Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1100010.32607/actanaturae.11000ReviewsОбзорыResearch ArticleSupramolecular organization as a factor of ribonuclease cytotoxicityНадмолекулярная организация как фактор цитотоксичности рибонуклеазDudkinaElena V.ДудкинаЕлена Владимировна
Russian Federation
lenatimonina@rambler.ruUlyanovaVera V.УльяноваВера Владимировна
Russian Federation
ulyanova_vera@mail.ruIlinskayaOlga N.ИльинскаяОльга Николаевна
Russian Federation
ilinskaya_kfu@mail.ruInstitute of Fundamental Medicine and Biology, Kazan (Volga Region) Federal UniversityИнститут фундаментальной медицины и биологии Казанского (Приволжского) федерального университета2710202012324331105202029062020Copyright ©; 2020, Dudkina E.V., Ulyanova V.V., Ilinskaya O.N.Copyright ©; 2020, Дудкина Е.В., Ульянова В.В., Ильинская О.Н.2020Dudkina E.V., Ulyanova V.V., Ilinskaya O.N.Дудкина Е.В., Ульянова В.В., Ильинская О.Н.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/11000

One of the approaches used to eliminate tumor cells is directed destruction/modification of their RNA molecules. In this regard, ribonucleases (RNases) possess a therapeutic potential that remains largely unexplored. It is believed that the biological effects of secreted RNases, namely their antitumor and antiviral properties, derive from their catalytic activity. However, a number of recent studies have challenged the notion that the activity of RNases in the manifestation of selective cytotoxicity towards cancer cells is exclusively an enzymatic one. In this review, we have analyzed available data on the cytotoxic effects of secreted RNases, which are not associated with their catalytic activity, and we have provided evidence that the most important factor in the selective apoptosis-inducing action of RNases is the structural organization of these enzymes, which determines how they interact with cell components. The new idea on the preponderant role of non-catalytic interactions between RNases and cancer cells in the manifestation of selective cytotoxicity will contribute to the development of antitumor RNase-based drugs.

Одним из подходов к элиминации опухолевых клеток является направленная деструкция/модификация молекул их РНК, поэтому считается, что рибонуклеазы (РНКазы) обладают терапевтическим потенциалом, во многом еще не изученным. Предполагается, что биологические эффекты секретируемых РНКаз, а именно их противоопухолевые и противовирусные свойства, обусловлены каталитической активностью. Однако ряд современных данных опровергает исключительную роль ферментативной активности РНКаз в проявлении их селективной цитотоксичности по отношению к раковым клеткам. В настоящем обзоре мы анализируем современные данные о цитотоксических эффектах секретируемых РНКаз, проявляющихся без участия каталитической активности, и приводим доказательства того, что важнейшим фактором селективного апоптозиндуцирующего действия РНКаз является структурная организация ферментов, обуславливающая их взаимодействие с компонентами клетки. Приведенные доказательства в пользу приоритетной роли некаталитических взаимодействий РНКаз с раковыми клетками в проявлении избирательной цитотоксичности внесут вклад в разработку противоопухолевых препаратов на базе РНКаз.

