A glioxaláz rendszer az életkorral összefüggő betegségekben: táplálkozási beavatkozás, mint öregedésgátló stratégia 1. rész

Kérlek keress feloscar.xiao@wecistanche.comtovábbi információért

Absztrakt:A glioxaláz rendszer kritikus fontosságú a fejlett glikációs végtermékek (AGE-k) méregtelenítésében. Az AGE-k toxikus vegyületek, amelyek a biomolekulák cukrok vagy metabolitjaik általi nem enzimatikus módosításából származnak, a glikációnak nevezett folyamaton keresztül. Az AGE-k számos szövetre káros hatást gyakorolnak, és patogén szerepet játszanak a molekuláris és sejtöregedés progressziójában. A különböző anti-AGE mechanizmusok életkorral összefüggő hanyatlása miatt, beleértve a méregtelenítő mechanizmusokat és a proteolitikus kapacitásokat, a glikált biomolekulák a normál öregedés során szövetfüggő módon halmozódnak fel szervezetünkben. Ilyen szempontból az AGE-ellenes méregtelenítő rendszereket terápiás célpontként javasolják az AGE felhalmozódásával és citotoxicitásával összefüggő patológiás diszfunkció leküzdésére. Itt összefoglaljuk a glikációs stressz elleni védekezési mechanizmusokkal kapcsolatos jelenlegi ismereteket, különös tekintettel a glioxaláz rendszerre, mint a glikáció reaktív intermediereinek méregtelenítésének elsődleges mechanizmusára. Ez az áttekintés a glioxaláz 1-re (GLO1), a glioxaláz rendszer első enzimére, valamint e katalitikus folyamat sebességkorlátozó enzimére összpontosít. Bár a GLO1 mindenütt expresszálódik, a fehérjeszinteket és -aktivitásokat szövetfüggő módon szabályozzák. Összehasonlító elemzést adunk a GLO1 fehérjéről különböző szövetekben. Eredményeink azt mutatják, hogy a glioxaláz rendszer szerepet játszik a szem retina homeosztázisában, egy nagyon oxigénnel telített szövetben, amely gyors fehérjecserével rendelkezik. Leírjuk továbbá a glioxaláz rendszer modulálását, mint terápiás célpontot az életkorral összefüggő betegségek kialakulásának késleltetésére, és összefoglaljuk a szakirodalmat, amely leírja a glioxaláz rendszert moduláló tulajdonságokkal rendelkező táplálkozási vegyületekkel kapcsolatos jelenlegi ismereteket.

Kulcsszavak:glikációs stressz; glioxaláz rendszer; öregedés; proteotoxicitás

További információért kattintson ide

1. Bevezetés: Glikatív stressz és egészségtelen öregedés

Egyre több szakirodalom utal arra, hogy a sérült fehérjék felhalmozódása az öregedés és számos, az életkorral összefüggő betegség, köztük a 2-es típusú cukorbetegség, a rák, a neurodegeneratív, szív- és érrendszeri és a szemmel összefüggő rendellenességek sajátos jellemzője [1-7]. Az aberráns fehérjék rontják a sejt homeosztázist azáltal, hogy nem funkcionális és toxikus aggregátumokat képeznek, és ez nemcsak az aberráns fehérje inaktiválásához vezet, hanem más esszenciális fehérjék működését is károsíthatja a fehérjeminőség-ellenőrző gépezet terhelése vagy elégtelensége miatt. a cellában. Az egyik kiemelkedő mechanizmus, amely aberráns molekulákhoz vezet, a fejlett glikációs végtermékek (AGE-k) általi módosítás.

Dikarbonilvegyületek keletkeznek

különböző metabolikus útvonalakból (1. ábra), amelyek az étrendi cukor- és szénhidrát-anyagcserét foglalják magukban az AGE-k kialakításához. Ezek a dikarbonilvegyületek kölcsönhatásba lépnek biomolekulákkal, például fehérjékkel, lipidekkel és nukleinsavakkal egy nem enzimatikus poszttranszlációs módosulásban, amelyet glikációnak neveznek. A főbb glikáló dikarbonil szerek a metilglioxál (MG), a glioxál vagy a 3-dezoxiglukozon [8]. Ezek a dikarbonilok alacsony szinten maradnak homeosztatikus körülmények között, de az öregedési folyamat kóros szintre emeli ezeket a glikáló reagenseket, fokozva a toxikus AGE-k képződését, és végső soron a szövetek alkalmasságát. Tekintettel arra, hogy az AGE-k kialakulása a glükózkoncentrációtól függ, a magas glikémiás étrend vagy a cukorbetegség fogyasztása az AGE-k drámai szisztémás felhalmozódásához vezet. Ez közvetlenül összefügg a megváltozott anyagcserével, a fokozott gyulladással és a súlyos egészségügyi állapotok progressziójával. Ezzel szemben az alacsony glikémiás diéták fogyasztása korlátozza az AGE felhalmozódását, és egyes betegségek lassabb progressziójával jár [9-13]. Ebben az összefüggésben a hiperglikémia további stresszt jelent a glikált fehérjék életkorral összefüggő termelésére, és súlyosbítja az AGE-k lerakódásának a szervek működésére gyakorolt ​​káros következményeit.

