Трьохетапний резонансний перенос енергії в амілоїдних фібрилах інсуліну

  • Uliana Tarabara Кафедра медичної фізики та біомедичних нанотехнологій, Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, 61022, Україна https://orcid.org/0000-0002-7677-0779
  • Mykhailo Shchuka Кафедра медичної фізики та біомедичних нанотехнологій, Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, Україна
  • Kateryna Vus Кафедра медичної фізики та біомедичних нанотехнологій, Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, Україна http://orcid.org/0000-0003-4738-4016
  • Olga Zhytniakivska Кафедра медичної фізики та біомедичних нанотехнологій, Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0001-9554-0090
  • Valeriya Trusova Кафедра медичної фізики та біомедичних нанотехнологій, Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0002-7087-071X
  • Galyna Gorbenko Кафедра медичної фізики та біомедичних нанотехнологій, Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, Україна http://orcid.org/0000-0002-0954-5053
  • Nikolai Gadjev Факультет хімії і фармації, Софійський університет, Софія, Болгарія
  • Todor Deligeorgiev Факультет хімії і фармації, Софійський університет, Софія, Болгарія
Ключові слова: каскадний резонансний перенос енергії, 4-диметиламінохалкон, фібрилярний інсулін, сквараїнові зонди, тіофлавін T

Анотація

За допомогою системи хромофорів, що складалась із тіофлавіну T (ThT), 4-диметиламінохалкону (ДМХ) і двох сквараїнових барвників, SQ1 і SQ4, проведено оцінку можливості використання трьохетапного індуктивно-резонансного переносу енергії (ІРПЕ) для детектування амілоїдних фібрил інсуліну. Виявлено, що медіаторний барвник ДМХ збільшує інтенсивність флуоресценції кінцевого акцептора SQ1, що збуджується на 440 нм (у максимумі поглинання основного донора, ThT), у фібрилярному інсуліні, у порівнянні з флуоресценцією у відсутності ДМХ, що свідчить про наявність каскадного переносу енергії вздовж ланцюга ThT→ДМХ→SQ4→SQ1. Oкрім цього, Стоксовий зсув у системі з чотирма хромофорами складав 240 нм, у порівнянні з 45 нм для зв’язаного з амілоїдними фібрилами тіофлавіну Т, що свідчить про перевагу детектування амілоїдних фібрил за допомогою багатоетапного ІРПЕ завдяки вищому співвідношенню сигнал-шум. Максимальні значення ефективності переносу енергії в фібрилах інсуліну, визначені для кожної каскадної пари при вимірюванні гасіння флуоресценції донора в присутності акцептора, складали 40%, 60% і 30% для донорно-акцепторних пар ThT-ДМХ, ДМХ-SQ4 і SQ4-SQ1, відповідно, , тоді як у випадку нефібрилізованого білка перенос енергії був практично відсутній. Найбільш виражені відмінності між фібрилярним та нефібрилізованим білком спостерігались в 3D спектрах флуоресценції. Зокрема, у фібрилярних агрегатах інсуліну виявлено дві інтенсивні області з центрами на довжинах хвиль флуоресценції ~ 650 нм (SQ4) та ~ 685 нм (SQ1) при збудженні на довжині хвилі ~ 440 nm. Натомість, для нефібрилізованого білка, були наявні ледь помітні області на тих самих довжинах хвиль, а також, більш інтенсивні області при збудженні на довжині хвилі понад 550 нм, що свідчить про переважний вплив прямого збудження SQ1 та SQ4 на флуоресцентну відповідь зондів. Міжмолекулярні відстані, розраховані на основі експериментальних значень ефективності переносу енергії у припущенні ізотропного обертання хромофорів, становили 2.4, 4.5 і 3.2 нм для пар ThT-ДМХ, ДМХ-SQ4 і SQ4-SQ1, відповідно, що свідчить про різні сайти зв'язування барвників з фібрилами. Квантово-хімічні розрахунки і метод молекулярного докінгу дозволили припустити, що зв'язування SQ1, SQ4 і ThT, ДМХ відбувається з «вологою» і «сухою» поверхнями протофіламентів інсуліну, відповідно. Комплекси зонд-білок, вочевидь, стабілізуються гідрофобними, ван-дер-Ваальсовими, ароматичними та електростатичними взаємодіями. Таким чином, завдяки високій чутливості та нижчій вірогідності псевдо-позитивного результату, розроблений метод можна використовувати для детектування та характеризації амілоїдних фібрил in vitro паралельно з класичним тіофлавіновим методом. Перспективним також є використання багатоетапного ІРПЕ для візуалізації амілоїдів in vivo, за умови включення до каскаду зонду, що має смуги поглинання і флуоресценції у ближній інфрачервоній області.

