Het glyoxalasesysteem bij leeftijdsgerelateerde ziekten: voedingsinterventie als anti-verouderingsstrategie Deel 1

Neem contact oposcar.xiao@wecistanche.comvoor meer informatie

Abstract:Het glyoxalasesysteem is van cruciaal belang voor de ontgifting van geavanceerde glycatie-eindproducten (AGE's). AGE's zijn giftige verbindingen die het resultaat zijn van de niet-enzymatische modificatie van biomoleculen door suikers of hun metabolieten via een proces dat glycatie wordt genoemd. AGE's hebben nadelige effecten op veel weefsels en spelen een pathogene rol bij de voortgang van moleculaire en cellulaire veroudering. Door de leeftijdsgebonden achteruitgang van verschillende anti-AGE-mechanismen, waaronder ontgiftingsmechanismen en proteolytische capaciteiten, worden geglyceerde biomoleculen tijdens normale veroudering in ons lichaam op een weefselafhankelijke manier geaccumuleerd. Op deze manier bekeken, worden anti-AGE-ontgiftingssystemen voorgesteld als therapeutische doelen om pathologische disfunctie geassocieerd met AGE-accumulatie en cytotoxiciteit te bestrijden. Hier vatten we de huidige stand van kennis samen met betrekking tot de beschermende mechanismen tegen glycatiestress, met speciale nadruk op het glyoxalasesysteem als het primaire mechanisme voor het ontgiften van de reactieve tussenproducten van glycatie. Deze review richt zich op glyoxalase 1(GLO1), het eerste enzym van het glyoxalasesysteem, en het snelheidsbeperkende enzym van dit katalytische proces. Hoewel GLO1 alom tot expressie wordt gebracht, worden eiwitniveaus en activiteiten op een weefselafhankelijke manier gereguleerd. We bieden een vergelijkende analyse van GLO1-eiwit in verschillende weefsels. Onze bevindingen wijzen op een rol voor het glyoxalasesysteem in homeostase in het oogretina, een sterk geoxygeneerd weefsel met snelle eiwitomzetting. We beschrijven ook modulatie van het glyoxalasesysteem als een therapeutisch doelwit om de ontwikkeling van leeftijdsgerelateerde ziekten te vertragen en vatten de literatuur samen die de huidige kennis beschrijft over voedingsverbindingen met eigenschappen om het glyoxalasesysteem te moduleren.

trefwoorden:glycatiestress; glyoxalase-systeem; veroudering; proteotoxiciteit

Klik hier om meer te weten

1. Inleiding: Glycatieve stress en ongezond ouder worden

Een groeiend aantal literatuur geeft aan dat de accumulatie van beschadigde eiwitten een specifiek kenmerk is van veroudering en veel leeftijdsgerelateerde ziekten, waaronder diabetes type 2, kanker, neurodegeneratieve, cardiovasculaire en ooggerelateerde aandoeningen [1-7]. Afwijkende eiwitten tasten de cellulaire homeostase aan door niet-functionele en toxische aggregaten te vormen en dit leidt niet alleen tot de inactivering van het afwijkende eiwit, maar kan ook de functie van andere essentiële eiwitten aantasten als gevolg van de stress op - of insufficiëntie van - de kwaliteitscontrolemachines van het eiwit in de cel. Een prominent mechanisme dat leidt tot afwijkende moleculen is een modificatie door geavanceerde glycatie-eindproducten (AGE's).

Dicarbonylverbindingen worden gegenereerd

van verschillende metabole routes (Figuur 1) waarbij suiker- en koolhydraatmetabolisme in de voeding betrokken zijn om AGE's te vormen. Deze dicarbonylverbindingen interageren met biomoleculen, zoals eiwitten, lipiden en nucleïnezuren in een niet-enzymatische post-translationele modificatie die glycatie wordt genoemd. De belangrijkste glycerende dicarbonylmiddelen zijn methylglyoxal (MG), glyoxal of 3-deoxyglucoson [8]. Deze dicarbonylen worden onder homeostatische omstandigheden op een laag niveau gehouden, maar het verouderingsproces verhoogt deze glycerende reagentia tot pathologische niveaus, waardoor de vorming van giftige AGE's wordt versterkt en uiteindelijk de weefselfitness in gevaar komt. Aangezien de vorming van AGE's afhankelijk is van de glucoseconcentratie, leidt de consumptie van hoog glycemische diëten of diabetische aandoeningen tot een dramatische systemische accumulatie van AGE's. Dit houdt rechtstreeks verband met een veranderd metabolisme, verhoogde ontsteking en de progressie van ernstige medische aandoeningen. Omgekeerd beperkt de inname van diëten met een lage glycemie de accumulatie van AGE en wordt geassocieerd met de langzamere progressie van sommige van deze ziekten [9-13]. In deze context legt hyperglykemie extra stress op de leeftijdsgebonden productie van geglyceerde eiwitten en verergert het de nadelige gevolgen van AGE-afzettingen op de orgaanfunctie.

