Sistem Glioksalase pada Penyakit Terkait Usia: Intervensi Nutrisi Sebagai Strategi Anti-Penuaan Bagian 1

Mohon hubungi{0}}untuk informasi lebih lanjut

Abstrak:Sistem glioksalase sangat penting untuk detoksifikasi produk akhir glikasi lanjut (AGEs). AGEs adalah senyawa beracun yang dihasilkan dari modifikasi biomolekul non-enzimatik oleh gula atau metabolitnya melalui proses yang disebut glikasi. AGE memiliki efek buruk pada banyak jaringan, memainkan peran patogen dalam perkembangan penuaan molekuler dan seluler. Karena penurunan terkait usia dalam berbagai mekanisme anti-AGE, termasuk mekanisme detoksifikasi dan kapasitas proteolitik, biomolekul terglikasi terakumulasi selama penuaan normal di tubuh kita dengan cara yang bergantung pada jaringan. Dilihat dengan cara ini, sistem detoksifikasi anti-AGE diusulkan sebagai target terapeutik untuk melawan disfungsi patologis yang terkait dengan akumulasi AGE dan sitotoksisitas. Di sini kami merangkum pengetahuan terkini yang terkait dengan mekanisme perlindungan terhadap stres glikasi, dengan penekanan khusus pada sistem glioksalase sebagai mekanisme utama untuk mendetoksifikasi zat antara reaktif glikasi. Ulasan ini berfokus pada glioksalase 1 (GLO1), enzim pertama dari sistem glioksalase, dan enzim pembatas laju dari proses katalitik ini. Meskipun GLO1 diekspresikan di mana-mana, tingkat dan aktivitas protein diatur dengan cara yang bergantung pada jaringan. Kami menyediakan analisis komparatif protein GLO1 di jaringan yang berbeda. Temuan kami menunjukkan peran sistem glioksalase dalam homeostasis di retina mata, jaringan yang sangat teroksigenasi dengan pergantian protein yang cepat. Kami juga menjelaskan modulasi sistem glioksalase sebagai target terapi untuk menunda perkembangan penyakit terkait usia dan merangkum literatur yang menjelaskan pengetahuan terkini tentang senyawa nutrisi dengan sifat untuk memodulasi sistem glioksalase.

Kata kunci:stres glikasi; sistem glioksalase; penuaan; proteotoksisitas

Silakan klik di sini untuk tahu lebih banyak

1. Pendahuluan: Stres Glikatif dan Penuaan yang Tidak Sehat

Semakin banyak literatur menunjukkan bahwa akumulasi protein yang rusak adalah ciri khas penuaan dan banyak penyakit terkait usia, termasuk diabetes tipe 2, kanker, neurodegeneratif, kardiovaskular, dan gangguan terkait mata [1-7]. Protein yang menyimpang merusak homeostasis seluler dengan membentuk agregat non-fungsional dan beracun dan ini mengarah pada inaktivasi tidak hanya protein yang menyimpang tetapi juga dapat merusak fungsi protein esensial lainnya karena stres pada — atau ketidakcukupan — mesin kontrol kualitas protein di dalam sel. Salah satu mekanisme menonjol yang mengarah ke molekul yang menyimpang adalah modifikasi oleh produk akhir glikasi lanjutan (AGEs).

Senyawa dikarbonil dihasilkan

dari jalur metabolisme yang berbeda (Gambar 1) yang melibatkan gula makanan dan metabolisme karbohidrat untuk membentuk AGEs. Senyawa dikarbonil ini berinteraksi dengan biomolekul, seperti protein, lipid, dan asam nukleat dalam modifikasi pasca-translasi non-enzimatik yang disebut glikasi. Agen dikarbonil glikasi utama adalah methylglyoxal (MG), glioksal, atau 3-deoxyglucosone [8]. Dikarbonil ini dipertahankan pada tingkat rendah dalam kondisi homeostatik, tetapi proses penuaan meningkatkan reagen glikasi ini ke tingkat patologis, meningkatkan pembentukan AGE beracun dan, pada akhirnya, membahayakan kebugaran jaringan. Mengingat bahwa pembentukan AGEs bergantung pada konsentrasi glukosa, konsumsi diet tinggi glikemik atau kondisi diabetes menyebabkan akumulasi AGEs sistemik yang dramatis. Ini secara langsung berkorelasi dengan metabolisme yang berubah, peningkatan peradangan, dan perkembangan kondisi medis yang parah. Sebaliknya, asupan diet rendah glikemik membatasi akumulasi AGE dan dikaitkan dengan perkembangan yang lebih lambat dari beberapa penyakit ini [9-13]. Dalam konteks ini, hiperglikemia memberikan tekanan tambahan pada produksi protein terglikasi terkait usia dan memperburuk konsekuensi yang merugikan dari deposit AGEs pada fungsi organ.