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Посилання

P. Wu and L. Brand, Anal. Biochem. 218, 1-13 (1994), https://doi.org/10.1006/abio.1994.1134.

P.R. Selvin, Nature Struct. Biol. 7, 730-734 (2000), https://doi.org/10.1038/78948.

L.M. Loura and M. Prieto, Front. Physiol. 2, 82 (2011), https://doi.org/10.3389/fphys.2011.00082.

G. Ramanoudjame, M. Du, K.A. Mankiewicz and V. Jayaraman, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 10473-10478 (2006), https://doi.org/10.1073/pnas.0603225103.

A. Coskun and E.U. Akkaya, J. Am. Chem. Soc. 128, 14474-14475 (2006), https://doi.org/10.1021/ja066144g.

P. Tinnefeld, M. Heilemann and M. Sauer, Chem. Phys. Chem 6, 217-222 (2005), https://doi.org/10.1002/cphc.200400513.

B. Albinsson, J.K. Hannestad and K. Borjesson, Coordination Chemistry Reviews, 256, 2399-2413 (2012), https://doi.org/10.1016/j.ccr.2012.02.024.

S. Buckhout-White, C.W. Brown III, D.A. Hastman Jr, M.G. Ancona, J.S. Melinger, E.R. Goldmana and I.L. Medintz, RSC Adv. 6, 97587-97598 (2016), https://doi.org/10.1039/C6RA23079B.

A. Bodi, K.E. Borbas and J.I. Bruce, Dalton Trans. 2007, 4352-4358 (2007), https://doi.org/10.1039/B708940F.

D. Navarathne, Y. Ner, J.G. Grote and G.A. Sotzing, Chemical Communications, 47, 12125-12127 (2011), https://doi.org/10.1039/C1CC14416B.

G. McDermott, S.M. Prince, A.A. Freer, A.M. Hawthornthwaite-Lawless, M.Z. Papiz, R.J. Cogdell and N.W. Isaacs, Nature, 374, 517-521 (1995), https://doi.org/10.1038/374517a0.

W. Kühlbrandt and D.N. Wang, Nature, 350, 130-134 (1991), https://doi.org/10.1038/350130a0.

C. Goze, G. Ulrich and R. Ziessel, J. Org. Chem. 72, 313-322 (2007), https://doi.org/10.1021/jo060984w.

J. Saha, D. Dey, A.D. Roy, P. Bhattacharjee and S.A. Hussain, J. Luminesc. 172, 168-174 (2016), https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2015.12.004.

G. Ulrich, C. Goze, M. Guardigli, A. Rodda and R. Ziessel, Angew. Chem. Int. Ed. 44, 3694-3698 (2005), https://doi.org/ 10.1002/anie.200500808.

A. Aneja, N. Mathur, P.K. Bhatnagar and P.C. Mathur, J. Biol. Phys. 34, 487-493 (2008), https://doi.org/10.1007/s10867-008-9107-y.

K. Boeneman, D.E. Prasuhn, J.B. Blanco-Canosa, P.E. Dawson, J.S. Melinger, M. Ancona, M.H. Stewart, K. Susumu, A. Huston and I.L. Medintz, Proc. of SPIE, 7909, 1-7 (2011), https://doi.org/10.1117/12.879272.

R.W. Wagner and J.S. Lindsey, J. Am. Chem. Soc. 116, 9759–9760 (1994), https://doi.org/10.1021/ja00100a055.

R.W. Wagner, J.S. Lindsey, J. Seth, V. Palaniappan and D.F. Bocian, J. Am. Chem. Soc. 118, 3996–3997 (1996), https://doi.org/10.1021/ja9602657.

X. Song, J. Shi, J. Nolan and B. Swanson, Anal. Biochem. 291, 133–141 (2001), https://doi.org/10.1006/abio.2001.5024.

X. Duan, S. Wang and Z. Li, Chem. Commun. 2008, 1302–1304 (2008), https://doi.org/10.1039/B717300H.

V. Raicu, J. Biol. Phys. 33, 109-127 (2007), https://doi.org/10.1007/s10867-007-9046-z.

L. He, X. Wu, J. Simone, D. Hewgill and P.E. Lipski, Nucleic Acid Res. 33, 61–73 (2005), https://doi.org/10.1093/nar/gni057.

