Copper Ions Reduced Toxicity of Sodium Azide and Lipopolysaccharide on Cultured Cerebellar Granule Neurons

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Copper ions (Cu2+) are structural elements of proteins such as cytochrome с oxidase (Complex IV), an enzyme that catalyzes the final step of electron transfer to oxygen during oxidative phosphorylation in the mitochondria. With Cu2+ homeostasis being of utmost importance, its disturbances in the central nervous system are involved in the mechanisms of many neurodegenerative and other brain disorders.

This study aimed to assess the effects of non-toxic copper ion levels on death of cerebellar granule neurons associated with lipopolysaccharide (LPS; in vitro inflammation model) or azide sodium (NaN3; cytochrome с oxidase inhibitor).

Materials and methods. LPS (10 μg/mL) or NaN3 (250 μM) was added on day 7 to 8 to the culture medium with rat cerebellar cells for 24 hours in vitro. Nitrite concentrations were measured in the culture medium by Griess assay; absorbance was recorded with a spectrophotometer at 540 nm, and morphologically intact cells were counted as survived neurons.

Results. Added to the culture medium, LPS or NaN3 reduced neuron survival to 15 ± 2% or 20 ± 3% vs. control, respectively. Cu2+ (0.5 to 5.0 μM) increased neuron survival in a dose-dependent manner to 78 ± 4% with toxic levels of LPS and to 86 ± 6% with NaN3 with 5 μM Cu2+. The concentration of nitrites in the control culture medium was 2.0 ± 0.2 μM. Added to the cell cultures, LPS increased the concentration of nitrites to 8.5 ± 0.5 μM. Cu2+ 5 μM did not show any significant effects on nitrite accumulation in the culture medium.

Conclusions. We showed that copper ions can exert protective effects on neurons against LPS-induced or NaN3-induced toxicity. This protection is likely to be associated rather with Cu2+ interaction with Complex IV of the electron transfer chain in the mitochondria than with inhibition of NO production. Effects of Cu2+ on apoptosis pathway proteins also cannot be ruled out.

About the authors

Elena V. Stelmashook

Research Center of Neurology

Author for correspondence.
Email: estelmash@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2533-7673

D. Sci. (Biol.), Leading Researcher, Laboratory of Neurobiology and Tissue Engineering, Brain Science Institute

Russian Federation, Moscow

Olga P. Alexandrova

Research Center of Neurology

Email: molka-molka@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0006-9109-1463

Cand. Sci. (Biol.), Researcher, Laboratory of Neurobiology and Tissue Engineering, Brain Science Institute

Russian Federation, Moscow

Elizaveta E. Genrikhs

Research Center of Neurology

Email: genrikhs@neurilogy.ru
ORCID iD: 0000-0002-3203-0250

Cand. Sci. (Biol.), Senior Researcher, Laboratory of Neurobiology and Tissue Engineering, Brain Science Institute

Russian Federation, Moscow

Yeshvandra Verma

Chaudhary Charan Singh University

Email: yeshvandra@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-5994-7501

Department of Toxicology

India, Meerut

Alla B. Salmina

Research Center of Neurology

Email: allasalmina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4012-6348

Professor, Chief Researcher, Head, Laboratory of Neurobiology and Tissue Engineering, Department of Molecular and Cellular Mechanisms of Neuroplasticity, Brain Science Institute

Russian Federation, Moscow

Nickolay K. Isaev

Research Center of Neurology; Lomonosov Moscow State University

Email: nisaev61@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8427-1163

D. Sci. (Biol.), Leading Researcher, Laboratory of Neurobiology and Tissue Engineering, Brain Science Institute, Research Center of Neurology; Department of Cell Biology and Histology, Biological Faculty, Lomonosov Moscow State University

