все это дает основание предположить, что B. thuringiensis и её кристаллический дельта-эндотоксин являются важным универсальным высокоизбирательным природным регулятором численности самых различных организмов.

Создание и применение средств на основе дельта-эндотоксина позволило бы не только обеспечить максимальную эффективность и экологическую безвредность мероприятий по защите растений от вредных насекомых и фитопатогенных микроорганизмов, но и, возможно, решить целый ряд медицинских и ветеринарных проблем. Прежде всего, разработать препаративные формы, обладающие антимикробной и противораковой активностью и не токсичные для нормальных клеток. Их разработке должны предшествовать исследования, выполненные на культурах клеток.

В мировой литературе накоплен обширный материал, описывающий строение, состав, физико-химические свойства кристаллов. Установлено, что дельта-эндотоксины способны связываться с чувствительными рецепторами на цитоплазматических мембранах клеток кишечного эпителия, а затем проникать в них, формируя каналы-поры (Hodgman & Ellar, 1990;

Smith & Ellar, 1994). Изучены особенности механизма действия на насекомых, включая клеточные культуры. Отмечается нарушение транспорта ионов, активирование АТPаз, снижение синтеза АТФ на фоне усиления потребления кислорода, разобщение процессов окислительного фосфорилирования и дыхания (Heimpel, 1977;

Faust, 1984;

Aronson et al., 1986;

Gill et al., 1992;

Himeno et al., 1985;

Каменек, 1998). Проведены также исследования влияния на млекопитающих кристаллов белкового дельта-эндотоксина, которые подтвердили, что эти белки и продукты их расщепления не токсичны и не аллергенны для теплокровных организмов (Киль и Надыкта, 2002).

Вышесказанное позволило определить цель и задачи исследования.

Цель настоящего исследования – охарактеризовать по морфологическим и биохимическим параметрам этапы действия дельта эндотоксина Bacillus thuringiensis subsp. sotto и выявить особенности механизма его действия на клетки перевиваемых линий HeLa, B16 и L1210.

Основные задачи

исследования:

1. Выявить общее цитопатическое действие дельта-эндотоксина и охарактеризовать силу его эффекта по отношению к клеткам перевиваемых линий HeLa, B16 и L1210.

2. Определить влияние дельта-эндотоксина на ионный гомеостаз клеточных линий, установив факт нарушения транспорта основных неорганических ионов (K+, Na+, Ca2+ и Mg2) вследствие изменения активности основного ионного транспортера - K+, Na+- АТФазы.

3. Установить возможность действия дельта-эндотоксина как агента, разобщающего дыхание и фосфорилирование в клетках перевиваемых культур 4. Проанализировать влияние дельта-эндотоксина на процесс гликолиза в клетках HeLa согласно показателям активности основных ферментов гликолиза – 3-фосфоглицерат дегидрогеназы и лактат дегидрогеназы.

5. Охарактеризовать ранние и поздние этапы действия дельта эндотоксина Bacillus thuringiensis subsp. sotto Научная новизна результатов исследований. Впервые проведено изучение влияния дельта-эндотоксина B. thuringiensis на клетки перевиваемых культур (HeLa, L1210, B16). Показано, что изученные культуры отличаются по чувствительности к токсину. Установлена прямо пропорциональная зависимость их чувствительности от времени контакта с токсином и его концентрации.

Показано, что действие дельта-эндотоксина на культуры раковых клеток, аналогично таковому для клеток кишечника и культур насекомых.

Установлено нарушение работы ион транспортирующей Mg2+-зависимой АТФазной системы, результатом которого является пассивный нерегулируемый приток ионов натрия и воды в клетку и, как следствие, вакуолизация мембранных структур. Показана первичность активирования фермента (в течение первых 10 мин) по отношению к изменению концентраций ионов, которое начиналось только через 10-15 мин.

Установлено, усиление клеточного дыхания в течение первых 10 минут воздействия дельта-эндотоксина на фоне резкого снижения синтеза АТР, которое, вероятно, связано с разобщением окислительного фосфорилирования и дыхания, приводящего к деэнергизации митохондрий и клеток в целом.

Установлено начальное усиление гликолиэа, очевидно связанное с необходимостью компенсации снижения синтеза АТР в ходе окислительного фосфорилирования, за счет аэробной, а при дальнейшей деэнергизации клетки, и снижении потребления кислорода анаэробной стадии гликолиза.

Это подтверждает динамика изменения активности 3-фосфорглицерат дегидрогеназы и лактат дегидрогеназы, ферментов катализирующих из ключевых стадий гликолитического процесса.

Установлено, что нарушение транспортных функций клеточных мембран и, вслед за этим, их целостности вызывает выход лактатдегидрогеназы во внеклеточную жидкость и значительное повышение содержания лактата в ней.

Практическая значимость работы. Полученные результаты могут быть использованы при разработке препаративных форм для лечения различных форм онкологических заболеваний человека и домашних животных, а так же при оценке безопасности применения эндотоксинсодержащих пестицидов. Полученные результаты могут быть использованы в учебном процессе как вносящие вклад в представления о механизмах действия бактериальных токсинов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Цитопатический эффект дельта-эндотоксина B. thuringiensis subsp.

sottо связан с изменением структуры клеток (нарастающая вакуолизация с последующим разрушением), пропорционален его концентрации и времени контакта с клетками перевиваемых культур. Эффективность действия токсина различается по силе для разных клеточных линий: чувствительность клеток HeLa значительно выше, чем клеток B16 и L1210.