Gambar 1. Diagram skema pembentukan -dikarbonil dan jalur detoksifikasi terhadap kerusakan akibat penuaan akibat AGE. Pembentukan -dikarbonil yang sangat reaktif seperti metilglioksal(MG) adalah melalui degradasi non-enzimatik dari zat antara glikolitik, termasuk dihidroksiaseton fosfat dan gliseraldehida 3-fosfat dan sumber lain, termasuk asam amino dan metabolisme lipid. Untuk menghindari kerusakan AGE, sistem glioksalase adalah mekanisme utama yang membatasi sintesis AGEs, mengubah biomolekul reaktif tinggi, seperti MG, menjadi biomolekul yang kurang reaktif (D-laktat). Proses ini melibatkan aktivitas berurutan dari dua enzim GLO1 dan GLO2 dan bentuk tereduksi dari glutathione (GSH). Mekanisme detoksifikasi lainnya menyiratkan aktivitas DJ-1, aldehyde dehydrogenases (ALDHs), Aldo-keto reductases (AKRs), dan enzim degradasi asetoasetat. Setelah terbentuk, AGEs dapat dibersihkan oleh dua jalur proteolitik: sistem ubiquitin-proteasome (UPS) dan autophagy. Mekanisme perlindungan ini (disorot dengan warna hijau) menurun di bawah penuaan dan berkontribusi pada timbulnya penyakit terkait usia seperti neurodegenerasi, penyakit terkait mata (AMD, katarak, DR), nefropati, sindrom metabolik, dan kanker. GLO1:glioksalase 1; GLO2:glioksalase 2; GSH: glutathione.

Cistanche dapat anti-penuaan

Stres glikasi yang berlebihan meningkatkan ketidaklarutan protein, deregulasi pensinyalan dan jalur kontrol kualitas protein. Perubahan turunan AGEs dalam jalur pensinyalan gangguan proteome dalam fisiologi jaringan (jalur MAP/ERK, JAK-STAT, dan PI3K-AKT) yang mengarah pada translokasi nuklir faktor transkripsi yang terlibat dalam berbagai fungsi seluler, termasuk peradangan, apoptosis, stres ER , autophagy, stres oksidatif, fungsi mitokondria, dll. (diulas dalam [2,14]). Protein terglikasi juga dapat membebani atau membatasi fungsionalitas kapasitas proteolitik. Perubahan-perubahan ini pada akhirnya berkontribusi pada timbulnya berbagai gangguan terkait usia.

