Glioksalazės sistema sergant su amžiumi susijusiomis ligomis: mitybos intervencija kaip kovos su senėjimu strategija 1 dalis

Prašau susisiektioscar.xiao@wecistanche.comDaugiau informacijos

Santrauka:Glikoksalazės sistema yra labai svarbi pažangių glikacijos galutinių produktų (AGE) detoksikacijai. AGE yra toksiški junginiai, atsirandantys dėl nefermentinio biomolekulių modifikavimo cukrumi arba jų metabolitais per procesą, vadinamą glikacija. AGE turi neigiamą poveikį daugeliui audinių, vaidindami patogeninį vaidmenį progresuojant molekuliniam ir ląstelių senėjimui. Dėl su amžiumi susijusių skirtingų anti-AGE mechanizmų, įskaitant detoksikacijos mechanizmus ir proteolitinius gebėjimus, mažėjimo, glikuotos biomolekulės kaupiasi normaliai senstant mūsų organizme, priklausomai nuo audinių. Tokiu būdu anti-AGE detoksikacinės sistemos siūlomos kaip terapiniai taikiniai kovojant su patologine disfunkcija, susijusia su AGE kaupimu ir citotoksiškumu. Čia apibendriname dabartinę žinių, susijusių su apsauginiais mechanizmais nuo glikacijos streso, būklę, ypatingą dėmesį skiriant glioksalazės sistemai, kaip pagrindiniam reaktyviųjų glikacijos tarpinių produktų detoksikacijos mechanizmui. Šioje apžvalgoje pagrindinis dėmesys skiriamas glioksalazei 1 (GLO1), pirmajam glioksalazės sistemos fermentui ir šio katalizinio proceso greitį ribojančiam fermentui. Nors GLO1 yra visur išreikštas, baltymų lygis ir aktyvumas yra reguliuojami priklausomai nuo audinių. Pateikiame lyginamąją GLO1 baltymo analizę skirtinguose audiniuose. Mūsų išvados rodo, kad glioksalazės sistema atlieka svarbų vaidmenį homeostazėje akies tinklainėje, labai deguonies turinčiame audinyje, kuriame greitai keičiasi baltymai. Mes taip pat aprašome glioksalazės sistemos moduliavimą kaip terapinį tikslą, skirtą atidėti su amžiumi susijusių ligų vystymąsi, ir apibendriname literatūrą, kurioje aprašomos dabartinės žinios apie maistinius junginius, turinčius savybių moduliuoti glioksalazės sistemą.

Raktiniai žodžiai:glikacijos stresas; glioksalazės sistema; senėjimas; proteotoksiškumas

Norėdami sužinoti daugiau, spustelėkite čia

1. Įvadas: glikacinis stresas ir nesveikas senėjimas

Vis daugiau literatūros rodo, kad pažeistų baltymų kaupimasis yra specifinis senėjimo ir daugelio su amžiumi susijusių ligų, įskaitant 2 tipo diabetą, vėžį, neurodegeneracinius, širdies ir kraujagyslių bei su akimis susijusius sutrikimus, požymis [1-7]. Nenormalūs baltymai kenkia ląstelių homeostazei, sudarydami nefunkcinius ir toksiškus agregatus, o tai lemia ne tik nenormalaus baltymo inaktyvavimą, bet ir kitų esminių baltymų funkciją dėl baltymų kokybės kontrolės mechanizmų patiriamo streso arba jų nepakankamumo. ląstelėje. Vienas ryškus mechanizmas, dėl kurio susidaro nenormalios molekulės, yra modifikavimas pažangiais glikacijos galutiniais produktais (AGE).

Susidaro dikarbonilo junginiai

iš skirtingų medžiagų apykaitos būdų (1 pav.), kurie apima cukraus ir angliavandenių metabolizmą, kad susidarytų AGE. Šie dikarbonilo junginiai sąveikauja su biomolekulėmis, tokiomis kaip baltymai, lipidai ir nukleorūgštys, atlikdami nefermentinę potransliacinę modifikaciją, vadinamą glikacija. Pagrindiniai gliukuojantys dikarbonilo agentai yra metilglioksalis (MG), glioksalis arba 3-deoksigliukozonas [8]. Šie dikarbonilai išlaikomi žemi homeostatinėmis sąlygomis, tačiau senėjimo procesas padidina šiuos glikuojančius reagentus iki patologinio lygio, padidindamas toksiškų AGE susidarymą ir galiausiai pakenkdamas audinių tinkamumui. Atsižvelgiant į tai, kad AGE formavimasis priklauso nuo gliukozės koncentracijos, didelės glikemijos dietų ar diabetinių sąlygų vartojimas lemia dramatišką sisteminį AGE kaupimąsi. Tai tiesiogiai koreliuoja su pakitusiu metabolizmu, padidėjusiu uždegimu ir sunkių sveikatos būklių progresavimu. Ir atvirkščiai, mažai glikemijos turinčių dietų vartojimas riboja AGE kaupimąsi ir yra susijęs su lėtesniu kai kurių iš šių ligų progresavimu [9-13]. Šiame kontekste hiperglikemija sukelia papildomą stresą su amžiumi susijusiai glikuotų baltymų gamybai ir padidina žalingas AGE nuosėdų pasekmes organų funkcijai.