2. Действие дельта-эндотоксина характеризуется нарушением транспорта ионов K+, Na+, Ca2+ и Mg2+ через цитоплазматическую мембрану клеток, которому предшествует значительная (до 6,8 раз) активация Mg2+ зависимой K+, Na+- АТФазы.

3. Дельта-эндотоксин угнетает синтез АТФ на фоне активации дыхания, действуя на культуры клеток аналогично разобщителям процессов окислительного фосфорилирования и дыхания.

4. Проявлением действия дельта-эндотоксина является интенсификация гликолиза в клетках HeLa на начальном этапе и активация 3-фосфоглицерат дегидрогеназы с последующим ее угнетением, сменяемым активацией характерного для анаэробного режима гликолиза фермента – лактат дегидрогеназы.

5. Разрушению клеток под действием дельта-эндотоксина предшествует, деэнергизация митохондрий, снижение потребления кислорода, активациея анаэробного пути гликолиза, нарушение целостности мембран и выход лактат дегидрогеназы во внеклеточную среду.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на симпозиуме с международным участием «Актуальные проблемы адаптации к природным и экосоциальным условиям среды» (Ульяновск, 2002), XIII Международной научной конференции «Ферменты микроорганизмов: структура, функции, применение» (Казань, 2005);

Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам «Биология – наука XXI века» (Пущино, 2004 - 2006);

Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов (Москва, МГУ, 2007);

Регионального научного семинара Министерства образования РФ « Геоэкологические проблемы Среднего Поволжья» (Ульяновск, 2008), Международной научно-практической конференции «Постгеномная эра в биологии и проблемы биотехнологии» (Казань, 2008), межкафедральных семинарах экологического факультета Института медицины, экологии и физической культуры Ульяновского госуниверситета (2003 – 2008).

Публикации результатов исследований. Основные положения опубликованы в 14 работах.

Объем диссертационной работы. Диссертационная работа изложена на 131 странице компьютерного набора, включает 12 таблиц и 12 рисунков.

Диссертация состоит из введения, 3 глав, включающих обзор литературы, материалов и методов исследований результаты исследований и их обсуждение с учетом существующих в литературе данных, заключения, выводов и списка литературы. Список цитируемой литературы содержит источников, в том числе 91 на русском языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ В соответствии с поставленной задачей нами были изучено действие дельта-эндотоксинов различных штаммов B. thuringiensis subsp. galleriae, alesti, kurstaki, thuringiensis, sotto, dendrolimus, (Cry IA класса), на клетки HeLa, L1210, B16 и SCLd-135.

Кристаллы растворяли 0,04 М NaOH, затем рН снижали до 7, осторожным титрованием 0,1 М HCl. Кристаллы предварительно отделяли от спор в двухфазной системе: хлороформ – водный раствор Na2SO4 (Cooksey, 1968). Разделение полипептидов проводили методом хроматографии на колонке Sephadex-G-200 размером 2,5410 см. Уровень белка определяли по методике. Для дальнейшей работы собирали фракции с Мr выше 60000 Д.

Очистку дельта-эндотоксинов завершали микрофильтрацией через бактериальные фильтры, которая являлась одновременно и стерилизацией.

Для световой микроскопии препараты фиксировали в фиксаторе Карнуа и окрашивали кристаллическим фиолетовым (Пирс, 1962).

Содержание неорганического фосфата определяли по методу Самнера (1989).

Концентрацию ионов измеряли с помощью атомно-адсорбционного спектрофотометра марки С-115. Поглощение кислорода изучали микроманометрическим методом (Travers et al., 1976).

Активность ферментов определяли спектрофотометрически после экстракции 0,1 М фосфатным буфером, рН 7,3 (лактат дегидрогеназа) или 0,1М карбонатным буфером, рН 9,8 (3-фосфоглицерат дегидрогеназа) при 4°C в течение 30 мин (Клунова и Банников, 1980). Активность Mg2+ зависимой АТФазы устанавливали по выделению неорганического фосфата (Фн) из АТФ в результате реакции ферментативного гидролиза (Писарева, 1968).

Достоверность всех полученных результатов оценивали методами математической статистики с помощью электронных таблиц Microsoft Excel.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 2.1. Цитопатическая активность дельта-эндотоксина Bacillus thuringiensis Согласно данным литературы, оптимальными концентрациями, позволяющими выявить различия в действии токсина, являются 5-15 мкг/мл.

Нами была выбрана минимальная из указанных концентрация, заведомо не приводящая к полному разрушению клеток. Инкубацию в присутствие токсина осуществляли в течение 60 мин.

Как показали результаты, растворы дельта-эндотоксинов B.

thuringiensis subsp. galleriae, alesti, kurstaki, thuringiensis, sotto, dendrolimus в концентрации 5 мкг/мл оказывают воздействие на клетки HeLa, L1210, B16 и SCLd-135. При этом существенных различий в способности токсинов различного происхождения разрушать клетки не было отмечено. В результате для дальнейших исследований была выбрана культура, обладающая максимальной продукцией дельта-эндотоксина.

Количественный анализ способности штаммов продуцировать дельта эндотоксин показал, что в наибольшей степени она выражена у штаммов sotto 617 (129,7 мг/г сухой массы культуры).

