06.07.2022

Микроэлементами клетки являются: Химические элементы клетки — задание. Биология, 9 класс.

Содержание

строение, свойства, функции — урок. Биология, 9 класс.

Среди органических веществ клетки самыми разнообразными по свойствам и выполняемым функциям являются белки, или протеины. В белках, в отличии от углеводов и липидов, кроме углерода, кислорода и водорода содержится азот, а также могут присутствовать атомы серы, фосфора и железа.

 

Белки — это биополимеры, мономерами в которых служат аминокислоты. В образовании всего разнообразия белков участвует \(20\) α-аминокислот. Молекулы аминокислот имеют две функциональные группы: карбоксильную (кислотную) и аминогруппу (основную).

 

Рис. \(1\). Молекула аминокислоты

  

Аминогруппа и карбоксильная группа способны взаимодействовать между собой с отщеплением воды и образованием пептидной связи CO−NH.  Пептидными связями молекулы аминокислот соединяются друг с другом в длинные цепи. Число остатков аминокислот в цепи может составлять несколько сотен и даже тысяч.

 Такие большие молекулы называют макромолекулами.

Структура белков

Порядок соединения аминокислот в макромолекуле белка называют первичной структурой. Для каждого типа белка эта структура уникальна. Она определяет структуры высших уровней, свойства белка и его функции.

 

Полипептидная цепь сворачивается в спираль за счёт образования водородных связей между группировками атомов −NH и −CO, расположенными на разных участках макромолекулы. Эту спираль называют вторичной структурой белка.

  

Третичная структура белка возникает при взаимодействии радикалов аминокислот, а также за счёт дисульфидных мостиков, водородных и ионных связей. Молекула белка принимает форму глобулы (шарика).

 

У некоторых белков формируется четвертичная структура.

Она представляет собой комплекс нескольких макромолекул, имеющих третичную структуру.  Четвертичную структуру удерживают непрочные ионные и водородные связи, а также гидрофобные взаимодействия. 

 

Рис. \(2\). Структуры белка

  

Белки могут соединяться с углеводами, жирами и нуклеиновыми кислотами с образованием комплексных соединений: гликопротеинов, липопротеинов, нуклеопротеинов.

 

Под действием внешних факторов: облучения, нагревания, некоторых химических веществ и др. — происходит нарушение пространственной структуры белковых молекул. Этот процесс называется денатурацией.

 

Сначала происходит разрушение четвертичной структуры, потом третичной и вторичной. Первичная структура при денатурации сохраняется, но белок утрачивает свои свойства и функции.

 

Денатурация в некоторых случаях обратима. Обратный процесс называется ренатурацией.

 

Рис. \(3\). Денатурация и ренатурация белка

  

Разрушение первичной структуры необратимо. Оно происходит при гидролизе белка — макромолекулы распадаются на отдельные аминокислоты. Такой процесс идёт в органах пищеварения животных и в лизосомах клеток под действием гидролитических ферментов.

Функции белков

1. Важнейшей функцией белков является каталитическая, или ферментативная. Белки-ферменты участвуют во всех биохимических реакциях, протекающих в клетке, и повышают скорость этих реакций во много раз. Для каждой реакции существует особый фермент.

  

2. Белки выполняют структурную (строительную) функцию. Они входят в состав плазматических мембран, образуют соединительные ткани (эластин и коллаген), волосы и ногти (кератин).

 

Рис. \(4\). Структурные белки в плазматической мембране

  

3. Сигнальную функцию также осуществляют белки, встроенные в мембрану. Под действием внешних факторов эти белки изменяют третичную структуру, что отражается на функционировании клетки.  

  

4. Транспортная функция белков проявляется в переносе ионов через клеточные мембраны, транспорте гемоглобином крови кислорода и углекислого газа, альбуминами плазмы — жирных кислот и т. д.

 

5. Двигательную функцию обеспечивают белки актин и миозин, способные сокращаться и растягиваться. Они приводят в движение реснички и жгутики одноклеточных организмов, сокращают мышцы у животных.

 

Рис. \(5\)

Сократительные белки

  

6. Защитная функция обеспечивается антителами иммунной системы организма, белками системы свёртывании крови (фибриногеном, протромбином и др.).

 

7. Регуляторную функцию выполняют белки-гормоны (инсулин, тиреотропин, соматотропин, глюкагон и др.).

 

8. Энергетическую функцию белки выполняют после израсходования запасов углеводов и жиров. При полном расщеплении \(1\) г белка до конечных продуктов выделяется \(17,6\) кДж энергии.  

Источники:

Рис. 1. Молекула аминокислоты. Автор: X-romix — собственная работа, Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10280776. 09.09.2021.

Рис. 2. Структуры белка. https://image.shutterstock.com/image-vector/protein-structure-primary-secondary-tertiary-600w-1474657079

Рис. 3. Денатурация и ренатурация белка. © ЯКласс.

Рис. 4. Структурные белки в плазматической мембран. https://shutterstock.puzzlepix.hu/kep/376416385е

Рис. 5. Сократительные белки. © ЯКласс.

Химический состав клетки. Неорганические соединения — Учебник по Биологии. 9 класс. Соболь

Учебник по Биологии. 9 класс. Соболь — Новая программа

И неживая, и живая природа построена из разных по размеру и составу молекул, а молекулы, в свою очередь, — из атомов.

Детская энциклопедия «Аванта +»

Основные понятия и ключевые термины: ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТКИ.

Вспомните! Что такое уровни организации жизни?

Подумайте!

«Птицы и звери, камни и звёзды — все мы одно. .. — шипел Змей, раскачиваясь между детьми. — Дети и змеи, звезды и камни — все мы одно…» — писала английская писательница Памела Линдон Трэверс (1899-1996) в своей детской книге «Мэри Поппинс» (Глава 10. Полнолуние), которая вышла ещё в 1934 г. Как вы думаете, о чём говорится в этом отрывке?

СОДЕРЖАНИЕ

Каков химический состав клетки?

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТКИ — совокупность химических элементов и химических веществ, содержащихся в клетке и обеспечивающих её жизнедеятельность или организма в целом. Условно химический состав клетки можно изучать на элементном и молекулярном уровнях. Наука, изучающая химический состав живого, значение и превращение его компонентов, называется биохимией.

Элементный состав определяется химическими элементами, участвующими в жизнедеятельности клетки. Их называют биоэлементами. Эти элементы есть и в неживой природе, но в клетках их соотношение весьма устойчиво. Биоэлементы в зависимости от количественного состава делят на органогены, макро- и микроэлементы.

Химический состав живого

Элементный состав

Молекулярный состав

Биоэлементы: органогены, макроэлементы, микроэлементы

I. Неорганические молекулы (оксиды, кислоты, основания, минеральные соли)

II. Органические молекулы (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты)

Наибольшее содержание приходится на углерод, кислород, водород и азот, которые являются органогенами. Они отличаются от других малыми размерами и незначительной относительной атомной массой. Именно эти особенности и обусловливают их участие в образовании многих соединений живого, то есть структурную функцию. Так, углерод входит в состав всех органических соединений, азот является частью аминокислот, белков, нуклеиновых кислот, витаминов.

К макроэлементам относят калий, кальций, натрий, магний, железо, являющихся металлами, и фосфор, хлор, серу, являющихся неметаллами. Эти элементы кроме структурной функции осуществляют ещё и регуляторную. Например, кальций обеспечивает свёртываемость крови, а натрий и калий регулируют транспортирование веществ в клетку и из клетки. Микроэлементами являются цинк, йод, фтор, медь, марганец, кобальт и др. Эти элементы входят в состав биологически активных веществ (гормонов, ферментов) и выполняют регуляторную функцию. Так, йод входит в состав гормонов щитовидной железы, цинк — в состав инсулина.

Молекулярный состав живого зависит от наличия в клетках неорганических и органических соединений. Из неорганических веществ в клетке наибольшее содержание приходится на воду и минеральные соли. Органическими веществами клеток являются белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты. Подробнее о строении, свойствах и функциях веществ клетки мы узнаем позже.

Итак, основные компоненты химического состава клеток — это биоэлементы, неорганические и органические вещества, выполняющие определённые функции и обеспечивающие жизнедеятельность клеток.

Следствием каких процессов является изменение химического состава клетки?

Каждая клетка — это открытая биологическая система, способная к саморегуляции, самообновлению и самовосстановлению. И все эти её фундаментальные процессы осуществляются при помощи химических элементов и молекул, участвующих в превращениях веществ, энергии и информации.

Среди этих процессов значительное место занимают физические процессы (растворение, кристаллизация, диффузия, излучение и т. д.) и химические реакции (реакции соединения, разложения, обмена, замещения). Клеточные процессы происходят при участии энергии, поэтому выделяют экзотермические (энергия выделяется в ходе преобразований) и эндотермические (энергия поглощается в ходе преобразований) реакции. Подавляющее большинство реакций в клетках происходит при участии ферментов, являющихся биокатализаторами. Ферменты обеспечивают очень быстрый ход реакций, сами при этом не расходуются и, что очень важно для клетки, регулируют процессы в зависимости от потребностей клетки в веществах и энергии.

Основными типами ферментативных реакций являются реакции синтеза и разложения, реакции окисления и восстановления. Большинство ферментативных реакций являются специфическими для живой природы и не могут происходить в неживой, что свидетельствует о единстве всего живого на Земле.

Итак, функциональными компонентами химического состава клетки являются физические и химические процессы, обеспечивающие преобразование веществ, энергии и информации.

Каково биологическое значение неорганических веществ?

Как вы знаете из курса химии, среди неорганических веществ есть простые (состоят из атомов одного элемента) и сложные (состоят из атомов различных элементов). Среди сложных соединений выделяют четыре класса — оксиды, кислоты, основания и соли.

Простые соединения

Неметаллы: O2, O3, H2, N2 и др. Металлы: ферум, медь, цинк и др.

Сложные соединения

Оксиды: CO2, H2О, SO3, N2O5, P2O5, H2О2 и др.

Кислоты: HCl, HNO3, H2SO4, H2CO3, H3PO4 и др.

Основания: NaОН, Са(ОН)2, Fe(OH)3 и др.

Соли: нитраты, карбонаты, фосфаты, сульфаты, хлориды

Оксиды — это сложные соединения элементов с кислородом. Оксиды неметаллов и металлов выполняют в организме определённые жизненно важные функции. Например, оксид водорода Н2О является универсальным растворителем, оксид углерода(ІV) СО2 — регулятором дыхания, пероксид водорода Н2О2 и угарный газ СО — токсичными веществами.

Кислотами называются соединения, содержащие в молекулах атомы водорода и кислотные остатки. Особенностями, определяющими биологическое значение кислот, является их способность образовывать при диссоциации анионы NO3, Cl, SO24, CO23 (участвуют в регуляции процессов) и катионы Н+, от концентрации которых зависит кислотность жидкостей организмов. Кислоты входят в состав желудочного сока (HCl), нуклеиновых кислот, фосфолипидов клеточных мембран (Н3РО4), растворяют нерастворимые продукты выделения (H2SO4) и др.

Основаниями называют соединения, в состав которых входят, как правило, атом металла и гидроксильные группы. Щёлочи обладают способностью связывать ионы Н+ и участвовать в регуляции кислотно-щелочного баланса жидкостей внутренней среды. Свойства оснований имеет и водный раствор аммиака, образующегося как конечный продукт обмена белков и оказывающего отравляющее действие на организм.

Соли являются продуктами замещения атомов водорода в кислотах на атомы металлов. Нерастворимые в воде соли участвуют в построении защитных и опорных образований (например, кальций карбонат и кальций фосфат образуют ракушки, скелеты кораллов, зубы позвоночных). Из растворимых солей для организмов наибольшее значение имеют соли, которые образуют катионы натрия, калия, кальция, магния, железа и остатки соляной, серной, азотной кислот. Эти ионы, обеспечивают транспортирование веществ через мембраны клеток, регуляцию работы сердца, проведение возбуждения, активацию ферментов и др.

Итак, в состав организмов входят простые и сложные соединения, выполняющие строительную, регуляторную и другие функции.

ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

Задание на применение знаний

Для конкурса предлагаются задания, в которых фигурируют 12 химических элементов: N, Zn, Cu, Ca, F, Ra, Cl, Fe, Se, І, Mg, Si. Укажите название элемента как ответ на задание, выберите из этого названия указанную букву и получите название науки, изучающей лекарственные вещества и их действие на организм.

Мини-конкурс «ХИМИЯ ЖИВОГО»

I. Какой химический элемент в составе эмали придаёт ей прочности? 1 …

II. Какой элемент является частью костей, раковин моллюсков? 2 …

III. Какой элемент обусловливает красный цвет крови у позвоночных? 3 …

IV. От какого элемента зависит зелёный цвет растений? 1 …

V. Элемент, который накапливается в болотной ряске и применяется для лечения опухолей. 2 …

VI. Элемент, обусловливающий голубую окраску крови кальмаров. 1 …

VII. Этот элемент является компонентом желудочного сока. 3 …

VIII. Элемент назван в честь богини Луны и его много в сетчатке орлов. 3 …

XIX. Элемент бурых водорослей в составе гормонов щитовидной железы. 2 …

X. Элемент в составе аминокислот, белков, нуклеиновых кислот, NH3. 6 …

XI. Какого химического элемента содержится много в клетках хвощей? 4 …

XII. Плоды рябины, положительно влияющие на кроветворение. 1 . ..

Биология + Химия

Укажите названия и химические формулы неорганических соединений, указанных в таблице. Объясните связь биологии с неорганической химией.

НЕКОТОРЫЕ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА ЖИВЫХ СУЩЕСТВ, ИХ ЗНАЧЕНИЕ

Название

Значение

В составе желудочного сока активирует пищеварительные ферменты

Растворяет продукты обмена для удаления из клеток вместе с водой

Конечный продукт обмена белков, участвует в образовании нитратов

Конечный продукт окисления, источник углерода в фотосинтезе

Является условием клеточного дыхания, конечным продуктом фотосинтеза

Образует защитный экран от пагубного для живого действия «жёсткого» ультрафиолетового излучения

Строение ракушек радиолярий, клеток хвощей, панцирей диатомей

ОТНОШЕНИЕ

Парацельс (настоящее имя — Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм) — известный немецкий алхимик, врач эпохи Возрождения. Он считал, что живые организмы состоят из тех же элементов, что и все другие тела природы. Выскажите и обоснуйте суждения о подобии состава и различии в содержании химических элементов в живой и неживой природе.

РЕЗУЛЬТАТ

Оценка

Задания для самоконтроля

1-6

1. Что такое химический состав клетки? 2. Что является компонентами элементного состава клеток? 3. Что является компонентами молекулярного состава клеток? 4. Назовите неорганические соединения в составе живого. 5. Приведите примеры функций неорганических соединений живого. 6. Назовите органические вещества, входящие в состав живого.

7-9

7. Каков химический состав клетки? 8. Следствием каких процессов является изменение химического состава клетки? 9. Каков состав и биологическое значение неорганических соединений живого?

10-12

10. О чём свидетельствуют сходство состава и различное содержание химических элементов в живой и неживой природе?



Микроэлементы — ФГБУ «НМИЦ ТПМ» Минздрава России

Сегодня расскажем о микроэлементах :

— Железо является незаменимым компонентом гемоглобина – пигмента эритроцитов, переносящего кислород от легких к тканям. Также железо входит в состав ферментов, обеспечивающих клеточное дыхание. Дефицит железа проявляется анемией, а также шелушением кожи, расслоением ногтей, появлением трещин на губах, ломкостью волос. Чаще всего от недостатка железа страдают дети и женщины детородного возраста. Железом богаты яблоки, гранаты, мясо, печень. Из мяса железо усваивается на 20%, из рыбы — 11%, растительных продуктов — 5%.

— С помощью меди происходит активация тканевых ферментов, которые участвуют в дыхании клеток. С помощью меди происходит перенос железа в костный мозг и созревание эритроцитов. Дефицит меди приводит к нарушению развития костной и соединительной ткани, также задерживается умственное развитие детей, увеличиваются печень и селезенка, развивается анемия. Источники меди: хлеб и мучные продукты, чай, кофе, фрукты и грибы.

— Основная роль йода в организме человека заключается в том, что йод является активной частью гормонов щитовидной железы, которые регулируют энергетические процессы организма. При недостатке йода возникает тяжелое заболевание – гипотиреоз. Основным источником йода для человека являются молоко, мясо, свежие овощи, рыба и морские продукты. Дефицит йода возникает в основном из-за неправильного питания.

— Фтор полезен для организма только в небольших количествах. При низких концентрациях фтор стимулирует развитие и рост зубов, костной ткани, образование клеток крови, повышение иммунитета. Недостаток фтора повышает риск заболевания кариесом (особенно у детей) и негативно сказывается на иммунитете. Основные источники фтора: свежие овощи, молоко, питьевая вода.

— При дефиците селена в рационе питания в организме могут возникать снижение иммунитета, повышение склонности к воспалительным процессам, снижение функции печени, болезни кожи и волос, репродуктивная недостаточность. Недостаток селена ускоряет развитие атеросклероза и ишемической болезни сердца.

Тест с ответами “Химический состав клетки” 9 класс

1. На сколько групп(видов, отрядов), делятся химические элементы, входящие в состав клетки:
а) 3 группы +
б) 4 вида
в) 2 отряда

2. Какой структурой является спиральная упаковка молекулы белка:
а) третичной
б) вторичной +
в) первичной

3. Не относится к химическому составу клетки данная группа:
а) макроэлементы
б) микроэлементы
в) витамины +

4. Только макроэлементы содержит этот набор:
а) углерод, медь, цинк, водород
б) углерод, кислород, водород, азот +
в) железо, цинк, медь, йод

5. Какое название носит наука о строении, химическом составе и функциях клетки:
а) биология
б) экология
в) цитология +

6. Что можно сказать о химическом составе клетки в целом:
а) содержание органических веществ в клетке исчисляется единицами процентов
б) в клетке содержится много воды +
в) содержание микроэлементов в клетке велико

7. В Виде чего, в клетку и из клетки, поступают минеральные вещества поступают в клетку:
а) ионов +
б) атомов
в) молекул

8. Что можно сказать о химическом составе клетки в целом:
а) содержание микроэлементов в клетке велико
б) в клетке содержится большое количество сложных органических веществ +
в) содержание органических веществ в клетке исчисляется единицами процентов

9. Равномерное распределение тепла в клетке обеспечивает данное свойство воды:
а) теплоемкость
б) текучесть
в) теплопроводность +

10. Что можно сказать о химическом составе клетки в целом:
а) содержание микроэлементов в клетке велико
б) микроэлементы присутствуют в клетке в незначительном количестве +
в) содержание микроэлементов в клетке велико

11. Не существует такой рибонуклеиновой кислоты:
а) транспортной
б) информационной
в) ядерной +

12. Цитозин комплементарен в молекуле ДНК:
а) цитозину
б) гуанину +
в) аденину

13. Остатки фосфорной кислоты в молекуле АТФ соединяет данная связь:
а) макроэргическая +
б) водородная
в) пептидная

14. Аденин комплементарен в молекуле ДНК:
а) цитозину
б) гуанину
в) тимину +

15. Что является источником энергии в клетке:
а) АТФ +
б) ДНК
в) РНК

16. Для углеводов не характерна данная функция:
а) строительная
б) транспортная +
в) энергетическая

17. Основой нуклеиновых кислот является данный элемент:
а) фосфор +
б) кислород
в) кальций

18. Что из представленного, не относится к липидам:
а) половые гормоны
б) клетчатка +
в) витамины А и D

19. Как называются вещества, не растворяющиеся в воде:
а) кислоты
б) щёлочи
в) гидрофобы +

20. Укажите основную функцию белков:
а) строительная +
б) запасающая
в) энергетическая

21. К функциям железа не относится данное значение:
а) транспортирует кислород по организму
б) один из компонентов гемоглобина
в) провоцирует синтез ДНК +

22. Не является полисахаридом данный углевод:
а) целлюлоза
б) глюкоза +
в) крахмал

23. Калий в организме:
а) основной компонент жиров
б) ускоряет свёртывание крови
в) участвует в процессе фотосинтеза +

24. Что является запасным животным сахаром:
а) гликоген +
б) целлюлоза
в) крахмал

25. В клетке преобладает это неорганическое вещество:
а) минеральные соли
б) воздух
в) вода +

26. Чем являются ферменты, ускоряющие биохимические реакции:
а) углеводами
б) белками +
в) липидами

27. К макроэлементам относится этот элемент:
а) хлор +
б) кислород
в) углерод

28. Для чего характерно нуклеотидное строение:
а) углеводов
б) нуклеиновых кислот +
в) липидов

29. В клетке больше всего таких элементов:
а) макроэлементов +
б) микроэлементов
в) витаминов

30. Для чего характерно нуклеотидное строение:
а) углеводов
б) белков
в) АТФ +

Особенности химического состава клетки



1. Что такое химический элемент?

Ответ. Химический элемент — совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра и числом протонов, совпадающим с порядковым (атомным) номером в таблице Менделеева. Каждый химический элемент имеет свои название и символ, которые приводятся в Периодической системе элементов Дмитрия Ивановича Менделеева

2. Сколько химических элементов известно в настоящее время?

Ответ. Химических элементов в природе выявлено около 90. Почему около? Потому, что среди элементов с порядковым номером менее 92 (до урана) в природе отсутствуют технеций (43) и франций (87). Практически нет астата (85).С другой стороны, и нептуний (93) и плутоний (94) (нестабильные трансурановые элементы) обнаруживаются в природе там, где встречаются урановые руды. Все элементы следующие после плутония Pu в периодической системе Д.И.Менделеева в земной коре полностью отсутствуют, хотя некоторые из них несомненно образуются в космосе во время взрывов сверхновых звёзд. Но долго они не живут…

К настоящему времени ученые синтезировали 26 трансурановых элементов, начиная с нептуния (N=93) и заканчивая элементом с номером N=118 (номер элемента соответствует числу протонов в ядре атома и числу электронов вокруг ядра атома).

Трансурановые химические элементы от 93 до 100 получают в ядерных реакторах, а остальные — в результате ядерных реакций на ускорителях частиц.

3. Какие вещества называют неорганическими?

Ответ. Неорганические вещества (неорганические соединения) — химические соединения, не являющиеся органическими, то есть, не содержащие углерода, а также некоторые углеродсодержащие соединения (карбиды, цианиды, карбонаты, оксиды углерода и некоторые другие вещества, которые традиционно относят к неорганическим). Неорганические вещества не имеют характерного для органических веществ углеродного скелета.

4. Какие соединения называют органическими?

Ответ. Органические соединения, органические вещества — класс химических соединений, в состав которых входит углерод (за исключением карбидов, угольной кислоты, карбонатов, оксидов углерода и цианидов). Органические соединения, кроме углерода, чаще всего содержат элементы водород, кислород, азот, значительно реже — серу, фосфор, галогены и некоторые металлы (порознь или в различных комбинациях).

5. Какие химические связи называют ковалентными?

Ответ. Ковалентная связь (атомная связь, гомеополярная связь) — химическая связь, образованная перекрытием (обобществлением) пары валентных электронных облаков. Обеспечивающие связь электронные облака (электроны) называются общей электронной парой.

Характерные свойства ковалентной связи — направленность, насыщаемость, полярность, поляризуемость — определяют химические и физические свойства соединений.

Направленность связи обусловлена молекулярным строением вещества и геометрической формы их молекулы. Углы между двумя связями называют валентными.

Насыщаемость — способность атомов образовывать ограниченное число ковалентных связей. Количество связей, образуемых атомом, ограничено числом его внешних атомных орбиталей.

Полярность связи обусловлена неравномерным распределением электронной плотности вследствие различий в электроотрицательностях атомов. По этому признаку ковалентные связи подразделяются на неполярные и полярные.

Поляризуемость связи выражается в смещении электронов связи под влиянием внешнего электрического поля, в том числе и другой реагирующей частицы. Поляризуемость определяется подвижностью электронов. Полярность и поляризуемость ковалентных связей определяет реакционную способность молекул по отношению к полярным реагентам.

Электроны тем подвижнее, чем дальше они находятся от ядер.

Вопросы после §6

1. Почему можно утверждать, что химический состав клетки является подтверждением единства живой природы и общности живой и неживой природы?

Ответ. Химические элементы клетки. По химическому составу клетки разных организмов и даже клетки, выполняющие различные функции в одном многоклеточном организме, могут существенно отличаться друг от друга. В то же время разные клетки включают в себя практически одни и те же химические элементы. Сходство элементарного химического состава клеток разных организмов доказывает единство живой природы. Вместе с тем нет ни одного химического элемента, содержащегося в живых организмах, который не был бы найден в телах неживой природы. Это указывает на общность живой и неживой природы.

2. Какие элементы относятся к макроэлементам?

Ответ. Макроэлементы — химические элементы, содержащийся в теле живых организмов в концентрации от 0.001% до 70%. К макроэлементам относятся: кислород, водород, углерод, азот, фосфор, калий, кальций, сера, магний, натрий, хлор, железо и др

3. В чём разница между микроэлементами и ультрамикроэлементами?

Ответ. Главное различие в процентном содержании: для макроэлементов больше 0.01%, для микроэлементов — менее 0.001%. Ультрамикроэлементы содержатся в еще меньшем объеме — менее 0.0000001%. К ультрамикроэлементам относятся золото, серебро, ртуть, платина, цезий, селен. Функции ультрамикроэлементов на данный момент мало понятны. К микроэлементам относят бром, железо, йод, кобальт, марганец, медь, молибден, селен, фтор, хром, цинк. Чем меньше концентрация вещества в организме, тем труднее определить его биологическую роль.

4. Почему считают, что углерод составляет химическую основу жизни?

Ответ. Углерод имеет уникальные химические свойства фундаментальные для жизни. Сочетание свойств атома — размеры и количество неспаренных электронов на внешней орбитали, позволяет образовывать различные органические соединения.. Он может вступать в связь со многими атомами и их группами, образуя цепочки, кольца, составляющие скелет различных по химическому составу, строению, длине и форме органических молекул. Из них образуются сложные химические соединения, различающиеся по строению и функциям

Биология — 9

Элементы, содержание которых в клетке составляет более 0,001%, называют макроэлементами, а элементы от 0,001% до 0,000001% — микроэлементами.

Деятельность

2

Проанализируйте таблицу, охарактеризуйте элементный состав клетки.
Разделите элементы на группы по процентному содержанию и значению в клетке:
  • Макроэлементы (более 0,001%).
  • Микроэлементы (от 0,001% до 0,000001%).
В состав каких веществ в организме входят макроэлементы и какую роль они играют в жизнедеятельности живых существ?
Процентное содержание химических элементов в клетке
Элемент Знак Количество, %
Кислород
Углерод
Водород
Азот
Фосфор
Калий
Сера
Хлор
Кальций
Магний
Натрий
Железо
Цинк
Медь
Йод
Фтор
O
C
H
N
P
K
S
Cl
Ca
Mg
Na
Fe
Zn
Cu
J
F
65–75
15–18
8–10
1,5–3,0
0,2–1,0
0,15–0,4
0,15–0,2
0,05–0,10
0,04–2,00
0,02–0,03
0,02–0,03
0,01–0,015
0,0003
0,0002
0,0001
0,0001
Состав химических
элементов в клетках

К макроэлементам относят кислород, углерод, водород, азот, фосфор, калий, серу, хлор, кальций, магний, натрий и железо. Эти элементы играют важную роль в клетке. К примеру, магний является структурным компонентом хлорофилла, а железо — гемоглобина. Кальций и фосфор, участвующие в образовании межклеточного вещества костной ткани, придают прочность костям. Кроме того, кальций является одним из факторов, влияющих на свертываемость крови.

Такие элементы, как цинк, медь, йод, фтор, кобальт, селен, называют микроэлементами. Несмотря на малое содержание этих элементов в клетке, они играют значительную роль в процессе обмена веществ в ней. Так, цинк входит в состав гормона поджелудочной железы — инсулина, а йод является основным компонентом тироксина — гормона щитовидной железы, регулирующего процессы обмена веществ и рост организма.

Ключевые слова

• макроэлемент
• микроэлемент

Химические элементы участвуют в построении организма в
виде ионов или в составе веществ. К примеру, углерод, водород и кислород входят в состав углеводов и жиров. В состав белков, помимо этих элементов, входят азот, сера, железо, магний, йод и другие элементы. Если вода и хлорид натрия встречаются как в живой, так и в неживой природе, то органические вещества характерны в основном для живых организмов.

Микроэлементы в питании газонных трав.

Трава на газоне непрерывно развивается, растёт, и ей необходимы удобрения. Кроме того, скошенные листья уносят с собою часть питательных элементов и вследствие этого удобрения так же необходимы, чтобы поддержать плодородие почвы.

Основными элементами удобрений являются азот, фосфор и калий.

Газоны испытывающие значительные физические нагрузки требуют для подкормки в год 20 грамм азота, 7 грамм фосфора, 15 грамм калия и 3 грамма магния в пересчёте на квадратный метр.

В течении всего вегетационного периода газон необходимо подкармливать , но вносить сразу все удобрения не следует, необходимо сделать это частями — весной, летом и осенью.

Весною надо подкармливать газон азотными удобрениями так как при внесении азота растения начинают бурно развиваться. Вносить азот осенью нежелательно, так как трава начнёт расти и не успеет подготовиться к зиме, кроме того, перекормка азотом ведёт к образованию плесени. Осенние воды просто вымоют азот из почвы и на следующий год растения будут в нём нуждаться. Лучше воспользоваться гранулированными азотными удобрениями, в которых азот медленно высвобождается под действием микроорганизмов. Большие дозы азота могут привести к ожогу травы.

Осенняя подкормка должна включать калий, который укрепляет стенки клеток и помогает растению готовиться к зиме. Калийные удобрения повышают устойчивость растения к засухе, болезням, помогает сохранить красивый зелёный окрас травы.

Фосфор укрепляет корневую систему, облегчает появление боковых побегов, что делает дёрн более густым, а вид газона — более привлекательным.

Кроме основных элементов растения необходимы и так называемые микроэлементы. Они требуются в совершенно ничтожных количествах, но их отсутствие в почве приводит к опасным болезням растений.

Такое их действие объясняется тем, что они входят в состав ферментов, которые регулируют все биохимические процессы, происходящие в растениях. Они являются катализаторами обменных процессов, регулируют скорость и направление биохимических процессов происходящих в клетке растения.

Даже, если микроэлементы находятся в почве, например железо, медь, они не всегда доступны для растения, в связи с тем, что находятся в малорастворимой форме.

Большинство микроэлементов остаются в том органе растения, в который они попали в момент вегетации и не переходят в более молодые органы, то есть часть листьев достаточно содержат микроэлементов, в то время, как более молодые листья страдают из-за их отсутствия.

Количество микроэлементов, необходимого для нормального роста растения различно. Растению необходимо больше бора, кальция, серы, чем железа, меди, цинка, марганца, кобальта, молибдена.

Отсутствие Бора в почве приводит к нарушению синтеза белков, процесс деления клеток и клеточных стенок нарушается, вегетативные и генеративные органы растения не развиваются должным образом, листья буреют, что приводит к гибели растения.

Недостаток Бора приводит к ослаблению действия гормонов и нарушению процесса транспортировки сахара.

При визуальном осмотре растения можно заметить, что у него количество завязей недостаточно, пыльцы мало, плоды потрескались и неправильно развиваются, внутри плода часто наблюдается некроз.

Наиболее чувствительны к отсутствию бора — свёкла, рапс, бобовые культуры, овощи, виноград и яблоня.

Железо входит в состав хлорофилла и поэтому все процессы фотосинтеза и дыхания происходят при его участии. Оно же входит в состав многих ферментов, помогает в метаболизме серы и азота.

В почве может быть достаточное количество Железа, но оно и в щелочной и в избыточно кислой почвах находится в трудно растворимом состоянии и растению недоступно.

Недостаток Железа приводит к заболеванию — хлороз растения, при котором в злаках появляются жёлтые полосы вдоль листа, остальные растения имеют «бледный», жёлтый вид.

Особенно чувствительны к недостатку Железа декоративные культуры, виноград, плодовые, капуста, томат, картофель, бобовые и кукуруза.

Марганец регулирует процесс усвоения Железа в растении, помогает накапливанию сахара, особенно в корнеплодах, помогает образованию белка в злаках, активирует процессы фотосинтеза при наступлении неблагоприятных погодных условий, без него немыслим процесс синтеза витамина С, важного элемента в биохимии растения.

Наружным осмотром можно выявить серо-зеленые точки и полоски на базальной стороне листа злаковых, хлоротичные, жёлтые мелкие пятнышки на молодых листьях двудольных растений.

Все зерновые и большинство бобовых культур, а так же картофель, свёкла, кукуруза, цитрусовые и вишня чувствительны к недостатку Марганца.

Цинк сохраняет молодость клеток, он является необходимым компонентом ферментов, которые регулируют синтез ДНК, и метаболизм азота, фосфора, сахаров. Синтез триптофана происходит с его участием.

Его недостаток снижает морозостойкость растения, его жароустойчивость и устойчивость к засухе. Если визуальный осмотр культуры обнаружил укороченные междоузлия у растения, гибель побегов и опадания листьев у плодовых, жёлтые пятнышки и полосы на листьях — это признаки недостатка Цинка.

Особенно отсутствие Цинка сказывается на кукурузе, бобовых, хмеле, картофеле, зеленных культурах (укроп, петрушка и т.д.), винограде, груше и яблони, на цитрусовых.

Медь активирует многие ферменты, в том числе и ответственные за преждевременное старение клеток. Она входит в состав белков, участвует в их метаболизме, участвует в метаболизме углеводов. Регулирует поступление энергии Солнца в клетки растения. Медь повышает сопротивляемость растений к неблагоприятным условиям среды. Синтез белков, сахара и витамина С происходит под управлением медьсодержащих ферментов.

Визуально можно определить недостаток Меди по скручиванию и отмиранию краёв молодых листьев, урожайность снижается, из-за снижения количества пыльцы, злаки полегают, плодовые деревья опускают ветви.

Особо плохо переносят недостаток Меди зерновые, картофель, рис, яблоня, груша, цитрусовые, овощи и люцерна.

Магний — является основой хлорофилла, катализирует участие двуокиси углерода путём вхождения в состав фермента, который осуществляет процесс фотосинтеза.

Недостаток Магния приводит к опаданию листьев в случае большого недостатка Магния, старые листья желтеют и не участвуют в выработке необходимых растению веществ, снижая их урожайность, вдоль листа появляются жёлтые пятна.

Такие растения как сахарная свёкла, картофель, хмель, виноград, орехи, парниковые культуры особенно чувствительны к недостатку Магния.

Молибден необходим бобовым для фиксации атмосферного азота, способствует синтезу хлорофила, углеводов, каротина, белка и аскорбиновой кислоты.

При недостатке Молибдена ощущается слабый рост растения, в том числе и газонной травы, появляется хлороз листьев, как при недостатке азота, старые листья в верхней части листа теряют зелёную окраску.

Чувствительны к недостатку Молибдена зерновые, бобовые, свёкла, томаты, капуста, люцерна.

Кобальт является основой витамина В12 , который способствует фиксации атмосферного азота бобовыми, активизирует накопление хлорофилла, участвует в синтезе нуклеиновых кислот, помогает проведению окислительно-восстановительных реакций.

При дефиците Кобальта растения вырастают ослабленными, отсутствие в их составе многих необходимых веществ может привести к заболеванию сельскохозяйственных животных.

Горох, фасоль, клевер, люцерна наиболее чувствительны к недостатку Кобальта.

Сера является составной частью белков, пептидов. Именно летучие вещества, имеющие в своём составе серу придают аромат луку и другим культурам, они же входят в состав масла горчицы и других сульфат-ионов. Аминокислоты цистин, цистеин и метионин являются составной частью многих белков, коэнзим-А, глютатион, протеолитических энзимы и некоторые витамины имеют в своём составе Серу.

При недостатке Серы снижается урожайность культур, нередко без визуальных признаков этого недостатка, крестоцветные и многие злаковые приобретают красно-фиолетовую окраску, жилки молодых листьев поражаются хлорозом, при общем замедлении роста растения стебли утончаются и удлиняются.

Кукуруза, пшеница, соя, просо, люцерна, многолетние травы для газона, рапс и подсолнечник страдают при недостатке Серы.

Промышленность выпускает много различных видов удобрений. Среди них не органические соли металлов, соли гуминовых кислот, капсулированные минеральные соли, микроэлементы в хелатной форме.

Как правило, рекомендуется применять комплексные удобрения, содержащие микроэлементы наряду с азотом, фосфором, калием.

Удобрение Bona Forte Газонное весна-лето содержит большинство микроэлементов. В его состав входят — азот, фосфор и калий (N:P:K) в соотношении 17%:10%:14%, а также 11 % серы (S) и микроэлементы : молибден, цинк, железо, бор, медь, марганец.

Для осенней подкормки вы можете использовать Удобрение Bona Forte осеннее , которое содержит азот, фосфор и калий (N:P:K) в соотношении 8:20:30, а , 3% серы. Удобрение содержит и микроэлементы, такие как бор, молибден, железо, медь, цинк, марганец.

Это удобрение пролонгированного действия, оно медленно отдаёт содержащие в нем микроэлементы и будет долго подпитывать ваш газон.

Для осенней подкормки подходит Удобрение Fertika газонное. Осень (аналог Кемиры) . Это комплексное удобрение, выпускаемое в виде гранул. Оно является удобрением пролонгированного действия и содержит все необходимые макро- и микроэлементы в оптимальном соотношении (N:P:K — 13:7:15).

Жидкое комплексное удобрение (ЖКУ) Bona Forte с эжектором , или без . Жидкая форма оптимальна для высококачественной подкормки, позволяет контролировать процесс внесения удобрения, не оставляя «слепых пятен», или пятен избыточного внесения удобрения. Bona Forte содержит в составе основные макроэлементы — азот, фосфор и калий (N:P:K) в пропорциях 7:3,5:7, а также магний (1,4%) и такие микроэлементы как бор, железо, кобальт, молибден, марганец, медь, цинк. Для оптимизации действия удобрения ЖКУ Бона Форте газонное оно содержит витамины В1, РР и С и регулятор роста — лимонную кислоту.

микроэлементов | СпрингерЛинк

‘) var head = document.getElementsByTagName(«head»)[0] var script = document.createElement(«сценарий») script.type = «текст/javascript» script.src = «https://buy.springer.com/assets/js/buybox-bundle-52d08dec1e.js» сценарий.id = «ecommerce-scripts-» ​​+ метка времени head.appendChild (скрипт) var buybox = document.querySelector(«[data-id=id_»+ метка времени +»]»).parentNode ;[].slice.call(buybox.querySelectorAll(«.вариант-покупки»)).forEach(initCollapsibles) функция initCollapsibles(подписка, индекс) { var toggle = подписка.querySelector(«.цена-варианта-покупки») подписка.classList.remove(«расширенный») переменная форма = подписка.querySelector(«.форма-варианта-покупки») если (форма) { вар formAction = form.getAttribute(«действие») document.querySelector(«#ecommerce-scripts-» ​​+ timestamp).addEventListener(«load», bindModal(form, formAction, timestamp, index), false) } var priceInfo = подписка.querySelector(«.Информация о цене») var PurchaseOption = toggle.parentElement если (переключить && форма && priceInfo) { переключать.setAttribute(«роль», «кнопка») toggle.setAttribute(«tabindex», «0») toggle.addEventListener («щелчок», функция (событие) { var expand = toggle.getAttribute(«aria-expanded») === «true» || ложный toggle.setAttribute(«aria-expanded», !expanded) form.hidden = расширенный если (! расширено) { покупкаВариант.classList.add («расширенный») } еще { покупкаOption.classList.remove(«расширенный») } priceInfo.hidden = расширенный }, ложный) } } функция bindModal (форма, formAction, метка времени, индекс) { var weHasBrowserSupport = window.fetch && Array.from функция возврата () { var Buybox = EcommScripts ? EcommScripts.Ящик для покупок: ноль var Modal = EcommScripts ? EcommScripts.Modal : ноль if (weHasBrowserSupport && Buybox && Modal) { var modalID = «ecomm-modal_» + метка времени + «_» + индекс var modal = новый модальный (modalID) modal.domEl.addEventListener («закрыть», закрыть) функция закрыть () { форма.querySelector(«кнопка[тип=отправить]»).фокус() } вар корзинаURL = «/корзина» var cartModalURL = «/cart?messageOnly=1» форма.setAttribute( «действие», formAction.replace(cartURL, cartModalURL) ) var formSubmit = Buybox.interceptFormSubmit( Буйбокс.fetchFormAction(окно.fetch), Buybox.triggerModalAfterAddToCartSuccess(модальный), функция () { form.removeEventListener («отправить», formSubmit, false) форма.setAttribute( «действие», formAction.replace(cartModalURL, cartURL) ) форма.представить() } ) form.addEventListener («отправить», formSubmit, ложь) document.body.appendChild(modal.domEl) } } } функция initKeyControls() { document.addEventListener («нажатие клавиши», функция (событие) { если (документ.activeElement.classList.contains(«цена-варианта-покупки») && (event.code === «Пробел» || event.code === «Enter»)) { если (document.activeElement) { событие.preventDefault() документ.activeElement.click() } } }, ложный) } функция InitialStateOpen() { var buyboxWidth = buybox.смещениеШирина ;[].slice.call(buybox.querySelectorAll(«.опция покупки»)).forEach(функция (опция, индекс) { var toggle = option.querySelector(«.цена-варианта-покупки») var form = option.querySelector(«.форма-варианта-покупки») var priceInfo = option.querySelector(«.Информация о цене») если (buyboxWidth > 480) { переключить.щелчок() } еще { если (индекс === 0) { переключать.щелчок() } еще { toggle.setAttribute («ария-расширенная», «ложь») form.hidden = «скрытый» priceInfo.hidden = «скрытый» } } }) } начальное состояниеОткрыть() если (window.buyboxInitialized) вернуть window.buyboxInitialized = истина initKeyControls() })()

Размышления о жизнеспособности и стабильности генома

Abstract

Микронутриенты, в том числе минералы и витамины, необходимы для метаболических путей ДНК и, таким образом, так же важны для жизни, как и макроэлементы.Без надлежащих питательных веществ нестабильность генома нарушает гомеостаз, что приводит к хроническим заболеваниям и некоторым видам рака. Среда для культивирования клеток пытается имитировать среду in vivo , предоставляя модели in vitro , используемые для определения реакции клеток на различные раздражители. В этом обзоре обобщаются и обсуждаются исследования по добавлению микронутриентов в клеточные культуры, которые могут повысить жизнеспособность клеток и стабильность генома, с особым акцентом на предыдущие эксперименты in vitro .В этих исследованиях среды для культивирования клеток включают определенные витамины и минералы в концентрациях, не соответствующих физиологическим уровням. Во многих распространенных питательных средах единственным источником микронутриентов является фетальная бычья сыворотка (ЭБС), которая составляет лишь 5–10% состава среды. Минимальное внимание было уделено составу FBS, микроэлементам в клеточных культурах в целом или влиянию микроэлементов на жизнеспособность и генетику культивируемых клеток. Необходимы дальнейшие исследования, лучше оценивающие роль микроэлементов на молекулярном уровне и их влияние на геномную стабильность клеток.

1. Введение

Микронутриенты, незаменимые питательные вещества, которые необходимы в небольших количествах, так же важны для жизни, как и макроэлементы. Микронутриенты включают все витамины, такие как A, D и E, а также минералы, такие как кальций, цинк и железо. Роль микронутриентов in vivo хорошо известна, и в нескольких исследованиях изучалось влияние микронутриентов на стабильность генома [1–21]. В рационе человека требуется около 40 питательных микроэлементов, и для правильного метаболизма каждого микроэлемента требуется оптимальный уровень потребления.Дефицит питательных микроэлементов искажает метаболизм многочисленными и сложными способами, многие из которых могут привести к повреждению ДНК.

Микронутриенты необходимы для оптимального метаболизма макронутриентов из-за критической роли микроэлементов в промежуточном метаболизме. Неизменно метаболизм требует одновременного участия одного или нескольких витаминов и минералов. Таким образом, этиология хронических дегенеративных заболеваний и скорость патогенеза тесно связаны с дисбалансом микронутриентов. Исследования в области питания недавно выявили роль нескольких питательных веществ в регуляции геномного механизма [22].В частности, ряд витаминов и микроэлементов являются субстратами и/или кофакторами в метаболических путях, регулирующих синтез и/или репарацию ДНК и экспрессию генов [23]. Дефицит таких питательных веществ может привести к нарушению целостности генома и изменению метилирования ДНК, таким образом связывая питание с модуляцией экспрессии генов. Во многих случаях реакция на дефицит питательных веществ также, по-видимому, зависит от генотипа. Таким образом, взаимодействия между генами и питательными веществами являются захватывающим примером физиологических реакций на окружающую среду/диету на молекулярном уровне [22].

Минералы и витамины необходимы для путей метаболизма ДНК [24, 25]. Хотя до сих пор нет четких доказательств того, что диета оптимально защищает от повреждения ДНК с точки зрения пропорций или комбинаций конкретных микроэлементов, многие исследования, проведенные in vitro и на животных моделях, продемонстрировали роль микроэлементов в поддержании стабильности генома. . Например, известно, что дефицит витаминов С и Е вызывает окисление ДНК и повреждение хромосом [26, 27].Витамин D проявляет антиоксидантную активность, стабилизирует структуру хромосом и предотвращает двухцепочечные разрывы ДНК [28]. Точно так же магний является важным кофактором в метаболизме ДНК, который играет роль в поддержании высокой точности транскрипции ДНК [29]. В то время как избыток или недостаток железа может вызвать разрывы ДНК [30], диета, богатая каротиноидами, уменьшает повреждение ДНК [31], но избыток ретинола может быть канцерогенным для некоторых людей [32]. В последнем примере дефицит витамина B-12 связан с образованием микроядер [5, 24], а снижение уровня транскобаламина II в сыворотке связано с хромосомными аномалиями [33].

Учитывая важность микронутриентов in vitro , оптимизация жизнеспособности клеток и стабильности генома требует дальнейших исследований. Среда для культивирования клеток, имитирующая среду in vivo , может помочь создать модели in vitro реакции клетки на различные стимулы. В состав этих сред входят определенные витамины и минералы, но, к сожалению, во многих распространенных питательных средах единственным источником микронутриентов является эмбриональная телячья сыворотка (ЭБС), которая составляет лишь 5–10% состава сред.Кроме того, не всегда обеспечивается соответствующая пропорция микронутриентов, поскольку точный состав каждой партии FBS на самом деле чрезвычайно изменчив [34].

Определенные микроэлементы, такие как кальций, фолиевая кислота, магний и железо, считаются ключевыми элементами клеточных процессов, включая пролиферацию, выживание и даже дифференцировку клеточных культур [35–38]. Однако конкретная концентрация питательных микроэлементов в культуре, а также тип клеток могут вызывать различные реакции.Необходимы дальнейшие исследования роли микроэлементов на молекулярном уровне и влияния на стабильность генома.

