سیستم گلیوکسالاز در بیماری های مرتبط با سن: مداخله تغذیه ای به عنوان استراتژی ضد پیری قسمت 1

لطفا تماس بگیریدoscar.xiao@wecistanche.comبرای اطلاعات بیشتر

خلاصه:سیستم گلیوکسالاز برای سم‌زدایی محصولات نهایی گلیکاسیون پیشرفته (AGEs) حیاتی است. AGEها ترکیبات سمی هستند که از اصلاح غیر آنزیمی مولکول‌های زیستی توسط قندها یا متابولیت‌های آن‌ها از طریق فرآیندی به نام گلیکوزیشن حاصل می‌شوند. AGE ها اثرات نامطلوبی بر بسیاری از بافت ها دارند و نقش بیماری زایی در پیشرفت پیری مولکولی و سلولی دارند. به دلیل کاهش مرتبط با سن در مکانیسم‌های مختلف ضد AGE، از جمله مکانیسم‌های سم‌زدایی و ظرفیت‌های پروتئولیتیک، بیومولکول‌های گلیکوزیله در طول پیری طبیعی در بدن ما به روشی وابسته به بافت تجمع می‌یابند. از این طریق، سیستم های سم زدایی ضد AGE به عنوان اهداف درمانی برای مبارزه با اختلال عملکرد پاتولوژیک مرتبط با تجمع AGE و سمیت سلولی پیشنهاد می شوند. در اینجا ما وضعیت فعلی دانش مربوط به مکانیسم‌های محافظتی در برابر استرس گلیکوزیشن را با تأکید ویژه بر سیستم گلیوکسالاز به‌عنوان مکانیسم اولیه برای سم‌زدایی واسطه‌های واکنشی گلیکوزیله خلاصه می‌کنیم. این بررسی بر روی گلیوکسالاز 1 (GLO1)، اولین آنزیم سیستم گلیوکسالاز، و آنزیم محدود کننده سرعت این فرآیند کاتالیزوری تمرکز دارد. اگرچه GLO1 در همه جا بیان می شود، سطوح پروتئین و فعالیت ها به شیوه ای وابسته به بافت تنظیم می شوند. ما یک تجزیه و تحلیل مقایسه ای از پروتئین GLO1 در بافت های مختلف ارائه می دهیم. یافته‌های ما نشان‌دهنده نقش سیستم گلیوکسالاز در هموستاز در شبکیه چشم، یک بافت بسیار اکسیژن‌دار با گردش پروتئین سریع است. ما همچنین مدولاسیون سیستم گلیوکسالاز را به عنوان یک هدف درمانی برای به تاخیر انداختن توسعه بیماری‌های مرتبط با افزایش سن توصیف می‌کنیم و مقالاتی را خلاصه می‌کنیم که دانش کنونی را در مورد ترکیبات تغذیه‌ای با ویژگی‌هایی برای تعدیل سیستم گلیوکسالاز توصیف می‌کند.

کلید واژه ها:استرس گلیکاسیون؛ سیستم گلیوکسالاز؛ سالخورده؛ پروتئوتوکسیسیته

لطفا برای دانستن بیشتر اینجا کلیک کنید

1. مقدمه: استرس گلیکاتیو و پیری ناسالم

مجموعه رو به رشدی از ادبیات نشان می‌دهد که تجمع پروتئین‌های آسیب‌دیده نشانه مشخصی از پیری و بسیاری از بیماری‌های مرتبط با افزایش سن، از جمله دیابت نوع 2، سرطان، اختلالات عصبی، قلبی عروقی و اختلالات مرتبط با چشم است [1-7]. پروتئین‌های نابجا با تشکیل توده‌های غیرعملکردی و سمی، هموستاز سلولی را مختل می‌کنند و این منجر به غیرفعال شدن پروتئین ناهنجار می‌شود، بلکه می‌تواند عملکرد سایر پروتئین‌های ضروری را نیز به دلیل استرس یا ناکافی بودن دستگاه کنترل کیفیت پروتئین مختل کند. در سلول یکی از مکانیسم های برجسته ای که منجر به مولکول های نابجا می شود، اصلاح توسط محصولات نهایی گلیکاسیون پیشرفته (AGEs) است.

ترکیبات دی کربونیل تولید می شود

از مسیرهای متابولیک مختلف (شکل 1) که شامل متابولیسم قند و کربوهیدرات در رژیم غذایی برای تشکیل AGE ها می شود. این ترکیبات دی کربونیل با مولکول های زیستی مانند پروتئین ها، لیپیدها و اسیدهای نوکلئیک در یک اصلاح غیر آنزیمی پس از ترجمه به نام گلیکاسیون برهم کنش می کنند. عوامل اصلی گلیکوز کننده دی کربونیل متیل گلیوکسال (MG)، گلیوکسال یا {3}}دئوکسی گلوکزون [8] هستند. این دی‌کربونیل‌ها در شرایط هموستاتیک در سطوح پایینی حفظ می‌شوند، اما فرآیند پیری این معرف‌های گلیکوزکننده را به سطوح پاتولوژیک افزایش می‌دهد و تشکیل AGE های سمی را افزایش می‌دهد و در نهایت تناسب بافت را به خطر می‌اندازد. با توجه به اینکه تشکیل AGE ها به غلظت گلوکز بستگی دارد، مصرف رژیم های غذایی با گلیسمی بالا یا شرایط دیابتی منجر به تجمع سیستمیک چشمگیر AGE ها می شود. این به طور مستقیم با متابولیسم تغییر یافته، افزایش التهاب و پیشرفت شرایط پزشکی شدید مرتبط است. برعکس، مصرف رژیم های غذایی با گلیسمی پایین، تجمع AGE را محدود می کند و با پیشرفت کندتر برخی از این بیماری ها مرتبط است [9-13]. در این زمینه، هایپرگلیسمی استرس بیشتری را بر تولید پروتئین های گلیکوزه شده مرتبط با سن تحمیل می کند و پیامدهای مضر رسوب AGE ها را بر عملکرد اندام تشدید می کند.