ribonucleasedimeroligomerizationcatalytic activitycytotoxicityantitumor activityрибонуклеазадимеролигомеризациякаталитическая активностьцитотоксичностьпротивоопухолевая активностьРоссийский научный фондRussian Science Foundation18-74-00108This work was performed in frames of the Russian Government Program for Competitive Growth of Kazan Federal University and supported by grants from the RSF (project No 18-74-00108).Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 18-74-00108 в рамках программы повышения конкурентоспособности ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет».Nucleases / Eds Linn S.M., Lloyd R.S., Roberts R.J. Cold Spring Harbor, N.Y.: Cold Spring Harbor Lab. Press, 1994.Bechhofer D.H., Deutscher M.P. // Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol. 2019. V. 54. P. 242–300.Ezelle H.J., Malathi K., Hassel B.A. // Int. J. Mol. Sci. 2016. V. 17. P. 74.Lee H., Lee D.G. // J. Microbiol. Biotechnol. 2019. V. 29. P. 1014–1021. doi:10.4014/jmb.1904.04017.Ramos H.J., Souza E.M., Soares-Ramos J.R., Pedrosa F.O. // J. Biotechnol. 2006. V. 126. P. 291–294. doi:10.1016/j.jbiotec.2006.04.020.Olombrada M., Martínez-del-Pozo A., Medina P., Budia F., Gavilanes J.G., García-Ortega L. // Toxicon. 2014. V. 83. P. 69–74. doi:10.1016/j.toxicon.2014.02.022.Rossier O., Dao J., Cianciotto N.P. // Microbiology. 2009. V. 155. P. 882–890. doi:10.1099/mic.0.023218-0.Agaisse H., Gominet M., Okstad O.A., Kolstø A.B., Lereclus D. // Mol. Microbiol. 1999. V. 32. P. 1043–1053. doi:10.1046/j.1365-2958.1999.01419.x.Shah Mahmud R., Garifulina K.I., Ulyanova V.V., Evtugyn V.G., Mindubaeva L.N., Khazieva L.R., Dudkina E.V., Vershinina V.I., Kolpakov A.I., Ilinskaya O.N. // Mol. Gen. Microbiol. Virol. 2017. V. 32. P. 87–93. doi:10.3103/S0891416817020082Шах Махмуд Р., Гарифулина К.И., Ульянова В.В., Евтюгин В.Г., Миндубаева Л.Н., Хазиева Л.Р., Дудкина Е.В., Вершинина В.И., Колпаков А.И., Ильинская О.Н. // Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2017. T. 35. C. 59–64. doi 10.18821/0208-0613-2017-35-2-59-64.Maksimov I.V., Sorokan A.V., Burkhanova G.F., Veselova S.V., Alekseev V.Yu., Shein M.Yu., Avalbaev A.M., Dhaware P.D., Mehetre G.T., Singh B.P., Khairullin R.M. // Plants (Basel). 2019. V. 8. P. 575. doi: 10.3390/plants8120575.Sassa H. // Breed Sci. 2016. V. 66. P. 116–121. doi:10.1270/jsbbs.66.116.Lee H.H., Wang Y.N., Hung M.C // Mol. Aspects Med. 2019. V. 70. P. 106–116. doi:10.1016/j.mam.2019.03.003.Wang Y.N., Lee H.H., Chou C.K., Yang W.H., Wei Y., Chen C.T., Yao J., Hsu J.L., Zhu C., Ying H. // Cancer Cell. 2018. V. 33. P. 752–769. doi:10.1016/j.ccell.2018.02.012.Majchrzak A., Witkowska M., Mędra A., Zwolińska M., Bogusz J., Cebula-Obrzut B., Darzynkiewicz Z., Robak T., Smolewski P. // Postepy Hig. Med. Dosw. 2013. V. 67. P. 1166–1172.Wang X., Guo Z // Oncol. Lett. 2015. V. 9. P. 1337–1342. doi: 10.3892/ol.2014.2835.Marinov I., Soucek J. // Neoplasma. 2000. V. 47. P. 294–298.Fiorini C., Gotte G., Donnarumma F., Picone D., Donadelli M. // Biochim. Biophys. Acta. 2014. V. 1843. P. 976–984. doi: 10.1016/j.bbamcr.2014.01.025Mitkevich V.A., Ilinskaya O.N., Makarov A.A. // Cell Cycle. 2015. V. 14. P. 931–932.Mitkevich V.A., Burnysheva K.M., Pterushanko I.Y., Adzhubei A.A., Schulga A.A., Chumakov P.M., Makarov A.A. // Oncotarget. 2017. V. 8. P. 72666–72675. doi: 10.18632/oncotarget.20199.Makarov A.A., Kolchinsky A., Ilinskaya O.N. // Bioessays. 