Berbagai penelitian telah menunjukkan bahwa pembentukan MG dan MG yang diturunkan dari AGEs merupakan faktor penting dalam patogenesis diabetes dan komplikasinya, seperti retinopati, nefropati, dan neuropati [15-19]. Stres dikarbonil juga merupakan mediator yang berkontribusi terhadap obesitas dan penyakit kardiovaskular [20,21]. MG dapat berkontribusi pada aterosklerosis melalui beberapa mekanisme, termasuk akumulasi AGEs yang diturunkan dari MG pada plak aterosklerotik [22] dan glikasi lipoprotein densitas rendah yang diinduksi MG [23]. Hubungan antara MG dan hipertensi juga telah diamati dalam beberapa penelitian, menunjukkan peningkatan kadar MG di aorta dan jaringan ginjal [24,25]. Beberapa penelitian juga mengkonfirmasi bahwa akumulasi AGEs berkorelasi dengan banyak gangguan neurodegeneratif, sehingga mempengaruhi fungsi otak, seperti penyakit Alzheimer, penyakit Parkinson, dan skizofrenia [26-28]. Salah satu contoh terbaik dari hubungan antara akumulasi AGE dan konsekuensi terkait penuaan terjadi pada jaringan mata yang mengakibatkan gangguan jaringan okular yang diinduksi glikasi, seperti katarak, degenerasi makula terkait usia (AMD), dan retinopati diabetik (DR)[{ {15}}]. Mengenai katarak, penyebab utama kebutaan di seluruh dunia, kristalin lensa menjadi berpigmen kuning-coklat secara progresif seiring bertambahnya usia sebagai akibat dari akumulasi produk sampingan AGEs [31]. Selain lensa, AGE retina meningkat seiring bertambahnya usia dan diabetes, terutama di bagian luar retina. AMD adalah penyebab utama kebutaan pada orang tua di negara maju. Tingkat AGE yang lebih tinggi ditemukan pada pasien AMD dibandingkan dengan subjek kontrol serta pada model tikus AMD [32-36]. DR ditandai dengan akumulasi AGEs di retina, menginduksi kerusakan mikrovaskuler [37].fraksi flavonoid murni mikronisasi 1000 mg menggunakanPerubahan patologis ini mengakibatkan kerusakan ireversibel pada sawar darah-retina, dan edema makula, yang pada akhirnya mengakibatkan kehilangan penglihatan. Singkatnya, AGEs terakumulasi di seluruh tubuh seiring bertambahnya usia, khususnya, pada pasien diabetes. Ini membahayakan homeostasis organisme dan berkontribusi pada timbulnya dan kemajuan sejumlah besar penyakit yang berkaitan dengan usia.

Ada beberapa sistem untuk mendetoksifikasi AGEs. Ini termasuk sistem glioksalase, mekanisme dengan karakteristik terbaik untuk menghambat pembentukan AGEs, dan salah satu rute yang mampu mendetoksifikasi zat antara glikasi. Namun, kapasitas anti-AGEs menurun seiring bertambahnya usia yang mengarah pada percepatan akumulasi AGEs di 'jaringan normal yang lebih tua. Meskipun ada mekanisme pertahanan yang berbeda untuk membatasi akumulasi AGEs dalam jaringan, mengembangkannya untuk mencegah akumulasi AGEs dan patologi terkait masih belum dieksploitasi [38]. Pada bagian berikutnya, kami merangkum literatur terkini tentang mekanisme detoksifikasi yang berfokus pada sistem glioksalase untuk mengurangi akumulasi produk sampingan beracun ini dalam sel dan jaringan. Akhirnya, kami membahas kegunaan intervensi nutrisi untuk meningkatkan sistem glioksalase sebagai strategi anti-penuaan.

2. Mekanisme Detoksifikasi terhadap Stres Glikatif: Peran Utama Sistem Glyoxalase

Beberapa mekanisme detoksifikasi terhadap akumulasi AGEs telah dilaporkan. Gambar 1 adalah gambaran skematis dari pembentukan -dikarbonil dan rute detoksifikasi yang berbeda terhadap kerusakan yang diturunkan dari AGEs pada penuaan. Rute utama sintesis AGEs melibatkan reaksi dikarbonil reaktif yang terutama berasal dari metabolisme glukosa dengan amina primer (rantai samping N-terminal atau lisin) atau gugus guanidin dari rantai samping arginin [39]. Pembentukan -dikarbonil yang sangat reaktif, seperti MG, adalah melalui metabolisme zat antara glikolitik, seperti dihidroksiaseton fosfat dan gliseraldehida 3-fosfat, dan sumber lain, termasuk asam amino dan metabolisme lipid.

AGE bersifat ireversibel dan, sekali terbentuk, hanya dapat dieliminasi dengan jalur proteolitik [5,9,40,41]. Dua kapasitas proteolitik utama disarankan untuk berkontribusi pada pembersihan AGEs: sistem ubiquitin-proteasome (UPS) dan sistem proteolitik lisosom autophagic (ALPS) [5,9,40,41] (Gambar 1). UPS beroperasi terutama pada protein yang salah melipat yang larut. Di UPS, substrat dikenali dan ditandai dengan ubiquitin dan ditargetkan ke proteasome untuk degradasi. ALPS terdiri dari penargetan kargo ke kompartemen lisosom untuk degradasi. Kargo autophagic dapat beragam, termasuk protein yang tidak larut, agregat protein, dan bahkan seluruh organel. Kedua jalur proteolitik secara fungsional kooperatif dan literatur yang meningkat mendukung crosstalk antara dua jalur dengan interaksi timbal balik langsung dan tidak langsung[42-46]. Crosstalk ini menjamin mekanisme cadangan dan, dalam kasus defisiensi salah satu rute, jalur proteolitik lainnya cenderung mengkompensasi untuk mempertahankan proteom yang tepat dan fungsional [47].