1. ábra. A -dikarbonilok képződésének és méregtelenítésének vázlatos diagramja az AGE-eredetű öregedési károsodások ellen. Az erősen reakcióképes dikarbonilok, például a metilglioxál (MG) képződése a glikolitikus köztitermékek, köztük a dihidroxi-aceton-foszfát és a glicerinaldehid-3-foszfát, valamint más források, köztük az aminosav- és lipid-anyagcsere nem enzimatikus lebontása révén történik. Az AGE károsodásának elkerülése érdekében a glioxaláz rendszer egy elsődleges mechanizmus, amely korlátozza az AGE-k szintézisét, és a nagy reakcióképességű biomolekulákat, például az MG-t kevésbé reaktív biomolekulákká (D-laktát) alakítja át. Ez a folyamat két enzim, a GLO1 és GLO2, valamint a glutation redukált formájának (GSH) egymás utáni aktivitását foglalja magában. Egyéb méregtelenítő mechanizmusok a DJ-1, az aldehid-dehidrogenázok (ALDH-k), az aldo-keto-reduktázok (AKR-ek) és az acetoacetát-lebontó enzimek aktivitására utalnak. Miután kialakultak, az AGE-k két proteolitikus úton tisztíthatók: az ubiquitin-proteasoma (UPS) rendszer és az autofágia. Ezek a védőmechanizmusok (zöld színnel kiemelve) lelassulnak az öregedés során, és hozzájárulnak az életkorral összefüggő betegségek, például a neurodegeneráció, a szemmel összefüggő betegségek (AMD, szürkehályog, DR), nephropathiák, metabolikus szindróma és rák kialakulásához. GLO1: glioxaláz 1; GLO2: glioxaláz 2; GSH: glutation.

A Cistanche öregedésgátló hatású

A túlzott glikációs stressz elősegíti a fehérje oldhatatlanságát, deregulálja a jelátviteli és fehérjeminőség-ellenőrzési útvonalakat. AGE-ból származó változások a proteom perturb jelátviteli útvonalakban a szövetfiziológiában (MAP/ERK, JAK-STAT és PI3K-AKT útvonalak), amelyek több sejtfunkcióban, köztük gyulladásban, apoptózisban, ER-stresszben szerepet játszó transzkripciós faktorok nukleáris transzlokációjához vezetnek. , autofágia, oxidatív stressz, mitokondriális funkció stb. (lásd [2,14]). A glikált fehérjék túlterhelhetik vagy korlátozhatják a proteolitikus kapacitások működését. Ezek a változások végső soron hozzájárulnak az életkorral összefüggő többszörös rendellenességek kialakulásához.

Számos tanulmány kimutatta, hogy az MG és az MG-eredetű AGE-k kialakulása fontos tényező a cukorbetegség és szövődményei, például a retinopátia, a nephropathia és a neuropathia patogenezisében [15-19]. A dikarbonil-stressz az elhízás és a szív- és érrendszeri betegségek közvetítője is [20,21]. Az MG számos mechanizmuson keresztül járulhat hozzá az atherosclerosishoz, beleértve az MG-eredetű AGE-k felhalmozódását az atheroscleroticus plakkokban [22] és az MG-indukálta alacsony sűrűségű lipoprotein glikációt [23]. Az MG és a magas vérnyomás közötti összefüggést több tanulmány is megfigyelte, ami megnövekedett MG-szintet mutatott az aortában és a veseszövetekben [24,25]. Számos tanulmány azt is megerősítette, hogy az AGE-k felhalmozódása összefüggésben áll számos neurodegeneratív rendellenességgel, így hatással van az agyműködésre, mint például az Alzheimer-kór, a Parkinson-kór és a skizofrénia [26-28]. Az AGE felhalmozódása és az öregedéssel összefüggő következmények közötti kapcsolat egyik legjobb példája a szemszövetekben fordul elő, ami glikáció által kiváltott szemszöveti rendellenességeket, például szürkehályogot, időskori makuladegenerációt (AMD) és diabéteszes retinopátiát (DR) eredményez [{ {15}}]. Ami a vakság vezető okait, a szürkehályogot illeti, a lencsekristályok az AGE-melléktermékek felhalmozódása következtében az életkor előrehaladtával fokozatosan sárgásbarna pigmentté válnak [31]. A lencse mellett a retina AGE-ja az életkorral és a cukorbetegséggel együtt növekszik, különösen a külső retinában. Az AMD a fejlett országokban a vakság vezető oka az idősek körében. Magasabb AGE-szintet találtak az AMD-s betegekben a kontroll alanyokhoz képest, valamint az AMD egérmodellekben [32-36]. A DR-t az AGE-k felhalmozódása jellemzi a retinában, ami mikrovaszkuláris károsodást okoz [37].mikronizált tisztított flavonoid frakció 1000 mg felhasználásokEzek a kóros elváltozások a vér-retina gát visszafordíthatatlan károsodását és makulaödémát eredményeznek, ami végső soron látásvesztést eredményez. Összefoglalva, az AGE-k az egész testben felhalmozódnak az öregedés során, különösen a cukorbetegeknél. Ez veszélyezteti a szervezet homeosztázisát, és hozzájárul az életkorral összefüggő számos betegség kialakulásához és előrehaladásához.

