Lux-биосенсоры: скрининг биологически активных соединений на генотоксичность

Обложка


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Для изучения способности солей металлов и фармакологически активных препаратов индуцировать в бактериальной клетке окислительный стресс и SOS-ответ использован набор lux-биосенсоров, состоящий из трех штаммов E. coli, несущих рекомбинантную плазмиду с lux-опероном, слитым с промоторами генов супероксиддисмутазы SoxS, каталазы KatG или колицина ColD. Изучена активность на lux-биосенсорах 47 веществ, из которых 16 индуцировали SOS-ответ, 6 - окислительный стресс. Сравнение полученных результатов с ранее опубликованными данными о мутагенной активности изученных веществ в тесте Эймса показало полное совпадение результатов для 42 веществ. Обсуждается возможность использования lux-биосенсоров для скрининга химических соединений на генетическую активность.

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

В генетической токсикологии для выявления и оценки мутагенной активности химических факторов окружающей среды принят поэтапный подход. На первом этапе тестирования (этап скрининга) используются бактериальные тест-системы и клеточные культуры. На втором этапе вещества, показавшие активность на этапе скрининга, тестируются in vivo по способности индуцировать микроядра или хромосомные аберрации в клетках костного мозга мышей или крыс. В случае отсутствия мутагенной активности в клетках костного мозга млекопитающих рекомендована оценка мутагенной активности в других тканях. При этом допускается использование методов проверки на генотоксичность, таких как регистрация внепланового (репаративного) синтеза ДНК, ДНК-аддуктов, фрагментации ДНК в клетках печени, почек, селезенки и других органов [1].

На этапе первичной оценки мутагенной активности химических соединений чаще всего применяют тест Эймса Salmonella/микросомы [2, 3]. Для регистрации мутагенной активности в данном тесте используется набор штаммов S. typhimurium, ауксотрофных по гистидину и ревертирующих к дикому типу в результате индукции обратных мутаций. Штаммы S. typhimurium ТА 1535 и ТА 100 несут мутацию в гене hisG и ревертируют под действием веществ, вызывающих замену пар оснований, тогда как штаммы ТА 1538, ТА 97 и ТА 98 ревертируют в результате сдвига рамки считыва

×

Об авторах

Елена Викторовна Игонина

Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: iev555@ya.ru
канд. биол. наук., научный сотрудник лаб. экологической генетики Россия

Мария Викторовна Марсова

Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН

Email: masha_marsova@mail.ru
младший научный сотрудник, лаб. генетики микроорганизмов Россия

