Das Glyoxalase-System bei altersbedingten Erkrankungen: Ernährungsintervention als Anti-Aging-Strategie Teil 1

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Abstrakt:Das Glyoxalase-System ist entscheidend für die Entgiftung von Endprodukten der fortgeschrittenen Glykation (AGEs). AGEs sind toxische Verbindungen, die aus der nicht-enzymatischen Modifikation von Biomolekülen durch Zucker oder ihre Metaboliten durch einen als Glykation bezeichneten Prozess resultieren. AGEs haben negative Auswirkungen auf viele Gewebe und spielen eine pathogene Rolle beim Fortschreiten der molekularen und zellulären Alterung. Aufgrund des altersbedingten Nachlassens verschiedener Anti-AGE-Mechanismen, darunter Entgiftungsmechanismen und proteolytische Kapazitäten, werden glykierte Biomoleküle während der normalen Alterung in unserem Körper gewebeabhängig angereichert. So gesehen werden Anti-AGE-Entgiftungssysteme als therapeutische Ziele vorgeschlagen, um pathologische Dysfunktion zu bekämpfen, die mit AGE-Akkumulation und Zytotoxizität verbunden ist. Hier fassen wir den aktuellen Wissensstand in Bezug auf die Schutzmechanismen gegen Glykationsstress zusammen, mit besonderem Schwerpunkt auf dem Glyoxalase-System als primärem Mechanismus zur Entgiftung der reaktiven Zwischenprodukte der Glykation. Dieser Aufsatz konzentriert sich auf Glyoxalase 1 (GLO1), das erste Enzym des Glyoxalase-Systems und das geschwindigkeitsbestimmende Enzym dieses katalytischen Prozesses. Obwohl GLO1 ubiquitär exprimiert wird, werden Proteinspiegel und -aktivitäten gewebeabhängig reguliert. Wir bieten eine vergleichende Analyse des GLO1-Proteins in verschiedenen Geweben. Unsere Ergebnisse weisen auf eine Rolle des Glyoxalase-Systems bei der Homöostase in der Netzhaut des Auges hin, einem stark mit Sauerstoff angereicherten Gewebe mit schnellem Proteinumsatz. Wir beschreiben auch die Modulation des Glyoxalase-Systems als therapeutisches Ziel, um die Entwicklung altersbedingter Krankheiten zu verzögern, und fassen die Literatur zusammen, die das aktuelle Wissen über Nahrungsverbindungen mit Eigenschaften zur Modulation des Glyoxalase-Systems beschreibt.

Schlüsselwörter:Glykationsstress; Glyoxalase-System; Altern; Proteotoxizität

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1. Einführung: Glykativer Stress und ungesundes Altern

Immer mehr Literatur weist darauf hin, dass die Anhäufung geschädigter Proteine ​​ein spezifisches Merkmal des Alterns und vieler altersbedingter Krankheiten ist, darunter Typ-2-Diabetes, Krebs, neurodegenerative, kardiovaskuläre und Augenerkrankungen [1-7]. Aberrante Proteine ​​beeinträchtigen die zelluläre Homöostase, indem sie nicht funktionierende und toxische Aggregate bilden, und dies führt nicht nur zur Inaktivierung des anomalen Proteins, sondern kann auch die Funktion anderer essentieller Proteine ​​aufgrund der Belastung oder Unzulänglichkeit der Proteinqualitätskontrollmaschinerie beeinträchtigen in der Zelle. Ein prominenter Mechanismus, der zu abweichenden Molekülen führt, ist eine Modifikation durch Advanced Glycation Endproducts (AGEs).

Es entstehen Dicarbonylverbindungen

aus verschiedenen Stoffwechselwegen (Abbildung 1), die den diätetischen Zucker- und Kohlenhydratstoffwechsel beinhalten, um AGEs zu bilden. Diese Dicarbonylverbindungen interagieren mit Biomolekülen wie Proteinen, Lipiden und Nukleinsäuren in einer nicht-enzymatischen posttranslationalen Modifikation, die als Glykation bezeichnet wird. Die wichtigsten glykierenden Dicarbonylmittel sind Methylglyoxal (MG), Glyoxal oder 3-Desoxyglucoson [8]. Diese Dicarbonyle werden unter homöostatischen Bedingungen auf niedrigem Niveau gehalten, aber der Alterungsprozess erhöht diese Glykationsreagenzien auf pathologische Niveaus, was die Bildung toxischer AGEs verstärkt und letztendlich die Gewebefitness beeinträchtigt. Da die Bildung von AGEs von der Glukosekonzentration abhängt, führt der Verzehr von hochglykämischen Diäten oder diabetischen Zuständen zu einer dramatischen systemischen Akkumulation von AGEs. Dies korreliert direkt mit einem veränderten Stoffwechsel, erhöhten Entzündungen und dem Fortschreiten schwerer Erkrankungen. Umgekehrt begrenzt die Einnahme von niedrig glykämischen Diäten die AGE-Akkumulation und ist mit dem langsameren Fortschreiten einiger dieser Krankheiten verbunden [9-13]. In diesem Zusammenhang übt Hyperglykämie zusätzlichen Stress auf die altersassoziierte Produktion von glykierten Proteinen aus und verschlimmert die nachteiligen Folgen von AGE-Ablagerungen auf die Organfunktion.