شکل 1. نمودار شماتیک تشکیل دی کربونیل ها و مسیرهای سم زدایی در برابر آسیب ناشی از AGE در پیری. تشکیل دی کربونیل های بسیار واکنش پذیر مانند متیل گلیوکسال (MG) از طریق تجزیه غیر آنزیمی واسطه های گلیکولیتیک، از جمله دی هیدروکسی استون فسفات و گلیسرآلدئید 3-فسفات و سایر منابع، از جمله اسید آمینه و متابولیسم لیپید است. به منظور جلوگیری از آسیب AGE، سیستم گلیوکسالاز یک مکانیسم اولیه است که سنتز AGE ها را محدود می کند و مولکول های زیستی واکنش پذیر بالا مانند MG را به بیومولکول های زیستی کمتر واکنش پذیر (D-لاکتات) تبدیل می کند. این فرآیند شامل فعالیت متوالی دو آنزیم GLO1 و GLO2 و شکل کاهش یافته گلوتاتیون (GSH) است. سایر مکانیسم‌های سم‌زدایی شامل فعالیت DJ{9}}، آلدهید دهیدروژنازها (ALDHs)، آلدو کتو ردوکتازها (AKRs) و آنزیم‌های تجزیه استواستات است. پس از تشکیل، AGE ها می توانند توسط دو مسیر پروتئولیتیک پاک شوند: سیستم یوبیکوئیتین-پروتئازوم (UPS) و اتوفاژی. این مکانیسم‌های محافظتی (که با رنگ سبز مشخص شده‌اند) با افزایش سن کاهش می‌یابند و به شروع بیماری‌های مرتبط با افزایش سن مانند تخریب عصبی، بیماری‌های مرتبط با چشم (AMD، آب مروارید، DR)، نفروپاتی‌ها، سندرم متابولیک و سرطان کمک می‌کنند. GLO1:گلیوکسالاز 1; GLO2:گلیوکسالاز 2; GSH: گلوتاتیون.

سیستانچ می تواند ضد پیری باشد

استرس بیش از حد گلیکوزیله باعث عدم حل شدن پروتئین می شود، سیگنال دهی و مسیرهای کنترل کیفیت پروتئین را تنظیم نمی کند. تغییرات ناشی از AGEs در مسیرهای سیگنال دهی اختلال پروتئوم در فیزیولوژی بافت (مسیرهای MAP/ERK، JAK-STAT و PI3K-AKT) که منجر به جابجایی هسته ای فاکتورهای رونویسی درگیر در عملکردهای سلولی متعدد، از جمله التهاب، آپوپتوز، استرس ER می شود. ، اتوفاژی، استرس اکسیداتیو، عملکرد میتوکندری و غیره (مرور در [2،14]). پروتئین‌های گلیکوزیله نیز ممکن است بر عملکرد ظرفیت‌های پروتئولیتیک اضافه یا محدود کنند. این تغییرات در نهایت به شروع اختلالات متعدد مرتبط با سن کمک می کند.

مطالعات متعدد نشان داده اند که تشکیل AGE های مشتق از MG و MG عامل مهمی در پاتوژنز دیابت و عوارض آن مانند رتینوپاتی، نفروپاتی و نوروپاتی است [15-19]. استرس دی کربونیل نیز یک واسطه کمک کننده در چاقی و بیماری قلبی عروقی است [20،21]. MG ممکن است از طریق مکانیسم‌های مختلف، از جمله تجمع AGE های مشتق از MG در پلاک‌های آترواسکلروتیک [22] و گلیکاسیون لیپوپروتئین با چگالی کم ناشی از MG [23] به آترواسکلروز کمک کند. ارتباط بین MG و فشار خون بالا نیز در چندین مطالعه مشاهده شده است که نشان دهنده افزایش سطح MG در آئورت و بافت کلیه است [24،25]. چندین مطالعه همچنین تأیید کرده‌اند که تجمع AGEs با بسیاری از اختلالات عصبی مرتبط است، بنابراین بر عملکرد مغز تأثیر می‌گذارد، مانند بیماری آلزایمر، بیماری پارکینسون، و اسکیزوفرنی [{11}}]. یکی از بهترین نمونه‌های ارتباط بین تجمع AGE و پیامدهای مربوط به پیری در بافت‌های چشم رخ می‌دهد که منجر به اختلالات بافت چشمی ناشی از گلیکوزیشن، مانند آب مروارید، دژنراسیون ماکولا وابسته به سن (AMD) و رتینوپاتی دیابتی (DR) می‌شود. {15}}]. با توجه به آب مروارید، علت اصلی نابینایی در سراسر جهان، کریستالین های عدسی با افزایش سن در نتیجه تجمع محصولات جانبی AGE ها به تدریج رنگدانه های زرد مایل به قهوه ای می شوند [31]. علاوه بر عدسی، AGE شبکیه با افزایش سن و دیابت افزایش می یابد، به خصوص در قسمت بیرونی شبکیه. AMD عامل اصلی نابینایی در افراد مسن در کشورهای توسعه یافته است. سطوح بالاتر AGE در بیماران AMD در مقایسه با افراد کنترل و همچنین در مدل‌های موش AMD [{18}}] مشاهده می‌شود. DR با تجمع AGE ها در شبکیه مشخص می شود که باعث آسیب میکروواسکولار می شود [37].کسری فلاونوئید خالص میکرونیزه 1000 میلی گرم استفاده می کنداین تغییرات پاتولوژیک منجر به آسیب غیر قابل برگشت به سد خونی شبکیه و ادم ماکولا می شود که در نهایت منجر به از دست دادن بینایی می شود. به طور خلاصه، AGE ها با افزایش سن، به ویژه در بیماران دیابتی، در سراسر بدن تجمع می یابند. این امر هموستاز ارگانیسمی را به خطر می اندازد و به شروع و پیشرفت تعداد زیادی از بیماری های مرتبط با افزایش سن کمک می کند.