2008. V. 8. P. 781–790.Mitkevich V.A., Kretova O.V., Petrushanko I.Y., Burnysheva K.M., Sosin D.V., Simonenko O.V., Ilinskaya O.N., Tchurikov N.A., Makarov A.A. // Biochimie. 2013. V. 95. P. 1344–1349. doi: 10.1016/j.biochi.2013.02.016.Surchenko Y., Dudkina E., Nadyrova A., Ulyanova V., Zelenikhin P., Ilinskaya O. // BioNanoScience. 2020. https://doi.org/10.1007/s12668-020-00720-6.Sevcik J., Sanishvili R.G., Pavlovsky A.G., Polyakov K.M. // Trends Biochem. Sci. 1990. V. 15. P. 158–162.Ulyanova V., Vershinina V., Ilinskaya O. // FEBS J. 2011. V. 278. P. 3633–3643.Makarov A.A., Ilinskaya O.N. // FEBS Lett. 2003. V. 540. P. 15–20.Nakamura A., Koide Y., Miyazaki H., Kitamura A., Masaki H., Beppu T., Uozumi T. // Eur. J. Biochem. 1992. V. 209. P. 121–127. doi:10.1111/j.1432-1033.1992.tb17268.x.Skvortsova M.A., Bocharov A.L., Yakovlev G.I., Znamenskaya L.V. // Biochemistry (Moscow). 2002. V. 67. P. 802–806. doi:10.1023/a:1016356926125.Yoshida H. // Methods Enzymol. 2001. V. 341. P. 28–41.Dementiev A.A., Orlov V.M., Shlyapnikov S.V. // Russian J. Bioorg. Chem. 1993. V. 19. P. 853–861.Дементьев А.А., Орлов В.М., Шляпников С.В. // Биоорган. химия. 1993. T. 19. C. 853–861.Ulyanova V., Vershinina V., Ilinskaya O., Harwood C.R. // Microbiol. Res. 2015. V. 170. P. 131–138. doi:10.1016/j.micres.2014.08.005.Botella E., Hübner S., Hokamp K., Hansen A., Bisicchia P., Noone D., Powell L., Salzberg L.I., Devine K.M. // Microbiology. 2011. V. 157. P. 2470–2484.Kharitonova M.A., Vershinina V.I. // Microbiology. 2009. V. 78. P. 223–228. https://doi.org/10.1134/S0026261709020088.Харитонова М.А., Вершинина В.И. // Микробиология. 2009. T. 78. C. 187–192.Sokurenko Yu.V., Zelenikhin P.V., Ulyanova V.V., Kolpakov A.I., Muller D., Ilinskaya O.N. // Russian Journal of Bioorg. Chem. 2015. V. 41. P. 31–36.Сокуренко Ю.В., Зеленихин П.В., Ульянова В.В., Колпаков А.И., Мюллер Д., Ильинская О.Н. // Биоорган. химия. 2015. T. 41. C. 37–43.Jackson E.K., Mi Z., Janesko-Feldman K., Jackson T.C., Kochanek P.M. // Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 2019. V. 316. P. R783–R790.Ulyanova V., Shah Mahmud R., Dudkina E., Vershinina V., Domann E., Ilinskaya O. // J. Gen. Appl. Microbiol. 2016. V. 62. P. 181–188.Leshchinskaia I.B., Kupriyanova F.G., Yakovlev G.I., Kipenskaya L.V., Ilinskaya O.N. // Karadeniz J. Med. Sci. 1995. V. 8. P. 218–219.Ilinskaya О.N., Krylova N.I. // PriU bioWim mikrobiol. 1993. V. 29. P. 280–285.Hartley R.W., Rogerson D.L. Jr // Prep. Biochem.1972. V. 2. P. 229–242.Hartley R.W., Rogerson D.L., Jr. // Prep. Biochem.1972. V. 2. P. 229–242.Leshchinskaia I.B., Bulgakova R. Sh., Balaban N.P., Egorova G.S. // Applied biochemistry and microbiology. 1974. V. 10. P. 242–247.Лещинская И.Б., Булгакова Р.Ш., Балабан Н.П., Егорова Г.С. // Прикладная биохимия и микробиология. 1974. Т. 10. С. 242–247.Dudkina E., Ulyanova V., Shah Mahmud R., Khodzhaeva V., Dao L., Vershinina V., Kolpakov A., Ilinskaya O. // FEBS Open Bio. 2016. V. 6. P. 24–32.Sokurenko Yu., Nadyrova A., Ulyanova V., Ilinskaya O. // BioMed Res. Int. 2016. http://dx.doi.org/10.1155/2016/4239375.Dementiev A.A., Ryabchenko N.F., Protasevich I.I., Golyshin P.N., Stepanov A.I., Orlov V.M., Pustobaev V.N., Makarov A.A., Moiseev G.P., Karpeysky M.Y. et al. Mol Biol. 1992. T. 26. P. 1338–1348.Дементьев А.А., Рябченко Н.Ф., Протасевич И.И., Голышин П.Н., Степанов А.И., Орлов В.Н., Пустобаев В.Н., Макаров А.А., Моисеев Г.