Abbildung 1. Schematische Darstellung der Bildung von -Dicarbonylen und der Entgiftungswege gegen AGE-bedingte Schäden beim Altern. Die Bildung hochreaktiver -Dicarbonyle wie Methylglyoxal (MG) erfolgt durch nicht-enzymatischen Abbau der glykolytischen Zwischenprodukte, einschließlich Dihydroxyacetonphosphat und Glyceraldehyd 3-phosphat und anderer Quellen, einschließlich Aminosäure- und Lipidstoffwechsel. Um AGE-Schäden zu vermeiden, ist das Glyoxalase-System ein primärer Mechanismus, der die Synthese von AGEs begrenzt und hochreaktive Biomoleküle wie MG in weniger reaktive Biomoleküle (D-Lactat) umwandelt. Dieser Prozess beinhaltet die sequentielle Aktivität der beiden Enzyme GLO1 und GLO2 und der reduzierten Form von Glutathion (GSH). Andere Entgiftungsmechanismen implizieren die Aktivität von DJ-1, Aldehyddehydrogenasen (ALDHs), Aldo-Keto-Reduktasen (AKRs) und Acetoacetatabbauenzymen. Einmal gebildet, können AGEs über zwei proteolytische Wege abgebaut werden: das Ubiquitin-Proteasom (UPS)-System und die Autophagie. Diese Schutzmechanismen (grün hervorgehoben) nehmen mit zunehmendem Alter ab und tragen zum Auftreten von altersbedingten Krankheiten wie Neurodegeneration, Augenerkrankungen (AMD, Katarakt, DR), Nephropathien, metabolischem Syndrom und Krebs bei. GLO1: Glyoxalase 1; GLO2: Glyoxalase 2; GSH: Glutathion.

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Übermäßiger Glykationsstress fördert die Proteinunlöslichkeit, dereguliert Signalwege und Proteinqualitätskontrollwege. Von AGEs abgeleitete Veränderungen im Proteom stören Signalwege in der Gewebephysiologie (MAP/ERK-, JAK-STAT- und PI3K-AKT-Wege), die zur nukleären Translokation von Transkriptionsfaktoren führen, die an mehreren Zellfunktionen beteiligt sind, einschließlich Entzündung, Apoptose, ER-Stress , Autophagie, oxidativer Stress, mitochondriale Funktion usw. (Übersicht in [2,14]). Glykierte Proteine ​​können auch die Funktionalität proteolytischer Kapazitäten überfordern oder einschränken. Diese Veränderungen tragen letztendlich zum Auftreten mehrerer altersbedingter Erkrankungen bei.

Mehrere Studien haben gezeigt, dass die Bildung von MG und MG-abgeleiteten AGEs ein wichtiger Faktor bei der Pathogenese von Diabetes und seinen Komplikationen wie Retinopathie, Nephropathie und Neuropathie ist [15-19]. Dicarbonyl-Stress ist auch ein beitragender Mediator von Fettleibigkeit und Herz-Kreislauf-Erkrankungen [20,21]. MG kann durch mehrere Mechanismen zur Atherosklerose beitragen, einschließlich der Akkumulation von MG-abgeleiteten AGEs in atherosklerotischen Plaques [22] und MG-induzierter Low-Density-Lipoprotein-Glykation [23]. Der Zusammenhang zwischen MG und Bluthochdruck wurde auch in mehreren Studien beobachtet, die erhöhte MG-Spiegel in der Aorta und im Nierengewebe zeigten [24,25]. Mehrere Studien haben auch bestätigt, dass die Akkumulation von AGEs mit vielen neurodegenerativen Erkrankungen korreliert und somit die Gehirnfunktion beeinträchtigt, wie z. B. Alzheimer, Parkinson und Schizophrenie [26-28]. Eines der besten Beispiele für die Beziehung zwischen der Ansammlung von AGE und altersbedingten Folgen tritt im Augengewebe auf, was zu durch Glykierung induzierten Erkrankungen des Augengewebes führt, wie z. B. Katarakt, altersbedingte Makuladegeneration (AMD) und diabetische Retinopathie (DR)[{ {fünfzehn}}]. In Bezug auf Katarakte, die Hauptursache für Erblindung weltweit, werden Linsenkristalline mit zunehmendem Alter infolge der Ansammlung von AGE-Nebenprodukten zunehmend gelb-braun pigmentiert [31]. Neben der Linse nehmen auch retinale AGEs mit Alter und Diabetes zu, insbesondere in der äußeren Retina. AMD ist die Hauptursache für Erblindung bei älteren Menschen in Industrienationen. Höhere AGE-Werte werden bei AMD-Patienten im Vergleich zu Kontrollpersonen sowie in AMD-Mausmodellen gefunden [32-36]. DR ist durch die Akkumulation von AGEs in der Netzhaut gekennzeichnet, was zu mikrovaskulären Schäden führt [37].mikronisierte gereinigte Flavonoidfraktion 1000 mg verwendetDiese pathologischen Veränderungen führen zu irreversiblen Schäden an der Blut-Retina-Schranke und einem Makulaödem, was letztendlich zu Sehverlust führt. Zusammenfassend reichern sich AGEs beim Altern im ganzen Körper an, insbesondere bei Diabetikern. Dies beeinträchtigt die Homöostase des Organismus und trägt zum Ausbruch und Fortschreiten einer Vielzahl altersbedingter Krankheiten bei.

