ИЗУЧЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МЕХАНИЗМОВ МАРГАНЦЕВОЙ ТОКСИЧНОСТИ

References.
1.
Kalinnikova Y.G., Inozemtseva E.S., Kapilevich L.V. The 

influence 
of 
rhythm 
and 
tempo 
structure 
on 
physiological 

characteristics in aerobics // Theory and Practice of Physical Culture. 
2014. № 9. C. 98-101.

2.
Bieru D. E., Călina M. L., et al. Comparative study of the 

electroencephalographic activity at professional handball and fencers 
players // Journal of Physical Education & Sport / Citius Altius 
Fortius. 2010. 28. p. 16.

3.
Del Percio C., Babiloni C., et al. “Neural efficiency” of 

athletes’ brain for upright standing: A high-resolution EEG study // 
Brain Research Bulletin. 2009. Vol. 79. P. 193-200.

4.
Del Percio C., Infarinato F.
et al. Reactivity of alpha 

rhythms to eyes opening is lower in athletes than non-athletes: a highresolution EEG study // Intern.J. Psychophysiol. 2011. 82(3). P. 240247.

5.
Ermutlu N., Yücesir I., et al. Brain electrical activities 

of dancers and fast ball sports athletes are different // Cognitive 
Neurodynamics. 2015. 9(2). P. 257-263.

DOI:10.12737/12352

ИЗУЧЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МЕХАНИЗМОВ МАРГАНЦЕВОЙ ТОКСИЧНОСТИ

К.А. Захарчева, Л.В. Генинг, В.З. Тарантул

Институт Молекулярной Генетики Российской Академии Наук (ИМГ РАН), 

Москва, РФ

Научный руководитель: Л.В.Генинг

zakharcheva@inbox.ru. Захарчева К.А.

Ионы марганца в больших концентрациях могут
оказывать токсичный 

эффект, приводя к различным заболеваниям нервной системы, в частности 
манганизму 
и 
паркинсонизму. 
Молекулярные 
механизмы 
марганцевой  

токсичности до сих пор точно не известны. Мы предположили, что 
токсичность марганца связана с активацией ошибочной ДНК-полимеразы 
йота, которая совершая ошибки в процессе синтеза ДНК, приводит к 
активации фермента репарации поли(АДФ-рибозо) полимеразы и снижению 
пула NAD, что и приводит к клеточной гибели.

Ключевые слова: марганец, марганцевая токсичность, манганизм, ДНК
полимераза йота, поли(АДФ-рибозо) полимераза

Ионы марганца, 
выполняющие множество биологических функций,  

является необходимыми для нормальной жизнедеятельности человека. Однако 
в больших концентрациях ионы марганца могут  оказывать токсичный  
эффект, приводя к различным заболеваниям нервной системы, в частности 
манганизму 
и 
паркинсонизму. 
До 
сих 
пор 
молекулярные 
механизмы 

марганцевой токсичности точно не изучены. Существует гипотеза, согласно 
которой повышенная концентрация ионов марганца может активировать 
некорректное включение нуклеотидов некоторыми из ДНК-полимераз [2]. По 
данным литературы и нашим данным наиболее вероятным кандидатом на роль 
такого фермента является ДНК-полимераза йота. Этот фермент, в отличие 

от других ДНК-полимераз преимущественно активируется ионами марганца и 
крайне некорректно осуществляет синтез ДНК как в виде гомогенных 
препаратов, так и в экстрактах клеток млекопитающих [3]. 

Для того, чтобы выяснить, связана ли токсичность ионов марганца с 

активностью ДНК-полимеразы йота, мы получили линию клеток  SKOV-3, 
относительно устойчивую к действию ионов марганца. В результате были 
получены клетки, выдерживающие до 200 мкM ионов марганца, в то время 
как значение IC50
исходной линии составляло 80 мкМ Однако активность 

ДНК-полимеразы йота в экстрактах этих клетках не изменилась.

Далее мы предположили, что токсическое действие ДНКполимеразы 

йота 
может 
нейтрализоваться 
поли(АДФ-рибозо) 
полимеразой 
(ПАРП), 

явялющейся основным ферментом, отвечающим за ликвидацию повреждений 
ДНК. При сравнении степени поли(АДФ-рибозилирования) в устойчивых и 
исходных клетках методом иммунологической детекцией поли (АДФ-рибозы), 
было выяснено что уровень активности фермента ПАРП в устойчивых клетках 
в 1,7 раз выше, чем в исходной линии. Вероятно, именно ПАРП ликвидирует 
ошибки ДНК-полимеразы йота в процессе синтеза ДНК, что и позволяет 
устойчивым 
клеткам 
выжить 
в 
присутствии 
токсичных 
концентраций 

марганца. Однако, из литературных данных известно, что повышенная 
активность ПАРП может негативно сказываться на пролиферации клеток и, в 
итоге, приводить к их гибели по механизму, получившему название 
Партанатоз [1]. Полученные нами клетки, устойчивые к ионам марганца, и 
в самом деле обладали низкой скоростью роста по сравнению с исходными 
клетками. При
этом добавление ингибитора ПАРП в культуральную среду 

повышало скрость их роста.