سیستم های متعددی برای سم زدایی AGE ها وجود دارد. اینها شامل سیستم گلوکسالاز، بهترین مکانیسم مشخص شده برای مهار تشکیل AGEs، و یکی از مسیرهایی است که قادر به سم‌زدایی واسطه‌های گلیکوزیشن است. با این حال، ظرفیت ضد AGEs با افزایش سن کاهش می‌یابد که منجر به تجمع سریع AGEs در بافت‌های قدیمی‌تر طبیعی می‌شود. اگرچه مکانیسم‌های دفاعی متفاوتی برای محدود کردن تجمع AGEs در بافت‌ها وجود دارد، اما توسعه آنها برای جلوگیری از تجمع AGEs و آسیب‌شناسی‌های مرتبط هنوز مورد بهره‌برداری قرار نمی‌گیرد [38]. در بخش بعدی، ادبیات فعلی را در مورد مکانیسم‌های سم‌زدایی با تمرکز بر خلاصه می‌کنیم. سیستم گلیوکسالاز برای کاهش تجمع این محصولات جانبی سمی در سلول ها و بافت ها. در نهایت، ما در مورد سودمندی مداخلات تغذیه ای برای تقویت سیستم گلیوکسالاز به عنوان یک استراتژی ضد پیری بحث می کنیم.

2. مکانیسم های سم زدایی در برابر استرس گلیکاتور: نقش اصلی سیستم گلیوکسالاز

مکانیسم های سم زدایی متعددی در برابر تجمع AGE ها گزارش شده است. شکل 1 یک نمای کلی شماتیک از تشکیل -دی کربونیل و مسیرهای مختلف سم زدایی در برابر آسیب ناشی از AGEs در پیری است. مسیرهای اصلی سنتز AGE ها شامل واکنش دی کربونیل های واکنشی است که عمدتاً از متابولیسم گلوکز به دست می آیند با آمین های اولیه (زنجیره جانبی N-ترمینال یا لیزین) یا گروه گوانیدین از زنجیره جانبی آرژنین [39]. تشکیل دی کربونیل های بسیار واکنش پذیر مانند MG از طریق متابولیسم واسطه های گلیکولیتیک مانند دی هیدروکسی استون فسفات و گلیسرآلدئید 3-فسفات و سایر منابع از جمله اسید آمینه و متابولیسم لیپید است.

AGE ها برگشت ناپذیر هستند و پس از تشکیل، تنها با راه های پروتئولیتیک حذف می شوند [5،9،40،41]. دو ظرفیت اصلی پروتئولیتیک برای کمک به پاکسازی AGE ها پیشنهاد شده است: سیستم یوبیکوئیتین-پروتئازوم (UPS) و سیستم پروتئولیتیک لیزوزومی اتوفاژیک (ALPS) [5،9،40،41] (شکل 1). UPS عمدتاً بر روی پروتئین های محلول به اشتباه تا شده عمل می کند. در UPS، بسترها شناسایی شده و با یوبیکوئیتین برچسب گذاری می شوند و برای تخریب به سمت پروتئازوم هدف قرار می گیرند. ALPS شامل هدف قرار دادن محموله به محفظه لیزوزومی برای تخریب است. محموله اتوفاژیک می تواند متنوع باشد، از جمله پروتئین های نامحلول، دانه های پروتئینی و حتی اندامک های کامل. هر دو مسیر پروتئولیتیک از نظر عملکردی با هم همکاری دارند و ادبیات فزاینده از تداخل بین دو مسیر با تعاملات متقابل مستقیم و غیرمستقیم پشتیبانی می‌کند[{11}}]. این تداخل یک مکانیسم پشتیبان را تضمین می کند و در صورت کمبود یکی از مسیرها، مسیر پروتئولیتیک دیگر برای حفظ یک پروتئوم مناسب و عملکردی جبران می شود [47].