Es gibt mehrere Systeme zur Entgiftung von AGEs. Dazu gehört das Glyoxalase-System, der am besten charakterisierte Mechanismus zur Hemmung der Bildung von AGEs und einer der Wege zur Entgiftung von Zwischenprodukten der Glykation. Die Anti-AGE-Kapazitäten nehmen jedoch mit zunehmendem Alter ab, was zu einer beschleunigten Akkumulation von AGEs in „normalen älteren Geweben“ führt. Obwohl es verschiedene Abwehrmechanismen gibt, um die Akkumulation von AGEs in Geweben zu begrenzen, wird ihre Entwicklung zur Verhinderung der Akkumulation von AGEs und damit verbundenen Pathologien immer noch nicht ausgenutzt [38]. Im nächsten Abschnitt fassen wir die aktuelle Literatur über Entgiftungsmechanismen zusammen, auf die wir uns konzentrieren das Glyoxalase-System, um die Akkumulation dieser toxischen Nebenprodukte in Zellen und Geweben zu reduzieren. Abschließend diskutieren wir den Nutzen von Ernährungsinterventionen zur Stärkung des Glyoxalase-Systems als Anti-Aging-Strategie.

2. Entgiftungsmechanismen gegen glykativen Stress: Hauptrolle des Glyoxalase-Systems

Es wurde über mehrere Entgiftungsmechanismen gegen die Akkumulation von AGEs berichtet. 1 ist eine schematische Übersicht über die -Dicarbonylbildung und die verschiedenen Entgiftungswege gegen von AGEs stammende Schäden beim Altern. Die Hauptrouten der AGE-Synthese umfassen die Reaktion von reaktiven Dicarbonylen, die hauptsächlich aus dem Glucosestoffwechsel stammen, mit primären Aminen (N-terminale oder Lysin-Seitenkette) oder der Guanidingruppe der Arginin-Seitenkette [39]. Die Bildung von hochreaktiven -Dicarbonylen, wie MG, erfolgt durch den Metabolismus der glykolytischen Zwischenprodukte, wie Dihydroxyacetonphosphat und Glycerinaldehyd 3-phosphat, und andere Quellen, einschließlich des Aminosäure- und Lipidstoffwechsels.

AGEs sind irreversibel und können, einmal gebildet, nur durch proteolytische Wege eliminiert werden [5,9,40,41]. Zwei wichtige proteolytische Kapazitäten werden vorgeschlagen, um zur Clearance von AGEs beizutragen: das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) und das autophagische lysosomale proteolytische System (ALPS)[5,9,40,41] (Abbildung 1). Das UPS arbeitet hauptsächlich mit löslichen fehlgefalteten Proteinen. Im UPS werden Substrate erkannt und mit Ubiquitin markiert und zum Abbau an das Proteasom gerichtet. Das ALPS besteht aus dem gezielten Transport von Fracht zum lysosomalen Kompartiment zum Abbau. Autophagische Fracht kann vielfältig sein, einschließlich unlöslicher Proteine, proteinhaltiger Aggregate und sogar ganzer Organellen. Beide proteolytischen Wege sind funktionell kooperativ und zunehmende Literatur unterstützt das Übersprechen zwischen den beiden Wegen mit reziproken direkten und indirekten Wechselwirkungen[42-46]. Dieses Übersprechen garantiert einen Backup-Mechanismus, und im Falle des Mangels an einem der Wege neigt der andere proteolytische Weg dazu, dies zu kompensieren, um ein ordnungsgemäßes und funktionelles Proteom aufrechtzuerhalten [47].

Altersbedingte Veränderungen der Proteinabbauraten wurden für viele Gewebe vor mehr als 3 Jahrzehnten dokumentiert, noch bevor die molekulare Charakterisierung proteolytischer Signalwege definiert wurde [48]. Heutzutage ist der molekulare und zelluläre Rückgang der beiden wichtigsten proteolytischen Wege mit dem Alter besser verstanden, und es gibt Unterschiede im Ausmaß des Rückgangs zwischen dem UPS- und dem lysosomalen System. Viele Berichte haben einen gewebeabhängigen Rückgang des UPS gezeigt, während der autophagische Rückgang universell zu sein scheint (Übersicht in [49-51). In Bezug auf die Autophagie unterliegen sowohl lysosomale als auch autophagosomale Kompartimente bemerkenswerten Modifikationen. Zu den Veränderungen, die zur Fehlfunktion der Autophagie beitragen, gehören eine Abnahme der lysosomalen Stabilität, Hydrolase-Aktivität, Akkumulation von unverdaulichem Material (Lipofuszin) im lysosomalen Lumen, dysfunktionaler lysosomaler pH-Wert, verringertes Transkriptionsniveau von Autophagie-bezogenen Proteinen, verringerte Stabilität des Chaperon-vermittelten Autophagierezeptor LAMP2A in der lysosomalen Membran und verringerte Assoziation von Motorproteinen in den autophagischen Kompartimenten ([49,51,52]). Im Gegensatz zur Autophagie wird heute akzeptiert, dass Veränderungen der proteolytischen Fähigkeiten des Proteasoms mit dem Alter eher qualitativ als quantitativ zu sein scheinen.OteflavonoidVeränderungen in der Zusammensetzung der katalytischen Aktivitäten des proteasomalen Kerns und der modulatorischen Untereinheiten, verringerte Proteasom-Expression sowie Veränderungen im Oxidationszustand der Proteasom-Untereinheiten und Proteasom-Substrate tragen zur altersbedingten Hemmung der UPS-Kapazität bei (Übersicht in [53 ,54). In einigen Fällen kann die Kapazität der proteolytischen Systeme einfach nicht ausreichen, um mit der Belastung fertig zu werden. Leider nimmt die Wirksamkeit dieser beiden Mechanismen mit zunehmendem Alter ab, was zu einer unzureichenden Fähigkeit zur Erkennung und Entfernung geschädigter Proteine ​​und damit zur intrazellulären Akkumulation von Proteinaggregaten und dysfunktionalen Organellen führt [55,56]. Die Netto-AGE-Spiegel werden durch das Gleichgewicht der Synthese- oder Bildungsrate und der Entfernungsrate bestimmt. Die unmittelbare Folge des Rückgangs der proteolytischen Kapazität ist die Akkumulation von langlebigen Proteinen in gealterten Organismen, von denen viele durch Glykation verursachte Schäden in ihren Aminosäuresequenzen akkumulieren. Die Akkumulation von AGEs erfolgt altersbedingt und -abhängig ([4,9]) und eine kürzlich durchgeführte proteomische Analyse in der Alternsforschung hat gezeigt, dass die AGE-Biologie einen angereicherten Stoffwechselweg enthält, der mit altersassoziierten Proteomen assoziiert ist [57].