Számos rendszer létezik az AGE-k méregtelenítésére. Ezek közé tartozik a glioxaláz rendszer, a legjobban jellemzett mechanizmus az AGE-k képződésének gátlására, és az egyik út, amely képes méregteleníteni a glikáció köztitermékeit. Az anti-AGE-kapacitások azonban az életkor előrehaladtával csökkennek, ami az AGE-k felgyorsult felhalmozódásához vezet a „normális idősebb szövetekben”. Bár különböző védekezési mechanizmusok léteznek az AGE-k szövetekben történő felhalmozódásának korlátozására, ezek fejlesztése az AGE-k felhalmozódásának és a kapcsolódó patológiák megelőzésére még mindig nem aknázódik [38]. A következő részben összefoglaljuk a méregtelenítő mechanizmusokkal kapcsolatos jelenlegi szakirodalmat, különös tekintettel a következőkre: a glioxaláz rendszert, hogy csökkentse ezeknek a toxikus melléktermékeknek a sejtekben és szövetekben történő felhalmozódását. Végül megvitatjuk a táplálkozási beavatkozások hasznosságát a glioxaláz rendszer öregedésgátló stratégiájaként.

2. Méregtelenítő mechanizmusok a glikatív stressz ellen: a glioxaláz rendszer fő szerepe

Számos méregtelenítő mechanizmusról számoltak be az AGE-k felhalmozódása ellen. Az 1. ábra a -dikarbonil képződés és a különböző méregtelenítési módok vázlatos áttekintése az AGE-kból származó öregedési károsodások ellen. Az AGE-k szintézisének fő útjai a főként a glükóz metabolizmusából származó reaktív dikarbonilok reakciója primer aminokkal (N-terminális vagy lizin oldallánc) vagy az arginin oldallánc guanidincsoportjával [39]. Az erősen reaktív -dikarbonilok, mint például az MG, a glikolitikus köztitermékek, például a dihidroxi-aceton-foszfát és a glicerinaldehid-3-foszfát, valamint más források, köztük az aminosav- és lipid-anyagcserén keresztül képződnek.

Az AGE-k irreverzibilisek, és ha egyszer kialakultak, csak proteolitikus úton távolíthatók el [5,9,40,41]. Két fő proteolitikus kapacitás feltételezhető, hogy hozzájáruljon az AGE-k kiürüléséhez: az ubiquitin-proteasoma rendszer (UPS) és az autofág lizoszómális proteolitikus rendszer (ALPS) [5,9,40,41] (1. ábra). Az UPS főként oldható rosszul hajtogatott fehérjéken működik. Az UPS-ben a szubsztrátokat felismerik és ubiquitinnel jelölik, és a proteaszómára irányítják lebontás céljából. Az ALPS abból áll, hogy a rakományt a lizoszómális rekeszbe irányítják lebontás céljából. Az autofág rakomány sokféle lehet, beleértve az oldhatatlan fehérjéket, a fehérjeszerű aggregátumokat és akár az egész organellumokat is. Mindkét proteolitikus út funkcionálisan együttműködő, és a növekvő szakirodalom támogatja a két útvonal közötti áthallást kölcsönös közvetlen és közvetett kölcsönhatásokkal[42-46]. Ez az áthallás garantálja a tartalék mechanizmust, és az egyik útvonal hiánya esetén a másik proteolitikus útvonal kompenzálja a megfelelő és működőképes proteom fenntartását [47].