2. Цели и область применения

В этом обзоре обобщаются и обсуждаются исследования, показывающие влияние некоторых микроэлементов на жизнеспособность клеток и стабильность генома, с особым акцентом на моделях in vitro . Представлены доказательства in vivo , иллюстрирующие значимость питательных веществ для стабильности генома. Документы были получены из PubMed с использованием следующих условий поиска: микроэлементы, витамины, минералы, клеточная культура, пролиферация, жизнеспособность и стабильность генома.Дополнительные публикации были собраны путем перекрестных ссылок на найденные основные статьи. Обзор не ставит целью включить все питательные вещества, которые могут повлиять на стабильность генома; затем были включены только следующие питательные вещества: витамины A, B7, B9, B12, C и E и минералы Cu, Fe, Mg, Se и Zn. Согласно Friso и Choi [39], дисбаланс таких пищевых нутриентов, как фолиевая кислота, цинк, витамин С и селен, может изменить геномное и/или геноспецифическое метилирование ДНК, что приводит к множеству различных молекулярных эффектов на экспрессию и целостность генов, в свою очередь, влияет на рост клеток, дифференцировку тканей, заболеваемость раком и старение.Чтобы лучше учитывать влияние выбранных питательных микроэлементов на жизнеспособность клеток и стабильность генома, мы рассмотрели доступную информацию об их дефиците или избытке.

3. Микронутриенты и их влияние на стабильность генома

Повреждение ДНК является одним из наиболее важных факторов, которые могут нарушить гомеостаз, приводя к хроническим (например, атеросклерозу) и даже дегенеративным заболеваниям, включая болезнь Альцгеймера (БА) и некоторые виды рак [40]. Дефицит или дисбаланс определенных питательных микроэлементов был описан как имитирующий радиацию или химические вещества, вызывающий одно- и двухцепочечные разрывы (SB) или повреждения в ДНК, или даже то и другое [20].

В списке перечислены микронутриенты, дисбаланс которых вызывает повреждение ДНК, а также источники пищи и возможные последствия для здоровья. В целом микроэлементы могут либо воздействовать непосредственно на геном для предотвращения мутаций, либо косвенно защищать геном, выступая в качестве ферментных кофакторов в клеточных процессах, которые модулируют трансформацию [41, 42]. Следовательно, любой дисбаланс может привести к некоторому повреждению ДНК.

Таблица 1

Микронутриенты связаны со стабильностью генома, диетическими потребностями и последствиями дефицита и избытка.

[43, 49, 55]
Магний
Microutrient EAR для взрослых (не беременных или кормящихся) Общее здоровье последствия дефицита Влияние дефицита, связанного с нестабильностью генома UL для взрослых Эффекты избытка
, связанные с геном
.
Каталожные номера
Витамин

Витамин A 500-625 RAE Слепота, нарушение иммунитета и дермальные изменения Повышенная чувствительность к ДНК-вредным агентам 3000 RAE Врожденные пороки развития в течение беременности.Увеличение риска рака у курильщиков [48–50]
Витамин B7 (биотин) 30  мк г* Кожные изменения, иммунная дисфункция, неврологические симптомы и врожденные пороки развития во время беременности NA (безопасно до 20 000  μ г) Врожденные пороки развития. Увеличение повреждения ДНК [51–54]
Витамин B9 320 DFE Анемия и другие гематологические изменения, осложнения беременности (например,g., дефект нервной трубки) Неправильное встраивание урацила в ДНК; DNA Strand Breaks 1000 DFE Увеличенный риск развития рака (поощрение эффекта) [43, 51, 55, 56]
Витамин B12 2 μ G от отсутствия энергии до необратимого тяжелого повреждения Нервную систему ДНК прямой разрывы 1000 μ г Неизвестно [43, 51]
Витамин С 60-75 мг (95-110, если курильщик) Дерматологические изменения, связанные с Синтез коллагена и обесценение иммунитета DNA Strand Breaks 2000 MG 2000 мг ДНК, связанные с окислительным стрессом
20075 12 мг увеличение риска хронических заболеваний Разрывы нитей ДНК 1000 мг Повреждения ДНК, связанные с окислительным стрессом [43, 49, 57, 58]

Минерал

CODE 700809 μ г анемия и другие дисфункции крови, нарушение роста и неврологические изменения Увеличение ущерба для окислительного ДНК 10000 μ г (по рассмотрению) Ущерб ДНК, связанный с окислительный стресс, особенно в печени [59, 60]
Железо 6–8.1 мг Анемия и другие нарушения функции крови, нарушение роста и неврологические изменения Повышение повреждения ДНК 45 мг Повреждение ДНК, связанное с окислительным стрессом, особенно в печени [21, 43, 60] 807 909 255-350 мг 255-350 мг Редкий, потому что дефицит мг — необычный дефицит ремонта ДНК NA Неизвестно [61, 62]
Selenium 45 μ г Снижение активности Глютатион пероксидаза, ведущая к повышенному риску дегенеративных заболеваний и обесценения в иммунитете ДНК-пряки 400 μ G Заболеваемость опухолей, по-видимому, уменьшается в дополнительных дозах [49, 63]
цинка 6.8–9,4 мг Изменения кожи, задержка роста, иммунная дисфункция, неврологические симптомы, куриная слепота и неблагоприятные исходы во время беременности Разрывы нитей ДНК 40 мг Увеличение повреждения ДНК [43, 60, 80]

Роль диеты в определении стабильности генома важнее, чем предполагалось ранее. Было обнаружено, что диета влияет на все пути, связанные со стабильностью генома, включая воздействие пищевых канцерогенов, активацию и детоксикацию канцерогенов, репарацию ДНК, синтез ДНК и клеточный апоптоз [23, 43].Все эти критические пути зависят не только от ферментов, но также от субстратов и кофакторов, некоторые из которых доступны только в правильной концентрации при адекватном потреблении ключевых минералов и витаминов с пищей [44]. В результате диетический дефицит определенных микронутриентов, необходимых для поддержания ДНК, может оказывать эффекты, подобные наследственным генетическим нарушениям, которые нарушают активность ферментов, необходимых для стабильности генома [23, 45-47]. Кроме того, такой дефицит может повредить ДНК в той же степени, что и значительное воздействие известных канцерогенов, таких как ионизирующее излучение [43].

3.1. Витамин А

Витамин А также называют ретиноевой кислотой, ретинолом, ретиналем, α — и β -каротином, ликопином, лютеином, зеаксантином, β -криптоксантином или астаксантином. Роль витамина А и провитамина А (каротиноидов) в повреждении ДНК недавно была рассмотрена Azqueta и Collins [65]. Хорошо зарекомендовавшие себя антиоксидантные свойства витамина А облегчили исследования по измерению окислительного повреждения как in vivo , в исследованиях на животных и клинических испытаниях на людях, так и in vitro .В то время как высокие концентрации каротиноидов провитамина А могут вызывать повреждение ДНК, возможно, действуя как прооксиданты, каротиноиды, не являющиеся витамином А, могут значительно уменьшить такое повреждение [66].

Функции витамина А связаны с ночным, дневным и цветовым зрением; целостность эпителиальных клеток против инфекций; иммунный ответ; гемопоэз; скелетный рост; мужская и женская фертильность; эмбриогенез. Как это ни парадоксально, либо избыток, либо недостаток ретиноевой кислоты приводит к аналогичным порокам развития в некоторых органах, включая почки млекопитающих [67].Многие глазные патологии обусловлены дефицитом витамина А, в том числе куриная слепота, ксероз конъюнктивы и повреждения роговицы. Точно так же гипервитаминоз А, возникающий в результате накопления избытка витамина А в организме, может повредить различные системы. Очень большие дозы витамина А, особенно у маленьких детей, могут повышать внутричерепное давление, приводя к головной боли, тошноте и рвоте [68]. Также было установлено, что адекватное потребление витамина А необходимо для нормального органогенеза, иммунной функции, дифференцировки тканей и зрения.Учитывая эти требования, дефицит витамина А, который широко распространен в развивающихся странах, ежегодно является причиной не менее миллиона случаев ненужной смерти и слепоты [69].

3.2. Витамин B7

Витамин B7, также известный как биотин, действует как кофактор для биотинзависимых ферментов пируваткарбоксилазы, пропионил-КоА-карбоксилазы, кротонил-КоА-карбоксилазы и двух изоферментов ацетил-КоА-карбоксилазы [70]. Эти ферменты катализируют ключевые этапы важных метаболических путей, включая биосинтез жирных кислот, глюконеогенез и метаболизм аминокислот [71].Дефицит витамина B7 из-за недостаточного потребления с пищей или врожденных дефектов всасывания или метаболизма биотина приводит к инактивации всех пяти биотинзависимых ферментов. Это состояние известно как множественный дефицит карбоксилазы (MCD) [72, 73], симптомы которого включают кетоацидоз, лактоацидоз, трудности с кормлением, кожные высыпания и неврологические нарушения, такие как субэпендимальные кисты, гипотония, судороги и атаксия. В тяжелых случаях или если БМИ не лечить, это состояние может привести к коме или смерти [74].

Было продемонстрировано, что биотин играет роль в разрывах нитей ДНК и клеточном ответе на разрывы нитей (SB). В частности, добавка биотина увеличивала разрывы ДНК в клеточных культурах, хотя неизвестно, относится ли это открытие к целым организмам [75]. Напротив, in vivo высокое потребление биотина в сочетании с низким потреблением множества других питательных веществ было связано с повышенной стабильностью генома [53]. Дефицит биотина редко возникает спонтанно у животных, включая людей [76], но может быть вызван потреблением большого количества сырого яичного белка, содержащего авидин, который, как известно, ингибирует всасывание биотина из кишечного тракта, или приемом противосудорожных препаратов [77].

3.3. Витамин B9

Дефицит витамина B9, также известного как фолиевая кислота или фолиевая кислота, часто встречается у людей, которые потребляют мало фруктов и овощей. Витамин В9, как и другие витамины из комплекса В, играет важную роль в стабильности генома, а его дефицит может вызывать хромосомные разрывы в генах человека [78]. Дефицит витамина B9 также может привести к (а) повышенной скорости повреждения ДНК и изменению метилирования ДНК, оба из которых являются факторами риска развития рака [78–80], возможно, включая рак толстой кишки [81] или (б) повышенной концентрации гомоцистеина , важный фактор риска сердечно-сосудистых заболеваний [82].Эти дефекты также могут играть важную роль в развитии и неврологических аномалиях [78, 79]. Однако у животных с существующими предопухолевыми или неопластическими поражениями добавление фолиевой кислоты увеличивает опухолевую нагрузку [83]. Напротив, адекватное потребление витамина B9 может повысить стабильность генома и, возможно, снизить риск рака [84–87], поскольку витамин B9 является ключевым донором углерода во время биосинтеза нуклеотидов [88].

3.4. Витамин В12

Дефицит витамина В12, или цианокобаламина, связан с пернициозной анемией и неврологическими патологиями, варьирующими от незначительного снижения когнитивных функций до нейродегенеративных расстройств, хотя роль витамина В12 в этих состояниях требует дальнейшего изучения [89, 90].Отсутствие понимания лежащих в основе молекулярных механизмов может быть связано с экспериментальными ограничениями доступных классических моделей клеточных культур [89]. Тем не менее известно, что витамин B12 играет важную роль в стабильности генома, а дефицит витамина B12 может привести к повреждению ДНК [81]. Витамин B12 также необходим для синтеза метионина и S -аденозилметионина, обычного донора метила, необходимого для поддержания паттернов метилирования ДНК, которые определяют экспрессию генов и конформацию ДНК [91].

Несмотря на разногласия в литературе относительно распространенности дефицита витамина B12, этот дефицит, по-видимому, чаще встречается у людей в возрасте 65–76 лет [92]. Однако симптомы дефицита витамина B12, вызванные неправильным питанием, проблемами с пищеварением и/или недостаточным всасыванием, у пожилых людей могут быть неспецифическими, что затрудняет диагностику. Кроме того, перед анемией могут появиться неврологические симптомы; на самом деле только около 60% пожилых людей с дефицитом витамина B12 страдают анемией [92, 93].В моделях клеточных культур достаточное количество витамина B12 может быть обеспечено клетками с помощью FBS [89].

3.5. Витамин C

Витамин C, также известный как аскорбат или аскорбиновая кислота, является микроэлементом, необходимым для бесчисленных биологических функций, в частности, выступая в качестве кофактора для некоторых важных ферментов [94]. Одним из типов ферментов являются пролилгидроксилазы, которые играют роль в биосинтезе коллагена и подавлении фактора, индуцируемого гипоксией (HIF-) 1, фактора транскрипции, который регулирует многие гены, ответственные за рост опухоли, энергетический метаболизм, функцию нейтрофилов и апоптоз. .Зависимое от витамина С ингибирование пути HIF может обеспечить альтернативные или дополнительные подходы к контролю прогрессирования опухоли, инфекции и воспаления [94].

Поскольку витамин С обладает антиоксидантными свойствами, которые обеспечивают защиту от повреждения клеток, вызванного окислительным стрессом, за счет удаления активных форм кислорода (АФК), влияние этого витамина на химиопрофилактику рака [95, 96] и лечение рака [97], а также сепсис [98] и нейродегенеративные заболевания (например, болезнь Альцгеймера) [99].Фактически, потребление недостаточного количества витамина С может имитировать радиационное облучение. В литературе в многочисленных исследованиях пищевых добавок на людях использовались биомаркеры окислительного повреждения ДНК, липидов (при окислении липидов высвобождаются мутагенные альдегиды) и белков. Хотя эти исследования дали как положительные, так и отрицательные результаты, если принять во внимание тот факт, что насыщение клеток крови происходит примерно при 100 мг/день, данные свидетельствуют о том, что этот уровень потребления витамина С минимизирует повреждение ДНК [20].К сожалению, дефицит витамина С распространен в бедных сообществах, поэтому следует рассмотреть меры по улучшению потребления продуктов, богатых витамином С [100].

3.6. Витамин Е

Витамин Е, который включает соединения из семейств токоферолов и токотриенолов, необходим для предотвращения периферической нейропатии и гемолитической анемии у людей, возникающих из-за дефицита витамина Е. Витамин Е действует как жизненно важный жирорастворимый антиоксидант, поглощающий гидропероксильные радикалы в липидной среде.Симптомы дефицита витамина Е у человека предполагают, что антиоксидантные свойства этого витамина играют важную роль в защите мембран эритроцитов и нервной ткани [94]. Кроме того, эти антиоксидантные свойства играют роль в стабильности генома, особенно потому, что витамин Е является мощным поглотителем пероксильных радикалов. Витамин Е также является антиоксидантом, разрушающим цепь, который предотвращает распространение свободных радикалов в мембранах и липопротеинах плазмы [101].

Недавно Ni и Eng [102] продемонстрировали, что α -токоферол может избирательно защищать клетки SDH (var + ) от окислительного повреждения и апоптоза и восстанавливать баланс окислительно-восстановительных метаболитов никотинамидадениндинуклеотида (NAD + и NADH).В другом интересном недавнем исследовании [103] оценивалось количество продукта окисления 8-оксо-7,8-дигидро-2′-дезоксигуанозина (8-oxodG), образующегося из нуклеозида ДНК дезоксигуанозина (dG) после воздействия витаминов. В случае витамина Е в культивируемых клетках не индуцируется повреждение ДНК. В совокупности эти результаты усиливают роль этого витамина в поддержании целостности и стабильности ДНК. Хотя прямое сравнение результатов исследований затруднено различными определениями дефицита витамина Е, имеющиеся данные свидетельствуют о том, что дети и пожилые люди наиболее уязвимы к этому дефициту и что мужчины могут подвергаться большему риску, чем женщины [104].

3.7. Медь

Медь является важным микроэлементом, выступающим в качестве кофактора для многих ферментов в различных биологических процессах. В отличие от железа концентрация меди не только в крови, но и в отдельных органах поддерживается на постоянном уровне, начиная с раннего детства, что указывает на наличие надежных гомеостатических механизмов [105]. Адекватное потребление меди обеспечивает нормальную утилизацию пищевого железа, абсорбцию железа в кишечнике, высвобождение железа из запасов (т.g., в макрофагах печени и селезенки), а включение железа в гемоглобин — медьзависимые процессы. Помимо предотвращения анемии, медь способствует свертыванию крови и контролю артериального давления; сшивание соединительной ткани в артериях, костях и сердце; защита от окислительного повреждения; преобразование энергии; миелинизация головного и спинного мозга; воспроизведение; синтез гормонов. Напротив, недостаточное потребление меди оказывает неблагоприятное воздействие на метаболизм холестерина и глюкозы, контроль артериального давления и функцию сердца, минерализацию костей и иммунитет [106].

Чрезмерное накопление меди в организме может способствовать развитию рака из-за роли меди в повреждении ДНК [107]. Любопытно, что в дополнение к надежным механизмам, поддерживающим гомеостаз меди и быстрое выведение меди, млекопитающие экспрессируют зависимые от меди ферменты, которые играют центральную роль в антиоксидантной защите. Таким образом, в то время как медь может индуцировать образование АФК при участии в реакциях Фентона или Габера-Вейсса, медь-зависимые процессы также могут способствовать выведению АФК [105].Для получения дополнительной информации о взаимосвязи между повреждением меди и ДНК см. недавний обзор, опубликованный Линдером [105].

3.8. Железо

Железо является важнейшим питательным элементом для всех форм жизни, который играет важную роль в клетке, включая транспорт электронов и клеточное дыхание, пролиферацию и дифференцировку, а также регуляцию экспрессии генов [3]. Железо может подвергаться одновалентным окислительно-восстановительным реакциям, в результате чего образуются окисленные и восстановленные формы, известные как трехвалентное (Fe 3+ ) и двухвалентное (Fe 2+ ) железо соответственно.Из-за окисления железа, которое может способствовать образованию АФК, а также из-за роли железа в реакциях Фентона и Габера-Вейсса, это питательное вещество также потенциально вредно. Эти реакции происходят, когда неорганическое питательное вещество, такое как Fe 2+ или Cu + , находится в избытке и отдает электрон H 2 O 2 , что приводит к образованию OH. АФК, генерируемые химией Фентона, могут способствовать развитию основных патологий, таких как рак, атеросклероз и нейродегенеративные заболевания [38].

Свободные радикалы могут нанести серьезный ущерб геному. В зависимости от дозы и типа неорганические питательные вещества могут защищать от окислительного стресса или способствовать ему [108]. Пероксидазы и особенно каталаза, использующие гемовое железо в качестве кофактора, разлагают H 2 O 2 . Если образовавшиеся реактивные частицы не удаляются эффективно, они могут вызвать образование более активного ОН или пероксинитрита, что может привести к окислению ДНК. Следовательно, дефицит таких антиоксидантных ферментов, зависящих от питательных веществ, может увеличить окислительный стресс и способствовать нестабильности генома [109].

Кроме того, железо является кофактором многих важных ферментов, связанных с репарацией ДНК, в основном в виде кластеров железа и серы. Например, гликозилазы MutyH и NTHL1, участвующие в эксцизионной репарации оснований (BER) и репарации несоответствия (MMR), а также хеликазы ERCC2 и BACh2, участвующие в эксцизионной репарации нуклеотидов (NER), имеют в своей структуре железо-серные кластеры [110, 111]. . Повышенная чувствительность к повреждению ДНК в клетках с нарушенным биогенезом белка Fe/S может включать потерю эксцизионной репарации нуклеотидов из-за нарушения созревания XPD.Так как Fe/S-кластер XPD необходим для его ДНК-хеликазной активности in vitro [110].

Хотя избыток железа может вызвать окислительное повреждение ДНК у крыс и связан с повышенным риском развития рака и сердечно-сосудистых заболеваний у людей [20], дефицит железа также, по-видимому, приводит к окислительному повреждению ДНК и связан с когнитивной дисфункцией у детей. Важность железа для нормальной неврологической функции хорошо известна, поскольку нейроны нуждаются в железе для многих физиологических процессов, включая транспорт электронов и миелинизацию аксонов, а также в качестве кофактора для многих ферментов, участвующих в синтезе нейротрансмиттеров [112, 113].Напротив, недостаточное потребление железа приводит к анемии, иммунной дисфункции и неблагоприятным исходам беременности, таким как преждевременные роды. Таким образом, поддержание физиологических уровней железа с помощью диетического питания является обязательным для здоровья. Однако дефицит железа все еще очень распространен среди людей, особенно среди детей и беременных женщин [114].

3.9. Магний

Магний незаменим для жизни, так как этот микроэлемент участвует во многих важных биологических процессах. Магний выполняет множество функций во всех клеточных процессах, включая репликацию ДНК и синтез белка, а также служит кофактором для белков, восстанавливающих ДНК, и поддерживает окислительно-восстановительный статус клетки, регуляцию клеточного цикла и апоптоз [29].Дефицит магния или замещение Mg 2+ другими токсичными ионами двухвалентных металлов приводит к повышенной нестабильности генома, которая связана со многими заболеваниями [115] и может привести к ингибированию репарации ДНК, окислительному стрессу, ускоренному старению и увеличению риск рака [29, 116]. Исследования показали, что более высокое потребление магния может защитить от некоторых воспалительных заболеваний, таких как резистентность к инсулину [117], гипертония [118], сахарный диабет [119] и сердечно-сосудистые заболевания [118].

Магний не является генотоксичным в физиологически значимых концентрациях и фактически поддерживает низкую частоту мутаций, способствуя репликации с высокой точностью и поддерживая все процессы репарации ДНК и хромосомной сегрегации во время митоза [29]. Фактически, это важный кофактор в процессах NER, BER и MMR, где магний необходим для устранения повреждений ДНК [120]. Все нижележащие активности основных белков эксцизионной репарации оснований, таких как апуриновая/апиримидиновая эндонуклеаза, ДНК-полимераза бета и лигазы, требуют магния.Таким образом, этот элемент может действовать как регулятор пути эксцизионной репарации оснований для эффективной и сбалансированной репарации поврежденных оснований, которые часто менее токсичны и/или мутагенны, чем их последующие промежуточные продукты репарации [121]. Магний также важен для точности репликации ДНК, влияя на клеточный цикл и апоптоз [61].

Эпидемиологические исследования на животных и людях продемонстрировали обратную корреляцию между уровнями магния и сердечно-сосудистыми заболеваниями [29] или заболеваемостью некоторыми видами рака, включая колоректальный рак [122, 123].Кроме того, дефицит магния является одним из факторов риска преждевременного старения [29]. Взаимосвязь между уровнями магния и онкогенезом более сложна: дефицит магния увеличивает частоту возникновения опухолей у животных и людей, тогда как магний способствует росту ранее существовавших опухолей из-за глубоких изменений гомеостаза магния в опухолевых клетках. Таким образом, защитные эффекты магния ограничены ранними стадиями развития опухоли [29]. Согласно Ford и Mokdad [124], несмотря на роль магния в поддержании хорошего здоровья, исторически большая часть населения Соединенных Штатов не потребляла достаточного количества этого питательного вещества.Кроме того, существуют значительные расовые и этнические различия в потреблении магния.

3.10. Селен

Микроэлемент селен — еще один хорошо зарекомендовавший себя микроэлемент, необходимый для здоровья млекопитающих [125]. Селен входит в состав небольшой группы селеноцистеинсодержащих селенопротеинов [126], включая глутатионпероксидазу, тиоредоксинредуктазу, селенопротеин P и селенопротеин R, которые в первую очередь участвуют в антиоксидантной активности и поддержании окислительно-восстановительного состояния клетки [127–130]. ].Из-за ключевой роли селена в регуляции окислительно-восстановительного потенциала и антиоксидантной функции это питательное вещество имеет решающее значение для целостности мембран, энергетического метаболизма и защиты от повреждения ДНК [126]. Однако в некоторых случаях селен также может приводить к окислительному повреждению ДНК [20], повышению риска инфицирования и изменению настроения [131]. Положительные или отрицательные эффекты селена in vivo или in vitro зависят от дозы. Интерес к селенорганической химии и биохимии возрос за последние два десятилетия, главным образом потому, что различные селенорганические соединения могут быть использованы в качестве антиоксидантов, ингибиторов ферментов, нейропротекторных, противоопухолевых или противоинфекционных средств, а также индукторов цитокинов и иммуномодуляторов [125, 132–135].На самом деле взаимодействие со структурами цинковых пальцев белков репарации ДНК может происходить с помощью незаменимых микроэлементов, таких как некоторые соединения селена, которые проявляют антиканцерогенные свойства при низких концентрациях, но могут поставить под угрозу генетическую стабильность при более высоких концентрациях [136].

Дефицит селена сам по себе не является обычным явлением в развитых странах, но недостаточное потребление этого минерала связано с развитием рака, астмы и ишемической болезни, среди других хронических состояний [137].При необходимости пищевые добавки следует применять с осторожностью, учитывая внутреннюю токсичность высоких уровней селена [138].

3.11. Цинк

Цинк является одним из важнейших микроэлементов в связи с преобладанием цинкзависимых ферментов в метаболических процессах; жизненно важная роль цинка в нескольких функциях организма, таких как зрение, восприятие вкуса, познание, размножение клеток, рост и иммунитет; благотворное влияние добавок цинка на многие болезненные состояния [139]. На самом деле цинк входит в состав более 300 белков, в том числе более 100 ДНК-связывающих белков с цинковыми пальцами, супероксиддисмутазы Cu/Zn, рецептора эстрогена и белка синаптической передачи [20].Цинк также играет решающую роль в биологии p53, поскольку p53 связывается с ДНК через структурно сложный домен, стабилизированный атомом цинка, что, возможно, увеличивает ответ на противораковые препараты [140].

Дефицит цинка является проблемой для здоровья во многих сообществах, особенно среди подростков, из-за пубертатного скачка роста [139]. На молекулярном уровне имеются доказательства взаимосвязи между дефицитом цинка и повышенным числом хромосомных разрывов, возможно, из-за повышенного окислительного повреждения, связанного с потерей активности супероксиддисмутазы Cu/Zn или цинксодержащего фермента восстановления ДНК Fapy-гликозилазы. который восстанавливает окисленный гуанин [20].К сожалению, почти половина населения мира подвержена риску недостаточного потребления цинка, поэтому срочно необходимы программы общественного здравоохранения для уменьшения дефицита цинка [139].

3.12. Резюме влияния отдельных питательных микроэлементов на стабильность генома

Принимая во внимание предыдущее обсуждение и другие данные из литературы, адекватное потребление питательных микроэлементов, по-видимому, играет важную роль в стабильности генома. Напротив, дисбаланс одних и тех же микронутриентов может также негативно влиять на ДНК, возможно, через окислительный стресс, вызывая или способствуя различным заболеваниям человека.Таким образом, очень важно выяснить механизм, лежащий в основе реакции на окислительный стресс и его восстановление, и взаимосвязь этого механизма с путями реакции на повреждение ДНК, всеми неорганическими питательными веществами (витаминами и минералами) и болезнями, включая канцерогенез. Понимание возможных влияний на стабильность генома, даже в клеточной культуре, также востребовано в настоящее время.

4. Среда для культивирования клеток и питательные микроэлементы, повышающие стабильность генома: важна ли концентрация?

По словам Фергюсона и Фенека [141], в последнее десятилетие исследований микронутриентов и стабильности генома были улучшены диетические рекомендации, основанные на предотвращении повреждения ДНК или поддержании целостности генома.В свете этого необходима разработка моделей in vivo и особенно in vitro для более надежной оценки повреждения ДНК.

представляет интересные данные о питательных микроэлементах, которые могут влиять на стабильность генома, и о значениях концентрации питательных микроэлементов, обнаруженных в типичных средах для культивирования клеток, FBS и сыворотке человека. К сожалению, данные не доступны для всех питательных микроэлементов в среде, и даже пропорции микроэлементов в FBS как органическом продукте не все хорошо охарактеризованы.Кроме того, как показали Bryan et al. [34], концентрация многих питательных микроэлементов в FBS может значительно различаться между партиями.

Таблица 2

Концентрации (в мкл моль/л) микронутриентов, которые могут повысить стабильность генома в традиционных средах для культивирования клеток и FBS по сравнению с сывороткой человека.

NA NA NA NA NA NA 46 2 3 NA NA NA NA NA
Питательные микроэлементы Среда для культивирования клеток* 10% FBS ** Средняя концентрация человеческой сыворотки *** Статус Cell-Culture Medium Verseus
MEM DMEM L-15 M-199 HAM F-10 HAM F -12 RPMI-1640 DMEM/HAM F12 сыворотка человека
Витамины

Витамин А НП НП НП 3.1 × 10 -1 7 NA NA NA NA 3.0 × 10 3,0147 2.0 ниже
Витамин B7 (биотин) NA NA NA 4.1 × 10 6 -2 1.0 × 10 1,0 × 10 3.0 × 10 30347 8.2 × 10 8.2 × 10 1,0 × 10 Trace 4,0 × 10 −4 Высшее
Витамин В9 2.3 9.1 9.1 2.3 2.3 × 10 30347 3.0 3.0 2.3 6.0 Trace 5.0 × 10 7 выше
Витамин B12 NA NA 2,8 × 10 6 -1 1.0 1.0 4,0 × 10 50 × 10 6 -1 Trace 3,0 × 10 −4 Высшее
Витамин С НП НП НП 1.4 × 10 6 -2 7 NA NA ниже
Na NA NA NA НП НП НП 0,0003 30,0 Неизвестно

Минералы

Медь Нет данных Нет данных Нет данных Нет данных 1.0 × 10 -2 1.0 × 10 Na Na 5.0 × 10 6 -3 7 Trace 14.0 ниже
Iron NA 2,5 × 10 -1 NA 1.7 3.0 3.0 NA NA 1.6 3.0 23.0 ниже
Magnesium 8,0 × 10 8.0 × 10 2 1.8 × 10 Na Na 6.2 × 10 6.2 × 10 6 2 6.1 × 10 6 2 4,1 × 10 2 1.1 × 10 Trace 8.0 × 10 более низкие / подобные
Selenium NA NA NA NA 3,0 × 10 -2 3.0 × 10 -2 7 11.0 ниже
Na NA NA 1.0 × 10 7 3.0 NA 1.5 След 17.0 Нижний

Хотя среда для культивирования клеток пытается создать среду, аналогичную среде in vivo развития клеток, существует очевидный дисбаланс микронутриентов между средой и человеческой сывороткой.Концентрации некоторых питательных микроэлементов в этих средах выше, чем в сыворотке человека (например, витамины B7 и B12), в то время как концентрации других питательных веществ значительно ниже, чем в сыворотке человека (например, железо и цинк). Недавнее исследование [103] привлекло внимание к составу поливитаминных добавок, которые могут вызывать нежелательные последствия для здоровья из-за синергетического окислительного действия витаминов и металлов, входящих в их состав. В этом исследовании способность витаминов к химическому окислению изучалась путем измерения количества продукта окисления 8-оксо-7,8-дигидро-2′-дезоксигуанозина (8-oxodG), образующегося из ДНК-нуклеозида дезоксигуанозина (dG) после приема витамина. контакт.Микронутриентами, оцененными авторами, были витамины А, В1, В2, В3, В6, В12 и С; β -каротин; фолиевая кислота; α -, δ — и γ -токоферол. Также были исследованы минералы медь, железо и цинк. Все эти микроэлементы были протестированы в клеточной культуре, по отдельности или в комбинации, принимая во внимание уровни каждого микроэлемента в сыворотке крови человека. Основной вывод заключался в том, что некоторые витамины, сами по себе или в сочетании с металлами (например, витамин С и медь), могут вызывать повреждение ДНК.Однако клетки в культуре и клетки in vivo имеют разные потребности в питательных веществах и факторах роста, поскольку активность клеток в каждой среде может различаться из-за взаимодействия с другими клетками или частями более крупного организма. Таким образом, исследование физиологических концентраций микронутриентов in vitro может быть не самым подходящим подходом.

Как упоминалось выше, у каждого типа клеток может быть своя потребность в питательных микроэлементах. В зависимости от происхождения клетки и ее роли in vivo клетка может иметь более высокое сродство к одному микроэлементу по сравнению с другим.Например, в случае железа, которое хранится в определенных тканях, включая селезенку, печень и костный мозг [142], первичные клетки или бессмертные клеточные линии, полученные из этих тканей, могут иметь большую потребность в этом конкретном микронутриенте. В случае некоторых нейронных клеток, которым требуется железо для развития клеток [143], потребность в железе также может быть выше, чем в других типах клеток. Хотя необходимо продолжить оценку влияния микронутриентов на повреждение и целостность ДНК, а также на развитие клеток, включая соответствующие ферменты и белки, необходимо учитывать концентрации микронутриентов, относящиеся не только к стабильности генома человека, но и к стабильности генома клеточной культуры.

5. Могут ли изменения в составе микронутриентов культуры влиять на жизнеспособность и генетику культивируемых клеток?

Клетки обычно выдерживают при соответствующей температуре и концентрации CO 2 (обычно 37°C и 5% CO 2 для клеток млекопитающих) в инкубаторе. Помимо этих параметров, наиболее часто варьируемым фактором в системах культивирования является среда для выращивания. Рецепты питательной среды могут различаться по pH, концентрации глюкозы, факторам роста и наличию других питательных веществ и микроэлементов.Разработке синтетических базовых составов для культур клеток млекопитающих способствовал вклад многих исследователей. В частности, определение минимально необходимых питательных веществ Гарри Иглом в 1950-х годах породило итеративный процесс непрерывной модификации и уточнения экзогенной среды для культивирования новых типов клеток и поддержки новых применений культивируемых клеток млекопитающих. Этот процесс привел к разработке сильнодействующих базовых питательных составов, способных поддерживать бессывороточную пролиферацию клеток и биологическое производство [152].Однако факторы роста, наиболее часто используемые в качестве добавок к средам для культивирования клеток, по-прежнему получают из крови животных, например FBS. FBS стала предпочтительной добавкой для исследований на основе клеточных культур, она содержит множество белков, факторов роста и ионов, необходимых для жизнеспособности и пролиферации клеток in vitro , включая определенные витамины и минералы [153]. В настоящее время использование этих ингредиентов сведено к минимуму или по возможности исключено в пользу среды с определенным химическим составом, но такая замена не всегда возможна.

Брайан и др. [34] заявили, что одним из основных препятствий для получения человеческих клеток определенного и воспроизводимого стандарта и, следовательно, пригодных для использования в медицинской терапии, является рутинная необходимость добавления FBS в среду для культивирования клеток. В этом исследовании варианты FBS оценивались как с точки зрения элементного (микронутриентного) состава, так и с точки зрения влияния вариантов на экспрессию группы белков, связанных с антигенностью первичных эндотелиальных клеток пупочной вены человека (HUVEC).Для достижения этих экспериментальных целей использовали комбинацию масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICPMS) и проточной цитометрии. Статистически значимые различия в антигенной экспрессии при культивировании клеток были продемонстрированы для набора микроэлементов в СОБ (например, литий, бор, магний, фосфор, сера, калий, титан, ванадий, хром, марганец, железо, медь, цинк, галлий, и селен). Отсутствие воспроизводимости и различия в экспрессии белка в первичных клетках человека были связаны с добавлением FBS.

Известно, что условия культивирования клеточных линий влияют на экспрессию генов [154–156], в то время как стволовые клетки, выращенные в разных типах сыворотки, проявляют различные характеристики дифференцировки и пролиферации [157, 158] одна и та же клеточная линия, если культивируется в разных условиях, могут представлять разные фенотипы. Тем не менее, потребность клеток в определенном микронутриенте напрямую связана с типом клеток, скоростью роста клеток и стадией дифференцировки клеток. В свете этого важно отметить, что минимальное внимание уделялось составу FBS и добавлению микронутриентов в среду в клеточных культурах или тому факту, что микроэлементы могут влиять на жизнеспособность и геномную стабильность культивируемых клеток.

В таблицах и выделено несколько примеров воздействия витаминов и минералов на культуру клеток и на стабильность генома, взятых из литературы.

Таблица 3

Примеры из литературы о влиянии витаминов на культуру клеток и на стабильность генома.


микронутриентов Основные эффекты на жизнеспособность клеток и геномной стабильности клеточного типа Дополнительная информация о форме и концентрации микроэлемента оценивали Статус по отношению к физиологической концентрации Ссылки
Витамин A Повышает уровень повреждения ДНК 8-oxo-dG, но значительно ингибирует образование M1dG, особенно после индукции M1dG с помощью H 2 O 2 или B[a]P; повышенная продукция активных форм кислорода и образование промутагенных повреждений ДНК Клетки эпителия легких Бета-каротин (5 мкмоль/л) Аналогично [159, 160]
Вызывает цитотоксичность и окисление G до почти полной гибели клеток Лейкозные клетки (HL-60) Ретинол (2 мкмоль/л) и аскорбиновая кислота (50 мкмоль/л) Аналогично [161]
Индуцированный апоптоз апоптотический белок р53 и уменьшающий антиапоптотический Bcl-2, а также ядерный АТМ; также вызывает фрагментацию ДНК Клетки рака желудка (AGS) Бета-каротин (100 мкмоль/л) Выше [162]
Клетки гепатокарциномы (HepG2) Бета-каротин (4 мкмоль/л) и 8 мкмоль/л) Аналогично [163, 164]
Снижение уровня аддуктов тотальной ДНК и повышение уровня апоптоза в клетках, подвергшихся совместному воздействию бенз(а)пирена и ретиноевой кислоты Ретиноевая кислота (1 мкмоль/л) Нижняя

Витамин B7 (биотин) Увеличение разрывов нитей и клеточный ответ на разрывы нитей Клеточная линия Т-лимфоцитов (Jurkat) 25 × 10 −6  мкмоль/л и
0.01 мкмоль/л
Ниже и выше [75]
Влияет на биотинилирование белков, экспрессию генов и метаболизм интерлейкина-2; скорость пролиферации и апоптоза не зависела от биотинового статуса 25 × 10 –6  мкмоль/л, 25 × 10 –5  мкмоль/л и 0,01 мкмоль/л ниже и выше [

Витамин B9 Повышение уровня эксцизионной репарации и апоптоза Лимфоциты Фолат (<2.3 × 10 -3 7 мкмоль / л) ниже [166, 167]
Снижение апоптоза и повышенного пролиферации клеток нервные стволовые клетки (NSC) фолиевая кислота (8,4 × 10 3 мкмоль/л) Высшее [168, 169]
Высокая концентрация ускоряет рост; повышенная метаболическая активность, пролиферация и апоптоз; снижение дифференцировки Раковые клетки толстой кишки человека (HT29) Фолиевая кислота (0.021 мкмоль/л и 0,21 мкмоль/л) с другими микронутриентами, участвующими в фолатно-метиониновом цикле Аналогично и выше [56]

Витамин B12 Увеличение пролиферации клеток и повышенная дифференцировка клетки нейробластома (NIE115) витамин B12 (полное отсутствие) ниже [89]
хроническая экспозиция ингибировала нейротоксичность клетки сетчатки (первичные культуры эмбрионов крыс) Метилкобаламин (1 мкмоль/л) Выше [170]
в апоптозе Клеточные линии эритролейкоза человека (K562) и мышиной лимфомы (BW5147) Кобаламин (полное отсутствие и
3.7 × 10 −3  мкмоль/л)
Ниже и выше [171]

Физиологические концентрации АК не были токсичными, в то время как высокие концентрации АК индуцировали разрыв цепи ДНК дозозависимым образом, тогда как AA2P не были генотоксичными ) и 2-фосфат аскорбиновой кислоты (AA2P) (полное отсутствие или 20, 100 и 500 мкмоль/л) Ниже, аналогично и выше [172]
и цитотоксичность китайских клетков хомяка (V79) аскорбиновая кислота (1000 мкмоль / л) выше
Снижение количества 8-гидроксидексигуанозиновых аддукторов Кератиноцит для мыши Кератиноцитов аскорбиновая кислота ( 2,27 мкмоль/л и 4,54 мкмоль/л) Нижний [174]
Защитный эффект от повреждения ДНК, индуцированного рентгеновским облучением Лим человека фобластоидные клетки (Raji) Аскорбиновая кислота (60 мкмоль/л) Аналогичные [175]

Защитный эффект против DNA Ущерб, вызванный H 2 O 2 Лечение Raji клетки α-токоферол (30 мкмоль / л) Похожие [175]
Витамин Е Уменьшение фрагментации ДНК и образование апоптотических телец, что, возможно, способствует репарации ДНК / L) Похожие
Снижение апоптоза и автофагии культивированные трофобласты и злоумышленники, полученные из плаценты человека в срок витамин Е (50 мкмоль / л) с витамином С (50 мкмоль /L) Высшее [177]

Таблица 4

Примеры из литературы о влиянии минералов на культуру клеток и на стабильность генома.

4 Медь 59
и 500 мкмоль / л 90 СБ и цитотоксичность в обедненных цинком культурах, а также в концентрациях 32 и 100  мк М; снижение повреждения генома в культурах с добавлением 4 или 16  мк М
Microutrient Главное воздействие на жизнеспособность клеток и геномной устойчивости Тип клетки Дополнительная информация относительно формы и концентрации микроэлектриента оценивается Состояние в отношении физиологической концентрации ссылки
Увеличение цитотоксичности и рос Формирование HEPG2 50, 100, 150 и 200 мкмоль / л выше [184]
Увеличение митохондриальной активности и жизнеспособность клеток и увеличение урона ДНК Клетки яичника китайского хомячка (CHO-K1) 24.55, 35,40, 48,31, 89,23, 116,77, 170,75, 339,45 и 450,35 мкмоль/л Выше [185]
Повышение степени повреждения ДНК гистонов и снижение дозозависимого синтеза ДНК ацетилирование Лейкозные клетки (HL-60) Полное отсутствие, 10, 20, 50, 100 и 200 мкмоль/л Ниже, аналогично и выше [186]
8 8
Ингибированный синтез ДНК в пролиферативных клетках Лимфоциты человека Железа сульфат (22.38, 44,76 и 89,52 мкмоль / л) Аналогичные и выше [187]
Железо , возможно, ускоренный процесс старения и смерть в концентрациях> 10 μ моль / л, тогда как 5 μ моль / L Увелищенное содержание белка Cerebellar Granule Cerelectore железой нитрилотриацетат (5, 10, 15, 20 и 40 мкмоль / л показаны ниже, похожими и выше [188]
генотоксический эффекты Первичные нетрансформированные клетки толстой кишки и клеточная линия пренеопластической аденомы толстой кишки (LT97) Нитрилотриацетат железа (10, 100, 250, 500 и 1000 мкмоль/л) Ниже и выше [189]
Ингибированная пролиферация клеток и продвижение эндотелиальной дисфункции путем генерации пролитации, протромботической и проатерегенной среды эндотелиальные клетки человека 8 сульфат магния (100, 500 и 1000 мкмоль / л) ниже и выше ниже и выше [190]
Более резкое ингибирование роста в нормальных, чем в трансформированных клетках, и изменение хода клеточного цикла , 50, 100, 300 и 500 мкмоль / л [191] [191]
Magnesium Неадекватная концентрация Ускоренная клеточная старение Нормальные фибробласты человека (IMR-90) 100, 400 и 800 мкмоль/л Более низкие и аналогичные [192]
Репарация разреза полностью подавлена ​​в отсутствие M g 2+ , а также в очень высоких концентрациях, тогда как оптимальные концентрации необходимы на всех этапах NER Клеточные линии лимфобластоидной (AHh2) и клональной эпителиальной аденокарциномы человека (HeLa S3) 400 и 800 мкмоль/л Нижний и аналогичный [193]

Селен Метилселениновая кислота, L-селеноцистеин, селенодиглутатион или селенит-индуцированная гибель клеток в микромолярных концентрациях, в то время как селенометионин или эбселен не были токсичными в диапазоне испытанных концентраций 7) и мышиная гепатома (Hepa 1-6) Селенит натрия, L- или DL-селеноцистеин, селенодиглутатион, селенометил-селеноцистеин, селенат натрия, L- или DL-селенометионин, метилселениновая кислота, эбселен, селенометионин и селенодиглутатион   70 (0.1 × 10 -3 до 1000 мкмоль/л) Ниже, аналогично и выше [194]
Вызывает остановку цикла G1-клеток и апоптоз посредством множественных сигнальных путей, что может играть ключевую роль в метилселеноле -индуцированное ингибирование пролиферации раковых клеток и инвазии опухолевых клеток Клеточная линия саркомы человека (HT1080) Селен-L-метионин (SeMet) (полное отсутствие, 1,25, 2,5 и 5 мкмоль/л) Нижний [ 195]
Снижение повреждения клеток и защита от окислительного стресса Клетки HepG2 Селенметилселеноцистеин (0.01, 0,1, 1 и 10 мкмоль/л) Нижний и аналогичный [196]
Селенметилселеноцистеин (1 мкмоль/л) Нижний [197]
8 8 Нижний [197]
Повышенное окислительное повреждение ДНК; нарушено связывание ДНК p53, NF κ B и AP1; снижение репарации ДНК Клеточная линия крысиной глиомы (C-6) Сульфат Zn и карнозин Zn (4,0 мкмоль/л) Нижняя [198]
Цинк повышенный рост клеток и снижение жизнеспособности ДНК Линия лимфобластоидных клеток человека (WIL2-NS) Сульфат цинка и карнозин цинка (полное отсутствие, 0.4, 4.0, 16.0, 32,0 и 100,0 мкмоль / л) 1 ниже, аналогичные и выше [199]
снижение жизнеспособности клеток в Zn-истощенных культурах (0 μ м) как при концентрациях 32 и 100  мкМ М как для соединений Zn, так и для повышенного количества ДНК SB, апоптотических и некротических клеток в культурах, обедненных цинком

5.1. Витамин А

Для витамина А, но, возможно, применимого ко многим другим микронутриентам, исследования, представленные в , проводились при низких концентрациях, которые, как правило, проявляют защитный эффект, тогда как более высокие концентрации связаны с повышенным повреждением ДНК [65].Этот вывод согласуется с известной способностью β -каротина действовать как прооксидант, а не как антиоксидант, при высоких концентрациях и при высоком напряжении кислорода [178]. Всегда следует оценивать физиологические концентрации микронутриентов и, по возможности, по крайней мере использовать их как максимальные в исследованиях, оценивающих жизнеспособность и геномную стабильность клеточных культур. Однако, как можно убедиться в исследовании, данных о присутствии витамина А в средах для культивирования клеток недостаточно.

5.2. Витамин B7 (биотин)

Биотин играет важную роль в регуляции экспрессии генов, тем самым опосредуя определенные аспекты клеточной биологии и развития плода [179]. Эффекты дефицита биотина подробно описаны и связаны со снижением скорости пролиферации клеток, нарушением иммунной функции и аномальным развитием плода. Также упоминается избыток биотина, который может оказывать репродуктивное и тератогенное действие. Однако, как можно убедиться в исследовании, среды для культивирования клеток, содержащие более высокие уровни биотина, чем сыворотка человека, являются обычным явлением.Необходимы дополнительные исследования, оценивающие влияние высоких уровней биотина на клеточные культуры.