Количество разрушенных клеток, % dendrolimus alesti 204 galleriae 69- sotto 617 kurstaki Z-52 thompsoni 502 (IV1) (III1) 6 (V1) (IV2) (III2) (XII) Штаммы Bacillus thuringiensis В 16 L 1210 He La LCLd- Рис. 1. Цитопатическое действие различных концентраций дельта-эндотоксинов B.

thuringiensis subsp. sotto Сравнение цитопатической активности дельта-эндотоксина на изучаемые культуры показало, что наблюдается выраженная зависимость ее от концентрации токсина (рис. 1). Концентрация 20 мкг/мл не оказывала действия на клетки меланомы мышей – В 16 и лимфоидной лейкемии кроликов – L 1210 и приводила к разрушению 17 – 20% клеток рака шейки матки человека – НеLa и клетки кишечного эпителия непарного шелкопряда - SCLd-135.

Концентрация 100 мкг/мл вызывала разрушение несколько более половины клеток В16 и L1210 (57 и 69%, соответственно) и большей части клеток НеLa и SCLd-135 (90 – 95%, соответственно) Полное разрушение клеток первых двух культур наблюдали только в случае действия 200 мкг/мл токсина.

Полученные данные показывают не только выраженную зависимость цитопатического эффекта от концентрации дельта-эндотоксина, но и существенные различия в чувствительности изучаемых культур к нему.

На рисунках 2 и 3 представлены результаты изучения влияния продолжительности времени инкубации на цитопатическое действие дельта эндотоксина в двух концентрациях: 50 и 100 мкг/мл. При действии эндотоксина в концентрации 50 мкг/мл (рис. 2) разрушение клеток L начиналось через 10 мин (3,2%) и через 120 мин достигало максимальной величины в 64,6%. В случае В16 разрушение 12,5% отмечено через 15 мин.

Для НеLa и SCLd-135 отмечен значительный цитопатический эффект уже после 5 мин инкубации с токсином (17,0 и 18,1%, соответственно). Через мин оказались разрушенными 86,6 и 84,0% клеток, соответственно.

Количество разрушенных клеток, % 5 10 15 30 60 90 Время инкубации, мин L 1210 B 16 SCLd-135 HeLa Рис. 2. Влияние времени инкубации на цитопатическое действие дельта эндотоксина B. thuringiensis subsp. sotto (концентрация 50 мкг/мл) Действие дельта-эндотоксина в концентрации 100 мкг/мл приводило к более значительному цитолитическому действию (рис. 3). Уже в первые мин во всех изученных образцах отмечено наличие разрушенных клеток, достигавшее 8,6% для L 1210;

5,0 для В 16;

27, 5 для SCLd-135 и 27,1 для НеLa. Через 30 мин количество лизированных клеток составило 57,0;

69,1;

90,9 и 94,9%, соответственно. Через 60 мин клетки SCLd-135 и НеLa оказались полностью разрушены, и случае В16 аналогичный эффект наблюдали только через 120 мин. Для клеток L 1210 через 120 мин инкубации отмечено 91,2% разрушенных клеток.

Количество разрушенных клеток, % 20 40 80 100 150 Концентрация эндотоксина, мкг/мл L 1210 B 16 SCLd-135 HeLa Рис. 3. Влияние времени инкубации на цитопатическое действие дельта эндотоксина B. thuringiensis subsp. sotto (концентрация, 100 мкг/мл) Таким образом, полученные результаты указывают на способность дельта-эндотоксинов B. thuringiensis subsp. sotto, штамм 617 оказывать цитолитическое действие на клетки исследованных культур. При этом отмечена выраженная прямо пропорциональная зависимость оказываемого эффекта от концентрации дельта-эндотоксина. Цитотоксическое действие было тем более значительным, чем продолжительнее была инкубация.

Следует отметить, что изученные культуры различаются по степени чувствительности к данному токсину: для SCLd-135 и НеLa ее можно характеризовать как высокую, тогда как для L 1210;

и В16 – среднюю. Для сравнения была использована культура клеток кишечного эпителия непарного шелкопряда – SCLd-135, высокая чувствительность которой к токсину subsp. galleriae была отмечена ранее (Каменек, 1989).

2.2. Микроскопическое изучение действия дельта-эндотоксина на клеточные культуры В ходе исследования, проведенного на клетках культуры НеLa, было установлено, что первые изменения клеток по сравнению с нормой наблюдались уже через одну минуту после начала инкубации с раствором дельта-эндотоксина (рис. 4.2). Клетки начинали вакуолизироваться через этот промежуток времени, при чем степень вакуолизации возрастала с увеличением продолжительности инкубации и была пропорциональна концентрации дельта-эндотоксина. Так, если при использовании концентрации 100 мкг/мл через 1 мин было вакуолизировано до 90% всех клеток и появились первые разрушенные, то при 50 мкг/мл до 50%.

Рис. 4. Действие дельта-эндотоксина на культуру клеток HeLa: 1 – нормальные клетки (контроль), 2 – вакуолизация через 1 мин инкубации (100 мкг/мл), 3 – вакуолизация и признаки разрушения клеток через 15 мин, 4 – разрушение клеток (через 30 мин инкубации при концентрации 100мкг/мл или через 2 ч – 50 мкг/мл), световая микроскопия, увеличение в 400 раз.

