Omid Azimzadeh

1 Helmholtz Zentrum München-Centrul german de cercetare pentru sănătatea mediului (GmbH), Institutul de Biologie a Radiațiilor, Neuherberg, Germania

Tamara Azizova

2 Institutul de Biofizică al Uralului de Sud, Federația Rusă, Ozyorsk, Rusia

Juliane Merl-Pham

3 Helmholtz Zentrum München-Centrul german de cercetare pentru sănătatea mediului (GmbH), Unitatea de cercetare Știința proteinelor, München, Germania

Vikram Subramanian

1 Helmholtz Zentrum München-Centrul german de cercetare pentru sănătatea mediului (GmbH), Institutul de Biologie a Radiațiilor, Neuherberg, Germania

Mayur V. Bakshi

1 Helmholtz Zentrum München-Centrul german de cercetare pentru sănătatea mediului (GmbH), Institutul de Biologie a Radiațiilor, Neuherberg, Germania

Maria Moseeva

2 Institutul de Biofizică al Uralului de Sud, Federația Rusă, Ozyorsk, Rusia

Olga Zubkova

2 Institutul de Biofizică al Uralului de Sud, Federația Rusă, Ozyorsk, Rusia

Stefanie M. Hauck

3 Helmholtz Zentrum München-Centrul german de cercetare pentru sănătatea mediului (GmbH), Unitatea de cercetare Știința proteinelor, München, Germania

Natasha Anastasov

1 Helmholtz Zentrum München-Centrul german de cercetare pentru sănătatea mediului (GmbH), Institutul de Biologie a Radiațiilor, Neuherberg, Germania

Michael J. Atkinson

1 Helmholtz Zentrum München-Centrul german de cercetare pentru sănătatea mediului (GmbH), Institutul de Biologie a Radiațiilor, Neuherberg, Germania

4 Catedra de biologie a radiațiilor, Universitatea Tehnică din München, München, Germania

Soile Tapio

1 Helmholtz Zentrum München-Centrul german de cercetare pentru sănătatea mediului (GmbH), Institutul de Biologie a Radiațiilor, Neuherberg, Germania

Date asociate

Datele MS brute pot fi accesate din baza de date RBstore http://www.storedb.org/store_v3/study.jsp?studyId=1038

Abstract

INTRODUCERE

Mayak Production Association (PA), situată la 150 km sud-est de Ekaterinburg, este una dintre cele mai mari instalații nucleare din Federația Rusă. Monitorizarea dozimetrică individuală a expunerii externe efectuată la Mayak PA a arătat că dozele totale de raze gamma variază foarte mult de sub 100 mGy la mai mult de 5 Gy, 32,6% dintre lucrători având o doză totală mai mare de 1 Gy [1]. Studiile epidemiologice din această cohortă au arătat o creștere semnificativă a incidenței bolilor de inimă ischemice (IHD) asociate cu doza totală de raze gamma externe după corecție pentru mai mulți factori concurenți precum fumatul și consumul de alcool [1-3]. Estimările riscului pentru IHD în raport cu doza cronică de radiații externe sunt, în general, compatibile cu cele raportate în alte studii ocupaționale mari și supraviețuitorii japonezi ai bombei A [4].

Disfuncția mitocondrială joacă un rol cheie în patogeneza IHD [5]. O rată ridicată a catabolismului mitocondrial al carbohidraților și acizilor grași este crucială pentru furnizarea sursei de energie necesară funcției inimii [6]. În condiții normale, inima adultă se bazează în principal pe acizi grași pentru această producție de energie prin procesul de fosforilare oxidativă (OXPHOS), doar 10% până la 30% din ATP total fiind derivat din glucoză [7]. Cu toate acestea, o inimă normală poate comuta cu ușurință între acizi grași și glucoză pentru producerea de ATP, în funcție de cererea de energie și disponibilitatea substratului [8]. În condiții patologice, cum ar fi IHD, această flexibilitate se pierde și fie este înlocuită de preferința pentru glucoză față de grăsime [9] sau de o reducere generală a metabolismului oxidativ mitocondrial independent de sursa de energie [10]. Ambele scenarii sunt asociate cu scăderea nivelului receptorului activ al proliferatorului activat al peroxizomului (PPAR) alfa în ventriculii cardiaci [11]. PPAR alfa funcționează ca un regulator cheie al metabolismului cardiac și este esențial pentru oxidarea acizilor grași [6].