Figuur 1. Schematisch diagram van -dicarbonylen vorming en ontgifting routes tegen AGE-afgeleide schade bij veroudering. De vorming van zeer reactieve dicarbonylen zoals methylglyoxal (MG) vindt plaats door niet-enzymatische afbraak van de glycolytische tussenproducten, waaronder dihydroxyacetonfosfaat en glyceraldehyde 3-fosfaat en andere bronnen, waaronder aminozuur- en lipidemetabolisme. Om AGE-schade te voorkomen, is het glyoxalasesysteem een ​​primair mechanisme dat de synthese van AGE's beperkt, waarbij hoog reactieve biomoleculen, zoals MG, worden omgezet in minder reactieve biomoleculen (D-lactaat). Dit proces omvat de opeenvolgende activiteit van twee enzymen GLO1 en GLO2 en de gereduceerde vorm van glutathion (GSH). Andere ontgiftende mechanismen impliceren de activiteit van DJ-1, aldehyde dehydrogenases (ALDHs), Aldo-keto reductases (AKRs) en acetoacetaat afbraak-enzymen. Eenmaal gevormd, kunnen AGE's worden geklaard door twee proteolytische routes: het ubiquitine-proteasoom (UPS)-systeem en autofagie. Deze beschermende mechanismen (gemarkeerd in groen) nemen af ​​onder veroudering en dragen bij aan het ontstaan ​​van leeftijdsgerelateerde ziekten zoals neurodegeneratie, ooggerelateerde ziekten (AMD, cataract, DR), nefropathieën, metabool syndroom en kanker. GL01:glyoxalase 1; GL02:glyoxalase 2; GSH: glutathion.

Cistanche kan anti-aging

Overmatige glycatiestress bevordert de onoplosbaarheid van eiwitten, deregulerende signalerings- en eiwitkwaliteitscontroleroutes. Door AGE's afgeleide veranderingen in de proteoom verstorende signaalroutes in weefselfysiologie (MAP/ERK-, JAK-STAT- en PI3K-AKT-routes) die leiden tot de nucleaire translocatie van transcriptiefactoren die betrokken zijn bij meerdere cellulaire functies, waaronder ontsteking, apoptose, ER-stress , autofagie, oxidatieve stress, mitochondriale functie, enz. (besproken in [2,14]). Geglyceerde eiwitten kunnen ook de functionaliteit van proteolytische capaciteiten overbelasten of beperken. Deze veranderingen dragen uiteindelijk bij aan het ontstaan ​​van meerdere leeftijdsgerelateerde aandoeningen.

Meerdere onderzoeken hebben aangetoond dat de vorming van MG en van MG afgeleide AGE's een belangrijke factor is in de pathogenese van diabetes en de complicaties ervan, zoals retinopathie, nefropathie en neuropathie [15-19]. Dicarbonylstress is ook een bijdragende mediator van obesitas en hart- en vaatziekten [20,21]. MG kan bijdragen aan atherosclerose via verschillende mechanismen, waaronder de accumulatie van MG-afgeleide AGE's in atherosclerotische plaques [22] en door MG geïnduceerde lipoproteïne-glycatie met lage dichtheid [23]. De associatie tussen MG en hypertensie is ook waargenomen in verschillende onderzoeken, die verhoogde MG-spiegels in de aorta en nierweefsels aantoonden [24,25]. Verschillende onderzoeken hebben ook bevestigd dat de accumulatie van AGE's verband houdt met veel neurodegeneratieve aandoeningen, waardoor de hersenfunctie wordt aangetast, zoals de ziekte van Alzheimer, de ziekte van Parkinson en schizofrenie [26-28]. Een van de beste voorbeelden van de relatie tussen AGE-accumulatie en verouderingsgerelateerde gevolgen doet zich voor in oogweefsels, wat resulteert in door glycatie veroorzaakte oogweefselaandoeningen, zoals cataracten, leeftijdsgebonden maculaire degeneratie (AMD) en diabetische retinopathie (DR)[{ {15}}]. Met betrekking tot staar, de belangrijkste oorzaak van blindheid wereldwijd, worden lenskristallijnen geleidelijk geelbruin gepigmenteerd met de leeftijd als gevolg van de ophoping van bijproducten van AGE's [31]. Evenals de lens, nemen retinale AGE's toe met de leeftijd en diabetes, vooral in de buitenste retina. AMD is de belangrijkste oorzaak van blindheid bij oudere personen in ontwikkelde landen. Hogere AGE-waarden worden gevonden bij LMD-patiënten in vergelijking met controlepersonen en bij AMD-muismodellen [32-36]. DR wordt gekenmerkt door de ophoping van AGE's in het netvlies, waardoor microvasculaire schade wordt veroorzaakt [37].gemicroniseerde gezuiverde flavonoïde fractie 1000 mg toepassingenDeze pathologische veranderingen resulteren in onomkeerbare schade aan de bloed-retinale barrière en macula-oedeem, wat uiteindelijk resulteert in verlies van het gezichtsvermogen. Samengevat, AGE's hopen zich bij het ouder worden door het hele lichaam op, vooral bij diabetespatiënten. Dit brengt de homeostase van het organisme in gevaar en draagt ​​bij aan het ontstaan ​​en de voortgang van een overvloed aan leeftijdsgerelateerde ziekten.

