Ukr.Biochem.J. 2021; Том 93, № 4, липень-серпень, c. 26-36

doi: doi: https://doi.org/10.15407/ubj93.04.026

Тіакалікс[4]арен фосфонат С-800 як новий флуоресцентний зонд для виявлення іонів цинку в живих клітинах

В. І. Яворовська1, Р. Д. Лабинцева1*, О. В. Бевза1, А. Я. Пугач1,
А. Б. Драпайло2, С. О. Черенок2, В. І. Кальченко2, С. О. Костерін1

1Інститут біохімії ім. О. В. Палладіна НАН України, Київ;
2Інститут органічної хімії НАН України, Київ;
*e-mail: raisa.lab@gmail.com

Отримано: 07 квітня 2021; Затверджено: 07 липня 2021

Іони Zn необхідні для підтримання нормального функціонування організму людини, тому моніторинг вмісту цинку в живих клітинах та розробка сенсорних систем для його відстеження є особливо важливими. Метою роботи було з’ясувати властивості синтетичного тіакалікс[4]арену С-800 (5,11,17,23-тетракіс [(гідрок­си-етоксифосфоніл) метил]) – 25,26,27,28-тетрагідрокситіакалікс[4]арену) як потенційного флуоресцентного зонду для моніторингу Zn2+ в живих клітинах. Наші дослідження показали, що тіакалікс[4]арен С-800, який містить чотири гідрокси-етоксифосфонілметилові групи на верхньому вінці молекули, проявляв флуоресцентні властивості за λ 340 нм. Інтенсивність флуоресценції тіакалікс[4]арену C-800 істотно зростала у присутності Zn2+, тоді як Mg2+, Ca2+, Cd2+ та Pb2+, не впливали на цей показник. Комп’ютерне моделювання продемонструвало, що два катіони Zn взаємодіють з атомами кисню чотирьох гідрокси-етоксифосфонілметильних груп. Показано, що тіакалікс[4]арен C-800 швидко проникав у клітини міометрія щурів, що призводило до підвищення рівня внутрішньоклітинної флуоресценції. Додавання Zn2+ до забарвлених тіакалікс[4]ареном C-800 клітин супроводжувалося ще більшим зростанням інтенсивності внутрішньоклітинного флуоресцентного сигналу. Тіакалікс[4]aрен C-800 не впливав на генерування активних форм кисню в клітинах міометрія, і не спричиняв зниження життєздатності клітин за дії у діапазоні концентрацій 50–250 мкМ. Таким чином, тіакалікс[4]арен С-800 потенційно може бути використаний як селективний флуо­ресцентний зонд для виявлення Zn2+ у живих клітинах.

Ключові слова: , , , , ,


Посилання:

  1. Andreini C, Bertini I. A bioinformatics view of zinc enzymes. J Inorg Biochem. 2012;111:150-156. PubMedCrossRef
  2. Andreini C, Bertini I, Rosato A. Metalloproteomes: a bioinformatic approach. Acc Chem Res. 2009;42(10):1471-1479. PubMed, CrossRef
  3. Frassinetti S, Bronzetti G, Caltavuturo L, Cini M, Croce CD. The role of zinc in life: a revie. J Environ Pathol Toxicol Oncol. 2006;25(3):597-610. PubMed, CrossRef
  4. Chasapis CT, Loutsidou AC, Spiliopoulou CA, Stefanidou ME. Zinc and human health: an update. Arch Toxicol. 2012;86(4):521-534. PubMed, CrossRef
  5. Kumar V, Kumar A, Singh S. Zinc Deficiency and Its Effect on the Brain: An Update. Int J Mol Genet Gene Ther. 2016;1(1):1-7. CrossRef
  6. Pfaender S, Sauer AK, Hagmeyer S, Mangus K, Linta L, Liebau S, Bockmann J, Huguet G, Bourgeron T, Boeckers TM, Grabrucker AM. Zinc deficiency and low enterocyte zinc transporter expression in human patients with autism related mutations in SHANK3. Sci Rep. 2017;7:45190. PubMedPubMedCentral, CrossRef
  7. Bao B, Prasad A, Beck FWJ, Suneja A, Sarkar F. Toxic effect of zinc on NF-kappaB, IL-2, IL-2 receptor alpha, and TNF-alpha in HUT-78 (Th(0)) cells. Toxicol Lett. 2006;166(3):222-228. PubMed, CrossRef
  8. Toxicological profile for zinc. 2005. Division of Toxicology/Toxicology Information Branch 1600 Clifton Road NE Mailstop F-32 Atlanta, Georgia 30333. Regime of access : https://www.atsdr.cdc.gov/toxprofiles/tp60.pdf.
  9. Lee MC, Yu WC, Shih YH, Chen CY, Guo ZH, Huang SJ, Chan JCC, Chen YR. Zinc ion rapidly induces toxic, off-pathway amyloid-β oligomers distinct from amyloid-β derived diffusible ligands in Alzheimer’s disease. Sci Rep. 2018;8(1):4772. PubMedPubMedCentral, CrossRef
  10. Kerns K, Zigo M, Sutovsky P. Zinc: A Necessary Ion for Mammalian Sperm Fertilization Competency. Int J Mol Sci. 2018;19(12):4097. PubMedPubMedCentral, CrossRef
  11. Murarka S, Mishra V, Joshi P, Kumar S. Role of Zinc in Reproductive Biology – An Overview. Austin J Reprod Med Infertil. 2015;2(2):1009.
  12. Huang Z, Lippard SJ. Illuminating mobile zinc with fluorescence from cuvettes to live cells and tissues. Methods Enzymol. 2012;505:445-468. PubMedPubMedCentral, CrossRef
  13. Nolan EM, Lippard SJ. Small-molecule fluorescent sensors for investigating zinc metalloneurochemistry. Acc Chem Res. 2009;42(1):193-203. PubMedPubMedCentral, CrossRef
  14. Ran MQ, Yuan JY, Zhao YH, Mou L, Zeng X, Redshaw C, Zhao JL, Yamato T. A multichannel thiacalix[4]arene-based fluorescent chemosensor for Zn2+, F− ions and imaging of living cells. Supramol Chem. 2016;28(5-6):418-426.  CrossRef
  15. Wang Y, Peng X, Shi J, Tang X, Jiang J, Liu W. Highly selective fluorescent chemosensor for Zn2+ derived from inorganic-organic hybrid magnetic core/shell Fe3O4@SiO2 nanoparticles. Nanoscale Res Lett. 2012;7(1):86. PubMedPubMedCentral, CrossRef
  16. Jiang G, Shi F, Jia Y, Cui S, Pu S. A novel donor-acceptor fluorescent sensor for Zn 2+ with high selectivity and its application in test Paper. J Fluoresc. 2020;30(6):1567-1574. PubMedCrossRef
  17. Carpenter MC, Lo MN, Palmer AE. Techniques for measuring cellular zinc. Arch Biochem Biophys. 2016;611:20-29. PubMedPubMedCentral, CrossRef
  18. Kumar R, Sharma A, Singh H, Suating P, Kim HS , Sunwoo K, Shim I, Gibb BC, Kim JS. Revisiting Fluorescent Calixarenes: From Molecular Sensors to Smart Materials. Chem Rev. 2019;119(16):9657-9721. PubMed, CrossRef
  19. Morohashi N, Narumi F, Iki N, Hattori T,  Miyano S. Thiacalixarenes. Chem Rev. 2006;106(12):5291-5316. PubMed, CrossRef
  20. Kumar R, Lee YO, Bhalla V, Kumar M, Kim JS. Recent developments of thiacalixarene based molecular motifs. Chem Soc Rev. 2014;43(13):4824-4870. PubMed, CrossRef
  21. Labyntsevа R, Yavorovska V , Bevza O, Drapaylo A, Kalchenko V, Kosterin S. Thiacalix[4]arenes Remove the Inhibitory Effects of Zn Cations on the Myosin ATPase Activity. Nanoscale Res Lett. 2018;13(1):224. PubMedPubMedCentral, CrossRef
  22. Kasyan O, Swierczynski D, Drapailo A, Suwinska K, Lipkowski J, Kalchenko V. Upper rim substituted thiacalix[4]arenes. Tetrahedron Lett. 2003;44(38):7167-7170.  CrossRef
  23. Kharchenko SG, Drapailo AB, Kalchenko OI, Yampolska GD, Shishkina SV, Shishkin OV, Kalchenko V I. Thia- and Sulfonyl-Calix[4]Arene Methylphosphonous Acids: Synthesis, Structure, and Amino Acids Binding. Phosphorus, Sulfur Silicon Related Elements. 2013;188(1-3):243-248. CrossRef
  24. Gangula PR, Dong YL, Yallampalli C. Rat myometrial smooth muscle cells express endothelial nitric oxide synthase. Hum Reprod. 1997;12(3):561-568. PubMed, CrossRef
  25. Vadivelu RK, Yeap SK, Ali AM, Hamid M, Alitheen NB. Betulinic Acid inhibits growth of cultured vascular smooth muscle cells in vitro by inducing G(1) arrest and apoptosis. Evid Based Complement Alternat Med. 2012;2012:251362. PubMedPubMedCentral, CrossRef
  26. Schindelin J, Arganda-Carreras I, Frise E,Kaynig V, Longair M, Pietzsch T, Preibisch S, Rueden C, Saalfeld S, Schmid B, Tinevez JY, White DJ, Hartenstein V, Eliceiri K, Tomancak P,  Cardona A. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nat Methods. 2012;9(7):676-682. PubMedPubMedCentral, CrossRef
  27. Regime of access: http://www.hypercubeusa.com/Default.aspx?tabid=363
  28. Kimura E, Koike T.  Recent development of zinc-fluorophores. Chem Soc Rev. 1998;27(3):179-184. CrossRef
  29. Bugaenko LT, Ryabykh SM, Bugaenko AL. A nearly complete system of average crystallographic ionic radii and its use for determining ionization potentials. Moscow Univer Chem Bull. 2008;63(6):303–317. CrossRef
  30. Zhao RZ, Jiang S, Zhang L, Yu ZB. Mitochondrial electron transport chain, ROS generation and uncoupling (Review). Int J Mol Med. 2019;44(1):3-15. PubMedPubMedCentral, CrossRef

Creative CommonsThis work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.