Am arătat anterior că iradierea locală a inimii la șoareci scade persistent capacitatea respiratorie a mitocondriilor cardiace [12, 13], reduce numărul acestora și duce la deteriorarea structurii crestelor [14]. Important, activitatea factorului de transcripție PPAR alfa este redusă printr-o creștere dependentă de doză a fosforilării [14].

Deși modelele de șoarece sunt utilizate pe scară largă pentru a studia bolile cardiace, există diferențe funcționale între inimile șoarecilor și ale inimii umane [15]. Infarctul este practic necunoscut la șoareci, probabil din cauza duratei lor scurte de viață și a diferențelor în fiziologia inimii și dieta. Chiar dacă modelele de șoarece au condus la observații importante asupra cauzelor IHD induse de radiații, problema relevanței lor clinice rămâne.

Scopul prezentului studiu a fost de a examina dacă modificarea metabolismului cardiac și regulatorul său cheie PPAR alfa contribuie la IHD indusă de radiații la om. Aici, am investigat profilurile proteome ale ventriculului stâng uman la lucrătorii Mayak care fuseseră expuși profesional la diferite doze cumulative de raze gamma externe. Toți participanții au fost diagnosticați anterior cu IHD, care a fost, de asemenea, principala cauză de deces [1, 16]. Analiza proteomică a relevat o serie de modificări dependente de doză a nivelurilor proteinelor implicate în funcția și structura ventriculului stâng. Acestea includ proteine ​​critice pentru metabolismul energiei mitocondriale și citoschelet cardiac. O inactivare semnificativă a PPAR alfa prin fosforilare a fost observată în cea mai mare doză de grup (> 500 mGy). Prezentul studiu oferă, pentru prima dată, o semnătură proteomică a ischemiei inimii umane indusă de radiații. Acest lucru este coerent cu observațiile făcute folosind șoareci iradiați la doza de radiație.

REZULTATE

Iradierea cronică modifică proteomul cardiac într-o manieră dependentă de doză

Analiza proteomică globală a identificat 1.281 proteine ​​în total (tabelul suplimentar S1). Dintre proteinele cuantificate, 101, 225 și 431 de proteine ​​au fost modificate semnificativ în expresie (2 peptide unice; schimbare de pliuri> 1,30 sau respectiv 500 mGy. Acest lucru a indicat o creștere dependentă de doză a numărului de proteine ​​dereglate (Tabelele suplimentare S2 - S4) ), așa cum se vede în modelele de inimă de șoarece iradiată [14]. Un număr mare (72) de proteine ​​dereglate au fost împărțite între toate cele trei grupuri iradiate comparativ cu martorul (Tabelul (Tabelul 1). 1). Majoritatea acestor proteine ​​partajate aparțineau mitocondrii (24 proteine) sau citoschelet (13 proteine).

tabelul 1

Numărul de acces, ID-ul proteinei, numele complet și modificările ori după expunerea la 500 mGy sunt prezentate pentru fiecare proteină.

Pentru a investiga diferențele în profilurile proteomei între diferitele grupuri de doză, a fost efectuat un PCA bazat pe toate caracteristicile proteomice. Probele de control și probele iradiate s-au grupat în patru grupe în funcție de doză (Figura (Figura 1). 1). Distanța dintre grupul care reprezintă grupul martor și grupurile care reprezintă grupurile iradiate a crescut odată cu creșterea dozei. Chiar dacă lucrătorii expuși la cea mai mare doză (> 500 mGy) erau în general mai în vârstă decât membrii altor grupuri, APC nu a prezentat nicio grupare în funcție de vârstă. În mod similar, nu s-a observat nicio grupare în funcție de starea sau indicele fumatului, de consumul de alcool sau de indicele de masă corporală (tabelul suplimentar S10).

perturbare

PCA a folosit caracteristici cu încărcări de la +2 la +7 rezultând PC1 și PC2 după cum urmează: PC1 23,65% și PC2 8,36%. Probele de control cu ​​numărul donatorului corespunzător sunt reprezentate ca pete albastre, probele expuse la 500 mGy în verde. Eșantioanele numărul 26 și 38 au fost rulate ca 2 replici tehnice și sunt indicate ca 26, 26B și 38, 38B. Informații detaliate despre donatorii de probă și dozele exacte sunt date în tabelul suplimentar S10. Analiza a fost efectuată utilizând software-ul Progenesis QI (http://www.nonlinear.com).

