Russian Journal of GeneticsRussian Journal of GeneticsГенетика0016-67583034-5103The Russian Academy of Sciences70041210.7868/S3034510325120045ОБЩАЯ ГЕНЕТИКАResearch ArticleThe Effect of Pharmacological Agents on the Expression of the Genes of the Chaperone GrpE and Co-Chaperone IbpA in Escherichia coli CellsВЛИЯНИЕ ФАРМАКОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ НА ЭКСПРЕССИЮ ГЕНОВ ШАПЕРОНА GrpE И КО-ШАПЕРОНА IbpA В КЛЕТКАХ Escherichia coliSmirnovaS. VСмирноваС. Вs.v.smirnova.genet@gmail.comKurkievaA. GКуркиеваА. Г-ManukhovI. VМануховИ. В-FominV. VФоминВ. В-AbilevS. KАбилевС. К-Vavilov Institute of General Genetics of Russian Academic ScienceИнститут общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наукMoscow Institute of Physics and TechnologyМосковский физико-технический институт151220256112VOL 61, NO12 (2025)ТОМ 61, №12 (2025)445308012026Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0016-6758/article/view/700412

To study the effect of pharmacological agents on the expression of the DnaK chaperone and IbpA co-chaperone genes, two biosensors were used: Escherichia coli MG1655 pGrpE-lux and E. coli MG1655 pIbpA-lux. The luxCDABE operon of the bacterium P. luminescens, substituted for the promoters of the grpE and the ibpA genes correspondingly, serves as a reporter for the expression of these genes. The induction of the expression of the grpE and ibpA genes indicates the ability of the tested compounds to influence protein folding and refolding. 10 of the 12 tested compounds are known pharmacological agents. The fluoroquinoline topoisomerase inhibitors — the antibiotics ciprofloxacin and nalidixic acid, the cytostatics 5-fluorouracil and mitomycin C, as well as the antibacterial agent dioxin — elicited a response in both biosensors, indicating the ability of these substances to influence the structure of both de novo synthesized proteins and proteins functioning in the cell. Rifampicin induced a response only in the pGrpE-lux biosensor, whereas cisplatin and 5-bromo-2-deoxyuridine induced a response only in the pIbpA-lux biosensor. The cytostatic actinomycin D showed high toxicity to bacteria, which did not allow its activity against chaperones to be registered. 6-Thioguanine did not elicit a response from both biosensors. All these compounds have mutagenic/genotoxic activity. The standard genotoxicants/mutagens 4-NQO and NaN3 induced a response in both biosensors.

Для изучения влияния фармакологических средств на экспрессию генов шаперона DnaK и ко-шаперона IbpA были использованы два биосенсора Escherichia coli MG1655 pGrpE-lux и MG1655 pIbpA-lux. В качестве репортера экспрессии этих генов служит оперон luxCDABE бактерии P. luminescens, вставленный под промоторы генов grpE и ibpA соответственно. Индукция экспрессии генов grpE и ibpA указывает на способность тестируемых соединений влиять на фолдинг и рефолдинг белков. 10 из 12 тестированных соединений являются известными фармакологическими средствами. Фторхинолоновые ингибиторы топоизомераз – антибиотики ципрофлоксацин и налидиксовая кислота, цитостатики 5-фторурацил и митомицин C, а также антибактериальное средство диоксидин вызывали ответ у обоих биосенсоров, что указывает на способность этих веществ влиять на структуру как de novo синтезированных белков, так и функционирующих в клетке белков. Рифампицин индуцировал ответ только у биосенсора pGrpE-lux, тогда как цисплатин и 5-бром-2-дезоксиуридин только у биосенсора pIbpA-lux. Цитостатик актиномицин Д проявил высокую токсичность для бактерий, что не позволило зарегистрировать его активность в отношении шаперонов. 6-Тиогуанин не вызывал ответа у обоих биосенсоров. Все эти соединения обладают мутагенной/генотоксической активностью. Стандартные генотоксиканты/мутагены 4-HXO и NaN3 индуцировали ответ у обоих биосенсоров. Обсуждаются возможности дальнейшего применения биосенсоров pGrpE-lux и pIbpA-lux для скрининга потенциальных ингибиторов шаперонов.