تغییرات مربوط به سن در میزان تخریب پروتئین برای بسیاری از بافت ها بیش از 3 دهه پیش ثبت شده است، حتی قبل از اینکه خصوصیات مولکولی مسیرهای پروتئولیتیک تعریف شود [48]. امروزه کاهش مولکولی و سلولی دو مسیر اصلی پروتئولیتیک با افزایش سن بهتر درک شده است و تفاوت هایی در درجات کاهش بین UPS و سیستم لیزوزومی وجود دارد. بسیاری از گزارش‌ها کاهش وابسته به بافت UPS را نشان داده‌اند، در حالی که به نظر می‌رسد کاهش اتوفاژیک جهانی است (بررسی شده در [49-51). در مورد اتوفاژی، هر دو بخش لیزوزومی و اتوفاگوزومی دستخوش تغییرات قابل توجهی می شوند. تغییراتی که به عملکرد نادرست اتوفاژی کمک می کند شامل کاهش پایداری لیزوزومی، فعالیت هیدرولاز، تجمع مواد غیرقابل هضم (لیپوفوسین) در لومن لیزوزومی، اختلال در عملکرد لیزوزومی pH، کاهش سطح رونویسی پروتئین های مرتبط با اتوفاژی، کاهش پایداری مدیا چاپرون است. گیرنده اتوفاژی LAMP2A در غشای لیزوزومی و کاهش ارتباط پروتئین های حرکتی در بخش های اتوفاژیک ([49،51،52]). برخلاف اتوفاژی، اکنون پذیرفته شده است که تغییرات در توانایی های پروتئولیتیک پروتئازوم با افزایش سن بیشتر کیفی است تا کمی.اوتفلاوونوئیدتغییرات در ترکیب فعالیت‌های کاتالیزوری هسته پروتئازوم و زیرواحدهای تعدیل‌کننده، کاهش بیان پروتئازوم، و همچنین تغییر در حالت اکسیداسیون زیرواحدهای پروتئازوم و بسترهای پروتئازوم، به مهار مرتبط با سن ظرفیت UPS کمک می‌کند. ، 54). در برخی موارد، ممکن است فقط ظرفیت سیستم های پروتئولیتیک برای تحمل بار کافی نباشد. متأسفانه، کارایی این دو مکانیسم با افزایش سن کاهش می‌یابد و در نتیجه ظرفیت کافی برای شناسایی و حذف پروتئین‌های آسیب‌دیده و در نتیجه تجمع درون سلولی توده‌های پروتئین و اندامک‌های ناکارآمد ایجاد می‌شود [55،56]. سطوح خالص AGE ها با تعادل سرعت سنتز یا تشکیل و سرعت حذف تعیین می شود. پیامد فوری کاهش ظرفیت پروتئولیتیک، تجمع پروتئین‌های با عمر طولانی در ارگانیسم‌های مسن است، که بسیاری از آنها آسیب‌های ناشی از گلیکوزیشن را در توالی‌های اسید آمینه‌شان انباشته می‌کنند. تجمع AGE ها به روشی وابسته به سن و وابسته به سن رخ می دهد ([4،9]) و یک تحلیل پروتئومی اخیر در تحقیقات پیری نشان داده است که زیست شناسی AGE حاوی یک مسیر متابولیک غنی شده مرتبط با پروتئوم های مرتبط با سن است [57].

اگرچه UPS و ALPS با افزایش سن کاهش می‌یابد، مسیرهای حفاظتی متفاوتی وجود دارد که توانایی کاهش سنتز AGEs را دارند. در این بررسی، ما بر روی این مکانیسم‌های حفاظتی که بیوژنز AGEs را محدود می‌کنند، با تأکید ویژه بر سیستم گلیوکسالاز، مسیر اولیه برای سم‌زدایی دی‌کربونیل‌های فعال، تمرکز می‌کنیم [58]. در این قسمت سیستم گلیوکسالاز را به تفصیل شرح خواهیم داد. ما همچنین مکانیسم‌های دیگر را در سم‌زدایی AGEها به طور خلاصه شرح می‌دهیم: پروتئین DJ{2}} مرتبط با پارکینسون، دهیدروژنازهای آلدهید (ALDHs)، آلدو کتو ردوکتازها (AKRs)، و تخریب استواستات.

2.1. سیستم گلیوکسالاز: مسیر اصلی سم زدایی برای واکنش دی کربونیل ها

ادبیات گسترده ای از سیستم گلیوکسالاز به عنوان مسیر اصلی سم زدایی برای دی کربونیل های فعال در سیتوزول تمام سلول های پستانداران پشتیبانی می کند [58]. سیستم گلیوکسالاز بهترین مسیر مشخص شده برای متابولیسم MG است. ژن های گلیوکسالازها به طور تکاملی حفظ شده و به طور گسترده در سیستم های زنده مختلف مانند انسان، گیاهان، مخمرها، باکتری ها، قارچ ها و پروتیست ها توزیع می شوند. حضور در بسیاری از گونه‌های متنوع به اهمیت بالای آنزیم‌های گلیوکسالاز در عملکرد فیزیولوژیکی حیات بیولوژیکی اشاره می‌کند. فعالیت‌های ترکیبی گلیوکسالازهای 1 و 2 (GLO1، GLO2) تبدیل اگزوآلدئیدهای غیرحلقه‌ای را به اسیدهای هیدروکسی مربوطه کاتالیز می‌کنند [58]. این واکنش ها همچنین به GSH کاتالیزوری نیاز دارند. در مرحله اولیه، GLO1 زیرلایه خود، hemithioacetal را که توسط واکنش خود به خود آلدهید دی کربونیل MG و GSH تشکیل شده است، به تاج و تخت SD-lactoylglu تبدیل می کند. سپس، GLO2 SD-lactoylglu tathione را به D-lactate هیدرولیز می کند و GSH را اصلاح می کند (شکل 1).ویتامین C پوریتانسفعالیت GLO1 با غلظت GSH نسبت مستقیم دارد. فعالیت GLO1 با حذف GSHها کاهش می یابد، مانند استرس اکسیداتیو هنگامی که GSH به GSSG تبدیل می شود [59].

MG در طی گلیکولیز و گلوکونئوژنز با تجزیه دی هیدروکسی استون فسفات و گلیسرآلدئید 3-فسفات، و همچنین با کاتابولیسم ترئونین، اکسیداسیون اجسام کتون، و تجزیه پروتئین های گلیکوزه شده تشکیل می شود. سوبستراهای دیگر از جمله گلیوکسال، فنیل گلیوکسال و هیدروکسی پیروآلدئید نیز از طریق این مسیر متابولیزه می شوند [60]. GLO1، آنزیم محدودکننده سرعت در سیستم گلیوکسالاز، مرحله سم‌زدایی اولیه را کاتالیز می‌کند [61]، بنابراین تغییر پروتئین GLO1 در بسیاری از فرآیندهای پاتولوژیک در پیری، مانند دیابت، بیماری‌های عصبی، سرطان، و مرتبط با چشم نقش دارد. بیماری ها [20.