5.3. Витамин B9

Истощение фолиевой кислоты, по-видимому, усиливает канцерогенез, в то время как добавление фолиевой кислоты сверх того, что в настоящее время считается базовым требованием, оказывает защитный эффект [180]. Несколько примеров дефицита и приема фолиевой кислоты описаны в , и была продемонстрирована взаимосвязь между этим витамином и пролиферацией клеток и апоптозом. Кроме того, как можно убедиться в исследовании, уровни фолиевой кислоты в оцениваемых средах для культивирования клеток, как правило, выше, чем уровни, обнаруженные в сыворотке крови человека.Хорошо известно, что дефицит фолиевой кислоты может влиять на геномную стабильность культивируемых клеток [81, 181], однако все еще недостаточно данных, оценивающих, могут ли уровни фолиевой кислоты, превышающие физиологический диапазон, нарушать рост клеток. Следует исследовать повышенный уровень фолиевой кислоты, так как у животных, склонных к опухолевым заболеваниям, как дефицит фолиевой кислоты, так и прием добавок способствуют прогрессированию установленных новообразований [83, 182]. Поскольку в исследованиях in vitro переизбыток фолиевой кислоты встречается чаще, чем дефицит, первый следует оценивать наиболее тщательно.

5.4. Витамин B12

Дефицит витамина B12 был описан как аналог химических веществ, которые повреждают ДНК, вызывая одно- и двухцепочечные разрывы [20]. Как показано в , в клеточной модели, разработанной для лучшего понимания дефицита витамина B12 в головном мозге, были затронуты рост и дифференцировка нейронных клеток [89]. Кроме того, добавление некоторых соединений кобаламина защищало клетки от нейротоксичности и увеличивало рост клеток [170, 171]. К сожалению, исследований in vitro , демонстрирующих прямую связь между дефицитом или перегрузкой витамина B12 и стабильностью генома в клетках человека, еще не опубликованы.Однако, судя по статистике, высокие концентрации витамина В12 чаще встречаются в средах для культивирования клеток, чем в сыворотке крови человека.

5.5. Витамин С

В статье приведены несколько примеров влияния витамина С на клеточные культуры. Различные концентрации этого витамина приводят к различным реакциям, начиная от повреждения ДНК (при более высоких концентрациях) до защиты ДНК (при более низких концентрациях). Важно отметить, что концентрация витамина С в современных клеточных культурах недоступна в , поскольку, возможно, в средах присутствуют только следовые количества.Поскольку клеточный ответ на витамин С может быть дозозависимым, следует оценить концентрацию этого витамина в культуральной среде, аналогичную концентрации в сыворотке крови человека.

5.6. Витамин Е

Добавка витамина Е in vivo все еще обсуждается [183], и потребуются дополнительные исследования in vitro , чтобы лучше понять защитные эффекты витамина Е на жизнеспособность клеток и стабильность генома. Тем не менее, некоторые результаты () согласуются с концепцией, согласно которой α -токоферол в сочетании с аскорбиновой кислотой или отдельно может защищать от окислительного повреждения ДНК [175] и уменьшать апоптоз и аутофагию [177] при определенных условиях.К сожалению, текущая концентрация витамина Е in vitro также недоступна в , поскольку, возможно, в среде присутствуют только следовые количества. Учитывая это наблюдение, интересно отметить, что исследований in vitro витамина Е, описанных в принятых значениях концентрации, аналогичных концентрациям в сыворотке человека (приблизительно 30  мк моль/л), и что результаты были положительными для клеточных культур. .

5.7. Медь

Как можно убедиться в , в обычных средах для культивирования клеток наблюдается заметный недостаток меди, даже при добавлении FBS.Таким образом, клетки в культуре обычно подвергаются воздействию окружающей среды с дефицитом питательных микроэлементов, необходимых для образования детоксицирующих ферментов, которые могут влиять на развитие клеток и, возможно, стабильность генома и выживаемость. Важно отметить, что концентрации меди, оцененные в клеточной культуре (), как правило, превышают физиологический диапазон человека, поэтому следует ожидать токсических эффектов в культурах. Таким образом, оптимизация концентрации меди в клеточных культурах необходима для поддержания жизнеспособности клеток и стабильности генома, а также для предотвращения вредного воздействия этого металла.

5.8. Железо

Важно отметить, что результаты Lima et al. [187] можно ожидать в клеточной культуре, в которой потребности в микронутриентах сильно отличаются от таковых in vivo . В этом исследовании оцененные концентрации, как правило, были выше, чем значения, измеренные в сыворотке человека (), и даже самая низкая концентрация железа, примененная для авторов (22,38  μ моль/л), будет считаться высокой для клеток в культуре. Для клеток лейкемии HL-60, как показано в [201], диапазон концентраций железа для оптимальной клеточной пролиферации очень узок (2-3  μ моль/л).Напротив, в исследованиях, в которых уровни железа находились в пределах от 5 до 10  мк моль/л, эти уровни в целом улучшали анализируемые культуры или, по крайней мере, не наблюдалось повреждений [187–189].

5.9. Магний

Как показано в , несколько исследований влияния дефицита магния на культивируемые клетки продемонстрировали снижение окислительного стресса, прогрессирование клеточного цикла, рост клеток и жизнеспособность клеток [190, 191, 202–207]. Killilea и Ames [192] специально исследовали последствия долговременного и умеренного дефицита магния в нормальных клетках человека по сравнению с более типичными уровнями магния, используя концентрацию, наблюдаемую в нормальной сыворотке человека (0.8 ммоль/л). Никаких изменений не наблюдалось в клетках, культивируемых в среде с нормальным содержанием магния. Кроме того, на основе исследований, проведенных либо на бактериях, либо на клетках млекопитающих в культуре, нет доказательств генотоксического действия солей магния в физиологически значимых дозах [29], что указывает на то, что адекватные уровни питательных микроэлементов в средах для культивирования клеток могут улучшить жизнеспособность клеток и Геномная стабильность. Как показано на рисунке, уровни магния, обнаруженные в настоящее время в средах для культивирования клеток, очень схожи с уровнями в сыворотке крови человека, что очень необычно для микронутриентов в целом.

5.10. Селен

Дифференциальную токсичность, вызываемую соединениями селена, необходимо учитывать в исследованиях добавок in vivo и in vitro [194]. В ссылках оценивались различные формы селена и некоторые соли, которые могут быть более токсичными для клеточной среды, чем другие. В связи с важностью селена, а также многих других микронутриентов, обсуждаемых в этом обзоре, концентрацию микронутриентов в среде, а также FBS, предназначенную для клеточной культуры, следует контролировать и, если применимо, доводить до физиологического диапазона.При сравнении концентрации селена в сыворотке крови человека с концентрациями, описанными в экспериментах, указанных в , становится очевидным, что концентрации ниже физиологического диапазона приносят пользу клеточной культуре, хотя высокие концентрации соединений селена потенциально отрицательно влияют на опухолевые клетки.

5.11. Цинк

Роль цинка в стабильности генома была недавно рассмотрена Sharif et al. [208]. Кроме того, несколько кратких примеров влияния цинка на жизнеспособность клеток и стабильность генома приведены в .Возможный вывод из анализов in vitro состоит в том, что, когда используемая концентрация цинка ниже значения сыворотки крови человека (), результаты, как правило, благоприятны для культивируемых клеток. Напротив, концентрации цинка выше физиологического уровня могут повредить культивируемые клетки. Опять же, интересно отметить, что некоторые среды для культивирования клеток (например, HAM F-10 и F-12), даже при добавлении FBS, не могут обеспечить достаточное количество этого микроэлемента для надлежащего развития клеток и стабильности генома, если концентрация падает ниже физиологический диапазон.

6. Что необходимо сделать: ограничения имеющихся данных и выводы

Микронутриенты явно важны для развития клеток и стабильности генома, а многие из упомянутых микроэлементов необходимы для механизмов синтеза и восстановления ДНК. предоставляет обзор текущих данных о влиянии дефицита или избытка микронутриентов, рассматриваемых в этом обзоре, на стабильность генома. Уровни питательных микроэлементов, обнаруженные в обсуждаемых средах для культивирования клеток, и статус исследований каждого микроэлемента также выделены.Очевидно, было проведено много исследований, но все еще требуются более конкретные исследования, посвященные клеточным культурам.

Таблица 5

Обзор данных, рассмотренных в этом обзоре.

438 концентрация в общих клеточных средах в связи с физиологической концентрацией + + + + 4

, даже если есть несколько высокообогащенных СМИ, доступных в качестве базального среды для бессывороточных клеточных культур, такие как Medium 199 или питательная смесь Ham F-12, наиболее распространенным источником микроэлементов, используемых в настоящее время в клеточных культурах, по-прежнему является FBS.Ограничения FBS в обеспечении адекватных концентраций питательных микроэлементов были проанализированы и описаны в литературе [34]. Учитывая, что модели клеточных и тканевых культур, как правило, важны в научных исследованиях, разработка стандартов методов in vitro является обязательной. Эти новые стандарты снизят зависимость от сыворотки животных, добавки с неопределенным переменным составом, которая может значительно повлиять на результаты экспериментов [209]. Кроме того, согласно van der Valk et al.[209], улучшение обмена информацией о недавно разработанных бессывороточных средах может оказаться полезным. Также стало ясно, что почти каждый тип клеток имеет свои потребности в добавках к средам, и особенно, как обсуждается в этом обзоре, в добавках питательных микроэлементов. Универсальная среда для культивирования клеток и тканей может оказаться неосуществимой, поскольку разные типы клеток имеют разные рецепторы, участвующие в выживании, росте и дифференцировке клеток, и высвобождают разные факторы в окружающую среду.

Кроме того, важно подчеркнуть, что, хотя составы классических сред для культивирования клеток остаются неизменными в течение длительного времени, с момента их разработки качество и чистота отдельных компонентов, используемых в качестве добавок, вероятно, значительно повысились. Тем не менее, могли произойти некоторые потери важных веществ, в том числе микроэлементов, витаминов, факторов роста и липидов, и это следует решить до определения бессывороточной среды. Фактически, порог для разработки и использования новой четко определенной среды, учитывая, что существующие питательные среды с добавками FBS хорошо работают, высок [209].По крайней мере, в лабораториях, которые сосредоточены на исследованиях in vitro , следует тщательно рассмотреть вопрос об оценке состава FBS с точки зрения питательных микроэлементов и, возможно, других факторов. Знание состава питательных микроэлементов FBS может помочь свести к минимуму систематическую ошибку в экспериментальных результатах. Однако поддержание как успешных, так и последовательных клеточных культур может быть затруднено, поскольку FBS является сложным натуральным продуктом и может различаться между партиями, даже если они получены от одного производителя.В частности, качество и концентрация как основных, так и специфических белков в клеточных культурах могут влиять на рост клеток [210]. Корректировка уровней микроэлементов in vitro до физиологических значений гарантирует лучшую среду для развития клеток, имитируя среду in vivo .

Требуются дальнейшие исследования влияния микронутриентов на жизнеспособность, пролиферацию и стабильность клеток, а также на экспрессию и целостность генов, но уже доступная информация является достаточным призывом к действию.Как отметили Ferguson и Fenech [141], большинство исследований ограничивались изучением эффектов отдельных микронутриентов и не учитывали генетические последствия. Таким образом, существует острая потребность в исследованиях, которые также изучают взаимодействие питательных веществ и питательных веществ и генов. Определение физиологического диапазона таких важных микронутриентов, как железо, а затем корректировка концентраций, обнаруженных в настоящее время в средах для культивирования клеток, может быть полезным для анализов in vitro . Более конкретно, жизнеспособность и геномная стабильность клеточных линий и первичных культур могут быть улучшены.В зависимости от типа клеток (первичные, иммортализованные, опухолевые или нормальные) и происхождения (легкие, печень, нейроны или другое) потребность в микронутриентах может широко варьироваться, поэтому этот вопрос следует тщательно оценить. Наконец, форма микроэлемента, используемого в питательных средах, также может влиять на результаты экспериментов. Например, согласно Jacobs et al. [211], токсическое действие железа напрямую связано с наличием хелатирующего агента, который снижает концентрацию свободного иона трехвалентного железа и способствует образованию ферритина.

Как только будет установлена ​​взаимосвязь между in vivo дисбалансом питательных микроэлементов и стабильностью генома, которая может вызывать многие заболевания, включая рак, необходимо будет лучше понять in vitro добавки микроэлементов. На самом деле, некоторые простые вопросы, такие как «достаточна ли концентрация этого микроэлемента для развития этой клетки?» или « аналогичны ли уровни этого микронутриента уровням, наблюдаемым в сыворотке крови человека?», может способствовать правильному планированию исследований in vitro .

Размышления о жизнеспособности и стабильности генома

Abstract

Микронутриенты, в том числе минералы и витамины, незаменимы для метаболических путей ДНК и поэтому так же важны для жизни, как и макроэлементы. Без надлежащих питательных веществ нестабильность генома нарушает гомеостаз, что приводит к хроническим заболеваниям и некоторым видам рака. Среда для культивирования клеток пытается имитировать среду in vivo , предоставляя модели in vitro , используемые для определения реакции клеток на различные раздражители.В этом обзоре обобщаются и обсуждаются исследования по добавлению микронутриентов в клеточные культуры, которые могут повысить жизнеспособность клеток и стабильность генома, с особым акцентом на предыдущие эксперименты in vitro . В этих исследованиях среды для культивирования клеток включают определенные витамины и минералы в концентрациях, не соответствующих физиологическим уровням. Во многих распространенных питательных средах единственным источником микронутриентов является фетальная бычья сыворотка (ЭБС), которая составляет лишь 5–10% состава среды.Минимальное внимание было уделено составу FBS, микроэлементам в клеточных культурах в целом или влиянию микроэлементов на жизнеспособность и генетику культивируемых клеток. Необходимы дальнейшие исследования, лучше оценивающие роль микроэлементов на молекулярном уровне и их влияние на геномную стабильность клеток.

1. Введение

Микронутриенты, незаменимые питательные вещества, которые необходимы в небольших количествах, так же важны для жизни, как и макроэлементы. Микронутриенты включают все витамины, такие как A, D и E, а также минералы, такие как кальций, цинк и железо.Роль микронутриентов in vivo хорошо известна, и в нескольких исследованиях изучалось влияние микронутриентов на стабильность генома [1–21]. В рационе человека требуется около 40 питательных микроэлементов, и для правильного метаболизма каждого микроэлемента требуется оптимальный уровень потребления. Дефицит питательных микроэлементов искажает метаболизм многочисленными и сложными способами, многие из которых могут привести к повреждению ДНК.

Микронутриенты необходимы для оптимального метаболизма макронутриентов из-за критической роли микроэлементов в промежуточном метаболизме.Неизменно метаболизм требует одновременного участия одного или нескольких витаминов и минералов. Таким образом, этиология хронических дегенеративных заболеваний и скорость патогенеза тесно связаны с дисбалансом микронутриентов. Исследования в области питания недавно выявили роль нескольких питательных веществ в регуляции геномного механизма [22]. В частности, ряд витаминов и микроэлементов являются субстратами и/или кофакторами в метаболических путях, регулирующих синтез и/или репарацию ДНК и экспрессию генов [23].Дефицит таких питательных веществ может привести к нарушению целостности генома и изменению метилирования ДНК, таким образом связывая питание с модуляцией экспрессии генов. Во многих случаях реакция на дефицит питательных веществ также, по-видимому, зависит от генотипа. Таким образом, взаимодействия между генами и питательными веществами являются захватывающим примером физиологических реакций на окружающую среду/диету на молекулярном уровне [22].

Минералы и витамины необходимы для путей метаболизма ДНК [24, 25]. Хотя до сих пор нет четких доказательств того, что диета оптимально защищает от повреждения ДНК с точки зрения пропорций или комбинаций конкретных микроэлементов, многие исследования, проведенные in vitro и на животных моделях, продемонстрировали роль микроэлементов в поддержании стабильности генома. .Например, известно, что дефицит витаминов С и Е вызывает окисление ДНК и повреждение хромосом [26, 27]. Витамин D проявляет антиоксидантную активность, стабилизирует структуру хромосом и предотвращает двухцепочечные разрывы ДНК [28]. Точно так же магний является важным кофактором в метаболизме ДНК, который играет роль в поддержании высокой точности транскрипции ДНК [29]. В то время как избыток или недостаток железа может вызвать разрывы ДНК [30], диета, богатая каротиноидами, уменьшает повреждение ДНК [31], но избыток ретинола может быть канцерогенным для некоторых людей [32].В последнем примере дефицит витамина B-12 связан с образованием микроядер [5, 24], а снижение уровня транскобаламина II в сыворотке связано с хромосомными аномалиями [33].

Учитывая важность микронутриентов in vitro , оптимизация жизнеспособности клеток и стабильности генома требует дальнейших исследований. Среда для культивирования клеток, имитирующая среду in vivo , может помочь создать модели in vitro реакции клетки на различные стимулы.В состав этих сред входят определенные витамины и минералы, но, к сожалению, во многих распространенных питательных средах единственным источником микронутриентов является эмбриональная телячья сыворотка (ЭБС), которая составляет лишь 5–10% состава сред. Кроме того, не всегда обеспечивается соответствующая пропорция микронутриентов, поскольку точный состав каждой партии FBS на самом деле чрезвычайно изменчив [34].

Определенные микроэлементы, такие как кальций, фолиевая кислота, магний и железо, считаются ключевыми элементами клеточных процессов, включая пролиферацию, выживание и даже дифференцировку клеточных культур [35–38].Однако конкретная концентрация питательных микроэлементов в культуре, а также тип клеток могут вызывать различные реакции. Необходимы дальнейшие исследования роли микроэлементов на молекулярном уровне и влияния на стабильность генома.

2. Цели и область применения

В этом обзоре обобщаются и обсуждаются исследования, показывающие влияние некоторых микроэлементов на жизнеспособность клеток и стабильность генома, с особым акцентом на моделях in vitro . Представлены доказательства in vivo , иллюстрирующие значимость питательных веществ для стабильности генома.Документы были получены из PubMed с использованием следующих условий поиска: микроэлементы, витамины, минералы, клеточная культура, пролиферация, жизнеспособность и стабильность генома. Дополнительные публикации были собраны путем перекрестных ссылок на найденные основные статьи. Обзор не ставит целью включить все питательные вещества, которые могут повлиять на стабильность генома; затем были включены только следующие питательные вещества: витамины A, B7, B9, B12, C и E и минералы Cu, Fe, Mg, Se и Zn. Согласно Friso и Choi [39], дисбаланс таких пищевых нутриентов, как фолиевая кислота, цинк, витамин С и селен, может изменить геномное и/или геноспецифическое метилирование ДНК, что приводит к множеству различных молекулярных эффектов на экспрессию и целостность генов, в свою очередь, влияет на рост клеток, дифференцировку тканей, заболеваемость раком и старение.Чтобы лучше учитывать влияние выбранных питательных микроэлементов на жизнеспособность клеток и стабильность генома, мы рассмотрели доступную информацию об их дефиците или избытке.

3. Микронутриенты и их влияние на стабильность генома

Повреждение ДНК является одним из наиболее важных факторов, которые могут нарушить гомеостаз, приводя к хроническим (например, атеросклерозу) и даже дегенеративным заболеваниям, включая болезнь Альцгеймера (БА) и некоторые виды рак [40]. Дефицит или дисбаланс определенных питательных микроэлементов был описан как имитирующий радиацию или химические вещества, вызывающий одно- и двухцепочечные разрывы (SB) или повреждения в ДНК, или даже то и другое [20].

В списке перечислены микронутриенты, дисбаланс которых вызывает повреждение ДНК, а также источники пищи и возможные последствия для здоровья. В целом микроэлементы могут либо воздействовать непосредственно на геном для предотвращения мутаций, либо косвенно защищать геном, выступая в качестве ферментных кофакторов в клеточных процессах, которые модулируют трансформацию [41, 42]. Следовательно, любой дисбаланс может привести к некоторому повреждению ДНК.

Таблица 1

Микронутриенты связаны со стабильностью генома, диетическими потребностями и последствиями дефицита и избытка.

Microutrient Доказательства индукции геномической нестабильности
дефицит
дефицит избыток
Витамин A + + ниже изучал
20075 + + Express
Vitamin B9 + + выше изучал
Vitamin B12 + NA
Витамин C + + Unnown изучал
Vitamin E + неизвестно Учился
MOCK + + ниже изучали
IRE + + MONEL
Magnesium NA + Аналогичный
Selenium + ниже
Zink
Zink ниже изучали
[43, 49, 55]
Магний
Microutrient EAR для взрослых (не беременных или кормящихся) Общее здоровье последствия дефицита Влияние дефицита, связанного с нестабильностью генома UL для взрослых Эффекты избытка
, связанные с геном
.
Каталожные номера
Витамин

Витамин A 500-625 RAE Слепота, нарушение иммунитета и дермальные изменения Повышенная чувствительность к ДНК-вредным агентам 3000 RAE Врожденные пороки развития в течение беременности.Увеличение риска рака у курильщиков [48–50]
Витамин B7 (биотин) 30  мк г* Кожные изменения, иммунная дисфункция, неврологические симптомы и врожденные пороки развития во время беременности NA (безопасно до 20 000  μ г) Врожденные пороки развития. Увеличение повреждения ДНК [51–54]
Витамин B9 320 DFE Анемия и другие гематологические изменения, осложнения беременности (например,g., дефект нервной трубки) Неправильное встраивание урацила в ДНК; DNA Strand Breaks 1000 DFE Увеличенный риск развития рака (поощрение эффекта) [43, 51, 55, 56]
Витамин B12 2 μ G от отсутствия энергии до необратимого тяжелого повреждения Нервную систему ДНК прямой разрывы 1000 μ г Неизвестно [43, 51]
Витамин С 60-75 мг (95-110, если курильщик) Дерматологические изменения, связанные с Синтез коллагена и обесценение иммунитета DNA Strand Breaks 2000 MG 2000 мг ДНК, связанные с окислительным стрессом
20075 12 мг увеличение риска хронических заболеваний Разрывы нитей ДНК 1000 мг Повреждения ДНК, связанные с окислительным стрессом [43, 49, 57, 58]

Минерал

CODE 700809 μ г анемия и другие дисфункции крови, нарушение роста и неврологические изменения Увеличение ущерба для окислительного ДНК 10000 μ г (по рассмотрению) Ущерб ДНК, связанный с окислительный стресс, особенно в печени [59, 60]
Железо 6–8.1 мг Анемия и другие нарушения функции крови, нарушение роста и неврологические изменения Повышение повреждения ДНК 45 мг Повреждение ДНК, связанное с окислительным стрессом, особенно в печени [21, 43, 60] 807 909 255-350 мг 255-350 мг Редкий, потому что дефицит мг — необычный дефицит ремонта ДНК NA Неизвестно [61, 62]
Selenium 45 μ г Снижение активности Глютатион пероксидаза, ведущая к повышенному риску дегенеративных заболеваний и обесценения в иммунитете ДНК-пряки 400 μ G Заболеваемость опухолей, по-видимому, уменьшается в дополнительных дозах [49, 63]
цинка 6.8–9,4 мг Изменения кожи, задержка роста, иммунная дисфункция, неврологические симптомы, куриная слепота и неблагоприятные исходы во время беременности Разрывы нитей ДНК 40 мг Увеличение повреждения ДНК [43, 60, 80]

Роль диеты в определении стабильности генома важнее, чем предполагалось ранее. Было обнаружено, что диета влияет на все пути, связанные со стабильностью генома, включая воздействие пищевых канцерогенов, активацию и детоксикацию канцерогенов, репарацию ДНК, синтез ДНК и клеточный апоптоз [23, 43].Все эти критические пути зависят не только от ферментов, но также от субстратов и кофакторов, некоторые из которых доступны только в правильной концентрации при адекватном потреблении ключевых минералов и витаминов с пищей [44]. В результате диетический дефицит определенных микронутриентов, необходимых для поддержания ДНК, может оказывать эффекты, подобные наследственным генетическим нарушениям, которые нарушают активность ферментов, необходимых для стабильности генома [23, 45-47]. Кроме того, такой дефицит может повредить ДНК в той же степени, что и значительное воздействие известных канцерогенов, таких как ионизирующее излучение [43].

3.1. Витамин А

Витамин А также называют ретиноевой кислотой, ретинолом, ретиналем, α — и β -каротином, ликопином, лютеином, зеаксантином, β -криптоксантином или астаксантином. Роль витамина А и провитамина А (каротиноидов) в повреждении ДНК недавно была рассмотрена Azqueta и Collins [65]. Хорошо зарекомендовавшие себя антиоксидантные свойства витамина А облегчили исследования по измерению окислительного повреждения как in vivo , в исследованиях на животных и клинических испытаниях на людях, так и in vitro .В то время как высокие концентрации каротиноидов провитамина А могут вызывать повреждение ДНК, возможно, действуя как прооксиданты, каротиноиды, не являющиеся витамином А, могут значительно уменьшить такое повреждение [66].

Функции витамина А связаны с ночным, дневным и цветовым зрением; целостность эпителиальных клеток против инфекций; иммунный ответ; гемопоэз; скелетный рост; мужская и женская фертильность; эмбриогенез. Как это ни парадоксально, либо избыток, либо недостаток ретиноевой кислоты приводит к аналогичным порокам развития в некоторых органах, включая почки млекопитающих [67].Многие глазные патологии обусловлены дефицитом витамина А, в том числе куриная слепота, ксероз конъюнктивы и повреждения роговицы. Точно так же гипервитаминоз А, возникающий в результате накопления избытка витамина А в организме, может повредить различные системы. Очень большие дозы витамина А, особенно у маленьких детей, могут повышать внутричерепное давление, приводя к головной боли, тошноте и рвоте [68]. Также было установлено, что адекватное потребление витамина А необходимо для нормального органогенеза, иммунной функции, дифференцировки тканей и зрения.Учитывая эти требования, дефицит витамина А, который широко распространен в развивающихся странах, ежегодно является причиной не менее миллиона случаев ненужной смерти и слепоты [69].

3.2. Витамин B7

Витамин B7, также известный как биотин, действует как кофактор для биотинзависимых ферментов пируваткарбоксилазы, пропионил-КоА-карбоксилазы, кротонил-КоА-карбоксилазы и двух изоферментов ацетил-КоА-карбоксилазы [70]. Эти ферменты катализируют ключевые этапы важных метаболических путей, включая биосинтез жирных кислот, глюконеогенез и метаболизм аминокислот [71].Дефицит витамина B7 из-за недостаточного потребления с пищей или врожденных дефектов всасывания или метаболизма биотина приводит к инактивации всех пяти биотинзависимых ферментов. Это состояние известно как множественный дефицит карбоксилазы (MCD) [72, 73], симптомы которого включают кетоацидоз, лактоацидоз, трудности с кормлением, кожные высыпания и неврологические нарушения, такие как субэпендимальные кисты, гипотония, судороги и атаксия. В тяжелых случаях или если БМИ не лечить, это состояние может привести к коме или смерти [74].

Было продемонстрировано, что биотин играет роль в разрывах нитей ДНК и клеточном ответе на разрывы нитей (SB). В частности, добавка биотина увеличивала разрывы ДНК в клеточных культурах, хотя неизвестно, относится ли это открытие к целым организмам [75]. Напротив, in vivo высокое потребление биотина в сочетании с низким потреблением множества других питательных веществ было связано с повышенной стабильностью генома [53]. Дефицит биотина редко возникает спонтанно у животных, включая людей [76], но может быть вызван потреблением большого количества сырого яичного белка, содержащего авидин, который, как известно, ингибирует всасывание биотина из кишечного тракта, или приемом противосудорожных препаратов [77].

3.3. Витамин B9

Дефицит витамина B9, также известного как фолиевая кислота или фолиевая кислота, часто встречается у людей, которые потребляют мало фруктов и овощей. Витамин В9, как и другие витамины из комплекса В, играет важную роль в стабильности генома, а его дефицит может вызывать хромосомные разрывы в генах человека [78]. Дефицит витамина B9 также может привести к (а) повышенной скорости повреждения ДНК и изменению метилирования ДНК, оба из которых являются факторами риска развития рака [78–80], возможно, включая рак толстой кишки [81] или (б) повышенной концентрации гомоцистеина , важный фактор риска сердечно-сосудистых заболеваний [82].Эти дефекты также могут играть важную роль в развитии и неврологических аномалиях [78, 79]. Однако у животных с существующими предопухолевыми или неопластическими поражениями добавление фолиевой кислоты увеличивает опухолевую нагрузку [83]. Напротив, адекватное потребление витамина B9 может повысить стабильность генома и, возможно, снизить риск рака [84–87], поскольку витамин B9 является ключевым донором углерода во время биосинтеза нуклеотидов [88].

3.4. Витамин В12

Дефицит витамина В12, или цианокобаламина, связан с пернициозной анемией и неврологическими патологиями, варьирующими от незначительного снижения когнитивных функций до нейродегенеративных расстройств, хотя роль витамина В12 в этих состояниях требует дальнейшего изучения [89, 90].Отсутствие понимания лежащих в основе молекулярных механизмов может быть связано с экспериментальными ограничениями доступных классических моделей клеточных культур [89]. Тем не менее известно, что витамин B12 играет важную роль в стабильности генома, а дефицит витамина B12 может привести к повреждению ДНК [81]. Витамин B12 также необходим для синтеза метионина и S -аденозилметионина, обычного донора метила, необходимого для поддержания паттернов метилирования ДНК, которые определяют экспрессию генов и конформацию ДНК [91].

Несмотря на разногласия в литературе относительно распространенности дефицита витамина B12, этот дефицит, по-видимому, чаще встречается у людей в возрасте 65–76 лет [92]. Однако симптомы дефицита витамина B12, вызванные неправильным питанием, проблемами с пищеварением и/или недостаточным всасыванием, у пожилых людей могут быть неспецифическими, что затрудняет диагностику. Кроме того, перед анемией могут появиться неврологические симптомы; на самом деле только около 60% пожилых людей с дефицитом витамина B12 страдают анемией [92, 93].В моделях клеточных культур достаточное количество витамина B12 может быть обеспечено клетками с помощью FBS [89].

3.5. Витамин C

Витамин C, также известный как аскорбат или аскорбиновая кислота, является микроэлементом, необходимым для бесчисленных биологических функций, в частности, выступая в качестве кофактора для некоторых важных ферментов [94]. Одним из типов ферментов являются пролилгидроксилазы, которые играют роль в биосинтезе коллагена и подавлении фактора, индуцируемого гипоксией (HIF-) 1, фактора транскрипции, который регулирует многие гены, ответственные за рост опухоли, энергетический метаболизм, функцию нейтрофилов и апоптоз. .Зависимое от витамина С ингибирование пути HIF может обеспечить альтернативные или дополнительные подходы к контролю прогрессирования опухоли, инфекции и воспаления [94].

Поскольку витамин С обладает антиоксидантными свойствами, которые обеспечивают защиту от повреждения клеток, вызванного окислительным стрессом, за счет удаления активных форм кислорода (АФК), влияние этого витамина на химиопрофилактику рака [95, 96] и лечение рака [97], а также сепсис [98] и нейродегенеративные заболевания (например, болезнь Альцгеймера) [99].Фактически, потребление недостаточного количества витамина С может имитировать радиационное облучение. В литературе в многочисленных исследованиях пищевых добавок на людях использовались биомаркеры окислительного повреждения ДНК, липидов (при окислении липидов высвобождаются мутагенные альдегиды) и белков. Хотя эти исследования дали как положительные, так и отрицательные результаты, если принять во внимание тот факт, что насыщение клеток крови происходит примерно при 100 мг/день, данные свидетельствуют о том, что этот уровень потребления витамина С минимизирует повреждение ДНК [20].К сожалению, дефицит витамина С распространен в бедных сообществах, поэтому следует рассмотреть меры по улучшению потребления продуктов, богатых витамином С [100].

3.6. Витамин Е

Витамин Е, который включает соединения из семейств токоферолов и токотриенолов, необходим для предотвращения периферической нейропатии и гемолитической анемии у людей, возникающих из-за дефицита витамина Е. Витамин Е действует как жизненно важный жирорастворимый антиоксидант, поглощающий гидропероксильные радикалы в липидной среде.Симптомы дефицита витамина Е у человека предполагают, что антиоксидантные свойства этого витамина играют важную роль в защите мембран эритроцитов и нервной ткани [94]. Кроме того, эти антиоксидантные свойства играют роль в стабильности генома, особенно потому, что витамин Е является мощным поглотителем пероксильных радикалов. Витамин Е также является антиоксидантом, разрушающим цепь, который предотвращает распространение свободных радикалов в мембранах и липопротеинах плазмы [101].

Недавно Ni и Eng [102] продемонстрировали, что α -токоферол может избирательно защищать клетки SDH (var + ) от окислительного повреждения и апоптоза и восстанавливать баланс окислительно-восстановительных метаболитов никотинамидадениндинуклеотида (NAD + и NADH).В другом интересном недавнем исследовании [103] оценивалось количество продукта окисления 8-оксо-7,8-дигидро-2′-дезоксигуанозина (8-oxodG), образующегося из нуклеозида ДНК дезоксигуанозина (dG) после воздействия витаминов. В случае витамина Е в культивируемых клетках не индуцируется повреждение ДНК. В совокупности эти результаты усиливают роль этого витамина в поддержании целостности и стабильности ДНК. Хотя прямое сравнение результатов исследований затруднено различными определениями дефицита витамина Е, имеющиеся данные свидетельствуют о том, что дети и пожилые люди наиболее уязвимы к этому дефициту и что мужчины могут подвергаться большему риску, чем женщины [104].

3.7. Медь

Медь является важным микроэлементом, выступающим в качестве кофактора для многих ферментов в различных биологических процессах. В отличие от железа концентрация меди не только в крови, но и в отдельных органах поддерживается на постоянном уровне, начиная с раннего детства, что указывает на наличие надежных гомеостатических механизмов [105]. Адекватное потребление меди обеспечивает нормальную утилизацию пищевого железа, абсорбцию железа в кишечнике, высвобождение железа из запасов (т.g., в макрофагах печени и селезенки), а включение железа в гемоглобин — медьзависимые процессы. Помимо предотвращения анемии, медь способствует свертыванию крови и контролю артериального давления; сшивание соединительной ткани в артериях, костях и сердце; защита от окислительного повреждения; преобразование энергии; миелинизация головного и спинного мозга; воспроизведение; синтез гормонов. Напротив, недостаточное потребление меди оказывает неблагоприятное воздействие на метаболизм холестерина и глюкозы, контроль артериального давления и функцию сердца, минерализацию костей и иммунитет [106].

Чрезмерное накопление меди в организме может способствовать развитию рака из-за роли меди в повреждении ДНК [107]. Любопытно, что в дополнение к надежным механизмам, поддерживающим гомеостаз меди и быстрое выведение меди, млекопитающие экспрессируют зависимые от меди ферменты, которые играют центральную роль в антиоксидантной защите. Таким образом, в то время как медь может индуцировать образование АФК при участии в реакциях Фентона или Габера-Вейсса, медь-зависимые процессы также могут способствовать выведению АФК [105].Для получения дополнительной информации о взаимосвязи между повреждением меди и ДНК см. недавний обзор, опубликованный Линдером [105].

3.8. Железо

Железо является важнейшим питательным элементом для всех форм жизни, который играет важную роль в клетке, включая транспорт электронов и клеточное дыхание, пролиферацию и дифференцировку, а также регуляцию экспрессии генов [3]. Железо может подвергаться одновалентным окислительно-восстановительным реакциям, в результате чего образуются окисленные и восстановленные формы, известные как трехвалентное (Fe 3+ ) и двухвалентное (Fe 2+ ) железо соответственно.Из-за окисления железа, которое может способствовать образованию АФК, а также из-за роли железа в реакциях Фентона и Габера-Вейсса, это питательное вещество также потенциально вредно. Эти реакции происходят, когда неорганическое питательное вещество, такое как Fe 2+ или Cu + , находится в избытке и отдает электрон H 2 O 2 , что приводит к образованию OH. АФК, генерируемые химией Фентона, могут способствовать развитию основных патологий, таких как рак, атеросклероз и нейродегенеративные заболевания [38].

Свободные радикалы могут нанести серьезный ущерб геному. В зависимости от дозы и типа неорганические питательные вещества могут защищать от окислительного стресса или способствовать ему [108]. Пероксидазы и особенно каталаза, использующие гемовое железо в качестве кофактора, разлагают H 2 O 2 . Если образовавшиеся реактивные частицы не удаляются эффективно, они могут вызвать образование более активного ОН или пероксинитрита, что может привести к окислению ДНК. Следовательно, дефицит таких антиоксидантных ферментов, зависящих от питательных веществ, может увеличить окислительный стресс и способствовать нестабильности генома [109].

Кроме того, железо является кофактором многих важных ферментов, связанных с репарацией ДНК, в основном в виде кластеров железа и серы. Например, гликозилазы MutyH и NTHL1, участвующие в эксцизионной репарации оснований (BER) и репарации несоответствия (MMR), а также хеликазы ERCC2 и BACh2, участвующие в эксцизионной репарации нуклеотидов (NER), имеют в своей структуре железо-серные кластеры [110, 111]. . Повышенная чувствительность к повреждению ДНК в клетках с нарушенным биогенезом белка Fe/S может включать потерю эксцизионной репарации нуклеотидов из-за нарушения созревания XPD.Так как Fe/S-кластер XPD необходим для его ДНК-хеликазной активности in vitro [110].

Хотя избыток железа может вызвать окислительное повреждение ДНК у крыс и связан с повышенным риском развития рака и сердечно-сосудистых заболеваний у людей [20], дефицит железа также, по-видимому, приводит к окислительному повреждению ДНК и связан с когнитивной дисфункцией у детей. Важность железа для нормальной неврологической функции хорошо известна, поскольку нейроны нуждаются в железе для многих физиологических процессов, включая транспорт электронов и миелинизацию аксонов, а также в качестве кофактора для многих ферментов, участвующих в синтезе нейротрансмиттеров [112, 113].Напротив, недостаточное потребление железа приводит к анемии, иммунной дисфункции и неблагоприятным исходам беременности, таким как преждевременные роды. Таким образом, поддержание физиологических уровней железа с помощью диетического питания является обязательным для здоровья. Однако дефицит железа все еще очень распространен среди людей, особенно среди детей и беременных женщин [114].

3.9. Магний

Магний незаменим для жизни, так как этот микроэлемент участвует во многих важных биологических процессах. Магний выполняет множество функций во всех клеточных процессах, включая репликацию ДНК и синтез белка, а также служит кофактором для белков, восстанавливающих ДНК, и поддерживает окислительно-восстановительный статус клетки, регуляцию клеточного цикла и апоптоз [29].Дефицит магния или замещение Mg 2+ другими токсичными ионами двухвалентных металлов приводит к повышенной нестабильности генома, которая связана со многими заболеваниями [115] и может привести к ингибированию репарации ДНК, окислительному стрессу, ускоренному старению и увеличению риск рака [29, 116]. Исследования показали, что более высокое потребление магния может защитить от некоторых воспалительных заболеваний, таких как резистентность к инсулину [117], гипертония [118], сахарный диабет [119] и сердечно-сосудистые заболевания [118].

Магний не является генотоксичным в физиологически значимых концентрациях и фактически поддерживает низкую частоту мутаций, способствуя репликации с высокой точностью и поддерживая все процессы репарации ДНК и хромосомной сегрегации во время митоза [29]. Фактически, это важный кофактор в процессах NER, BER и MMR, где магний необходим для устранения повреждений ДНК [120]. Все нижележащие активности основных белков эксцизионной репарации оснований, таких как апуриновая/апиримидиновая эндонуклеаза, ДНК-полимераза бета и лигазы, требуют магния.Таким образом, этот элемент может действовать как регулятор пути эксцизионной репарации оснований для эффективной и сбалансированной репарации поврежденных оснований, которые часто менее токсичны и/или мутагенны, чем их последующие промежуточные продукты репарации [121]. Магний также важен для точности репликации ДНК, влияя на клеточный цикл и апоптоз [61].

Эпидемиологические исследования на животных и людях продемонстрировали обратную корреляцию между уровнями магния и сердечно-сосудистыми заболеваниями [29] или заболеваемостью некоторыми видами рака, включая колоректальный рак [122, 123].Кроме того, дефицит магния является одним из факторов риска преждевременного старения [29]. Взаимосвязь между уровнями магния и онкогенезом более сложна: дефицит магния увеличивает частоту возникновения опухолей у животных и людей, тогда как магний способствует росту ранее существовавших опухолей из-за глубоких изменений гомеостаза магния в опухолевых клетках. Таким образом, защитные эффекты магния ограничены ранними стадиями развития опухоли [29]. Согласно Ford и Mokdad [124], несмотря на роль магния в поддержании хорошего здоровья, исторически большая часть населения Соединенных Штатов не потребляла достаточного количества этого питательного вещества.Кроме того, существуют значительные расовые и этнические различия в потреблении магния.

3.10. Селен

Микроэлемент селен — еще один хорошо зарекомендовавший себя микроэлемент, необходимый для здоровья млекопитающих [125]. Селен входит в состав небольшой группы селеноцистеинсодержащих селенопротеинов [126], включая глутатионпероксидазу, тиоредоксинредуктазу, селенопротеин P и селенопротеин R, которые в первую очередь участвуют в антиоксидантной активности и поддержании окислительно-восстановительного состояния клетки [127–130]. ].Из-за ключевой роли селена в регуляции окислительно-восстановительного потенциала и антиоксидантной функции это питательное вещество имеет решающее значение для целостности мембран, энергетического метаболизма и защиты от повреждения ДНК [126]. Однако в некоторых случаях селен также может приводить к окислительному повреждению ДНК [20], повышению риска инфицирования и изменению настроения [131]. Положительные или отрицательные эффекты селена in vivo или in vitro зависят от дозы. Интерес к селенорганической химии и биохимии возрос за последние два десятилетия, главным образом потому, что различные селенорганические соединения могут быть использованы в качестве антиоксидантов, ингибиторов ферментов, нейропротекторных, противоопухолевых или противоинфекционных средств, а также индукторов цитокинов и иммуномодуляторов [125, 132–135].На самом деле взаимодействие со структурами цинковых пальцев белков репарации ДНК может происходить с помощью незаменимых микроэлементов, таких как некоторые соединения селена, которые проявляют антиканцерогенные свойства при низких концентрациях, но могут поставить под угрозу генетическую стабильность при более высоких концентрациях [136].

Дефицит селена сам по себе не является обычным явлением в развитых странах, но недостаточное потребление этого минерала связано с развитием рака, астмы и ишемической болезни, среди других хронических состояний [137].При необходимости пищевые добавки следует применять с осторожностью, учитывая внутреннюю токсичность высоких уровней селена [138].

3.11. Цинк

Цинк является одним из важнейших микроэлементов в связи с преобладанием цинкзависимых ферментов в метаболических процессах; жизненно важная роль цинка в нескольких функциях организма, таких как зрение, восприятие вкуса, познание, размножение клеток, рост и иммунитет; благотворное влияние добавок цинка на многие болезненные состояния [139]. На самом деле цинк входит в состав более 300 белков, в том числе более 100 ДНК-связывающих белков с цинковыми пальцами, супероксиддисмутазы Cu/Zn, рецептора эстрогена и белка синаптической передачи [20].Цинк также играет решающую роль в биологии p53, поскольку p53 связывается с ДНК через структурно сложный домен, стабилизированный атомом цинка, что, возможно, увеличивает ответ на противораковые препараты [140].

Дефицит цинка является проблемой для здоровья во многих сообществах, особенно среди подростков, из-за пубертатного скачка роста [139]. На молекулярном уровне имеются доказательства взаимосвязи между дефицитом цинка и повышенным числом хромосомных разрывов, возможно, из-за повышенного окислительного повреждения, связанного с потерей активности супероксиддисмутазы Cu/Zn или цинксодержащего фермента восстановления ДНК Fapy-гликозилазы. который восстанавливает окисленный гуанин [20].К сожалению, почти половина населения мира подвержена риску недостаточного потребления цинка, поэтому срочно необходимы программы общественного здравоохранения для уменьшения дефицита цинка [139].

3.12. Резюме влияния отдельных питательных микроэлементов на стабильность генома

Принимая во внимание предыдущее обсуждение и другие данные из литературы, адекватное потребление питательных микроэлементов, по-видимому, играет важную роль в стабильности генома. Напротив, дисбаланс одних и тех же микронутриентов может также негативно влиять на ДНК, возможно, через окислительный стресс, вызывая или способствуя различным заболеваниям человека.Таким образом, очень важно выяснить механизм, лежащий в основе реакции на окислительный стресс и его восстановление, и взаимосвязь этого механизма с путями реакции на повреждение ДНК, всеми неорганическими питательными веществами (витаминами и минералами) и болезнями, включая канцерогенез. Понимание возможных влияний на стабильность генома, даже в клеточной культуре, также востребовано в настоящее время.

4. Среда для культивирования клеток и питательные микроэлементы, повышающие стабильность генома: важна ли концентрация?

По словам Фергюсона и Фенека [141], в последнее десятилетие исследований микронутриентов и стабильности генома были улучшены диетические рекомендации, основанные на предотвращении повреждения ДНК или поддержании целостности генома.В свете этого необходима разработка моделей in vivo и особенно in vitro для более надежной оценки повреждения ДНК.

представляет интересные данные о питательных микроэлементах, которые могут влиять на стабильность генома, и о значениях концентрации питательных микроэлементов, обнаруженных в типичных средах для культивирования клеток, FBS и сыворотке человека. К сожалению, данные не доступны для всех питательных микроэлементов в среде, и даже пропорции микроэлементов в FBS как органическом продукте не все хорошо охарактеризованы.Кроме того, как показали Bryan et al. [34], концентрация многих питательных микроэлементов в FBS может значительно различаться между партиями.

Таблица 2

Концентрации (в мкл моль/л) микронутриентов, которые могут повысить стабильность генома в традиционных средах для культивирования клеток и FBS по сравнению с сывороткой человека.