E. Galperin, V. V. Verkhusha and A. Sorkin, Nature Methods, 1, 209–217 (2004), https://doi.org/10.1038/nmeth720.

G. Gorbenko, V. Trusova, T. Deligeorgiev, N. Gadjev, C. Mizuguchi and H. Saito, J. Mol. Liq. 294, 111675 (2019), https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.111675.

M. Kuscu and O.B. Akan, IEEE Transactions on nanotechnology, 11, 200-207 (2012), https://doi.org/10.1109/ TNANO.2011.2170705.

G. Bunt and F.S. Wouters, Biophys. Rev. 9, 119-129 (2017), https://doi.org/10.1007/s12551-017-0252-z.

B.W. Meer, D.M. Meer and S.S. Vogel, in: FRET - Förster Resonance Energy Transfer: From Theory to Applications, edited by I.L. Medintz and N. Hildebrandt (Wiley-VCH, Weinheim, 2014), pp. 63-104, https://doi.org/10.1002/9783527656028.ch04.

J.R. Lakowicz, Principles of fluorescence spectroscopy, 3rd ed., (Springer, New York, 2006), pp. 445-453.

L. Stryer, Annual review of biochemistry, 47, 819-846 (1978), https://doi.org/10.1146/annurev.bi.47.070178.004131.

Z. Gryczynski, I. Gryczynski and J.R. Lakowicz, in: Molecular imaging: FRET microscopy and spectroscopy, edited by A. Periasamy, R. Day (Qxford, New York, 2005), pp. 19-56.

B. Valeur, Molecular fluorescence: principles and applications, (Wiley-VCH, Weinheim, 2001), pp. 247-272, https://doi.org/10.1002/3527600248.ch9.

H.M. Watrob, C.P. Pan and M.D. Barkley, J. Am. Chem. Soc. 125, 7336-7343 (2003), https://doi.org/10.1021/ja034564p.

M. Groenning, J. Chem. Biol. 3, 1-18 (2010), https://doi.org/10.1007/s12154-009-0027-5.

M.I. Ivanova, S.A. Sievers, M.R. Sawaya, J.S. Wall and D. Eisenberg, Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 106, 18990-19995 (2009), https://dx.doi.org/10.1073%2Fpnas.0910080106.

J.J. Stewart, J. Comput. Aided. Mol. Des. 4, 1-105 (1990), https://doi.org/10.1007/BF00128336.

D. Duhovny, R. Nussinov, H.J. Wolfson, Lect. Notes Comput. Sci. Eng. 2452, 185-200 (2002), https://doi.org/10.1007/3-540-45784-4_14.

I.V. Tetko and V.Y. Tanchuk, J. Chem. Inf. Comput. Sci. 42, 1136-1145 (2002), https://doi.org/10.1021/ci025515j.

A.I. Sulatskaya, A.A. Maskevich, I.M. Kuznetsova, V.N. Uversky and K.K. Turoverov, PLoS ONE, 5, e15385 (2010), https://doi.org/10.1371/journal.pone.0015385.

J.A. Vladimirov and G.E. Dobretsov, Флуоресцентные зонды в исследовании биологических мембран [Fluorescent probes in study of biological membranes], (Nauka, Moscow, 1980), pp. 40. (in Russian)

H.P. Oliveira, A.J. Camargo, L.G. Macedo, M.H. Gehlen and A.B. da Silva, Spectrochim. Acta A Mol. Biomol. Spectrosc. 58, 3103–3111 (2002), https://doi.org/10.1016/S1386-1425(02)00119-1.

K. Vus, M.Girych, V. Trusova, G. Gorbenko, A. Kurutos, A. Vasilev, N. Gadjev and T. Deligeorgiev, Journal of Molecular Liquids, 276, 541-552 (2019), https://doi.org/10.1016/j.molliq.2018.11.149.

Опубліковано
2019-11-26
Цитовано
Як цитувати
Tarabara, U., Shchuka, M., Vus, K., Zhytniakivska, O., Trusova, V., Gorbenko, G., Gadjev, N., & Deligeorgiev, T. (2019). Трьохетапний резонансний перенос енергії в амілоїдних фібрилах інсуліну. Східно-європейський фізичний журнал, (4), 58-69. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2019-4-06