Obwohl UPS und ALPS mit zunehmendem Alter abnehmen, gibt es verschiedene Schutzwege mit der Fähigkeit, die Synthese von AGEs zu reduzieren. In dieser Übersicht konzentrieren wir uns auf diese Schutzmechanismen, die die Biogenese von AGEs einschränken, mit besonderem Schwerpunkt auf dem Glyoxalase-System, dem primären Weg zur Entgiftung reaktiver Dicarbonyle [58]. In diesem Abschnitt werden wir das Glyoxalase-System im Detail beschreiben. Wir beschreiben auch kurz andere Mechanismen bei der Entgiftung von AGEs: Parkinson-assoziiertes Protein DJ-1, Aldehydehydrogenasen (ALDHs), Aldo-Keto-Reduktasen (AKRs) und Acetoacetatabbau.

2.1.Glyoxalase-System: Der wichtigste Entgiftungsweg für Reaktionsdicarbonyle

Eine umfangreiche Literatur unterstützt das Glyoxalase-System als den wichtigsten Entgiftungsweg für reaktive Dicarbonyle im Zytosol aller Säugetierzellen [58]. Das Glyoxalase-System ist der am besten charakterisierte Stoffwechselweg für MG. Gene für Glyoxalasen sind evolutionär konserviert und in verschiedenen lebenden Systemen wie Menschen, Pflanzen, Hefen, Bakterien, Pilzen und Protisten weit verbreitet. Das Vorkommen in vielen verschiedenen Taxa weist auf die hohe Bedeutung von Glyoxalase-Enzymen in der physiologischen Funktion des biologischen Lebens hin. Die kombinierten Aktivitäten der Glyoxalasen 1 und 2 (GLO1, GLO2) katalysieren die Umwandlung von reaktiven, acyclischen -Oxoaldehyden in die entsprechenden -Hydroxysäuren [58]. Auch diese Reaktionen erfordern katalytisches GSH. Im ersten Schritt wandelt GLO1 sein Substrat Hemithioacetal, das durch eine spontane Reaktion des Aldehyds des Dicarbonyl-MG und GSH gebildet wird, in SD-Lactoylglu-Thron um. Dann hydrolysiert GLO2 SD-Lactoylglu-Tathion zu D-Lactat und reformiert GSH (Abbildung 1).puritaner vitamin cDie Aktivität von GLO1 ist direkt proportional zur GSH-Konzentration. Die GLO1-Aktivität nimmt ab, wenn GSH entfernt wird, beispielsweise bei oxidativem Stress, wenn GSH in GSSG umgewandelt wird [59].

MG wird während der Glykolyse und Glukoneogenese durch den Abbau von Dihydroxyacetonphosphat und Glycerinaldehyd 3-phosphat sowie durch den Katabolismus von Threonin, die Oxidation von Ketonkörpern und den Abbau von glykierten Proteinen gebildet. Andere Substrate, einschließlich Glyoxal, Phenylglyoxal und Hydroxypyrualdehyd, werden ebenfalls über diesen Weg metabolisiert [60]. GLO1, das geschwindigkeitsbestimmende Enzym im Glyoxalase-System, katalysiert den primären Entgiftungsschritt [61], daher ist die Veränderung des GLO1-Proteins an vielen pathologischen Prozessen des Alterns beteiligt, wie z. B. bei Diabetes, neurodegenerativen Erkrankungen, Krebs und Augenerkrankungen Krankheiten [20.