Er zijn meerdere systemen om AGE's te ontgiften. Deze omvatten het glyoxalasesysteem, het best gekarakteriseerde mechanisme om de vorming van AGE's te remmen, en een van de routes die in staat zijn om tussenproducten van glycatie te ontgiften. De capaciteiten tegen AGE's nemen echter af met de leeftijd, wat leidt tot een versnelde accumulatie van AGE's in 'normale oudere weefsels'. Hoewel er verschillende afweermechanismen zijn om de accumulatie van AGE's in weefsels te beperken, wordt er nog steeds geen gebruik gemaakt van de ontwikkeling ervan om de accumulatie van AGE's en geassocieerde pathologieën te voorkomen [38]. het glyoxalasesysteem om de ophoping van deze giftige bijproducten in cellen en weefsels te verminderen. Ten slotte bespreken we het nut van voedingsinterventies om het glyoxalasesysteem te stimuleren als strategie tegen veroudering.

2. Ontgiftingsmechanismen tegen glycatieve stress: belangrijke rol van het glyoxalasesysteem

Er zijn meerdere ontgiftingsmechanismen gemeld tegen de accumulatie van AGE's. Figuur 1 is een schematisch overzicht van de vorming van -dicarbonyl en de verschillende ontgiftingsroutes tegen door AGE's veroorzaakte schade bij veroudering. De belangrijkste routes voor de synthese van AGE's omvatten de reactie van reactieve dicarbonylen die voornamelijk afkomstig zijn van het glucosemetabolisme met primaire aminen (N-terminale of lysinezijketen) of de guanidinegroep van de argininezijketen [39]. De vorming van zeer reactieve dicarbonylen, zoals MG, vindt plaats via het metabolisme van de glycolytische tussenproducten, zoals dihydroxyacetonfosfaat en glyceraldehyde 3-fosfaat, en andere bronnen, waaronder het aminozuur- en lipidemetabolisme.

AGE's zijn onomkeerbaar en kunnen, eenmaal gevormd, alleen worden geëlimineerd via proteolytische wegen [5,9,40,41]. Er wordt gesuggereerd dat twee belangrijke proteolytische capaciteiten bijdragen aan de opruiming van AGE's: het ubiquitine-proteasoomsysteem (UPS) en het autofagische lysosomale proteolytische systeem (ALPS) [5,9,40,41] (Figuur 1). De UPS werkt voornamelijk op oplosbare, verkeerd gevouwen eiwitten. In de UPS worden substraten herkend en gelabeld met ubiquitine en gericht op het proteasoom voor afbraak. De ALPS bestaat uit het richten van lading op het lysosomale compartiment voor afbraak. Autofagische lading kan divers zijn, waaronder onoplosbare eiwitten, eiwitachtige aggregaten en zelfs hele organellen. Beide proteolytische routes zijn functioneel coöperatief en toenemende literatuur ondersteunt overspraak tussen de twee routes met wederzijdse directe en indirecte interacties[42-46]. Deze overspraak garandeert een back-upmechanisme en, in het geval van de deficiëntie van een van de routes, heeft de andere proteolytische route de neiging om te compenseren om een ​​goed en functioneel proteoom te behouden [47].