NA NA NA NA NA NA 46 2 3 NA NA NA NA NA
Питательные микроэлементы Среда для культивирования клеток* 10% FBS ** Средняя концентрация человеческой сыворотки *** Статус Cell-Culture Medium Verseus
MEM DMEM L-15 M-199 HAM F-10 HAM F -12 RPMI-1640 DMEM/HAM F12 сыворотка человека
Витамины

Витамин А НП НП НП 3.1 × 10 -1 7 NA NA NA NA 3.0 × 10 3,0147 2.0 ниже
Витамин B7 (биотин) NA NA NA 4.1 × 10 6 -2 1.0 × 10 1,0 × 10 3.0 × 10 30347 8.2 × 10 8.2 × 10 1,0 × 10 Trace 4,0 × 10 −4 Высшее
Витамин В9 2.3 9.1 9.1 2.3 2.3 × 10 30347 3.0 3.0 2.3 6.0 Trace 5.0 × 10 7 выше
Витамин B12 NA NA 2,8 × 10 6 -1 1.0 1.0 4,0 × 10 50 × 10 6 -1 Trace 3,0 × 10 −4 Высшее
Витамин С НП НП НП 1.4 × 10 6 -2 7 NA NA ниже
Na NA NA NA НП НП НП 0,0003 30,0 Неизвестно

Минералы

Медь Нет данных Нет данных Нет данных Нет данных 1.0 × 10 -2 1.0 × 10 Na Na 5.0 × 10 6 -3 7 Trace 14.0 ниже
Iron NA 2,5 × 10 -1 NA 1.7 3.0 3.0 NA NA 1.6 3.0 23.0 ниже
Magnesium 8,0 × 10 8.0 × 10 2 1.8 × 10 Na Na 6.2 × 10 6.2 × 10 6 2 6.1 × 10 6 2 4,1 × 10 2 1.1 × 10 Trace 8.0 × 10 более низкие / подобные
Selenium NA NA NA NA 3,0 × 10 -2 3.0 × 10 -2 7 11.0 ниже
Na NA NA 1.0 × 10 7 3.0 NA 1.5 След 17.0 Нижний

Хотя среда для культивирования клеток пытается создать среду, аналогичную среде in vivo развития клеток, существует очевидный дисбаланс микронутриентов между средой и человеческой сывороткой.Концентрации некоторых питательных микроэлементов в этих средах выше, чем в сыворотке человека (например, витамины B7 и B12), в то время как концентрации других питательных веществ значительно ниже, чем в сыворотке человека (например, железо и цинк). Недавнее исследование [103] привлекло внимание к составу поливитаминных добавок, которые могут вызывать нежелательные последствия для здоровья из-за синергетического окислительного действия витаминов и металлов, входящих в их состав. В этом исследовании способность витаминов к химическому окислению изучалась путем измерения количества продукта окисления 8-оксо-7,8-дигидро-2′-дезоксигуанозина (8-oxodG), образующегося из ДНК-нуклеозида дезоксигуанозина (dG) после приема витамина. контакт.Микронутриентами, оцененными авторами, были витамины А, В1, В2, В3, В6, В12 и С; β -каротин; фолиевая кислота; α -, δ — и γ -токоферол. Также были исследованы минералы медь, железо и цинк. Все эти микроэлементы были протестированы в клеточной культуре, по отдельности или в комбинации, принимая во внимание уровни каждого микроэлемента в сыворотке крови человека. Основной вывод заключался в том, что некоторые витамины, сами по себе или в сочетании с металлами (например, витамин С и медь), могут вызывать повреждение ДНК.Однако клетки в культуре и клетки in vivo имеют разные потребности в питательных веществах и факторах роста, поскольку активность клеток в каждой среде может различаться из-за взаимодействия с другими клетками или частями более крупного организма. Таким образом, исследование физиологических концентраций микронутриентов in vitro может быть не самым подходящим подходом.

Как упоминалось выше, у каждого типа клеток может быть своя потребность в питательных микроэлементах. В зависимости от происхождения клетки и ее роли in vivo клетка может иметь более высокое сродство к одному микроэлементу по сравнению с другим.Например, в случае железа, которое хранится в определенных тканях, включая селезенку, печень и костный мозг [142], первичные клетки или бессмертные клеточные линии, полученные из этих тканей, могут иметь большую потребность в этом конкретном микронутриенте. В случае некоторых нейронных клеток, которым требуется железо для развития клеток [143], потребность в железе также может быть выше, чем в других типах клеток. Хотя необходимо продолжить оценку влияния микронутриентов на повреждение и целостность ДНК, а также на развитие клеток, включая соответствующие ферменты и белки, необходимо учитывать концентрации микронутриентов, относящиеся не только к стабильности генома человека, но и к стабильности генома клеточной культуры.

5. Могут ли изменения в составе микронутриентов культуры влиять на жизнеспособность и генетику культивируемых клеток?

Клетки обычно выдерживают при соответствующей температуре и концентрации CO 2 (обычно 37°C и 5% CO 2 для клеток млекопитающих) в инкубаторе. Помимо этих параметров, наиболее часто варьируемым фактором в системах культивирования является среда для выращивания. Рецепты питательной среды могут различаться по pH, концентрации глюкозы, факторам роста и наличию других питательных веществ и микроэлементов.Разработке синтетических базовых составов для культур клеток млекопитающих способствовал вклад многих исследователей. В частности, определение минимально необходимых питательных веществ Гарри Иглом в 1950-х годах породило итеративный процесс непрерывной модификации и уточнения экзогенной среды для культивирования новых типов клеток и поддержки новых применений культивируемых клеток млекопитающих. Этот процесс привел к разработке сильнодействующих базовых питательных составов, способных поддерживать бессывороточную пролиферацию клеток и биологическое производство [152].Однако факторы роста, наиболее часто используемые в качестве добавок к средам для культивирования клеток, по-прежнему получают из крови животных, например FBS. FBS стала предпочтительной добавкой для исследований на основе клеточных культур, она содержит множество белков, факторов роста и ионов, необходимых для жизнеспособности и пролиферации клеток in vitro , включая определенные витамины и минералы [153]. В настоящее время использование этих ингредиентов сведено к минимуму или по возможности исключено в пользу среды с определенным химическим составом, но такая замена не всегда возможна.

Брайан и др. [34] заявили, что одним из основных препятствий для получения человеческих клеток определенного и воспроизводимого стандарта и, следовательно, пригодных для использования в медицинской терапии, является рутинная необходимость добавления FBS в среду для культивирования клеток. В этом исследовании варианты FBS оценивались как с точки зрения элементного (микронутриентного) состава, так и с точки зрения влияния вариантов на экспрессию группы белков, связанных с антигенностью первичных эндотелиальных клеток пупочной вены человека (HUVEC).Для достижения этих экспериментальных целей использовали комбинацию масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICPMS) и проточной цитометрии. Статистически значимые различия в антигенной экспрессии при культивировании клеток были продемонстрированы для набора микроэлементов в СОБ (например, литий, бор, магний, фосфор, сера, калий, титан, ванадий, хром, марганец, железо, медь, цинк, галлий, и селен). Отсутствие воспроизводимости и различия в экспрессии белка в первичных клетках человека были связаны с добавлением FBS.

Известно, что условия культивирования клеточных линий влияют на экспрессию генов [154–156], в то время как стволовые клетки, выращенные в разных типах сыворотки, проявляют различные характеристики дифференцировки и пролиферации [157, 158] одна и та же клеточная линия, если культивируется в разных условиях, могут представлять разные фенотипы. Тем не менее, потребность клеток в определенном микронутриенте напрямую связана с типом клеток, скоростью роста клеток и стадией дифференцировки клеток. В свете этого важно отметить, что минимальное внимание уделялось составу FBS и добавлению микронутриентов в среду в клеточных культурах или тому факту, что микроэлементы могут влиять на жизнеспособность и геномную стабильность культивируемых клеток.

В таблицах и выделено несколько примеров воздействия витаминов и минералов на культуру клеток и на стабильность генома, взятых из литературы.

Таблица 3

Примеры из литературы о влиянии витаминов на культуру клеток и на стабильность генома.


микронутриентов Основные эффекты на жизнеспособность клеток и геномной стабильности клеточного типа Дополнительная информация о форме и концентрации микроэлемента оценивали Статус по отношению к физиологической концентрации Ссылки
Витамин A Повышает уровень повреждения ДНК 8-oxo-dG, но значительно ингибирует образование M1dG, особенно после индукции M1dG с помощью H 2 O 2 или B[a]P; повышенная продукция активных форм кислорода и образование промутагенных повреждений ДНК Клетки эпителия легких Бета-каротин (5 мкмоль/л) Аналогично [159, 160]
Вызывает цитотоксичность и окисление G до почти полной гибели клеток Лейкозные клетки (HL-60) Ретинол (2 мкмоль/л) и аскорбиновая кислота (50 мкмоль/л) Аналогично [161]
Индуцированный апоптоз апоптотический белок р53 и уменьшающий антиапоптотический Bcl-2, а также ядерный АТМ; также вызывает фрагментацию ДНК Клетки рака желудка (AGS) Бета-каротин (100 мкмоль/л) Выше [162]
Клетки гепатокарциномы (HepG2) Бета-каротин (4 мкмоль/л) и 8 мкмоль/л) Аналогично [163, 164]
Снижение уровня аддуктов тотальной ДНК и повышение уровня апоптоза в клетках, подвергшихся совместному воздействию бенз(а)пирена и ретиноевой кислоты Ретиноевая кислота (1 мкмоль/л) Нижняя

Витамин B7 (биотин) Увеличение разрывов нитей и клеточный ответ на разрывы нитей Клеточная линия Т-лимфоцитов (Jurkat) 25 × 10 −6  мкмоль/л и
0.01 мкмоль/л
Ниже и выше [75]
Влияет на биотинилирование белков, экспрессию генов и метаболизм интерлейкина-2; скорость пролиферации и апоптоза не зависела от биотинового статуса 25 × 10 –6  мкмоль/л, 25 × 10 –5  мкмоль/л и 0,01 мкмоль/л ниже и выше [

Витамин B9 Повышение уровня эксцизионной репарации и апоптоза Лимфоциты Фолат (<2.3 × 10 -3 7 мкмоль / л) ниже [166, 167]
Снижение апоптоза и повышенного пролиферации клеток нервные стволовые клетки (NSC) фолиевая кислота (8,4 × 10 3 мкмоль/л) Высшее [168, 169]
Высокая концентрация ускоряет рост; повышенная метаболическая активность, пролиферация и апоптоз; снижение дифференцировки Раковые клетки толстой кишки человека (HT29) Фолиевая кислота (0.021 мкмоль/л и 0,21 мкмоль/л) с другими микронутриентами, участвующими в фолатно-метиониновом цикле Аналогично и выше [56]

Витамин B12 Увеличение пролиферации клеток и повышенная дифференцировка клетки нейробластома (NIE115) витамин B12 (полное отсутствие) ниже [89]
хроническая экспозиция ингибировала нейротоксичность клетки сетчатки (первичные культуры эмбрионов крыс) Метилкобаламин (1 мкмоль/л) Выше [170]
в апоптозе Клеточные линии эритролейкоза человека (K562) и мышиной лимфомы (BW5147) Кобаламин (полное отсутствие и
3.7 × 10 −3  мкмоль/л)
Ниже и выше [171]

Физиологические концентрации АК не были токсичными, в то время как высокие концентрации АК индуцировали разрыв цепи ДНК дозозависимым образом, тогда как AA2P не были генотоксичными ) и 2-фосфат аскорбиновой кислоты (AA2P) (полное отсутствие или 20, 100 и 500 мкмоль/л) Ниже, аналогично и выше [172]
и цитотоксичность китайских клетков хомяка (V79) аскорбиновая кислота (1000 мкмоль / л) выше
Снижение количества 8-гидроксидексигуанозиновых аддукторов Кератиноцит для мыши Кератиноцитов аскорбиновая кислота ( 2,27 мкмоль/л и 4,54 мкмоль/л) Нижний [174]
Защитный эффект от повреждения ДНК, индуцированного рентгеновским облучением Лим человека фобластоидные клетки (Raji) Аскорбиновая кислота (60 мкмоль/л) Аналогичные [175]

Защитный эффект против DNA Ущерб, вызванный H 2 O 2 Лечение Raji клетки α-токоферол (30 мкмоль / л) Похожие [175]
Витамин Е Уменьшение фрагментации ДНК и образование апоптотических телец, что, возможно, способствует репарации ДНК / L) Похожие
Снижение апоптоза и автофагии культивированные трофобласты и злоумышленники, полученные из плаценты человека в срок витамин Е (50 мкмоль / л) с витамином С (50 мкмоль /L) Высшее [177]

Таблица 4

Примеры из литературы о влиянии минералов на культуру клеток и на стабильность генома.

4 Медь 59
и 500 мкмоль / л 90 СБ и цитотоксичность в обедненных цинком культурах, а также в концентрациях 32 и 100  мк М; снижение повреждения генома в культурах с добавлением 4 или 16  мк М
Microutrient Главное воздействие на жизнеспособность клеток и геномной устойчивости Тип клетки Дополнительная информация относительно формы и концентрации микроэлектриента оценивается Состояние в отношении физиологической концентрации ссылки
Увеличение цитотоксичности и рос Формирование HEPG2 50, 100, 150 и 200 мкмоль / л выше [184]
Увеличение митохондриальной активности и жизнеспособность клеток и увеличение урона ДНК Клетки яичника китайского хомячка (CHO-K1) 24.55, 35,40, 48,31, 89,23, 116,77, 170,75, 339,45 и 450,35 мкмоль/л Выше [185]
Повышение степени повреждения ДНК гистонов и снижение дозозависимого синтеза ДНК ацетилирование Лейкозные клетки (HL-60) Полное отсутствие, 10, 20, 50, 100 и 200 мкмоль/л Ниже, аналогично и выше [186]
8 8
Ингибированный синтез ДНК в пролиферативных клетках Лимфоциты человека Железа сульфат (22.38, 44,76 и 89,52 мкмоль / л) Аналогичные и выше [187]
Железо , возможно, ускоренный процесс старения и смерть в концентрациях> 10 μ моль / л, тогда как 5 μ моль / L Увелищенное содержание белка Cerebellar Granule Cerelectore железой нитрилотриацетат (5, 10, 15, 20 и 40 мкмоль / л показаны ниже, похожими и выше [188]
генотоксический эффекты Первичные нетрансформированные клетки толстой кишки и клеточная линия пренеопластической аденомы толстой кишки (LT97) Нитрилотриацетат железа (10, 100, 250, 500 и 1000 мкмоль/л) Ниже и выше [189]
Ингибированная пролиферация клеток и продвижение эндотелиальной дисфункции путем генерации пролитации, протромботической и проатерегенной среды эндотелиальные клетки человека 8 сульфат магния (100, 500 и 1000 мкмоль / л) ниже и выше ниже и выше [190]
Более резкое ингибирование роста в нормальных, чем в трансформированных клетках, и изменение хода клеточного цикла , 50, 100, 300 и 500 мкмоль / л [191] [191]
Magnesium Неадекватная концентрация Ускоренная клеточная старение Нормальные фибробласты человека (IMR-90) 100, 400 и 800 мкмоль/л Более низкие и аналогичные [192]
Репарация разреза полностью подавлена ​​в отсутствие M g 2+ , а также в очень высоких концентрациях, тогда как оптимальные концентрации необходимы на всех этапах NER Клеточные линии лимфобластоидной (AHh2) и клональной эпителиальной аденокарциномы человека (HeLa S3) 400 и 800 мкмоль/л Нижний и аналогичный [193]

Селен Метилселениновая кислота, L-селеноцистеин, селенодиглутатион или селенит-индуцированная гибель клеток в микромолярных концентрациях, в то время как селенометионин или эбселен не были токсичными в диапазоне испытанных концентраций 7) и мышиная гепатома (Hepa 1-6) Селенит натрия, L- или DL-селеноцистеин, селенодиглутатион, селенометил-селеноцистеин, селенат натрия, L- или DL-селенометионин, метилселениновая кислота, эбселен, селенометионин и селенодиглутатион   70 (0.1 × 10 -3 до 1000 мкмоль/л) Ниже, аналогично и выше [194]
Вызывает остановку цикла G1-клеток и апоптоз посредством множественных сигнальных путей, что может играть ключевую роль в метилселеноле -индуцированное ингибирование пролиферации раковых клеток и инвазии опухолевых клеток Клеточная линия саркомы человека (HT1080) Селен-L-метионин (SeMet) (полное отсутствие, 1,25, 2,5 и 5 мкмоль/л) Нижний [ 195]
Снижение повреждения клеток и защита от окислительного стресса Клетки HepG2 Селенметилселеноцистеин (0.01, 0,1, 1 и 10 мкмоль/л) Нижний и аналогичный [196]
Селенметилселеноцистеин (1 мкмоль/л) Нижний [197]
8 8 Нижний [197]
Повышенное окислительное повреждение ДНК; нарушено связывание ДНК p53, NF κ B и AP1; снижение репарации ДНК Клеточная линия крысиной глиомы (C-6) Сульфат Zn и карнозин Zn (4,0 мкмоль/л) Нижняя [198]
Цинк повышенный рост клеток и снижение жизнеспособности ДНК Линия лимфобластоидных клеток человека (WIL2-NS) Сульфат цинка и карнозин цинка (полное отсутствие, 0.4, 4.0, 16.0, 32,0 и 100,0 мкмоль / л) 1 ниже, аналогичные и выше [199]
снижение жизнеспособности клеток в Zn-истощенных культурах (0 μ м) как при концентрациях 32 и 100  мкМ М как для соединений Zn, так и для повышенного количества ДНК SB, апоптотических и некротических клеток в культурах, обедненных цинком

5.1. Витамин А

Для витамина А, но, возможно, применимого ко многим другим микронутриентам, исследования, представленные в , проводились при низких концентрациях, которые, как правило, проявляют защитный эффект, тогда как более высокие концентрации связаны с повышенным повреждением ДНК [65].Этот вывод согласуется с известной способностью β -каротина действовать как прооксидант, а не как антиоксидант, при высоких концентрациях и при высоком напряжении кислорода [178]. Всегда следует оценивать физиологические концентрации микронутриентов и, по возможности, по крайней мере использовать их как максимальные в исследованиях, оценивающих жизнеспособность и геномную стабильность клеточных культур. Однако, как можно убедиться в исследовании, данных о присутствии витамина А в средах для культивирования клеток недостаточно.

5.2. Витамин B7 (биотин)

Биотин играет важную роль в регуляции экспрессии генов, тем самым опосредуя определенные аспекты клеточной биологии и развития плода [179]. Эффекты дефицита биотина подробно описаны и связаны со снижением скорости пролиферации клеток, нарушением иммунной функции и аномальным развитием плода. Также упоминается избыток биотина, который может оказывать репродуктивное и тератогенное действие. Однако, как можно убедиться в исследовании, среды для культивирования клеток, содержащие более высокие уровни биотина, чем сыворотка человека, являются обычным явлением.Необходимы дополнительные исследования, оценивающие влияние высоких уровней биотина на клеточные культуры.

5.3. Витамин B9

Истощение фолиевой кислоты, по-видимому, усиливает канцерогенез, в то время как добавление фолиевой кислоты сверх того, что в настоящее время считается базовым требованием, оказывает защитный эффект [180]. Несколько примеров дефицита и приема фолиевой кислоты описаны в , и была продемонстрирована взаимосвязь между этим витамином и пролиферацией клеток и апоптозом. Кроме того, как можно убедиться в исследовании, уровни фолиевой кислоты в оцениваемых средах для культивирования клеток, как правило, выше, чем уровни, обнаруженные в сыворотке крови человека.Хорошо известно, что дефицит фолиевой кислоты может влиять на геномную стабильность культивируемых клеток [81, 181], однако все еще недостаточно данных, оценивающих, могут ли уровни фолиевой кислоты, превышающие физиологический диапазон, нарушать рост клеток. Следует исследовать повышенный уровень фолиевой кислоты, так как у животных, склонных к опухолевым заболеваниям, как дефицит фолиевой кислоты, так и прием добавок способствуют прогрессированию установленных новообразований [83, 182]. Поскольку в исследованиях in vitro переизбыток фолиевой кислоты встречается чаще, чем дефицит, первый следует оценивать наиболее тщательно.

5.4. Витамин B12

Дефицит витамина B12 был описан как аналог химических веществ, которые повреждают ДНК, вызывая одно- и двухцепочечные разрывы [20]. Как показано в , в клеточной модели, разработанной для лучшего понимания дефицита витамина B12 в головном мозге, были затронуты рост и дифференцировка нейронных клеток [89]. Кроме того, добавление некоторых соединений кобаламина защищало клетки от нейротоксичности и увеличивало рост клеток [170, 171]. К сожалению, исследований in vitro , демонстрирующих прямую связь между дефицитом или перегрузкой витамина B12 и стабильностью генома в клетках человека, еще не опубликованы.Однако, судя по статистике, высокие концентрации витамина В12 чаще встречаются в средах для культивирования клеток, чем в сыворотке крови человека.

5.5. Витамин С

В статье приведены несколько примеров влияния витамина С на клеточные культуры. Различные концентрации этого витамина приводят к различным реакциям, начиная от повреждения ДНК (при более высоких концентрациях) до защиты ДНК (при более низких концентрациях). Важно отметить, что концентрация витамина С в современных клеточных культурах недоступна в , поскольку, возможно, в средах присутствуют только следовые количества.Поскольку клеточный ответ на витамин С может быть дозозависимым, следует оценить концентрацию этого витамина в культуральной среде, аналогичную концентрации в сыворотке крови человека.

5.6. Витамин Е

Добавка витамина Е in vivo все еще обсуждается [183], и потребуются дополнительные исследования in vitro , чтобы лучше понять защитные эффекты витамина Е на жизнеспособность клеток и стабильность генома. Тем не менее, некоторые результаты () согласуются с концепцией, согласно которой α -токоферол в сочетании с аскорбиновой кислотой или отдельно может защищать от окислительного повреждения ДНК [175] и уменьшать апоптоз и аутофагию [177] при определенных условиях.К сожалению, текущая концентрация витамина Е in vitro также недоступна в , поскольку, возможно, в среде присутствуют только следовые количества. Учитывая это наблюдение, интересно отметить, что исследований in vitro витамина Е, описанных в принятых значениях концентрации, аналогичных концентрациям в сыворотке человека (приблизительно 30  мк моль/л), и что результаты были положительными для клеточных культур. .

5.7. Медь

Как можно убедиться в , в обычных средах для культивирования клеток наблюдается заметный недостаток меди, даже при добавлении FBS.Таким образом, клетки в культуре обычно подвергаются воздействию окружающей среды с дефицитом питательных микроэлементов, необходимых для образования детоксицирующих ферментов, которые могут влиять на развитие клеток и, возможно, стабильность генома и выживаемость. Важно отметить, что концентрации меди, оцененные в клеточной культуре (), как правило, превышают физиологический диапазон человека, поэтому следует ожидать токсических эффектов в культурах. Таким образом, оптимизация концентрации меди в клеточных культурах необходима для поддержания жизнеспособности клеток и стабильности генома, а также для предотвращения вредного воздействия этого металла.

5.8. Железо

Важно отметить, что результаты Lima et al. [187] можно ожидать в клеточной культуре, в которой потребности в микронутриентах сильно отличаются от таковых in vivo . В этом исследовании оцененные концентрации, как правило, были выше, чем значения, измеренные в сыворотке человека (), и даже самая низкая концентрация железа, примененная для авторов (22,38  μ моль/л), будет считаться высокой для клеток в культуре. Для клеток лейкемии HL-60, как показано в [201], диапазон концентраций железа для оптимальной клеточной пролиферации очень узок (2-3  μ моль/л).Напротив, в исследованиях, в которых уровни железа находились в пределах от 5 до 10  мк моль/л, эти уровни в целом улучшали анализируемые культуры или, по крайней мере, не наблюдалось повреждений [187–189].

5.9. Магний

Как показано в , несколько исследований влияния дефицита магния на культивируемые клетки продемонстрировали снижение окислительного стресса, прогрессирование клеточного цикла, рост клеток и жизнеспособность клеток [190, 191, 202–207]. Killilea и Ames [192] специально исследовали последствия долговременного и умеренного дефицита магния в нормальных клетках человека по сравнению с более типичными уровнями магния, используя концентрацию, наблюдаемую в нормальной сыворотке человека (0.8 ммоль/л). Никаких изменений не наблюдалось в клетках, культивируемых в среде с нормальным содержанием магния. Кроме того, на основе исследований, проведенных либо на бактериях, либо на клетках млекопитающих в культуре, нет доказательств генотоксического действия солей магния в физиологически значимых дозах [29], что указывает на то, что адекватные уровни питательных микроэлементов в средах для культивирования клеток могут улучшить жизнеспособность клеток и Геномная стабильность. Как показано на рисунке, уровни магния, обнаруженные в настоящее время в средах для культивирования клеток, очень схожи с уровнями в сыворотке крови человека, что очень необычно для микронутриентов в целом.

5.10. Селен

Дифференциальную токсичность, вызываемую соединениями селена, необходимо учитывать в исследованиях добавок in vivo и in vitro [194]. В ссылках оценивались различные формы селена и некоторые соли, которые могут быть более токсичными для клеточной среды, чем другие. В связи с важностью селена, а также многих других микронутриентов, обсуждаемых в этом обзоре, концентрацию микронутриентов в среде, а также FBS, предназначенную для клеточной культуры, следует контролировать и, если применимо, доводить до физиологического диапазона.При сравнении концентрации селена в сыворотке крови человека с концентрациями, описанными в экспериментах, указанных в , становится очевидным, что концентрации ниже физиологического диапазона приносят пользу клеточной культуре, хотя высокие концентрации соединений селена потенциально отрицательно влияют на опухолевые клетки.

5.11. Цинк

Роль цинка в стабильности генома была недавно рассмотрена Sharif et al. [208]. Кроме того, несколько кратких примеров влияния цинка на жизнеспособность клеток и стабильность генома приведены в .Возможный вывод из анализов in vitro состоит в том, что, когда используемая концентрация цинка ниже значения сыворотки крови человека (), результаты, как правило, благоприятны для культивируемых клеток. Напротив, концентрации цинка выше физиологического уровня могут повредить культивируемые клетки. Опять же, интересно отметить, что некоторые среды для культивирования клеток (например, HAM F-10 и F-12), даже при добавлении FBS, не могут обеспечить достаточное количество этого микроэлемента для надлежащего развития клеток и стабильности генома, если концентрация падает ниже физиологический диапазон.

6. Что необходимо сделать: ограничения имеющихся данных и выводы

Микронутриенты явно важны для развития клеток и стабильности генома, а многие из упомянутых микроэлементов необходимы для механизмов синтеза и восстановления ДНК. предоставляет обзор текущих данных о влиянии дефицита или избытка микронутриентов, рассматриваемых в этом обзоре, на стабильность генома. Уровни питательных микроэлементов, обнаруженные в обсуждаемых средах для культивирования клеток, и статус исследований каждого микроэлемента также выделены.Очевидно, было проведено много исследований, но все еще требуются более конкретные исследования, посвященные клеточным культурам.

Таблица 5

Обзор данных, рассмотренных в этом обзоре.

438 концентрация в общих клеточных средах в связи с физиологической концентрацией + + + + 4

, даже если есть несколько высокообогащенных СМИ, доступных в качестве базального среды для бессывороточных клеточных культур, такие как Medium 199 или питательная смесь Ham F-12, наиболее распространенным источником микроэлементов, используемых в настоящее время в клеточных культурах, по-прежнему является FBS.Ограничения FBS в обеспечении адекватных концентраций питательных микроэлементов были проанализированы и описаны в литературе [34]. Учитывая, что модели клеточных и тканевых культур, как правило, важны в научных исследованиях, разработка стандартов методов in vitro является обязательной. Эти новые стандарты снизят зависимость от сыворотки животных, добавки с неопределенным переменным составом, которая может значительно повлиять на результаты экспериментов [209]. Кроме того, согласно van der Valk et al.[209], улучшение обмена информацией о недавно разработанных бессывороточных средах может оказаться полезным. Также стало ясно, что почти каждый тип клеток имеет свои потребности в добавках к средам, и особенно, как обсуждается в этом обзоре, в добавках питательных микроэлементов. Универсальная среда для культивирования клеток и тканей может оказаться неосуществимой, поскольку разные типы клеток имеют разные рецепторы, участвующие в выживании, росте и дифференцировке клеток, и высвобождают разные факторы в окружающую среду.

Кроме того, важно подчеркнуть, что, хотя составы классических сред для культивирования клеток остаются неизменными в течение длительного времени, с момента их разработки качество и чистота отдельных компонентов, используемых в качестве добавок, вероятно, значительно повысились. Тем не менее, могли произойти некоторые потери важных веществ, в том числе микроэлементов, витаминов, факторов роста и липидов, и это следует решить до определения бессывороточной среды. Фактически, порог для разработки и использования новой четко определенной среды, учитывая, что существующие питательные среды с добавками FBS хорошо работают, высок [209].По крайней мере, в лабораториях, которые сосредоточены на исследованиях in vitro , следует тщательно рассмотреть вопрос об оценке состава FBS с точки зрения питательных микроэлементов и, возможно, других факторов. Знание состава питательных микроэлементов FBS может помочь свести к минимуму систематическую ошибку в экспериментальных результатах. Однако поддержание как успешных, так и последовательных клеточных культур может быть затруднено, поскольку FBS является сложным натуральным продуктом и может различаться между партиями, даже если они получены от одного производителя.В частности, качество и концентрация как основных, так и специфических белков в клеточных культурах могут влиять на рост клеток [210]. Корректировка уровней микроэлементов in vitro до физиологических значений гарантирует лучшую среду для развития клеток, имитируя среду in vivo .

Требуются дальнейшие исследования влияния микронутриентов на жизнеспособность, пролиферацию и стабильность клеток, а также на экспрессию и целостность генов, но уже доступная информация является достаточным призывом к действию.Как отметили Ferguson и Fenech [141], большинство исследований ограничивались изучением эффектов отдельных микронутриентов и не учитывали генетические последствия. Таким образом, существует острая потребность в исследованиях, которые также изучают взаимодействие питательных веществ и питательных веществ и генов. Определение физиологического диапазона таких важных микронутриентов, как железо, а затем корректировка концентраций, обнаруженных в настоящее время в средах для культивирования клеток, может быть полезным для анализов in vitro . Более конкретно, жизнеспособность и геномная стабильность клеточных линий и первичных культур могут быть улучшены.В зависимости от типа клеток (первичные, иммортализованные, опухолевые или нормальные) и происхождения (легкие, печень, нейроны или другое) потребность в микронутриентах может широко варьироваться, поэтому этот вопрос следует тщательно оценить. Наконец, форма микроэлемента, используемого в питательных средах, также может влиять на результаты экспериментов. Например, согласно Jacobs et al. [211], токсическое действие железа напрямую связано с наличием хелатирующего агента, который снижает концентрацию свободного иона трехвалентного железа и способствует образованию ферритина.

Как только будет установлена ​​взаимосвязь между in vivo дисбалансом питательных микроэлементов и стабильностью генома, которая может вызывать многие заболевания, включая рак, необходимо будет лучше понять in vitro добавки микроэлементов. На самом деле, некоторые простые вопросы, такие как «достаточна ли концентрация этого микроэлемента для развития этой клетки?» или « аналогичны ли уровни этого микронутриента уровням, наблюдаемым в сыворотке крови человека?», может способствовать правильному планированию исследований in vitro .

Размышления о жизнеспособности и стабильности генома

Abstract

Микронутриенты, в том числе минералы и витамины, незаменимы для метаболических путей ДНК и поэтому так же важны для жизни, как и макроэлементы. Без надлежащих питательных веществ нестабильность генома нарушает гомеостаз, что приводит к хроническим заболеваниям и некоторым видам рака. Среда для культивирования клеток пытается имитировать среду in vivo , предоставляя модели in vitro , используемые для определения реакции клеток на различные раздражители.В этом обзоре обобщаются и обсуждаются исследования по добавлению микронутриентов в клеточные культуры, которые могут повысить жизнеспособность клеток и стабильность генома, с особым акцентом на предыдущие эксперименты in vitro . В этих исследованиях среды для культивирования клеток включают определенные витамины и минералы в концентрациях, не соответствующих физиологическим уровням. Во многих распространенных питательных средах единственным источником микронутриентов является фетальная бычья сыворотка (ЭБС), которая составляет лишь 5–10% состава среды.Минимальное внимание было уделено составу FBS, микроэлементам в клеточных культурах в целом или влиянию микроэлементов на жизнеспособность и генетику культивируемых клеток. Необходимы дальнейшие исследования, лучше оценивающие роль микроэлементов на молекулярном уровне и их влияние на геномную стабильность клеток.

1. Введение

Микронутриенты, незаменимые питательные вещества, которые необходимы в небольших количествах, так же важны для жизни, как и макроэлементы. Микронутриенты включают все витамины, такие как A, D и E, а также минералы, такие как кальций, цинк и железо.Роль микронутриентов in vivo хорошо известна, и в нескольких исследованиях изучалось влияние микронутриентов на стабильность генома [1–21]. В рационе человека требуется около 40 питательных микроэлементов, и для правильного метаболизма каждого микроэлемента требуется оптимальный уровень потребления. Дефицит питательных микроэлементов искажает метаболизм многочисленными и сложными способами, многие из которых могут привести к повреждению ДНК.

Микронутриенты необходимы для оптимального метаболизма макронутриентов из-за критической роли микроэлементов в промежуточном метаболизме.Неизменно метаболизм требует одновременного участия одного или нескольких витаминов и минералов. Таким образом, этиология хронических дегенеративных заболеваний и скорость патогенеза тесно связаны с дисбалансом микронутриентов. Исследования в области питания недавно выявили роль нескольких питательных веществ в регуляции геномного механизма [22]. В частности, ряд витаминов и микроэлементов являются субстратами и/или кофакторами в метаболических путях, регулирующих синтез и/или репарацию ДНК и экспрессию генов [23].Дефицит таких питательных веществ может привести к нарушению целостности генома и изменению метилирования ДНК, таким образом связывая питание с модуляцией экспрессии генов. Во многих случаях реакция на дефицит питательных веществ также, по-видимому, зависит от генотипа. Таким образом, взаимодействия между генами и питательными веществами являются захватывающим примером физиологических реакций на окружающую среду/диету на молекулярном уровне [22].

Минералы и витамины необходимы для путей метаболизма ДНК [24, 25]. Хотя до сих пор нет четких доказательств того, что диета оптимально защищает от повреждения ДНК с точки зрения пропорций или комбинаций конкретных микроэлементов, многие исследования, проведенные in vitro и на животных моделях, продемонстрировали роль микроэлементов в поддержании стабильности генома. .Например, известно, что дефицит витаминов С и Е вызывает окисление ДНК и повреждение хромосом [26, 27]. Витамин D проявляет антиоксидантную активность, стабилизирует структуру хромосом и предотвращает двухцепочечные разрывы ДНК [28]. Точно так же магний является важным кофактором в метаболизме ДНК, который играет роль в поддержании высокой точности транскрипции ДНК [29]. В то время как избыток или недостаток железа может вызвать разрывы ДНК [30], диета, богатая каротиноидами, уменьшает повреждение ДНК [31], но избыток ретинола может быть канцерогенным для некоторых людей [32].В последнем примере дефицит витамина B-12 связан с образованием микроядер [5, 24], а снижение уровня транскобаламина II в сыворотке связано с хромосомными аномалиями [33].

Учитывая важность микронутриентов in vitro , оптимизация жизнеспособности клеток и стабильности генома требует дальнейших исследований. Среда для культивирования клеток, имитирующая среду in vivo , может помочь создать модели in vitro реакции клетки на различные стимулы.В состав этих сред входят определенные витамины и минералы, но, к сожалению, во многих распространенных питательных средах единственным источником микронутриентов является эмбриональная телячья сыворотка (ЭБС), которая составляет лишь 5–10% состава сред. Кроме того, не всегда обеспечивается соответствующая пропорция микронутриентов, поскольку точный состав каждой партии FBS на самом деле чрезвычайно изменчив [34].

Определенные микроэлементы, такие как кальций, фолиевая кислота, магний и железо, считаются ключевыми элементами клеточных процессов, включая пролиферацию, выживание и даже дифференцировку клеточных культур [35–38].Однако конкретная концентрация питательных микроэлементов в культуре, а также тип клеток могут вызывать различные реакции. Необходимы дальнейшие исследования роли микроэлементов на молекулярном уровне и влияния на стабильность генома.

2. Цели и область применения

В этом обзоре обобщаются и обсуждаются исследования, показывающие влияние некоторых микроэлементов на жизнеспособность клеток и стабильность генома, с особым акцентом на моделях in vitro . Представлены доказательства in vivo , иллюстрирующие значимость питательных веществ для стабильности генома.Документы были получены из PubMed с использованием следующих условий поиска: микроэлементы, витамины, минералы, клеточная культура, пролиферация, жизнеспособность и стабильность генома. Дополнительные публикации были собраны путем перекрестных ссылок на найденные основные статьи. Обзор не ставит целью включить все питательные вещества, которые могут повлиять на стабильность генома; затем были включены только следующие питательные вещества: витамины A, B7, B9, B12, C и E и минералы Cu, Fe, Mg, Se и Zn. Согласно Friso и Choi [39], дисбаланс таких пищевых нутриентов, как фолиевая кислота, цинк, витамин С и селен, может изменить геномное и/или геноспецифическое метилирование ДНК, что приводит к множеству различных молекулярных эффектов на экспрессию и целостность генов, в свою очередь, влияет на рост клеток, дифференцировку тканей, заболеваемость раком и старение.Чтобы лучше учитывать влияние выбранных питательных микроэлементов на жизнеспособность клеток и стабильность генома, мы рассмотрели доступную информацию об их дефиците или избытке.

3. Микронутриенты и их влияние на стабильность генома

Повреждение ДНК является одним из наиболее важных факторов, которые могут нарушить гомеостаз, приводя к хроническим (например, атеросклерозу) и даже дегенеративным заболеваниям, включая болезнь Альцгеймера (БА) и некоторые виды рак [40]. Дефицит или дисбаланс определенных питательных микроэлементов был описан как имитирующий радиацию или химические вещества, вызывающий одно- и двухцепочечные разрывы (SB) или повреждения в ДНК, или даже то и другое [20].

В списке перечислены микронутриенты, дисбаланс которых вызывает повреждение ДНК, а также источники пищи и возможные последствия для здоровья. В целом микроэлементы могут либо воздействовать непосредственно на геном для предотвращения мутаций, либо косвенно защищать геном, выступая в качестве ферментных кофакторов в клеточных процессах, которые модулируют трансформацию [41, 42]. Следовательно, любой дисбаланс может привести к некоторому повреждению ДНК.

Таблица 1

Микронутриенты связаны со стабильностью генома, диетическими потребностями и последствиями дефицита и избытка.

Microutrient Доказательства индукции геномической нестабильности
дефицит
дефицит избыток
Витамин A + + ниже изучал
20075 + + Express
Vitamin B9 + + выше изучал
Vitamin B12 + NA
Витамин C + + Unnown изучал
Vitamin E + неизвестно Учился
MOCK + + ниже изучали
IRE + + MONEL
Magnesium NA + Аналогичный
Selenium + ниже
Zink
Zink ниже изучали
[43, 49, 55]
Магний
Microutrient EAR для взрослых (не беременных или кормящихся) Общее здоровье последствия дефицита Влияние дефицита, связанного с нестабильностью генома UL для взрослых Эффекты избытка
, связанные с геном
.
Каталожные номера
Витамин

Витамин A 500-625 RAE Слепота, нарушение иммунитета и дермальные изменения Повышенная чувствительность к ДНК-вредным агентам 3000 RAE Врожденные пороки развития в течение беременности.Увеличение риска рака у курильщиков [48–50]
Витамин B7 (биотин) 30  мк г* Кожные изменения, иммунная дисфункция, неврологические симптомы и врожденные пороки развития во время беременности NA (безопасно до 20 000  μ г) Врожденные пороки развития. Увеличение повреждения ДНК [51–54]
Витамин B9 320 DFE Анемия и другие гематологические изменения, осложнения беременности (например,g., дефект нервной трубки) Неправильное встраивание урацила в ДНК; DNA Strand Breaks 1000 DFE Увеличенный риск развития рака (поощрение эффекта) [43, 51, 55, 56]
Витамин B12 2 μ G от отсутствия энергии до необратимого тяжелого повреждения Нервную систему ДНК прямой разрывы 1000 μ г Неизвестно [43, 51]
Витамин С 60-75 мг (95-110, если курильщик) Дерматологические изменения, связанные с Синтез коллагена и обесценение иммунитета DNA Strand Breaks 2000 MG 2000 мг ДНК, связанные с окислительным стрессом
20075 12 мг увеличение риска хронических заболеваний Разрывы нитей ДНК 1000 мг Повреждения ДНК, связанные с окислительным стрессом [43, 49, 57, 58]

Минерал

CODE 700809 μ г анемия и другие дисфункции крови, нарушение роста и неврологические изменения Увеличение ущерба для окислительного ДНК 10000 μ г (по рассмотрению) Ущерб ДНК, связанный с окислительный стресс, особенно в печени [59, 60]
Железо 6–8.1 мг Анемия и другие нарушения функции крови, нарушение роста и неврологические изменения Повышение повреждения ДНК 45 мг Повреждение ДНК, связанное с окислительным стрессом, особенно в печени [21, 43, 60] 807 909 255-350 мг 255-350 мг Редкий, потому что дефицит мг — необычный дефицит ремонта ДНК NA Неизвестно [61, 62]
Selenium 45 μ г Снижение активности Глютатион пероксидаза, ведущая к повышенному риску дегенеративных заболеваний и обесценения в иммунитете ДНК-пряки 400 μ G Заболеваемость опухолей, по-видимому, уменьшается в дополнительных дозах [49, 63]
цинка 6.8–9,4 мг Изменения кожи, задержка роста, иммунная дисфункция, неврологические симптомы, куриная слепота и неблагоприятные исходы во время беременности Разрывы нитей ДНК 40 мг Увеличение повреждения ДНК [43, 60, 80]

Роль диеты в определении стабильности генома важнее, чем предполагалось ранее. Было обнаружено, что диета влияет на все пути, связанные со стабильностью генома, включая воздействие пищевых канцерогенов, активацию и детоксикацию канцерогенов, репарацию ДНК, синтез ДНК и клеточный апоптоз [23, 43].Все эти критические пути зависят не только от ферментов, но также от субстратов и кофакторов, некоторые из которых доступны только в правильной концентрации при адекватном потреблении ключевых минералов и витаминов с пищей [44]. В результате диетический дефицит определенных микронутриентов, необходимых для поддержания ДНК, может оказывать эффекты, подобные наследственным генетическим нарушениям, которые нарушают активность ферментов, необходимых для стабильности генома [23, 45-47]. Кроме того, такой дефицит может повредить ДНК в той же степени, что и значительное воздействие известных канцерогенов, таких как ионизирующее излучение [43].

3.1. Витамин А

Витамин А также называют ретиноевой кислотой, ретинолом, ретиналем, α — и β -каротином, ликопином, лютеином, зеаксантином, β -криптоксантином или астаксантином. Роль витамина А и провитамина А (каротиноидов) в повреждении ДНК недавно была рассмотрена Azqueta и Collins [65]. Хорошо зарекомендовавшие себя антиоксидантные свойства витамина А облегчили исследования по измерению окислительного повреждения как in vivo , в исследованиях на животных и клинических испытаниях на людях, так и in vitro .В то время как высокие концентрации каротиноидов провитамина А могут вызывать повреждение ДНК, возможно, действуя как прооксиданты, каротиноиды, не являющиеся витамином А, могут значительно уменьшить такое повреждение [66].

Функции витамина А связаны с ночным, дневным и цветовым зрением; целостность эпителиальных клеток против инфекций; иммунный ответ; гемопоэз; скелетный рост; мужская и женская фертильность; эмбриогенез. Как это ни парадоксально, либо избыток, либо недостаток ретиноевой кислоты приводит к аналогичным порокам развития в некоторых органах, включая почки млекопитающих [67].Многие глазные патологии обусловлены дефицитом витамина А, в том числе куриная слепота, ксероз конъюнктивы и повреждения роговицы. Точно так же гипервитаминоз А, возникающий в результате накопления избытка витамина А в организме, может повредить различные системы. Очень большие дозы витамина А, особенно у маленьких детей, могут повышать внутричерепное давление, приводя к головной боли, тошноте и рвоте [68]. Также было установлено, что адекватное потребление витамина А необходимо для нормального органогенеза, иммунной функции, дифференцировки тканей и зрения.Учитывая эти требования, дефицит витамина А, который широко распространен в развивающихся странах, ежегодно является причиной не менее миллиона случаев ненужной смерти и слепоты [69].

3.2. Витамин B7

Витамин B7, также известный как биотин, действует как кофактор для биотинзависимых ферментов пируваткарбоксилазы, пропионил-КоА-карбоксилазы, кротонил-КоА-карбоксилазы и двух изоферментов ацетил-КоА-карбоксилазы [70]. Эти ферменты катализируют ключевые этапы важных метаболических путей, включая биосинтез жирных кислот, глюконеогенез и метаболизм аминокислот [71].Дефицит витамина B7 из-за недостаточного потребления с пищей или врожденных дефектов всасывания или метаболизма биотина приводит к инактивации всех пяти биотинзависимых ферментов. Это состояние известно как множественный дефицит карбоксилазы (MCD) [72, 73], симптомы которого включают кетоацидоз, лактоацидоз, трудности с кормлением, кожные высыпания и неврологические нарушения, такие как субэпендимальные кисты, гипотония, судороги и атаксия. В тяжелых случаях или если БМИ не лечить, это состояние может привести к коме или смерти [74].

Было продемонстрировано, что биотин играет роль в разрывах нитей ДНК и клеточном ответе на разрывы нитей (SB). В частности, добавка биотина увеличивала разрывы ДНК в клеточных культурах, хотя неизвестно, относится ли это открытие к целым организмам [75]. Напротив, in vivo высокое потребление биотина в сочетании с низким потреблением множества других питательных веществ было связано с повышенной стабильностью генома [53]. Дефицит биотина редко возникает спонтанно у животных, включая людей [76], но может быть вызван потреблением большого количества сырого яичного белка, содержащего авидин, который, как известно, ингибирует всасывание биотина из кишечного тракта, или приемом противосудорожных препаратов [77].

3.3. Витамин B9

Дефицит витамина B9, также известного как фолиевая кислота или фолиевая кислота, часто встречается у людей, которые потребляют мало фруктов и овощей. Витамин В9, как и другие витамины из комплекса В, играет важную роль в стабильности генома, а его дефицит может вызывать хромосомные разрывы в генах человека [78]. Дефицит витамина B9 также может привести к (а) повышенной скорости повреждения ДНК и изменению метилирования ДНК, оба из которых являются факторами риска развития рака [78–80], возможно, включая рак толстой кишки [81] или (б) повышенной концентрации гомоцистеина , важный фактор риска сердечно-сосудистых заболеваний [82].Эти дефекты также могут играть важную роль в развитии и неврологических аномалиях [78, 79]. Однако у животных с существующими предопухолевыми или неопластическими поражениями добавление фолиевой кислоты увеличивает опухолевую нагрузку [83]. Напротив, адекватное потребление витамина B9 может повысить стабильность генома и, возможно, снизить риск рака [84–87], поскольку витамин B9 является ключевым донором углерода во время биосинтеза нуклеотидов [88].

3.4. Витамин В12

Дефицит витамина В12, или цианокобаламина, связан с пернициозной анемией и неврологическими патологиями, варьирующими от незначительного снижения когнитивных функций до нейродегенеративных расстройств, хотя роль витамина В12 в этих состояниях требует дальнейшего изучения [89, 90].Отсутствие понимания лежащих в основе молекулярных механизмов может быть связано с экспериментальными ограничениями доступных классических моделей клеточных культур [89]. Тем не менее известно, что витамин B12 играет важную роль в стабильности генома, а дефицит витамина B12 может привести к повреждению ДНК [81]. Витамин B12 также необходим для синтеза метионина и S -аденозилметионина, обычного донора метила, необходимого для поддержания паттернов метилирования ДНК, которые определяют экспрессию генов и конформацию ДНК [91].

Несмотря на разногласия в литературе относительно распространенности дефицита витамина B12, этот дефицит, по-видимому, чаще встречается у людей в возрасте 65–76 лет [92]. Однако симптомы дефицита витамина B12, вызванные неправильным питанием, проблемами с пищеварением и/или недостаточным всасыванием, у пожилых людей могут быть неспецифическими, что затрудняет диагностику. Кроме того, перед анемией могут появиться неврологические симптомы; на самом деле только около 60% пожилых людей с дефицитом витамина B12 страдают анемией [92, 93].В моделях клеточных культур достаточное количество витамина B12 может быть обеспечено клетками с помощью FBS [89].