Die Regulation der GLO1-Expression und -Aktivität ist komplex und noch immer nicht gut verstanden (Abbildung 2). Die GLO1-Promotorsequenz enthält ein Metal-Response-Element (MRE), ein Insulin-Response-Element (IRE), eine 2--Faktor-Isoform des frühen Gens (E2F) und ein aktivierendes Enhancer-bindendes Protein 2 (AP{{10 }} ) und ein Antioxidans-Response-Element (ARE). Die Funktion von IRE und MRE wurde in Reporter-Assays bestätigt, bei denen die Behandlung mit Insulin und Zinkchlorid eine erhöhte transkriptionelle Reaktion hervorrief 62]. Ähnliche funktionelle Aktivitäten wurden für E2F und AP-2 beobachtet [63,64]. Das in Exon 1 von Glo1 lokalisierte ARE dient dazu, Glo1 mit dem Stress-responsiven Transkriptionssystem des Kernfaktors Erythroid 2--verwandter Faktor 2 (NRF2) zu verbinden [65]. Mehrere Gene, die mit dem MG-Metabolismus und dem Schutz vor oxidativem Stress in Verbindung stehen, stehen unter der Kontrolle des NRF2-ARE-Signalwegs [66]. NRF2 ist mit KEAP1 komplexiert, einem Substratadapterprotein für den Cullin-3--abhängigen E2-Ubiquitin-Ligase-Komplex, der NRF2 zum Abbau durch das 26S-Proteasom unter physiologischen Bedingungen dirigiert. Oxidativer Stress führt zur Destabilisierung dieses Komplexes, was die Translokation von NRF2 in den Zellkern verursacht und die Hochregulierung antioxidativer Gene auslöst [67,68]. Die Bindung von NRF2 an Glo1-ARE erhöht die basale und induzierbare Expression von GLO1.[65]. NRF2 und antioxidative Reaktionen werden ebenfalls hochreguliert, wenn MG die Dimerisierung von KEAP verursacht, wodurch Nrf2 freigesetzt wird [69].

Mehrere Studien zeigen, dass NRF2 die GLO1-Aktivität erhöht und intrazellulären MG-Stress lindert; somit führte die Modulation von GLO1 durch NRF2-Agonisten zu einer Abnahme von MG und von MG-abgeleiteten Proteinaddukten sowohl in Zellen als auch in Geweben [70-73]. Darüber hinaus waren Leber-, Gehirn-, Herz-, Nieren- und Lungen-GloI-mRNA und -Protein bei NRF2-Knockout-Mäusen verringert [65]. Insgesamt deuten diese Berichte darauf hin, dass GLO1 ein nachgeschaltetes Ziel ist, durch das der NRF2/KEAP1-Weg seine Schutzfunktionen erfüllt, indem er MG- und Dicarbonyl-Stress verringert. Die entzündliche Aktivierung des NF-kB (nuklearer Faktor kB) mit NRF2 verringert jedoch die Glol-Expression [74]. Die Glow-Expression wird auch durch HIF1 (Hypoxie-induzierbarer Faktor 1) unter hypoxischen Bedingungen, einem wichtigen physiologischen Treiber von Dicarbonyl-Stress, negativ reguliert [75].

Neben der transkriptionellen Regulation gibt es auch eine posttranslationale Regulation des GLO1-Proteins (Abbildung 2). GLO1 wird durch zytosolisches Sirtuin -2 [76,77] acetyliert, und seine Expression kann durch die Aktivierung von RAGE (Rezeptor für fortgeschrittene Glykationsendprodukte) verringert werden; diese Mechanismen sind jedoch nicht eindeutig verstanden [78].sistancheEine kürzlich durchgeführte Studie zeigte, dass das GLO1-Protein durch die Phosphorylierung von Threonin 107 (T107) und die Nitrosylierung von Cystein 139 modifiziert werden kann [79]. In dieser Studie wurde die Phosphorylierung von T107 durch die Calmodulin-abhängige Kinase II delta im GLO1-Protein als präziser Mechanismus beschrieben, der das Glyoxalase-System reguliert. Insbesondere beeinflusst die Phosphorylierung von GLO1 bei T107 die kinetische Effizienz der MG-Entgiftung und die proteasomale Abbaurate. Daher ist sein veränderter Status mit der Entwicklung altersbedingter Erkrankungen verbunden [79].

Abbildung 2. Mechanismen der Glyoxalase-1(GLO1)-Regulation. Die GLO1-Aktivität kann durch mehrere Mechanismen reguliert werden, einschließlich Transkriptionsregulation und posttranslationale Modifikationen. Der Glo1-Promotor enthält verschiedene regulatorische Elemente, wie Elemente der Antioxidans-Reaktion (ARE), der Metall-Reaktion (MRE) und der Insulin-Reaktion (IRE) sowie Bindungsstellen für AP-2 und E2F Nuclear Factor Erythroid 2-related Factor 2 (NRF2) ist mit KEAP1 komplexiert, einem Substratadapterprotein für den Cullin-3--abhängigen E2-Ubiquitin-Ligase-Komplex, der NRF2 zum Abbau durch das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) dirigiert. Oxidativer Stress führt zur Destabilisierung des Komplexes NRF2-KEAP1, was zur Ablösung von NRF2 führt, das in den Kern verlagert wird, was die Hochregulierung verschiedener antioxidativer Gene auslöst. Die Bindung von NRF2 an Glo1-ARE erhöht die Expression von GLO1. Unter Hypoxiebedingungen wird die Glow-Expression durch den Hypoxie-induzierbaren Faktor 1 (HIFlx) umgekehrt reguliert. Verschiedene posttranslationale Modifikationen im Zytosol können die Stabilität von GLO1 beeinflussen.