تنظیم بیان و فعالیت GLO1 پیچیده است و هنوز به خوبی درک نشده است (شکل 2). توالی پروموتر GLO1 شامل یک عنصر پاسخ فلزی (MRE)، یک عنصر پاسخ به انسولین (IRE)، یک ژن اولیه 2-ایزوفرم عامل (E2F) و یک پروتئین فعال کننده تقویت کننده اتصال 2 (AP{10) است. }}) و یک عنصر پاسخ دهنده آنتی اکسیدانی (ARE). عملکرد IRE و MRE در سنجش های گزارشگر تأیید شد که در آن درمان با انسولین و کلرید روی باعث افزایش پاسخ رونویسی می شود 62]. فعالیت های عملکردی مشابهی برای E2F و AP{14}} [63،64] مشاهده شد. ARE واقع در اگزون 1 Glo1 برای پیوستن Glo1 به فاکتور هسته ای اریتروئید 2-مرتبط با فاکتور 2 (NRF2) سیستم رونویسی پاسخگو به استرس [65] عمل می کند. چندین ژن مرتبط با متابولیسم MG و محافظت در برابر استرس اکسیداتیو تحت کنترل مسیر NRF{25}}ARE [66] هستند. NRF2 با KEAP1، یک پروتئین آداپتور سوبسترا برای کمپلکس کولین{29}وابسته E2 یوبیکوئیتین لیگاز، کمپلکس می‌شود و NRF2 را برای تخریب توسط پروتئازوم 26S بر اساس شرایط فیزیولوژیکی هدایت می‌کند. استرس اکسیداتیو منجر به بی‌ثباتی این کمپلکس می‌شود و باعث انتقال NRF2 به هسته و تحریک ژن‌های آنتی‌اکسیدان می‌شود [67،68]. اتصال NRF2 به Glo{37}}ARE بیان پایه و القایی GLO1 را افزایش می‌دهد.[65]. پاسخ‌های NRF2 و آنتی‌اکسیدانی نیز هنگامی که MG باعث دیمریزاسیون Nrf2 آزادکننده KEAP می‌شود، افزایش می‌یابد [69].

چندین مطالعه نشان می دهد که NRF2 فعالیت GLO1 را افزایش می دهد و استرس MG داخل سلولی را کاهش می دهد. بنابراین، مدولاسیون GLO1 توسط آگونیست‌های NRF2 منجر به کاهش MG و ترکیب‌های افزایشی پروتئین مشتق از MG در سلول‌ها و بافت‌ها شد [{5}}]. علاوه بر این، mRNA و پروتئین Glol کبد، مغز، قلب، کلیه و ریه در موش‌های حذفی NRF2 کاهش یافت [65]. در مجموع، این گزارش ها نشان می دهد که GLO1 یک هدف پایین دستی است که توسط آن مسیر NRF2/KEAP1 عملکردهای حفاظتی خود را با کاهش MG و استرس دی کربونیل انجام می دهد. با این حال، فعال شدن التهابی NF-kB (عامل هسته ای kB) با NRF2 بیان Glol را کاهش می دهد [74]. بیان درخشش نیز به طور منفی توسط HIFl (عامل القای هیپوکسی l) تحت شرایط هیپوکسیک، یک محرک فیزیولوژیکی مهم استرس دی کربونیل تنظیم می شود [75].

همراه با تنظیم رونویسی، تنظیم پس از ترجمه پروتئین GLO1 نیز وجود دارد (شکل 2). GLO1 توسط سیرتوئین سیتوزولی استیله می شود-2[76،77] و بیان آن ممکن است با فعال شدن RAGE (گیرنده برای محصولات نهایی گلیکاسیون پیشرفته) کاهش یابد. با این حال، این مکانیسم ها به وضوح درک نشده اند [78].سیستانچهیک مطالعه اخیر نشان داد که پروتئین GLO1 را می توان با فسفوریلاسیون ترئونین 107 (T107) و نیتروزیلاسیون سیستئین 139 اصلاح کرد [79]. در این مطالعه، فسفوریلاسیون T107 توسط کیناز II دلتای وابسته به کالمودولین در پروتئین GLO1 به عنوان مکانیزم دقیق تنظیم کننده سیستم گلیوکسالاز گزارش شد. به طور خاص، فسفوریلاسیون GLO1 در T107 بر کارایی جنبشی سم‌زدایی MG و سرعت تخریب پروتئازوم تأثیر می‌گذارد. بنابراین، وضعیت تغییر یافته آن با ایجاد بیماری های مرتبط با سن همراه است [79].

شکل 2. مکانیسم های تنظیم گلیوکسالاز 1 (GLO1). فعالیت GLO1 را می توان از طریق مکانیسم های متعددی از جمله تنظیم رونویسی و تغییرات پس از ترجمه تنظیم کرد. پروموتر Glo1 حاوی عناصر تنظیمی مختلفی مانند پاسخ آنتی اکسیدانی (ARE)، پاسخ فلزی (MRE) و پاسخ به انسولین (IRE) و محل های اتصال برای AP-2 و E2F است. در شرایط عادی، فاکتور هسته‌ای اریتروئید 2-مربوط به فاکتور 2 (NRF2) با KEAP1، یک پروتئین آداپتور بستر برای مجموعه کولین{14}وابسته E2 یوبیکوئیتین لیگاز، کمپلکس شده است، و NRF2 را برای تخریب توسط سیستم یوبیکوئیتین-پروتئازوم (UPS) هدایت می‌کند. استرس اکسیداتیو منجر به بی‌ثباتی NRF پیچیده2-KEAP1 می‌شود، و باعث جدا شدن NRF2 می‌شود که به هسته منتقل می‌شود و باعث تنظیم مثبت ژن‌های مختلف آنتی‌اکسیدانی می‌شود. اتصال NRF2 به Glo{22}}ARE بیان GLO1 را افزایش می‌دهد. در شرایط هیپوکسی، بیان درخشش به طور معکوس توسط فاکتور 1 القایی هیپوکسی (HIFlx) تنظیم می شود. تغییرات مختلف پس از ترجمه در سیتوزول می تواند بر پایداری GLO1 تأثیر بگذارد.