Leeftijdgerelateerde veranderingen in de snelheid van eiwitafbraak werden meer dan 3 decennia geleden voor veel weefsels gedocumenteerd, zelfs voordat de moleculaire karakterisering van proteolytische routes was gedefinieerd [48]. Tegenwoordig wordt de moleculaire en cellulaire achteruitgang van de twee belangrijkste proteolytische routes met de leeftijd beter begrepen en zijn er verschillen in de mate van afname tussen de UPS- en lysosomale systemen. Veel rapporten hebben een weefselafhankelijke afname van UPS aangetoond, terwijl autofagische afname universeel lijkt te zijn (besproken in [49-51). Met betrekking tot autofagie ondergaan zowel lysosomale als autofagosomale compartimenten opvallende wijzigingen. Veranderingen die bijdragen aan de storing van autofagie zijn onder meer een afname van de lysosomale stabiliteit, hydrolase-activiteit, accumulatie van onverteerbaar materiaal (lipofuscine) in het lysosomale lumen, disfunctionele lysosomale pH, verlaagd transcriptieniveau van autofagie-gerelateerde eiwitten, verminderde stabiliteit van de chaperonne-gemedieerde autofagiereceptor LAMP2A in het lysosomale membraan en verminderde associatie van motoreiwitten in de autofagische compartimenten ([49.51,52]). In tegenstelling tot autofagie wordt nu geaccepteerd dat veranderingen in proteasoomproteolytische vermogens met de leeftijd meer kwalitatief dan kwantitatief lijken te zijn.oteflavonoïdeVeranderingen in de samenstelling van de katalytische activiteiten van de proteasomale kern en modulerende subeenheden, verminderde proteasoomexpressie, evenals veranderingen in de oxidatietoestand van de proteasoomsubeenheden en proteasoomsubstraten, dragen bij aan de leeftijdsgebonden remming van de UPS-capaciteit (besproken in [53] ,54). In sommige gevallen kan er gewoon onvoldoende capaciteit zijn van de proteolytische systemen om te laden. Helaas neemt de werkzaamheid van deze twee mechanismen af ​​met de leeftijd, wat resulteert in het onvoldoende vermogen om beschadigde eiwitten te herkennen en te verwijderen en dus de intracellulaire accumulatie van eiwitaggregaten en disfunctionele organellen [55,56]. Netto AGE's-niveaus worden bepaald door de balans tussen de snelheid van synthese of vorming en de snelheid van verwijdering. Het directe gevolg van de afname van de proteolytische capaciteit is de accumulatie van langlevende eiwitten in verouderde organismen, waarvan vele door glycatie veroorzaakte schade in hun aminozuursequenties accumuleren. De accumulatie van AGE's vindt plaats op een leeftijdsgebonden en -afhankelijke manier ([4,9]) en een recente proteomische analyse in verouderingsonderzoek heeft onthuld dat AGE-biologie een verrijkte metabolische route bevat die is geassocieerd met leeftijdsgebonden proteomen [57].

Hoewel UPS en ALPS afnemen met de leeftijd, zijn er verschillende beschermende routes met het vermogen om de synthese van AGE's te verminderen. In deze review richten we ons op deze beschermende mechanismen die de biogenese van AGE's beperken, met speciale nadruk op het glyoxalasesysteem, de primaire route voor het ontgiften van reactieve dicarbonylen [58]. In deze sectie zullen we het glyoxalasesysteem in detail beschrijven. We beschrijven ook kort andere mechanismen in de ontgifting van AGE's: Parkinson-geassocieerd eiwit DJ-1, aldehydedehydrogenases (ALDH's), Aldo-keto-reductasen (AKR's) en acetoacetaatafbraak.

2.1.Glyoxalasesysteem: de belangrijkste ontgiftingsroute voor reactiedicarbonylen

Een uitgebreide literatuur ondersteunt het glyoxalasesysteem als de belangrijkste ontgiftingsroute voor reactieve dicarbonylen in het cytosol van alle zoogdiercellen [58]. Het glyoxalasesysteem is de best gekarakteriseerde route voor het metabolisme van MG. Genen voor glyoxalasen zijn evolutionair geconserveerd en wijd verspreid in verschillende levende systemen, zoals mensen, planten, gisten, bacteriën, schimmels en protisten. De aanwezigheid in veel verschillende taxa wijst op het grote belang van glyoxalase-enzymen in de fysiologische functie van het biologische leven. De gecombineerde activiteiten van glyoxalases 1 en 2(GLO1, GLO2) katalyseren de omzetting van reactieve, acyclische -oxoaldehyden in de overeenkomstige -hydroxyzuren [58]. Deze reacties vereisen ook katalytisch GSH. In de eerste stap zet GLO1 zijn substraat, hemithioacetaal, gevormd door een spontane reactie van het aldehyde van het dicarbonyl MG en GSH, om in SD-lactoylglu-troon. Vervolgens hydrolyseert GLO2 SD-lactoylglu tathion tot D-lactaat en hervormt GSH (Figuur 1).puriteinen vitamine cDe activiteit van GLO1 is recht evenredig met de GSH-concentratie. De GLO1-activiteit neemt af wanneer GSH wordt verwijderd, zoals bij oxidatieve stress wanneer GSH wordt omgezet in GSSG [59].

MG wordt gevormd tijdens glycolyse en gluconeogenese door de afbraak van dihydroxyacetonfosfaat en glyceraldehyde 3-fosfaat, evenals door het katabolisme van threonine, de oxidatie van ketonlichamen en de afbraak van geglyceerde eiwitten. Andere substraten, waaronder glyoxal, fenylglyoxal en hydroxypyru-aldehyde, worden ook via deze route gemetaboliseerd [60]. GLO1, het snelheidsbeperkende enzym in het glyoxalasesysteem, katalyseert de primaire ontgiftingsstap [61], dus de wijziging van het GLO1-eiwit is betrokken bij veel pathologische processen bij veroudering, zoals bij diabetes, neurodegeneratieve ziekten, kanker en ooggerelateerde ziekten [20.