2.2. Alternative Entgiftungsmechanismen als mutmaßliche Backup-Systeme zur Kompensation fehlender Glyoxalase-Aktivität

Während der primäre Mechanismus zur Entgiftung reaktiver Dicarbonyle im Glyoxalase-System ist, gibt es alternative Wege mit der Fähigkeit, während des Zuckerstoffwechsels gebildete Dicarbonyle zu entgiften. Dazu gehören ALDHs, AKRs, das Parkinson-assoziierte Protein DJ-1 und das Abfangen durch Acetoacetat zur Bildung von 3-Hydroxyhexan-2,5-dion (3-HHD )[80]. Die physiologische Relevanz dieser Systeme bleibt unklar und es wurde in Frage gestellt, ob diese Enzyme aufgrund der hohen Aktivität des Glyoxalase-Systems entscheidend für die Entgiftung von AGEs in Geweben sind oder nicht. Sie scheinen Komponenten von Backup-Systemen zu sein, die in Abwesenheit von Glyoxalase-Aktivität funktionieren, obwohl eine gewebeabhängige Rolle dieser Wege nicht ausgeschlossen werden kann.

DJ-1, auch als Parkinson-Protein 7 (PARK7) bekannt, spielt eine wesentliche Rolle bei der Parkinson-Krankheit (PD). Es wurde gezeigt, dass der Mangel an funktionellem DJ-1-Protein autosomal-rezessive PD verursacht [81,82]. Von DJ-1 wurden zwei unterschiedliche Aktivitäten berichtet: (1) Glyoxalase-Aktivität in vitro, Umwandlung von MG in Laktat und Verhinderung von MG-induzierten Gewebeschäden bei Caenorhabditis elegans [83], und (2) Deglycase-Aktivität in vitro, Verringerung MG-Nebenprodukte im Frühstadium [84]. Kürzlich haben auch andere Studien gezeigt, dass DJ-1 eine relevante Rolle bei der DNA-Deglykase [85-87] spielt.was ist cistancheDie entgiftende Kapazität von DJ-1 in Abwesenheit von Glutathion (GSH) macht dies zu einem alternativen Weg zum Glyoxalase-System, das die Anwesenheit von GSH erfordert. Allerdings beobachteten Pfaff et al., die sowohl DJ-1-Knockdowns in Drosophila-Zellen als auch DJ-1-Knockout im Gesamtorganismus verwendeten, keine Unterschiede in der Akkumulation von MG-Proteinaddukten [88].

AKRs sind eine Superfamilie von Proteinen, die Aldehyde und Ketone zu primären und sekundären Alkoholen reduzieren können. AKRs metabolisieren MG zu Hydroxyaceton oder Lactaldehyd. Einige Studien zeigten, dass die transgene Expression sowohl von Human- als auch Maus-Aldo-Keto-Reduktasen in Nagetier-Fibroblastenzellen vor MG-induzierten Schäden schützt, was darauf hindeutet, dass AKRs an der MG-Entgiftung und einer Verringerung der AGE-Spiegel beteiligt sein können [89-91]. In Glo1-Knockout-Maus-Schwann-Zellen wurde eine hohe AKR1B3-Aktivität sowie eine erhöhte Expression während der MG-Exposition nachgewiesen, was darauf hindeutet, dass es sich um einen kompensatorischen Mechanismus handeln könnte, der durch das Fehlen des Glyoxalase-Systems oder übermäßigen Glykationsstress induziert wird [92]. Interessanterweise führte das Fehlen von AKR1B3 zu höheren MG- und AGE-Spiegeln im Herzen von diabetischen Mäusen [91].

LEDs sind eine weitere Gruppe von -Dicarbonyl metabolisierenden Enzymen, die MG zu Pyruvat oxidieren. Die ALDH-Expression war in Maus-Schwann-Wildtyp-Zellen nach MG-Behandlung erhöht [92]. In einem Zebrafischmodell zeigten glo1-Knockout-Fische, dass die induzierte ALDH-Aktivität den Mangel an GLO1 kompensiert [93]. Zumindest bei Mäusen sind die kompensatorischen Mechanismen jedoch gewebeabhängig, da die erhöhte Expression von AKRs und ALDHs im Lebergewebe beobachtet wurde, aber nur AKRs in den Nieren von Glo1-Knockout-Mäusen berichtet wurden [94]. In Humanstudien war die Aktivität des durch die Aldehyddehydrogenase 1A1 (ALDH1A1) produzierten 3-DG-Metaboliten im Plasma und in den Erythrozyten von Diabetikern erhöht [92]. Kürzlich wurde auch gezeigt, dass Ketonkörper-Acetoacetat die MG-Konzentration durch eine nicht-enzymatische Reaktion während diabetischer und diätetischer Ketose reduziert [95,96]. Sie fanden heraus, dass dieser Stoffwechselweg eine nicht-enzymatische Aldolreaktion zwischen MG und dem Ketonkörper Acetoacetat umfasst, die zu 3-Hydroxyhexan-2,5-dion führt, das im Blut vorhanden ist von insulinarmen Patienten. Alternative Wege, die den Mangel des Glyoxalase-Systems kompensieren könnten, könnten möglicherweise toxische Moleküle wie y-Diketone erzeugen, die mit peripherer axonaler Degeneration und Hodenverletzung in Verbindung gebracht werden [97,98].