2.2. مکانیسم های جایگزین سم زدایی به عنوان سیستم های پشتیبان احتمالی برای جبران کمبود فعالیت گلیوکسالاز

در حالی که مکانیسم اولیه برای سم زدایی دی کربونیل های فعال در سیستم گلیوکسالاز است، مسیرهای جایگزینی با ظرفیت سم زدایی دی کربونیل های تشکیل شده در طول متابولیسم قند وجود دارد. اینها شامل ALDHها، AKRها، پروتئین مرتبط با پارکینسون DJ-1 و پاکسازی توسط استواستات برای تشکیل 3-هیدروکسی هگزان-2،5-دیون (3-HHD) است. )[80]. ارتباط فیزیولوژیکی این سیستم‌ها نامشخص است و این سوال مطرح شده است که آیا این آنزیم‌ها برای سم‌زدایی AGEs در بافت‌ها به دلیل فعالیت بالای سیستم گلیوکسالاز ضروری هستند یا خیر. به نظر می رسد که آنها اجزای سیستم های پشتیبان هستند که در غیاب فعالیت گلیوکسالاز عمل می کنند، اگرچه نمی توان نقش وابسته به بافت این مسیرها را نادیده گرفت.

DJ{0}}، همچنین به عنوان پروتئین بیماری پارکینسون 7 (PARK7) شناخته می شود، نقش اساسی در بیماری پارکینسون (PD) دارد. نشان داده شده است که فقدان پروتئین عملکردی DJ{3}} باعث PD اتوزومال مغلوب می شود [81،82]. DJ-1 دو فعالیت متفاوت گزارش شده است: (1) فعالیت گلیوکسالاز در شرایط آزمایشگاهی، تبدیل MG به لاکتات و جلوگیری از آسیب بافتی ناشی از MG در Caenorhabditis elegans [83]، و (2) فعالیت دگلیکاز در شرایط آزمایشگاهی، کاهش می‌دهد. محصولات جانبی MG در مراحل اولیه [84]. اخیراً مطالعات دیگری نیز نشان داده است که DJ نقش مرتبطی در DNA deglycase [85-87] دارد.سیستانچ چیستظرفیت سم زدایی DJ-1 در غیاب گلوتاتیون (GSH) باعث می شود این مسیر جایگزینی برای سیستم گلیوکسالاز باشد که به حضور GSH نیاز دارد. با این حال، Pfaff و همکاران با استفاده از هر دو ناک‌دان DJ-1 در سلول‌های مگس سرکه و ناک اوت DJ-1 در کل ارگانیسم، هیچ تفاوتی در تجمع ترکیب‌های افزایشی پروتئین MG مشاهده نکردند [88].

AKR ها یک ابرخانواده از پروتئین ها هستند که قادر به کاهش آلدئیدها و کتون ها به الکل های اولیه و ثانویه هستند. AKR ها MG را به هیدروکسی استون یا لاکتالدئید متابولیزه می کنند. برخی مطالعات نشان دادند که بیان تراریخته آلدو-کتو ردوکتازهای انسان و موش در سلول‌های فیبروبلاست جوندگان از آسیب ناشی از MG محافظت می‌کند، که نشان می‌دهد AKRs می‌تواند در سم‌زدایی MG و کاهش سطح AGEs شرکت کند [89-91]. فعالیت بالای AKR1B3 در سلول‌های شوان موش ناک اوت Glo1 و همچنین افزایش بیان در طول قرار گرفتن در معرض MG مشاهده شد، که نشان می‌دهد که می‌تواند یک مکانیسم جبرانی ناشی از کمبود سیستم گلوکسالاز یا استرس بیش از حد گلیکاسیون باشد [92]. جالب توجه است که فقدان AKR1B3 منجر به سطوح بالاتر MG و AGEs در قلب موش‌های دیابتی شد [91].

LED ها گروه دیگری از آنزیم های متابولیزه کننده دی کربونیل هستند که MG را به پیروات اکسید می کنند. بیان ALDH در سلول‌های نوع وحشی شوان موش پس از درمان با MG افزایش یافت [92]. در یک مدل گورخرماهی، ماهی حذفی glo1 نشان داد که فعالیت ALDH القایی کمبود GLO1 را جبران می کند [93]. با این حال، حداقل در موش‌ها، مکانیسم‌های جبرانی وابسته به بافت هستند، زیرا افزایش بیان AKRs و ALDHs در بافت کبد مشاهده شد، اما تنها AKRs در کلیه‌ها در موش‌های حذفی Glo1 گزارش شد [94]. در مطالعات انسانی، متابولیت 3-DG تولید شده توسط فعالیت آلدهید دهیدروژناز 1A1 (ALDH1A1) در پلاسما و گلبول های قرمز بیماران دیابتی افزایش یافت [92]. اخیراً همچنین نشان داده شده است که استواستات کتون بادی غلظت MG را با یک واکنش غیر آنزیمی در طی کتوز دیابتی و رژیم غذایی کاهش می دهد [95،96]. آنها دریافتند که این مسیر متابولیک شامل یک واکنش آلدول غیر آنزیمی بین MG و بدن کتون استواستات است که منجر به 3-هیدروکسی هگزان{21}}،5-دیون می‌شود که در خون وجود دارد. بیماران گرسنه انسولین مسیرهای جایگزینی که ممکن است کمبود سیستم گلیوکسالاز را جبران کند می‌تواند به طور بالقوه مولکول‌های سمی مانند y-دیکتون‌ها را تولید کند که با دژنراسیون آکسون محیطی و آسیب بیضه مرتبط هستند [97،98].