Perubahan terkait usia dalam tingkat degradasi protein didokumentasikan untuk banyak jaringan lebih dari 3 dekade yang lalu, bahkan sebelum karakterisasi molekul jalur proteolitik didefinisikan [48]. Saat ini, penurunan molekuler dan seluler dari dua rute proteolitik utama dengan usia lebih dipahami dan ada perbedaan dalam derajat penurunan antara UPS dan sistem lisosom. Banyak laporan menunjukkan penurunan UPS yang bergantung pada jaringan, sementara penurunan autofagik tampaknya bersifat universal (diulas dalam [49-51). Mengenai autophagy, kompartemen lisosom dan autophagosomal mengalami modifikasi yang mencolok. Perubahan yang berkontribusi pada malfungsi autophagy termasuk penurunan stabilitas lisosom, aktivitas hidrolase, akumulasi bahan yang tidak dapat dicerna (lipofuscin) di lumen lisosom, pH lisosom yang tidak berfungsi, penurunan tingkat transkripsi protein terkait autophagy, penurunan stabilitas yang dimediasi pendamping reseptor autophagy LAMP2A di membran lisosom dan penurunan asosiasi protein motorik di kompartemen autophagic ([49,51,52]). Berbeda dengan autophagy, sekarang diterima bahwa perubahan kemampuan proteolitik proteasome dengan usia tampaknya lebih kualitatif daripada kuantitatif.oteflavonoidPerubahan komposisi aktivitas katalitik inti proteasomal dan subunit modulasi, penurunan ekspresi proteasom, serta perubahan keadaan oksidasi subunit proteasom dan substrat proteasom, berkontribusi pada penghambatan kapasitas UPS terkait usia (diulas dalam [53] ,54). Dalam beberapa kasus, mungkin hanya ada kapasitas yang tidak mencukupi dari sistem proteolitik untuk menangani beban. Sayangnya, kemanjuran kedua mekanisme ini menurun seiring bertambahnya usia, mengakibatkan kapasitas yang tidak mencukupi untuk mengenali dan menghilangkan protein yang rusak dan, oleh karena itu, akumulasi intraseluler dari agregat protein dan organel yang disfungsional [55,56]. Tingkat AGEs bersih ditentukan oleh keseimbangan tingkat sintesis atau pembentukan dan tingkat penghapusan. Konsekuensi langsung dari penurunan kapasitas proteolitik adalah akumulasi protein berumur panjang pada organisme tua, banyak di antaranya mengakumulasi kerusakan yang berasal dari glikasi dalam rangkaian asam aminonya. Akumulasi AGEs terjadi dengan cara yang berkaitan dengan usia dan bergantung ([4,9]) dan analisis proteomik baru-baru ini dalam penelitian penuaan telah mengungkapkan bahwa biologi AGE mengandung jalur metabolisme yang diperkaya yang terkait dengan proteom terkait usia [57].

Meskipun UPS dan ALPS menurun seiring bertambahnya usia, ada jalur perlindungan yang berbeda dengan kapasitas untuk mengurangi sintesis AGEs. Dalam ulasan ini, kami fokus pada mekanisme perlindungan yang membatasi biogenesis AGEs, dengan penekanan khusus pada sistem glioksalase, rute utama untuk detoksifikasi dikarbonil reaktif [58]. Pada bagian ini, kami akan menjelaskan sistem glioksalase secara rinci. Kami juga menjelaskan secara singkat mekanisme lain dalam detoksifikasi AGEs: DJ protein terkait Parkinson-1, aldehida dehidrogenase (ALDH), Aldo-keto reduktase (AKR), dan degradasi asetoasetat.