Obwohl es keine systematische Alterungsanalyse von Proteinen gibt, die an GLO1--unabhängigen alternativen Signalwegen beteiligt sind, wurde über altersbedingte Veränderungen dieser molekularen Akteure berichtet. Beispielsweise gibt es eine Korrelation zwischen dem D]-1-Expressionsniveau und oxidativem Stress, und verschiedene Berichte zeigten eine Zunahme von DJ-1 mit zunehmendem Alter. Die mRNA- und Proteinspiegel von DJ-1 stiegen bei Mäusen im Alter von 8 bis 20 Wochen an [99] und die DJ-1-Spiegel stiegen als Funktion des Alters in der menschlichen Zerebrospinalflüssigkeit signifikant an [100]. In Augengeweben wurde gezeigt, dass DJ-1 im retinalen Pigmentepithel und in Photorezeptoren exprimiert wird und die Expression in alten Augen zunimmt [101]. Es könnte einen Kompensationsmechanismus aufgrund der Abnahme der Aktivität des Glyoxalasesystems widerspiegeln.

2.3. Gewebeabhängige Aktivität des Glyoxalase-Systems

Obwohl GLO1 ein allgegenwärtiges Protein ist, werden die Spiegel dieses Enzyms gewebeabhängig reguliert. Um die Rolle des Glyoxalase-Systems in verschiedenen Geweben zu bewerten, untersuchten wir die Expression und Aktivität von GLO1 in nicht-okularem (Leber, Gehirn, Herz und Niere) und okularem Gewebe (Retina, RPE/Aderhaut und Linse). Wildtyp-C57BL/6]-Mäuse. Unter Verwendung von Antikörpern, die GLO1 spezifisch erkennen, wurden Western Blotting und Immunhistochemie durchgeführt, um die Proteinspiegel zu quantifizieren. Die GLO1-Aktivität in zytosolischen Extrakten wurde spektrophotometrisch als anfängliche Bildungsrate von SD-Lactoylglutathion bestimmt, wie zuvor berichtet [30,102]. Diese Ergebnisse sind in Abbildung 3 zusammengefasst.

Abbildung 3. Eine vergleichende Analyse des GLO1-Proteins und der Aktivität in okulärem und nicht-okularem Gewebe. (A) Die GLO1-Aktivität wurde in nicht-okularen Geweben und Netzhautgeweben von WT-Mäusen wie zuvor beschrieben [29] getestet und die Aktivität wurde als Prozentsatz (Prozent) im Vergleich zur Leber ausgedrückt. (B) Leber und (C) Netzhaut repräsentative Western-Blot-Analyse von transgenen Mäusen mit WT- und Glow-Überexpression (Glo1 Tg plus / plus) unter Verwendung eines monoklonalen Antikörpers (nicht kommerziell) und eines polyklonalen Antikörpers für Glol (kommerziell, GeneTex) [36,103,104]. (D) Repräsentative Western-Blot-Analyse von nicht okularen Gewebeextrakten (50 ug) von WT-Mäusen unter Verwendung eines monoklonalen Antikörpers für Glo1 (nicht kommerziell) und (E) Proteinquantifizierung von GLO1, normalisiert, um die Beladung zu kontrollieren (Ponceau-Färbung). (F) Die GLO1-Aktivität wurde in Augengeweben (Retina, RPE/Aderhaut und Linse) von WT-Mäusen durchgeführt, wie zuvor beschrieben [29], und die Aktivität wurde als Millieinheiten pro Milligramm Protein ausgedrückt. Die Werte sind Mittelwerte ± SEM. Die Probengröße ist n=4aus den GLO1-Protein- und Aktivitätsassays.

Zuvor veröffentlichte Daten zeigten, dass die Netzhaut und die Leber die höchste Aktivität von GLO1 aufweisen ([30]; Abbildung 3A). Beachten Sie, dass die Netzhautaktivität der höchste Wert war, während Leber, Niere, Gehirn und Herz nur 46 Prozent, 27 Prozent, 22 Prozent bzw. 11 Prozent der entgiftenden Netzhautkapazität ausmachten. Wir bewerteten, ob die Aktivität von GLO1 mit dem Spiegel des Enzyms korrelierte, indem wir die GLO1-Proteinspiegel durch Western Blotting bewerteten. Der Antikörper gegen GLO1 wurde zuvor in früheren Berichten validiert und für die Analyse von GLO1 in Netzhautproben verwendet [36,103,104]. Als positive Kontrolle wurde auch eine Vergleichsanalyse in Netzhaut- und Lebergewebe von transgenen Mäusen durchgeführt, die GLO1 auf C57BL/6J (B6)-Hintergrund überexprimieren [105]. Um die GLO1-Spiegel zu untersuchen, verwendeten wir zwei verschiedene Antikörper: einen polyklonalen Kaninchen-Antikörper (kommerzieller Antikörper von GeneTex) und einen monoklonalen Maus-Antikörper (nicht kommerzieller Antikörper), die in verschiedenen Tiermodellen für die Untersuchung der GLO1-Biologie berichtet wurden [103,106]. Wir konnten das GLO1-Protein in Leber- und Retina-Wildtypgeweben durch Western-Blotting nachweisen, und wir fanden die höchste Expression in transgenen Mäusen in beiden Geweben (Abbildung 3B, C und ergänzende Abbildung S1). Für beide Antikörper wurden zwei Banden erkannt. Die unterschiedlichen elektrophoretischen Profile dieser GLO1--Positiven legen nahe, dass posttranskriptionelle Veränderungen für die Rolle des Proteins entscheidend sein könnten. Dementsprechend zeigte eine kürzlich durchgeführte Studie, dass phosphoryliertes GLO1 effizienter und stabiler ist, was diese posttranskriptionellen Veränderungen als einen präzisen Mechanismus zur Regulierung der GLO1-Aktivität unterstützt [79]. Es gibt jedoch kaum Informationen darüber, wie posttranskriptionelle Modifikationen die Aktivität von Glyoxalase 1 modulieren.