اگرچه هیچ تجزیه و تحلیل سیستماتیک پیری پروتئین های دخیل در مسیرهای جایگزین مستقل GLO{0}} وجود ندارد، تغییرات مرتبط با سن در آن بازیگران مولکولی گزارش شده است. به عنوان مثال، بین سطح بیان D]-1 و استرس اکسیداتیو همبستگی وجود دارد و گزارش‌های مختلف افزایش DJ-1 را با افزایش سن نشان می‌دهند. سطح mRNA و پروتئین DJ از 8 تا 20 هفتگی در موش [99] افزایش یافت و سطح DJ-1 به طور قابل توجهی به عنوان تابعی از سن در مایع مغزی نخاعی انسان افزایش یافت [100]. در بافت‌های چشمی، نشان داده شده است که DJ در اپیتلیوم رنگدانه شبکیه و گیرنده‌های نوری بیان می‌شود و بیان در چشم‌های پیر افزایش می‌یابد [101]. ممکن است یک مکانیسم جبرانی را به دلیل کاهش فعالیت سیستم گلیوکسالاز منعکس کند.

2.3. فعالیت وابسته به بافت سیستم گلیوکسالاز

اگرچه GLO1 یک پروتئین در همه جا حاضر است، سطوح این آنزیم به روشی وابسته به بافت تنظیم می شود. به منظور ارزیابی نقش سیستم گلیوکسالاز در بافت‌های مختلف، بیان و فعالیت GLO1 را در بافت‌های غیرچشمی (کبد، مغز، قلب و کلیه) و چشمی (شبکیه، RPE / مشیمیه و عدسی) بررسی کردیم. نوع وحشی C57BL/6] موش. با استفاده از آنتی بادی هایی که به طور خاص GLO1 را تشخیص می دهند، وسترن بلات و ایمونوهیستوشیمی برای تعیین کمیت سطح پروتئین انجام شد. همانطور که قبلا گزارش شده بود، فعالیت GLO1 در عصاره های سیتوزولی به صورت اسپکتروفتومتری به عنوان سرعت اولیه تشکیل SD-لاکتویل گلوتاتیون تعیین شد [30,102]. این نتایج در شکل 3 خلاصه شده است.

شکل 3. تجزیه و تحلیل مقایسه ای پروتئین GLO1 و فعالیت در بافت های چشمی و غیر چشمی. (الف) فعالیت GLO1 در بافت‌های غیرچشمی و بافت‌های شبکیه موش‌های WT همانطور که قبلاً توضیح داده شد [29] مورد سنجش قرار گرفت و فعالیت به صورت درصد (درصد) در مقایسه با کبد بیان شد. (ب) تجزیه و تحلیل وسترن بلات نماینده کبد و شبکیه (C) موش‌های تراریخته با بیان بیش‌ازحد WT و Glow (Glo1 Tg پلاس / پلاس) با استفاده از آنتی‌بادی مونوکلونال (غیر تجاری) و آنتی‌بادی پلی کلونال برای Glol (تجاری، GeneTex) [36،103،104]. (د) تجزیه و تحلیل نماینده وسترن بلات عصاره بافت غیر چشمی (50 گرم) موش WT با استفاده از یک آنتی بادی مونوکلونال برای تعیین کمیت پروتئین Glo1 (غیر تجاری) و (E) GLO1 که برای کنترل بارگذاری (رنگ‌آمیزی پونسئو) نرمال شده است. (F) فعالیت GLO1 در بافت های چشمی (شبکیه، RPE/ مشیمیه و لنز) از موش های WT همانطور که قبلاً توضیح داده شد [29] انجام شد و فعالیت به صورت میلی واحد در هر میلی گرم پروتئین بیان شد. مقادیر میانگین ± SEM هستند. اندازه نمونه n{18}}از سنجش پروتئین و فعالیت GLO1 است.

داده‌های منتشر شده قبلی نشان داد که شبکیه و کبد بالاترین فعالیت GLO1 را نشان می‌دهند ([30]؛ شکل 3A). توجه داشته باشید که فعالیت شبکیه بالاترین مقدار را داشت در حالی که کبد، کلیه، مغز و قلب به ترتیب تنها 46 درصد، 27 درصد، 22 درصد و 11 درصد از ظرفیت سم زدایی شبکیه را تشکیل می دادند. ما بررسی کردیم که آیا فعالیت GLO1 با سطح آنزیم با ارزیابی سطح پروتئین GLO1 توسط وسترن بلات مرتبط است یا خیر. آنتی بادی علیه GLO1 قبلاً در گزارش های قبلی تأیید شده بود و برای تجزیه و تحلیل GLO1 در نمونه های شبکیه استفاده شد [36،103،104]. به عنوان یک کنترل مثبت، یک تجزیه و تحلیل مقایسه‌ای نیز در بافت‌های شبکیه و کبد از موش‌های تراریخته انجام شد که GLO1 را در پس‌زمینه C57BL/6J (B6) بیان می‌کردند [105]. برای بررسی سطوح GLO1، ما از دو آنتی بادی مختلف استفاده کردیم: یک آنتی بادی پلی کلونال خرگوش (آنتی بادی تجاری از GeneTex) و یک آنتی بادی مونوکلونال موش (آنتی بادی غیرتجاری) گزارش شده در مدل های حیوانی مختلف برای مطالعه بیولوژی GLO1 [103،106]. ما توانستیم پروتئین GLO1 را در بافت‌های نوع وحشی کبد و شبکیه با وسترن بلات تشخیص دهیم و بالاترین بیان را در موش‌های تراریخته در هر دو بافت یافتیم (شکل 3B، C، و شکل تکمیلی S1). دو باند برای هر دو آنتی بادی شناسایی شد. پروفایل های الکتروفورتیک افتراقی این GLO{28}مثبت نشان می دهد که تغییرات پس از رونویسی می تواند در نقش پروتئین حیاتی باشد. بر این اساس، یک مطالعه اخیر نشان داد که GLO1 فسفریله کارآمدتر و پایدارتر است و از این تغییرات پس از رونویسی به عنوان مکانیزم دقیق تنظیم کننده فعالیت GLO1 پشتیبانی می کند [79]. با این حال، اطلاعات کمی در مورد چگونگی تعدیل تغییرات پس از رونویسی فعالیت گلیوکسالاز 1 وجود دارد.