Через 15 мин во всех сериях опытов вакуолизация достигала 100 %, и размеры клеток значительно увеличились (рис. 4.3). В это же время нарастают признаки разрушения клеток. Через 30 мин инкубации с токсином в концентрации 100 мкг/мл не обнаруживается ни одной целой клетки (рис.

4.4).

На представленных микрографиях видно, что кроме появления большого числа вакуолей, наблюдаются и такие признаки нарушения структуры клеток, как истончение клеточной мембраны и зернистость ядер.

В контроле, где клетки инкубировались в том же растворе, что и в опытах, только в отсутствие дельта-эндотоксина, каких-либо изменений в структуре клеток обнаружено не было (рис. 4.1).

Столь значительная вакуолизация клеток вероятнее всего является следствием нарушения активного транспорта ионов и, прежде всего, натрия, концентрация которого в норме во внутриклеточной среде должна быть ниже, чем во внеклеточной.

2.3. Действие дельта-эндотоксина на содержание ионов в клетках Для получения более полной картины действия дельта-эндотоксина было проведено изучение концентраций ионов в различные моменты времени. Данные, представленные на рисунках 4 и 5, показывают, что, начиная с 15 минут после добавления токсина, значительно изменялась концентрация всех определяемых ионов в клетках HeLa. Наибольшие отклонения от нормы наблюдали в концентрации ионов Na+, причем степень повышения уровня зависела от количества токсина.

Концентрация ионов, мкмоль х 10^5 клеток исходная 5 10 15 30 60 Время после обработки, мин K+ Na+ Ca2+ Mg2+ Рис. 4. Влияние дельта-эндотоксина (50 мкг/мл) на концентрацию ионов в клетках HeLa Максимальное увеличение составляло 203% через 30 мин для мкг/мл токсина и 182% через 1 ч для 50 мкг/мл. Существенно снижалась концентрация ионов K+, достигая 61% от исходного значения через 30 мин для 100 мкг/мл и 60% через 1 ч для 50 мкг/мл.

Для Mg2+ отмечено снижение до 78% через 30 мин для 100 мкг/мл и 71% через 1 ч для 50 мкг/мл, соответственно. Концентрация ионов Ca2+, наоборот, повышалась через тот же период времени до 130 и 136%, соответственно.

Изменение концентраций ионов, хотя и менее значительное, отмечено и в случае менее чувствительных к дельта-эндотоксину культур и Максимальное увеличение концентрации ионов Na+ при использовании мкг/мл токсина составляло через 1 час 179% для L1210 и 167% для В16.

Существенно снижалась концентрация ионов K+, достигая 76 и 72%, соответственно, от исходного значения через 30 мин. Для Mg2+ отмечено снижение до 78 и 83% через 30 мин. Концентрация ионов Ca2+, наоборот, повышалась через тот же период времени до 130% в обоих случаях.

Поддержание постоянства концентраций ионов Ca2+ и Mg2+ чрезвычайно важно из-за высокой их биологической активности. Ca2+ в основном находится в органеллах – митохондриях, эндоплазматическом ретикулуме, кальцисомах, а не в цитозоле.

Концентрация ионов, мкмоль х 10^5 исходная 5 10 15 Время после обработки, мин K+ Na+ Ca2+ Mg2+ Рис. 5. Влияние дельта-эндотоксина (100 мкг/мл) на концентрацию ионов в клетках культуры HeLa Полученные результаты согласуются с ранее приведенными по вакуолизации клеток. В период (от 15 мин и далее) происходит нарастание вакуолизации, связанной с нарушением транспорта ионов через цитоплазматическую мембрану, и в первую очередь это относится к ионам Na+, транспорт которого неразрывно связан с транспортом воды.

Результаты, представленные на рисунке 6, показывают значительное активирование K+, Na+-АТРазы культур клеток L1210 и HeLa. Активирование начиналось уже через 1 мин после добавления токсина и составляло 47 и 59%, соответственно. Максимальных значений активность фермента достигала через 15 мин и составляла 638 и 213%, соответственно.

0, Активность, мкг Фн· мг-1 белка · ч- 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, исходная 1 5 10 15 30 60 Время после обработки, мин L1210 HeLa Рис. 6. Влияние дельта-эндотоксина B. thuringiensis (50 мкг/мл) на Mg2+ зависимую K+, Na+-АТФазу культур клеток Изменение активности данного фермента наблюдается как при нарушении целостности мембраны, так и при действии веществ, разобщающих процессы дыхания и окислительного фосфорилирования.

Поскольку активность фермента характеризует его способность гидролизовать субстрат (АТФ), и известно, что эта способность резко повышается как в условиях разобщения окислительного фосфорилирования и дыхания, так и при нарушении целостности мембраны, активирование данной ферментной системы фактически отражает степень деэнергизации клетки. Торможение транспортной функции приводит к накоплению промежуточных продуктов реакции: АДФ и Фн, что и регистрируется в наших экспериментах, как усиление гидролитической активности АТФазы.

Было показано, что способность гидролизовать АТФ не является свойством самого эндотоксина катализировать гидролиз АТФ с высвобождением фосфата. Он также не может являться поставщиком свободного (неорганического) фосфата в реакционную среду.

2.4. Действие дельта-эндотоксина на дыхательную активность и синтез АТФ в клетках Нами было выполнено изучение влияния дельта-эндотоксина на дыхание и окислительное фосфорилирование в клетках наиболее чувствительной культуры HeLa.