Több mint 3 évtizeddel ezelőtt számos szövetben dokumentálták a fehérjelebontás sebességének korral összefüggő változásait, még azelőtt, hogy a proteolitikus utak molekuláris jellemzését meghatározták volna [48]. Napjainkban a két fő proteolitikus út molekuláris és sejtes hanyatlása az életkorral jobban ismert, és különbségek vannak az UPS és a lizoszómális rendszerek között a csökkenés mértékében. Számos jelentés kimutatta az UPS szövetfüggő csökkenését, míg az autofágiás hanyatlás általánosnak tűnik (áttekintve: [49-51). Ami az autofágiát illeti, mind a lizoszómális, mind az autofagoszómális kompartmentek szembetűnő módosulásokon mennek keresztül. Az autofágia hibás működéséhez hozzájáruló változások közé tartozik a lizoszómális stabilitás csökkenése, a hidroláz aktivitás, az emészthetetlen anyag (lipofuscin) felhalmozódása a lizoszómális lumenben, a lizoszómális pH diszfunkcionális szintje, az autofágiával kapcsolatos fehérjék transzkripciós szintjének csökkenése, a chaperon által közvetített stabilitás csökkenése. autofágia receptor LAMP2A a lizoszómális membránban és csökkent motorfehérjék társulása az autofág kompartmentekben ([49,51,52]). Az autofágiával ellentétben ma már elfogadott, hogy a proteaszóma proteolitikus képességeiben az életkor előrehaladtával bekövetkező változások inkább minőségi, mint kvantitatív jellegűek.oteflavonoidA proteaszóma mag katalitikus aktivitásának és moduláló alegységeinek összetételében bekövetkezett változások, a proteaszóma expressziójának csökkenése, valamint a proteaszóma alegységek és a proteaszóma szubsztrátok oxidációs állapotának változása hozzájárul az UPS kapacitás életkorral összefüggő gátlásához (lásd [53 ,54). Egyes esetekben előfordulhat, hogy a proteolitikus rendszerek nem elegendőek ahhoz, hogy kezelni tudják a terhelést. Sajnos e két mechanizmus hatékonysága az életkor előrehaladtával csökken, ami a sérült fehérjék felismerésének és eltávolításának elégtelenségét eredményezi, és ennek következtében a fehérjeaggregátumok és a diszfunkcionális organellumok intracelluláris felhalmozódása [55,56]. A nettó AGE-szinteket a szintézis vagy képződés és az eltávolítás sebességének egyensúlya határozza meg. A proteolitikus kapacitás csökkenésének közvetlen következménye a hosszú életű fehérjék felhalmozódása az idős szervezetekben, amelyek közül sok glikációból származó károsodást halmoz fel aminosavszekvenciájában. Az AGE-k felhalmozódása korfüggő és korfüggő módon történik ([4,9]), és az öregedéssel kapcsolatos kutatások legújabb proteomikai analízise feltárta, hogy az AGE biológia egy gazdag metabolikus útvonalat tartalmaz, amely az életkorral összefüggő proteomokhoz kapcsolódik [57].

Bár az UPS és az ALPS az életkorral csökken, különböző védekezési utak vannak, amelyek képesek csökkenteni az AGE-k szintézisét. Ebben az áttekintésben ezekre a védőmechanizmusokra összpontosítunk, amelyek korlátozzák az AGE-k biogenezisét, különös hangsúlyt fektetve a glioxaláz rendszerre, amely a reaktív dikarbonilok méregtelenítésének elsődleges módja [58]. Ebben a részben részletesen ismertetjük a glioxaláz rendszert. Röviden ismertetjük az AGE-k méregtelenítésének egyéb mechanizmusait is: Parkinson-kórhoz társuló fehérje DJ-1, aldehid-dehidrogenázok (ALDH-k), aldo-keto-reduktázok (AKR-ek) és acetoacetát-lebontás.

2.1. Glioxaláz rendszer: A fő méregtelenítő út a dikarbonilok reakciójához

Hatalmas szakirodalom támogatja a glioxaláz rendszert, mint a reaktív dikarbonilok fő méregtelenítő útját minden emlős sejt citoszoljában [58]. A glioxaláz rendszer az MG metabolizmusának legjobban jellemzett útvonala. A glioxalázok génjei evolúciósan konzerváltak és széles körben elterjedtek különféle élő rendszerekben, például emberekben, növényekben, élesztőben, baktériumokban, gombákban és protistákban. A sokféle taxonban való jelenléte rámutat a glioxaláz enzimeknek a biológiai élet fiziológiás működésében betöltött jelentőségére. A glioxalázok 1 és 2 (GLO1, GLO2) együttes aktivitása katalizálja a reakcióképes, aciklusos -oxoaldehidek megfelelő -hidroxisavakká történő átalakulását [58]. Ezek a reakciók katalitikus GSH-t is igényelnek. A kezdeti lépésben a GLO1 a dikarbonil MG és a GSH aldehidjének spontán reakciójával képződő szubsztrátját, a hemitioacetált SD-laktoilglu-trónná alakítja. Ezután a GLO2 az SD-laktoil-glutationt D-laktáttá hidrolizálja, és átalakítja a GSH-t (1. ábra).puritánok c-vitaminA GLO1 aktivitása egyenesen arányos a GSH-koncentrációval. A GLO1 aktivitás csökken a GSH eltávolításakor, például oxidatív stressz hatására, amikor a GSH GSSG-vé alakul [59].

Az MG a glikolízis és a glükoneogenezis során a dihidroxi-aceton-foszfát és a glicerinaldehid-3-foszfát lebomlása, valamint a treonin katabolizmusa, a ketontestek oxidációja és a glikált fehérjék lebomlása révén képződik. Más szubsztrátok, köztük a glioxál, a fenil-glioxál és a hidroxipiru-aldehid szintén ezen az úton metabolizálódnak [60]. A GLO1, a glioxaláz rendszer sebességkorlátozó enzime katalizálja az elsődleges méregtelenítési lépést [61], így a GLO1 fehérje megváltozása az öregedés számos kóros folyamatában szerepet játszik, mint például cukorbetegség, neurodegeneratív betegségek, rák és szemmel kapcsolatos betegségek. betegségek [20.