Таким образом, полученные нами данные позволили сформулировать 

гипотезу, согласно которой повышенная концентрация ионов марганца 
вызывает возникновение большого числа повреждений ДНК в клетках из-за 
активации ДНК-полимеразы йота, что в свою очередь приводит к активации 
ПАРП и интенсивному накоплению продуктов поли (АДФ-рибозилирования) и 
снижению пула NAD, что я вляется источником токсичности для клеток.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Andrabi, S.A., Kim, N.S., Yu, S.W., Wang, H., Koh, D.W., 

Sasaki, M., Klaus, J.A., Otsuka,T., Zhang, Z., Koehler, R.C., Hurn, 
P.D., 
Poirier, 
G.G., 
Dawson, 
V.L., 
Dawson, 
T.M. 
(2006) 

Proc.Nattl.Acad.Sci.U.S.A., 103, 18308-18313.

2. Bornhorst J., Ebert F., Hartwig A., Michalke B., Schwerdtle T. 

(2010) J. Environ. Monit., 12, 2062-2069.

3. Kazakov A.A., Grishina E.E., Tarantul V.Z., Gening L.V. (2010) 

Biochemistry, 75, 1031-1039.

THE POSSIBLE MOLECULAR MECHANISMS OF MANGANESE-INDUCED 

TOXICITY

Zakharcheva K.A., Gening L.V., Tarantul V.Z.

Sechenov First Moscow State Medical University. Russia. 

eayumatov@mail.ru

Manganese is an essential metal for humans and performs a lot of 

biological functions.  However, manganese, at
higher doses, is the 

toxic metal, which can lead to such illnesses as Parkinson’s disease 
and “manganism”. The molecular mechanisms of manganese-induced toxicity 
are still unknown. There is the hypothesis according to which the 
presence of manganese’s overabundance can induce the incorrect 
incorporation of nucleotides by some DNA-polymerases during the DNAsynthesis [1]. DNA-polymerase ι (Pol ι) is the likely candidate for the 
role of such enzyme, as  Pol ι is the only DNA-polymerase, that is more 
efficient activated by Mn2+ than by Mg2 and incorporate dG opposite dT 
[2] .

We received the resistance cell line from SKOV-3, which survived 

in the presence of toxic manganese’s concentration to know if the 
manganese-induced toxicity relates to activity of Pol ι. As a result 
the new cell line survives in the presence of 200 mkM Mn2+ whereas the 
IC50 of SKOV-3 is 80 mkM Mn2+. However the activity of Pol ι in new cell 
lines is the same as in SKOV-3.

We supposed , that the manganese-induced toxicity can be 

neutralized by poly(ADP-rybose) polymerase (PARP), which is the main 
enzyme that responses for elimination of DNA breaks. We compared the 
extent of poly(ADP-ribosyl)ation, which was determined by immunological 
detection of poly(ADP-rybose), and established that the level of PARP 
activity is higher in 1.7 times in new cell line than in SKOV-3. 
Perhaps enzyme PARP delets the DNA-breaks during the DNA-synthesis and 
allows new cells to survive in the presense of toxic manganese’s 
concentration. However, PARP superactivity can lead to the impairment 
of cell functions and induce the caspase-independent programmed cell 
death Parthanatos [3]. The new resistant cells have really low 

proliferative rate in comparison with SKOV-3 and PARP inhibition 
increases their proliferative rate.

So according to the received results we sugest the hypothesis that 

the overabundance of manganese leads to numerous DNA-breaks through 
activation Pol ι and therefore induces PARP activation led to  NAD+ 
depletion. This fact can be the source of manganese-induced toxicity 
for cells.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Bornhorst J., Ebert F., Hartwig A., Michalke B., Schwerdtle T. 

(2010) J. Environ. Monit., 12, 2062-2069.

2. Kazakov A.A., Grishina E.E., Tarantul V.Z., Gening L.V. (2010) 

Biochemistry, 75, 1031-1039.

3. Andrabi, S.A., Kim, N.S., Yu, S.W., Wang, H., Koh, D.W., 

Sasaki, M., Klaus, J.A., Otsuka,T., Zhang, Z., Koehler, R.C., Hurn, 
P.D., 
Poirier, 
G.G., 
Dawson, 
V.L., 
Dawson, 
T.M. 
(2006) 

Proc.Nattl.Acad.Sci.U.S.A., 103, 18308-18313.
DOI:10.12737/12353

РОЛЬ КОТРАНСМИТЕРОВ В РЕГУЛЯЦИИ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СЕРДЦА КРЫС В 

ПОСТНАТАЛЬНОМ ОНТОГЕНЕЗЕ

А.А. Зверев, Т.А. Аникина, А.В. Крылова, Т.Л. Зефиров