Полученные данные (рис. 7) демонстрируют стимулирование поглощения кислорода клетками HeLa на 74% через 1 мин инкубации с токсином в концентрации 150 мкг/мл. Далее следовало быстрое снижение дыхательной активности до величины ниже контрольной (67%).

При концентрации токсина 100 мкг/мл начальное стимулирование дыхания на 51% далее снижалось, достигая к 5 мин 38%. Очевидно, что при концентрациях, превышающих 150 мкг/мл, поглощение О2 усиливается в более ранние периоды, что мы не можем зарегистрировать, используя имеющиеся в распоряжении методики.

Интенсивность дыхания, % от исх.

0 50 100 150 Концентрация дельта-эндотоксина, мг/мл 1 мин 5 мин Рис. 7. Действие дельта-эндотоксина на потребление кислорода клетками При небольшой концентрации токсина 50 мкг/мл нами зарегистрирован незначительно нарастающий во времени эффект 4 и 15 % через 1 и 5 мин, соответственно. В случае 20 мкг/мл вообще не удалось зарегистрировать эффекта.

Полученные данные указывают на зависимость действия дельта эндотоксина от его концентрации и времени воздействия на респираторную активность клеток. При этом, чем больше концентрация токсина, тем раньше наблюдается начальное стимулирование и последующее угнетение потребления клетками кислорода.

Был проведен анализ временной последовательности описанных выше явлений, с целью дальнейшей конкретизации механизма. Для этого были выбраны две концентрации эндотоксина (100 и 50 мкг/мл), которые вызывают умеренный разобщающий эффект, а, следовательно, позволяют охватить более значительный промежуток времени при наблюдении эффекта.

Параллельно измеряли уровень продукции АТФ и рассчитывали коэффициент фосфорилирования (Р/О). Известно, что в дышащих митохондриях скорость переноса электронов в дыхательной цепи, а следовательно, и скорость синтеза АТФ, определяется в первую очередь относительными концентрациями АДФ, АТФ и Фн (неорганического фосфата) в окружающей среде, а не концентрациями субстратов дыхания, например, пирувата. тем выше, чем выше концентрация АДФ и Фн и ниже – АТФ. Это явление носит название дыхательного (акцепторного) контроля.

Математически это выражается отношением Р/О, где Р представляет концентрацию АДФ. В условиях эксперимента на интактных митохондриях при постоянстве начальных концентраций АДФ и Фн в окружающей среде убыль концентрации АДФ пропорциональна приросту Фн, что и будет являться мерой скорости синтеза АТФ в митохондрии.

Эффект начального стимулирования поглощения кислорода в течение первых 10 мин воздействия дельта-эндотоксина утрачивается к 15 мин его воздействия (рис. 8). При этом как стимулирование, так и угнетение потребления кислорода митохондриями пропорциональны концентрации токсина.

Интенсивность дыхания, % от исх.

1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Время, мин 100 мкг/мл 50 мкг/мл Рис. 8. Изменение потребления кислорода клетками под действием дельта эндотоксина Начальное стимулирование под действием концентрации 100 мкг/мл составляет через 1 мин около 51 % от исходной, тогда как 50 мкг/мл стимулирования не вызывала. Скорость же снижения поглощения кислорода более значительна в случае концентрации 100 мкг/мл по сравнению с 50. Так, уже через 10 мин воздействия она практически возвращается к норме, тогда как для 50 мкг/мл остается на 6 % выше нормы. В конечный момент эксперимента (60 мин) эти значения составляют 4 и 48 % от контроля, соответственно. Уровень поглощения О2 митохондриями в норме, при этом составлял 15-16 мкМ/106 клеток в 1 мин.

Уже в первую минуту воздействия эндотоксина происходит резкое снижение потребления АДФ и Фн, а, следовательно, и синтеза АТФ (рис. 9).

Так концентрация 100 мкг/мл снижает этот показатель почти в 5,4, а мкг/мл – в 2,9 раз.

Синтез АТФ, % от нормы 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Время, мин 100 мкг/мл 50 мкг/мл Рис. 9. Влияние дельта-эндотоксина на синтез АТФ в клетках HeLa В течение первых 10 мин синтез АТФ постепенно снижается в 7,2 и раза, соответственно, а затем резко падает через 15 мин в 22 и 11,4 раза, соответственно. Через 60 мин инкубации потребление АДР составляет только 0 % (100 мкг/мл) и 0,4 % от нормы.

Результаты показывают, что наряду с первоначальным стимулированием поглощения кислорода (рис. 9) наблюдается значительное снижение синтеза АТФ. Наиболее полно этот эффект выражается в изменении коэффициента фосфорилирования Р/О (табл. 1). Значение Р/О заметно снижается в 10,5-38 раза в случае использования дельта-эндотоксина в концентрации 100 мкг/мл и в 2-9,5 раза – 50 мкг/мл. С учетом того, что дыхание в первые 10 мин остается даже более интенсивным, чем в норме, следует констатировать, что произошло разобщение процессов окислительного фосфорилирования и дыхания. Причем наиболее вероятно его действие как переносчика протонов.