3.5. Витамин C

Витамин C, также известный как аскорбат или аскорбиновая кислота, является микроэлементом, необходимым для бесчисленных биологических функций, в частности, выступая в качестве кофактора для некоторых важных ферментов [94]. Одним из типов ферментов являются пролилгидроксилазы, которые играют роль в биосинтезе коллагена и подавлении фактора, индуцируемого гипоксией (HIF-) 1, фактора транскрипции, который регулирует многие гены, ответственные за рост опухоли, энергетический метаболизм, функцию нейтрофилов и апоптоз. .Зависимое от витамина С ингибирование пути HIF может обеспечить альтернативные или дополнительные подходы к контролю прогрессирования опухоли, инфекции и воспаления [94].

Поскольку витамин С обладает антиоксидантными свойствами, которые обеспечивают защиту от повреждения клеток, вызванного окислительным стрессом, за счет удаления активных форм кислорода (АФК), влияние этого витамина на химиопрофилактику рака [95, 96] и лечение рака [97], а также сепсис [98] и нейродегенеративные заболевания (например, болезнь Альцгеймера) [99].Фактически, потребление недостаточного количества витамина С может имитировать радиационное облучение. В литературе в многочисленных исследованиях пищевых добавок на людях использовались биомаркеры окислительного повреждения ДНК, липидов (при окислении липидов высвобождаются мутагенные альдегиды) и белков. Хотя эти исследования дали как положительные, так и отрицательные результаты, если принять во внимание тот факт, что насыщение клеток крови происходит примерно при 100 мг/день, данные свидетельствуют о том, что этот уровень потребления витамина С минимизирует повреждение ДНК [20].К сожалению, дефицит витамина С распространен в бедных сообществах, поэтому следует рассмотреть меры по улучшению потребления продуктов, богатых витамином С [100].

3.6. Витамин Е

Витамин Е, который включает соединения из семейств токоферолов и токотриенолов, необходим для предотвращения периферической нейропатии и гемолитической анемии у людей, возникающих из-за дефицита витамина Е. Витамин Е действует как жизненно важный жирорастворимый антиоксидант, поглощающий гидропероксильные радикалы в липидной среде.Симптомы дефицита витамина Е у человека предполагают, что антиоксидантные свойства этого витамина играют важную роль в защите мембран эритроцитов и нервной ткани [94]. Кроме того, эти антиоксидантные свойства играют роль в стабильности генома, особенно потому, что витамин Е является мощным поглотителем пероксильных радикалов. Витамин Е также является антиоксидантом, разрушающим цепь, который предотвращает распространение свободных радикалов в мембранах и липопротеинах плазмы [101].

Недавно Ni и Eng [102] продемонстрировали, что α -токоферол может избирательно защищать клетки SDH (var + ) от окислительного повреждения и апоптоза и восстанавливать баланс окислительно-восстановительных метаболитов никотинамидадениндинуклеотида (NAD + и NADH).В другом интересном недавнем исследовании [103] оценивалось количество продукта окисления 8-оксо-7,8-дигидро-2′-дезоксигуанозина (8-oxodG), образующегося из нуклеозида ДНК дезоксигуанозина (dG) после воздействия витаминов. В случае витамина Е в культивируемых клетках не индуцируется повреждение ДНК. В совокупности эти результаты усиливают роль этого витамина в поддержании целостности и стабильности ДНК. Хотя прямое сравнение результатов исследований затруднено различными определениями дефицита витамина Е, имеющиеся данные свидетельствуют о том, что дети и пожилые люди наиболее уязвимы к этому дефициту и что мужчины могут подвергаться большему риску, чем женщины [104].

3.7. Медь

Медь является важным микроэлементом, выступающим в качестве кофактора для многих ферментов в различных биологических процессах. В отличие от железа концентрация меди не только в крови, но и в отдельных органах поддерживается на постоянном уровне, начиная с раннего детства, что указывает на наличие надежных гомеостатических механизмов [105]. Адекватное потребление меди обеспечивает нормальную утилизацию пищевого железа, абсорбцию железа в кишечнике, высвобождение железа из запасов (т.g., в макрофагах печени и селезенки), а включение железа в гемоглобин — медьзависимые процессы. Помимо предотвращения анемии, медь способствует свертыванию крови и контролю артериального давления; сшивание соединительной ткани в артериях, костях и сердце; защита от окислительного повреждения; преобразование энергии; миелинизация головного и спинного мозга; воспроизведение; синтез гормонов. Напротив, недостаточное потребление меди оказывает неблагоприятное воздействие на метаболизм холестерина и глюкозы, контроль артериального давления и функцию сердца, минерализацию костей и иммунитет [106].

Чрезмерное накопление меди в организме может способствовать развитию рака из-за роли меди в повреждении ДНК [107]. Любопытно, что в дополнение к надежным механизмам, поддерживающим гомеостаз меди и быстрое выведение меди, млекопитающие экспрессируют зависимые от меди ферменты, которые играют центральную роль в антиоксидантной защите. Таким образом, в то время как медь может индуцировать образование АФК при участии в реакциях Фентона или Габера-Вейсса, медь-зависимые процессы также могут способствовать выведению АФК [105].Для получения дополнительной информации о взаимосвязи между повреждением меди и ДНК см. недавний обзор, опубликованный Линдером [105].

3.8. Железо

Железо является важнейшим питательным элементом для всех форм жизни, который играет важную роль в клетке, включая транспорт электронов и клеточное дыхание, пролиферацию и дифференцировку, а также регуляцию экспрессии генов [3]. Железо может подвергаться одновалентным окислительно-восстановительным реакциям, в результате чего образуются окисленные и восстановленные формы, известные как трехвалентное (Fe 3+ ) и двухвалентное (Fe 2+ ) железо соответственно.Из-за окисления железа, которое может способствовать образованию АФК, а также из-за роли железа в реакциях Фентона и Габера-Вейсса, это питательное вещество также потенциально вредно. Эти реакции происходят, когда неорганическое питательное вещество, такое как Fe 2+ или Cu + , находится в избытке и отдает электрон H 2 O 2 , что приводит к образованию OH. АФК, генерируемые химией Фентона, могут способствовать развитию основных патологий, таких как рак, атеросклероз и нейродегенеративные заболевания [38].

Свободные радикалы могут нанести серьезный ущерб геному. В зависимости от дозы и типа неорганические питательные вещества могут защищать от окислительного стресса или способствовать ему [108]. Пероксидазы и особенно каталаза, использующие гемовое железо в качестве кофактора, разлагают H 2 O 2 . Если образовавшиеся реактивные частицы не удаляются эффективно, они могут вызвать образование более активного ОН или пероксинитрита, что может привести к окислению ДНК. Следовательно, дефицит таких антиоксидантных ферментов, зависящих от питательных веществ, может увеличить окислительный стресс и способствовать нестабильности генома [109].

Кроме того, железо является кофактором многих важных ферментов, связанных с репарацией ДНК, в основном в виде кластеров железа и серы. Например, гликозилазы MutyH и NTHL1, участвующие в эксцизионной репарации оснований (BER) и репарации несоответствия (MMR), а также хеликазы ERCC2 и BACh2, участвующие в эксцизионной репарации нуклеотидов (NER), имеют в своей структуре железо-серные кластеры [110, 111]. . Повышенная чувствительность к повреждению ДНК в клетках с нарушенным биогенезом белка Fe/S может включать потерю эксцизионной репарации нуклеотидов из-за нарушения созревания XPD.Так как Fe/S-кластер XPD необходим для его ДНК-хеликазной активности in vitro [110].

Хотя избыток железа может вызвать окислительное повреждение ДНК у крыс и связан с повышенным риском развития рака и сердечно-сосудистых заболеваний у людей [20], дефицит железа также, по-видимому, приводит к окислительному повреждению ДНК и связан с когнитивной дисфункцией у детей. Важность железа для нормальной неврологической функции хорошо известна, поскольку нейроны нуждаются в железе для многих физиологических процессов, включая транспорт электронов и миелинизацию аксонов, а также в качестве кофактора для многих ферментов, участвующих в синтезе нейротрансмиттеров [112, 113].Напротив, недостаточное потребление железа приводит к анемии, иммунной дисфункции и неблагоприятным исходам беременности, таким как преждевременные роды. Таким образом, поддержание физиологических уровней железа с помощью диетического питания является обязательным для здоровья. Однако дефицит железа все еще очень распространен среди людей, особенно среди детей и беременных женщин [114].

3.9. Магний

Магний незаменим для жизни, так как этот микроэлемент участвует во многих важных биологических процессах. Магний выполняет множество функций во всех клеточных процессах, включая репликацию ДНК и синтез белка, а также служит кофактором для белков, восстанавливающих ДНК, и поддерживает окислительно-восстановительный статус клетки, регуляцию клеточного цикла и апоптоз [29].Дефицит магния или замещение Mg 2+ другими токсичными ионами двухвалентных металлов приводит к повышенной нестабильности генома, которая связана со многими заболеваниями [115] и может привести к ингибированию репарации ДНК, окислительному стрессу, ускоренному старению и увеличению риск рака [29, 116]. Исследования показали, что более высокое потребление магния может защитить от некоторых воспалительных заболеваний, таких как резистентность к инсулину [117], гипертония [118], сахарный диабет [119] и сердечно-сосудистые заболевания [118].

Магний не является генотоксичным в физиологически значимых концентрациях и фактически поддерживает низкую частоту мутаций, способствуя репликации с высокой точностью и поддерживая все процессы репарации ДНК и хромосомной сегрегации во время митоза [29]. Фактически, это важный кофактор в процессах NER, BER и MMR, где магний необходим для устранения повреждений ДНК [120]. Все нижележащие активности основных белков эксцизионной репарации оснований, таких как апуриновая/апиримидиновая эндонуклеаза, ДНК-полимераза бета и лигазы, требуют магния.Таким образом, этот элемент может действовать как регулятор пути эксцизионной репарации оснований для эффективной и сбалансированной репарации поврежденных оснований, которые часто менее токсичны и/или мутагенны, чем их последующие промежуточные продукты репарации [121]. Магний также важен для точности репликации ДНК, влияя на клеточный цикл и апоптоз [61].

Эпидемиологические исследования на животных и людях продемонстрировали обратную корреляцию между уровнями магния и сердечно-сосудистыми заболеваниями [29] или заболеваемостью некоторыми видами рака, включая колоректальный рак [122, 123].Кроме того, дефицит магния является одним из факторов риска преждевременного старения [29]. Взаимосвязь между уровнями магния и онкогенезом более сложна: дефицит магния увеличивает частоту возникновения опухолей у животных и людей, тогда как магний способствует росту ранее существовавших опухолей из-за глубоких изменений гомеостаза магния в опухолевых клетках. Таким образом, защитные эффекты магния ограничены ранними стадиями развития опухоли [29]. Согласно Ford и Mokdad [124], несмотря на роль магния в поддержании хорошего здоровья, исторически большая часть населения Соединенных Штатов не потребляла достаточного количества этого питательного вещества.Кроме того, существуют значительные расовые и этнические различия в потреблении магния.

3.10. Селен

Микроэлемент селен — еще один хорошо зарекомендовавший себя микроэлемент, необходимый для здоровья млекопитающих [125]. Селен входит в состав небольшой группы селеноцистеинсодержащих селенопротеинов [126], включая глутатионпероксидазу, тиоредоксинредуктазу, селенопротеин P и селенопротеин R, которые в первую очередь участвуют в антиоксидантной активности и поддержании окислительно-восстановительного состояния клетки [127–130]. ].Из-за ключевой роли селена в регуляции окислительно-восстановительного потенциала и антиоксидантной функции это питательное вещество имеет решающее значение для целостности мембран, энергетического метаболизма и защиты от повреждения ДНК [126]. Однако в некоторых случаях селен также может приводить к окислительному повреждению ДНК [20], повышению риска инфицирования и изменению настроения [131]. Положительные или отрицательные эффекты селена in vivo или in vitro зависят от дозы. Интерес к селенорганической химии и биохимии возрос за последние два десятилетия, главным образом потому, что различные селенорганические соединения могут быть использованы в качестве антиоксидантов, ингибиторов ферментов, нейропротекторных, противоопухолевых или противоинфекционных средств, а также индукторов цитокинов и иммуномодуляторов [125, 132–135].На самом деле взаимодействие со структурами цинковых пальцев белков репарации ДНК может происходить с помощью незаменимых микроэлементов, таких как некоторые соединения селена, которые проявляют антиканцерогенные свойства при низких концентрациях, но могут поставить под угрозу генетическую стабильность при более высоких концентрациях [136].

Дефицит селена сам по себе не является обычным явлением в развитых странах, но недостаточное потребление этого минерала связано с развитием рака, астмы и ишемической болезни, среди других хронических состояний [137].При необходимости пищевые добавки следует применять с осторожностью, учитывая внутреннюю токсичность высоких уровней селена [138].

3.11. Цинк

Цинк является одним из важнейших микроэлементов в связи с преобладанием цинкзависимых ферментов в метаболических процессах; жизненно важная роль цинка в нескольких функциях организма, таких как зрение, восприятие вкуса, познание, размножение клеток, рост и иммунитет; благотворное влияние добавок цинка на многие болезненные состояния [139]. На самом деле цинк входит в состав более 300 белков, в том числе более 100 ДНК-связывающих белков с цинковыми пальцами, супероксиддисмутазы Cu/Zn, рецептора эстрогена и белка синаптической передачи [20].Цинк также играет решающую роль в биологии p53, поскольку p53 связывается с ДНК через структурно сложный домен, стабилизированный атомом цинка, что, возможно, увеличивает ответ на противораковые препараты [140].

Дефицит цинка является проблемой для здоровья во многих сообществах, особенно среди подростков, из-за пубертатного скачка роста [139]. На молекулярном уровне имеются доказательства взаимосвязи между дефицитом цинка и повышенным числом хромосомных разрывов, возможно, из-за повышенного окислительного повреждения, связанного с потерей активности супероксиддисмутазы Cu/Zn или цинксодержащего фермента восстановления ДНК Fapy-гликозилазы. который восстанавливает окисленный гуанин [20].К сожалению, почти половина населения мира подвержена риску недостаточного потребления цинка, поэтому срочно необходимы программы общественного здравоохранения для уменьшения дефицита цинка [139].

3.12. Резюме влияния отдельных питательных микроэлементов на стабильность генома

Принимая во внимание предыдущее обсуждение и другие данные из литературы, адекватное потребление питательных микроэлементов, по-видимому, играет важную роль в стабильности генома. Напротив, дисбаланс одних и тех же микронутриентов может также негативно влиять на ДНК, возможно, через окислительный стресс, вызывая или способствуя различным заболеваниям человека.Таким образом, очень важно выяснить механизм, лежащий в основе реакции на окислительный стресс и его восстановление, и взаимосвязь этого механизма с путями реакции на повреждение ДНК, всеми неорганическими питательными веществами (витаминами и минералами) и болезнями, включая канцерогенез. Понимание возможных влияний на стабильность генома, даже в клеточной культуре, также востребовано в настоящее время.

4. Среда для культивирования клеток и питательные микроэлементы, повышающие стабильность генома: важна ли концентрация?

По словам Фергюсона и Фенека [141], в последнее десятилетие исследований микронутриентов и стабильности генома были улучшены диетические рекомендации, основанные на предотвращении повреждения ДНК или поддержании целостности генома.В свете этого необходима разработка моделей in vivo и особенно in vitro для более надежной оценки повреждения ДНК.

представляет интересные данные о питательных микроэлементах, которые могут влиять на стабильность генома, и о значениях концентрации питательных микроэлементов, обнаруженных в типичных средах для культивирования клеток, FBS и сыворотке человека. К сожалению, данные не доступны для всех питательных микроэлементов в среде, и даже пропорции микроэлементов в FBS как органическом продукте не все хорошо охарактеризованы.Кроме того, как показали Bryan et al. [34], концентрация многих питательных микроэлементов в FBS может значительно различаться между партиями.

Таблица 2

Концентрации (в мкл моль/л) микронутриентов, которые могут повысить стабильность генома в традиционных средах для культивирования клеток и FBS по сравнению с сывороткой человека.

NA NA NA NA NA NA 46 2 3 NA NA NA NA NA
Питательные микроэлементы Среда для культивирования клеток* 10% FBS ** Средняя концентрация человеческой сыворотки *** Статус Cell-Culture Medium Verseus
MEM DMEM L-15 M-199 HAM F-10 HAM F -12 RPMI-1640 DMEM/HAM F12 сыворотка человека
Витамины

Витамин А НП НП НП 3.1 × 10 -1 7 NA NA NA NA 3.0 × 10 3,0147 2.0 ниже
Витамин B7 (биотин) NA NA NA 4.1 × 10 6 -2 1.0 × 10 1,0 × 10 3.0 × 10 30347 8.2 × 10 8.2 × 10 1,0 × 10 Trace 4,0 × 10 −4 Высшее
Витамин В9 2.3 9.1 9.1 2.3 2.3 × 10 30347 3.0 3.0 2.3 6.0 Trace 5.0 × 10 7 выше
Витамин B12 NA NA 2,8 × 10 6 -1 1.0 1.0 4,0 × 10 50 × 10 6 -1 Trace 3,0 × 10 −4 Высшее
Витамин С НП НП НП 1.4 × 10 6 -2 7 NA NA ниже
Na NA NA NA НП НП НП 0,0003 30,0 Неизвестно

Минералы

Медь Нет данных Нет данных Нет данных Нет данных 1.0 × 10 -2 1.0 × 10 Na Na 5.0 × 10 6 -3 7 Trace 14.0 ниже
Iron NA 2,5 × 10 -1 NA 1.7 3.0 3.0 NA NA 1.6 3.0 23.0 ниже
Magnesium 8,0 × 10 8.0 × 10 2 1.8 × 10 Na Na 6.2 × 10 6.2 × 10 6 2 6.1 × 10 6 2 4,1 × 10 2 1.1 × 10 Trace 8.0 × 10 более низкие / подобные
Selenium NA NA NA NA 3,0 × 10 -2 3.0 × 10 -2 7 11.0 ниже
Na NA NA 1.0 × 10 7 3.0 NA 1.5 След 17.0 Нижний

Хотя среда для культивирования клеток пытается создать среду, аналогичную среде in vivo развития клеток, существует очевидный дисбаланс микронутриентов между средой и человеческой сывороткой.Концентрации некоторых питательных микроэлементов в этих средах выше, чем в сыворотке человека (например, витамины B7 и B12), в то время как концентрации других питательных веществ значительно ниже, чем в сыворотке человека (например, железо и цинк). Недавнее исследование [103] привлекло внимание к составу поливитаминных добавок, которые могут вызывать нежелательные последствия для здоровья из-за синергетического окислительного действия витаминов и металлов, входящих в их состав. В этом исследовании способность витаминов к химическому окислению изучалась путем измерения количества продукта окисления 8-оксо-7,8-дигидро-2′-дезоксигуанозина (8-oxodG), образующегося из ДНК-нуклеозида дезоксигуанозина (dG) после приема витамина. контакт.Микронутриентами, оцененными авторами, были витамины А, В1, В2, В3, В6, В12 и С; β -каротин; фолиевая кислота; α -, δ — и γ -токоферол. Также были исследованы минералы медь, железо и цинк. Все эти микроэлементы были протестированы в клеточной культуре, по отдельности или в комбинации, принимая во внимание уровни каждого микроэлемента в сыворотке крови человека. Основной вывод заключался в том, что некоторые витамины, сами по себе или в сочетании с металлами (например, витамин С и медь), могут вызывать повреждение ДНК.Однако клетки в культуре и клетки in vivo имеют разные потребности в питательных веществах и факторах роста, поскольку активность клеток в каждой среде может различаться из-за взаимодействия с другими клетками или частями более крупного организма. Таким образом, исследование физиологических концентраций микронутриентов in vitro может быть не самым подходящим подходом.

Как упоминалось выше, у каждого типа клеток может быть своя потребность в питательных микроэлементах. В зависимости от происхождения клетки и ее роли in vivo клетка может иметь более высокое сродство к одному микроэлементу по сравнению с другим.Например, в случае железа, которое хранится в определенных тканях, включая селезенку, печень и костный мозг [142], первичные клетки или бессмертные клеточные линии, полученные из этих тканей, могут иметь большую потребность в этом конкретном микронутриенте. В случае некоторых нейронных клеток, которым требуется железо для развития клеток [143], потребность в железе также может быть выше, чем в других типах клеток. Хотя необходимо продолжить оценку влияния микронутриентов на повреждение и целостность ДНК, а также на развитие клеток, включая соответствующие ферменты и белки, необходимо учитывать концентрации микронутриентов, относящиеся не только к стабильности генома человека, но и к стабильности генома клеточной культуры.

5. Могут ли изменения в составе микронутриентов культуры влиять на жизнеспособность и генетику культивируемых клеток?

Клетки обычно выдерживают при соответствующей температуре и концентрации CO 2 (обычно 37°C и 5% CO 2 для клеток млекопитающих) в инкубаторе. Помимо этих параметров, наиболее часто варьируемым фактором в системах культивирования является среда для выращивания. Рецепты питательной среды могут различаться по pH, концентрации глюкозы, факторам роста и наличию других питательных веществ и микроэлементов.Разработке синтетических базовых составов для культур клеток млекопитающих способствовал вклад многих исследователей. В частности, определение минимально необходимых питательных веществ Гарри Иглом в 1950-х годах породило итеративный процесс непрерывной модификации и уточнения экзогенной среды для культивирования новых типов клеток и поддержки новых применений культивируемых клеток млекопитающих. Этот процесс привел к разработке сильнодействующих базовых питательных составов, способных поддерживать бессывороточную пролиферацию клеток и биологическое производство [152].Однако факторы роста, наиболее часто используемые в качестве добавок к средам для культивирования клеток, по-прежнему получают из крови животных, например FBS. FBS стала предпочтительной добавкой для исследований на основе клеточных культур, она содержит множество белков, факторов роста и ионов, необходимых для жизнеспособности и пролиферации клеток in vitro , включая определенные витамины и минералы [153]. В настоящее время использование этих ингредиентов сведено к минимуму или по возможности исключено в пользу среды с определенным химическим составом, но такая замена не всегда возможна.

Брайан и др. [34] заявили, что одним из основных препятствий для получения человеческих клеток определенного и воспроизводимого стандарта и, следовательно, пригодных для использования в медицинской терапии, является рутинная необходимость добавления FBS в среду для культивирования клеток. В этом исследовании варианты FBS оценивались как с точки зрения элементного (микронутриентного) состава, так и с точки зрения влияния вариантов на экспрессию группы белков, связанных с антигенностью первичных эндотелиальных клеток пупочной вены человека (HUVEC).Для достижения этих экспериментальных целей использовали комбинацию масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICPMS) и проточной цитометрии. Статистически значимые различия в антигенной экспрессии при культивировании клеток были продемонстрированы для набора микроэлементов в СОБ (например, литий, бор, магний, фосфор, сера, калий, титан, ванадий, хром, марганец, железо, медь, цинк, галлий, и селен). Отсутствие воспроизводимости и различия в экспрессии белка в первичных клетках человека были связаны с добавлением FBS.

Известно, что условия культивирования клеточных линий влияют на экспрессию генов [154–156], в то время как стволовые клетки, выращенные в разных типах сыворотки, проявляют различные характеристики дифференцировки и пролиферации [157, 158] одна и та же клеточная линия, если культивируется в разных условиях, могут представлять разные фенотипы. Тем не менее, потребность клеток в определенном микронутриенте напрямую связана с типом клеток, скоростью роста клеток и стадией дифференцировки клеток. В свете этого важно отметить, что минимальное внимание уделялось составу FBS и добавлению микронутриентов в среду в клеточных культурах или тому факту, что микроэлементы могут влиять на жизнеспособность и геномную стабильность культивируемых клеток.

В таблицах и выделено несколько примеров воздействия витаминов и минералов на культуру клеток и на стабильность генома, взятых из литературы.

Таблица 3

Примеры из литературы о влиянии витаминов на культуру клеток и на стабильность генома.


микронутриентов Основные эффекты на жизнеспособность клеток и геномной стабильности клеточного типа Дополнительная информация о форме и концентрации микроэлемента оценивали Статус по отношению к физиологической концентрации Ссылки
Витамин A Повышает уровень повреждения ДНК 8-oxo-dG, но значительно ингибирует образование M1dG, особенно после индукции M1dG с помощью H 2 O 2 или B[a]P; повышенная продукция активных форм кислорода и образование промутагенных повреждений ДНК Клетки эпителия легких Бета-каротин (5 мкмоль/л) Аналогично [159, 160]
Вызывает цитотоксичность и окисление G до почти полной гибели клеток Лейкозные клетки (HL-60) Ретинол (2 мкмоль/л) и аскорбиновая кислота (50 мкмоль/л) Аналогично [161]
Индуцированный апоптоз апоптотический белок р53 и уменьшающий антиапоптотический Bcl-2, а также ядерный АТМ; также вызывает фрагментацию ДНК Клетки рака желудка (AGS) Бета-каротин (100 мкмоль/л) Выше [162]
Клетки гепатокарциномы (HepG2) Бета-каротин (4 мкмоль/л) и 8 мкмоль/л) Аналогично [163, 164]
Снижение уровня аддуктов тотальной ДНК и повышение уровня апоптоза в клетках, подвергшихся совместному воздействию бенз(а)пирена и ретиноевой кислоты Ретиноевая кислота (1 мкмоль/л) Нижняя

Витамин B7 (биотин) Увеличение разрывов нитей и клеточный ответ на разрывы нитей Клеточная линия Т-лимфоцитов (Jurkat) 25 × 10 −6  мкмоль/л и
0.01 мкмоль/л
Ниже и выше [75]
Влияет на биотинилирование белков, экспрессию генов и метаболизм интерлейкина-2; скорость пролиферации и апоптоза не зависела от биотинового статуса 25 × 10 –6  мкмоль/л, 25 × 10 –5  мкмоль/л и 0,01 мкмоль/л ниже и выше [

Витамин B9 Повышение уровня эксцизионной репарации и апоптоза Лимфоциты Фолат (<2.3 × 10 -3 7 мкмоль / л) ниже [166, 167]
Снижение апоптоза и повышенного пролиферации клеток нервные стволовые клетки (NSC) фолиевая кислота (8,4 × 10 3 мкмоль/л) Высшее [168, 169]
Высокая концентрация ускоряет рост; повышенная метаболическая активность, пролиферация и апоптоз; снижение дифференцировки Раковые клетки толстой кишки человека (HT29) Фолиевая кислота (0.021 мкмоль/л и 0,21 мкмоль/л) с другими микронутриентами, участвующими в фолатно-метиониновом цикле Аналогично и выше [56]

Витамин B12 Увеличение пролиферации клеток и повышенная дифференцировка клетки нейробластома (NIE115) витамин B12 (полное отсутствие) ниже [89]
хроническая экспозиция ингибировала нейротоксичность клетки сетчатки (первичные культуры эмбрионов крыс) Метилкобаламин (1 мкмоль/л) Выше [170]
в апоптозе Клеточные линии эритролейкоза человека (K562) и мышиной лимфомы (BW5147) Кобаламин (полное отсутствие и
3.7 × 10 −3  мкмоль/л)
Ниже и выше [171]

Физиологические концентрации АК не были токсичными, в то время как высокие концентрации АК индуцировали разрыв цепи ДНК дозозависимым образом, тогда как AA2P не были генотоксичными ) и 2-фосфат аскорбиновой кислоты (AA2P) (полное отсутствие или 20, 100 и 500 мкмоль/л) Ниже, аналогично и выше [172]
и цитотоксичность китайских клетков хомяка (V79) аскорбиновая кислота (1000 мкмоль / л) выше
Снижение количества 8-гидроксидексигуанозиновых аддукторов Кератиноцит для мыши Кератиноцитов аскорбиновая кислота ( 2,27 мкмоль/л и 4,54 мкмоль/л) Нижний [174]
Защитный эффект от повреждения ДНК, индуцированного рентгеновским облучением Лим человека фобластоидные клетки (Raji) Аскорбиновая кислота (60 мкмоль/л) Аналогичные [175]

Защитный эффект против DNA Ущерб, вызванный H 2 O 2 Лечение Raji клетки α-токоферол (30 мкмоль / л) Похожие [175]
Витамин Е Уменьшение фрагментации ДНК и образование апоптотических телец, что, возможно, способствует репарации ДНК / L) Похожие
Снижение апоптоза и автофагии культивированные трофобласты и злоумышленники, полученные из плаценты человека в срок витамин Е (50 мкмоль / л) с витамином С (50 мкмоль /L) Высшее [177]

Таблица 4

Примеры из литературы о влиянии минералов на культуру клеток и на стабильность генома.

4 Медь 59
и 500 мкмоль / л 90 СБ и цитотоксичность в обедненных цинком культурах, а также в концентрациях 32 и 100  мк М; снижение повреждения генома в культурах с добавлением 4 или 16  мк М
Microutrient Главное воздействие на жизнеспособность клеток и геномной устойчивости Тип клетки Дополнительная информация относительно формы и концентрации микроэлектриента оценивается Состояние в отношении физиологической концентрации ссылки
Увеличение цитотоксичности и рос Формирование HEPG2 50, 100, 150 и 200 мкмоль / л выше [184]
Увеличение митохондриальной активности и жизнеспособность клеток и увеличение урона ДНК Клетки яичника китайского хомячка (CHO-K1) 24.55, 35,40, 48,31, 89,23, 116,77, 170,75, 339,45 и 450,35 мкмоль/л Выше [185]
Повышение степени повреждения ДНК гистонов и снижение дозозависимого синтеза ДНК ацетилирование Лейкозные клетки (HL-60) Полное отсутствие, 10, 20, 50, 100 и 200 мкмоль/л Ниже, аналогично и выше [186]
8 8
Ингибированный синтез ДНК в пролиферативных клетках Лимфоциты человека Железа сульфат (22.38, 44,76 и 89,52 мкмоль / л) Аналогичные и выше [187]
Железо , возможно, ускоренный процесс старения и смерть в концентрациях> 10 μ моль / л, тогда как 5 μ моль / L Увелищенное содержание белка Cerebellar Granule Cerelectore железой нитрилотриацетат (5, 10, 15, 20 и 40 мкмоль / л показаны ниже, похожими и выше [188]
генотоксический эффекты Первичные нетрансформированные клетки толстой кишки и клеточная линия пренеопластической аденомы толстой кишки (LT97) Нитрилотриацетат железа (10, 100, 250, 500 и 1000 мкмоль/л) Ниже и выше [189]
Ингибированная пролиферация клеток и продвижение эндотелиальной дисфункции путем генерации пролитации, протромботической и проатерегенной среды эндотелиальные клетки человека 8 сульфат магния (100, 500 и 1000 мкмоль / л) ниже и выше ниже и выше [190]
Более резкое ингибирование роста в нормальных, чем в трансформированных клетках, и изменение хода клеточного цикла , 50, 100, 300 и 500 мкмоль / л [191] [191]
Magnesium Неадекватная концентрация Ускоренная клеточная старение Нормальные фибробласты человека (IMR-90) 100, 400 и 800 мкмоль/л Более низкие и аналогичные [192]
Репарация разреза полностью подавлена ​​в отсутствие M g 2+ , а также в очень высоких концентрациях, тогда как оптимальные концентрации необходимы на всех этапах NER Клеточные линии лимфобластоидной (AHh2) и клональной эпителиальной аденокарциномы человека (HeLa S3) 400 и 800 мкмоль/л Нижний и аналогичный [193]

Селен Метилселениновая кислота, L-селеноцистеин, селенодиглутатион или селенит-индуцированная гибель клеток в микромолярных концентрациях, в то время как селенометионин или эбселен не были токсичными в диапазоне испытанных концентраций 7) и мышиная гепатома (Hepa 1-6) Селенит натрия, L- или DL-селеноцистеин, селенодиглутатион, селенометил-селеноцистеин, селенат натрия, L- или DL-селенометионин, метилселениновая кислота, эбселен, селенометионин и селенодиглутатион   70 (0.1 × 10 -3 до 1000 мкмоль/л) Ниже, аналогично и выше [194]
Вызывает остановку цикла G1-клеток и апоптоз посредством множественных сигнальных путей, что может играть ключевую роль в метилселеноле -индуцированное ингибирование пролиферации раковых клеток и инвазии опухолевых клеток Клеточная линия саркомы человека (HT1080) Селен-L-метионин (SeMet) (полное отсутствие, 1,25, 2,5 и 5 мкмоль/л) Нижний [ 195]
Снижение повреждения клеток и защита от окислительного стресса Клетки HepG2 Селенметилселеноцистеин (0.01, 0,1, 1 и 10 мкмоль/л) Нижний и аналогичный [196]
Селенметилселеноцистеин (1 мкмоль/л) Нижний [197]
8 8 Нижний [197]
Повышенное окислительное повреждение ДНК; нарушено связывание ДНК p53, NF κ B и AP1; снижение репарации ДНК Клеточная линия крысиной глиомы (C-6) Сульфат Zn и карнозин Zn (4,0 мкмоль/л) Нижняя [198]
Цинк повышенный рост клеток и снижение жизнеспособности ДНК Линия лимфобластоидных клеток человека (WIL2-NS) Сульфат цинка и карнозин цинка (полное отсутствие, 0.4, 4.0, 16.0, 32,0 и 100,0 мкмоль / л) 1 ниже, аналогичные и выше [199]
снижение жизнеспособности клеток в Zn-истощенных культурах (0 μ м) как при концентрациях 32 и 100  мкМ М как для соединений Zn, так и для повышенного количества ДНК SB, апоптотических и некротических клеток в культурах, обедненных цинком

5.1. Витамин А

Для витамина А, но, возможно, применимого ко многим другим микронутриентам, исследования, представленные в , проводились при низких концентрациях, которые, как правило, проявляют защитный эффект, тогда как более высокие концентрации связаны с повышенным повреждением ДНК [65].Этот вывод согласуется с известной способностью β -каротина действовать как прооксидант, а не как антиоксидант, при высоких концентрациях и при высоком напряжении кислорода [178]. Всегда следует оценивать физиологические концентрации микронутриентов и, по возможности, по крайней мере использовать их как максимальные в исследованиях, оценивающих жизнеспособность и геномную стабильность клеточных культур. Однако, как можно убедиться в исследовании, данных о присутствии витамина А в средах для культивирования клеток недостаточно.

5.2. Витамин B7 (биотин)

Биотин играет важную роль в регуляции экспрессии генов, тем самым опосредуя определенные аспекты клеточной биологии и развития плода [179]. Эффекты дефицита биотина подробно описаны и связаны со снижением скорости пролиферации клеток, нарушением иммунной функции и аномальным развитием плода. Также упоминается избыток биотина, который может оказывать репродуктивное и тератогенное действие. Однако, как можно убедиться в исследовании, среды для культивирования клеток, содержащие более высокие уровни биотина, чем сыворотка человека, являются обычным явлением.Необходимы дополнительные исследования, оценивающие влияние высоких уровней биотина на клеточные культуры.

5.3. Витамин B9

Истощение фолиевой кислоты, по-видимому, усиливает канцерогенез, в то время как добавление фолиевой кислоты сверх того, что в настоящее время считается базовым требованием, оказывает защитный эффект [180]. Несколько примеров дефицита и приема фолиевой кислоты описаны в , и была продемонстрирована взаимосвязь между этим витамином и пролиферацией клеток и апоптозом. Кроме того, как можно убедиться в исследовании, уровни фолиевой кислоты в оцениваемых средах для культивирования клеток, как правило, выше, чем уровни, обнаруженные в сыворотке крови человека.Хорошо известно, что дефицит фолиевой кислоты может влиять на геномную стабильность культивируемых клеток [81, 181], однако все еще недостаточно данных, оценивающих, могут ли уровни фолиевой кислоты, превышающие физиологический диапазон, нарушать рост клеток. Следует исследовать повышенный уровень фолиевой кислоты, так как у животных, склонных к опухолевым заболеваниям, как дефицит фолиевой кислоты, так и прием добавок способствуют прогрессированию установленных новообразований [83, 182]. Поскольку в исследованиях in vitro переизбыток фолиевой кислоты встречается чаще, чем дефицит, первый следует оценивать наиболее тщательно.

5.4. Витамин B12

Дефицит витамина B12 был описан как аналог химических веществ, которые повреждают ДНК, вызывая одно- и двухцепочечные разрывы [20]. Как показано в , в клеточной модели, разработанной для лучшего понимания дефицита витамина B12 в головном мозге, были затронуты рост и дифференцировка нейронных клеток [89]. Кроме того, добавление некоторых соединений кобаламина защищало клетки от нейротоксичности и увеличивало рост клеток [170, 171]. К сожалению, исследований in vitro , демонстрирующих прямую связь между дефицитом или перегрузкой витамина B12 и стабильностью генома в клетках человека, еще не опубликованы.Однако, судя по статистике, высокие концентрации витамина В12 чаще встречаются в средах для культивирования клеток, чем в сыворотке крови человека.

5.5. Витамин С

В статье приведены несколько примеров влияния витамина С на клеточные культуры. Различные концентрации этого витамина приводят к различным реакциям, начиная от повреждения ДНК (при более высоких концентрациях) до защиты ДНК (при более низких концентрациях). Важно отметить, что концентрация витамина С в современных клеточных культурах недоступна в , поскольку, возможно, в средах присутствуют только следовые количества.Поскольку клеточный ответ на витамин С может быть дозозависимым, следует оценить концентрацию этого витамина в культуральной среде, аналогичную концентрации в сыворотке крови человека.

5.6. Витамин Е

Добавка витамина Е in vivo все еще обсуждается [183], и потребуются дополнительные исследования in vitro , чтобы лучше понять защитные эффекты витамина Е на жизнеспособность клеток и стабильность генома. Тем не менее, некоторые результаты () согласуются с концепцией, согласно которой α -токоферол в сочетании с аскорбиновой кислотой или отдельно может защищать от окислительного повреждения ДНК [175] и уменьшать апоптоз и аутофагию [177] при определенных условиях.К сожалению, текущая концентрация витамина Е in vitro также недоступна в , поскольку, возможно, в среде присутствуют только следовые количества. Учитывая это наблюдение, интересно отметить, что исследований in vitro витамина Е, описанных в принятых значениях концентрации, аналогичных концентрациям в сыворотке человека (приблизительно 30  мк моль/л), и что результаты были положительными для клеточных культур. .

5.7. Медь

Как можно убедиться в , в обычных средах для культивирования клеток наблюдается заметный недостаток меди, даже при добавлении FBS.Таким образом, клетки в культуре обычно подвергаются воздействию окружающей среды с дефицитом питательных микроэлементов, необходимых для образования детоксицирующих ферментов, которые могут влиять на развитие клеток и, возможно, стабильность генома и выживаемость. Важно отметить, что концентрации меди, оцененные в клеточной культуре (), как правило, превышают физиологический диапазон человека, поэтому следует ожидать токсических эффектов в культурах. Таким образом, оптимизация концентрации меди в клеточных культурах необходима для поддержания жизнеспособности клеток и стабильности генома, а также для предотвращения вредного воздействия этого металла.

5.8. Железо

Важно отметить, что результаты Lima et al. [187] можно ожидать в клеточной культуре, в которой потребности в микронутриентах сильно отличаются от таковых in vivo . В этом исследовании оцененные концентрации, как правило, были выше, чем значения, измеренные в сыворотке человека (), и даже самая низкая концентрация железа, примененная для авторов (22,38  μ моль/л), будет считаться высокой для клеток в культуре. Для клеток лейкемии HL-60, как показано в [201], диапазон концентраций железа для оптимальной клеточной пролиферации очень узок (2-3  μ моль/л).Напротив, в исследованиях, в которых уровни железа находились в пределах от 5 до 10  мк моль/л, эти уровни в целом улучшали анализируемые культуры или, по крайней мере, не наблюдалось повреждений [187–189].

5.9. Магний

Как показано в , несколько исследований влияния дефицита магния на культивируемые клетки продемонстрировали снижение окислительного стресса, прогрессирование клеточного цикла, рост клеток и жизнеспособность клеток [190, 191, 202–207]. Killilea и Ames [192] специально исследовали последствия долговременного и умеренного дефицита магния в нормальных клетках человека по сравнению с более типичными уровнями магния, используя концентрацию, наблюдаемую в нормальной сыворотке человека (0.8 ммоль/л). Никаких изменений не наблюдалось в клетках, культивируемых в среде с нормальным содержанием магния. Кроме того, на основе исследований, проведенных либо на бактериях, либо на клетках млекопитающих в культуре, нет доказательств генотоксического действия солей магния в физиологически значимых дозах [29], что указывает на то, что адекватные уровни питательных микроэлементов в средах для культивирования клеток могут улучшить жизнеспособность клеток и Геномная стабильность. Как показано на рисунке, уровни магния, обнаруженные в настоящее время в средах для культивирования клеток, очень схожи с уровнями в сыворотке крови человека, что очень необычно для микронутриентов в целом.

5.10. Селен

Дифференциальную токсичность, вызываемую соединениями селена, необходимо учитывать в исследованиях добавок in vivo и in vitro [194]. В ссылках оценивались различные формы селена и некоторые соли, которые могут быть более токсичными для клеточной среды, чем другие. В связи с важностью селена, а также многих других микронутриентов, обсуждаемых в этом обзоре, концентрацию микронутриентов в среде, а также FBS, предназначенную для клеточной культуры, следует контролировать и, если применимо, доводить до физиологического диапазона.При сравнении концентрации селена в сыворотке крови человека с концентрациями, описанными в экспериментах, указанных в , становится очевидным, что концентрации ниже физиологического диапазона приносят пользу клеточной культуре, хотя высокие концентрации соединений селена потенциально отрицательно влияют на опухолевые клетки.

5.11. Цинк

Роль цинка в стабильности генома была недавно рассмотрена Sharif et al. [208]. Кроме того, несколько кратких примеров влияния цинка на жизнеспособность клеток и стабильность генома приведены в .Возможный вывод из анализов in vitro состоит в том, что, когда используемая концентрация цинка ниже значения сыворотки крови человека (), результаты, как правило, благоприятны для культивируемых клеток. Напротив, концентрации цинка выше физиологического уровня могут повредить культивируемые клетки. Опять же, интересно отметить, что некоторые среды для культивирования клеток (например, HAM F-10 и F-12), даже при добавлении FBS, не могут обеспечить достаточное количество этого микроэлемента для надлежащего развития клеток и стабильности генома, если концентрация падает ниже физиологический диапазон.

6. Что необходимо сделать: ограничения имеющихся данных и выводы

Микронутриенты явно важны для развития клеток и стабильности генома, а многие из упомянутых микроэлементов необходимы для механизмов синтеза и восстановления ДНК. предоставляет обзор текущих данных о влиянии дефицита или избытка микронутриентов, рассматриваемых в этом обзоре, на стабильность генома. Уровни питательных микроэлементов, обнаруженные в обсуждаемых средах для культивирования клеток, и статус исследований каждого микроэлемента также выделены.Очевидно, было проведено много исследований, но все еще требуются более конкретные исследования, посвященные клеточным культурам.

Таблица 5

Обзор данных, рассмотренных в этом обзоре.

438 концентрация в общих клеточных средах в связи с физиологической концентрацией + + + + 4

, даже если есть несколько высокообогащенных СМИ, доступных в качестве базального среды для бессывороточных клеточных культур, такие как Medium 199 или питательная смесь Ham F-12, наиболее распространенным источником микроэлементов, используемых в настоящее время в клеточных культурах, по-прежнему является FBS.Ограничения FBS в обеспечении адекватных концентраций питательных микроэлементов были проанализированы и описаны в литературе [34]. Учитывая, что модели клеточных и тканевых культур, как правило, важны в научных исследованиях, разработка стандартов методов in vitro является обязательной. Эти новые стандарты снизят зависимость от сыворотки животных, добавки с неопределенным переменным составом, которая может значительно повлиять на результаты экспериментов [209]. Кроме того, согласно van der Valk et al.[209], улучшение обмена информацией о недавно разработанных бессывороточных средах может оказаться полезным. Также стало ясно, что почти каждый тип клеток имеет свои потребности в добавках к средам, и особенно, как обсуждается в этом обзоре, в добавках питательных микроэлементов. Универсальная среда для культивирования клеток и тканей может оказаться неосуществимой, поскольку разные типы клеток имеют разные рецепторы, участвующие в выживании, росте и дифференцировке клеток, и высвобождают разные факторы в окружающую среду.

Кроме того, важно подчеркнуть, что, хотя составы классических сред для культивирования клеток остаются неизменными в течение длительного времени, с момента их разработки качество и чистота отдельных компонентов, используемых в качестве добавок, вероятно, значительно повысились. Тем не менее, могли произойти некоторые потери важных веществ, в том числе микроэлементов, витаминов, факторов роста и липидов, и это следует решить до определения бессывороточной среды. Фактически, порог для разработки и использования новой четко определенной среды, учитывая, что существующие питательные среды с добавками FBS хорошо работают, высок [209].По крайней мере, в лабораториях, которые сосредоточены на исследованиях in vitro , следует тщательно рассмотреть вопрос об оценке состава FBS с точки зрения питательных микроэлементов и, возможно, других факторов. Знание состава питательных микроэлементов FBS может помочь свести к минимуму систематическую ошибку в экспериментальных результатах. Однако поддержание как успешных, так и последовательных клеточных культур может быть затруднено, поскольку FBS является сложным натуральным продуктом и может различаться между партиями, даже если они получены от одного производителя.В частности, качество и концентрация как основных, так и специфических белков в клеточных культурах могут влиять на рост клеток [210]. Корректировка уровней микроэлементов in vitro до физиологических значений гарантирует лучшую среду для развития клеток, имитируя среду in vivo .

Требуются дальнейшие исследования влияния микронутриентов на жизнеспособность, пролиферацию и стабильность клеток, а также на экспрессию и целостность генов, но уже доступная информация является достаточным призывом к действию.Как отметили Ferguson и Fenech [141], большинство исследований ограничивались изучением эффектов отдельных микронутриентов и не учитывали генетические последствия. Таким образом, существует острая потребность в исследованиях, которые также изучают взаимодействие питательных веществ и питательных веществ и генов. Определение физиологического диапазона таких важных микронутриентов, как железо, а затем корректировка концентраций, обнаруженных в настоящее время в средах для культивирования клеток, может быть полезным для анализов in vitro . Более конкретно, жизнеспособность и геномная стабильность клеточных линий и первичных культур могут быть улучшены.В зависимости от типа клеток (первичные, иммортализованные, опухолевые или нормальные) и происхождения (легкие, печень, нейроны или другое) потребность в микронутриентах может широко варьироваться, поэтому этот вопрос следует тщательно оценить. Наконец, форма микроэлемента, используемого в питательных средах, также может влиять на результаты экспериментов. Например, согласно Jacobs et al. [211], токсическое действие железа напрямую связано с наличием хелатирующего агента, который снижает концентрацию свободного иона трехвалентного железа и способствует образованию ферритина.

Как только будет установлена ​​взаимосвязь между in vivo дисбалансом питательных микроэлементов и стабильностью генома, которая может вызывать многие заболевания, включая рак, необходимо будет лучше понять in vitro добавки микроэлементов. На самом деле, некоторые простые вопросы, такие как «достаточна ли концентрация этого микроэлемента для развития этой клетки?» или « аналогичны ли уровни этого микронутриента уровням, наблюдаемым в сыворотке крови человека?», может способствовать правильному планированию исследований in vitro .

