Study of the mechanisms of toxicity and carcinogenicity induced by metal ions: interactions of Ni²⁺ and Cu²⁺ with histone H2B peptide models

Abstract

As it was shown previously, histone proteins play a critical role in metal induced toxicity and carcinogenesis. Numerous studies with peptides, modelling the binding sites in histones, have shown that metal binding can affect the histones tertiary structure and thus interfere with histone modifications, leading to chromatin remodelling and alterations in gene expression. In some cases, the complexes formed may facilitate the hydrolysis of the peptides and/or catalyze the formation of reactive oxygen species that could act directly on the DNA molecules. Since, the crystal structure of the core histone octamer [38, 54] shows that the most efficient binding residues (histidines and cysteines) present in all core histone are isolated from each other, it is believed that the specific binding of metal ions will be provided by short stretches of histone amino acid chains. Previous studies have shown that several peptide models of histones H2A, H3 and H4 and even the histone tetramer serve as efficient binding sites for metal coordination [213, 295, 297, 306, 314, 316]. Although, histone H2B has been less studied, minimal models of it, the blocked hexapeptides -LAHYNK- [310] and -ELAKHA- [311] (residues 80-85 and 102-107, respectively) have presented quite effective binding affinity towards Cu²⁺ and Ni²⁺. Moreover, in vitro studies showed the ability of Ni²⁺ to affect H2B ubiquitination [206] and to promote truncation, deamidation and oxidation [210]. In order to examine the above assumptions with more realistic models of histone H2B, we synthesized the following two 31 amino acid peptide models of H2B: H2B₁₋₃₁: Ac-PEPAKSAPAPKKGSKKAVTKAQKKDGKKRKR-NH₂ H2B63-93: Ac-NSFVNDIFERIAGEASRLAHYNKRSTITSRE-NH₂.These peptides correspond to 1-31 residues of the N-termini tail of H2B and to the 63-93 fragment of the core H2B histone-fold domain, respectively. In the nucleosome, H2B N-termini tail plays a crucial role in the histone post-translational modifications, since residues K5, K12, K15 and K20 are acetylation sites and S14 is where phosphorylation occurs. Moreover, this crystallographic structure of the nucleosome shows that H2B63-93 and specifically, residues R82, Y83, T88, E93 and R86 are involved in hydrophobic interactions or hydrogen bonds with other histones (H2A, H3 and H4) and DNA phosphate groups. Thus, the characterization of the coordination modes between those peptides and Cu²⁺ and Ni²⁺ ions, using potentiometric and spectroscopic techniques (UV/Vis, CD, EPR and NMR), the investigation of peptide-metal complexes hydrolysis and the study of oxidative damage induced by metal complexation, have been the major targets of this work. The growing understanding of the chemical basis of Cu²⁺ and Ni²⁺ with cellular and tissue ligands will allow for more precise identification of putative Cu²⁺ and Ni²⁺ binding sites, in the growing number of biomolecules relevant to carcinogenesis and toxicity and predict other possible pathogenic effects of its binding. Moreover, we believe that these studies may be helpful for a further understanding of metal-induced toxicity and carcinogenesis.