1 pav. Scheminė -dikarbonilų susidarymo ir detoksikacijos būdų, susijusių su AGE sukelta žala senėjimo metu, schema. Labai reaktyvūs dikarbonilai, tokie kaip metilglioksalis (MG), susidaro nefermentiškai skaidant glikolitinius tarpinius produktus, įskaitant dihidroksiacetono fosfatą ir gliceraldehido 3-fosfatą ir kitus šaltinius, įskaitant aminorūgščių ir lipidų apykaitą. Siekiant išvengti AGE pažeidimo, glioksalazės sistema yra pagrindinis mechanizmas, ribojantis AGE sintezę, paverčiant labai reaktyvias biomolekules, tokias kaip MG, į mažiau reaktyvias biomolekules (D-laktatą). Šis procesas apima nuoseklų dviejų fermentų GLO1 ir GLO2 bei redukuotos formos glutationo (GSH) aktyvumą. Kiti detoksikacijos mechanizmai apima DJ-1, aldehiddehidrogenazių (ALDH), aldo-keto reduktazių (AKR) ir acetoacetato skaidymo fermentų aktyvumą. Susidarius AGE, jie gali būti išvalyti dviem proteolitiniais keliais: ubikvitino-proteasomos (UPS) sistema ir autofagija. Šie apsauginiai mechanizmai (paryškinti žaliai) senstant silpnėja ir prisideda prie su amžiumi susijusių ligų, tokių kaip neurodegeneracija, su akimis susijusios ligos (AMD, katarakta, DR), nefropatijos, metabolinis sindromas ir vėžys, atsiradimo. GLO1: glioksalazė 1; GLO2: glioksalazė 2; GSH: glutationas.

Cistanche gali kovoti su senėjimu

Per didelis glikacijos stresas skatina baltymų netirpumą, panaikina signalizacijos ir baltymų kokybės kontrolės kelius. Iš AGE atsirandantys proteomų trikdžių signalizacijos takų pokyčiai audinių fiziologijoje (MAP/ERK, JAK-STAT ir PI3K-AKT keliai), kurie lemia transkripcijos faktorių, dalyvaujančių daugelyje ląstelių funkcijų, įskaitant uždegimą, apoptozę, ER stresą, perkėlimą į branduolį. , autofagija, oksidacinis stresas, mitochondrijų funkcija ir kt. (apžvelgta [2,14]). Glikuoti baltymai taip pat gali perkrauti arba apriboti proteolitinių pajėgumų funkcionalumą. Šie pokyčiai galiausiai prisideda prie daugelio su amžiumi susijusių sutrikimų atsiradimo.

Keli tyrimai parodė, kad MG ir MG išvestų AGE formavimas yra svarbus diabeto ir jo komplikacijų, tokių kaip retinopatija, nefropatija ir neuropatija, patogenezės veiksnys [15-19]. Dikarbonilo stresas taip pat yra nutukimo ir širdies ir kraujagyslių ligų tarpininkas [20, 21]. MG gali prisidėti prie aterosklerozės per kelis mechanizmus, įskaitant MG gautų AGE kaupimąsi aterosklerozinėse plokštelėse [22] ir MG sukeltą mažo tankio lipoproteinų glikaciją [23]. Ryšys tarp MG ir hipertenzijos taip pat buvo pastebėtas keliuose tyrimuose, kurie rodo padidėjusį MG kiekį aortoje ir inkstų audiniuose [24, 25]. Keletas tyrimų taip pat patvirtino, kad AGE kaupimasis yra susijęs su daugeliu neurodegeneracinių sutrikimų, todėl paveikia smegenų funkciją, pvz., Alzheimerio liga, Parkinsono liga ir šizofrenija [26-28]. Vienas geriausių santykio tarp AGE kaupimosi ir su senėjimu susijusių pasekmių pavyzdžių atsiranda akių audiniuose, dėl kurių atsiranda glikacijos sukeltų akių audinių sutrikimų, tokių kaip katarakta, su amžiumi susijusi geltonosios dėmės degeneracija (AMD) ir diabetinė retinopatija (DR)[{ {15}}]. Kalbant apie kataraktą, pagrindinę aklumo priežastį visame pasaulyje, lęšių kristalinai su amžiumi tampa laipsniškai geltonai rudi pigmentuoti dėl AGE šalutinių produktų kaupimosi [31]. Kaip ir lęšiukas, tinklainės AGE didėja su amžiumi ir diabetu, ypač išorinėje tinklainėje. AMD yra pagrindinė vyresnio amžiaus žmonių aklumo priežastis išsivysčiusiose šalyse. Didesnis AGE lygis nustatytas AMD sergantiems pacientams, palyginti su kontroliniais subjektais, taip pat AMD pelių modeliais [32-36]. DR būdingas AGE kaupimasis tinklainėje, sukeliantis mikrovaskulinius pažeidimus [37].mikronizuota išgryninta flavonoidų frakcija 1000 mgDėl šių patologinių pakitimų negrįžtamai pažeidžiamas kraujo ir tinklainės barjeras, atsiranda geltonosios dėmės edema, dėl ko prarandamas regėjimas. Apibendrinant galima pasakyti, kad AGE kaupiasi visame kūne senstant, ypač diabetu sergantiems pacientams. Tai kenkia organizmo homeostazei ir prisideda prie daugybės su amžiumi susijusių ligų atsiradimo ir progresavimo.