De regulatie van GLO1-expressie en -activiteit is complex en wordt nog steeds niet goed begrepen (Figuur 2). De GLO1-promotorsequentie bevat een metaalresponselement (MRE), een insulineresponselement (IRE), een vroeg gen 2-factorisovorm (E2F) en een activerend versterker-bindend eiwit 2 (AP{{10 }} ), en een antioxidant-responselement (ARE). De functie van het IRE en MRE werd bevestigd in reporterassays waarbij behandeling met insuline en zinkchloride een verhoogde transcriptionele respons veroorzaakte 62 . Vergelijkbare functionele activiteiten werden waargenomen voor E2F en AP-2 [63,64]. De ARE in exon 1 van Glo1 dient om Glo1 te verbinden met het nucleaire factor erytroïde 2-gerelateerde factor 2(NRF2)stress-responsieve transcriptionele systeem [65]. Verschillende genen die verband houden met MG-metabolisme en bescherming tegen oxidatieve stress staan ​​onder controle van de NRF2-ARE-route [66]. NRF2 is gecomplexeerd met KEAP1, een substraatadaptereiwit voor culline-3-afhankelijk E2 ubiquitine-ligasecomplex, dat NRF2 stuurt voor afbraak door het 26S-proteasoom onder fysiologische omstandigheden. Oxidatieve stress leidt tot de destabilisatie van dit complex, wat de translocatie van NRF2 naar de kern veroorzaakt en de opregulatie van antioxidantgenen veroorzaakt [67,68]. De binding van NRF2 aan de Glo1-ARE verhoogt de basale en induceerbare expressie van GLO1.[65]. NRF2- en antioxidantreacties worden ook opgereguleerd wanneer MG de dimerisatie van KEAP-bevrijdende Nrf2 [69] veroorzaakt.

Verschillende onderzoeken tonen aan dat NRF2 de GLO1-activiteit verhoogt en intracellulaire MG-stress verlicht; aldus resulteerde de modulatie van GLO1 door NRF2-agonisten in een afname van MG en MG-afgeleide eiwitadducten in zowel cellen als weefsels [70-73]. Bovendien waren lever-, hersen-, hart-, nier- en long Glol-mRNA en -eiwit verlaagd in NRF2-knockout-muizen [65]. Al met al suggereren deze rapporten dat GLO1 een stroomafwaarts doelwit is waarmee de NRF2 / KEAP1-route zijn beschermende functies vervult door MG- en dicarbonylstress te verminderen. De ontstekingsactivering van de NF-kB (nucleaire factor kB) met NRF2 vermindert echter de Glol-expressie [74]. Glow-expressie wordt ook negatief gereguleerd door HIFl (hypoxie-induceerbare factor l) onder hypoxische omstandigheden, een belangrijke fysiologische oorzaak van dicarbonylstress [75].

Naast transcriptionele regulatie is er ook post-translationele regulatie van GLO1-eiwit (Figuur 2). GL01 wordt geacetyleerd door cytosolische sirtuin-2[76,77], en de expressie ervan kan worden verminderd door activering van RAGE (receptor voor geavanceerde glycatie-eindproducten); deze mechanismen worden echter niet duidelijk begrepen [78].SistancheEen recente studie toonde aan dat het GLO1-eiwit kan worden gemodificeerd door de fosforylering van threonine 107 (T107) en de nitrosylering van cysteïne 139 [79]. In deze studie werd de fosforylering van T107 door calmoduline-afhankelijke kinase II-delta in het GLO1-eiwit gerapporteerd als een nauwkeurig mechanisme dat het glyoxalase-systeem reguleert. In het bijzonder beïnvloedt de fosforylering van GLO1 op T107 de kinetische efficiëntie van MG-ontgifting en proteasomale afbraaksnelheid. De veranderde status is dus geassocieerd met de ontwikkeling van leeftijdsgerelateerde ziekten [79].

Figuur 2. Mechanismen van glyoxalase 1(GLO1)-regulatie. GLO1-activiteit kan worden gereguleerd via meerdere mechanismen, waaronder transcriptionele regulatie en post-translationele modificaties. De Glo1-promotor bevat verschillende regulerende elementen, zoals antioxidantrespons (ARE), metaalrespons (MRE) en insulinerespons (IRE) elementen, en bindingsplaatsen voor AP-2 en E2F. nucleaire factor erytroïde 2-gerelateerde factor 2 (NRF2) is gecomplexeerd met KEAP1, een substraatadaptereiwit voor culline-3-afhankelijk E2 ubiquitine-ligasecomplex, dat NRF2 aanstuurt voor afbraak door het ubiquitine-proteasoomsysteem (UPS). Oxidatieve stress leidt tot de destabilisatie van het complexe NRF2-KEAP1, waardoor NRF2 loskomt dat naar de kern wordt verplaatst, wat de opregulatie van verschillende antioxidantgenen veroorzaakt. De binding van NRF2 aan de Glo1-ARE verhoogt de expressie van GLO1. Onder hypoxie-omstandigheden wordt Glow-expressie omgekeerd gereguleerd door hypoxie-induceerbare factor 1 (HIFlx). Verschillende post-translationele modificaties in het cytosol kunnen de stabiliteit van GLO1 beïnvloeden.