A GLO1 expressziójának és aktivitásának szabályozása összetett és még mindig nem jól érthető (2. ábra). A GLO1 promoterszekvencia tartalmaz egy fémválasz elemet (MRE), egy inzulinválasz elemet (IRE), egy korai gén 2-faktor izoformát (E2F) és egy aktiváló enhanszer-kötő fehérjét 2 (AP{10). }} ), és egy antioxidáns-válasz elem (ARE). Az IRE és MRE funkcióját riportervizsgálatok igazolták, ahol az inzulin- és cink-klorid-kezelés fokozott transzkripciós választ eredményezett 62]. Hasonló funkcionális aktivitásokat figyeltek meg az E2F és az AP-2 esetében [63,64]. A Glo1 1. exonjában található ARE arra szolgál, hogy a Glo1-et összekapcsolja a nukleáris faktor eritroid 2-kapcsolódó 2-es faktor (NRF2) stresszre reagáló transzkripciós rendszerével [65]. Az MG-metabolizmussal és az oxidatív stressz elleni védelemmel kapcsolatos számos gén az NRF{25}}ARE útvonal szabályozása alatt áll [66]. Az NRF2 komplexet képez a KEAP1-gyel, a cullin-függő E2 ubiquitin ligáz komplex szubsztrát-adapter fehérjével, amely az NRF2-t a 26S proteaszóma általi lebontásra irányítja fiziológiás körülmények között. Az oxidatív stressz ennek a komplexnek a destabilizálásához vezet, ami az NRF2 transzlokációját okozza a sejtmagba, és kiváltja az antioxidáns gének felszabályozását [67,68]. Az NRF2 kötődése a Glo{37}}ARE-hez növeli a GLO1 bazális és indukálható expresszióját.[65] Az NRF2 és az antioxidáns válaszok szintén fokozódnak, ha az MG a KEAP-felszabadító Nrf2 dimerizációját okozza [69].

Számos tanulmány kimutatta, hogy az NRF2 növeli a GLO1 aktivitást és enyhíti az intracelluláris MG stresszt; így a GLO1 NRF2 agonisták általi modulálása az MG és MG-eredetű fehérjeadduktumok csökkenését eredményezte mind a sejtekben, mind a szövetekben [70-73]. Ezenkívül a máj, az agy, a szív, a vese és a tüdő Glol mRNS-e és fehérje csökkent az NRF2-knockout egerekben [65]. Összességében ezek a jelentések arra utalnak, hogy a GLO1 egy downstream célpont, amellyel az NRF2/KEAP1 útvonal ellátja védelmi funkcióit az MG és a dikarbonil stressz csökkentésével. Az NF-kB (nukleáris faktor kB) gyulladásos aktiválása azonban az NRF2-vel csökkenti a Glol expresszióját [74]. Az izzás expresszióját a HIFl (hypoxia-indukálható l faktor) is negatívan szabályozza hipoxiás körülmények között, ami a dikarbonil-stressz fontos fiziológiai mozgatórugója [75].

A transzkripciós szabályozás mellett a GLO1 fehérje poszttranszlációs szabályozása is létezik (2. ábra). A GLO1-et a citoszolikus sirtuin-2[76,77] acetilezi, expressziója pedig csökkenhet a RAGE (fejlett glikációs végtermékek receptora) aktiválásával; ezeket a mechanizmusokat azonban nem értjük egyértelműen [78].szistancheEgy nemrégiben végzett tanulmány kimutatta, hogy a GLO1 fehérje módosítható a 107 treonin (T107) foszforilációjával és a cisztein 139 nitrozilációjával [79]. Ebben a vizsgálatban a T107 foszforilációját a kalmodulin-dependens kináz II delta által a GLO1 fehérjében a glioxaláz rendszert szabályozó pontos mechanizmusként számolták be. Pontosabban, a GLO1 foszforilációja a T107-nél befolyásolja az MG méregtelenítésének kinetikai hatékonyságát és a proteaszómális degradáció sebességét. Így megváltozott állapota összefüggésbe hozható az életkorral összefüggő betegségek kialakulásával [79].

2. ábra A glioxaláz 1(GLO1) szabályozásának mechanizmusai. A GLO1 aktivitása többféle mechanizmuson keresztül szabályozható, beleértve a transzkripciós szabályozást és a poszttranszlációs módosításokat. A Glo1 promoter különféle szabályozó elemeket tartalmaz, például antioxidáns választ (ARE), fémreakciót (MRE) és inzulinválaszt (IRE), valamint kötőhelyeket az AP-2 és E2F számára. Normál körülmények között a a nukleáris faktor eritroid 2-kapcsolódó 2-es faktor (NRF2) komplexet alkot a KEAP1-gyel, amely a cullin-függő E2 ubiquitin ligáz komplex szubsztrát-adapter fehérje, amely az NRF2-t az ubikvitin-proteaszóma rendszer (UPS) általi lebontásához irányítja. Az oxidatív stressz az NRF2-KEAP1 komplex destabilizálásához vezet, ami az NRF2 leválását idézi elő, amely a sejtmagba transzlokálódik, ami beindítja a különböző antioxidáns gének felszabályozását. Az NRF2 kötődése a Glo{22}}ARE-hez növeli a GLO1 expresszióját. Hipoxiás körülmények között a Glow expresszióját fordítottan szabályozza a hipoxiával indukálható 1-es faktor (HIFlx). A citoszol különböző poszttranszlációs módosításai befolyásolhatják a GLO1 stabilitását.