Yra keletas sistemų, skirtų detoksikuoti AGE. Tai apima glioksalazės sistemą, geriausiai apibūdintą mechanizmą, slopinantį AGE susidarymą, ir vieną iš būdų, galinčių detoksikuoti tarpinius glikacijos produktus. Tačiau anti-AGE pajėgumai mažėja su amžiumi, todėl pagreitėja AGE kaupimasis „normaliuose senesniuose audiniuose“. Nors yra įvairių gynybos mechanizmų, ribojančių AGE kaupimąsi audiniuose, jų kūrimas siekiant užkirsti kelią AGE kaupimuisi ir susijusioms patologijoms vis dar nenaudojamas [38]. Kitame skyriuje apibendrinsime dabartinę literatūrą apie detoksikacijos mechanizmus, daugiausia dėmesio skiriant glioksalazės sistema, kad sumažintų šių toksiškų šalutinių produktų kaupimąsi ląstelėse ir audiniuose. Galiausiai aptariame mitybos intervencijų naudingumą, siekiant sustiprinti glioksalazės sistemą kaip kovos su senėjimu strategiją.

2. Glikacinio streso detoksikacijos mechanizmai: pagrindinis glioksalazės sistemos vaidmuo

Buvo pranešta apie daugybę detoksikacijos mechanizmų prieš AGE kaupimąsi. 1 paveiksle yra schematiškai apžvelgiamas -dikarbonilo susidarymas ir įvairūs detoksikacijos būdai prieš AGE sukeltą žalą senstant. Pagrindiniai AGE sintezės būdai apima reaktyvių dikarbonilų, daugiausia gaunamų iš gliukozės metabolizmo, reakciją su pirminiais aminais (N-galine arba lizino šonine grandine) arba arginino šoninės grandinės guanidino grupe [39]. Labai reaktyvūs dikarbonilai, tokie kaip MG, susidaro metabolizuojant glikolitinius tarpinius produktus, tokius kaip dihidroksiacetono fosfatas ir gliceraldehido 3-fosfatas, ir kitus šaltinius, įskaitant aminorūgščių ir lipidų metabolizmą.

AGE yra negrįžtami ir susiformavę gali būti pašalinti tik proteolitiniais būdais [5, 9, 40, 41]. Siūlomi du pagrindiniai proteolitiniai pajėgumai, kurie prisideda prie AGE klirenso: ubikvitino-proteasomų sistema (UPS) ir autofaginė lizosomų proteolitinė sistema (ALPS) [5, 9, 40, 41] (1 pav.). UPS daugiausia veikia su tirpiais netinkamai sulankstytais baltymais. UPS substratai yra atpažįstami ir pažymėti ubikvitinu ir nukreipiami į proteasomą, kad jie suskaidytų. ALPS susideda iš krovinio nukreipimo į lizosomų skyrių, kad jis suskaidytų. Autofaginiai kroviniai gali būti įvairūs, įskaitant netirpius baltymus, baltyminius agregatus ir net visas organeles. Abu proteolitiniai keliai yra funkciškai bendradarbiaujantys, o vis gausėjanti literatūra palaiko dviejų kelių sąveiką su abipuse tiesiogine ir netiesiogine sąveika[42-46]. Šis skersinis pokalbis garantuoja atsarginį mechanizmą ir, esant vieno iš maršrutų trūkumui, kitas proteolitinis kelias linkęs kompensuoti tinkamą ir funkcionalų proteomą [47].