Escherichia colibiosensorspGrpE-luxpIbpA-luxgene expressionDnaK chaperoneIbpA co-chaperonecytostaticsantibioticsmutagensEscherichia coliбиосенсорыpGrpE-luxpIbpA-luxэкспрессия геновшаперон DnaKко-шаперон IbpAцитостатикиантибиотикимутагеныРабота выполнена в рамках исследований по государственному заданию 125091010190-9. Работа И.В. Манухова и В.В. Фомина выполнялась за счет средств РНФ (грант № 22-14-00124-П).Feder M.E., Hofmann G.E. Heat-shock proteins, molecular chaperones, and the stress response: evolutionary and ecological physiology // Annu. Rev. Physiol. 1999. V. 61. P. 243–282. https://doi.org/10.1146/annurev.physiol.61.1.243Richter K., Haslbeck K., Buchner J. The heat shock response: Life on the verge of death // Mol. Cell. 2010. V. 40. P. 253–266. https://doi.org/10.1016/j.molcel.2010.10.006Mayer M.P. Gymnastics of molecular chaperones // Mol. Cell. 2010. V. 39. P. 321–331. https://doi.org/10.1016/j.molcel.2010.07.012Kampinga H.H., Hageman J., Vos M.J. et al. Guidelines for the nomenclature of the human heat shock proteins // Cell Stress Chaperones. 2009. V. 14. P. 105–111. https://doi.org/10.1007/s12192-008-0068-7Hartl F.U., Bracher A., Hayer-Hartl M. Molecular chaperones in protein folding and proteostasis // Nature. 2011. V. 475. P. 324–332. https://doi.org/10.1038/nature10317Евгеньев М.Б., Гарбуз Д.Г., Зацепина О.Г. Белки теплового шока: функции и роль в адаптации к гипертермии // Онтогенез. 2005. Т. 36. С. 265–273.Белан Д.В., Екимова И.В. Белки теплового шока при конформационных болезнях мозга // Рос. физиол. журнал им. И.М. Сеченова. 2019. Т. 105. С. 1465–1485.Rosenzweig R., Nillegoda N.B., Mayer M.P., Bukau B. The Hsp70 chaperone network // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2019. V. 20. P. 665–680. https://doi.org/10.1038/s41580-019-0133-3Gong W.J., Golic K.G. Loss of Hsp70 in Drosophila is pleiotropic, with effects on thermotolerance, recovery from heat shock and neurodegeneration // Genetics. 2006. V. 172. P. 275–286. https://doi.org/10.1534/genetics.105.048793Zatsepina O.G., Przhiboro A.A., Yushenova I.A. et al. A Drosophila heat shock response represents an exception rather than a rule among Diptera species // Insect. Mol. Biol. 2016. V. 25. P. 431–449. https://doi.org/10.1111/imb.12235Asea A., Rehli M., Kabingu E. et al. Novel signal transduction pathway utilized by extracellular HSP70: role of toll-like receptor (TLR) 2 and TLR4 // J. Biol. Chem. 2002. V. 277. P. 15028-15034. https://doi.org/10.1074/jbc.M200497200Calderwood S.K., Mambula S.S., Gray P.J. Jr., Theriault J. Rextracellular heat shock proteins in cell signaling // FEBS Lett. 2007. V. 581. P. 3689–3694. https://doi.org/10.1016/j.febslet.2007.04.044Ghosh A.K., Sinha D., Mukherjee S. et al. LPS stimulates and Hsp70 down-regulates TLR4 to orchestrate differential cytokine response of culture-differentiated innate memory CD8+ T cells // Cytokine. 2015. V. 73. P. 44-52. https://doi.org/10.1016/j.cyto.2015.01.018Kakimura J., Kitamura Y., Takata K. et al. Microglial activation and amyloid-beta clearance induced by exogenous heat-shock proteins // FASEB J. 2002. V. 16. P. 601–603. https://doi.org/10.1096/fj.01-0530fjeGuzhova I., Kislyakova K., Moskaliova O. et al. In vitro studies show that Hsp70 can be released by glia and that exogenous Hsp70 can enhance neuronal stresstolerance // Brain Res. 2001. V. 914. P. 66–73. https://doi.org/10.1016/s0006-8993(01)02774-3Bobkova N.V., Garbuz D.G., Nesterova I.M. et al. Therapeutic effect of exogenous Hsp70 in mouse models of Alzheimer’s Disease // J. Alzheimers Dis. 2014. V. 38. P. 425–435. https://doi.org/10.3233/JAD-130779Evgen’ev M.B., Krasnov G.S., Nesterova I.V. et al. Molecular mechanisms underlying neuroprotective effect of intranasal administration of human Hsp70 in mouse model of Alzheimer’s Disease // J. Alzheimers Dis. 2017. V. 59. P. 415–426. https://doi.org/10.3233/JAD-170398De Mena L., Chhangani D., Fernandez-Funez P., Rincon-Limas D.E. Sec Hsp70 as a tool to approach amyloid-β42 and other extracellular amyloids // Fly. 2017. V. 11. P. 179–184. https://doi.org/10.1080/19336934.2017.1291104Hervás R., Oroz J. Mechanistic insights into the role of molecular chaperones in protein misfolding diseases: From molecular recognition to amyloid disassembly // Int. J. Mol. Sci. 2020. V. 21. https://doi.org/10.3390/ijms21239186Zhao K., Zhou G., Liu Y. et al. HSP70 family in cancer: Signaling mechanisms and therapeutic advances // Biomolecules. 