Таблица Влияние дельта-эндотоксина на интенсивность дыхания и синтез АТФ клетками HeLa Концентрац Норма (в ия токсина, Эффект 1 мин 5 мин 10 мин 15 мин 30 мин 60 мин отсутствие мкг/мл токсина) 2,28 ± 1,20 ± 0,40 ± 0,06 ± 1,88 ± 1,60 ± 1,70 ± 0, потребление О2 0,26 0,16 0,09 0, 0,25 0, *** *** *** *** 0,53 ± 0,43 ± 0,40 ± 0,13 ± 0,05 ± 2,86 ± 0, синтез АТР 0,07 0,06 0,08 0,03 0, *** *** *** *** *** 0,23 ± 0,23 ± 0,25 ± 0,11 ± 0,13 ± Р/О 0 1, 0,03 0,03 0,03 0,01 0, *** *** *** *** *** 0,82 ± 1,69 ± 1,88 ± 1,80 ± 1,40 ± 1,10 ± 1,70 ± 0, потребление О2 0, 0,08 0,19 0,21 0,15 0, ** 1,67 ± 1,29 ± 0,77 ± 0,25 ± 0,22 ± 0,08 ± 50 2,86 ± 0, синтез АТР 0,17 0,06 0,08 0,09 0,03 0, *** *** *** *** *** *** 0,99± 0,66± 0,43± 0,18± 0,20± 0,10± Р/О 1, 0,06 0,04 0,03 0,01 0,01 0, *** *** *** *** *** *** Примечание: * – р 0,05;

** – р 0,01;

*** – р 0,001 при n = 20 (n – число пар измерений) Эффект начального стимулирования дыхания является компенсаторной реакцией, связанной с разобщением. Очевидно, этот процесс заканчивается уже в первые 10 мин воздействия токсина, что в дальнейшем вызывает деэнергизацию митохондрий, а, следовательно, и клетки, и всю последующую цепь событий, важнейшим из которых является нарушение транспорта ионов и неэлектролитов в клетке.

2.5 Влияние дельта-эндотоксина на процесс гликолиза В условиях повышенного потребления кислорода увеличивается и потребность митохондрии в восстановительных эквивалентах, поставляемых субстратами дыхательной цепи. Это должно привести к ускорению гликолиза в цитозоле. Однако, поскольку процессы дыхания и окислительного фосфорилирования в митохондрии разобщены, прекращается синтез АТФ, происходит деэнергизация митохондрии, что приводит к торможению работы дыхательной цепи и снижению потребности в субстратах – продуктах гликолиза. В результате прекращается приток в митохондрии метаболитов глюкозы. Вероятно, вследствие дальнейшего снижения дыхательной активности гликолиз переключается на анаэробный режим, приводя к повышению активности лактат дегидрогеназы и концентрации лактата в цитозоле.

Для проверки этих предположений нами было предпринято экспериментальное исследование, включающее анализ активности ключевых ферментов гликолиза клеток HeLa: 3-фосфоглицерат дегидрогеназы (3 ФГДГ) и лактат дегидрогеназы (ЛДГ). В течение первых 10 мин действия эндотоксина активность 3-ФГДГ превышает ее уровень в интактных клетках (норма). При этом в случае концентрации токсина 100 мкг/мл активирование на 25% начиналось уже через 1 мин и достигало максимума (60%) через мин. Через 10 мин активность фермента оставалась высокой и составляла 46% от нормы. Затем начиналось снижение активности, которая достигла через 15 мин 80% исходной. Снижение активности продолжалось до конца опыта, и через 60 мин ее значение составило 15% от нормы.

В случае концентрации 50 мкг/мл активирование было менее значительным и максимум (32%) отмечали через 10 мин. Также более медленно происходило и снижение активности, достигая через 60 мин 32% исходной.

Эти данные согласуются с представленными на рисунке 8, демонстрирующими динамику изменения потребления кислорода клетками под действием тех же концентраций дельта-эндотоксина. Сопоставление этих результатов показывает, что начальное стимулирование дыхания приводит к ускорению катаболизма глюкозы с образованием пирувата и 3 – фосфоглицерата, и как следствие, субстратов дыхательной цепи. Однако в периоды времени более 10 мин для концентрации 100 мкг/мл и 15 мин для мкг/мл происходит снижение интенсивности дыхания, и вслед за этим угнетается гликолиз. Фактически происходит затухание процесса в течение 60 мин. Это связано не только с практически полным прекращением синтеза АТФ в митохондриях, но и с тем, что к этому времени происходит достаточно интенсивное разрушение клеток с освобождением их содержимого в культуральную среду. Как видно из данных, представленных на рисунке 8 и 9, через 15 мин действия дельта-эндотоксина начинается нарастающее снижение интенсивности дыхания и синтеза АТФ. Однако к этому времени остается еще много не разрушенных клеток. Возможно, что в таких анаэробных условиях клетки переключаются на преимущественное образование в ходе гликолиза лактата.

А и н с ь %о и х тс кт в о т, 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Время, мин.

100 мкг/мл 50 мкг/мл Рис. 10. Изменение активности 3-фосфоглицерат дегидрогеназы в цитозоле клеток под действием дельта-эндотоксина в концентрации 100 мкг/мл и мкг/мл Было отмечено активирование ЛДГ в клетках HeLa (рис. 11) в период времени от 15 до 30 мин, то есть в условиях наблюдаемого уменьшения потребления кислорода. Через 5-15 мин, напротив, отмечено практическое отсутствие активности ЛДГ. Это объясняется подавлением образования лактата в условиях повышенной аэробности.