Su amžiumi susiję baltymų skilimo greičio pokyčiai buvo užfiksuoti daugelyje audinių daugiau nei prieš 3 dešimtmečius, net prieš tai, kai buvo nustatytas proteolitinių takų molekulinis apibūdinimas [48]. Šiais laikais dviejų pagrindinių proteolitinių kelių molekulinis ir ląstelių mažėjimas su amžiumi yra geriau suprantamas, o UPS ir lizosomų sistemų sumažėjimo laipsniai skiriasi. Daugelyje ataskaitų buvo parodytas nuo audinių priklausomas UPS mažėjimas, o autofaginis mažėjimas atrodo visuotinis (peržiūrėta [49-51). Kalbant apie autofagiją, tiek lizosominiai, tiek autofagosominiai skyriai patiria ryškių modifikacijų. Pokyčiai, kurie prisideda prie autofagijos sutrikimo, yra lizosomų stabilumo sumažėjimas, hidrolazės aktyvumas, nevirškinamos medžiagos (lipofuscino) kaupimasis lizosomų spindyje, disfunkcinis lizosomų pH, sumažėjęs su autofagija susijusių baltymų transkripcijos lygis, sumažėjęs chaperono tarpininkaujamų baltymų stabilumas. autofagijos receptorius LAMP2A lizosomų membranoje ir sumažėjęs motorinių baltymų ryšys autofaginiuose skyriuose ([49, 51, 52]). Priešingai nei autofagija, dabar pripažįstama, kad proteasomų proteolitinių gebėjimų pokyčiai su amžiumi atrodo labiau kokybiniai nei kiekybiniai.oteflavonoidasProteasomų šerdies katalizinio aktyvumo ir moduliuojančių subvienetų sudėties pokyčiai, sumažėjusi proteasomų ekspresija, taip pat proteasomų subvienetų ir proteasomų substratų oksidacijos būsenos pokyčiai prisideda prie su amžiumi susijusio UPS pajėgumo slopinimo (apžvelgta [53) ,54). Kai kuriais atvejais gali būti, kad nepakanka proteolitinių sistemų pajėgumų, kad būtų galima tvarkyti ir pakrauti. Deja, su amžiumi šių dviejų mechanizmų veiksmingumas mažėja, todėl nepakanka gebėjimo atpažinti ir pašalinti pažeistus baltymus, todėl baltymų agregatų ir disfunkcinių organelių kaupimasis ląstelėse [55, 56]. Grynieji AGE lygiai nustatomi pagal sintezės arba susidarymo greičio ir pašalinimo greičio pusiausvyrą. Tiesioginė proteolitinio pajėgumo sumažėjimo pasekmė yra ilgai gyvenančių baltymų kaupimasis senuose organizmuose, kurių daugelis kaupia glikacijos padarytą žalą savo aminorūgščių sekose. AGE kaupimasis vyksta su amžiumi ir priklausomu būdu ([4,9]), o neseniai atlikta senėjimo tyrimų proteominė analizė atskleidė, kad AGE biologijoje yra praturtintas metabolinis kelias, susijęs su su amžiumi susijusiomis proteomomis [57].

Nors UPS ir ALPS mažėja su amžiumi, yra įvairių apsauginių būdų, galinčių sumažinti AGE sintezę. Šioje apžvalgoje mes sutelkiame dėmesį į šiuos apsauginius mechanizmus, ribojančius AGE biogenezę, ypatingą dėmesį skirdami glioksalazės sistemai, kuri yra pagrindinis reaktyvių dikarbonilų detoksikacijos būdas [58]. Šiame skyriuje išsamiai apibūdinsime glioksalazės sistemą. Taip pat trumpai aprašome kitus AGE detoksikacijos mechanizmus: su Parkinsonu susijusį baltymą DJ-1, aldehido dehidrogenazes (ALDH), aldo-keto reduktazes (AKR) ir acetoacetato skaidymą.

2.1. Glioksalazės sistema: pagrindinis dikarbonilų reakcijos detoksikacijos būdas

Didelė literatūra palaiko glioksalazės sistemą kaip pagrindinį reaktyvių dikarbonilų detoksikacijos būdą visų žinduolių ląstelių citozolyje [58]. Glioksalazės sistema yra geriausiai apibūdintas MG metabolizmo būdas. Glikoksalazių genai yra evoliuciškai konservuoti ir plačiai paplitę įvairiose gyvose sistemose, tokiose kaip žmonės, augalai, mielės, bakterijos, grybai ir protistai. Daugelio skirtingų taksonų buvimas rodo didelę glioksalazės fermentų svarbą fiziologinei biologinio gyvenimo funkcijai. Kombinuotas glioksalazių 1 ir 2 (GLO1, GLO2) aktyvumas katalizuoja reaktyvių, aciklinių -oksoaldehidų pavertimą atitinkamomis hidroksirūgštimis [58]. Šioms reakcijoms taip pat reikalingas katalizinis GSH. Pradiniame etape GLO1 paverčia savo substratą, hemitioacetalį, susidariusį spontaniškai dikarbonilo MG ir GSH aldehido reakcijai, į SD-laktoilglu sostą. Tada GLO2 hidrolizuoja SD-laktoilglutationą į D-laktatą ir paverčia GSH (1 pav.).puritanai vitaminas cGLO1 aktyvumas yra tiesiogiai proporcingas GSH koncentracijai. GLO1 aktyvumas sumažėja, kai GSH pašalinamas, pavyzdžiui, esant oksidaciniam stresui, kai GSH paverčiamas GSSG [59].

MG susidaro glikolizės ir gliukoneogenezės metu skaidant dihidroksiacetono fosfatą ir gliceraldehido 3-fosfatą, taip pat katabolizuojant treoniną, oksiduojant ketoninius kūnus ir skaidant glikuotus baltymus. Kiti substratai, įskaitant glioksalį, fenilglioksalį ir hidroksipirualdehidą, taip pat metabolizuojami šiuo būdu [60]. GLO1, greitį ribojantis fermentas glioksalazės sistemoje, katalizuoja pirminį detoksikacijos etapą [61], todėl GLO1 baltymo pakitimas yra susijęs su daugeliu patologinių senėjimo procesų, tokių kaip diabetas, neurodegeneracinės ligos, vėžys ir su akimis susiję. ligos [20.