2.2. Alternatieve ontgiftingsmechanismen als vermeende back-upsystemen om het gebrek aan glyoxalase-activiteit te compenseren

Hoewel het primaire mechanisme is voor het ontgiften van reactieve dicarbonylen in het glyoxalasesysteem, zijn er alternatieve routes met het vermogen om dicarbonylen te ontgiften die tijdens het suikermetabolisme worden gevormd. Deze omvatten ALDH's, AKR's, het Parkinson-geassocieerde eiwit DJ-1, en wegvangen door acetoacetaat om 3-hydroxyhexaan-2,5-dion (3-HHD te vormen )[80]. De fysiologische relevantie van deze systemen blijft onduidelijk en het is de vraag of deze enzymen al dan niet cruciaal zijn voor de ontgifting van AGE's in weefsels vanwege de hoge activiteit van het glyoxalasesysteem. Ze lijken componenten te zijn van back-upsystemen die werken in afwezigheid van glyoxalase-activiteit, hoewel een weefselafhankelijke rol van deze routes niet kan worden uitgesloten.

DJ-1, ook bekend als Parkinson's disease protein 7(PARK7), speelt een essentiële rol bij de ziekte van Parkinson (PD). Het is aangetoond dat het ontbreken van functioneel DJ-1-eiwit autosomaal recessieve PD veroorzaakt [81,82]. Van DJ-1 is gemeld dat het twee verschillende activiteiten heeft: (1) glyoxalase-activiteit in vitro, het omzetten van MG in lactaat en het voorkomen van door MG geïnduceerde weefselbeschadiging bij Caenorhabditis elegans [83], en (2) deglycase-activiteit in vitro, waardoor MG-bijproducten in een vroeg stadium [84]. Recent hebben ook andere onderzoeken aangetoond dat DJ-1 een relevante rol speelt bij DNA-deglycase [85-87].wat is cistanche?Het ontgiftende vermogen van DJ-1 in afwezigheid van glutathion (GSH) maakt dit een alternatieve route voor het glyoxalasesysteem, waarvoor de aanwezigheid van GSH vereist is. Pfaff et al., die zowel DJ-1-knockdowns in Drosophila-cellen als DJ-1-knock-out in het hele organisme gebruikten, zagen echter geen verschillen in de accumulatie van MG-eiwitadducten [88].

AKR's zijn een superfamilie van eiwitten die aldehyden en ketonen kunnen reduceren tot primaire en secundaire alcoholen. AKR's metaboliseren MG tot hydroxyaceton of lactaldehyde. Sommige onderzoeken toonden aan dat de transgene expressie van zowel menselijke als muizen Aldo-keto-reductasen in fibroblastcellen van knaagdieren beschermt tegen door MG veroorzaakte schade, wat suggereert dat AKR's kunnen deelnemen aan MG-ontgifting en een verlaging van de AGE's-niveaus [89-91]. Hoge AKR1B3-activiteit werd gedetecteerd in Schwann-cellen van Glo1-knockout-muis, evenals een verhoogde expressie tijdens blootstelling aan MG, wat suggereert dat het een compensatiemechanisme zou kunnen zijn dat wordt veroorzaakt door een gebrek aan het glyoxalase-systeem of overmatige glycatiestress [92]. Interessant is dat het ontbreken van AKR1B3 resulteerde in hogere niveaus van MG en AGE's in de harten van diabetische muizen [91].

LED's zijn een andere groep -dicarbonyl-metaboliserende enzymen die MG oxideren tot pyruvaat. ALDH-expressie was verhoogd in Schwann-wildtypecellen van muizen na behandeling met MG [92]. In een zebravismodel toonde glo1 knock-out vis aan dat geïnduceerde ALDH-activiteit het gebrek aan GLO1 compenseert [93]. Bij muizen zijn de compensatiemechanismen echter weefselafhankelijk, aangezien de verhoogde expressie van AKR's en ALDH's werd waargenomen in leverweefsel, maar alleen AKR's werden gemeld in nieren bij Glo1 knock-out muizen [94]. In studies bij mensen was de 3-DG-metaboliet geproduceerd door aldehyde dehydrogenase 1A1(ALDH1A1) activiteit verhoogd in plasma en erytrocyten van diabetespatiënten [92]. Onlangs werd ook aangetoond dat ketonlichaamacetoacetaat de MG-concentratie verlaagde door een niet-enzymatische reactie tijdens diabetische en dieetketose [95,96]. Ze ontdekten dat deze metabole route een niet-enzymatische aldolreactie inhoudt tussen MG en het ketonlichaamacetoacetaat, wat leidt tot 3-hydroxyhexaan-2,5-dion, dat in het bloed aanwezig is van insuline-uitgehongerde patiënten. Alternatieve routes die de deficiëntie van het glyoxalasesysteem zouden kunnen compenseren, zouden mogelijk toxische moleculen kunnen genereren zoals y-diketonen, die geassocieerd zijn met perifere axonale degeneratie en testiculaire schade [97,98].