Серикбай Каримович Абилев

Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН

Email: abilev@vigg.ru
д-р биол. наук, зам. директора по научной работе Россия

Список литературы

  1. Абилев С.К., Глазер В.М. Генетическая токсикология: Итоги и проблемы // Генетика. – 2013. – Т. 49. – Вып. 1. – С. 81–93. [Abilev SK, Glaser VM. Genetic toxicology: finding and challenges. Russian Journal of Genetics. 2013;49(1):81-93. (In Russ.)]. doi: 10.7868/S0016675813010025.
  2. Ames BN, Durston WE, Yamasaki E, Lee FD. Carcinogens are mutagens: a simple test system combining liver homogenates for activation and bacteria for detection. Proc Natl Acad Sci USA. 1973a;70(8): 2281-2285. doi: 10.1073/pnas.70.8.2281.
  3. Ames BN, Lee FD, Durston WE. An improved bacterial test system for the detection and classification of mutagens and carcinogens. Proc Natl Acad Sci USA. 1973b;70(3):782-786. doi: 10.1073/pnas.70.3.782.
  4. Levin DE, Hollstein MC, Christman MF, et al. A new Salmonella tester strain (TA102) with A X T base pairs at the site of mutation detects oxidative mutagens. Proc Natl Acad Sci USA. 1982;79(23):7445-7449. doi: 10.1073/pnas.79.23.7445.
  5. Quillardet P, Huisman O, D’Ari R, et al. SOS chromotest, a direct assay of induction of an SOS function in Escherichia coli K12 to measure genotoxity. Proc Natl Acad Sci USA. 1982;79(19):5971-5975. doi: 10.1073/pnas.79.19.5971.
  6. Quillardet P, Hofnung M. SOS chromotest: a review. Mutat. Res. 1993;(297):235-279. doi: 10.1016/0165-1110(93)90019-J.
  7. Goerlich O, Quillardet P, Hofnung M. Induction of the SOS response by hydrogen peroxide in various Escherichia coli mutants with altered protection against oxidative DNA damage. J Bacteriol. 1989;171(11):6141-7. doi: 10.1128/jb.171.11.6141-6147.1989.
  8. Müller J, Janz S. Assessment of oxidative DNA damage in the oxyR-deficient SOS chromotest strain Escherichia coli PQ300. Environ Mol Mutagen. 1992;20(4):297-306. doi: 10.1002/em.2850200408.
  9. Müller J, Janz S. Modulation of the H2O2-induced SOS response in Escherichia coli PQ300 by amino acids, metal chelators, antioxidants, and scavengers of reactive oxygen species. Environ Mol Mutagen. 1993;22(3):157-63. doi: 10.1002/em.2850220308.
  10. Реутова Н.В. Мутагенный потенциал тяжелых металлов // Экологическая генетика. – 2015. – Т. 13. – Вып. 3. – С. 70–75. [Reutova NV. Mutagenic potential of some heavy metals. Ekologicheskaya genetika. 2015;13(3):70-75. (In Russ.)]. doi: 10.17816/ecogen13370-75.
  11. Valko M, Morris H, Cronin MT. Metals, toxicity and oxidative stress. Curr Med Chem. 200512(10):161-1208. doi: 10.2174/0929867053764635.
  12. Сычева Л.П. Оценка мутагенных свойств наноматериалов // Гигиена и санитария. – 2008. – № 6. – С. 26–28. [Sycheva LP. Evaluation of the mutagenic properties of nano-materials. Gigiena i Sanitariia. 2008;(6):26-8. (In Russ.)]
  13. Ghosh M, Manivannan J, Sinha S, et al. In vitro and in vivo genotoxicity of silver nanoparticles. Mutat Res. 2012;749(1-2):60-69. doi: 10.1016/j.mrgentox.2012.08.007.
  14. Манухов И.В., Котова В.Ю., Мальдов Д.Г., и др. Индукция окислительного стресса и SOS-ответа в бактериях Escherichia coli растительными экстрактами: роль гидроперекисей и эффект синергизма при совместном действии с цисплатиной // Микробиология. – 2008. – Т. 77. – С. 590–597. [Manuchov IV, Kotova VYu, Maldov DG, et al. Induction of oxidative stress and SOS response in Escerichia coli by vegetable extracts: the role of hydroperoxides and the synergistic effect of simultaneous treatmrnt with cisplatinum. Microbiology. 2008;77:590-597. (In Russ.)]. doi: 10.1134/S0026261708050020.
  15. Котова В.Ю., Манухов И.В., Завильгельский Г.Б. Lux-биосенсоры для детекции SOS-ответа, теплового шока и окислительного стресса // Биотехнология. – 2009. – № 6. – С. 16–25. [Kotova VYu, Manuchov IV, Zavigelskiy GB. Lux-biosensors for detection of SOS-response, heat shock and oxidative stress. Biotechnology in Russia. 2009;(6):8-17. (In Russ.)]. doi: 10.1134/S0003683810080089.