GLO1 ekspresijos ir aktyvumo reguliavimas yra sudėtingas ir vis dar nėra gerai suprantamas (2 pav.). GLO1 promotoriaus seką sudaro metalo atsako elementas (MRE), atsako į insuliną elementas (IRE), ankstyvoji geno 2-faktoriaus izoforma (E2F) ir aktyvuojantis stipriklį surišantis baltymas 2 (AP{10). }} ), ir antioksidacinio atsako elementas (ARE). IRE ir MRE funkcija buvo patvirtinta reporterių tyrimais, kai gydymas insulinu ir cinko chloridu padidino transkripcijos atsaką 62]. Panaši funkcinė veikla buvo pastebėta naudojant E2F ir AP-2 [63,64]. ARE, esantis Glo1 1 egzone, padeda prijungti Glo1 prie branduolinio faktoriaus eritroidinio 2-susijusio faktoriaus 2 (NRF2) į stresą reaguojančios transkripcijos sistemos [65]. Keletas genų, susijusių su MG metabolizmu ir apsauga nuo oksidacinio streso, yra kontroliuojami NRF{25}}ARE kelio [66]. NRF2 yra kompleksuojamas su KEAP1, substrato adapteriu baltymu, skirtu nuo cullin -3-priklausomo E2 ubikvitino ligazės komplekso, nukreipiančio NRF2 skaidymą 26S proteasomos fiziologinėmis sąlygomis. Oksidacinis stresas sukelia šio komplekso destabilizaciją, sukeldamas NRF2 perkėlimą į branduolį ir sukeldamas antioksidantų genų reguliavimą [67, 68]. NRF2 prisijungimas prie Glo{37}}ARE padidina bazinę ir indukuojamą GLO1 ekspresiją.[65] NRF2 ir antioksidaciniai atsakai taip pat sureguliuojami, kai MG sukelia KEAP išlaisvinančio Nrf2 dimerizaciją [69].

Keletas tyrimų rodo, kad NRF2 padidina GLO1 aktyvumą ir mažina tarpląstelinį MG stresą; taigi, NRF2 agonistams moduliavus GLO1, sumažėjo MG ir MG išvestų baltymų aduktų tiek ląstelėse, tiek audiniuose [70-73]. Be to, NRF2 išmuštose pelėse sumažėjo kepenų, smegenų, širdies, inkstų ir plaučių Glol mRNR ir baltymų kiekis [65]. Iš viso šios ataskaitos rodo, kad GLO1 yra pasroviui skirtas taikinys, pagal kurį NRF2 / KEAP1 kelias atlieka savo apsaugines funkcijas mažindamas MG ir dikarbonilo įtampą. Tačiau uždegiminis NF-kB (branduolinio faktoriaus kB) aktyvavimas naudojant NRF2 sumažina Glol ekspresiją [74]. Švytėjimo ekspresiją taip pat neigiamai reguliuoja HIFl (hipoksijos sukeliamas faktorius l ) hipoksinėmis sąlygomis, svarbiu fiziologiniu dikarbonilo streso veiksniu [75].

Kartu su transkripcijos reguliavimu taip pat yra potransliacinis GLO1 baltymo reguliavimas (2 pav.). GLO1 yra acetilintas citozolinio sirtuino -2[76,77], o jo ekspresija gali būti sumažinta aktyvavus RAGE (pažangių glikacijos galutinių produktų receptorius); tačiau šie mechanizmai nėra aiškiai suprantami [78].SistancheNeseniai atliktas tyrimas parodė, kad GLO1 baltymas gali būti modifikuojamas fosforilinant treoniną 107 (T107) ir nitrozilinant cisteiną 139 [79]. Šiame tyrime buvo pranešta apie T107 fosforilinimą nuo kalmodulino priklausomos kinazės II delta GLO1 baltyme kaip tikslų mechanizmą, reguliuojantį glioksalazės sistemą. Konkrečiai, GLO1 fosforilinimas T107 turi įtakos MG detoksikacijos kinetiniam efektyvumui ir proteasomų skilimo greičiui. Taigi pakitusi jo būklė yra susijusi su su amžiumi susijusių ligų išsivystymu [79].

2 pav. Glikoksalazės 1 (GLO1) reguliavimo mechanizmai. GLO1 aktyvumą galima reguliuoti keliais mechanizmais, įskaitant transkripcijos reguliavimą ir potransliacines modifikacijas. Glo1 promotoriuje yra įvairių reguliavimo elementų, tokių kaip antioksidacinis atsakas (ARE), metalo atsakas (MRE) ir atsakas į insuliną (IRE) bei AP-2 ir E2F surišimo vietos. Įprastomis sąlygomis Su branduoliniu faktoriumi susijęs eritroidinis 2-faktorius 2 (NRF2) yra kompleksuojamas su KEAP1, substrato adapterio baltymu, skirtu cullin-3-priklausomam E2 ubikvitino ligazės kompleksui, nukreipiančiu NRF2 skaidyti ubikvitino-proteasomų sistemoje (UPS). Oksidacinis stresas destabilizuoja kompleksinį NRF2-KEAP1, dėl kurio NRF2 atsiskiria, kuris perkeliamas į branduolį, o tai sukelia skirtingų antioksidantų genų reguliavimą. NRF2 prisijungimas prie Glo{22}}ARE padidina GLO1 ekspresiją. Hipoksijos sąlygomis Glow ekspresiją atvirkščiai reguliuoja hipoksijos sukeltas faktorius 1 (HIFlx). Įvairios potransliacinės citozolio modifikacijos gali turėti įtakos GLO1 stabilumui.