Hoewel er geen systematische verouderingsanalyse is van eiwitten die betrokken zijn bij GLO1-onafhankelijke alternatieve routes, zijn leeftijdsgerelateerde veranderingen in die moleculaire spelers gemeld. Er is bijvoorbeeld een verband tussen D]-1-expressieniveaus en oxidatieve stress, en verschillende rapporten lieten een toename van DJ-1 zien met de leeftijd. DJ-1 mRNA- en eiwitniveaus namen toe van 8 tot 20 weken oud bij muizen [99] en DJ-1-niveaus namen significant toe als functie van de leeftijd in menselijk hersenvocht [100]. In oogweefsels is aangetoond dat de DJ-1 tot expressie wordt gebracht in retinaal pigmentepitheel en fotoreceptoren en dat de expressie in oude ogen toeneemt [101]. Het kan wijzen op een compensatiemechanisme als gevolg van de afname van de activiteit van het glyoxalasesysteem.

2.3. Weefselafhankelijke activiteit van het glyoxalasesysteem

Hoewel GLO1 een alomtegenwoordig eiwit is, worden de niveaus van dit enzym op een weefselafhankelijke manier gereguleerd. Om de rol van het glyoxalasesysteem in verschillende weefsels te evalueren, onderzochten we de expressie en activiteit van GLO1 in niet-oculaire (lever, hersenen, hart en nier) en oculaire weefsels (retina, RPE/choroidea en lens) van wildtype C57BL/6] muizen. Met behulp van antilichamen die specifiek GLO1 herkennen, werden Western blotting en immunohistochemie uitgevoerd om eiwitniveaus te kwantificeren. GLO1-activiteit in cytosolextracten werd spectrofotometrisch bepaald als de initiële vormingssnelheid van SD-lactoylglutathion, zoals eerder gerapporteerd [30,102]. Deze resultaten zijn samengevat in figuur 3.

Figuur 3. Een vergelijkende analyse van GLO1-eiwit en activiteit in oculaire en niet-oculaire weefsels. (A) GLO1-activiteit werd getest in niet-oculaire weefsels en retinale weefsels van WT-muizen zoals eerder beschreven [29] en activiteit werd uitgedrukt als een percentage (procent) vergeleken met de lever. (B) Lever en (C) retina representatieve Western-blot-analyse van transgene muizen met overexpressie van WT en Glow (Glo1 Tg plus / plus) met behulp van een monoklonaal antilichaam (niet-commercieel) en polyklonaal antilichaam voor Glol (commercieel, GeneTex) [36,103,104]. (D) Representatieve Western-blot-analyse van niet-oculaire weefselextracten (50ug) van WT-muizen met behulp van een monoklonaal antilichaam voor Glo1 (niet-commercieel) en (E) eiwitkwantificering van GLO1 genormaliseerd om het laden te regelen (Ponceau-kleuring). (F) GLO1-activiteit werd uitgevoerd in oculaire weefsels (Retina, RPE/Choroid en Lens) van WT-muizen zoals eerder beschreven [29] en activiteit werd uitgedrukt als milli-eenheden per milligram eiwit. Waarden zijn gemiddelde ± SEM. De steekproefomvang is n=4van de GLO1-eiwit- en activiteitstests.

Eerder gepubliceerde gegevens gaven aan dat het netvlies en de lever de hoogste activiteit van GLO1 ([30]; Figuur 3A) vertonen. Merk op dat retinale activiteit de hoogste waarde was, terwijl de lever, nier, hersenen en hart respectievelijk slechts 46 procent, 27 procent, 22 procent en 11 procent van de ontgiftende retinale capaciteit vertegenwoordigden. We evalueerden of de activiteit van GLO1 correleerde met het niveau van het enzym door beoordeling van GLO1-eiwitniveaus door Western-blotting. Het antilichaam tegen GLO1 was eerder gevalideerd in eerdere rapporten en gebruikt voor de analyse van GLO1 in retinale monsters [36,103,104]. Als positieve controle werd ook een vergelijkende analyse uitgevoerd in retina- en leverweefsels van transgene muizen die GLO1 tot overexpressie brengen op C57BL/6J (B6) achtergrond [105]. Om de niveaus van GLO1 te onderzoeken, gebruikten we twee verschillende antilichamen: een polyklonaal konijnenantilichaam (commercieel antilichaam van GeneTex) en een monoklonaal muizenantilichaam (niet-commercieel antilichaam) gerapporteerd in verschillende diermodellen voor de studie van GLO1-biologie [103,106]. We waren in staat om GLO1-eiwit in lever- en retina-wildtype weefsels te detecteren door Western blotting, en we vonden de hoogste expressie in transgene muizen in beide weefsels (Figuur 3B, C en Aanvullende Figuur S1). Voor beide antilichamen werden twee banden herkend. De differentiële elektroforetische profielen van deze GLO1-positieven suggereren dat posttranscriptionele veranderingen van vitaal belang kunnen zijn in de rol van het eiwit. Dienovereenkomstig gaf een recente studie aan dat gefosforyleerd GLO1 efficiënter en stabieler is, wat deze post-transcriptionele veranderingen ondersteunt als een nauwkeurig mechanisme dat de GLO1-activiteit reguleert [79]. Er is echter weinig informatie over hoe post-transcriptionele modificaties de glyoxalase 1-activiteit moduleren.