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>Herz (Abbildung 3D, E). Dies bestätigt die Ergebnisse einer früheren Studie[30]. Es gibt nur begrenzte Informationen über die Rolle von GLO1 im Augengewebe. Wie wir bereits berichteten, zeigte der enzymatische Assay, dass die GLO1-Aktivität in der Netzhaut etwa 10-mal höher ist als in der Linse oder im RPE/der Aderhaut (Abbildung 3F, [30]). Die Überexpression von Glyoxalase I verbessert das Überleben menschlicher retinaler Perizyten unter hyperglykämischen Bedingungen [107] und ein Angiotensinrezeptorblocker, der GLO1 bei diabetischen Ratten wiederherstellt, reduziert nachweislich retinale azelluläre Kapillaren [18]. Darüber hinaus wirkt sich das Fehlen von GLO1 bei Zebrafischen auf die Gefäßarchitektur der erwachsenen Netzhaut aus, obwohl eine verstärkte angiogene Sprossbildung nur bei glo1-/-überfütterten Zebrafischen beobachtet wird, nicht jedoch bei normaler Fütterung [93].

Die Netzhaut ist ein hochkomplexes, sehr dynamisches Gewebe mit verschiedenen Zelltypen (Abbildung 4A). Der Blutfluss und die daraus resultierende Exposition gegenüber Fremdstoffen und anderen Stressoren gehören zu den höchsten im Körper. Jeden Morgen werden 10 Prozent der äußeren Spitzen der Photorezeptoren der Retina abgestoßen und müssen von benachbarten pigmentierten Epithelzellen der Retina entfernt werden. Wir führten eine immunhistochemische Analyse durch, um zum ersten Mal die räumlichen Unterschiede von GLO1 in der Netzhaut zu charakterisieren. Das GLO1-Protein war in allen Zelltypen innerhalb der Netzhaut vorhanden, mit hohen Konzentrationen in den Zellkörpern der inneren Kernschicht und der Ganglienzellschicht. Photorezeptor-Zellkörper in der äußeren Kernschicht hatten niedrigere Konzentrationen. In Photorezeptoren wurden die meisten GLO1-Proteine ​​innerhalb der inneren und äußeren Segmente gefunden. Das RPE hatte auch einen hohen Gehalt an GLO1-Protein, während die Aderhaut und die Sklera eine geringere Menge an GLO1-Protein aufwiesen (Abbildung 4B, C).

Abbildung 4. Immunhistochemie von GLO1 in retinalen Geweben der Maus. (A) Zellschema im Querschnitt der Netzhaut, das ihre drei primären Schichten darstellt, bestehend aus der Ganglienzellschicht (GCL), die retinale Ganglienzellen (RGC) enthält, der inneren Kernschicht (INL), die Amakrin-, Bipolar- und Horizontalinterneuronen beherbergt Zellen sowie Müller-Gliazellen und äußere Kernschicht (ONL), die Stäbchen- und Zapfen-Photorezeptoren beherbergt. Das Sinnesgewebe oder Neuroretina ist mit dem retinalen pigmentierten Epithel (RPE) verbunden. Rote Pfeile zeigten die RPE-Schicht an. (B) Repräsentatives Bild der GLO1-Immunfärbung in Netzhautproben von WT-Mäusen. (C) Mittlere Intensitätsfluoreszenz von GLO1, normalisiert auf den Wert im RPE. Die gezeigten Daten sind Mittelwerte ± Standardfehler der Mittelwerte (SEM). Unsere Ergebnisse in der Netzhaut sind relevant, da die Netzhaut ein hochdifferenziertes postmitotisches Gewebe ist, in dem durch Glykation verursachte Schäden nicht durch Zellteilung reduziert werden können [5,9]. Darüber hinaus wurden Veränderungen von GLO1 mit Netzhautschäden in Verbindung gebracht [108]. Ein ähnliches Szenario könnte in anderen Geweben auftreten, die aus Zellen mit geringer Regenerationskapazität bestehen, wie dem zentralen Nervensystem, wo die überwiegende Mehrheit der Neuronen postmitotisch ist. Die Bewertung der GLO1-Spiegel zusammen mit zellspezifischen Markern könnte es uns ermöglichen, die Zell-zu-Zell-Variation innerhalb eines bestimmten Gewebes zu bewerten. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass der hohe Gehalt an retinalem GLO1-Protein und -Aktivität eine wichtige schützende Rolle gegen altersbedingte Schäden durch AGE spielen könnte.

Dieser Artikel ist ein Auszug aus Cells 2021, 10, 1852. https://doi.org/10.3390/cells10081852 https://www.mdpi.com/journal/cells