Активность, % от исх 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Время, мин 100 мкг/мл 50 мкг/мл Рис. 11. Изменение активности лактат дегидрогеназы в клетках HeLa в результате действия дельта-эндотоксина В период времени после 15 мин, когда резко снижается поглощение кислорода, гликолиз переключается на анаэробный режим с образованием лактата, о чем свидетельствует увеличение активности ЛДГ.

Активность, % от исх 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Время, мин 100 мкг/мл 50 мкг/мл Рис. 12. Изменение активности лактат дегидрогеназы в супернатанте в результате действия на клетки HeLa дельта-эндотоксина Нами регистрировалась активность ЛДГ во внеклеточной (культуральной) среде через разные промежутки времени действия токсина.

Выход ЛДГ в культуральную среду под действием дельта-эндотоксином (рис. 12) регистрировался уже спустя 5 мин после начала инкубации. При этом активность фермента была выше при концентрации токсина 100 мкг/мл (21% общей активности) по сравнению с 50 мкг/мл (8%). Далее активность ЛДГ возрастала практически линейно при обеих концентрациях и достигала 100% (100 мкг/мл) и 79% (50 мкг/мл) через 60 мин инкубации.

Таким образом, усиление клеточного дыхания приводит к ускорению процесса гликолиза в клетках культуры в течение всего периода усиленного дыхания (1-15 мин). Это связано с возросшими потребностями митохондрий в субстратах цепи переноса электронов (дыхательной цепи). Синтез АТФ в то же время значительно снижается в результате разобщения, что приводит к деэнергизации митохондрии и нарушению транспорта веществ через ее мембрану. В результате происходит снижение интенсивности дыхания, по видимому, в результате резкого снижения поступления в митохондрии субстратов для цитратного цикла и прекращения вследствие этого наработки восстановительных эквивалентов. Далее, как следует из представленных выше данных, происходит переключение гликолиза преимущественно на анаэробный механизм с образованием лактата и активированием ЛДГ (через 10 мин инкубации). Однако в этот же период появляются нарушения в проницаемости цитоплазматической мембраны, которые проявляются в наибольшей степени после 15 мин инкубации. Результатом этого является нарастающий во времени и зависящий от концентрации токсина выход ЛДГ во внеклеточную среду.

Следует отметить, что, по-видимому, определение уровня ЛДГ в культуральной жидкости может служить удовлетворительным и простым тестом для установления чувствительности клеток к дельта-эндотоксину.

Разобщающая способность дельта-эндотоксина подтверждена методами ИК - и ЯМР-спектроскопии. Показано, что он обладает лабильными протонами, которые способен легко отдавать после растворения.

Большое количество «кислых» протонов обусловлено доминирующим содержанием в составе белкового дельта-эндотоксина аспарагиновой и глутаминовой аминокислот. Вещества природного или синтетического происхождения, обладающие лабильными протонами, могут являться разобщителями процессов окислительного фосфорилирования (синтеза АТР), происходящего в митохондриях, если они обладают способностью проникать через биологические мембраны. Возможность этого подтверждает действие дельта-эндотоксина, полученного методом щелочного гидролиза, на искусственную азолектиновую мембрану, который в концентрации 50 и мкг/мл вызывал падение ее сопротивления в 2-5 раз.

ВЫВОДЫ 1. Цитопатическое действие дельта-эндотоксина Bacillus thuringiensis subsp. sotto пропорционально его концентрации и времени контакта с клетками;

связано с изменением структуры клеток, проявляющимся как нарастающая вакуолизация с последующим разрушением клеток, и различается по силе эффекта для разных клеточных линий: чувствительность клеток HeLa значительно выше, чем клеток B16 и L1210.

2. При действии дельта-эндотоксина после 15 мин выявлено нарушение транспорта ионов K+, Na+, Ca2+ и Mg2+ через цитоплазматическую мембрану клеток HeLa, B16 и L1210 вслед за ранней активацией Mg2+-зависимой K+, Na+- АТФазы. Обнаружена общая для всех типов клеток закономерность уменьшения внутриклеточной концентрации K+, и Mg2+ при возрастающей концентрации Na+ и Ca2+.

3. Установлено, что дельта-эндотоксин в первые минуты действия угнетает синтез АТФ на фоне активации дыхания, действуя на культуры клеток аналогично разобщителям процессов окислительного фосфорилирования и дыхания.

4. Дельта-эндотоксин на первых этапах действия (до 15 мин) вызывает интенсификацию процесса гликолиза в клетках HeLa, повышая активность 3 фосфоглицерат дегидрогеназы;

затем ее уровень постепенно снижается, уступая место активации лактат дегидрогеназы – фермента, характерного для анаэробного режима гликолиза.

5. Финальные этапы действия дельта-эндотоксина Bacillus thuringiensis subsp. sotto, предшествующие разрушению клеток, связаны с деэнергизацией митохондрий, снижением потребления кислорода, активацией анаэробного пути гликолиза, нарушением целостности мембран и выходом лактат дегидрогеназы во внеклеточную среду.

Список работ, опубликованных по теме диссертации 1. Каменек, Д. В. Дельта-эндотоксин Bacillus thuringiensis как природный ионофор:

анализ методами ИК- и ЯМР-спектроскопии / Д. В. Каменек, О. Н. Ильинская, Л. М.