2.2. Alternatyvūs detoksikacijos mechanizmai kaip numanomos atsarginės sistemos, kompensuojančios glioksalazės aktyvumo trūkumą

Nors pagrindinis mechanizmas reaktyviųjų dikarbonilų detoksikacijai glioksalazės sistemoje, yra alternatyvių būdų, galinčių detoksikuoti dikarbonilus, susidariusius cukraus metabolizmo metu. Tai apima ALDH, AKR, su Parkinsonu susijusį baltymą DJ-1 ir acetoacetato pašalinimą, kad susidarytų 3-hidroksiheksanas-2, 5-dionas (3-HHD). )[80]. Fiziologinė šių sistemų svarba lieka neaiški ir buvo suabejota, ar šie fermentai yra labai svarbūs AGE detoksikacijai audiniuose dėl didelio glioksalazės sistemos aktyvumo. Atrodo, kad jie yra atsarginių sistemų, veikiančių nesant glioksalazės aktyvumo, komponentai, nors negalima atmesti nuo audinių priklausomo šių maršrutų vaidmens.

DJ-1, dar žinomas kaip Parkinsono ligos baltymas 7 (PARK7), vaidina esminį vaidmenį sergant Parkinsono liga (PD). Įrodyta, kad funkcinio DJ-1 baltymo trūkumas sukelia autosominį recesyvinį PD [81,82]. Buvo pranešta, kad DJ-1 turi dvi skirtingas veiklas: (1) glioksalazės aktyvumą in vitro, MG paverčiantį laktatu ir užkertant kelią MG sukeltam audinių pažeidimui Caenorhabditis elegans [83], ir (2) deglikazės aktyvumą in vitro, mažinantį. ankstyvos stadijos MG šalutiniai produktai [84]. Neseniai atlikti kiti tyrimai taip pat parodė, kad DJ-1 vaidina svarbų vaidmenį DNR deglikazėje [85-87].kas yra cistancheDėl DJ-1 detoksikacijos gebėjimo, kai nėra glutationo (GSH), tai yra alternatyvus būdas patekti į glioksalazės sistemą, kuriai reikalingas GSH buvimas. Tačiau Pfaff ir kt., naudodami DJ-1 numušimus Drosophila ląstelėse ir DJ-1 išmušimą visame organizme, nepastebėjo jokių skirtumų tarp MG baltymų aduktų kaupimosi [88].

AKR yra baltymų, galinčių redukuoti aldehidus ir ketonus į pirminius ir antrinius alkoholius, superšeima. AKR metabolizuoja MG į hidroksiacetoną arba laktaldehidą. Kai kurie tyrimai parodė, kad transgeninė žmogaus ir pelės Aldo-keto reduktazių ekspresija graužikų fibroblastų ląstelėse apsaugo nuo MG sukeltos žalos, o tai rodo, kad AKR gali dalyvauti MG detoksikacijoje ir sumažinti AGE lygį [89-91]. Didelis AKR1B3 aktyvumas buvo aptiktas Glo1 išmuštose pelės Schwann ląstelėse, taip pat padidėjusi ekspresija MG ekspozicijos metu, o tai rodo, kad tai gali būti kompensacinis mechanizmas, kurį sukelia glioksalazės sistemos trūkumas arba per didelis glikacijos stresas [92]. Įdomu tai, kad dėl AKR1B3 trūkumo diabetu sergančių pelių širdyse padidėjo MG ir AGE [91].

Šviesos diodai yra kita grupė -dikarbonilą metabolizuojančių fermentų, kurie oksiduoja MG į piruvatą. Gydant MG, ALDH ekspresija padidėjo pelės Schwann laukinio tipo ląstelėse [92]. Zebrafish modelyje glo1 išmuštos žuvys parodė, kad sukeltas ALDH aktyvumas kompensuoja GLO1 trūkumą [93]. Tačiau bent jau pelėms kompensaciniai mechanizmai priklauso nuo audinių, nes padidėjusi AKR ir ALDH ekspresija buvo pastebėta kepenų audinyje, tačiau Glo1 išmuštų pelių inkstuose buvo pranešta tik apie AKR [94]. Tyrimų su žmonėmis duomenimis, 3-DG metabolito, kurį gamina aldehiddehidrogenazės 1A1 (ALDH1A1) aktyvumas, padidėjo diabetu sergančių pacientų plazmoje ir eritrocituose [92]. Neseniai taip pat buvo įrodyta, kad ketoninio kūno acetoacetatas sumažino MG koncentraciją nefermentine reakcija diabetinės ir dietinės ketozės metu [95, 96]. Jie nustatė, kad šis metabolizmo būdas apima nefermentinę aldolo reakciją tarp MG ir ketoninio kūno acetoacetato, dėl kurio susidaro 3-hidroksiheksanas-2,5-dionas, kuris yra kraujyje. insulino badaujančių pacientų. Alternatyvūs būdai, galintys kompensuoti glioksalazės sistemos trūkumą, gali potencialiai generuoti toksiškas molekules, tokias kaip y-diketonai, kurios yra susijusios su periferine aksonų degeneracija ir sėklidžių pažeidimu [97, 98].