Russian Federation, Moscow; Moscow

References

  1. Gromadzka G., Tarnacka B., Flaga A., Adamczyk A. Copper dyshomeostasis in neurodegenerative diseases-therapeutic implications. Int. J. Mol. Sci. 2020;21(23):9259. doi: 10.3390/ijms21239259
  2. An Y., Li S., Huang X. et al. The role of Copper homeostasis in brain disease. Int J. Mol. Sci. 2022;23(22):13850. doi: 10.3390/ijms232213850
  3. Bost M., Houdart S., Oberli M. et al. Dietary copper and human health: current evidence and unresolved issues. J. Trace Elem. Med. Biol. 2016;35:107–115. doi: 10.1016/j.jtemb.2016.02.006
  4. Сальков В.Н., Худоерков Р.М., Сухоруков В.С. Патогенетические аспекты повреждений головного мозга при болезни Вильсона–Коновалова. Российский вестник перинатологии и педиатрии. 2020;65(6):22–28. Salkov V.N., Khudoerkov R.M., Sukhorukov V.S. Pathogenetic aspects of brain lesions in Wilson–Konovalov disease. Russian Bulletin of Perinatology and Pediatrics. 2020;65(6):22–28 (in Russ.) doi: 10.21508/1027-4065-2020-65-6-22-28
  5. Isaev N.K., Stelmashook E.V., Genrikhs E.E. Role of zinc and copper ions in the pathogenetic mechanisms of traumatic brain injury and Alzheimer's disease. Rev. Neurosci. 2020;31(3):233–243. doi: 10.1515/revneuro-2019-0052
  6. Гулевская Т.С., Чайковская Р.П., Ануфриев П.Л. Патоморфология головного мозга при гепатолентикулярной дегенерации (болезни Вильсона–Коновалова). Анналы клинической и экспериментальной неврологии. 2020;14(2):50–61. Gulevskaya T.S., Chaykovskaya R.P., Anufriev P.L. Cerebral pathology in hepatolenticular degeneration (Wilson disease). Annals of Clinical and Experimental Neurology. 2020;14(2):50–61. (in Russ) doi: 10.25692/ACEN.2020.2.7
  7. Fujimoto Y., Maruta S., Yoshida A., Fujita T. Effect of transition metal ions on lipid peroxidation of rabbit renal cortical mitochondria. Res. Commun. Chem. Pathol. Pharmacol. 1984;44(3):495–498.
  8. Jimenez Del Rio M., Velez-Pardo C. Transition metal-induced apoptosis in lymphocytes via hydroxyl radical generation, mitochondria dysfunction, and caspase-3 activation: an in vitro model for neurodegeneration. Arch. Med. Res. 2004;35(3):185–193. doi: 10.1016/j.arcmed.2004.01.001
  9. Su X.Y., Wu W.H., Huang Z.P. et al. Hydrogen peroxide can be generated by tau in the presence of Cu(II). Biochem. Biophys. Res. Commun. 2007;358(2):661–665. doi: 10.1016/j.bbrc.2007.04.191
  10. Stelmashook E.V., Genrikhs E.E., Kapkaeva M.R. et al. N-acetyl-l-cysteine in the presence of Cu2+ induces oxidative stress and death of granule neurons in dissociated cultures of rat cerebellum. Biochemistry (Mosc.). 2017;82(10):1176–1182. doi: 10.1134/S0006297917100108
  11. Stelmashook E.V., Isaev N.K., Genrikhs E.E., et al. Role of zinc and copper ions in the pathogenetic mechanisms of Alzheimer's and Parkinson's diseases. Biochemistry (Mosc.). 2014;79(5):391–396. doi: 10.1134/S0006297914050022
  12. Agarwal P., Ayton S., Agrawal S. et al. Brain copper may protect from cognitive decline and Alzheimer's disease pathology: a community-based study. Mol. Psychiatry. 2022;27(10):4307–4313. doi: 10.1038/s41380-022-01802-5
  13. Whitehouse M.W., Walker W.R. Copper and inflammation. Agents Actions. 1978;8(1-2):85–90. doi: 10.1007/BF01972407
  14. Berthon G. Is copper pro- or anti-inflammatory? A reconciling view and a novel approach for the use of copper in the control of inflammation. Agents Actions. 1993;39(3–4):210–217. doi: 10.1007/BF01998975
  15. Caetano-Silva M.E., Rund L.A., Vailati-Riboni M. et al. Copper-binding peptides attenuate microglia inflammation through suppression of NF-kB pathway. Mol. Nutr. Food Res. 2021;65(22):e2100153. doi: 10.1002/mnfr.202100153