2.2. Alternatív méregtelenítési mechanizmusok, mint feltételezett tartalék rendszerek a glioxaláz aktivitás hiányának kompenzálására

Míg a glioxaláz rendszerben a reaktív dikarbonilok méregtelenítésének elsődleges mechanizmusa, léteznek alternatív utak, amelyek képesek a cukoranyagcsere során keletkező dikarbonilok méregtelenítésére. Ezek közé tartoznak az ALDH-k, AKR-ek, a Parkinson-kórhoz társuló fehérje DJ-1, valamint az acetoacetát általi öblítés 3-hidroxi-hexán-2,5-dion (3-HHD) )[80]. Ezeknek a rendszereknek a fiziológiai jelentősége továbbra is tisztázatlan, és megkérdőjeleződött, hogy ezek az enzimek kulcsfontosságúak-e a szövetekben lévő AGE-k méregtelenítésében a glioxaláz rendszer magas aktivitása miatt. Úgy tűnik, hogy olyan tartalék rendszerek alkotóelemei, amelyek glioxaláz aktivitás hiányában működnek, bár ezeknek az útvonalaknak a szövetfüggő szerepét nem lehet figyelmen kívül hagyni.

A DJ-1, más néven Parkinson-kór fehérje 7 (PARK7), alapvető szerepet játszik a Parkinson-kórban (PD). Kimutatták, hogy a funkcionális DJ-1 fehérje hiánya autoszomális recesszív PD-t okoz [81,82]. A DJ-1 kétféle aktivitásáról számoltak be: (1) glioxaláz aktivitása in vitro, az MG-t laktáttá alakítja, és megakadályozza az MG által kiváltott szövetkárosodást a Caenorhabditis elegans-ban [83], valamint (2) a deglikáz aktivitást in vitro, csökkentve korai stádiumú MG melléktermékek [84]. A közelmúltban más tanulmányok is kimutatták, hogy a DJ-1 releváns szerepet játszik a DNS-deglikázban [85-87].mi az a cistancheA DJ-1 méregtelenítő képessége glutation (GSH) hiányában alternatív útvonalat kínál a glioxaláz rendszerhez, amelyhez GSH jelenlétére van szükség. Azonban Pfaff és munkatársai mind a Drosophila sejtekben a DJ-1, mind a DJ-1 kiütést a teljes szervezetben nem figyeltek meg különbséget az MG fehérje adduktumok felhalmozódásában [88].

Az AKR-ek olyan fehérjék szupercsaládja, amelyek képesek az aldehideket és ketonokat primer és szekunder alkoholokká redukálni. Az AKR-ek az MG-t hidroxi-acetonná vagy laktaldehiddé metabolizálják. Egyes tanulmányok kimutatták, hogy a humán és egér Aldo-keto reduktázok transzgénikus expressziója rágcsáló fibroblaszt sejtekben véd az MG által kiváltott károsodástól, ami arra utal, hogy az AKR-ek részt vehetnek az MG méregtelenítésében és az AGE-szintek csökkentésében [89-91]. Magas AKR1B3 aktivitást mutattak ki Glo1 knockout egér Schwann sejtekben, valamint megnövekedett expressziót az MG expozíció során, ami arra utal, hogy ez a glioxaláz rendszer hiánya vagy a túlzott glikációs stressz által kiváltott kompenzációs mechanizmus lehet [92]. Érdekes módon az AKR1B3 hiánya magasabb MG- és AGE-szintet eredményezett a cukorbeteg egerek szívében [91].

A LED-ek a dikarbonil metabolizáló enzimek másik csoportját alkotják, amelyek az MG-t piruváttá oxidálják. Az ALDH expresszió megnövekedett egér Schwann vad típusú sejtekben MG-kezelés hatására [92]. Egy zebrahal modellben a glo1 knockout halak kimutatták, hogy az indukált ALDH aktivitás kompenzálja a GLO1 hiányát [93]. Azonban legalábbis egerekben a kompenzációs mechanizmusok szövetfüggőek, mivel az AKR-ek és ALDH-k fokozott expresszióját figyelték meg a májszövetben, de csak AKR-eket jelentettek a vesékben a Glo1-kiütött egerekben [94]. Humán vizsgálatokban az aldehid-dehidrogenáz 1A1(ALDH1A1) aktivitása által termelt 3-DG metabolit megnövekedett cukorbetegek plazmájában és eritrocitáiban [92]. A közelmúltban azt is kimutatták, hogy a ketontest-acetoacetát nem enzimatikus reakcióval csökkentette az MG-koncentrációt diabéteszes és étrendi ketózis során [95,96]. Azt találták, hogy ez a metabolikus út egy nem enzimatikus aldol-reakciót foglal magában az MG és az acetoacetát ketontest között, ami a vérben jelen lévő 3-hidroxi-hexán-2,5-dion kialakulásához vezet. inzulin éhező betegek körében. Az alternatív útvonalak, amelyek kompenzálhatják a glioxaláz rendszer hiányát, potenciálisan toxikus molekulákat, például y-diketonokat generálhatnak, amelyek perifériás axondegenerációhoz és herekárosodáshoz kapcsolódnak [97, 98].