Размышления о жизнеспособности и стабильности генома

Микронутриенты, в том числе минералы и витамины, незаменимы для метаболических путей ДНК и поэтому так же важны для жизни, как и макроэлементы. Без надлежащих питательных веществ нестабильность генома нарушает гомеостаз, что приводит к хроническим заболеваниям и некоторым видам рака. Среда для культивирования клеток пытается имитировать среду in vivo , предоставляя модели in vitro , используемые для определения реакции клеток на различные раздражители.В этом обзоре обобщаются и обсуждаются исследования по добавлению микронутриентов в клеточные культуры, которые могут повысить жизнеспособность клеток и стабильность генома, с особым акцентом на предыдущие эксперименты in vitro . В этих исследованиях среды для культивирования клеток включают определенные витамины и минералы в концентрациях, не соответствующих физиологическим уровням. Во многих распространенных питательных средах единственным источником микронутриентов является фетальная бычья сыворотка (ЭБС), которая составляет лишь 5–10% состава среды.Минимальное внимание было уделено составу FBS, микроэлементам в клеточных культурах в целом или влиянию микроэлементов на жизнеспособность и генетику культивируемых клеток. Необходимы дальнейшие исследования, лучше оценивающие роль микроэлементов на молекулярном уровне и их влияние на геномную стабильность клеток.

1. Введение

Микронутриенты, незаменимые питательные вещества, которые необходимы в небольших количествах, так же важны для жизни, как и макроэлементы. Микронутриенты включают все витамины, такие как A, D и E, а также минералы, такие как кальций, цинк и железо.Роль микронутриентов в естественных условиях хорошо известна, и в нескольких исследованиях изучалось влияние микронутриентов на стабильность генома [1–21]. В рационе человека требуется около 40 питательных микроэлементов, и для правильного метаболизма каждого микроэлемента требуется оптимальный уровень потребления. Дефицит питательных микроэлементов искажает метаболизм многочисленными и сложными способами, многие из которых могут привести к повреждению ДНК.

Микронутриенты необходимы для оптимального метаболизма макронутриентов из-за критической роли микроэлементов в промежуточном метаболизме.Неизменно метаболизм требует одновременного участия одного или нескольких витаминов и минералов. Таким образом, этиология хронических дегенеративных заболеваний и скорость патогенеза тесно связаны с дисбалансом микронутриентов. Исследования в области питания недавно выявили роль нескольких питательных веществ в регуляции геномного механизма [22]. В частности, ряд витаминов и микроэлементов являются субстратами и/или кофакторами в метаболических путях, регулирующих синтез и/или репарацию ДНК и экспрессию генов [23].Дефицит таких питательных веществ может привести к нарушению целостности генома и изменению метилирования ДНК, таким образом связывая питание с модуляцией экспрессии генов. Во многих случаях реакция на дефицит питательных веществ также, по-видимому, зависит от генотипа. Таким образом, взаимодействия между генами и питательными веществами являются захватывающим примером физиологических реакций на окружающую среду/диету на молекулярном уровне [22].

Минералы и витамины необходимы для путей метаболизма ДНК [24, 25]. Хотя до сих пор нет четких доказательств того, что диета оптимально защищает от повреждения ДНК с точки зрения пропорций или комбинаций определенных микроэлементов, многие исследования, проведенные in vitro и на животных моделях, продемонстрировали роль микроэлементов в поддержании стабильности генома. .Например, известно, что дефицит витаминов С и Е вызывает окисление ДНК и повреждение хромосом [26, 27]. Витамин D проявляет антиоксидантную активность, стабилизирует структуру хромосом и предотвращает двухцепочечные разрывы ДНК [28]. Точно так же магний является важным кофактором в метаболизме ДНК, который играет роль в поддержании высокой точности транскрипции ДНК [29]. В то время как избыток или недостаток железа может вызвать разрывы ДНК [30], диета, богатая каротиноидами, уменьшает повреждение ДНК [31], но избыток ретинола может быть канцерогенным для некоторых людей [32].В последнем примере дефицит витамина B-12 связан с образованием микроядер [5, 24], а снижение уровня транскобаламина II в сыворотке связано с хромосомными аномалиями [33].

Учитывая важность микроэлементов in vitro , оптимизация жизнеспособности клеток и стабильности генома требует дальнейших исследований. Среда для культивирования клеток, имитирующая среду in vivo , может помочь создать модели in vitro реакции клетки на различные стимулы.В состав этих сред входят определенные витамины и минералы, но, к сожалению, во многих распространенных питательных средах единственным источником микронутриентов является эмбриональная телячья сыворотка (ЭБС), которая составляет лишь 5–10% состава сред. Кроме того, не всегда обеспечивается соответствующая пропорция микронутриентов, поскольку точный состав каждой партии FBS на самом деле чрезвычайно изменчив [34].

Определенные микроэлементы, такие как кальций, фолиевая кислота, магний и железо, считаются ключевыми элементами клеточных процессов, включая пролиферацию, выживание и даже дифференцировку клеточных культур [35–38].Однако конкретная концентрация питательных микроэлементов в культуре, а также тип клеток могут вызывать различные реакции. Необходимы дальнейшие исследования роли микроэлементов на молекулярном уровне и влияния на стабильность генома.

2. Цели и область применения

В этом обзоре обобщаются и обсуждаются исследования, показывающие влияние некоторых микроэлементов на жизнеспособность клеток и стабильность генома, с особым акцентом на моделях in vitro . Доказательства in vivo представлены для иллюстрации значимости питательных веществ для стабильности генома.Документы были получены из PubMed с использованием следующих условий поиска: микроэлементы, витамины, минералы, клеточная культура, пролиферация, жизнеспособность и стабильность генома. Дополнительные публикации были собраны путем перекрестных ссылок на найденные основные статьи. Обзор не ставит целью включить все питательные вещества, которые могут повлиять на стабильность генома; затем были включены только следующие питательные вещества: витамины A, B7, B9, B12, C и E и минералы Cu, Fe, Mg, Se и Zn. Согласно Friso и Choi [39], дисбаланс таких пищевых нутриентов, как фолиевая кислота, цинк, витамин С и селен, может изменить геномное и/или геноспецифическое метилирование ДНК, что приводит к множеству различных молекулярных эффектов на экспрессию и целостность генов, в свою очередь, влияет на рост клеток, дифференцировку тканей, заболеваемость раком и старение.Чтобы лучше учитывать влияние выбранных питательных микроэлементов на жизнеспособность клеток и стабильность генома, мы рассмотрели доступную информацию об их дефиците или избытке.

3. Микронутриенты и их влияние на стабильность генома

Повреждение ДНК является одним из наиболее важных факторов, которые могут нарушить гомеостаз, приводя к хроническим (например, атеросклерозу) и даже дегенеративным заболеваниям, включая болезнь Альцгеймера (БА) и некоторые виды рак [40]. Дефицит или дисбаланс определенных питательных микроэлементов был описан как имитирующий радиацию или химические вещества, вызывающий одно- и двухцепочечные разрывы (SB) или повреждения в ДНК, или даже то и другое [20].

В таблице 1 перечислены микронутриенты, дисбаланс которых вызывает повреждение ДНК, а также пищевые источники питательных веществ и возможные последствия для здоровья. В целом микроэлементы могут либо воздействовать непосредственно на геном для предотвращения мутаций, либо косвенно защищать геном, выступая в качестве ферментных кофакторов в клеточных процессах, которые модулируют трансформацию [41, 42]. Следовательно, любой дисбаланс может привести к некоторому повреждению ДНК.

Microutrient Доказательства индукции геномической нестабильности
дефицит
дефицит избыток
Витамин A + + ниже изучал
20075 + + Express
Vitamin B9 + + выше изучал
Vitamin B12 + NA
Витамин C + + Unnown изучал
Vitamin E + неизвестно Учился
MOCK + + ниже изучали
IRE + + MONEL
Magnesium NA + Аналогичный
Selenium + ниже
Zink
Zink ниже изучали

4 Microutrient

0 0 0 Магний

EAR для взрослых EAR для взрослых (не беременных) Общее влияние на здоровье дефицита Влияние дефицита, связанного с нестабильностью генома UL для взрослых
к агентам, повреждающим ДНК
3000 RAE Врожденные пороки развития во время беременности.Повышение риска рака у курильщиков [48–50]
Витамин B7 (биотин) 30 g* Кожные изменения, иммунная дисфункция, неврологические симптомы и врожденные пороки развития во время беременности Chroma 9 (безопасен до 20 000  g) Врожденные пороки развития. Увеличение повреждения ДНК [51–54]
Витамин B9 320 DFE Анемия и другие гематологические изменения, осложнения беременности (например,g., дефект нервной трубки) Неправильное встраивание урацила в ДНК; Разрывы нитей ДНК 1000 DFE Повышенный риск развития рака (эффект стимуляции) [43, 51, 55, 56]
Витамин B12 2 g 9308 ДНК СТРАНДА РАЗМЕРЫ 1000 G 1000 G Неизвестный [43, 51]
Витамин С 60-75 мг (95-110 Если курильщик) Дерматологические изменения, связанные с синтез-коллагеном и иммуному обесценению ДНК Strand Breaks 2000 MG DNA Ущерб, связанный с окислительным стрессом [43, 49, 55]
Vitamin E 12 MG Увеличение хронических заболеваний Риск ДНК СТРАНИЯ 1000 мг Повреждение ДНК, связанное с окислительным стрессом [43, 49, 57, 58]

Минерал
Анемия и другие нарушения со стороны крови, нарушение роста и неврологические изменения [59, 60]
Железо 6–8.1 мг Анемия и другие нарушения функции крови, нарушение роста и неврологические изменения Увеличение повреждения ДНК 45 мг Повреждение ДНК, связанное с окислительным стрессом, особенно в печени [21, 43, 60] 509 255-350 мг 255-350 мг 255-350 мг редко, потому что дефицит мг мг — необычный ДНК Ремонт дефицита Na Неизвестный [61, 62]
Selenium 45 г Снижение активности глутатионного пероксидазы к повышенному риску дегенеративных заболеваний и ухудшению иммунитета Разрывы нитей ДНК 400 мкг Частота возникновения опухолей снижается при приеме высоких доз добавок [49, 63]
Цинк 0 6.8–9,4 мг Кожные изменения, задержка роста, иммунная дисфункция, неврологические симптомы, куриная слепота и неблагоприятные исходы во время беременности Разрывы нитей ДНК 40 мг Увеличение повреждения ДНК [43, 60, 80]

* Адекватное потребление, а не EAR.
EAR: расчетное адекватное требование; DFE: диетические эквиваленты фолиевой кислоты; RAE: эквиваленты активности ретинола; UL: верхний уровень; НП: недоступно.

Роль диеты в определении стабильности генома важнее, чем предполагалось ранее. Было обнаружено, что диета влияет на все пути, связанные со стабильностью генома, включая воздействие пищевых канцерогенов, активацию и детоксикацию канцерогенов, репарацию ДНК, синтез ДНК и клеточный апоптоз [23, 43]. Все эти критические пути зависят не только от ферментов, но также от субстратов и кофакторов, некоторые из которых доступны только в правильной концентрации при адекватном потреблении ключевых минералов и витаминов с пищей [44].В результате диетический дефицит определенных микронутриентов, необходимых для поддержания ДНК, может оказывать эффекты, подобные наследственным генетическим нарушениям, которые нарушают активность ферментов, необходимых для стабильности генома [23, 45-47]. Кроме того, такой дефицит может повредить ДНК в той же степени, что и значительное воздействие известных канцерогенов, таких как ионизирующее излучение [43].

3.1. Витамин А

Витамин А также называют ретиноевой кислотой, ретинолом, ретиналем, α — и β -каротином, ликопином, лютеином, зеаксантином, β -криптоксантином или астаксантином.Роль витамина А и провитамина А (каротиноидов) в повреждении ДНК недавно была рассмотрена Azqueta и Collins [65]. Хорошо зарекомендовавшие себя антиоксидантные свойства витамина А облегчили исследования по измерению окислительного повреждения как in vivo , в исследованиях на животных и клинических испытаниях на людях, так и in vitro . В то время как высокие концентрации каротиноидов провитамина А могут вызывать повреждение ДНК, возможно, действуя как прооксиданты, каротиноиды, не являющиеся витамином А, могут значительно уменьшить такое повреждение [66].

Функции витамина А связаны с ночным, дневным и цветовым зрением; целостность эпителиальных клеток против инфекций; иммунный ответ; гемопоэз; скелетный рост; мужская и женская фертильность; эмбриогенез. Как это ни парадоксально, либо избыток, либо недостаток ретиноевой кислоты приводит к аналогичным порокам развития в некоторых органах, включая почки млекопитающих [67]. Многие глазные патологии обусловлены дефицитом витамина А, в том числе куриная слепота, ксероз конъюнктивы и повреждения роговицы.Точно так же гипервитаминоз А, возникающий в результате накопления избытка витамина А в организме, может повредить различные системы. Очень большие дозы витамина А, особенно у маленьких детей, могут повышать внутричерепное давление, приводя к головной боли, тошноте и рвоте [68]. Также было установлено, что адекватное потребление витамина А необходимо для нормального органогенеза, иммунной функции, дифференцировки тканей и зрения. Учитывая эти требования, дефицит витамина А, который широко распространен в развивающихся странах, ежегодно является причиной не менее миллиона случаев ненужной смерти и слепоты [69].

3.2. Витамин B7

Витамин B7, также известный как биотин, действует как кофактор для биотинзависимых ферментов пируваткарбоксилазы, пропионил-КоА-карбоксилазы, кротонил-КоА-карбоксилазы и двух изоферментов ацетил-КоА-карбоксилазы [70]. Эти ферменты катализируют ключевые этапы важных метаболических путей, включая биосинтез жирных кислот, глюконеогенез и метаболизм аминокислот [71]. Дефицит витамина B7 из-за недостаточного потребления с пищей или врожденных дефектов всасывания или метаболизма биотина приводит к инактивации всех пяти биотинзависимых ферментов.Это состояние известно как множественный дефицит карбоксилазы (MCD) [72, 73], симптомы которого включают кетоацидоз, лактоацидоз, трудности с кормлением, кожные высыпания и неврологические нарушения, такие как субэпендимальные кисты, гипотония, судороги и атаксия. В тяжелых случаях или если БМИ не лечить, это состояние может привести к коме или смерти [74].

Было продемонстрировано, что биотин играет роль в разрывах нитей ДНК и клеточном ответе на разрывы нитей (SB). В частности, добавка биотина увеличивала разрывы ДНК в клеточных культурах, хотя неизвестно, относится ли это открытие к целым организмам [75].Напротив, in vivo высокое потребление биотина в сочетании с низким потреблением множества других питательных веществ было связано с повышенной стабильностью генома [53]. Дефицит биотина редко возникает спонтанно у животных, включая людей [76], но может быть вызван потреблением большого количества сырого яичного белка, содержащего авидин, который, как известно, ингибирует всасывание биотина из кишечного тракта, или приемом противосудорожных препаратов [77].

3.3. Витамин B9

Дефицит витамина B9, также известного как фолиевая кислота или фолиевая кислота, часто встречается у людей, которые потребляют мало фруктов и овощей.Витамин В9, как и другие витамины из комплекса В, играет важную роль в стабильности генома, а его дефицит может вызывать хромосомные разрывы в генах человека [78]. Дефицит витамина B9 также может привести к (а) повышенной скорости повреждения ДНК и изменению метилирования ДНК, оба из которых являются факторами риска развития рака [78–80], возможно, включая рак толстой кишки [81] или (б) повышенной концентрации гомоцистеина , важный фактор риска сердечно-сосудистых заболеваний [82]. Эти дефекты также могут играть важную роль в развитии и неврологических аномалиях [78, 79].Однако у животных с существующими предопухолевыми или неопластическими поражениями добавление фолиевой кислоты увеличивает опухолевую нагрузку [83]. Напротив, адекватное потребление витамина B9 может повысить стабильность генома и, возможно, снизить риск рака [84–87], поскольку витамин B9 является ключевым донором углерода во время биосинтеза нуклеотидов [88].

3.4. Витамин В12

Дефицит витамина В12, или цианокобаламина, связан с пернициозной анемией и неврологическими патологиями, варьирующими от незначительного снижения когнитивных функций до нейродегенеративных расстройств, хотя роль витамина В12 в этих состояниях требует дальнейшего изучения [89, 90].Отсутствие понимания лежащих в основе молекулярных механизмов может быть связано с экспериментальными ограничениями доступных классических моделей клеточных культур [89]. Тем не менее известно, что витамин B12 играет важную роль в стабильности генома, а дефицит витамина B12 может привести к повреждению ДНК [81]. Витамин B12 также необходим для синтеза метионина и S -аденозилметионина, обычного донора метила, необходимого для поддержания паттернов метилирования ДНК, которые определяют экспрессию генов и конформацию ДНК [91].

Несмотря на разногласия в литературе относительно распространенности дефицита витамина B12, этот дефицит, по-видимому, чаще встречается у людей в возрасте 65–76 лет [92]. Однако симптомы дефицита витамина B12, вызванные неправильным питанием, проблемами с пищеварением и/или недостаточным всасыванием, у пожилых людей могут быть неспецифическими, что затрудняет диагностику. Кроме того, перед анемией могут появиться неврологические симптомы; на самом деле только около 60% пожилых людей с дефицитом витамина B12 страдают анемией [92, 93].В моделях клеточных культур достаточное количество витамина B12 может быть обеспечено клетками с помощью FBS [89].

3.5. Витамин C

Витамин C, также известный как аскорбат или аскорбиновая кислота, является микроэлементом, необходимым для бесчисленных биологических функций, в частности, выступая в качестве кофактора для некоторых важных ферментов [94]. Одним из типов ферментов являются пролилгидроксилазы, которые играют роль в биосинтезе коллагена и подавлении фактора, индуцируемого гипоксией (HIF-) 1, фактора транскрипции, который регулирует многие гены, ответственные за рост опухоли, энергетический метаболизм, функцию нейтрофилов и апоптоз. .Зависимое от витамина С ингибирование пути HIF может обеспечить альтернативные или дополнительные подходы к контролю прогрессирования опухоли, инфекции и воспаления [94].

Поскольку витамин С обладает антиоксидантными свойствами, которые обеспечивают защиту от повреждения клеток, вызванного окислительным стрессом, за счет поглощения активных форм кислорода (АФК), влияние этого витамина на химиопрофилактику рака [95, 96] и лечение рака [97], а также сепсис [98] и нейродегенеративные заболевания (например, болезнь Альцгеймера) [99].Фактически, потребление недостаточного количества витамина С может имитировать радиационное облучение. В литературе в многочисленных исследованиях пищевых добавок на людях использовались биомаркеры окислительного повреждения ДНК, липидов (при окислении липидов высвобождаются мутагенные альдегиды) и белков. Хотя эти исследования дали как положительные, так и отрицательные результаты, если принять во внимание тот факт, что насыщение клеток крови происходит примерно при 100 мг/день, данные свидетельствуют о том, что этот уровень потребления витамина С минимизирует повреждение ДНК [20].К сожалению, дефицит витамина С распространен в бедных сообществах, поэтому следует рассмотреть меры по улучшению потребления продуктов, богатых витамином С [100].

3.6. Витамин Е

Витамин Е, который включает соединения из семейств токоферолов и токотриенолов, необходим для предотвращения периферической нейропатии и гемолитической анемии у людей, возникающих из-за дефицита витамина Е. Витамин Е действует как жизненно важный жирорастворимый антиоксидант, поглощающий гидропероксильные радикалы в липидной среде.Симптомы дефицита витамина Е у человека позволяют предположить, что антиоксидантные свойства этого витамина играют важную роль в защите мембран эритроцитов и нервной ткани [94]. Кроме того, эти антиоксидантные свойства играют роль в стабильности генома, особенно потому, что витамин Е является мощным поглотителем пероксильных радикалов. Витамин Е также является антиоксидантом, разрушающим цепь, который предотвращает распространение свободных радикалов в мембранах и липопротеинах плазмы [101].

Недавно Ni и Eng [102] продемонстрировали, что α -токоферол может избирательно защищать клетки SDH (var + ) от окислительного повреждения и апоптоза и восстанавливать баланс окислительно-восстановительных метаболитов никотинамидадениндинуклеотида (NAD + и NADH).В другом интересном недавнем исследовании [103] оценивалось количество продукта окисления 8-оксо-7,8-дигидро-2′-дезоксигуанозина (8-oxodG), образующегося из нуклеозида ДНК дезоксигуанозина (dG) после воздействия витаминов. В случае витамина Е в культивируемых клетках не индуцируется повреждение ДНК. В совокупности эти результаты усиливают роль этого витамина в поддержании целостности и стабильности ДНК. Хотя прямое сравнение результатов исследований затруднено различными определениями дефицита витамина Е, имеющиеся данные свидетельствуют о том, что дети и пожилые люди наиболее уязвимы к этому дефициту и что мужчины могут подвергаться большему риску, чем женщины [104].

3.7. Медь

Медь является важным микроэлементом, выступающим в качестве кофактора для многих ферментов в различных биологических процессах. В отличие от железа концентрация меди не только в крови, но и в отдельных органах поддерживается на постоянном уровне, начиная с раннего детства, что указывает на наличие надежных гомеостатических механизмов [105]. Адекватное потребление меди обеспечивает нормальную утилизацию пищевого железа, абсорбцию железа в кишечнике, высвобождение железа из запасов (т.g., в макрофагах печени и селезенки), а включение железа в гемоглобин — медьзависимые процессы. Помимо предотвращения анемии, медь способствует свертыванию крови и контролю артериального давления; сшивание соединительной ткани в артериях, костях и сердце; защита от окислительного повреждения; преобразование энергии; миелинизация головного и спинного мозга; воспроизведение; синтез гормонов. Напротив, недостаточное потребление меди оказывает неблагоприятное воздействие на метаболизм холестерина и глюкозы, контроль артериального давления и функцию сердца, минерализацию костей и иммунитет [106].

Чрезмерное накопление меди в организме может способствовать развитию рака из-за роли меди в повреждении ДНК [107]. Любопытно, что в дополнение к надежным механизмам, поддерживающим гомеостаз меди и быстрое выведение меди, млекопитающие экспрессируют зависимые от меди ферменты, которые играют центральную роль в антиоксидантной защите. Таким образом, в то время как медь может индуцировать образование АФК при участии в реакциях Фентона или Габера-Вейсса, медь-зависимые процессы также могут способствовать выведению АФК [105].Для получения дополнительной информации о взаимосвязи между повреждением меди и ДНК см. недавний обзор, опубликованный Линдером [105].

3.8. Железо

Железо является важнейшим питательным элементом для всех форм жизни, который играет важную роль в клетке, включая транспорт электронов и клеточное дыхание, пролиферацию и дифференцировку, а также регуляцию экспрессии генов [3]. Железо может подвергаться одновалентным окислительно-восстановительным реакциям, в результате чего образуются окисленные и восстановленные формы, известные как трехвалентное (Fe 3+ ) и двухвалентное (Fe 2+ ) железо соответственно.Из-за оксиредукции железа, которая может способствовать образованию АФК, а также из-за роли железа в реакциях Фентона и Габера-Вейсса, это питательное вещество также потенциально вредно. Эти реакции происходят, когда неорганическое питательное вещество, такое как Fe 2+ или Cu + , находится в избытке и отдает электрон H 2 O 2 , что приводит к образованию OH. АФК, генерируемые химией Фентона, могут способствовать развитию основных патологий, таких как рак, атеросклероз и нейродегенеративные заболевания [38].

Свободные радикалы могут нанести серьезный ущерб геному. В зависимости от дозы и типа неорганические питательные вещества могут защищать от окислительного стресса или способствовать ему [108]. Пероксидазы и особенно каталаза, использующие гемовое железо в качестве кофактора, разлагают H 2 O 2 . Если образовавшиеся реактивные частицы не удаляются эффективно, они могут вызвать образование более активного ОН или пероксинитрита, что может привести к окислению ДНК. Следовательно, дефицит таких антиоксидантных ферментов, зависящих от питательных веществ, может увеличить окислительный стресс и способствовать нестабильности генома [109].

Кроме того, железо является кофактором многих важных ферментов, связанных с репарацией ДНК, в основном в виде кластеров железа и серы. Например, гликозилазы MutyH и NTHL1, участвующие в эксцизионной репарации оснований (BER) и репарации несоответствия (MMR), а также хеликазы ERCC2 и BACh2, участвующие в эксцизионной репарации нуклеотидов (NER), имеют в своей структуре железо-серные кластеры [110, 111]. . Повышенная чувствительность к повреждению ДНК в клетках с нарушенным биогенезом белка Fe/S может включать потерю эксцизионной репарации нуклеотидов из-за нарушения созревания XPD.Так как Fe/S-кластер XPD необходим для его ДНК-хеликазной активности in vitro [110].

Хотя избыток железа может вызвать окислительное повреждение ДНК у крыс и связан с повышенным риском развития рака и сердечно-сосудистых заболеваний у людей [20], дефицит железа также, по-видимому, приводит к окислительному повреждению ДНК и связан с когнитивной дисфункцией у детей. Важность железа для нормальной неврологической функции хорошо известна, поскольку нейроны нуждаются в железе для многих физиологических процессов, включая транспорт электронов и миелинизацию аксонов, а также в качестве кофактора для многих ферментов, участвующих в синтезе нейротрансмиттеров [112, 113].Напротив, недостаточное потребление железа приводит к анемии, иммунной дисфункции и неблагоприятным исходам беременности, таким как преждевременные роды. Таким образом, поддержание физиологических уровней железа с помощью диетического питания является обязательным для здоровья. Однако дефицит железа все еще очень распространен среди людей, особенно среди детей и беременных женщин [114].

3.9. Магний

Магний незаменим для жизни, так как этот микроэлемент участвует во многих важных биологических процессах. Магний выполняет множество функций во всех клеточных процессах, включая репликацию ДНК и синтез белка, а также служит кофактором для белков, репарирующих ДНК, и поддерживает окислительно-восстановительный статус клетки, регуляцию клеточного цикла и апоптоз [29].Дефицит магния или замещение Mg 2+ другими токсичными ионами двухвалентных металлов приводит к повышенной нестабильности генома, которая связана со многими заболеваниями [115] и может привести к ингибированию репарации ДНК, окислительному стрессу, ускоренному старению и увеличению риск рака [29, 116]. Исследования показали, что более высокое потребление магния может защитить от некоторых воспалительных заболеваний, таких как резистентность к инсулину [117], гипертония [118], сахарный диабет [119] и сердечно-сосудистые заболевания [118].

Магний не является генотоксичным в физиологически значимых концентрациях и фактически поддерживает низкую частоту мутаций, способствуя репликации с высокой точностью и поддерживая все процессы репарации ДНК и хромосомной сегрегации во время митоза [29]. Фактически, это важный кофактор в процессах NER, BER и MMR, где магний необходим для устранения повреждений ДНК [120]. Все нижележащие активности основных белков эксцизионной репарации оснований, таких как апуриновая/апиримидиновая эндонуклеаза, ДНК-полимераза бета и лигазы, требуют магния.Таким образом, этот элемент может действовать как регулятор пути эксцизионной репарации оснований для эффективной и сбалансированной репарации поврежденных оснований, которые часто менее токсичны и/или мутагенны, чем их последующие промежуточные продукты репарации [121]. Магний также важен для точности репликации ДНК, влияя на клеточный цикл и апоптоз [61].

Эпидемиологические исследования на животных и людях продемонстрировали обратную корреляцию между уровнями магния и сердечно-сосудистыми заболеваниями [29] или заболеваемостью некоторыми видами рака, включая колоректальный рак [122, 123].Кроме того, дефицит магния является одним из факторов риска преждевременного старения [29]. Взаимосвязь между уровнями магния и онкогенезом более сложна: дефицит магния увеличивает частоту возникновения опухолей у животных и людей, тогда как магний способствует росту ранее существовавших опухолей из-за глубоких изменений гомеостаза магния в опухолевых клетках. Таким образом, защитные эффекты магния ограничены ранними стадиями развития опухоли [29]. Согласно Ford и Mokdad [124], несмотря на роль магния в поддержании хорошего здоровья, исторически большая часть населения Соединенных Штатов не потребляла достаточного количества этого питательного вещества.Кроме того, существуют значительные расовые и этнические различия в потреблении магния.

3.10. Селен

Микроэлемент селен является еще одним хорошо зарекомендовавшим себя микроэлементом, необходимым для здоровья млекопитающих [125]. Селен входит в состав небольшой группы селеноцистеинсодержащих селенопротеинов [126], включая глутатионпероксидазу, тиоредоксинредуктазу, селенопротеин P и селенопротеин R, которые в первую очередь участвуют в антиоксидантной активности и поддержании окислительно-восстановительного состояния клетки [127–130]. ].Из-за ключевой роли селена в регуляции окислительно-восстановительного потенциала и антиоксидантной функции это питательное вещество имеет решающее значение для целостности мембран, энергетического метаболизма и защиты от повреждения ДНК [126]. Однако в некоторых случаях селен также может приводить к окислительному повреждению ДНК [20], повышению риска инфицирования и изменению настроения [131]. Положительные или отрицательные эффекты селена in vivo или in vitro зависят от дозы. Интерес к селенорганической химии и биохимии возрос за последние два десятилетия, главным образом потому, что различные селенорганические соединения могут быть использованы в качестве антиоксидантов, ингибиторов ферментов, нейропротекторных, противоопухолевых или противоинфекционных средств, а также индукторов цитокинов и иммуномодуляторов [125, 132–135].На самом деле взаимодействие со структурами цинковых пальцев белков репарации ДНК может происходить с помощью незаменимых микроэлементов, таких как некоторые соединения селена, которые проявляют антиканцерогенные свойства при низких концентрациях, но могут поставить под угрозу генетическую стабильность при более высоких концентрациях [136].

Дефицит селена сам по себе не является обычным явлением в развитых странах, но недостаточное потребление этого минерала связано с развитием рака, астмы и ишемической болезни, среди других хронических состояний [137].При необходимости пищевые добавки следует применять с осторожностью, учитывая внутреннюю токсичность высоких уровней селена [138].

3.11. Цинк

Цинк является одним из важнейших микроэлементов в связи с преобладанием цинкзависимых ферментов в метаболических процессах; жизненно важная роль цинка в нескольких функциях организма, таких как зрение, восприятие вкуса, познание, размножение клеток, рост и иммунитет; благотворное влияние добавок цинка на многие болезненные состояния [139]. На самом деле цинк входит в состав более 300 белков, в том числе более 100 ДНК-связывающих белков с цинковыми пальцами, супероксиддисмутазы Cu/Zn, рецептора эстрогена и белка синаптической передачи [20].Цинк также играет решающую роль в биологии p53, поскольку p53 связывается с ДНК через структурно сложный домен, стабилизированный атомом цинка, что, возможно, увеличивает ответ на противораковые препараты [140].

Дефицит цинка является проблемой для здоровья во многих сообществах, особенно среди подростков, из-за пубертатного скачка роста [139]. На молекулярном уровне имеются доказательства взаимосвязи между дефицитом цинка и повышенным числом хромосомных разрывов, возможно, из-за повышенного окислительного повреждения, связанного с потерей активности супероксиддисмутазы Cu/Zn или цинксодержащего фермента восстановления ДНК Fapy-гликозилазы. который восстанавливает окисленный гуанин [20].К сожалению, почти половина населения мира подвержена риску недостаточного потребления цинка, поэтому срочно необходимы программы общественного здравоохранения для уменьшения дефицита цинка [139].

3.12. Резюме о влиянии выбранных микронутриентов на стабильность генома

Принимая во внимание предыдущее обсуждение и другие литературные данные, достаточное потребление микроэлементов, по-видимому, играет важную роль в стабильности генома. Напротив, дисбаланс одних и тех же микронутриентов может также негативно влиять на ДНК, возможно, через окислительный стресс, вызывая или способствуя различным заболеваниям человека.Таким образом, очень важно выяснить механизм, лежащий в основе реакции на окислительный стресс и его восстановления, а также связь этого механизма с путями реакции на повреждение ДНК, всеми неорганическими питательными веществами (витаминами и минералами) и болезнями, включая канцерогенез. Понимание возможных влияний на стабильность генома, даже в клеточной культуре, также востребовано в настоящее время.

4. Среда для культивирования клеток и питательные микроэлементы, повышающие стабильность генома: важна ли концентрация?

По словам Фергюсона и Фенека [141], в последнее десятилетие исследований микронутриентов и стабильности генома были улучшены диетические рекомендации, основанные на предотвращении повреждения ДНК или поддержании целостности генома.В свете этого необходимо разработать модели in vivo и особенно in vitro для более надежной оценки повреждения ДНК.

В таблице 2 представлены интересные данные о питательных микроэлементах, которые могут влиять на стабильность генома, и о значениях концентрации питательных микроэлементов, обнаруживаемых в типичных средах для культивирования клеток, FBS и сыворотке крови человека. К сожалению, данные не доступны для всех питательных микроэлементов в среде, и даже пропорции микроэлементов в FBS как органическом продукте не все хорошо охарактеризованы.Кроме того, как показали Bryan et al. [34], концентрация многих питательных микроэлементов в FBS может значительно различаться между партиями.

сыворотка крови человека Витамины Na

Микронутриенты Среда для культивирования клеток* 10% FBS ** Средняя концентрация человеческой сыворотки *** Состояние Center-Curil Medium Verseus
MEM DMEM L-15 M-199 HAM F-10 HAM -12 среде RPMI-1640 DMEM / HAM F12


Витамин А Н. А. Н.А. НП НП НП НП 2.0 Нижняя
Витамин B7 (биотин) Na Na Na Trace выше
Витамин B9 2.3 9.1 2.3 3.0 3.0 2.3 6.0 Trace
Витамин B12 NA NA NA 1.0 1.0 Trace
Na Na NA NA NA NA Trace 50.0 Нижний
Na Na Na Na Na Na Na Na Na Na Na 0.0003 30.0 неизвестен

Минералы

Медь NA NA NA NA NA Трассировка 14.0 Нижняя
Iron NA NA NA 1.7 3.0 3.0 NA 1.6 3,0 23,0 Нижняя
магния Н.А. Трассировка Нижняя / подобны
Селен Н.А. NA NA NA NA NA NA NA 11.0 Zink NA NA NA NA 3 .0 NA 1.5 1.5 Trace 17.0 Нижний

4
NA: не доступен.
*MEM: минимальная необходимая среда; DMEM: модифицированная среда орла Дульбекко; L-15: Лейбовиц средний 15; М-199: средний-199; HAM F-10 и F-12: питательная смесь для ветчины F-10 и F-12; RPMI-1640: среда Мемориального института Розуэлл-Парк; DMEM/HAM F-12: модифицированная среда Игла Дульбекко/питательная смесь Хэма F-12.Описанные концентрации витаминов и минералов были получены с веб-страниц основных поставщиков.
**Значения концентрации витамина А, витамина Е и селена в СЖТ найдены в работе [144], концентрация железа в СЖТ определена аналитически.
***Справочные данные о концентрации микронутриентов в сыворотке крови человека следующие: витамины А [145], В7 [146], В9 [147], В12 [148], С и Е [149]; мг [150]; Cu, Fe, Se и Zn [151].Концентрация витаминов и минералов в средах была получена от производителей.

Хотя среда для культивирования клеток пытается создать среду, аналогичную среде in vivo для развития клеток, существует очевидный дисбаланс микроэлементов между средой и человеческой сывороткой. Некоторые питательные микроэлементы присутствуют в этих средах в более высоких концентрациях, чем в сыворотке человека (например, витамины B7 и B12), тогда как другие питательные вещества присутствуют в значительно более низких концентрациях, чем в сыворотке человека (например, витамины B7 и B12).г., железо и цинк). Недавнее исследование [103] привлекло внимание к составу поливитаминных добавок, которые могут вызывать нежелательные последствия для здоровья из-за синергетического окислительного действия витаминов и металлов, входящих в их состав. В этом исследовании способность витаминов к химическому окислению изучалась путем измерения количества продукта окисления 8-оксо-7,8-дигидро-2′-дезоксигуанозина (8-oxodG), образующегося из ДНК-нуклеозида дезоксигуанозина (dG) после приема витамина. контакт. Микронутриентами, оцененными авторами, были витамины А, В1, В2, В3, В6, В12 и С; β -каротин; фолиевая кислота; α -, δ — и γ -токоферол.Также были исследованы минералы медь, железо и цинк. Все эти микроэлементы были протестированы в клеточной культуре, по отдельности или в комбинации, принимая во внимание уровни каждого микроэлемента в сыворотке крови человека. Основной вывод заключался в том, что некоторые витамины, сами по себе или в сочетании с металлами (например, витамин С и медь), могут вызывать повреждение ДНК. Однако клетки в культуре и клетки in vivo имеют разные потребности в питательных веществах и факторах роста, поскольку активность клеток в каждой среде может различаться из-за взаимодействия с другими клетками или частями более крупного организма.Таким образом, изучение физиологических концентраций микронутриентов in vitro может быть не самым подходящим подходом.

Как упоминалось выше, у каждого типа клеток может быть своя потребность в питательных микроэлементах. В зависимости от происхождения клетки и ее роли 95 251 in vivo 95 252 клетка может иметь более высокое сродство к одному микроэлементу по сравнению с другим. Например, в случае железа, которое хранится в определенных тканях, включая селезенку, печень и костный мозг [142], первичные клетки или бессмертные клеточные линии, полученные из этих тканей, могут иметь большую потребность в этом конкретном микронутриенте.В случае некоторых нейронных клеток, которым требуется железо для развития клеток [143], потребность в железе также может быть выше, чем в других типах клеток. Хотя оценку влияния микронутриентов на повреждение и целостность ДНК, а также на развитие клеток, включая соответствующие ферменты и белки, следует продолжать, необходимо учитывать концентрации микроэлементов, имеющие отношение не только к стабильности генома человека, но и к стабильности генома клеточной культуры.

5. Могут ли изменения в составе микронутриентов культуры влиять на жизнеспособность и генетику культивируемых клеток?

Клетки обычно выдерживают при соответствующей температуре и концентрации CO 2 (обычно 37°C и 5% CO 2 для клеток млекопитающих) в инкубаторе.Помимо этих параметров, наиболее часто варьируемым фактором в системах культивирования является среда для выращивания. Рецепты питательной среды могут различаться по pH, концентрации глюкозы, факторам роста и наличию других питательных веществ и микроэлементов. Разработке синтетических базовых составов для культур клеток млекопитающих способствовал вклад многих исследователей. В частности, определение минимально необходимых питательных веществ Гарри Иглом в 1950-х годах породило итеративный процесс непрерывной модификации и уточнения экзогенной среды для культивирования новых типов клеток и поддержки новых применений культивируемых клеток млекопитающих.Этот процесс привел к разработке сильнодействующих базовых питательных составов, способных поддерживать бессывороточную пролиферацию клеток и биологическое производство [152]. Однако факторы роста, наиболее часто используемые в качестве добавок к средам для культивирования клеток, по-прежнему получают из крови животных, например FBS. FBS стала предпочтительной добавкой для исследований на основе клеточных культур, она содержит множество белков, факторов роста и ионов, необходимых для жизнеспособности и пролиферации клеток 95, 251 in vitro, 95 252 , включая определенные витамины и минералы [153].В настоящее время использование этих ингредиентов сведено к минимуму или по возможности исключено в пользу среды с определенным химическим составом, но такая замена не всегда возможна.

Брайан и др. [34] заявили, что одним из основных препятствий для получения человеческих клеток определенного и воспроизводимого стандарта и, следовательно, пригодных для использования в медицинской терапии, является рутинная необходимость добавления FBS в среду для культивирования клеток. В этом исследовании варианты FBS оценивались как с точки зрения элементного (микронутриентного) состава, так и с точки зрения влияния вариантов на экспрессию группы белков, связанных с антигенностью первичных эндотелиальных клеток пупочной вены человека (HUVEC).Для достижения этих экспериментальных целей использовали комбинацию масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICPMS) и проточной цитометрии. Статистически значимые различия в антигенной экспрессии при культивировании клеток были продемонстрированы для набора микроэлементов в СОБ (например, литий, бор, магний, фосфор, сера, калий, титан, ванадий, хром, марганец, железо, медь, цинк, галлий, и селен). Отсутствие воспроизводимости и различия в экспрессии белка в первичных клетках человека были связаны с добавлением FBS.

Известно, что условия культивирования клеточных линий влияют на экспрессию генов [154–156], в то время как стволовые клетки, выращенные в разных типах сыворотки, проявляют различные характеристики дифференцировки и пролиферации [157, 158] одна и та же клеточная линия, если культивируется в разных условиях, могут представлять разные фенотипы. Тем не менее, потребность клеток в определенном микронутриенте напрямую связана с типом клеток, скоростью роста клеток и стадией дифференцировки клеток. В свете этого важно отметить, что минимальное внимание уделялось составу FBS и добавлению микронутриентов в среду в клеточных культурах или тому факту, что микроэлементы могут влиять на жизнеспособность и геномную стабильность культивируемых клеток.

В таблицах 3 и 4 выделено несколько примеров воздействия витаминов и минералов на клеточную культуру и на стабильность генома, взятых из литературы.

4
4 Microutrient 0 80080 9619

Витамин B12
л/моль0довая кислота (


Microutrient
Основное влияние на жизнеспособность клеток и геномной стабильности Тип клетки Дополнительная информация относительно формы и концентрации микроэлектриента оценивается Состояние в отношении физиологической концентрации Каталожные номера

Витамин A Повышает уровень повреждения ДНК 8-oxo-dG, но значительно ингибирует образование M1dG, особенно после индукции M1dG с помощью H 2 O 2 или B[a]P; повышенная продукция активных форм кислорода и образование промутагенных повреждений ДНК Клетки эпителия легких Бета-каротин (5 моль/л) Аналогично [159, 160]
до почти полной гибели клеток Лейкозные клетки (HL-60) Ретинол (2 моль/л) и аскорбиновая кислота (50 моль/л) Аналогично [161]
Индуцированный апоптоз апоптотический белок р53 и уменьшающий антиапоптотический Bcl-2, а также ядерный АТМ; также вызывает фрагментацию ДНК Клетки рака желудка (AGS) Бета-каротин (100 моль/л) Выше [162]
Клетки гепатокарциномы (HepG2) Бета-каротин (4 моль/л) и 8 моль/л) Аналогично [163, 164]
Снижение уровня аддуктов тотальной ДНК и повышение уровня апоптоза в клетках при одновременном воздействии бенз(а)пирена и ретиноевой кислоты Ретиноевая кислота (1 моль/л) Нижняя
Витамин B7 (биотин) Увеличение числа разрывов нитей и клеточный ответ на разрывы нитей Клеточная линия Т-лимфоцитов (Jurkat)  моль/л и
0.01 моль/л
Ниже и выше [75]
Влияет на биотинилирование белков, экспрессию генов и метаболизм интерлейкина-2; скорость пролиферации и апоптоза не зависела от биотинового статуса  моль/л,  моль/л и 0,01 моль/л ниже и выше [165]
ниже и выше [165] Витамин B9 Увеличение уровней удаления Ремонт и апоптоз Лимфоциты Folath (MOL / L) ниже [166, 167]
Снижение апоптоза и повышенной пролиферации клеток нервные стволовые клетки (NSC) Фолиевая кислота ( моль/л) Высшее [168, 169]
Высокая концентрация ускоряет рост; повышенная метаболическая активность, пролиферация и апоптоз; снижение дифференцировки Раковые клетки толстой кишки человека (HT29) Фолиевая кислота (0.021 моль/л и 0,21 моль/л) с другими микронутриентами, участвующими в фолатно-метиониновом цикле Аналогично и выше [56]

Снижение пролиферации клеток и повышенная дифференцировка Клетки нейробластомы (NIE115) Витамин B12 (полное отсутствие) ниже [89]
Хроническое воздействие ингибировано нейротоксичность Клетки сетчатки (первичные культуры эмбрионов крыс) Метилкобаламин (1 моль/л) Высшее [170]
Синтез ДНК в целом приводит к апоптоз человеческой эритролейукемии (K562) и мышиная лимфома (BW5147) клеточные линии Cobalamin (полное отсутствие и
моль / л)
ниже и выше [171]











Физиологические концентрации АК не были токсичными, в то время как высокие концентрации АК индуцировали ДН Разрыв цепи дозозависимым образом, тогда как AA2P не были генотоксичными Кожные фибробласты человека (HDF) Аскорбиновая кислота (AA) и 2-фосфат аскорбиновой кислоты (AA2P) (полное отсутствие или 20, 100 и 500 моль /л) Ниже, аналогично и выше [172]
Витамин С Усиленные ДНК-белковые сшивки и цитотоксичность Клетки китайского хомячка (V79) ≥ ) Аскорбиновая кислота ( ) Высшее [173]
[173]
[173]
Снижение количества 8-гидроксидеоксигуанозиновых аддукторов Кератиноцит для мыши Кератиноцитов аскорбиновая кислота (2,27 моль / л и 4,54 моль / л) ниже [174 ]
Защитный эффект против повреждения ДНК, вызванного рентгеновским лечением человеческих лимфобластоидных клеток (Раджи) аскорбиновая кислота (60 моль / л) Похожие [175]

Защитный эффект против ущерба ДНК, индуцирован H 2 O 2 лечение Raji клетки -ToCopherol (30 моль / л) Похожие [175]
Витамин E Уменьшение фрагментации ДНК и образование апоптотических телец, возможно, способствующее репарации ДНК Почка африканской зеленой мартышки (Vero), карцинома толстой кишки человека (Caco-2) и диспластические клетки кератиноцитов полости рта (DOK) Витамин Е (25 моль/л) Похожие [176] [176] [176]
Снижение апоптоза и аутофагии культивированные трофобласты и злоумышленники, полученные из плаценты человека в срок витамин е (50 моль / л) с витамином С (50 моль / л) выше [177]

9


4

9



Microutrient Главное воздействие на жизнеспособность клеток и геномной устойчивости Тип клетки Тип клетки Дополнительная информация относительно формы и концентрации микроэлектриента оценивают Статус в отношении физиологической концентрации Ссылки

Увеличение цитотоксичность И Формирование ROS HEPG22 50, 100, 150 и 200 млрд / л и 200 млрд / л [184]
CODE
Медь Увеличение митохондриальной активности и жизнеспособность клеток и повышенное повреждение ДНК китайских яичников гамателя (ЧО-К1) 24.55, 35,40, 48,31, 89,23, 116,77, 170,75, 339,45 и 450,35 моль/л Выше [185]
Повышение скорости синтеза гистонов, а также уменьшение повреждения ДНК в зависимости от дозы Acetylation лейкозные клетки (HL-60) полное отсутствие, 10, 20, 50, 100 и 200 моль / л ниже, подобные и выше [186]

Ингибированный синтез ДНК в пролиферативных клетках Лимфоциты человека Железа сульфат (22.38, 44,76 и 89,52 моль/л) Аналогичные и выше [187]
Железо Возможно ускорение процесса старения и смерти при концентрациях 10 00 30 9 моль/л, тогда как 5 0 30 9 моль/л, тогда как 5 0 30 9 моль/л Cerebellar Гранул-клетки Феррный нитрилотриацетат (5, 10, 15, 20 и 40 моль / л показаны ниже, аналогичные и выше [188]
Генотоксические эффекты Основные несущественные клетки толстой кишки И предварительноопластическая тонкая килоковая линия аденома (LT97) нитрилотриацетат (10, 100, 250, 500 и 1000 моль / л) ниже и выше [189]

ингибировано клеточной пролиферации и эндотелиальной дисфункции за счет создания провоспалительной, протромботической и проатерогенной среды Эндотелиальные клетки человека Сульфат магния (100, 500 и 100 0 моль/л) Ниже и выше [190]
Ингибирует рост более резко в нормальных, чем в трансформированных клетках и изменяет течение клеточного цикла Нормальные (HC11) и трансформированные (MCF11) и трансформированные (MCF-7) Эпителиальные линию молочной железы Общее отсутствие, 10, 30, 50, 100, 300 и 500, 30, 50, 100, 300 и 500 моль / л ниже [191]
Magnesium Неадекватная концентрация Ускоренная клеточная старение Нормальные человеческие фибробласты ( IMR-90) 100, 400 и 800 моль/л Нижний и аналогичный [192]
Репарация разреза полностью подавляется при отсутствии Mg 4+, а также при высоких концентрациях 7+6 2903 , тогда как оптимальные концентрации необходимы на всех этапах NER Лимфобластоидная (AHh2) и клональная эпителиальная аденокарцинома человека (HeLa S3) клеточные линии 400 и 800 моль/л Lower and Simi Лар [193]


Selenium Метилселениновая кислота, L-селеноцистеин, селенодиглутатион или клеточная клетка, вызванная селенитом в микроморских концентрациях, в то время как селенометионина или эселен не токсичны в пределах диапазона концентрации HEPG2, клетки человека человека, гепатома линия (Huh-7) и гепатома мыши (Hepa 1-6) Селенит натрия, L- или DL-селеноцистеин, селенодиглутатион, селенометил-селеноцистеин, селенат натрия, L- или DL-селенометионин, метилселениновая кислота, эбселен, селенометионин Ниже, аналогично и выше [194]
ингибирование пролиферации раковых клеток и инвазии опухолевых клеток Клеточная линия саркомы человека (HT1080) Селено-L-метионин (SeMet) (всего отсутствуют вс, 1.25, 2,5 и 5 моль/л) Нижний [195]
Уменьшение повреждения клеток и защита от окислительного стресса Клетки HepG2 Селенметилселеноцистеин (0,01, 0,1, 1 и 10 моль/л) Нижний и аналогичный [196] [196]
Селен метилселеноцистеин (1 моль / л) ниже [197]

Увеличение повреждения окислительного ДНК; нарушено связывание ДНК p53, NFB и AP1; снижение репарации ДНК Клеточная линия крысиной глиомы (C-6) Сульфат цинка и карнозин цинка (4.0 моль/л) Нижний [198]
Цинк Снижение роста и жизнеспособности клеток, повышение СБ ДНК и цитотоксичность в обедненных по цинку культурах, а также при концентрациях 32 и 100 М; снижение повреждения генома в культурах с добавлением 4 или 16 М Линия лимфобластоидных клеток человека (WIL2-NS) Сульфат цинка и карнозин цинка (полное отсутствие, 0,4, 4,0, 16,0, 32,0 и 100,0 моль/л) Ниже [199]
Снижение жизнеспособности клеток в обедненных цинком культурах (0 М), а также при некротические клетки в обедненных цинком культурах Первичная клеточная линия оральных кератиноцитов человека (HOK) [200]

5,52581. Витамин А

Для витамина А, но, возможно, применимого ко многим другим микронутриентам, исследования, представленные в таблице 3, проводились при низких концентрациях, которые, как правило, проявляют защитный эффект, тогда как более высокие концентрации связаны с повышенным повреждением ДНК [65]. Этот вывод согласуется с известной способностью β -каротина действовать как прооксидант, а не как антиоксидант, при высоких концентрациях и при высоком напряжении кислорода [178]. Всегда следует оценивать физиологические концентрации микронутриентов и, по возможности, по крайней мере использовать их как максимальные в исследованиях, оценивающих жизнеспособность и геномную стабильность клеточных культур.Однако, как видно из таблицы 2, данных о присутствии витамина А в средах для культивирования клеток недостаточно.