Цофина, Л. К. Каменек, // Ученые записки Казанского государственного университета.

Cер. Естеств. Науки. 2008. Т. 150. Кн. 1. С. 6976.

2. Каменек, Д. В. Влияние дельта эндотоксина Bacillus thuringiensis subsp. sotto на процесс гликолиза в перевиваемых линиях клеток / Д. В. Каменек, М. С. Феклина, Л.

К. Каменек, УлГУ. – Ульяновск, 2008.– 17 с. Деп. в ВИНИТИ 12.05.08 №406-В2008.

3. Феклина, М. С. Действие дельта-эндотоксина на активность клеток периферической крови in vivo и in vitro / М. С. Феклина, Д. В. Каменек, Э. К. Юнусова, Л. К. Каменек, УлГУ. – Ульяновск, 2008.– 17 с. Деп. в ВИНИТИ 12.05.08 №407-В2008.

4. Морозова, Е. П. Действие экологически-безопасного дельта-эндотоксина Bacillus thuringiensis на интенсивность поглощения кислорода фитопатогенными бактериями / Е. П. Морозова, Д. В. Каменек, Т. А. Луковенко // Материалы симпозиума с международным участием «Актуальные проблемы адаптации к природным и экосоциальным условиям среды», Ульяновск 24-26 сентября 2002 г. – Ульяновск:

2002. C. 8183.

5. Каменек, Л. К. Действие дельта эндотоксина Bacillus thuringiensis на культуру раковых клеток / Л. К. Каменек, Д. В. Каменек //. Сборник тезисов 8-й Пущинской международной школы-конференции молодых ученых «БИОЛОГИЯ – НАУКА ХХI ВЕКА». – Пущино, 2004. C.114 – 115.

6. Каменек, Л. К. Органеллы клетки /Учебно-методическое пособие // Л. К. Каменек, О.

Ю. Шроль, А. А. Тюльпинева, Д. В. Каменек – Ульяновск: Изд-во УлГУ, 2001. – 42 с.

7. Каменек, Д. В. Действие дельта эндотоксина Bacillus thuringiensis на дыхательную активность раковых клеток в культуре / Д. В. Каменек, Л. К. Каменек // Материалы XIII Международной научной конференции «Ферменты микроорганизмов: структура, функции, применение». – Казань, 2005. – С. 40.

8. Каменек, Д. В. Действие дельта эндотоксина Bacillus thuringiensis на культуры раковых клеток. / Д. В. Каменек, Л. К. Каменек // Сборник тезисов 9-й Пущинской международной школы-конференции молодых ученых «БИОЛОГИЯ – НАУКА ХХI ВЕКА». – Пущино. – 2005. С.114.

9. Каменек, Д. В. Действие дельта эндотоксина Bacillus thuringiensis на ионный транспорт в клетках HeLa и HeP / Д. В. Каменек, Л. К. Каменек, О. Н. Ильинская // Сборник тезисов 9-й Пущинской международной школы-конференции молодых ученых «БИОЛОГИЯ – НАУКА ХХI ВЕКА». – Пущино, 2006. – С. 374.

10. Каменек, Д. В. Особенности действия дельта эндотоксина Bacillus thuringiensis на раковые культуры клеток / Д. В. Каменек, М. А. Горшкова // Сборник материалов Международной конференции молодых ученых «Ломоносов – 2007». – Москва: Изд-во МГУ, 2007. С. 77.

11.. Феклина, М. С. Влияние дельта-эндотоксина на клетки периферической крови мышей in vivo и in vitro / М. С. Феклина, Д. В. Каменек, С. В. Куркин, Л. Д. Терехина, Д. А. Терехин // Сборник тезисов 11-й Пущинской международной школы конференции молодых ученых «БИОЛОГИЯ – НАУКА ХХI ВЕКА». – Пущино, 2007.

– С. 116.

12. Феклина, М. С. Оценка влияния дельта-эндотоксина Bacillus thuringiensis на нейтрофилы крови мышей in vivo и in vitro / М. С. Феклина, Д. В. Каменек, С. В.

Куркин, Л. Д. Терехина, Д. А. Терехин // Материалы Всероссийской конференции с международным участием «Медико-физиологические проблемы экологии человека». – Ульяновск, 2007. – С. 269.

13. Феклина, М. С. Оценка влияния дельта-эндотоксина Bacillus thuringiensis на нейтрофилы крови мышей in vivo и in vitro / М. С. Феклина, Л.К. Каменек, О.В.

Столбовская, Д. В. Каменек С. В. Куркин, Л. Д. Терехина // Материалы IV Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы экологии и охраны природы. Пути их решения», – Ульяновск: УлГУ, 2007.С 102 105.

14. Каменек, Д. В. Действие дельта эндотоксина Bacillus thuringiensis на культуры раковых клеток / Д. В. Каменек, Л. К. Каменек // Материалы II Международной научно-практической конференции «Постгеномная эра в биологии и проблемы биотехнологии». – Казань: КГУ, 2008. – С. 47-48.

Просьба отзывы отправлять почтой на имя Ученого секретаря диссертационного совета Д 212.081.08 Абрамовой З.И. (420008, Казань, Кремлевская,18, отдел аспирантуры), по факсу : (843)238-71-21 или на е-mail: [email protected].



 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.