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>hart (Figuur 3D, E). Dit bevestigt de resultaten van een eerdere studie[30]. Er is beperkte informatie over de rol van GLO1 in oogweefsels. Zoals we eerder meldden, onthulde de enzymatische test dat de GLO1-activiteit ~ 10 keer hoger is in het netvlies in vergelijking met de lens of RPE/choroidea (Figuur 3F, [30]). De overexpressie van glyoxalase I verbetert de overleving van de menselijke retinale pericyten onder hyperglykemische omstandigheden [107] en een angiotensinereceptorblokker die GLO1 herstelt bij diabetische ratten bleek de acellulaire haarvaten van het netvlies te verminderen [18]. Bovendien heeft het ontbreken van GLO1 in de zebravis invloed op de architectuur van het volwassen netvliesvat, hoewel verhoogde vorming van angiogene spruiten alleen wordt waargenomen bij glo1-/-overvoede zebravissen, maar niet bij normale voeding [93].

Het netvlies is een zeer complex, zeer dynamisch weefsel met diverse celtypen (Figuur 4A). De bloedstroom en de daaruit voortvloeiende blootstelling aan xenobiotica en andere stressoren behoren tot de hoogste in het lichaam. Elke ochtend wordt 10 procent van de buitenste uiteinden van de fotoreceptoren van het netvlies afgestoten en moet worden verwijderd door aangrenzende retinale gepigmenteerde epitheelcellen. We hebben immunohistochemische analyse uitgevoerd om voor het eerst de ruimtelijke verschillen van GLO1 in het netvlies te karakteriseren. GLO1-eiwit was aanwezig in alle celtypen in het netvlies, met hoge niveaus in cellichamen van de binnenste nucleaire laag en ganglioncellaver. Fotoreceptorcellichamen in de buitenste kernlaag hadden lagere niveaus. In fotoreceptoren werden de meeste GLO1-eiwitten gevonden in de binnenste en buitenste segmenten. De RPE had ook hoge niveaus van GLO1-eiwit, terwijl de choroidea en sclera een lagere hoeveelheid GLO1-eiwit hadden (Figuur 4B, C).

Figuur 4. Immunohistochemie van GLO1 in retinale weefsels van muizen. (A) Dwarsdoorsnede, cellulair schema van het netvlies dat de drie primaire lagen illustreert, bestaande uit de ganglioncellaag (GCL), met retinale ganglioncellen (RGC), binnenste nucleaire laag (INL), die interneuronen van amacrine, bipolaire en horizontale herbergt cellen evenals Müller gliacellen, en buitenste nucleaire laag (ONL), behuizing staaf en kegel fotoreceptoren. Het sensorische weefsel, of neuroretina, is verbonden met het retinale pigmentepitheel (RPE). Rode pijlen gaven de RPE-laag aan. (B) Representatief beeld van GLO1-immunokleuring in retinale monsters van WT-muizen. (C) gemiddelde intensiteit fluorescentie van GLO1 genormaliseerd naar de waarde in de RPE. Getoonde gegevens zijn gemiddelde ± standaardfouten van de gemiddelden (SEM). Onze resultaten in het netvlies zijn relevant omdat het netvlies een sterk gedifferentieerd post-mitotisch weefsel is, waar door glycatie veroorzaakte schade niet kan worden verminderd door celdeling [5,9]. Bovendien zijn veranderingen in GLO1 in verband gebracht met schade aan het netvlies [108]. Een soortgelijk scenario kan zich voordoen in andere weefsels die bestaan ​​uit cellen met een lage regeneratiecapaciteit, zoals het centrale zenuwstelsel, waar de overgrote meerderheid van de neuronen post-mitotisch is. De evaluatie van GLO1-niveaus samen met celspecifieke markers zou ons in staat kunnen stellen om de cel-tot-cel variatie binnen een bepaald weefsel te evalueren. Onze resultaten suggereren dat het hoge niveau van retinale GLO1-eiwit en activiteit een belangrijke beschermende rol zou kunnen spelen tegen AGE-gerelateerde schade met de leeftijd.

Dit artikel is afkomstig uit Cells 2021, 10, 1852. https://doi.org/10.3390/cells10081852 https://www.mdpi.com/journal/cells