Nors nėra sistemingos baltymų, dalyvaujančių GLO{0}}nepriklausomuose alternatyviuose keliuose, senėjimo analizės, buvo pranešta apie su amžiumi susijusius šių molekulinių žaidėjų pokyčius. Pavyzdžiui, yra ryšys tarp D]-1 išraiškos lygių ir oksidacinio streso, o įvairios ataskaitos rodo, kad DJ-1 didėja su amžiumi. DJ-1 mRNR ir baltymų kiekis pelėms padidėjo nuo 8 iki 20 savaičių [99], o DJ-1 lygis reikšmingai padidėjo priklausomai nuo amžiaus žmogaus smegenų skystyje [100]. Akies audiniuose buvo įrodyta, kad DJ{10}} yra išreikštas tinklainės pigmento epitelyje ir fotoreceptoriuose, o išraiška padidėjo senose akyse [101]. Tai gali atspindėti kompensacinį mechanizmą dėl glioksalazės sistemos aktyvumo sumažėjimo.

2.3. Nuo audinių priklausomas glioksalazės sistemos aktyvumas

Nors GLO1 yra visur esantis baltymas, šio fermento kiekis reguliuojamas priklausomai nuo audinių. Siekdami įvertinti glioksalazės sistemos vaidmenį skirtinguose audiniuose, ištyrėme GLO1 ekspresiją ir aktyvumą ne akies (kepenyse, smegenyse, širdyje ir inkstuose) ir akies audiniuose (tinklainėje, RPE / gyslainėje ir lęšyje). laukinio tipo C57BL/6] pelėms. Naudojant antikūnus, kurie specifiškai atpažįsta GLO1, buvo atliktas Western blot tyrimas ir imunohistochemija baltymų kiekiui nustatyti. GLO1 aktyvumas citozoliniuose ekstraktuose buvo nustatytas spektrofotometriškai kaip pradinis SD-laktoilglutationo susidarymo greitis, kaip buvo pranešta anksčiau [30, 102]. Šie rezultatai apibendrinti 3 paveiksle.

3 pav. Lyginamoji GLO1 baltymo ir aktyvumo akies ir ne akies audiniuose analizė. (A) GLO1 aktyvumas buvo ištirtas WT pelių ne akių audiniuose ir tinklainės audiniuose, kaip aprašyta anksčiau [29], o aktyvumas buvo išreikštas procentais (procentais), palyginti su kepenimis. (B) Kepenų ir (C) tinklainės reprezentatyvi WT ir Glow transgeninių pelių (Glo1 Tg plius / plus) Western blot analizė naudojant monokloninį antikūną (nekomercinį) ir polikloninį antikūną Glol (komercinis, GeneTex)[36,103,104]. (D) Reprezentatyvi WT pelių ne akių audinių ekstraktų (50 ug) Western blot analizė, naudojant monokloninį antikūną Glo1 (nekomercinis) ir (E) baltymo GLO1 kiekybiniam nustatymui, normalizuotam, kad būtų galima kontroliuoti apkrovą (Ponceau dažymas). (F) GLO1 aktyvumas buvo atliktas WT pelių akių audiniuose (tinklainėje, RPE / gyslainėje ir lęšyje), kaip aprašyta anksčiau [29], o aktyvumas buvo išreikštas milivienetais viename miligramo baltymo. Reikšmės yra vidutinės ± SEM. Mėginio dydis yra n=4iš GLO1 baltymo ir aktyvumo tyrimų.

Anksčiau paskelbti duomenys parodė, kad tinklainėje ir kepenyse yra didžiausias GLO1 aktyvumas ([30]; 3A pav.). Atkreipkite dėmesį, kad tinklainės aktyvumas buvo didžiausias, o kepenys, inkstai, smegenys ir širdis sudarė atitinkamai tik 46 proc., 27 proc., 22 proc. ir 11 proc. detoksikuojančių tinklainės pajėgumų. Ar GLO1 aktyvumas koreliuoja su fermento lygiu, įvertinome GLO1 baltymų kiekį Western blot metodu. Antikūnas prieš GLO1 anksčiau buvo patvirtintas ankstesnėse ataskaitose ir buvo naudojamas GLO1 analizei tinklainės mėginiuose [36,103,104]. Kaip teigiama kontrolė, taip pat buvo atlikta lyginamoji transgeninių pelių tinklainės ir kepenų audinių analizė, per daug ekspresavusių GLO1 C57BL/6J (B6) fone [105]. Norėdami ištirti GLO1 lygį, naudojome du skirtingus antikūnus: polikloninį triušio antikūną (komercinį antikūną iš GeneTex) ir monokloninį pelės antikūną (nekomercinį antikūną), apie kuriuos pranešta skirtinguose gyvūnų modeliuose, skirtuose GLO1 biologijos tyrimui [103, 106]. Mes sugebėjome aptikti GLO1 baltymą kepenų ir tinklainės laukinio tipo audiniuose Western blot būdu, ir mes nustatėme aukščiausią ekspresiją transgeninėse pelėse abiejuose audiniuose (3B, C paveikslai ir papildomas S1 paveikslas). Abiejuose antikūnuose buvo atpažintos dvi juostos. Skirtingi šių GLO1-teigiamų elektroforezės profiliai rodo, kad potranskripcijos pokyčiai gali būti gyvybiškai svarbūs baltymo vaidmeniui. Atitinkamai, neseniai atliktas tyrimas parodė, kad fosforilintas GLO1 yra efektyvesnis ir stabilesnis, o tai palaiko šiuos potranskripcijos pokyčius kaip tikslų mechanizmą, reguliuojantį GLO1 aktyvumą [79]. Tačiau yra mažai informacijos apie tai, kaip potranskripcijos modifikacijos moduliuoja glioksalazės 1 aktyvumą.