2023. V. 13. P. 601. https://doi.org/10.3390/biom13040601Nadin S.B., Vargas-Roig L.M., Drago G. et al. Hsp27, Hsp70 and mismatch repair proteins hMLH1 and hMSH2 expression in peripheral blood lymphocytes from healthy subjects and cancer patients // Cancer Lett. 2007. V. 252. P. 131–146. https://doi.org/10.1016/j.canlet.2006.12.028Dubrez L., Causs S., Bonan N.B. et al. Heat-shock proteins: chaperoning DNA repair // Oncogene. 2020. V. 39. P. 516–529. https://doi.org/10.1038/s41388-019-1016-yTran P.L., Kim S.A., Choi H.S. et al. Epigallocatechin-3-gallate suppresses the expression of HSP70 and HSP90 and exhibits anti-tumor activity in vitro and in vivo // BMC Cancer. 2010. V. 10. P. 276. https://doi.org/10. 1186/1471-2407-10-276Park S.H., Baek K.H., Shin I., Shin I. Subcellular Hsp70 inhibitors promote cancer cell death via different mechanisms // Cell. Chem. Biol. 2008. V. 25. P. 1242–1254. https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2018.06.010Du S., Liu Y., Yuan Y. et al. Advances in the study of HSP70 inhibitors to enhance the sensitivity of tumor cells to radiotherapy // Front. Cell Dev. Biol. 2002. V. 10. https://doi.org/10.3389/fcell.2022.942828Van Dyk T.K., Rosson R.A. Photorhabdus luminescens luxCDABE promoter probe vectors // Methods Mol Biol. 1998. V. 102. P. 85–95. https://doi.org/10.1385/0-89603-520-4:85Мелькина О.Е., Котова В.Ю., Манухов И.В., Завильгельский Г.Б. Влияние шаперонов IbpAB и Clpa на DnaKJE-зависимый рефолдинг бактериальных люцифераз в клетках Escherichia coli // Мол. биология. 2011. Т. 45. С. 524–528.Завильгельский Г.Б., Котова В.Ю., Манухов И.В. Сенсорные биолюминесцентные системы на основе lux-оперонов для детекции токсичных веществ // Хим. физика. 2012. Т. 31. № 10. С. 15–20.Collins J.A., Osheroff N. Gyrase and topoisomerase iv: Recycling old targets for new antibacterials to combat fluoroquinolone resistance // ACS Infect. Dis. 2024. V. 10. P. 1097−1115. https://doi.org/10.1021/acsinfecdis.4c00128Badawy S., Yang Y., Liu Y. et al. Toxicity induced by ciprofloxacin and enrofloxacin: oxidative stress and metabolism // Crit. Rev. Toxicol. 2021. V. 51. P. 754–787. https://doi.org/10.1080/10408444.2021.2024496Adams R.A., Leon G., Miller N.M. et al. Rifamycin antibiotics and the mechanisms of their failure // J. Antibiotic. 2021. V. 74. P. 786–798. https://doi.org/10.1038/s41429-021-00462-xДурнев А.Д., Дубовская О.Ю., Нигарова Э.А. и др. Роль свободных радикалов кислорода в механизме мутагенного действия диоксидина // Хим.-фарм. журн. 1989. Т. 23. № 11. С. 1289–1294.Anirudha G., Khynriam D., Prasad S.B. Vitamin C mediated protection on cisplatin induced mutagenicity in mice // Mutat. Res. 1998. V. 42. P. 139–148. https://doi.org/10.1016/s0027-5107(98)00158-4Zhang N., Yin Y., Xu S.-J., Chen W.-S. 5-Fluorouracil: Mechanisms of resistance and reversal strategies // Molecules. 2008. V. 3. № 8. P. 1551–1569. https://doi.org/10.3390/molecules13081551Munshi P.N., Lubin M., Bertino J.R. 6-Thioguanine: A drug with unrealized potential for cancer therapy // Oncologist. 2014. V. 13. P. 760–765. https://doi.org/0.1634/theoncologist.2014-0178Djordjevic B., Szybalski W. Genetics of human cell lines: III. Incorporation of 5-bromo- and 5-iododeoxyuridine into the deoxyribonucleic acid of human cells and its effect on radiation sensitivity // Exp Med. 1960. V. 112. P. 509–531.Paz M.M., Zhang H., Lu J., Holmgren A. A new mechanism of action for the anticancer drug mitomycin c: mechanism-based inhibition of thioredoxin reductase // Chem. Res. Toxicol. 