Ο χαλκός και το νικέλιο είναι τοξικοί ή/και καρκινογόνοι στους ανθρώπους. Αυτό είναι εμφανές στις ασθένειες όπως η ινδική παιδική κίρρωση, ενδημική παιδική Tyrolean, Wilson και Menke που είναι το αποτέλεσμα μιας περίσσειας χαλκού στο σώμα, και στην περίπτωση του νικελίου, από την ανάπτυξη όγκων μετά από χρόνια έκθεση ή ακόμα και θάνατο λόγω έκθεσης σε ακραίες συνθήκες. Ο μοριακός μηχανισμός μέσω του οποίου η τοξικότητα ή/και η καρκινογένεση λόγω των μετάλλων πραγματοποιείται δεν είναι πλήρως κατανοητός. Εντούτοις, ίσως η πιο αποδεκτή προκύπτει από την υπόθεση ότι και τα δύο ιόντα μετάλλων είναι επιρρεπή να συμμετάσχουν στο σχηματισμό των δραστικών σωματιδίων οξυγόνου (ΔΣΟ) ή ROS [126], τα οποία είναι από τους κύριους παράγοντες που προκαλούν οξειδωτική ζημία που έχει γενοτοξικές συνέπειες. Εντούτοις, άλλα αποτελέσματα μη οξειδοαναγωγών, όπως η αλλαγή των μονοπατιών κυτταρικής μετάδοσης της πληροφορίας, και η παρέμβαση στο μεταβολισμό άλλων σημαντικών μετάλλων (Fe²⁺, Mn²⁺, Ca²⁺, Zn²⁺ ή Mg²⁺) επίσης μπορεί να οφείλεται στα επιγενετικά αποτελέσματα τοξικότητάς τους. Οποιοσδήποτε και αν είναι ο μηχανισμός, οι in vitro και in vivo δοκιμές έχουν δείξει αύξηση στις συγκεντρώσεις Cu²⁺ και Ni²⁺ στον πυρήνα των κυττάρων, μετά από έκθεση σε μέταλλα. Επομένως, οι πρωτεΐνες του πυρήνα, και συγκεκριμένα οι αφθονότερες εξ αυτών, οι ιστόνες, να είναι οι αρχικοί στόχοι σύνδεσης των Cu²⁺ και Ni²⁺. Κατά συνέπεια, οι ιστόνες διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην τοξικότητα και τις καρκινογενέσεις που προκαλούνται από τα μέταλλα. Οι πολυάριθμες μελέτες με πεπτίδια, μοντέλα των περιοχών σύνδεσης με τις ιστόνες, έχουν δείξει ότι η σύνδεση των μετάλλων μπορεί να έχει επιπτώσεις στην τριτοταγή δομή των ιστονών και έτσι να παρεμβληθεί στις μεταβολές των ιστονών, που οδηγούν στην αναδιαμόρφωση της χρωματίνης και τις αλλαγές στην έκφραση των γονιδίων. Σε μερικές περιπτώσεις, τα σύμπλοκα που δημιουργούνται μπορούν να διευκολύνουν την υδρόλυση των πεπτιδίων ή/και να καταλύσουν το σχηματισμό των ROS (ΔΣΟ) που θα μπορούσαν να αντιδράσουν άμεσα με τα μόρια του DNA. Από τη στιγμή που, η κρυσταλλική δομή του κεντρικού οκταμερούς της ιστόνης [38, 54] δείχνει ότι τα αποδοτικότερα δεσμικά αμινοξέα (οι ιστιδίνες και οι κυστεΐνες) παρόντα σε όλο τον κύριο μέρος της ιστόνης είναι απομονωμένα μεταξύ τους, θεωρείται ότι η συγκεκριμένη σύνδεση των ιόντων μετάλλων θα παρασχεθεί από μικρή επιμήκυνση των αλυσίδων των αμινοξέων της ιστόνης. Προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι διάφορα πεπτιδικά μοντέλα των ιστονών H2A, H3 και H4 και ακόμη και τετραμερή των ιστονών χρησιμεύουν σαν περιοχές ικανές για συνδέσεις και για εντάξεις μετάλλων [213, 295, 297, 306, 314, 316]. Παρόλο που η ιστόνη Η2Β έχει μελετηθεί σε μικρότερο βαθμό, μερικά μοντέλα της, τα μπλοκαρισμένα εξαπεπτίδια -LAHYNK- [310] και -ELAKHA- [311] (τα αμινοξέα 80-85 και 102-107 αντίστοιχα) έχουν δείξει αρκετά αποδοτική δεσμευτική ικανότητα απέναντι στον Cu2+ και το Ni2+. Επιπλέον, in vitro μελέτες έδειξαν την ικανότητα του Ni²⁺ να επηρεάσει την ουβικουϊτίνωση [206] της Η2Β και να προκαλέσει την διάσπαση, απαμίδωση και οξείδωση [210]. Με σκοπό να μελετήσουμε τα παραπάνω συμπεράσματα με πιο ρεαλιστικά μοντέλα της ιστόνης Η2Β συνθέσαμε τα παρακάτω πεπτιδικά μοντέλα με 31 αμινοξέα της Η2Β: H2B₁₋₃₁: Ac-PEPAKSAPAPKKGSKKAVTKAQKKDGKKRKR-NH₂, H2B₆₃₋₉₃: Ac-NSFVNDIFERIAGEASRLAHYNKRSTITSRE-NH₂ Αυτά τα πεπτίδια αντιστοιχούν στα 1-31 αμινοξέα της Ν-τερματικής άκρης και στο 63-93 κλάσμα του κεντρικού αναδιπλωμένου τμήματος της ιστόνης Η2Β αντίστοιχα. [...]