  16. Завильгельский Г.Б., Котова В.Ю., Хрульнова С.А., Манухов И.В. Оценка токсического действия наноматериалов на живые организмы // Биотехнология. – 2013. – № 6. – С. 8–17. [Zavigelsky GB, Kotova VYu, Khrul’nova SA, Manukhov IV. Asessment of toxicity of nanomaterials for live organisms. Biotechnology in Russia. 2013;(6):8-17. (In Russ.)]
  17. Котова В.Ю., Рыженкова К.В., Манухов И.В., Завигельский Г.Б. Индуцируемые специфические lux-биосенсоры для детекции антибиотиков: конструирование и основные характеристики // Прикладная биохимия и микробиология. – 2014. – Т. 50. – № 1. – С. 112–117. [Kotova VYu, Ryzhenkova KV, Manuchov IV, Zavigelskiy GB. Inducible specific lux-biosensors for the detection of antibiotics: construction and main parametrs. Prikladnaya Biokhimiya i Microbiologiya. 2014;50(1):112-117. (In Russ.)]. doi: 10.7868/S0555109914010073.
  18. Сазыкина М.А., Чистяков В.А. Мониторинг генотоксичности водной среды: Азово-Донской бассейн: Монография. – Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2009. [Sazykina MA, Chistyakov VA. Monitoring genotoxichnosti vodnoy sredi: Azovo-Donskoy basseyn: Monografiya. Rostov n/D: The SFU publishing house. 2009. (In Russ.)]
  19. Vollmer CA, Van Dyk TK. Stress responsive bacteria biosensors as environmental monitors. Adv Microb Physiol. 2004;49:131-174. doi: 10.1016/S0065-2911(04)49003-1.
  20. Bargonetti J, Champeil E, Tomasz M. Differential Toxicity of DNA Adducts of Mitomycin C. Journal of Nucleic Acids. 2010:698960. doi: 10.4061/2010/698960.
  21. McCalla DR. Mutagenicity of nitrofuran derivatives: Review. Environ Mutagen. 1983;(5):745-765. doi: 10.1002/em.2860050512.
  22. Kohda K, Kawazoe Y, Minoura Y, et al. Separation and identification of N4-(guanosin-7-yl)-4-aminoquinoline 1-oxide, a novel nucleic acid adduct of carcinogen 4-nitroquinoline 1-oxide. Carcinogenesis. 1991;12:1523-1525. doi: 10.1093/carcin/12.8.1523.
  23. McCann J, Choi E, Yamasaki E, Ames BN. Detection of carcinogens as mutagens in the Salmonella/microsome test: assay of 300 chemicals. Proc Natl Acad Sci USA. 1975;72(12):5135-5139. doi: 10.1073/pnas.72.12.5135.
  24. Biaglow JE, Jacobson BE, Nygaard OF. Metabolic reduction of 4-nitroquinoline N-oxide and other radical-producing drugs to oxygen-reactive intermediates. Cancer Res. 1977;37:3306-3313.
  25. De Flora S, Bagnasco M, Serra D, Zanacchi P. Genotoxicity of chromium compounds. A review. Mutat Res. 1990;(238):99-172. doi: 10.1016/0165-1110(90)90007-X.
  26. Фонштейн Л.М., Абилев С.К., Акиньшина Л.П., и др. Изучение мутагенного действия некоторых лекарственных препаратов на индикаторные бактерии // Химико-фармацевтический журнал. – 1978а. – № 1. – С. 39–44. [Fonshteyn LM, Abilev SK, Akin’shina LP, et al. Izuchenie mutagennogo deistviya nekotorykh lekarstvennykh preparatov na indikatornye bakterii. Khimiko-Farmatsevticheskiy Zhurnal. 1978a;(1):39-44. (In Russ.)]
  27. Фонштейн Л.М., Ревазова Ю.А., Золотарева Г.Н., и др. Изучение мутагенной активности диоксидина // Генетика. – 1978б. – Т. 14. – № 5. – С. 900–908. [Fonshteyn LM, Revazova YuA, Zolotareva GN, et al. Izuchenie mutagennoy aktivnosti dioksidina. Russian Journal of Genetics. 1978b:14(5):900-908. (In Russ.)]
  28. Clerch B, Bravo JM, Llagostera M. Analysis of the ciprofloxacin-induced mutations in Salmonella typhimurium. Environ Mol Mutagen. 1996;27(2):110-115. doi: org/10.1002/(SICI)1098-2280(1996)27:2<110::AID-EM6>3.0.CO;2-K.
  29. Ames BN. The detection of chemical mutagens with enteric bacteria. In: A. Hollaender ed. Chemical Mutagens: Principles and Methods for Their Detection. New York: Plenum Press; 1971, Vol. 1. doi: 10.1007/978-1-4615-8966-2_9.
  30. Longley DS, Harkin DP, Johnston PG. 5-Fluorouracil: mechanisms of action and clinical strategies. Nature. 2003;(3):330-337. doi: 10.1038/nrc1074.
  31. Ilin A, Nersesyan A. Toxicology of iodine: A mini reviews. Arch Oncol. 2013;21(2):67-71. doi: 10.2298/AOO1302065I.
  32. Norman AA, Hansen LH, Sorensen SJ. Construction of a ColD cda promoter-based SOS-Green Fluorescent Protein whole-cell biosensor with higher sensitivity toward genotoxic compounds than constructs based on recA, umuDC, or sulA promoters. Appl Environ. Microbiol. 2005;71:2338-2346. doi: 10.1128/AEM.71.5.2338-2346.2005.