Bár nincs szisztematikus öregedési elemzés a GLO{0}}független alternatív útvonalakban részt vevő fehérjékről, az életkorral összefüggő változásokról számoltak be ezekben a molekuláris szereplőkben. Például összefüggés van a D]-1 expressziós szintje és az oxidatív stressz között, és a különböző jelentések a DJ-1 növekedését mutatták az életkorral. A DJ-1 mRNS és fehérje szintje 8-ról 20 hetes korra nőtt egerekben [99], a DJ-1 szintje pedig szignifikánsan nőtt az életkor függvényében az emberi agy-gerincvelői folyadékban [100]. A szemszövetekben kimutatták, hogy a DJ{10}} a retina pigmenthámjában és a fotoreceptorokban expresszálódik, az idős szemekben pedig fokozott az expresszió [101]. Ez a glioxaláz rendszer aktivitásának csökkenése miatti kompenzációs mechanizmust tükrözhet.

2.3. A glioxaláz rendszer szövetfüggő aktivitása

Bár a GLO1 egy mindenütt jelenlévő fehérje, ennek az enzimnek a szintje szövetfüggő módon szabályozott. A glioxaláz rendszer különböző szövetekben betöltött szerepének értékelése érdekében megvizsgáltuk a GLO1 expresszióját és aktivitását nem okuláris (máj, agy, szív és vese) és szemszövetekben (retina, RPE/choroid és lencse). vad típusú C57BL/6] egerek. A GLO1-et specifikusan felismerő antitestek felhasználásával Western-blot-vizsgálatot és immunhisztokémiát végeztek a fehérjeszintek mennyiségi meghatározására. A citoszolos kivonatokban a GLO1 aktivitást spektrofotometriásan határoztuk meg az SD-laktoilglutation képződésének kezdeti sebességeként, amint azt korábban közöltük [30, 102]. Ezeket az eredményeket a 3. ábra foglalja össze.

3. ábra: A GLO1 fehérje és az aktivitás összehasonlító elemzése okuláris és nem szemszövetekben. (A) A GLO1 aktivitást WT egerek nem szemszöveteiben és retinaszöveteiben vizsgálták a korábban leírtak szerint [29], és az aktivitást százalékban (százalékban) fejeztük ki a májhoz viszonyítva. (B) Máj és (C) retina reprezentatív Western blot analízise WT és Glow túlzott expressziójú transzgenikus egerekről (Glo1 Tg plus/plus), monoklonális antitesttel (nem kereskedelmi) és poliklonális Glol antitesttel (kereskedelmi, GeneTex) [36,103,104]. (D) WT egerek nem szemszövet-kivonatainak (50 ug) reprezentatív Western-blot analízise a Glo1 (nem kereskedelmi) monoklonális antitesttel és a GLO1 (E) fehérje mennyiségi meghatározásával, normalizálva a terhelés szabályozására (Ponceau-festés). (F) A GLO1 aktivitást WT egerek szemszöveteiben (retina, RPE/Choroid és lencse) végeztük a korábban leírtak szerint [29], és az aktivitást milliegységben adtuk meg a fehérje milligrammjára vonatkoztatva. Az értékek átlag ± SEM. A minta mérete n=4a GLO1 fehérje- és aktivitástesztekből származik.

A korábban publikált adatok azt mutatták, hogy a retina és a máj mutatják a GLO1 legmagasabb aktivitását ([30]; 3A ábra). Megjegyzendő, hogy a retina aktivitása volt a legmagasabb érték, míg a máj, a vese, az agy és a szív csak a méregtelenítő retina kapacitás 46 százalékát, 27 százalékát, 22 százalékát és 11 százalékát képviseli. A GLO1 fehérje szintjének Western blot vizsgálatával értékeltük, hogy a GLO1 aktivitása korrelált-e az enzim szintjével. A GLO1 elleni antitestet korábban validálták a korábbi jelentések, és a GLO1 analízisére használták retinamintákban [36,103,104]. Pozitív kontrollként összehasonlító elemzést végeztünk a GLO1-et C57BL/6J (B6) háttéren túlzottan expresszáló transzgenikus egerek retinájában és májszöveteiben [105]. A GLO1 szintjének vizsgálatához két különböző antitestet használtunk: egy poliklonális nyúl antitestet (kereskedelmi antitest a GeneTextől) és egy monoklonális egér antitestet (nem kereskedelmi antitest), amelyekről különböző állatmodellekben számoltak be a GLO1 biológiájának tanulmányozására [103,106]. Sikerült kimutatnunk a GLO1 fehérjét a máj és a retina vad típusú szöveteiben Western blottal, és mindkét szövetben transzgenikus egerekben találtuk a legmagasabb expressziót (3B, C ábra és S1 kiegészítő ábra). Mindkét antitest esetében két sávot azonosítottunk. A GLO{28}}pozitívok eltérő elektroforetikus profilja arra utal, hogy a poszttranszkripciós változások létfontosságúak lehetnek a fehérje szerepében. Ennek megfelelően egy közelmúltbeli tanulmány kimutatta, hogy a foszforilált GLO1 hatékonyabb és stabilabb, ami alátámasztja ezeket a poszttranszkripciós változásokat, mint a GLO1 aktivitását szabályozó pontos mechanizmust [79]. Arról azonban kevés információ áll rendelkezésre, hogy a poszttranszkripciós módosítások hogyan modulálják a glioxaláz 1 aktivitását.