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>širdis (3D pav., E). Tai patvirtina ankstesnio tyrimo rezultatus[30]. Informacijos apie GLO1 vaidmenį akių audiniuose yra nedaug. Kaip jau pranešėme anksčiau, fermentinis tyrimas atskleidė, kad GLO1 aktyvumas tinklainėje yra ~ 10 kartų didesnis, palyginti su lęšiu arba RPE/gyslaine (3F pav., [30]). Per didelė glioksalazės I ekspresija pagerina žmogaus tinklainės pericitų išgyvenimą hiperglikemijos sąlygomis [107], o angiotenzino receptorių blokatorius, atkuriantis GLO1 diabetu sergančioms žiurkėms, sumažina tinklainės neląstelinius kapiliarus [18]. Be to, GLO1 trūkumas zebrafiniuose žuvyse turi įtakos suaugusiųjų tinklainės kraujagyslių architektūrai, nors padidėjęs angiogeninis daigų susidarymas stebimas tik per daug maitinamoms zebražuvėms, bet ne normaliai šeriant [93].

Tinklainė yra labai sudėtingas, labai dinamiškas audinys su įvairiais ląstelių tipais (4A pav.). Kraujo tekėjimas ir dėl to ksenobiotikų bei kitų streso veiksnių poveikis yra vienas didžiausių organizme. Kiekvieną rytą 10 procentų išorinių tinklainės fotoreceptorių galiukų išsiskiria ir juos turi pašalinti gretimos tinklainės pigmentinės epitelio ląstelės. Mes atlikome imunohistocheminę analizę, kad pirmą kartą apibūdintume erdvinius GLO1 skirtumus tinklainėje. GLO1 baltymo buvo visų tipų tinklainės ląstelėse, o vidinio branduolinio sluoksnio ir ganglioninių ląstelių plovimo ląstelių kūnuose buvo daug. Fotoreceptorių ląstelių kūnai išoriniame branduoliniame sluoksnyje buvo mažesni. Fotoreceptoriuose dauguma GLO1 baltymų buvo rasta vidiniame ir išoriniame segmentuose. RPE taip pat turėjo didelį GLO1 baltymo kiekį, o gyslainėje ir skleroje buvo mažesnis GLO1 baltymo kiekis (4B, C pav.).

4 pav. GLO1 imunohistochemija pelių tinklainės audiniuose. (A) Tinklainės skerspjūvio ląstelinė schema, iliustruojanti tris pirminius jos sluoksnius, sudarytus iš ganglioninių ląstelių sluoksnio (GCL), kuriame yra tinklainės ganglioninių ląstelių (RGC), vidinio branduolinio sluoksnio (INL), kuriame yra amakrininiai, bipoliniai ir horizontalūs interneuronai. ląstelės, taip pat Müller glijos ląstelės ir išorinis branduolinis sluoksnis (ONL), kuriame yra strypų ir kūgių fotoreceptoriai. Jutimo audinys arba neuroretina yra prijungtas prie tinklainės pigmentinio epitelio (RPE). Raudonos rodyklės nurodė RPE sluoksnį. (B) Reprezentatyvus GLO1 imuninio dažymo vaizdas WT pelių tinklainės mėginiuose. (C) GLO1 vidutinė fluorescencija, normalizuota pagal RPE vertę. Rodomi duomenys yra vidurkiai ± standartinės vidurkių paklaidos (SEM). Mūsų rezultatai tinklainėje yra svarbūs, nes tinklainė yra labai diferencijuotas postmitozinis audinys, kuriame ląstelių dalijimasis negali sumažinti glikacijos sukeltos žalos [5, 9]. Be to, GLO1 pokyčiai buvo susiję su tinklainės pažeidimu [108]. Panašus scenarijus gali atsirasti ir kituose audiniuose, sudarytuose iš ląstelių, turinčių mažą regeneracinį pajėgumą, pavyzdžiui, centrinėje nervų sistemoje, kur didžioji dauguma neuronų yra postmitoziniai. GLO1 lygių įvertinimas kartu su ląstelėms būdingais žymenimis gali leisti mums įvertinti ląstelių skirtumus tam tikrame audinyje. Mūsų rezultatai rodo, kad didelis tinklainės GLO1 baltymo ir aktyvumo lygis gali atlikti svarbų apsauginį vaidmenį nuo AGE sukeltos žalos su amžiumi.

Šis straipsnis ištrauktas iš Cells 2021, 10, 1852. https://doi.org/10.3390/cells10081852 https://www.mdpi.com/journal/cells