  33. Фонштейн Л.М., Абилев С.К., Акиньшина Л.П., и др. Исследование генетических эффектов лекарственных веществ и других биологически активных соединений в тестах на мутагенез и ДНК-повреждающее действие // Химико-фармацевтический журнал. – 1982. – № 10. – С. 1163–1167. [Fonshteyn LM, Abilev SK, Akin’shina LP, et al. Investigation of the genetic effects of drugs and other biologically active compounds in tests for mutagenesis and DNA-damaging action. Khimiko-Farmatsevticheskiy Zhurnal. 1982;(10):1163-1167. (In Russ.)]
  34. Arlauskas A, Baker RSU, Bonin AM, et al. Mutagenicity of metal ions in bacteria. Environ Res. 1985;36(2):379-388.
  35. Cesium compounds toxicology reports… Cited 04.03.2016. WEB: http://www.bibra-information.co.uk/downloads/toxicity-profile-for-cesium-compounds-2000.
  36. Marzin DR, Phi HV. Study of the mutagenicity of metal derivatives with Salmonella typhimurium TA102. Mutat Res. 1985;155(1-2):49-51. doi: 10.1016/0165-1218(85)90024-2.
  37. Цефикар. Инструкция по медицинскому применению лекарственного средства. Цитировано 04.03.2016. WEB: http://www.pharmacare.by/ru/rx/100-antibiotics/12-ceficare.
  38. Brambilla G, Mattioli F, Robbiano L, Martelli A. Studies on genotoxicity and carcinogenicity of antibacterial, antiviral, antimalarial and antifungal drugs. Mutagenesis. 2012;27(4):387-413. doi: 10.1093/mutage/ger094.
  39. Diflucan. Cited 04.03.2016. WEB: www.pfaizer.com.
  40. Yajima N, Kondo K, Morita K. Reverse mutation tests in Salmonella typhimurium and chromosomal aberration tests in mammalian cells in culture on fluorinated pyrimidine derivatives. Mutat Res. 1981;88(3):241-54. doi: 10.1016/0165-1218(81)90036-7.
  41. Hannan MA, al-Dakan AA, Hussain SS, Amer MH. Mutagenicity of cisplatin and carboplatin used alone and in combination with four other anticancer drugs. Toxicology. 1989;55(1-2):183-91. doi: 10.1016/0300-483X(89)90185-6.
  42. Colofac MR. Summary of product characteristics… Cited 04.03.2016. WEB: https://www.medicines.org.uk/emc/medicine/2506.
  43. SCCS (Scientific Committee on Consumer Safety). Opinion on bismuth citrate, 12 December 2013.
  44. Brambilla G, Mattioli F, Martelli A. Genotoxic and carcinogenic effects of gastrointestinal drugs. Mutagenesis. 2010;25(4):315-326. doi: 10.1093/mutage/geq02.
  45. Karekar V, Joshi S, Shinde SL. Antimutagenic profile of three antioxidants in the Ames assay and the Drosophila wing spot test. Mutat Res. 2000;468(2):183-94. doi: 10.1016/S1383-5718(00)00055-3.
  46. Miadoková E, Mravcová M, Vlčková V, et al. Antimutagenic and anticlastogenic potential of α-lipoic acid. Biologia. 2002;57(3):351-358.
  47. Мексидол: инструкция по применению и отзывы. Цитировано 04.03.2016. www.health.mail.ru/drug/mexipridol/.
  48. N-Acetyl-L-cysteine for use in foods for particular nutritional uses and in foods for special medical purposes. EFSA Journal. 2003;(21):1-8.
  49. Laidlaw SA, Dietrich MF, Lamtenzan MP, et al. Antimutagenic effects of taurine in a bacterial assay system. Cancer Res. 1989;49(23):6600-6604.
  50. NTP report on the toxicology studies of dicyclohexylcarbodiimide. Natl Toxicol Program Genet Modif Model Rep. 2007; Sep.(9):1-138.
  51. Gorla N, Ovando HG, Larripa I. Chromosomal aberrations in human lymphocytes exposed in vitro to enrofloxacin and ciprofloxacin. Toxicol Lett. 1999;(104):43-48. doi: 10.1016/S0378-4274(98)00230-6.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Fig. 1. Luminescence of E. coli MG1655 (pColD–lux) induced by mitomycin C. The exposure time – 50 minutes

Скачать (29KB)
Метаданные
3. Fig. 2. Luminescence of E. coli MG1655 (pKatG–lux) induced by hydrogen peroxide. Exposure time – 25 minutes

Скачать (31KB)
Метаданные
4. Fig. 3. Luminescence of E. coli MG1655 (pSoxS–lux) induced by paraquat. Exposure time – 30 minutes

Скачать (30KB)
Метаданные

© Игонина Е.В., Марсова М.В., Абилев С.К., 2016

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 65617 от 04.05.2016.


Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах