Фундаментальные механизмы функционирования механочувствительных каналов Piezo1 и их особенности в малигнизированных клетках

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-74-10037

НазваниеФундаментальные механизмы функционирования механочувствительных каналов Piezo1 и их особенности в малигнизированных клетках

Руководитель Чубинский-Надеждин Владислав Игоревич, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт цитологии Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-205 - Клеточная биология, цитология, гистология

Ключевые слова механочувствительные катионные каналы Piezo1, малигнизированные клетки, клеточная подвижность, механотрансдукция, кальциевая сигнализация, метод патч-кламп, плазматическая мембрана, актиновый цитоскелет, кальций-зависимые калиевые каналы

Код ГРНТИ34.15.35, 34.17.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проблемы клеточной механики и роли механических стимулов в клеточных реакциях и сопряженных процессах передачи сигнала оказались значимыми не только для физиологии специфических сенсорных систем, но и в невозбудимых клетках. Исследования в области клеточной биологии и молекулярной онкологии позволили полагать, что механочувствительные кальций-проницаемые каналы могут играть ключевую роль в процессах онкотрансформации, миграции и метастазирования опухолевых клеток. Одним из переломных моментов стала идентификация (в 2010 году) новых механочувствительных катионных каналов Piezo. Показано, что уровень экспрессии Piezo1 повышен в некоторых типах опухолевых клеток, а также то, что данные каналы, возможно, могут рассматриваться как неблагоприятные прогностические маркеры при определенных видах рака. Таким образом, пути контроля активности каналов Piezo1 и сопряженных с ними сигнальных путей могут быть потенциально перспективными для развития новых таргетных подходов в противоопухолевой терапии. На данный момент существует ряд открытых вопросов относительно биофизических свойств, особенностей функций и регуляции каналов Piezo1, а также Piezo1-зависимых сигнальных путей и клеточных реакций. Это связано с тем, что значительное большинство исследований Piezo1 проводится на клеточных моделях с экзогенной оверэкспрессией каналов, данные этих исследований часто противоречивы. Кроме того, функциональные свойства Piezo заметно отличаются в различных типах клеток, а наблюдаемые вариации поведения каналов Piezo, вероятно, могут объясняться их регуляцией различными факторами, включая липидное окружение и внутриклеточные структуры, в частности, примембранный актиновый цитоскелет. Таким образом, необходимо проведение тщательного анализа возможных Piezo1-ассоциированных сигнальных путей и механизмов регуляции активности эндогенных каналов Piezo на соответствующих клеточных моделях. В ходе проекта будут получены принципиально новые данные о биофизических характеристиках, механизмах регуляции и роли механочувствительных каналов Piezo1 в раковых клетках различного происхождения, характеризующихся высоким уровнем экспрессии Piezo1. Будут исследованы характеристики эндогенных одиночных каналов Piezo1, выявлены функциональные взаимосвязи с мембранными липидами и структурами цитоскелета, проверены существующие гипотезы о механизмах локальной кальциевой сигнализации с участием Piezo. Будет проведено сопоставление свойств каналов Piezo1 и их участия в патофизиологических реакциях малигнизированных клеток, идентифицированы молекулярные корреляты кальций-управляемых ионных каналов, активность которых регулируется Piezo1. Результаты проекта будут иметь как фундаментальный, так и прикладной характер и позволят определить возможности подавления миграционного потенциала и инвазии опухолевых клеток путем селективной модуляции активности кальций-проводящих каналов Piezo1.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Васильева В., Чубинский-Надеждин В. Regulation of PIEZO1 channels by lipids and the structural components of extracellular matrix/cell cytoskeleton J Cell Physiol, 2023 Mar 22. doi: 10.1002/jcp.31001 (год публикации - 2023)
10.1002/jcp.31001

2. Чубинский-Надеждин В.И. Механоуправляемые каналы Piezo1 и их вклад в локальную передачу сигнала СИСТЕМНАЯ БИОЛОГИЯ И ФИЗИОЛОГИЯ, Специальный выпуск, стр. 56 (год публикации - 2022)

3. Кириллова П.И., Хайруллина З.М.,Лысикова Д.В., Васильева В.Ю., Сударикова А.В., Чубинский-Надеждин В.И. Изучение биофизических характеристик механочувствительных каналов PIEZO1 в клетках К562 в присутствии двухвалентных катионов. Тезисы докладов Всероссийской научной очно-заочной конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых, ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, Санкт-Петербург, 2023, стр. 113 (год публикации - 2023)

4. Хайруллина З.М., Лысикова Д.В., Кириллова П.И., Васильева В.Ю., Сударикова А.В., Чубинский-Надеждин В.И. Исследование проводящих свойств эндогенных механочувствительных каналов Piezo1 в клетках миелоидной лейкемии человека. Тезисы докладов XXII Зимней молодежной школы по биофизике и молекулярной биологии, 206-207 (год публикации - 2023)

5. Васильева ВЮ,Хайруллина ЗМ, Сударикова АВ, Чубинский-Надеждин ВИ Role of Calcium-Activated Potassium Channels in Proliferation, Migration and Invasion of Human Chronic Myeloid Leukemia K562 Cells Membranes, Jun 4;13(6):583 (год публикации - 2023)
10.3390/membranes13060583

6. Васильева ВЮ, Хайруллина ЗМ, Чубинский-Надеждин ВИ Piezo1 Activation Prevents Spheroid Formation by Malignant Melanoma SK-MEL-2 Cells Int. J. Mol. Sci., 24(21), 15703. (год публикации - 2023)
10.3390/ijms242115703

7. Хайруллина З.М., Васильева В.Ю., Чубинский-Надеждин В.И. ВЛИЯНИЕ АКТИВАЦИИ МЕХАНОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ Piezo1 НА ОБРАЗОВАНИЕ СФЕРОИДОВ ИЗ КЛЕТОК ЗЛОКАЧЕСТВЕННОЙ МЕЛАНОМЫ ЧЕЛОВЕКА Сборник тезисов XXXVI Международной Зимней Молодежной Научной Школы "ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ И БИОТЕХНОЛОГИИ", стр. 106 (год публикации - 2024)

8. Васильева В.Ю.,Сударикова А.В.,Хайруллина З.М., Чубинский-Надеждин, В.И. Роль кальций-активируемых калиевых каналов в процессах пролиферации, миграции и инвазии клеток миелоидной лейкемии человека СИСТЕМНАЯ БИОЛОГИЯ И ФИЗИОЛОГИЯ, СПЕЦИАЛЬНЫЙ ВЫПУСК, стр. 41 (год публикации - 2022)

9. Васильева ВЮ, Чубинский-Надеждин ВИ Evaluation of the Role of Potassium Channels in the Proliferation, Migration, and Invasion of Blood Cells Methods in Molecular Biology, vol 2796, pp 185-190 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1007/978-1-0716-3818-7_11

10. Хайруллина З.М., Васильева В.Ю., Чубинский-Надеждин В.И. Piezo1 Ion Channels Regulate the Formation and Spreading of Human Endometrial Mesenchymal Stem Cell Spheroids International Journal of Molecular Sciences, 2025 Mar 10;26(6):2474. (год публикации - 2025)
10.3390/ijms26062474.

11. Васильева В.Ю., Чубинский-Надеждин В.И. Searching for the Role of Mechanosensitive PIEZO1 Channel in Cell Motility and Migration of Human Aggressive Melanoma SK-MEL-2 Cells Biochemistry (Moscow), Supplement Series A: Membrane and Cell Biology, Vol. 19, No. 1, pp. 127–132. (год публикации - 2025)
10.1134/S1990747824700569

12. Васильева В.Ю., Сударикова А.В., Чубинский-Надеждин В.И. Functional coupling of Piezo1 channels and Ca2+-activated ion channels in the plasma membrane: fine-tunable interplay with wide-range signaling effects American Journal of Physiology: Cell Physiology , Apr 1;328(4):C1338-C1345. (год публикации - 2025)
10.1152/ajpcell.00094.2025