2012. V. 25. P. 1502–1511. https://doi.org/10.1021/tx3002065Lu D.-F., Wang Y.-S., Li C. et al. Actinomycin D inhibits cell proliferations and promotes apoptosis in osteosarcoma cells // Int. J. Clin. Exp. Med. 2015. V. 8. № 2. P. 1904–1911.Bailleul B., Daubersies P., Galiègue-Zouitina S., Loucheux-Lefebvre M.H.  Molecular basis of 4-nitroquinoline 1-oxide carcinogenesis // Jpn. J. Cancer Res. 1989. V. 80. P. 691–697.Maron D.M., Ames B.N. Revised methods for Salmonella mutagenicity test // Mutat. Res. 1983. V. 113. P. 173–215. https://doi.org/10.1016/0165-1161(83)90010-9Попов Д.А., Анучина Н.М., Терентьев А.А. и др. Диоксидин: антимикробная активность и перспективы клинического применения на современном этапе // Антибиотики и химиотерапия. 2013. № 3–4.Overbeck T.L., Knight J.M., Beck D.J. A comparison of the genotoxic effects of carboplatin and cisplatin in Escherichia coli // Mutat. Res. 1996. V. 362. P. 249–259. https://doi.org/10.1016/0921-8777(95)00056-9Verwei J., Pinedo H.M. Mitomycin C: mechanism of action, usefulness and limitations // Anticancer Drugs. 1990. V. 1. № 1. P. 5–13.Ros H.H., Caldeira M., Reynolds B.A. et al. Bromodeoxyuridine inhibits cancer cell proliferation in vitro and in vivo // Neoplasia. 2008. V. 10. P. 804–816. https://doi.org/10.1593/neo.08382Chang S., Lamm S.H. Human health effects of sodium azide exposure: A literature review and analysis // Int. J. Toxicol. 2003. V. 22. P. 175–186. https://doi.org/10.1080/10915810305109Nealson K.H., Platt T., Hastings J.W. Cellular control of the synthesis and activity of the bacterial luminescent system // J. Bacteriol. 1970. V. 104. P. 313–322. https://doi.org/10.1128/jb.104.1.313-322.1970Daunert S., Barett G., Feliciano J.S. et al. Genetically engineered whole cell sensing systems: coupling biological recognition with reporter genes // Chem. Rev. 2000. V. 100. P. 2705–2738. https://doi.org/10.1021/cr990115pFomin V.V., Bazhenov S.V., Kononchuk O.V., et al. Photorhabdus lux-operon heat shock-like regulation // Heliyon. 2023. V. 9. e14527. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e14527Bazhenov S.V., Novoyatlova U.S., Scheglova E.S. et al. Bacterial lux-biosensors: constructing, applications, and prospects // Biosensors and Bioelectronics. 2023. V. 13. https://doi.org/10.1016/j.biosx.2023.100323Abilev S.K., Igonina E.V., Sviridova D.A., Smirnova S.V. Bacterial lux biosensors in genotoxicological studies // Biosensors. 2023. V. 13. № 511. https://doi.org/10.3390/bios13050511Zhu Y., Elcin E., Jiang M. et al. Use of whole-cell bioreporters to assess bioavailability of contaminants in aquatic systems // Front. Chem. 2022. V. 10. https://doi.org/10.3389/fchem.2022.1018124.Kotova V.Y., Manukhov I.V., Zavilgelskii G.B. Lux-biosensors for detection of SOS-response, heat shock, and oxidative stress // Appl. Biochem. Microbiol. 2010. V. 46. P. 781–788.Дурнев А.Д., Жанатаев А.К., Еремина Н.И. Глава 1 // Генетическая токсикология. М.: Миттель-Пресс, 2022. C. 18–36.Chatterjee N., Walker G.C. Mechanisms of DNA damage, repair and mutagenesis // Environ Mol. Mutagen. 2017. V. 58. P. 235–263. https://doi.org/10.1002/em.22087Liebler D.C. Protein damage by reactive electrophiles: targets and consequences // Chem. Res. Toxicol. 2008. V. 21. P. 117–128. https://doi.org/10.1021/tx700235tLoPachin R.M., Gavin T. Reactions of electrophiles with nucleophilic thiolate sites: Relevance to pathophysiological mechanisms and remediation // Free Radic Res. 2016. V. 50. P. 195–205. https://doi.org/10.3109/10715762.2015.1094184Свиридова Д.А., Мачигов Э.А., Игонина Е.В. и др. Изучение механизма генотоксичности диоксидина с помощью lux-биосенсоров Esсherichia coli // Радиац. биология. Радиоэкология. 2020. Т. 60. № 6. С. 595–603. https://doi.org/10.31857/S0869803120060223