As expected, we found GLO1 protein in all non-ocular tissues analyzed, with the liver showing the highest expression. The relative order of GLO1 expression was liver>kidney>brain>szív (3D, E ábra). Ez megerősíti egy korábbi tanulmány[30] eredményeit. A GLO1 szemszövetekben betöltött szerepéről korlátozott információ áll rendelkezésre. Amint arról korábban beszámoltunk, az enzimatikus vizsgálat kimutatta, hogy a GLO1 aktivitás körülbelül 10-szer magasabb a retinában, mint a lencsében vagy az RPE/choroidban (3F ábra,[30]). A glioxaláz I túlzott expressziója javítja az emberi retina periciták túlélését hiperglikémiás körülmények között [107], és kimutatták, hogy egy angiotenzin receptor blokkoló, amely visszaállítja a GLO1-et diabéteszes patkányokban, csökkenti a retina acelluláris kapillárisait [18]. Ezen túlmenően, a GLO1 hiánya a zebrahalban hatással van a kifejlett retina erek architektúrájára, bár fokozott angiogén hajtásképződés csak a glo{11}}/-túltáplált zebrahalban figyelhető meg, normál táplálkozás esetén azonban nem [93].

A retina egy rendkívül összetett, nagyon dinamikus szövet, sokféle sejttípussal (4A. ábra). A véráramlás, és ennek következtében a xenobiotikumoknak és egyéb stresszoroknak való kitettség a legmagasabbak közé tartozik a szervezetben. Minden reggel a retina fotoreceptorainak külső csúcsainak 10 százaléka kiürül, és a szomszédos retina pigmentált hámsejteknek el kell távolítaniuk. Immunhisztokémiai analízist végeztünk először, hogy jellemezzük a GLO1 térbeli különbségeit a retinában. A GLO1 fehérje a retinán belül minden sejttípusban jelen volt, magas szinten a belső nukleáris réteg sejttestében és a ganglionsejtek lavórjában. A külső nukleáris réteg fotoreceptor sejttesteinek szintje alacsonyabb volt. A fotoreceptorokban a legtöbb GLO1 fehérje a belső és külső szegmensekben található. Az RPE-ben is magas volt a GLO1 fehérje szintje, míg az érhártyában és a sclerában kevesebb volt a GLO1 fehérje (4B, C ábra).

4. ábra: A GLO1 immunhisztokémiája egér retinaszövetekben. (A) A retina keresztmetszeti, sejtes vázlata, amely szemlélteti annak három elsődleges rétegét, amelyek a ganglion sejtrétegből (GCL) állnak, amely retina ganglionsejteket (RGC), belső nukleáris réteget (INL) tartalmaz, amely amakrin, bipoláris és horizontális interneuronokat tartalmaz. sejteket, valamint Müller-gliasejteket, és a külső magréteget (ONL), a rúd- és kúp-fotoreceptorokat. A szenzoros szövet vagy a neuroretina a retina pigmentált epitéliumához (RPE) kapcsolódik. Piros nyilak jelezték az RPE réteget. (B) A GLO1 immunfestődés reprezentatív képe WT egerekből származó retinamintákban. (C) A GLO1 átlagos intenzitású fluoreszcenciája az RPE értékére normalizálva. A megjelenített adatok átlag ± standard hibák (SEM). A retinában elért eredményeink azért relevánsak, mert a retina egy erősen differenciált posztmitózisos szövet, ahol a glikációból eredő károsodást sejtosztódás nem tudja csökkenteni [5,9]. Ezenkívül a GLO1 változásait a retina károsodásával is összefüggésbe hozták [108]. Hasonló forgatókönyv fordulhat elő más, alacsony regenerációs képességű sejtekből álló szövetekben is, mint például a központi idegrendszerben, ahol a neuronok túlnyomó többsége posztmitotikus. A GLO1-szintek és a sejtspecifikus markerek értékelése lehetővé teheti számunkra, hogy értékeljük a sejt-sejt variációt egy adott szöveten belül. Eredményeink arra utalnak, hogy a retina GLO1 fehérje magas szintje és aktivitása fontos védő szerepet játszhat az AGE eredetű károsodásokkal szemben az életkor előrehaladtával.

Ez a cikk a Cells 2021, 10, 1852-ből származik. https://doi.org/10.3390/cells10081852 https://www.mdpi.com/journal/cells