5.2. Витамин B7 (биотин)

Биотин играет важную роль в регуляции экспрессии генов, тем самым опосредуя определенные аспекты клеточной биологии и развития плода [179]. Эффекты дефицита биотина подробно описаны в таблице 3 и связаны со снижением скорости пролиферации клеток, нарушением иммунной функции и аномальным развитием плода. Также упоминается избыток биотина, который может оказывать репродуктивное и тератогенное действие.Однако, как видно из таблицы 2, среды для культивирования клеток, содержащие более высокие уровни биотина, чем сыворотка человека, являются обычным явлением. Необходимы дополнительные исследования, оценивающие влияние высоких уровней биотина на клеточные культуры.

5.3. Витамин B9

Истощение фолиевой кислоты, по-видимому, усиливает канцерогенез, в то время как добавление фолиевой кислоты сверх того, что в настоящее время считается базовым требованием, оказывает защитный эффект [180]. Несколько примеров дефицита и приема фолиевой кислоты описаны в таблице 3, и была продемонстрирована взаимосвязь между этим витамином и пролиферацией клеток и апоптозом.Кроме того, как видно из таблицы 2, уровни фолиевой кислоты в оцениваемых средах для культивирования клеток, как правило, выше, чем уровни, обнаруживаемые в сыворотке крови человека. Хорошо известно, что дефицит фолиевой кислоты может влиять на геномную стабильность культивируемых клеток [81, 181], однако все еще недостаточно данных, оценивающих, могут ли уровни фолиевой кислоты, превышающие физиологический диапазон, нарушать рост клеток. Следует исследовать повышенный уровень фолиевой кислоты, так как у животных, склонных к опухолевым заболеваниям, как дефицит фолиевой кислоты, так и прием добавок способствуют прогрессированию установленных новообразований [83, 182].Поскольку в исследованиях in vitro исследований переизбыток фолиевой кислоты встречается чаще, чем дефицит, первое следует оценивать наиболее тщательно.

5.4. Витамин B12

Дефицит витамина B12 был описан как аналог химических веществ, которые повреждают ДНК, вызывая одно- и двухцепочечные разрывы [20]. Как показано в таблице 3, в клеточной модели, разработанной для лучшего понимания дефицита витамина B12 в головном мозге, были затронуты рост и дифференцировка нейронных клеток [89]. Кроме того, добавление некоторых соединений кобаламина защищало клетки от нейротоксичности и увеличивало рост клеток [170, 171].К сожалению, исследование in vitro , демонстрирующее прямую связь между дефицитом или перегрузкой витамина B12 и стабильностью генома в клетках человека, еще не опубликовано. Однако, судя по таблице 2, высокие концентрации витамина В12 чаще встречаются в средах для культивирования клеток, чем в сыворотке крови человека.

5.5. Витамин С

В таблице 3 приведены несколько примеров влияния витамина С на клеточные культуры. Различные концентрации этого витамина приводят к различным реакциям, начиная от повреждения ДНК (при более высоких концентрациях) до защиты ДНК (при более низких концентрациях).Важно отметить, что концентрация витамина С в современных клеточных культурах недоступна в таблице 2, поскольку, возможно, в средах присутствуют лишь следовые количества. Поскольку клеточный ответ на витамин С может быть дозозависимым, следует оценить концентрацию этого витамина в культуральной среде, аналогичную концентрации в сыворотке крови человека.

5.6. Витамин Е

Добавка витамина Е in vivo все еще обсуждается [183], и потребуются дополнительные исследования in vitro , чтобы лучше понять защитные эффекты витамина Е на жизнеспособность клеток и стабильность генома.Тем не менее, некоторые результаты (таблица 3) согласуются с концепцией, согласно которой α-токоферол в сочетании с аскорбиновой кислотой или отдельно может защищать ДНК от окислительного повреждения [175] и снижать апоптоз и аутофагию [177] при определенных условиях. К сожалению, текущая концентрация витамина Е in vitro также недоступна в таблице 2, поскольку, возможно, в среде присутствуют лишь следовые количества. Учитывая это наблюдение, интересно отметить, что в исследовании витамина Е in vitro , описанном в таблице 3, были приняты значения концентрации, аналогичные концентрациям в сыворотке человека (приблизительно 30  мк моль/л), и что результаты были положительными для клеточные культуры.

5.7. Медь

Как видно из таблицы 2, в обычных средах для культивирования клеток наблюдается заметный недостаток меди, даже при добавлении FBS. Таким образом, клетки в культуре обычно подвергаются воздействию окружающей среды с дефицитом питательных микроэлементов, необходимых для образования детоксицирующих ферментов, которые могут влиять на развитие клеток и, возможно, стабильность генома и выживаемость. Важно отметить, что концентрации меди, оцененные в клеточной культуре (таблица 4), как правило, превышают физиологический диапазон человека, поэтому следует ожидать токсических эффектов в культурах.Таким образом, оптимизация концентрации меди в клеточных культурах необходима для поддержания жизнеспособности клеток и стабильности генома, а также для предотвращения вредного воздействия этого металла.

5.8. Железо

В таблице 4 важно отметить, что результаты Lima et al. [187] можно ожидать в клеточной культуре, в которой потребности в микронутриентах сильно отличаются от таковых in vivo . В этом исследовании оцененные концентрации в целом были выше, чем значения, измеренные в сыворотке крови человека (таблица 2), и даже самая низкая концентрация железа, примененная авторами (22.38  мк моль/л) будет считаться высоким для клеток в культуре. Для клеток лейкемии HL-60, как показано в [201], диапазон концентраций железа для оптимальной клеточной пролиферации очень узок (2-3  мкМ моль/л). Напротив, в исследованиях, в которых уровни железа составляли от 5 до 10  мк моль/л, эти уровни в целом улучшали анализируемые культуры или, по крайней мере, не наблюдалось повреждений [187–189].

5.9. Магний

Как показано в таблице 4, несколько исследований влияния дефицита магния на культивируемые клетки продемонстрировали снижение окислительного стресса, прогрессирование клеточного цикла, рост клеток и их жизнеспособность [190, 191, 202–207].Killilea и Ames [192] специально исследовали последствия длительного и умеренного дефицита магния в нормальных клетках человека по сравнению с более типичными уровнями магния, используя концентрацию, наблюдаемую в нормальной человеческой сыворотке (0,8 ммоль/л). Никаких изменений не наблюдалось в клетках, культивируемых в среде с нормальным содержанием магния. Кроме того, на основе исследований, проведенных либо на бактериях, либо на клетках млекопитающих в культуре, нет доказательств генотоксического действия солей магния в физиологически значимых дозах [29], что указывает на то, что адекватные уровни питательных микроэлементов в средах для культивирования клеток могут улучшить жизнеспособность клеток и Геномная стабильность.Как показано в Таблице 2, уровни магния, обнаруженные в настоящее время в средах для культивирования клеток, очень близки к уровням в сыворотке крови человека, что очень необычно для микронутриентов в целом.

5.10. Селен

В исследованиях добавок in vivo и in vitro необходимо учитывать дифференциальную токсичность, вызываемую соединениями селена [194]. В ссылках в таблице 4 оценивались различные формы селена и некоторые соли, которые могут быть более токсичными для клеточной среды, чем другие.В связи с важностью селена, а также многих других микронутриентов, обсуждаемых в этом обзоре, концентрацию микронутриентов в среде, а также FBS, предназначенную для клеточной культуры, следует контролировать и, если применимо, доводить до физиологического диапазона. При сравнении концентрации селена в сыворотке человека в таблице 2 с концентрациями, описанными в экспериментах, приведенных в таблице 4, становится очевидным, что концентрации ниже физиологического диапазона приносят пользу культуре клеток, хотя высокие концентрации соединений селена потенциально отрицательно влияют на опухолевые клетки.

5.11. Цинк

Роль цинка в стабильности генома была недавно рассмотрена Sharif et al. [208]. Кроме того, несколько кратких примеров влияния цинка на жизнеспособность клеток и стабильность генома представлены в таблице 4. Возможный вывод из анализов in vitro заключается в том, что когда используемая концентрация цинка ниже значения в сыворотке крови человека (таблица 2), результаты, как правило, полезны для культивируемых клеток. Напротив, концентрации цинка выше физиологического уровня могут повредить культивируемые клетки.Опять же, интересно отметить, что некоторые среды для культивирования клеток (например, HAM F-10 и F-12), даже при добавлении FBS, не могут обеспечить достаточное количество этого микроэлемента для надлежащего развития клеток и стабильности генома, если концентрация падает ниже физиологический диапазон.

6. Что необходимо сделать: ограничения имеющихся данных и выводы

Микронутриенты явно важны для развития клеток и стабильности генома, и многие из упомянутых микроэлементов необходимы для механизмов синтеза ДНК и восстановления.В таблице 5 представлен обзор текущих данных о влиянии дефицита или избытка микронутриентов, рассматриваемых в этом обзоре, на стабильность генома. Уровни питательных микроэлементов, обнаруженные в обсуждаемых средах для культивирования клеток, и статус исследований каждого микроэлемента также выделены. Очевидно, было проведено много исследований, но все еще требуются более конкретные исследования, посвященные клеточным культурам.

620

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Бродли, М. Р., Уайт, П. Дж., Хаммонд, Дж. П., Зелко, И., и Люкс, А. (2007). Цинк в растениях. Новый фитол. 173, 677–702. doi: 10.1111/j.1469-8137.2007.01996.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Браун, Т.А. и Шрифт А. (1982). Селен: токсичность и толерантность высших растений. биол. Преподобный Кэмб. Филос. соц. 57, 59–84. doi: 10.1111/j.1469-185X.1982.tb00364.x

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Беркхед, Дж. Л., Гоголин Рейнольдс, К. А., Абдель-Гани, С. Э., Коху, К. М., и Пилон, М. (2009). Гомеостаз меди. Новый фитол. 182, 799–816. doi: 10.1111/j.1469-8137.2009.02846.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Чик, Т.Э., Пейс, Б.А., Розенстил, Т.Н., и Крузан, М.Б. (2011). Влияние уровня удобрения и плотности спор на колонизацию арбускулярной микоризой трансгенной кукурузы Bt11 ( Zea mays ) в экспериментальных микрокосмах. FEMS Microbiol. Экол. 75, 304–312. doi: 10.1111/j.1574-6941.2010.01013.x

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Cho, Y.H., Puligundla, P., Oh, S.D., Park, H.M., Kim, K.M., Lee, S.M., et al. (2016). Сравнительная оценка питательных составов между трансгенным рисом, содержащим ген CaMsrB2 , и обычным аналогом. Пищевая наука. Биотехнолог. 25, 49–54. doi: 10.1007/s10068-016-0007-9

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Clark, L.C., Combs, G.F.J., Turnbull, B.W., Slate, E.H., Chalker, D.K., Chow, J., et al. (1997). Влияние добавок селена на профилактику рака у пациентов с раком кожи. Рандомизированное контролируемое исследование. Дж. Ам. Мед. доц. 277, 1520–1520.

Коста, Г. Р., де Оливейра Коуту и ​​Силва, Н., Мандарино, Дж.M.G., Leite, R.S., Guimarães, N.C., Junqueira, R.G.A., et al. (2015). Содержание изофлавонов и минералов в традиционных и трансгенных сортах сои. утра. Дж. Растениевод. 6, 2051–2059 гг. doi: 10.4236/ajps.2015.613205

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Дракакаки Г., Христу П. и Штёгер Э. (2000). Конститутивная экспрессия кДНК ферритина сои в трансгенной пшенице и рисе приводит к повышению уровня железа в вегетативных тканях, но не в семенах. Пер. Рез. 9, 445–452. дои: 10.1023/A:1026534009483

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Дракакаки Г., Марсель С., Глан Р. П., Лунд Э. К., Париа С., Фишер Р. и соавт. (2005). Специфическая для эндосперма коэкспрессия рекомбинантного ферритина сои и фитазы Aspergillus в кукурузе приводит к значительному увеличению уровней биодоступного железа. Завод Мол. биол. 59, 869–880. doi: 10.1007/s11103-005-1537-3

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Эллис, Д.Р., Сорс Т.Г., Бранк Д.Г., Альбрехт К., Орсер К., Ланер Б. и соавт. (2004). Продукция Se-метилселеноцистеина в трансгенных растениях, экспрессирующих селеноцистеинметилтрансферазу. BMC Растение Биол. 4:1. дои: 10.1186/1471-2229-4-1

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Эллис, Дж. Г., Лагуда, Э. С., Спилмейер, В., и Доддс, П. Н. (2014). Прошлое, настоящее и будущее селекции устойчивой к ржавчине пшеницы. Фронт. Растениевод. 5:641.doi: 10.3389/fpls.2014.00641

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Эль Мехдави, А.Ф., Цзян, Ю., Гиньярди, З.С., Эсмат, А., Пилон, М., Пилон-Смитс, Э.А.Х., и соавт. (2018). Влияние снабжения сульфатом на динамику поглощения селена и экспрессию переносчиков сульфата/селената у Brassicaceae с гипераккумулятором и без гипераккумулятора селена. Новый фитол . 217, 194–205. doi: 10.1111/nph.14838

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Фанг, К., Zhang, W., Xing, Y., Zhang, Q., Yang, L., Cao, Q., et al. (2016). Токсичность бора оказывает множественное воздействие на рост пыльцевых трубок Malus domestica . Фронт. Растениевод. 7, 208. doi: 10.3389/fpls.2016.00208

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Гайен Д., Пол С., Саркар С. Н., Датта С. К. и Датта К. (2016). Сравнительный питательный состав и протеомный анализ семян трансгенного риса Xa21 по сравнению с обычным рисом. Пищевая хим. 203, 301–307. doi: 10.1016/j.foodchem.2016.02.058

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Гайен Д., Саркар С. Н., Датта С. К. и Датта К. (2013). Сравнительный анализ питательных составов трансгенного риса с высоким содержанием железа с его нетрансгенным аналогом. Пищевая хим. 138, 835–840. doi: 10.1016/j.foodchem.2012.11.065

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Глоуд, Ф., Amasino, R.M., Brossard, D., Buell, C.R., Dixon, R., Falck-Zepeda, J.B., et al. (2016). Генно-инженерные культуры: опыт и перспективы. Вашингтон, округ Колумбия: Издательство национальных академий.

Академия Google

Gordon-Kamm, W.J., Spencer, T.M., Mangano, M.L., Adams, T.R., Daines, R.J., Start, W.G., et al. (1990). Трансформация клеток кукурузы и регенерация фертильных трансгенных растений. Растительная клетка 2, 603–618. doi: 10.1105/tpc.2.7.603

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Гото, Ф., Йошихара, Т., и Сайки, Х. (1998). Накопление железа в растениях табака, экспрессирующих ген ферритина сои. Пер. Рез. 7, 173–180. дои: 10.1023/A:1008836812714

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Гото Ф., Йошихара Т., Шигемото Н., Токи С. и Такайва Ф. (1999). Обогащение железом семян риса с помощью гена ферритина сои. Нац. Биотехнолог. 17, 282–286. дои: 10.1038/7029

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Гюмюшель, Д., Оз, М.Т., Эйдоган, Ф., Юсел, М., Чифтчи, Ю.О., и Октем, Х.А. (2012). Гетерологическая экспрессия гена переносчика бора ячменя в табаке ( Nicotiana tabaccum ) и анализ трансгенных растений. Новые биотехнологии. 29:S128. doi: 10.1016/j.nbt.2012.08.357

Полнотекстовая перекрестная ссылка

Хан, Дж., Ю, X., Чанг, Дж., Ян, Г. и Хе, Г. (2017). «Обзор генетической трансформации пшеницы и статуса селекции в Китае», в Wheat Biotechnology.Methods in Molecular Biology , редакторы PL Bhalla и MB Singh (Parkville: Humana Press).

Академия Google

Герман, Р. А., Фаст, Б. Дж., Джонсон, Т. Ю., Саббатини, Дж., и Руджерс, Г. В. (2013). Композиционная безопасность устойчивого к гербицидам хлопка ДАС-81910-7. J. Agr. Пищевая хим. 61, 11683–11692. дои: 10.1021/jf404043y

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Герман Р. А., Филипс А. М., Леппинг М. Д., Фаст Б.Дж. и Саббатини Дж. (2010). Композиционная безопасность кукурузы, устойчивой к гербицидам DAS-40278-9 (AAD-1). GM Crop 1, 294–311. doi: 10.4161/gmcr.1.5.14285

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Герман Р.А., Филлипс А.М., Леппинг М.Д. и Саббатини Дж. (2011). Композиционная безопасность устойчивой к гербицидам сои DAS-68416-4 (AAD-12). Междунар. Дж. Пищевая наука. Нутр. 1:02. дои: 10.4172/2155-9600.1000103

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Хонг, К.Ю., Ченг, К.Дж., Ценг, Т.Х., Ван, К.С., Лю, Л.Ф., и Ю, С.М. (2004). Производство двух высокоактивных бактериальных фитаз с широким оптимумом рН в проросших трансгенных семенах риса. Пер. Рез. 13, 29–39. doi: 10.1023/B:TRAG.0000017158..67

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Hurrell, R.F., Reddy, M.B., Juillerat, M.-A., and Cook, J.D. (2003). Расщепление фитиновой кислоты в злаковых кашах улучшает усвоение железа людьми. утра. Дж. Клин. Нутр. 77, 1213–1219. doi: 10.1093/ajcn/77.5.1213

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Исикава С., Ишимару Ю., Игура М., Курамата М., Абэ Т., Сенура Т. и другие. (2012). Ионно-лучевое облучение, идентификация генов и селекция с помощью маркеров в развитии риса с низким содержанием кадмия. Проц. Натл. акад. науч. США 109, 19166–19171. doi: 10.1073/pnas.1211132109

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Исимару Ю., Масуда Х., Судзуки М., Башир К., Такахаши М., Наканиши Х. и др. (2007). Сверхэкспрессия переносчика цинка OsZIP4 приводит к нарушению распределения цинка в растениях риса. Дж. Экспл. Бот. 58, 2909–2915. doi: 10.1093/jxb/erm147

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ишимару Ю., Такахаши Р., Башир К., Шимо Х., Сенура Т., Сугимото К. и др. (2012). Характеризуя роль NRAMP5 риса в транспорте марганца, железа и кадмия. Науч. Респ. 2:286. дои: 10.1038/srep00286

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Янулчик, Р., Паллон, Дж., и Бьорк, Л. (1999). Идентификация и характеристика переносчика Streptococcus pyogenes ABC с множественной специфичностью к катионам металлов. Мол. микробиол. 34, 596–606. doi: 10.1046/j.1365-2958.1999.01626.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Цзинь, Л., Чжан, Х., Lu, Y., Yang, Y., Wu, K., Tabashnik, B.E., et al. (2015). Крупномасштабное испытание стратегии естественного убежища для задержки устойчивости насекомых к трансгенным культурам Bt . Нац. Биотехнолог. 33, 169–174. doi: 10.1038/nbt.3100

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Кобаяши, Т., и Нисидзава, Н.К. (2012). Поглощение железа, транслокация и регуляция у высших растений. год. Преподобный завод биол. 63, 131–152. doi: 10.1146/annurev-arplant-042811-105522

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Кумар, К., Моса, К. А., Чикара, С., Мусанте, К., Уайт, Дж. К., и Данкер, О. П. (2014). Два внутренних белка плазматической мембраны риса, OsPIP2;4 и OsPIP2;7, участвуют в транспорте и обеспечивают устойчивость к токсичности бора. Планта 239, 187–198. doi: 10.1007/s00425-013-1969-y

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ле Дюк, Д. Л., Абдель Сами, М., Монтес-Байон, М., Ву, С. П., Райзингер, С. Дж., и Терри, Н. (2006). Сверхэкспрессия как АТФ-сульфурилазы, так и селеноцистеинметилтрансферазы усиливает признаки фиторемедиации селена у индийской горчицы. Окружающая среда. Загрязн. 144, 70–76. doi: 10.1016/j.envpol.2006.01.008

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

LeDuc, D.L., Tarun, A.S., Montes-Bayon, M., Meija, J., Malit, M.F., Wu, C.P., et al. (2004). Сверхэкспрессия селеноцистеинметилтрансферазы у арабидопсиса и индийской горчицы увеличивает толерантность к селену и его накопление. Завод физиол. 135, 377–383. doi: 10.1104/стр.103.026989

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ли, Дж.С., Су, С.К., Ли, Ю.Х., Ким, Ю.Х., и Хеу, С.Г. (2005). Ген OsCK1 из Oryza sativa, вектор экспрессии, содержащий ген, трансформанты, трансформированные вектором, и способ получения трансформантов. Корея, KR20050027204. 31 марта 2005 г.

Ли С., Чон Х. Дж., Ким С. А., Ли Дж., Герино М. Л. и Ан Г. (2010a). OsZIP5 ​​представляет собой переносчик цинка плазматической мембраны риса. Завод Мол. биол. 73, 507–517. doi: 10.1007/s11103-010-9637-0

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ли, С., Чон, Дж.-С., и Ан, Г. (2012). Гомеостаз железа и обогащение риса. J. Plant Biol. 55, 261–267. doi: 10.1007/s12374-011-0386-7

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ли С., Ким С. А., Ли Дж., Герино М. Л. и Ан Г. (2010b). OsZIP8, индуцируемый дефицитом цинка, кодирует локализованный в плазматической мембране переносчик цинка в рисе. Мол. Ячейки 29, 551–558. doi: 10.1007/s10059-010-0069-0

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ли, С., Ким, Ю.Ю., Ли, Ю., и Ан, Г. (2007). Рис P 1B АТФаза тяжелых металлов, OsHMA9, представляет собой белок оттока металлов. Завод физиол. 145, 831–842. doi: 10.1104/стр.107.102236

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ли, Х.Ф., МакГрат, С.П., и Чжао, Ф.Дж. (2008). Поглощение, транслокация и видообразование селена в пшенице, снабженной селенатом или селенитом. Новый фитол. 178, 92–102. doi: 10.1111/j.1469-8137.2007.02343.x

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ли, С., Zhou, X., Li, H., Liu, Y., Zhu, L., Guo, J., et al. (2015). Сверхэкспрессия ZmIRT1 и ZmZIP3 усиливает накопление железа и цинка в трансгенном арабидопсисе. PLoS ONE 10:e0136647. doi: 10.1371/journal.pone.0136647

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Li, X., He, X., Luo, Y., Xiao, G., Jiang, X. и Huang, K. (2008). Сравнительный анализ состава питательных веществ между устойчивым к гербицидам рисом с геном bar и его нетрансгенным аналогом. J. Food Compos. Анальный. 21, 535–539. doi: 10.1016/j.jfca.2008.06.001

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Li, X., Huang, K., He, X., Zhu, B., Liang, Z., Li, H., et al. (2007). Сравнение питательной ценности китайского риса индика с генами sck и cry1Ac и его нетрансгенного аналога. J. Food Sci. 72, С420–С424. doi: 10.1111/j.1750-3841.2007.00416.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ли, Ю., Wang, Q., Li, X., Xiao, X., Sun, F., Wang, C., et al. (2012). Коэкспрессия высокомолекулярной субъединицы глютенина 1Ax1 и пуроиндолина улучшает свойства замешивания теста в твердых сортах пшеницы ( Triticum turgidum L. ssp. durum ). PLoS ONE 7:e50057. doi: 10.1371/journal.pone.0050057

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Лю, Д., Ван, Ю., Го, К., Конг, К., Гонг, X., и Чжан, Х. (2016). Повышенное накопление железа и цинка в генетически модифицированных растениях пшеницы с использованием серповидной люцерны ( Medicago falcata L.) ген ферритина. Зерновые рез. коммун. 44, 1–11. дои: 10.1556/0806.43.2015.039

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Лю Дж., Ши X., Цянь М., Чжэн Л., Лиан С., Ся Ю. и др. (2015). Медь-индуцированная активация перекисью водорода гена металлотионеина, OsMT2c , из Oryza sativa L. придает толерантность к меди у Arabidopsis thaliana . Дж. Азар. Матер. 294, 99–108. doi: 10.1016/j.jhazmat.2015.03.060

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Лукка, П., Харрелл Р. и Потрикус И. (2001). Подходы генной инженерии для улучшения биодоступности и уровня железа в зернах риса. Теор. заявл. Жене. 102, 392–397. дои: 10.1007/s001220051659

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Лукка, П., Полетти, С., и Зауттер, К. (2006). Генно-инженерные подходы к обогащению риса железом и витамином А. Физиол. Растение. 126, 291–303. doi: 10.1111/j.1399-3054.2006.00609.x

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Лайонс, Г.H., Stangoulis, JCR, and Graham, RD (2005). Устойчивость пшеницы ( Triticum aestivum L.) к высоким уровням селена в почве и растворе. Почва для растений 270, 179–188. doi: 10.1007/s11104-004-1390-1

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ма, Ф., Ли, М., Ли, Т., Лю, В., Лю, Ю., Ли, Ю. и др. (2013). Сверхэкспрессия авениноподобных b-белков в мягкой пшенице ( Triticum aestivum L.) улучшает свойства замеса теста за счет их включения в полимеры глютенина. PLoS ONE 8:e66758. doi: 10.1371/journal.pone.0066758

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Мартинес-Баллеста, Мдель К., Бастиас, Э., Чжу, К., Шеффнер, А.Р., Гонсалес-Моро, Б., Гонсалес-Муруа, К., и др. (2008). Влияние борной кислоты и засоления на корни кукурузы. Ответ аквапоринов ZmPIP1 и ZmPIP2 и плазматической мембраны H + -ATPase в отношении поглощения воды и питательных веществ. Физиол. Растение. 132, 479–490. дои: 10.1111/j.1399-3054.2007.01045.x

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Масуда Х., Усуда К., Кобаяши Т., Ишимару Ю., Какей Ю., Такахаши М. и др. (2009). Сверхэкспрессия гена никотианаминсинтазы ячменя HvNAS1 увеличивает концентрацию железа и цинка в зернах риса. Рис 2, 155–166. doi: 10.1007/s12284-009-9031-1

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

McCann, M.C., Trujillo, W.A., Riordan, S.G., Sorbet, R., Богданова, Н. Н., и Сидху, Р. С. (2007). Сравнение корма и состава зерна защищенной от насекомых и устойчивой к глифосату кукурузы MON 88017 с обычной кукурузой ( Zea mays L.). J. Agr. Пищевая хим. 55, 4034–4042. дои: 10.1021/jf063499a

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Мива, К., и Фудзивара, Т. (2010). «Роль бора в росте растений и его транспортных механизмах», в Cell Biology of Metals and Nutrients , eds R.Ад и Р.-Р. Мендель (Берлин; Гейдельберг: Springer), 1–15.

Академия Google

Мива, К., и Фудзивара, Т. (2011). Роль сверхэкспрессированного BOR4, экспортера бора, в устойчивости к высокому уровню бора в побегах. Почвоведение. Растительная нутр. 57, 558–565. дои: 10.1080/00380768.2011.5

.2017.1281350

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Qu, L.Q., Yoshihara, T., Ooyama, A., Goto, F., and Takaiwa, F. (2005). Накопление железа не соответствует высокому уровню экспрессии ферритина в семенах трансгенного риса. Планта 222, 225–233. doi: 10.1007/s00425-005-1530-8

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Рамеш, С. А., Чоймс, С., и Шахтман, Д.П. (2004). Сверхэкспрессия переносчика цинка Arabidopsis в Hordeum Vulgare увеличивает кратковременное поглощение цинка после лишения цинка и содержание цинка в семенах. Завод Мол. биол. 54, 373–385. doi: 10.1023/B:PLAN.0000036370.70912.34

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Рид, Р. (2007). Идентификация генов переносчиков бора, вероятно, ответственных за толерантность к токсичности бора у пшеницы и ячменя. Физиол клеток растений. 48, 1673–1678. doi: 10.1093/pcp/pcm159

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Рид, Р. (2010). Можем ли мы действительно повысить урожайность, сделав культурные растения устойчивыми к токсичности бора? Растениевод. 178, 9–11. doi: 10.1016/j.plantsci.2009.10.006

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Рикаченевский, Ф.К., Менгер, П.К., и Сперотто, Р.А. (2013). KNACing на пороге рая: насколько важны транскрипционные факторы NAC для старения листьев и ремобилизации Fe/Zn в семенах? Фронт.Растениевод. 4:226. doi: 10.3389/fpls.2013.00226

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ридли, В.П., Сидху, Р.С., Пила, П.Д., Немет, М.А., Бриз, М.Л., и Аствуд, Дж.Д. (2002). Сравнение питательного профиля устойчивой к глифосату кукурузы NK603 с профилем обычной кукурузы ( Zea mays L.). Дж. Агрик. Пищевая хим. 50, 7235–7243. дои: 10.1021/jf0205662

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Руи, Ю., Ван В., Ли П. и Чжан Ф. (2009). Распределение минеральных элементов в органах трансгенных ( Bt + CpTI ) проростков хлопчатника с двойным токсином. Биосистема растений. 143, 137–139. дои: 10.1080/11263500802709731

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Сансенон, В., Пуч, С., Матеу-Андрес, И., Дорси, Э., Тиле, Д. Дж., и Пеньяррубиа, Л. (2004). Транспортер меди COPT1 арабидопсиса участвует в удлинении корней и развитии пыльцы. J. Biol.хим. 279, 15348–15355. дои: 10.1074/jbc.M313321200

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Сансенон, В., Пуч, С., Мира, Х., Тиле, Д. Дж., и Пеньяррубиа, Л. (2003). Идентификация семейства переносчиков меди у Arabidopsis thaliana . Завод Мол.Биол. 51, 577–587. дои: 10.1023/A:1022345507112

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Шиавон М., Пилон М., Малаголи М. и Пилон-Смитс Э.А. Х. (2015). Изучение важности переносчиков сульфата и АТФ-сульфурилаз для гипераккумуляции селена — сравнение Stanleya pinnata и Brassica juncea ( Brassicaceae ). Фронт. Растениевод. 6:2. doi: 10.3389/fpls.2015.00002

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Seigneurin-Berny, D., Gravot, A., Auroy, P., Mazard, C., Kraut, A., Finazzi, G., et al. (2006). HMA1, новая Cu-АТФаза оболочки хлоропластов, необходима для роста в условиях неблагоприятного освещения. J. Biol. хим. 281, 2882–2892. дои: 10.1074/jbc.M508333200

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Shinmachi, F., Buchner, P., Stroud, J.L., Parmar, S., Zhao, F.-J., McGrath, S.P., et al. (2010). Влияние дефицита серы на экспрессию специфических переносчиков сульфатов и распределение серы, селена и молибдена в пшенице. Завод физиол. 153, 327–336. doi: 10.1104/стр.110.153759

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Сорс, Т.Г., Эллис, Д.Р., На, Г.Н., Ланер, Б., Ли, С., Леустек, Т., и соавт. (2005). Анализ усвоения серы и селена у растений Astragalus с различной способностью к накоплению селена. Завод J. 42, 785–797. doi: 10.1111/j.1365-313X.2005.02413.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Suter, M., von Ballmoos, P., Kopriva, S., den Camp, R. O., Schaller, J., Kuhlemeier, C., et al. (2000). Аденозин-5′-фосфосульфат-сульфотрансфераза и аденозин-5′-фосфосульфатредуктаза являются идентичными ферментами. J. Biol. хим. 275, 930–936. doi: 10.1074/jbc.275.2.930

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Такахаши М., Терада Ю., Накаи И., Наканиши Х., Йошимура Э., Мори С. и др. (2003). Роль никотианамина во внутриклеточной доставке металлов и репродуктивном развитии растений. Растительная клетка 15, 1263–1280.

Реферат PubMed | Академия Google

Такано Дж., Ногучи К., Ясумори М., Кобаяши М., Gajdos, Z., Miwa, K., et al. (2002). Транспортер бора Arabidopsis для загрузки ксилемы. Природа 420, 337–340. doi: 10.1038/nature01139

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Такано, Дж., Вада, М., Людевиг, У., Шааф, Г., фон Вирен, Н., и Фудзивара, Т. (2006). Основной внутренний белок арабидопсиса NIP5;1 необходим для эффективного поглощения бора и развития растений в условиях ограничения содержания бора. Растительная клетка 18, 1498–1509. doi: 10.1105/tpc.106.041640

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Такано Дж., Ямагами М., Ногучи К., Хаяши Х. и Фудзивара Т. (2001). Преимущественная транслокация бора на молодые листья у Arabidopsis thaliana Регулируется геном BOR1. Почвоведение. Растительная нутр. 47, 345–357. дои: 10.1080/00380768.2001.10408398

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Тан С., Хань Р., Ли П., Ян Г., Ли С., Чжан П. и др.(2015). Сверхэкспрессия гена MxIRT1 увеличивает содержание железа и цинка в семенах риса. Пер. Рез. 24, 109–122. doi: 10.1007/s11248-014-9822-z

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Tan, Y., Tong, Z., Yang, Q., Sun, Y., Jin, X., Peng, C., et al. (2017). Протеомный анализ фитазных трансгенных и нетрансгенных семян кукурузы. Науч. Респ. 7:9246. doi: 10.1038/s41598-017-09557-8

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Танака, М., Уоллес И.С., Такано Дж., Робертс Д.М. и Фудзивара Т. (2008). NIP6;1 представляет собой канал борной кислоты для предпочтительного транспорта бора к растущим тканям побегов у арабидопсиса. Растительная клетка 20, 2860–2875. doi: 10.1105/tpc.108.058628

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Thomas, J.C., Davies, E.C., Malick, F.K., Endreszl, C., Williams, C.R., Abbas, M., et al. (2003). Металлотионеин дрожжей в трансгенном табаке способствует поглощению меди из загрязненных почв. Биотехнолог. прогр. 19, 273–280. дои: 10.1021/bp025623q

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Тянь М., Хуэй М., Таннхаузер Т. В., Пан С. и Ли Л. (2017). Сера в брокколи противодействует индуцированной селеном токсичности ( Brassica oleracea L. var. italica). Фронт. Растениевод. 8:1425. doi: 10.3389/fpls.2017.01425

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Торияма, К., Youichi, A., and Hirofumi, UHK (1988). Трансгенные растения риса после прямого переноса генов в протопласты. Нац. Биотехнолог. 6, 1072–1074. doi: 10.1038/nbt0988-1072

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Цакраклидес, Г., Мартин, М., Чалам, Р., Тарчински, М.С., Шмидт, А., и Леустек, Т. (2002). Снижение содержания сульфатов увеличивается в трансгенных Arabidopsis thaliana , экспрессирующих 5′-аденилсульфатредуктазу из Pseudomonas aeruginosa . Завод J. 32, 879–889. doi: 10.1046/j.1365-313X.2002.01477.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Урагучи С., Камия Т., Сакамото Т., Касаи К., Сато Ю., Нагамура Ю. и др. (2011). Транспортер катионов с низким сродством (OsLCT1) регулирует транспорт кадмия в рисовые зерна. Проц. Натл. акад. науч. США 108, 20959–20964. doi: 10.1073/pnas.1116531109

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Урагучи, С., Като Ю., Ханаока Х., Мива К. и Фудзивара Т. (2014). Создание томатов, устойчивых к дефициту бора, путем сверхэкспрессии переносчика бората Arabidopsis thaliana AtBOR1. Фронт. Растениевод. 5:125. doi: 10.3389/fpls.2014.00125

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Урагучи С., Мори С., Курамата М., Кавасаки А., Арао Т. и Исикава С. (2009). Транслокация Cd от корней к побегам через ксилему является основным процессом, определяющим накопление кадмия в побегах и зерне риса. Дж. Экспл. Бот. 60, 2677–2688. дои: 10.1093/jxb/erp119

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Васконселос М., Датта К., Олива Н., Халекуззаман М., Торризо Л., Кришнан С. и др. (2003). Повышенное накопление железа и цинка в трансгенном рисе с геном ферритина. Растениевод. 164, 371–378. doi: 10.1016/S0168-9452(02)00421-1

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Василь В., Кастильо А. М., Фромм М.Э. и Василь И.К. (1992). Устойчивые к гербицидам фертильные трансгенные растения пшеницы, полученные путем бомбардировки микроснарядами регенерируемого эмбриогенного каллюса. Нац. Биотехнолог. 10, 667–674. doi: 10.1038/nbt0692-667

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Вигани Г., Тарантино Д. и Мургия И. (2013). Митохондриальный ферритин представляет собой функциональный запасной железосодержащий белок в корнях огурца ( Cucumis sativus ). Фронт. Растениевод. 4:316. doi: 10.3389/fpls.2013.00316

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Вакута С., Фудзикава Т., Найто С. и Такано Дж. (2016). Толерантность к условиям избытка бора, приобретенная путем стабилизации варианта BOR1 со слабой полярностью у арабидопсиса. Фронт. Сотовый Дев. биол. 4:4. doi: 10.3389/fcell.2016.00004

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Wang, J., Meng, Y., Li, B., Ma, X., Lai, Y., Si, E., et al. (2015). Физиологический и протеомный анализ реакции на солевой стресс у галофитов Halogeton glomeratus . Окружающая среда растительных клеток. 38, 655–669. doi: 10.1111/pce.12428

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ван, Л., Ван, X., Джин, X., Цзя, Р., Хуанг, К., Тан, Ю., и другие. (2015). Сравнительная протеомика Bt-трансгенных и нетрансгенных листьев хлопчатника. Науки о протеоме. 2, 13–15. doi: 10.1186/s12953-015-0071-8

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ван, М., Груиссем, В., и Бхуллар, Н. К. (2013). Сверхэкспрессия никотианаминсинтазы положительно модулирует гены, связанные с гомеостазом железа, в рисе с высоким содержанием железа. Фронт. Растениевод. 4:156. doi: 10.3389/fpls.2013.00156

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Wang, Y., Li, Y., Zhang, L., Gao, X., Miao, Y., Wang, C., et al. (2010). Экспрессия трансгена 1Ax1 в элитном сорте китайской пшеницы и его влияние на функциональные свойства. J. Sci. Фуд Агрик. 90, 106–111. doi: 10.1002/jsfa.3790

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ван, Ю., Xu, W., Zhao, W., Hao, J., Luo, Y., Tang, X., et al. (2012). Сравнительный анализ протеомного и питательного состава семян трансгенного риса с генами Cry1ab/ac и их нетрансгенных аналогов. J. Зерновые науки. 55, 226–233. doi: 10.1016/j.jcs.2011.12.004

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Уайт, П.Дж., и Бродли, М.Р. (2009). Биообогащение сельскохозяйственных культур семью минеральными элементами, часто отсутствующими в рационе человека, — железом, цинком, медью, кальцием, магнием, селеном и йодом. Новый фитол. 182, 49–84. doi: 10.1111/j.1469-8137.2008.02738.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Wu, Z., Bañuelos, G.S., Lin, Z.-Q., Liu, Y., Yuan, L., Yin, X., et al. (2015). Биофортификация и фиторемедиация селена в Китае. Фронт. Растениевод. 6:136. doi: 10.3389/fpls.2015.00136

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ян Ю., Дай Л., Ся Х., Чжу К., Лю Х. и Чен К.(2013). Сравнительный протеомный анализ устойчивых и чувствительных к вирусу полосатости риса (RSV) сортов риса. австр. J.Crop Sci. 7, 588–593.

Академия Google

Яо В., Ван С., Чжоу Б. и Цзян Т. (2016). Ген ферритина Tamarix придает трансгенному табаку низкую толерантность к железу. Регулятор роста растений. 80, 149–158. doi: 10.1007/s10725-016-0151-5

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ясин М., Эль-Мехдави А. Ф., Анвар А., Пилон-Смитс, Э.А.Х., и Фейсал, М. (2015). Микробное обогащение селеном и железом пшеницы ( Triticum aestivum L.) – применение в фиторемедиации и биофортификации. Междунар. Ж. Фиторемедиат. 17, 341–347. дои: 10.1080/15226514.2014.

0

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Чжан, Ю., Сюй, Ю.Х., И, Х.Ю., и Гонг, Дж.М. (2012). Транспортеры вакуолярных мембран OsVIT1 и OsVIT2 модулируют транслокацию железа между флаговыми листьями и семенами риса. Завод J. 72, 400–410. doi: 10.1111/j.1365-313X.2012.05088.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Понимание влияния питательных веществ растений на процессы, связанные с клеточной стенкой

Лигноцеллюлозная биомасса является важным возобновляемым сырьем и источником (макро)молекул для различных промышленных применений. Основная часть растительной биомассы состоит из клеточных стенок, природного биокомпозита, биосинтез которого требует регулирования и координации нескольких метаболических стадий.

А …

Лигноцеллюлозная биомасса является важным возобновляемым сырьем и источником (макро)молекул для различных промышленных применений. Основная часть растительной биомассы состоит из клеточных стенок, природного биокомпозита, биосинтез которого требует регулирования и координации нескольких метаболических стадий.

Многочисленные литературные данные показали, насколько тесной является взаимосвязь между питательными веществами растений и биосинтезом клеточной стенки.Это касается как макро-, так и микроэлементов. Например, первичная ассимиляция N (посредством ассимиляции Nh5+ или NO3-) может воздействовать на эндогенный баланс C/N, тем самым влияя на производство растительной биомассы; P является важным питательным веществом, поскольку он входит в состав, например, нуклеиновые кислоты/мембраны и их дефицит могут влиять на метаболизм, связанный с клеточной стенкой растений. Микронутриент B оказывает влияние на физиологию и механические свойства клеточных стенок растений: он действительно образует мостики в пектиновой сети, тем самым влияя на общие механические свойства клеточных стенок растений.Точно так же известно, что заменимый элемент Si влияет на процессы, связанные с клеточной стенкой, как у двудольных, так и у однодольных растений. Наконец, Cu является кофактором лакказ, которые представляют собой ферменты, участвующие в отложении лигнина, в частности, в полимеризации монолигнолов.

Помимо воздействия макро- и микроэлементов, клеточная стенка растений также является предпочтительным местом накопления металлов, присутствующих в токсичных концентрациях. Несколько исследований действительно продемонстрировали, что клеточная стенка играет активную роль при стрессе металлов: полисахаридные компоненты действительно специфически модифицированы для связывания токсичных металлов и, таким образом, действуют как «микрогубки».
Совсем недавно применение технологии наночастиц для питания растений привело к значительному повышению продуктивности растений, хотя также были описаны отрицательные побочные эффекты на биомассу и метаболические процессы.

В этой теме исследования мы стремимся собрать современные знания о роли питательных веществ растений (наноразмерных и неразмерных) в процессах, связанных с клеточной стенкой, уделяя особое внимание макро- и микроэлементам (металлическим, неметаллическим и металлоидным). Также приветствуется вклад, анализирующий влияние токсичных концентраций металлов на стенки клеток растений.