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>قلب (شکل 3D، E). این نتایج یک مطالعه قبلی [30] را تایید می کند. اطلاعات محدودی در مورد نقش GLO1 در بافت های چشمی وجود دارد. همانطور که قبلاً گزارش کردیم، سنجش آنزیمی نشان داد که فعالیت GLO1 در شبکیه 10 برابر بیشتر از لنز یا RPE/ مشیمیه است (شکل 3F، [30]). بیان بیش از حد گلیوکسالاز I بقای پری سیتی شبکیه انسان را در شرایط هیپرگلیسمی بهبود می بخشد [107] و نشان داده شد که یک مسدودکننده گیرنده آنژیوتانسین که GLO1 را در موش های دیابتی بازیابی می کند، مویرگ های سلولی شبکیه را کاهش می دهد [18]. علاوه بر این، فقدان GLO1 در گورخرماهی بر معماری عروق شبکیه بالغ تأثیر می گذارد، اگرچه افزایش تشکیل جوانه رگ زایی فقط در گورخرماهی glo{11}}/-بیش از حد تغذیه شده مشاهده می شود اما نه در تغذیه عادی [93].

شبکیه یک بافت بسیار پیچیده و بسیار پویا با انواع سلول های متنوع است (شکل 4A). جریان خون و در نتیجه قرار گرفتن در معرض بیگانه‌بیوتیک‌ها و سایر عوامل استرس‌زا از بالاترین میزان در بدن هستند. هر روز صبح، 10 درصد از نوک بیرونی گیرنده های نوری شبکیه ریخته می شود و باید توسط سلول های اپیتلیال رنگدانه شبکیه مجاور خارج شوند. ما آنالیز ایمونوهیستوشیمی را انجام دادیم تا برای اولین بار تفاوت های فضایی GLO1 در شبکیه را مشخص کنیم. پروتئین GLO1 در تمام انواع سلول های شبکیه وجود داشت، با سطوح بالایی در بدن سلولی لایه هسته ای داخلی و حفره سلول گانگلیونی. اجسام سلول گیرنده نوری در لایه هسته ای خارجی سطوح پایین تری داشتند. در گیرنده های نوری، اکثر پروتئین های GLO1 در بخش های داخلی و خارجی یافت شدند. RPE همچنین دارای سطوح بالایی از پروتئین GLO1 بود، در حالی که مشیمیه و صلبیه مقدار کمتری از پروتئین GLO1 داشتند (شکل 4B، C).

شکل 4. ایمونوهیستوشیمی GLO1 در بافت شبکیه موش. (الف) شماتیک مقطعی و سلولی شبکیه که سه لایه اصلی آن را نشان می‌دهد که شامل لایه سلول گانگلیونی (GCL)، حاوی سلول‌های گانگلیونی شبکیه (RGC)، لایه هسته‌ای داخلی (INL)، میزبان نورون‌های آماکرین، دوقطبی و افقی است. سلول‌ها و همچنین سلول‌های گلیال مولر، و لایه هسته‌ای بیرونی (ONL)، گیرنده‌های نوری میله‌ای و مخروطی. بافت حسی یا نورورتینا به اپیتلیوم رنگدانه شده شبکیه (RPE) متصل است. فلش های قرمز لایه RPE را نشان می دهد. (B) تصویری از رنگ‌آمیزی GLO1 در نمونه‌های شبکیه از موش‌های WT. (C) میانگین شدت فلورسانس GLO1 به مقدار RPE نرمال شده است. داده های نشان داده شده میانگین ± خطاهای استاندارد میانگین (SEM) هستند. نتایج ما در شبکیه مرتبط است زیرا شبکیه یک بافت پس از میتوزی بسیار متمایز است، جایی که آسیب ناشی از گلیکوزیشن نمی تواند با تقسیم سلولی کاهش یابد [5،9]. علاوه بر این، تغییرات در GLO1 با آسیب شبکیه مرتبط است [108]. سناریوی مشابهی ممکن است در سایر بافت‌های متشکل از سلول‌هایی با ظرفیت بازسازی کم رخ دهد، مانند سیستم عصبی مرکزی، جایی که اکثریت قریب به اتفاق نورون‌ها پس از میتوزی هستند. ارزیابی سطوح GLO1 همراه با نشانگرهای اختصاصی سلول ممکن است به ما اجازه دهد تا تنوع سلول به سلول را در یک بافت مشخص ارزیابی کنیم. نتایج ما نشان می دهد که سطح بالای پروتئین GLO1 شبکیه و فعالیت ممکن است نقش محافظتی مهمی در برابر آسیب ناشی از AGE با افزایش سن ایفا کند.

این مقاله از Cels 2021, 10, 1852 استخراج شده است. https://doi.org/10.3390/cells10081852 https://www.mdpi.com/journal/cells