Unele valori aberante au fost identificate în fiecare grup iradiat, și anume donatorii 3, 25 și 46 (Figura (Figura 1). 1). Eșantionul numărul 25, aparținând grupului 500 mGy) (Figura 1.1 și tabelul suplimentar S10). Aceste abateri întăresc dovezile unei relații doză-răspuns.

O analiză detaliată a interacțiunilor funcționale și a căilor biologice a fost efectuată utilizând IPA (http://www.INGENUITY.com) (Tabelele suplimentare S5 și S6). Disfuncția mitocondrială și afectarea metabolică au fost indicate în toate grupurile iradiate comparativ cu grupul martor (Figura (Figura 2A). 2A). O reducere dependentă de doză a fost găsită în expresia proteinelor complexelor respiratorii I, III și V. Complexele II și IV au fost afectate numai în cele două grupuri cu doze mari (Figura (Figura 2B). 2B). Numărul proteinelor mitocondriale dereglate a crescut odată cu doza de radiații (Figura 2C - 2E și Tabelul suplimentar S6).

Se observă o alterare dependentă de doză în căile implicate în producția de energie. Scorurile căii sunt afișate folosind un gradient de culoare violet, în cazul în care violetul mai închis corespunde scorurilor mai mari (semnificație statistică crescută). Scorul este jurnalul negativ al valorii p derivat din testul exact al lui Fisher. În mod implicit, rândurile (căile) cu cel mai mare scor total din setul de observații sunt sortate în partea de sus (A). Harta de căldură pentru valorile de expresie ale proteinelor OXPHOS exprimate diferențial între grupurile de doză este afișată utilizând un gradient de culoare verde pentru proteinele cu reglare descendentă, unde verde închis corespunde unei reglări descendente mari. Numerele arată câte proteine ​​au fost dereglate în fiecare subunitate (B) (http://www.INGENUITY.com). Analiza interacțiunii proteine-proteine ​​a proteinelor exprimate semnificativ diferențial, care arată rețelele de proteine ​​mitocondriale dereglate în grupele de doză 500 mGy (E) (http://string-db.org).

Mai multe proteine ​​aparținând căilor de producție a energiei asociate cu oxidarea acizilor grași (metabolismul lipidelor, ciclul Krebs) au fost reglate în jos prin iradiere (Figura 2A 2A și Tabelul suplimentar S6)., sugerând o epuizare generală a alimentării cu energie, mai degrabă decât un comutator de glucoză/lipide.

În plus, numărul proteinelor dereglate care aparțin semnalizării citoscheletului actinei sau calciului a crescut într-o manieră dependentă de doză (Figura suplimentară S2 și Tabelul suplimentar S6). Majoritatea proteinelor modificate semnificativ au fost asociate cu boli de inimă, inclusiv disfuncția ventriculului stâng și hipertrofie cardiacă (Figura suplimentară S3 și Tabelul suplimentar S7).

Imunoblotarea confirmă reglarea descendentă a proteinelor structurale și antioxidante indusă de radiații

În concordanță cu datele proteomice, imunoblotarea a arătat niveluri semnificativ scăzute ale proteinelor de apărare antioxidante peroxiredoxină 5 (PRDX 5) și superoxid dismutază 2 (SOD2) după iradiere (Figura (Figura 3). 3). Expresia factorului de transcripție Nrf2, regulatorul central al răspunsului antioxidant, a fost semnificativ reglată în jos în grupul cu doze mai mari (Figura (Figura 3). 3). Expresia semnificativ redusă a proteinelor structurale lanțul ușor 2 al miozinei (MYL2), tropomiozina 2 (TPM2) și troponina T (TNNT2) a fost găsită în grupul cu doze mai mari (Figura 3).