13. Васильева ВЮ, Лысикова ДВ, Сударикова АВ,Хайруллина ЗМ,Кириллова ПИ, Морачевская ЕА, Чубинский-Надеждин ВИ Functional characterization of native Piezo1 as calcium and magnesium influx pathway in human myeloid leukemia cells Journal of Cellular Physiology, 239(11):e31371 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1002/jcp.31371

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Показана принципиальная возможность участия Piezo1 в транспорте магния – важнейшего кофактора внутриклеточных процессов (J Cell Physiology, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jcp.31371). Piezo1 может формировать комплексы каналов различного молекулярного состава, а явление функционального сопряжения ионных каналов можно считать универсальным свойством живых клеток (Am J Phys Cell Phys, https://doi.org/10.1152/ajpcell.00094.2025). Идентифицированы кальций-зависимые калиевые каналы IK, активность которых функционально сопряжена с входом кальция через Piezo1 в трансформированных фибробластах мыши линии 3Т3B-SV40. Селективный ингибитор IK каналов TRAM-34 отменял ингибирующий эффект активации Piezo1 на скорость миграции фибробластов мыши, но усиливал снижение пролиферации и жизнеспособности клеток рака шейки матки mHeLa c11 при добавлении Yoda1. Активация Piezo1 снижает скорость пролиферации клеток PA-1 и K562, клетки m-HeLa демонстрировали снижение клеточной пролиферации, далее сопровождающуюся клеточной гибелью. Проведено исследование действия Yoda1 на процесс формирования сфероидов из эндометриальных мезенхимных стволовых клеток человека (эМСК). Формирование клеточных сфероидов эМСК в присутствии Yoda1 не нарушалось (в отличие от меланомы SK-MEL-2, Int J Mol Sci, https://www.mdpi.com/1422-0067/24/21/15703), но приводило к снижению их миграционных способностей. Piezo1 в сфероидах эМСК оставались функционально активными, однако содержание мРНК было ниже, чем в двумерной клеточной культуре (Int J Mol Sci, https://www.mdpi.com/1422-0067/26/6/2474). В сфероидах, сформированных из SK-MEL-2, Yoda1 не влиял на их скорость расползания, при том, что в сфероидах меланомы присутствуют функционально активные каналы Piezo1 (Biochemistry (Moscow), Supplement Series A: Membrane and Cell Biology, https://doi.org/10.1134/S1990747824700569). В качестве нового модельного объекта для изучения роли цитоскелета в регуляции свойств одиночных Piezo1 каналов были выбраны клетки острого лейкоза MOLT-4, характеризующиеся более низким уровнем экспрессии актин-управляемых натриевых каналов по сравнению с клетками К562. Предварительно полученные данные свидетельствуют об уменьшении амплитуды одиночных Yoda1-индуцированных Piezo1 каналов при разборке актинового цитоскелета. Изучена степень эффективности блокирования Piezo1 гентамицином в различных концентрация: частичное ингибирование активности (снижение ее уровня) наблюдалось при добавлении гентамицина в концентрации 500 мкМ и выше. Были проведены эксперименты по миграции клеток тератокарциномы яичника РА-1 при добавлении гентамицина (1мМ), Yoda1 (30мкМ) и комбинации гентамицина с Yoda1: Yoda1 замедлял миграцию клеток, при этом комбинация гентамицин+Yoda1 значительно сильнее тормозила миграцию, в то время как гентамицин сам по себе не оказывал влияния. Предварительные данные по оценке пролиферации и жизнеспособности клеток РА-1 показали, что Yoda1 снижал пролиферацию клеток, гентамицин сам по себе не влиял, в то время как инкубация клеток в комбинации веществ (гентамицин+Yoda1) приводила к полной остановке пролиферации, сопровождающуюся гибель клеток.

Публикации

Возможность практического использования результатов
На основании результатов проекта может быть сформирована концепция о возможности селективной модуляции активности механоуправляемых каналов Piezo1 и сопряженных с ними путей и механизмов клеточной сигнализации для подавления миграционного, инвазивного, опухолеформирующего и пролиферативного потенциала трансформированных клеток различного происхождения.