  16. Bal-Price A., Brown G.C. Inflammatory neurodegeneration mediated by nitric oxide from activated glia-inhibiting neuronal respiration, causing glutamate release and excitotoxicity. J. Neurosci. 2001;21(17):6480–6491. doi: 10.1523/JNEUROSCI.21-17-06480.2001
  17. Ghasemi M., Mayasi Y., Hannoun A. et al. Nitric oxide and mitochondrial function in neurological diseases. Neuroscience. 2018;376:48–71. doi: 10.1016/j.neuroscience.2018.02.017
  18. Singh S., Zhuo M., Gorgun F.M., Englander E.W. Overexpressed neuroglobin raises threshold for nitric oxide-induced impairment of mitochondrial respiratory activities and stress signaling in primary cortical neurons. Nitric Oxide. 2013;32:21–28. doi: 10.1016/j.niox.2013.03.008
  19. Brunori M., Giuffrè A., Forte E. et al. Control of cytochrome c oxidase activity by nitric oxide. Biochim. Biophys. Acta. 2004;1655(1–3):365–371. doi: 10.1016/j.bbabio.2003.06.008
  20. Mason M.G., Nicholls P., Wilson M.T., Cooper C.E. Nitric oxide inhibition of respiration involves both competitive (heme) and noncompetitive (copper) binding to cytochrome c oxidase. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2006;103(3):708–713. doi: 10.1073/pnas.0506562103
  21. Torres J., Wilson M.T. The reactions of copper proteins with nitric oxide. Biochim. Biophys. Acta. 1999;1411(2–3):310–322. doi: 10.1016/s0005-2728(99)00022-5
  22. Larsen F.J., Schiffer T.A., Weitzberg E., Lundberg J.O. Regulation of mitochondrial function and energetics by reactive nitrogen oxides. Free Radic. Biol. Med. 2012;53(10):1919–1928. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2012.08.580
  23. Tsvetkov P., Coy S., Petrova B. et al. Copper induces cell death by targeting lipoylated TCA cycle proteins. Science. 2022;375(6586):1254–1261. doi: 10.1126/science.abf0529
  24. Rubio-Osornio M., Orozco-Ibarra M., Díaz-Ruiz A. et al. Copper sulfate pretreatment prevents mitochondrial electron transport chain damage and apoptosis against MPP+-induced neurotoxicity. Chem. Biol. Interact. 2017;271:1–8. doi: 10.1016/j.cbi.2017.04.016
  25. Islas-Cortez M., Rios C., Rubio-Osornio M. et al. Characterization of the antiapoptotic effect of copper sulfate on striatal and midbrain damage induced by MPP+ in rats. Neurotoxicology. 2021;82:18–25. doi: 10.1016/j.neuro.2020.10.011
  26. Alcaraz-Zubeldia M., Boll-Woehrlen M.C., Montes-López S. et al. Copper sulfate prevents tyrosine hydroxylase reduced activity and motor deficits in a Parkinson's disease model in mice. Rev. Invest. Clin. 2009;61(5):405–411.
  27. Varhaug K.N., Kråkenes T., Alme M.N. et al. Mitochondrial complex IV is lost in neurons in the cuprizone mouse model. Mitochondrion. 2020;50:58–62. doi: 10.1016/j.mito.2019.09.003
  28. Shiri E., Pasbakhsh P., Borhani-Haghighi M. et al. Mesenchymal stem cells ameliorate cuprizone-induced demyelination by targeting oxidative stress and mitochondrial dysfunction. Cell. Mol. Neurobiol. 2021;41(7):1467–1481. doi: 10.1007/s10571-020-00910-6

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Effects of different copper ion levels on survival of cultured rat cerebellar granule neurons.

Download (52KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Copper ions reduced LPS toxicity in cultured rat cerebellar granule neurons.

Download (962KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Copper ions reduce NaN3 toxicity in cultured rat cerebellar granule neurons.

Download (818KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. The levels of nitrites (NO) in the culture medium of rat cerebellar granule neurons.

Download (78KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Stelmashook E.V., Alexandrova O.P., Genrikhs E.E., Verma Y., Salmina A.B., Isaev N.K.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».