И., Карпейский М.Я., Шляпников С.В., Кирпичников М.П. // Мол. биол. 1992. T. 26. C. 1338–1348.Marianayagam N.J., Sunde M., Matthews J.M. // Trends Biochem. Sci. 2004. V. 29. P. 618–625.Dudkina E., Kayumov A., Ulyanova V., Ilinskaya O. // PLoS One. 2014. V. 9. P. e115818. doi:10.1371/journal.pone.0115818.Dudkina E., Ulyanova V., Ilinskaya O. // BioNanoScience. 2017. V. 7. P. 127–129. https://doi.org/10.1007/s12668-016-0305-y.Poliakov K.M., Goncharuk D.A., Trofimov A.A., Safonova T.N., Mit’kevich V.A., Tkach E.N., Makarov A.A., Shulga A.A. // Mol. Biol. 2010. V. 44. P. 922–928.Polyakov K.M., Lebedev A.A., Okorokov A.L., Panov K.I., Shulga A.A., Pavlovsky A.G., Karpeisky M.Y., Dodson G.G. // Acta Cryst. D Biol. Crystallogr. 2002. V. 58. P. 744–750.Aphanasenko G.A., Dudkin S.M., Kaminir L.B., Leshchinskaya I.B., Severin E.S. // FEBS Lett. 1979. V. 97. P. 77–80.Mitkevich V.A., Schulga A.A., Trofimov A.A, Dorovatovskii P.V., Goncharuk D.A., Tkach E.N., Makarov A.A., Polyakov K.M. // Acta Cryst. D Biol. Crystallogr. 2003. V. 69. P. 991–996.Ermakova E. // Biophys. Chem. 2007. V. 130. P. 26–31.Breitwieser G.E. // Circ. Res. 2004. V. 94. P. 17–27.Hirota S. // J. Inorg. Biochem. 2019. V. 194. P. 170–179. doi: 10.1016/j.jinorgbio.2019.03.002.Orlikowska M., Jankowska E., Kolodziejczyk R., Jaskolski M., Szymanska A // J. Struct. Biol. 2011. V. 173. P. 406–413. doi: 10.1016/j.jsb.2010.11.009.Liu C., Sawaya M.R., Eisenberg D. // Nat. Struct. Mol. Biol. 2011. V. 18. P. 49–55. doi: 10.1038/nsmb.1948.Anfinsen C.B. // Science. 1973. V. 181. P. 223–230. doi: 10.1126/science.181.4096.223.Bennett M.J., Schlunegger M.P., Eisenberg D. // Protein Sci. 1995. V. 4. P. 2455–2468. doi: 10.1002/pro.5560041202.Liu Y., Eisenberg D. // Protein Sci. 2002. V. 11. P. 1285–1299. doi: 10.1110/ps.0201402.Wang L., Pang Y., Holder T., Brender J.R., Kurochkin A.V., Zuiderweg E.R. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2011. V. 98. P. 7684–7689. doi:10.1073/pnas.121069998.Bennett M.J., Sawaya M.R., Eisenberg D. // Structure. 2006. V. 14. P. 811–824. doi: 10.1016/j.str.2006.03.011.Garvie C.W., Vasanthavada K., Xiang Q. // Biochim. Biophys. Acta. 2013. V. 1834. P. 1562–1571.Lin R.J., Chien H.L., Lin S.Y., Chang B.L., Yu H.P. // Nucl. Acids Res. 2013. V. 41. P. 3314–3326.Gotte G., Mahmoud Helmy A., Ercole C., Spadaccini R., Laurents D.V., Donadelli M., Picone D. // PLoS One. 2012. doi: 10.1371/journal.pone.0046804.Zuo Y., Deutscher M.P. // J. Biol. Chem. 2002. V. 277. P. 50160–50164.Mathy N., Hebert A., Mervelet P., Benard L., Dorleans A., Sierra-Gallay I.L., Noirot P., Putzer H., Condon C. // Mol. Microbiol. 2010. V. 75. P. 489–498.Gotte G., Laurents D.V., Merlino A., Picone D., Spadaccini R. // FEBS Lett. 2013. V. 587. P. 3601–3608.Merlino A., Ercole C., Picone D., Pizzo E., Mazzarella L., Sica F. // J. Mol. Biol. 2008. V. 376. P. 427–437.Gotte G., Libonati M. // J. Biol. Chem. 2004. V. 279. P. 36670–36679.Crestfield A.M., Stein W.H., Moore S. // Arch. Biochem. Biophys. 1962. V. 1. P. 217–222.Benito A., Laurents D.V., Ribo M., Vilanova M. // Curr. Protein Pept. Sci. 2008. V. 9. P. 370–393. doi: 10.2174/138920308785132695.Libonati M., Gotte G. // Biochem J. 2004. V. 380. P. 311–327. doi: 10.1042/bj20031922.Gotte G., Laurents D.V., Libonati M. // Biochim. Biophys. Acta. 2006. V. 1764. P. 44–54.Gotte G., Bertoldi M., Libonati M. // Eur. J. Biochem. 