Важное примечание : Все вклады в эту тему исследования должны быть в рамках раздела и журнала, в который они представлены, как это определено в их заявлениях о миссии. Frontiers оставляет за собой право направить рукопись, выходящую за рамки рассмотрения, в более подходящий раздел или журнал на любом этапе рецензирования.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

73
Na

Microutrient Доказательства индукции Геномной нестабильности Концентрация в общей клеточной культуре СМИ по сравнению с физиологической концентрацией Оптимальная концентрация, предложенная для клеточной культуры
Дефицит Избыток

Витамин A + + изучал
Витамин B7 + + Высший Требуется больше обучения
Витамин B9 + + Высший Изученные
+ Na
Витамин C + + Неизвестно Учебно
Витамин Е + + Узнать
+ +
Irone + + ниже изучали
Magnesium NA + Похожих Учились
Селен + Нижних Училось
цинка + + Нижних Учился

NA: Недоступно.
(-) Отрицательно: имеющиеся данные указывают на отсутствие эффекта.
(+) Положительный: имеющиеся данные указывают на эффект.

Несмотря на то, что существуют некоторые высокообогащенные среды, доступные в качестве базовых сред для бессывороточных культур клеток, такие как среда 199 или питательная смесь Ham F-12, наиболее распространенным источником питательных микроэлементов, используемых в настоящее время в клеточных культурах, по-прежнему является FBS. Ограничения FBS в обеспечении адекватных концентраций питательных микроэлементов были проанализированы и описаны в литературе [34].Учитывая, что модели клеточных и тканевых культур, как правило, важны в научных исследованиях, разработка стандартов методов in vitro является обязательной. Эти новые стандарты снизят зависимость от сыворотки животных, добавки с неопределенным переменным составом, которая может значительно повлиять на результаты экспериментов [209]. Кроме того, согласно van der Valk et al. [209], улучшение обмена информацией о недавно разработанных бессывороточных средах может оказаться полезным. Также стало ясно, что почти каждый тип клеток имеет свои потребности в добавках к средам, и особенно, как обсуждается в этом обзоре, в добавках питательных микроэлементов.Универсальная среда для культивирования клеток и тканей может оказаться неосуществимой, поскольку разные типы клеток имеют разные рецепторы, участвующие в выживании, росте и дифференцировке клеток, и высвобождают разные факторы в окружающую среду.

Кроме того, важно подчеркнуть, что, хотя составы классических сред для культивирования клеток остаются неизменными в течение длительного времени, с момента их разработки качество и чистота отдельных компонентов, используемых в качестве добавок, вероятно, значительно повысились.Тем не менее, могли произойти некоторые потери важных веществ, в том числе микроэлементов, витаминов, факторов роста и липидов, и это следует решить до определения бессывороточной среды. Фактически, порог для разработки и использования новой четко определенной среды, учитывая, что существующие питательные среды с добавками FBS хорошо работают, высок [209]. По крайней мере, в лабораториях, занимающихся исследованиями in vitro , следует серьезно рассмотреть вопрос об оценке состава FBS с точки зрения питательных микроэлементов и, возможно, других факторов.Знание состава питательных микроэлементов FBS может помочь свести к минимуму систематическую ошибку в экспериментальных результатах. Однако поддержание как успешных, так и последовательных клеточных культур может быть затруднено, поскольку FBS является сложным натуральным продуктом и может различаться между партиями, даже если они получены от одного производителя. В частности, качество и концентрация как основных, так и специфических белков в клеточных культурах могут влиять на рост клеток [210]. Приведение уровней питательных микроэлементов in vitro к физиологическим значениям гарантирует лучшую среду для развития клеток, имитируя среду in vivo .

Требуются дальнейшие исследования влияния микронутриентов на жизнеспособность, пролиферацию и стабильность клеток, а также на экспрессию и целостность генов, но уже доступная информация является достаточным призывом к действию. Как отметили Ferguson и Fenech [141], большинство исследований ограничивались изучением эффектов отдельных микронутриентов и не учитывали генетические последствия. Таким образом, существует острая потребность в исследованиях, которые также изучают взаимодействие питательных веществ и питательных веществ и генов.Определение физиологического диапазона таких важных микронутриентов, как железо, а затем корректировка концентраций, обнаруженных в настоящее время в средах для культивирования клеток, может быть полезным для анализов in vitro . Более конкретно, жизнеспособность и геномная стабильность клеточных линий и первичных культур могут быть улучшены. В зависимости от типа клеток (первичные, иммортализованные, опухолевые или нормальные) и происхождения (легкие, печень, нейроны или другое) потребность в микронутриентах может широко варьироваться, поэтому этот вопрос следует тщательно оценить.Наконец, форма микроэлемента, используемого в питательных средах, также может влиять на результаты экспериментов. Например, согласно Jacobs et al. [211], токсическое действие железа напрямую связано с наличием хелатирующего агента, который снижает концентрацию свободного иона трехвалентного железа и способствует образованию ферритина.

Как только будет установлена ​​взаимосвязь между in vivo дисбалансом микроэлементов и стабильностью генома, которая может вызывать многие заболевания, включая рак, станет обязательным лучше понять in vitro добавки микроэлементов.На самом деле, некоторые простые вопросы, такие как «достаточна ли концентрация этого микроэлемента для развития этой клетки?» или « сходны ли уровни этого микронутриента с уровнями, наблюдаемыми в сыворотке крови человека?», могут способствовать правильному дизайну исследований in vitro .

Благодарность

Авторы благодарят PRONEX/FAPERGS/CNPq за финансирование (проект № 10/0044-3).

Границы | Поиск функции микроэлементов и оценка биобезопасности трансгенных злаковых растений

Введение

Рис, кукуруза и пшеница являются тремя основными продуктами питания, обеспечивающими 60 процентов потребляемой в мире пищевой энергии.По оценкам Министерства сельского хозяйства США (USDA), мировое производство в 2017/2018 году составит 481,04 миллиона метрических тонн риса, 1031,86 миллиона метрических тонн кукурузы и 753,09 миллиона метрических тонн пшеницы. Продовольственная и сельскохозяйственная программа Организации Объединенных Наций заявила, что глобальное производство продуктов питания, кормов и волокна, возможно, придется увеличить примерно вдвое из-за роста населения мира, а это серьезно бросает вызов традиционному сельскому хозяйству. Современное сельское хозяйство получит огромную пользу от применения технологии генной инженерии для повышения качества продовольственных культур, повышения урожайности, а также повышения устойчивости.

Трансгенные зерновые культуры, известные как генетически модифицированные (ГМ) культуры, привлекли внимание во всем мире с момента их появления. Путем внедрения биоинженерных технологий в вопросы селекции сельскохозяйственных культур были получены ГМ-культуры с улучшенным качеством, повышенной устойчивостью к биотическим или абиотическим стрессам, повышенной урожайностью или сниженным содержанием вредных компонентов (Торияма и др., 1988; Гордон-Камм и др., 1990; Василь и др., 1992). По сравнению с традиционным подходом к селекции метод молекулярной селекции показал большую эффективность в непосредственном улучшении качества урожая.Однако трансформация и экспрессия экзогенных генов могут вызвать непредвиденные модификации генома, и коммерчески выращиваемые и продвигаемые ГМ-культуры должны подвергаться оценке безопасности. Таким образом, надежные оценки безопасности жизненно важны для коммерциализации и признания общественностью ГМ зерновых культур, а также продуктов из них (Tabashnik et al., 2013; Jin et al., 2015; Pulla, 2016). В 2016 году Национальные академии наук, инженерии и медицины США сообщили о генетически модифицированных культурах, включая опыт и перспективы, и результаты показали, что трансгенные злаки безопасны (Gloud et al., 2016). В том же году Королевское общество Великобритании также сделало заявление о том, что доступные в настоящее время продукты с ГМО безопасны для употребления в пищу, как и продукты без ГМО, и более 100 ведущих мировых ученых заняли твердую позицию в полемике по поводу генетически модифицированных организмов. ГМО), опубликовав открытое письмо международной организации Гринпис, а также тем, кто выступает против маркетинга ГМ-культур. К настоящему времени несколько авторитетных международных организаций, в том числе Организация экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) и Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ), установили стандарты оценки безопасности, включая ГМ-культуры и продукты (Kitta, 2013).Принцип существенного эквивалента, впервые описанный ОЭСР и оптимизированный ФАО/ВОЗ, является основополагающим принципом оценки безопасности ГМ-продуктов. Он был разработан для сравнительного анализа питательных веществ, антипитательных веществ и других компонентов в генетически модифицированных культурах и их нетрансгенных аналогах (OECD, 2000).

Среди питательных веществ для растений микроэлементы играют важную роль в здоровье человека и животных (Bhullar and Gruissem, 2013). Тем не менее, дефицит микроэлементов по-прежнему распространен во всем мире.Были предложены три основные стратегии борьбы с недостаточностью питательных микроэлементов: обогащение продуктов питания, традиционная селекция и генная инженерия (Lucca et al., 2006). Среди них трансгенный подход является наиболее эффективным для производства культур, обогащенных микроэлементами. Вопрос о том, влияют ли методы генетической модификации на минеральный состав ГМ-культур, является неотъемлемой частью оценки биобезопасности. В зависимости от того, являются ли трансформированные гены непосредственно релевантными микроэлементам или нет, воздействие на микроэлементы ГМ-культур можно разделить на два вида.Таким образом, будет обсуждаться взаимосвязь между конкретными микроэлементами, родственными экзогенными генами и конечным использованием сельскохозяйственных культур, а также связь между трансгенной технологией, основными микроэлементами и биологической безопасностью.

Микроэлементы и их генетическая регуляция с помощью трансгенного подхода

Селен

Интерес к селену (Se) растет после того, как в знаковых исследованиях было показано, что он снижает риск развития рака (Clark et al., 1997). Следовые количества Se необходимы для клеточных функций многих организмов, в то время как при более высоких концентрациях он токсичен.Растения демонстрируют различия в характеристиках поглощения, транслокации, ассимиляции и метаболизма Se, а также в их устойчивости к чрезмерным концентрациям Se (White and Broadley, 2005; Gupta and Gupta, 2016). Аккумуляторами селена являются те растения, которые способны гипераккумулировать селен в своих побегах при произрастании на селенсодержащих почвах, многие из которых относятся к роду Astragalus . Аккумуляторы селена способны накапливать селен от сотен до нескольких тысяч мг кг -1 сухой массы.Однако большинство сельскохозяйственных растений являются неаккумуляторами Se, которые накапливают не более 100 мг Se кг 90 346 -1 90 347 сухой массы при выращивании на селенсодержащих почвах и не переносят более высокие концентрации Se в тканях (Brown and Shrift, 1982; White, 2016). Поглощающая способность сельскохозяйственных культур Se в значительной степени зависит от вида растений; на первом месте обычно стоят крестоцветные, затем райграс, бобовые и злаки (Bisbjerg, Gissel-Nielsen, 1969). Что касается пшеницы, оказалось, что она более устойчива к селену, чем табак, соя или рис.Было показано, что ранний рост корней пшеницы подавлялся, когда концентрация Se в растворе превышала 10 мг л -1 . Интересно, что разные формы Se ведут себя по-разному. В то время как концентрация 70 мг L -1 Se подавляла прорастание селенита, концентрация 150 мг L -1 Se не подавляла прорастание семян селената. Эти результаты продемонстрировали потенциал биообогащения пшеницы в Австралии, поскольку в пшенице не будет наблюдаться фитотоксичность селена (Lyons et al., 2005; Ли Х.Ф. и др., 2008; Ву и др., 2015).

Se имеет схожие метаболические пути в растениях с серой (S) из-за их химического и физического сходства (Shinmachi et al., 2010; Tian et al., 2017). В пути метаболизма селена участвуют два ключевых фермента: АТФ-сульфурилаза (АТФС) и селеноцистеинметилтрансфераза (СМТ). ATPS соответственно катализирует АТФ либо сульфатом, либо селенатом с образованием аденозин-5′-фосфосульфата или аденозин-5′-фосфоселената (Sors et al., 2005; Schiavon et al., 2015). SMT участвует в синтезе Se-метилселеноцистеина путем метилирования селеноцистеина (SeCys; Neuhierl and Böck, 1996). Одновременная сверхэкспрессия генов ATPS и SMT из гипераккумулятора Se Astragalus bisulcatus в индийской горчице приводила к увеличению накопления Se в трансгенных линиях в 4–9 раз (LeDuc et al., 2004, 2006). Есть много других ферментов, участвующих в метаболических путях Se и S, в дополнение к APS и SMT. APS редуктаза является одним из них. Он участвует в метаболизме селеноаминокислот и серы, воздействуя на восстановление АПС до сульфита в растениях (Suter et al., 2000). Гетерологичная экспрессия гена APS-редуктазы ( PaAPR ) у Arabidopsis thaliana приводила к усиленному восстановлению сульфитов, что может косвенно влиять на метаболизм Se (Tsakrklides et al., 2002). Кроме того, снижение содержания селената было резко увеличено в трансгенных A. thaliana за счет сверхэкспрессии как ATPS, так и APR; так, общая концентрация Se в побегах трансгенных линий была меньше, чем у дикого типа (Sors et al., 2005). Однако связь между APS-редуктазой и снижением APSe остается неясной, и необходимо провести дополнительные исследования.Хотя эти ферменты проявляют различные способности к накоплению селена растениями, которые могут быть применены для биофортификации селеном, они также играют роль в фиторемедиации. Сверхэкспрессия SMT из A. bisulcatus в A. thaliana повышала толерантность к селениту и накопление селена в листве, и это указывает на то, что можно позволить неаккумулятору Se накапливать Se-метилселеноцистеин и γ-глутамилметилселеноцистеин посредством генетического инженерные методы (Эллис и др., 2004). Таким образом, трансгенные методы обеспечивают возможный подход к созданию Se-толерантных растений, которые можно применять для фиторемедиации земель, загрязненных Se, а также полевые испытания трансгенной индийской горчицы с аденозинтрифосфатсульфурилазой (APS), β-глутамилцистеинсинтетазой. ECS) и сверхэкспрессированные гены глутатионсинтетазы (GS) показали лучшую устойчивость к загрязненным селеном отложениям (Bañuelos et al., 2005). Хотя передача определенных генов растениям оказывает очевидное влияние на накопление селена или толерантность растений, удобрение остается многообещающей стратегией биообогащения сельскохозяйственных культур селеном (White and Broadley, 2009; Wu et al., 2015).

Бор

Бор (B) необходим как растениям, так и животным. Дефицит B связан с остеопорозом человека (Nielsen, 1997). Что касается растений, небольшое количество B играет жизненно важную роль в клеточной стенке в качестве компонента комплекса B-димерного рамногалактуронана II (RG-II) во время нормального роста растений, и также обнаружено, что B токсичен в высоких концентрациях, как некоторые другие минералы (Miwa, Fujiwara, 2010; Fang et al., 2016). В то время как проблемы дефицита B можно легко решить с помощью удобрений, высокое содержание B в почве является серьезной проблемой.Поэтому необходимо выращивать новые сорта, устойчивые к высоким концентрациям B.

Поглощение

B осуществляется транспортными белками через корни растений. У арабидопсиса имеется два основных типа транспортеров, локализованных в плазматической мембране: BORs и NIPs (nodulin26-подобные внутренние белки). BOR1 эффективно транспортирует B в ксилему, и было обнаружено, что мутант A. thaliana bor1-1 более чувствителен к дефициту B (Takano et al., 2001, 2002; Uraguchi et al., 2014). Кроме того, трансгенные линии, сверхэкспрессирующие AtBOR1 , демонстрировали большее накопление B в побегах, чем нетрансформанты (Wakuta et al., 2016). В отличие от BOR1, BOR2 транспортирует B из симпластов в апопласты, что необходимо для эффективного сшивания RG-II в клеточной стенке, а также для удлинения клеток корня в B-лимитированных условиях (Miwa et al., 2013). BOR4, гомолог BOR1, был обнаружен в зависимости от концентрации B в побегах (Miwa et al., 2007; Miwa, Fujiwara, 2011).NIP5:1, который активируется при ограничении B, в отличие от семейства BOR, участвующего в транспорте B, играет решающую роль в поглощении B растениями (Takano et al., 2006), в то время как NIP6:1 облегчает перенос борной кислоты в узловых областях. побегов, но не корней (Tanaka et al., 2008). Эти исследования, которые пытаются выяснить, каким образом растения могут переносить B, могут быть применены для повышения урожайности на почвах, загрязненных бором. На основе последовательностей гена AtBOR были идентифицированы четыре гена BOR-подобного гена риса , а активность GUS в качестве репортера в трансгенном рисе варьируется в зависимости от специфичности клеточного типа в ответ на содержание B в среде (Nakagawa et al. др., 2007). Аналогичным образом сообщалось о генах, экспрессирующих переносчики боратов в пшенице и ячмене (Reid, 2007). Кроме того, избыточная экспрессия HvBor1a , кодирующего переносчик ячменя, в табаке позволяет предположить, что ген HvBor1a может быть многообещающим геном для повышения толерантности сельскохозяйственных культур к B (Gümüşel et al., 2012). В дополнение к BOR и NIP члены подсемейства PIP также участвуют в транспорте B. PIP представляют собой внутренние белки плазматической мембраны. Было показано, что аквапорины кукурузы ZmPIP1 и ZmPIP2 участвуют в транспорте B (Martinez-Ballesta et al., 2008). Два гена PIP у риса, а именно OsPIP2;4 и OsPIP2;7 , были охарактеризованы как вовлеченные в проницаемость и толерантность к B, сверхэкспрессия которых у Arabidopsis приводила к более высокой толерантности к токсичности B (Kumar et al., 2014). Аналогичные результаты были получены для других представителей аквапоринов: Arabidopsis, гетерологически экспрессирующие OsPIP1;3 и OsPIP2;6 , показали повышенную толерантность к токсичности B посредством как притока, так и оттока B (Mosa et al., 2016), что делает полезным манипулирование PIP в сельскохозяйственных культурах для повышения устойчивости культур к B. Кроме того, было обнаружено, что трансгенный рис с усиленным синтезом сорбита способствует повторной мобилизации B во флоэме (Bellaloui et al., 2010). Тем не менее, по-прежнему вызывает серьезную озабоченность проблема повышения урожайности за счет создания устойчивости к токсичности B в сельскохозяйственных культурах с помощью трансгенного подхода (Reid, 2010).

Железо

Железо является важным микроэлементом для многих организмов, включая виды растений, особенно для человека.Железодефицитная анемия считается наиболее распространенным типом анемии и может влиять на работоспособность, нарушать терморегуляцию и вызывать иммунную дисфункцию у взрослых (Clark, 2008). Дефицит железа также может вызывать ингибирование роста растений (Bocchini et al., 2015). Железо, когда его избыток невелик, представлено преимущественно в форме водорастворимого железосодержащего белка, называемого ферритином (Zielinska-Dawidziak, 2015). Ферритин представляет собой запасной белок железа, широко распространенный у животных, растений и бактерий, который состоит из 24 белковых субъединиц и может хранить около 4000 атомов железа в виде полого глобулярного белкового комплекса (Vigani et al., 2013). Считается, что ферритин играет по крайней мере две основные роли в растениях: во-первых, как источник железа, необходимого ферментам металлов, участвующим в фотосинтезе и других дыхательных процессах, и, во-вторых, как защитный компонент, защищающий клетки от токсического действия перенасыщенного железом. Бриат и др., 2010). После переноса кДНК ферритина сои в табак с помощью Agrobacterium tumefaciens накопление железа в листьях трансформантов было на 30% выше, чем у листьев дикого типа, и эти результаты предоставили доказательства селекции культур с высоким содержанием железа путем переноса гена ферритина (Goto et al. ., 1998). Путем введения гена ферритина сои в рис были получены трансгенные линии с высоким содержанием железа. Содержание железа в самоопыленных семенах T 1 было почти втрое больше, чем в контрольной линии (Goto et al., 1999). Дальнейшее исследование показало, что трансгенная пшеница и рис, конститутивно экспрессирующие ген ферритина сои с помощью бомбардировки частицами, имеют повышенное содержание железа в вегетативных тканях, а не в семенах, что позволяет предположить, что для достижения сверхэкспрессии ферритина и накопления железа в трансгенных семенах используются специфичные для семян промоторы, такие как Gt -1 и Glu-B1 следует применять (Drakakaki et al., 2000). За счет сверхэкспрессии гена ферритина сои SoyferH-1 с сильным промотором, специфичным для эндосперма, способность запасания железа в семенах риса была улучшена; тем не менее, увеличение содержания Fe не соответствовало более высокому уровню экспрессии чужеродного гена ферритина (Qu et al., 2005). Интересно, что повышенная экспрессия эндогенного гена NtFer1 сильно коррелировала с экспрессией экзогенного гена TaFer1 в трансгенном табаке, что указывает на взаимодействие между различными субъединицами ферритина (Wang J.и др., 2015; Яо и др., 2016).

Фитиновая кислота является одним из основных ингибирующих факторов доступности железа; другими словами, абсорбция железа может быть крайне низкой из-за ингибиторов (Hurrell et al., 2003). Были созданы трансгенные пшеница и рис, конститутивно экспрессирующие гетерогенную фитазу (Brinch-Pedersen et al., 2000, 2003; Hong et al., 2004). Фитаза Aspergillus и ферритин сои были перенесены в кукурузу по отдельности или вместе в надежде увеличить содержание биодоступного железа в эндосперме.Результат показал, что гетерологичная экспрессия ферритина и фитазы в сельскохозяйственных культурах может способствовать увеличению биодоступности и усвоения железа, особенно в рационах на основе злаков, в которых более или менее отсутствуют некоторые микроэлементы (Drakakaki et al., 2005). Стоит отметить, что протеомный анализ семян кукурузы, трансгенных по фитазе, показал, что некоторые рибосомные белки и белки теплового шока могут проявлять адаптивные эффекты в ответ на вставку Aspergillus фитазы phyA2 (Tan et al., 2017). Было предложено три способа увеличить накопление железа в зернах риса. Первый заключается во вставке гена ферритина P. vulgaris в зерна риса для увеличения накопления железа и термоустойчивой фитазы A. fumigatus в эндосперме риса для улучшения его биодоступности. Во-вторых, эндогенный ген, кодирующий богатый цистеином металлотионеин-подобный белок, был сверхэкспрессирован для увеличения всасывания железа. Наконец, эти различные трансгенные линии были гибридизированы для внесения новых улучшений качества, существенно улучшающих содержание железа в ежедневном рационе риса (Lucca et al., 2001).

Цинк

Как важный микроэлемент для растений, человека и микроорганизмов, цинк (Zn) участвует в различных биохимических процессах. Дефицит цинка является одной из самых серьезных проблем, угрожающих четверти населения мира. Тем не менее, избыток Zn также может быть токсичным (Broadley et al., 2007). Семейство ZIP, как одно из семейств переносчиков Zn, может транспортировать не только Zn, но и различные катионы, включая Ca, Fe и Mg, и считается частью первичного поглощения Zn растениями (Guerinot, 2000). ).Было охарактеризовано несколько транспортеров этого семейства в рисе, таких как OsZIP4, OsZIP5 ​​и OsZIP8. Сверхэкспрессия гена OsZIP4 в рисе приводила к 10-кратному накоплению концентрации Zn по сравнению с контрольными векторами в корнях, тогда как в побегах она была в пять раз ниже, а в семенах в четыре раза, что указывает на то, что сверхэкспрессия OsZIP4 разрушает Zn. распространен в рисе (Ishimaru et al., 2007). Сверхэкспрессия гена OsZIP5 ​​ вызывала снижение концентрации Zn в побегах, но увеличение в корнях, что указывает на то, что транспортер OsZIP5 ​​может быть вовлечен в транслокацию от корней к побегам (Lee et al., 2010а). OsZIP8 также является переносчиком цинка плазматической мембраны, который участвует в поглощении и перемещении цинка. Сверхэкспрессия гена OsZIP8 приводила к снижению уровня цинка как в побегах, так и в зрелых семенах, но в корнях было обнаружено обратное (Lee et al., 2010b). Кроме того, трансгенный ячмень со сверхэкспрессией переносчика цинка Arabidopsis AtZIP1 показал увеличение содержания как цинка, так и железа в семенах (Ramesh et al., 2004). ZmZIP3 был введен в арабидопсис, что привело к увеличению концентрации Zn в корнях, но к снижению в побегах (Li et al., 2015). Установлено, что белок ферритин также принимает участие в накоплении Zn помимо Fe (Vasconcelos et al., 2003; Paul et al., 2012; Liu et al., 2016). Гетерологическая экспрессия гена ферритина сои в зернах трансгенного риса приводит к высоким уровням железа и цинка (Vasconcelos et al., 2003). Переносчики металлов могут иметь большое значение для увеличения содержания цинка и железа для дальнейшего улучшения содержания питательных микроэлементов в сельскохозяйственных культурах. Однако в то время как концентрации Fe и Zn увеличились в зернах пшеницы, гетерологично экспрессирующих серповидную люцерну ферритин , концентрации Cu и Cd в зерне значительно снизились (Liu et al., 2016). Кроме того, фитосидерофоры (МА) и никотианамин (НА), которые являются членами семейства мугиновых кислот, также играют важную роль в поглощении и распределении цинка и железа в растениях (Ricachenevsky et al., 2013; Wang et al., 2013). ). Концентрации Zn и железа были снижены за счет , экспрессирующих гены ячменя, участвующие в биосинтезе Mas (Takahashi et al., 2003), а трансгенный рис с геном NA-синтазы ячменя HvNAS1 показал повышенное содержание эндогенных NA и MA и впоследствии концентрации железа и цинка в зерне (Masuda et al., 2009).

Медь

Медь (Cu), еще один микроэлемент, необходимый растениям и человеку, тем не менее токсичен при повышенных концентрациях. Семейство переносчиков меди (CTR) представляет собой один тип высокоаффинного транспортного белка Cu, который содержит три предполагаемых трансмембранных сегмента (Burkhead et al., 2009). Белки COPT являются переносчиками семейства CTR, и пять членов (COPT1-5) были идентифицированы у A. thaliana . У растений уровни мРНК COPT1 и COPT2 были сильно снижены, в то время как уровни COPT3, COPT4 и COPT5, по-видимому, не изменились в ответ на обработку листьев медью (Sancenón et al., 2003). Антисмысловой COPT1 трансгенный Arabidopsis показал сниженную скорость транспорта 64 Cu в проростках по сравнению с контролем (Sancenón et al., 2004). Трансгенные волосовидные корни табака, экспрессирующие бактериальный ген copC , могут удалять медь из водных растворов путем ризофильтрации (Pérez-Palacios et al., 2017). Члены надсемейства тяжелых металлов P 1B -ATPase (HMA) выполняют функцию удаления Cu из цитоплазмы. AtHMA1, который принадлежит к семейству HMA, влияет на гомеостаз Cu в экспериментах по экспрессии дрожжей.Мутанты Arabidopsis hma1 демонстрировали пониженное содержание Cu в клеточных хлоропластах и ​​проявляли фенотип фоточувствительности при сильном освещении по сравнению с диким типом (Seigneurin-Berny et al., 2006). Рис с нокаутом OsHMA9 демонстрировал повышенное поглощение Cu, Zn, Pb и Cd, в то время как он был гораздо более чувствителен к избытку Cu, Zn и Pb (Lee et al., 2007). Кроме того, растения и другие организмы также могут удалять повышенное содержание меди внутри клетки с помощью типа связывающего металл белка, называемого металлошаперонами (МТ).Трансгенный табак с дрожжевым геном металлотионеина CUP1 показал повышенное поглощение меди из загрязненной почвы (Thomas et al., 2003). Металлотионеины также участвуют в очистке АФК; Arabidopsis со сверхэкспрессией OsMT2c проявляли повышенную толерантность к стрессу Cu из-за повышенного удаления АФК по сравнению с контролем (Liu et al., 2015).

Конкретные минералы и трансформация некоторых генов обсуждались выше, и они были обобщены и описаны в Таблице 1.

Таблица 1 . Краткое изложение полезных ископаемых и трансформации некоторых генов.

Трансгены и их влияние на минералы

Согласно отчету ISAAA за 2016 г., глобальные площади под ГМ-культурами увеличились в 100 раз с предыдущих 1,7 млн ​​га в 1996 г. до 185,1 млн га в 2016 г. последние годы (http://www.isaaa.org/inbrief/default.asp). Между тем, во всем мире проводится множество фундаментальных исследований.Что касается пшеницы, многие гены, участвующие в хорошей переработке и питательном качестве, были перенесены в пшеницу в больших масштабах, например, гены субъединицы высокомолекулярных глютенинов (HMW-GS) 1Ax1, авениноподобный ген b (Wang et al. al., 2010; Li et al., 2012; Ma et al., 2013; Ellis et al., 2014; Jin et al., 2015; Han et al., 2017). Однако остается неясным, вызовут ли трансформация и экспрессия генов непреднамеренные изменения состава при получении улучшенных конечных продуктов в этих сортах ГМ-пшеницы.Эти непреднамеренные изменения состава могут включать минеральные изменения и изменения вторичных метаболитов. Возьмем, к примеру, трансгенную пшеницу со сверхэкспрессией 1Ax1 (Wang et al., 2010), избыточное накопление HMW-GS, образованное межмолекулярной дисульфидной связью, может косвенно влиять на гомеостаз селена из-за сложных взаимодействий молекул в клетках трансгенной пшеницы. , что подразумевалось в Stanleya pinnata (El Mehdawi et al., 2018). Стоит отметить, что селекционные усилия по гибридизации также значительно увеличили содержание HMW-GS в пшенице, однако неизвестно, оказывает ли большее влияние одна переменная вставки одного гена или многовариантность обширных генов в хромосомах на содержание минералов или функции.Следовательно, продукты питания, изготовленные из трансгенных культур, должны пройти стандартную оценку безопасности, чтобы гарантировать отсутствие аллергенности или токсичности для людей или животных.

Было создано много устойчивых к болезням культур, в том числе OsCK1 ГМ-рис. Ген холинкиназы ( CK1 ), выделенный из Oryza sativa , и ген фосфинотрицинацетилтрансферазы ( PAT ) из ​​ Streptomyces hygroscopicus одновременно экспрессировались в OsCK1 9525 GM рисе ( OsCK1 9525 GM)., 2005). Сравнительный анализ ГМ-риса OsCK1 и его соответствующих контролей вместе с двумя коммерческими сортами риса был проведен в двух разных местах в Корее (Park et al., 2015; Oh et al., 2016). В этих результатах были обнаружены значительные различия между ГМ-рисом и его обычным аналогом по трем минералам (Mg, P и Na; Park et al., 2015). Однако они не выходили за рамки значений, сформулированных ОЭСР. Другое исследование, в котором анализировались уровни фитиновой кислоты, которая участвует в усвоении минералов, показало, что уровень фитиновой кислоты значительно отличается от не-ГМ риса.Однако эти значения для ГМ-риса все еще находились в пределах соответствующего диапазона допустимого интервала (TI) (Oh et al., 2015). Применение TI в статистическом анализе заключалось в оценке эффектов, вызванных вариантами окружающей среды. Следовательно, на содержание минералов повлияли факторы окружающей среды, а не генетическая модификация. Ввиду существенного эквивалентного анализа минеральные компоненты генетически модифицированного риса должны быть эквивалентны минеральным компонентам сортов риса, не являющихся генетически модифицированными (Oh et al., 2016). Аналогичный анализ был проведен для оценки безопасности засухоустойчивого генетически модифицированного риса, несущего ген CaMsrB2 (Cho et al., 2016). Содержание натрия в ГМ-рисе было в 1,24 раза выше, чем в не-ГМ-контроле. Тем не менее, статистический анализ показал, что разница, скорее, обусловлена ​​региональными условиями (Gayen et al., 2016). Более того, анализ трансгенного сорта риса со сверхэкспрессией гена устойчивости к болезням Xa21 показал, что содержание основных минералов в ГМ рисе было таким же, как и в обычном контроле риса (Gayen et al., 2016). Такие же результаты оценки были обнаружены и у другого трансгенного риса с экзогенными генами (Li et al., 2007; Ли Х. и др., 2008; Парк и др., 2012).

Поскольку концепция существенной эквивалентности является наиболее широко принятой и используемой для оценки биобезопасности ГМ-культур, композиционная безопасность была исследована путем сравнения трансгенных культур, таких как соя, перец, хлопок и кукуруза, с нетрансгенными аналогами (Ridley et al. , 2002; Park et al., 2006; McCann et al., 2007; Rui et al., 2009; Herman et al., 2010, 2011, 2013; Mohanta et al., 2011; Costa et al., 2015). В большинстве этих исследований делается аналогичный вывод об отсутствии статистических различий между ГМ-растениями и их контролем.Несмотря на то, что концентрации исключительных микроэлементов в ГМ-хлопке (Herman et al., 2013), рисе (Li X. et al., 2008; Oh et al., 2015) и кукурузе (Herman et al., 2010) заметно изменились. , они все еще находились в пределах соответствующих 99% TI. Тем не менее, подавляющее большинство этих исследований было сосредоточено только на составе минералов при проведении сравнительного анализа ГМ-культур, уделяя мало внимания изменениям распределения в трансгенных растениях, поскольку разные ткани или органы одного и того же вида растений различаются по поглощению и накоплению минералов. .Исследование распределения 12 минералов, включая тяжелые металлы, в ГМ-хлопке ( Bt + CpTI ) показало, что трансгенный хлопок накапливает меньше Cd и As, чем обычный хлопок, во всех органах, но меньше Pb в стебле (Rui и Qu , 2009).

Тем не менее, есть много других проблем, таких как поглощение и распределение минералов, действующие взаимно. Один переносчик ABC в S. pyogenes имеет сродство к трем металлическим минералам: Zn, Fe и Cu. Кроме того, было обнаружено, что Zn и Cu конкурентно связываются с одним и тем же сайтом (Janulczyk et al., 1999). В предыдущих исследованиях накопление Fe/Zn в эндосперме риса усиливалось сверхэкспрессией генов, участвующих в поглощении, перемещении и хранении Fe (Kobayashi and Nishizawa, 2012; Lee et al., 2012). Гетероэкспрессия гена ферритина сои привела к способности запасать железо в семенах риса, в то время как в семенах не было обнаружено явных различий в концентрациях других двухвалентных металлов при сравнении всех трансгенных линий и диких типов (Qu et al., 2005). Проблемы безопасности возникли при молекулярном обогащении Fe/Zn, поскольку кадмий может одновременно поглощаться через систему поглощения Fe (Nakanishi et al., 2006). MxIRT1 был введен в рис для уменьшения дефицита Fe, и это преобразование неожиданно вызвало поглощение Cd в ходе испытаний. Но стоит отметить, что MxIRT1 занимает наименьшую Cd по сравнению с AtIRT1 и OsIRT1 в трансгенных протопластах (Tan et al., 2015). Другое исследование зерна, обогащенного генетическим цинком, показало, что содержание Cd было немного выше в ГМ-культурах, чем в контрольных культурах, однако этот результат все еще находился ниже порога токсичности (Zhang et al., 2012). Поскольку путь поглощения Cd в растениях был идентифицирован ранее (Uraguchi et al., 2009, 2011), генетическая модификация может использоваться для предотвращения избыточного накопления Cd путем подавления экспрессии генов, участвующих в поглощении Cd (Ishikawa et al., 2012; Ishimaru). и др., 2012).

Кроме того, одновременно оценивались эффекты генетической модификации и условий роста. В то время как уровни от 20 до 22 белков изменились по-разному в семенах трансгенного риса по сравнению с дикими типами, было обнаружено, что уровни 21 белка были выше или ниже в зависимости от условий выращивания.Эти результаты свидетельствуют о том, что влияние вставки одного гена в геном на качество питательных веществ сельскохозяйственных культур было не больше, чем влияние среды выращивания (Wang et al., 2012). Другое исследование также показало, что бактериальная инокуляция повышает концентрацию селена и железа в пшенице (Yasin et al., 2015). Поскольку традиционное удобрение является простым и легким способом справиться с дефицитом микроэлементов в почве, было также оценено влияние основного удобрения на трансгенные злаки. Значительное снижение колонизации AMF (арбускулярный микоризный гриб) в корнях кукурузы Bt11 наблюдалось при ограниченном удобрении, в то время как не было обнаружено очевидной разницы между Bt11 и контролем с соответствующим удобрением (Cheeke et al., 2011). Подобные исследования редко проводились в отношении трансгенных культур, связанных с минералами, что может быть связано с редкими лицензированными и связанными с минералами ГМ-культурами.

Все упомянутые выше трансгенные культуры перечислены и описаны в таблице 2.

Таблица 2 . Трансгены и их влияние на минералы.

Обсуждение и перспективы на будущее

Трансгенная технология привела к появлению многих многообещающих ГМ-растений с улучшенным качеством и/или повышенной стрессоустойчивостью, а также позволила неаккумуляторам микроэлементов накапливать микроэлементы, а обычным растениям — гипераккумулировать их.Была проделана большая работа по сравнению ГМ-культур и их нетрансгенных аналогов (Yang et al., 2013; Wang L. et al., 2015). Эти сравнительные анализы в основном проводились методами протеомики, которые в основном используют двумерный электрофорез (2-DE) в сочетании с масс-спектрометрией (МС) для различения белков или содержания белка между ГМ-культурами и их дикими типами (Barros et al., 2010). ; Brandão et al., 2010; Yang et al., 2013; Wang L. et al., 2015). Методы метаболомики, такие как ВЭЖХ, ЯМР и ГХ/МС, также использовались для анализа различий между метаболитами, включая углеводы, липиды и аминокислоты (Brandão et al., 2010). Кроме того, другие композиции, содержащие аминокислоты, жирные кислоты, минералы, витамины и антипитательные компоненты, были проанализированы для изучения биобезопасности ГМ-культур (Li et al., 2007; Li X. et al., 2008; Barros et al. ., 2010; Ван и др., 2012; Гайен и др., 2013).

Однако есть и другие детали, которые следует рассмотреть и улучшить в этих исследованиях. При трансформации генов, связанных с транспортом или метаболизмом микроэлементов, необходимо анализировать не только конкретный, но и другие минералы.Следует учитывать даже характер распределения микроэлемента, в том числе изменение состава. Кроме того, микроэлементы существуют в растениях в различных формах, биодоступные формы и биологически активные предшественники необходимо анализировать отдельно. Помимо анализа образцов, обработка растений может быть разнообразной и коррелировать параллельно с производительностью ГМ-растений, например, сравнительный анализ между засухоустойчивым ГМ-рисом и обычным рисом должен быть взят как из обычных обстоятельств, так и из обработки стресса от засухи. .Безусловно, все ГМ-растения должны быть продемонстрированы в полевых испытаниях, но тем не менее при оценке безопасности следует принимать во внимание стрессоустойчивость. В дополнение к питательным качествам, среда роста и способ удобрения должны быть приняты во внимание в последующих исследованиях ГМ злаков. Следовательно, различные подходы, включая генную инженерию, оплодотворение, гибридизацию, должны быть интегрированы и дополнять друг друга для достижения биофортификации растений.

С помощью трансгенных методов можно манипулировать злаковыми растениями для улучшения концентрации минералов или устойчивости к ним.Однако мы должны гарантировать, что трансгенные злаки безопасны как с точки зрения экологии, так и с точки зрения конечных свойств, особенно в отношении минерального обмена. Основываясь на требуемых мотивах вопросов биобезопасности, следует всесторонне исследовать систематический дизайн и анализ трансгенных злаков на разных уровнях подтверждения генов, геномики, протеомики, метаболомики, нутрициомики, а также абсорбции, метаболизма и функции минералов.

Вклад авторов

XY, QL, KH собранные материалы; XY написал черновик рукописи; GY и GH пересмотрели рукопись.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Эта работа была поддержана Национальным генетически модифицированным новым разнообразием крупных проектов Китая (2016ZX08010004-004) и Национальным фондом естественных наук Китая (№ 31771418).

Ссылки

Баньюэлос, Г., Терри, Н., Ледук, Д.Л., Пилон-Смитс, Э.А.Х., и Макки, Б. (2005). Полевые испытания трансгенных растений индийской горчицы показали усиленную фиторемедиацию загрязненных селеном отложений. Окружающая среда. науч. Технол. 39, 1771–1777 гг. дои: 10.1021/es049035f

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Barros, E., Lezar, S., Anttonen, M.J., van Dijk, J.P., Röhlig, R.M., Kok, E.J., et al. (2010). Сравнение двух сортов ГМ-кукурузы с почти изогенным не-ГМ-сортом с использованием транскриптомики, протеомики и метаболомики. Завод Биотехнолог. J. 8, 436–451. doi: 10.1111/j.1467-7652.2009.00487.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Bellaloui, N., Yadavc, R.C., Chern, M., Hu, H., Gillen, A.M., Greve, C., et al. (2010). Трансгенно усиленный синтез сорбита способствует подвижности флоэмы-бора в рисе. Физиол. Растение. 117, 79–84. doi: 10.1034/j.1399-3054.2003.1170110.x

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Бхуллар, Н.К. и Груиссем В. (2013). Повышение питательности риса для здоровья человека: вклад биотехнологии. Биотехнолог. Доп. 31, 50–57. doi: 10.1016/j.biotechadv.2012.02.001

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Бисбьерг, Б., и Гиссель-Нильсен, Г. (1969). Поглощение внесенного селена сельскохозяйственными растениями. Почва для растений 31, 287–298. дои: 10.1007/BF01373572

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Боккини, М., Bartucca, M.L., Ciancaleoni, S., Mimmo, T., Cesco, S., Pii, Y., et al. (2015). Дефицит железа в растениях ячменя: высвобождение фитосидерофоров, транслокация железа и метилирование ДНК. Фронт. Растениевод. 6:514. doi: 10.3389/fpls.2015.00514

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Брандао, А. Р., Барбоза, Х. С., и Арруда, М. А. З. (2010). Анализ изображения двумерного гель-электрофореза для сравнительной протеомики трансгенных и нетрансгенных семян сои. J. Протеомика 73, 1433–1440. doi: 10.1016/j.jprot.2010.01.009

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Бринч-Педерсен, Х., Хацак, Ф., Соренсен, Л.Д., и Холм, П.Б. (2003). Согласованное действие эндогенной и гетерологичной фитазы на деградацию фитиновой кислоты в семенах трансгенной пшеницы ( Triticum aestivum L.). Трансгенный рез. 12, 649–659. doi: 10.1023/B:TRAG.0000005113.38002.e1

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Бринч-Педерсен, Х., Олесен, А., Расмуссен, С.К., и Холм, П.Б. (2000). Получение трансгенной пшеницы ( Triticum aestivum L.) для конститутивного накопления фитазы Aspergillus . Мол. Порода. 6, 195–206. дои: 10.1023/A:10096

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Мива К., Такано Дж., Омори Х., Секи М., Шинозаки К. и Фудзивара Т. (2007). Растения, устойчивые к высокому содержанию бора. Наука 318:1417. doi: 10.1126/science.1146634

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Мива, К., Вакута, С., Такада, С., Иде, К., Такано, Дж., Наито, С., и др. (2013). Роль BOR2, экспортера бора, в поперечном сшивании рамногалактуронана II и удлинении корня при ограничении содержания бора у арабидопсиса. Завод физиол. 163, 1699–1709. doi: 10.1104/стр.113.225995

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Моханта, Р.К., Сингхал, К.К., Эбрахими, С.Х., Раджпут, Ю.С., и Мохини, М. (2011). Сравнительная оценка питания трансгенных семян хлопка, содержащих белок Cry1C, для кормления жвачных животных. Прямой эфир. Рез. Сельская Дев. 23:14.

Академия Google

Моса, К. А., Кумар, К., Чикара, С., Мусанте, К., Уайт, Дж. К., и Данкер, О. П. (2016). Повышенная толерантность к бору у растений опосредована двунаправленным транспортом через внутренние белки плазматической мембраны. Науч. Респ. 6:21640.дои: 10.1038/srep21640

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Накагава Ю., Ханаока Х., Кобаяши М., Миёси К., Мива К. и Фудзивара Т. (2007). Клеточная специфичность экспрессии OsBOR1 , гена переносчика бора оттока риса, регулируется в ответ на доступность бора для эффективного поглощения бора и загрузки ксилемы. Растительная клетка 19, 2624–2635. doi: 10.1105/tpc.106.049015

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Наканиши, Х., Огава И., Ишимару Ю., Мори С. и Нисидзава Н.К. (2006). Дефицит железа увеличивает поглощение и транслокацию кадмия, опосредованную переносчиками Fe 2+ OsIRT1 и OsIRT2 в рисе. Почвоведение. Растительная нутр. 52, 464–469. doi: 10.1111/j.1747-0765.2006.00055.x

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Нойхирль, Б., и Бёк, А. (1996). О механизме толерантности к селену у селенаккумулирующих растений. Очистка и характеристика специфической селеноцистеинметилтрансферазы из культивируемых клеток Astragalus bisculatus. евро. Дж. Биохим . 239, 235–238. doi: 10.1111/j.1432-1033.1996.0235u.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

ОЭСР (2000 г.). Отчет Целевой группы по безопасности новых пищевых продуктов и кормов.

О, С., Пак, С.Ю., Йео, Ю., Пак, С.К., и Ким, Х.Ю. (2015). Сравнительный анализ генетически модифицированного коричневого риса с традиционными сортами риса для оценки безопасности. Int J. Food Sci. Технол. 50, 1244–1254.doi: 10.1111/ijfs.12742

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

О, С.В., Парк, С.Ю., Ли, С.М., О, С.Д., Чо, Х.С., Парк, С.К., и др. (2016). Многофакторный анализ для оценки безопасности генетически модифицированного риса в отношении антипитательных веществ и фенольных соединений. Int J. Food Sci. Технол. 51, 765–776. doi: 10.1111/ijfs.13017

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Пак Х., Ли С., Чон Х., Чо С., Чун Х., Бэк О., и другие. (2006). Питательный состав устойчивого к гербицидам зеленого перца аналогичен составу обычного зеленого перца. Нутр. Рез. 26, 546–548. doi: 10.1016/j.nutres.2006.09.001

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Park, S.Y., Kim, J.K., Jang, J.S., Lee, S.Y., Oh, S., Lee, S.M., et al. (2015). Сравнительный анализ питательного состава между устойчивым к болезням сортом риса OsCK1 и традиционными препаратами сравнения. Пищевая наука.Биотехнолог. 24, 225–231. doi: 10.1007/s10068-015-0030-2

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Park, S.Y., Lee, S.M., Lee, J.H., Ko, H.S., Kweon, S.J., Suh, S.C., et al. (2012). Сравнительный анализ состава устойчивого к насекомым риса ( Oryza sativa L.) с синтетическим геном cry1Ac и его нетрансгенного аналога. Завод Биотехнолог. 6, 29–37. doi: 10.1007/s11816-011-0192-1

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Пол, С., Али, Н., Гайен, Д., Датта, С.К., и Датта, К. (2012). Молекулярная селекция гена Osfer2 для увеличения питания железом рисового зерна. GM Crop Food 3, 310–316. doi: 10.4161/gmcr.22104

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Перес-Паласиос, П., Агостини, Э., Ибаньес, С.Г., Талано, М.А., Родригес-Льоренте, И.Д., Кавиедес, М.А., и соавт. (2017). Удаление меди из водных растворов путем ризофильтрации с использованием генетически модифицированных волосатых корней, экспрессирующих бактериальный Cu-связывающий белок. Экология.Техн. 38, 2877–2888. дои: 10.1080/095