1999. V. 265. P. 680–687. doi: 10.1046/j.1432-1327.1999.00761.x.Fagagnini A., Pica A., Fasoli S., Montioli R., Donadelli M., Cordani M., Butturini E., Acquasaliente L., Picone D., Gotte G. // Biochem. J. 2017. V. 474. P. 3767–3781. doi: 10.1042/BCJ20170541.Libonati M., Gotte G., Vottariello F. // Curr. Pharm. Biotechnol. 2008. V. 9. P. 200–209. doi: 10.2174/138920108784567308.Notomista E., Mancheno J.M., Crescenzi O., Di Donato A., Gavilanes J., D’Alessio G. // FEBS J. 2006. V. 273. P. 3687–3697. doi: 10.1111/j.1742-4658.2006.05373.x.Sundlass N.K., Eller C.H., Cui Q., Raines R.T. // Biochemistry. 2013. V. 52. P. 6304–6312. doi: 10.1021/bi400619m.Shah Mahmud R., Mostafa A., Müller C., Kanrai P., Ulyanova V., Sokurenko Y., Dzieciolowski J., Kuznetsova I., Ilinskaya O., Pleschka S. // Virol. J. 2018. V. 15. P. 1–12. doi: 10.1186/s12985-017-0915-1.Kim J.S., Soucek J., Matousek J., Raines R.T. // Biochem. J. 1995. V. 308. P. 547–550.Rosenberg H.F. // J. Biol. Chem. 1995. V. 270. P. 7876–7881.Alford S., Pearson J., Carette A., Ingham R., Howard P. // BMC Biochem. 2009. doi: 10.1186/1471-2091-10-9.Navarro S., Aleu J., Jimenez M., Boix E., Cuchillo C.M., Nogues M.V. // Cell. Mol. Life Sci: CMLS. 2008. V. 65. P. 324–337.Sorrentino S., Libonati M. // FEBS Lett. 1997. V. 404. P. 1–5.Blaszczyk J., Gan J., Tropea J.E., Court D.L., Waugh D.S. // Structure. 2004. V. 12. P. 457–466.Mitkevich V.A., Tchurikov N.A., Zelenikhin P.V., Petrushanko I.Y., Makarov A.A., Ilinskaya O.N. // FEBS J. 2010. V. 277. P. 186–196.Mitkevich V.A., Petrushanko I.Y., Spirin P.V., Fedorova T.V., Kretova O.V., Tchurikov N.A., Prassolov V.S., Ilinskaya O.N., Makarov A.A. // Cell Cycle. 2011. V. 10. P. 4090–4097.Ardelt B., Ardelt W., Darzynkiewicz Z. // Cell Cycle. 2003. V. 2. P. 22–24.Haigis M.C., Raines R.T. // J. Cell Sci. 2003. V. 116. P. 313–324. doi: 10.1242/jcs.00214Kanwar S.S., Kumar R. // Enz. Eng. 2017. doi: 10.4172/2329-6674.1000162.Trevino S.R., Scholtz M., Pace C.N. // J. Mol. Biol. 2007. V. 366. P. 449–460.Bracale A., Spalletti C.D., Mastronicola M.R. // Biochem. J. 2002. V. 362. P. 553–560.Ran S., Downes A., Thorpe P.E. // Cancer Res. 2002. V. 62. P. 6132–6140.Ilinskaya O., Decker K., Koschinski A., Dreyer F., Repp H. // Toxicology. 2001. V. 156. P. 101–107.Ilinskaya O.N., Koschinski A., Mitkevich V.A., Repp H., Dreyer F., Pace C.N., Makarov A.A. // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2004. V. 314. P. 550–554.Futami J., Yamada H. // Curr. Pharm. Biotechnol. 2008. V. 9. P. 180–184. doi: 10.2174/138920108784567326.Cabrera-Fuentes H.A., Kalacheva N.V., Mukhametshina R.T., Zelenichin P.V., Kolpakov A.I., Barreto G., Praissner K.T., Ilinskaya O.N. // Biomed. Khim. 2012. V. 58. P. 272–280.Ilinskaya O.N., Singh I., Dudkina E.V., Ulyanova V.V., Kayumov A., Barreto G. // Biochim. Biophys. Acta. 2016. V. 1863. P. 1559–1567.Rodriguez M., Torrent G., Bosch M., Rayne F., Dubremetz J.F., Ribó M., Benito A., Vilanova M., Beaumelle B. // J. Cell Sci. 2007. V. 120. P. 1405–1411. doi: 10.1242/jcs.03427.Furia A., Moscato M., Cali G., Pizzo E., Confalone E., Amoroso M.R., Esposito F., Nitsch L., D’Alessio G. // FEBS Lett. 2011. V. 585. P. 613–617. doi: 10.1016/j.febslet.2011.01.034.Monti D.M., Montesano G.N., Matousek J., Esposito F., D’Alessio G. // FEBS Lett. 2007. V. 581. P. 930–934. doi: 10.1016/j.febslet.2007.01.072.