2.1.Sistem Glioksalase: Rute Detoksifikasi Utama untuk Reaksi Dikarbonil

Literatur yang luas mendukung sistem glioksalase sebagai rute detoksifikasi utama untuk dikarbonil reaktif dalam sitosol semua sel mamalia [58]. Sistem glioksalase adalah jalur dengan karakteristik terbaik untuk metabolisme MG. Gen untuk glioksalase secara evolusioner dilestarikan dan didistribusikan secara luas di berbagai sistem kehidupan, seperti manusia, tumbuhan, ragi, bakteri, jamur, dan protista. Kehadiran di banyak taksa beragam menunjukkan pentingnya tinggi enzim glioksalase dalam fungsi fisiologis kehidupan biologis. Aktivitas gabungan dari glioksalase 1 dan 2 (GLO1, GLO2) mengkatalisis konversi reaktif, -oksoaldehida asiklik menjadi asam -hidroksi yang sesuai [58]. Reaksi ini juga membutuhkan katalitik GSH. Pada langkah awal, GLO1 mengubah substratnya, hemitioasetal, yang dibentuk oleh reaksi spontan aldehida dari dikarbonil MG dan GSH, menjadi takhta SD-lactoylglu. Kemudian, GLO2 menghidrolisis SD-lactoylglu tathione menjadi D-laktat dan mereformasi GSH (Gambar 1).vitamin c puritanAktivitas GLO1 berbanding lurus dengan konsentrasi GSH. Aktivitas GLO1 menurun ketika GSH dihilangkan, seperti pada stres oksidatif ketika GSH diubah menjadi GSSG [59].

MG dibentuk selama glikolisis dan glukoneogenesis oleh degradasi dihidroksiaseton fosfat dan gliseraldehida 3-fosfat, serta oleh katabolisme treonin, oksidasi badan keton, dan degradasi protein terglikasi. Substrat lain, termasuk glioksal, fenilglioksal, dan hidroksipiru aldehida, juga dimetabolisme melalui jalur ini [60]. GLO1, enzim pembatas laju dalam sistem glioksalase, mengkatalisis langkah detoksifikasi utama [61], sehingga perubahan protein GLO1 terlibat dalam banyak proses patologis pada penuaan, seperti pada diabetes, penyakit neurodegeneratif, kanker, dan penyakit terkait mata. penyakit [20.

Regulasi ekspresi dan aktivitas GLO1 rumit dan masih belum dipahami dengan baik (Gambar 2). Urutan promotor GLO1 mengandung elemen respons logam (MRE), elemen respons insulin (IRE), gen awal 2-faktor isoform (E2F), dan protein pengikat penambah pengaktif 2 (AP{{10) }} ), dan elemen respons antioksidan (ARE). Fungsi IRE dan MRE dikonfirmasi dalam uji reporter di mana pengobatan insulin dan seng klorida menghasilkan peningkatan respons transkripsi 62. Aktivitas fungsional serupa diamati untuk E2F dan AP-2 [63,64]. ARE yang terletak di ekson 1 Glo1 berfungsi untuk menggabungkan Glo1 ke faktor nuklir eritroid 2-terkait faktor 2(NRF2) sistem transkripsi responsif stres [65]. Beberapa gen yang terkait dengan metabolisme MG dan perlindungan terhadap stres oksidatif berada di bawah kendali jalur NRF2-ARE [66]. NRF2 dikomplekskan dengan KEAP1, protein adaptor substrat untuk kompleks ligase ubiquitin E2 yang bergantung pada cullin -3-, mengarahkan NRF2 untuk degradasi oleh proteasome 26S pada kondisi fisiologis. Stres oksidatif menyebabkan destabilisasi kompleks ini, menyebabkan translokasi NRF2 ke nukleus, dan memicu peningkatan regulasi gen antioksidan [67,68]. Pengikatan NRF2 ke Glo1-ARE meningkatkan ekspresi basal dan induksi dari GLO1.[65]. Respon NRF2 dan antioksidan juga diregulasi ketika MG menyebabkan dimerisasi KEAP yang membebaskan Nrf2 [69].

Beberapa penelitian menunjukkan bahwa NRF2 meningkatkan aktivitas GLO1 dan mengurangi stres MG intraseluler; dengan demikian, modulasi GLO1 oleh agonis NRF2 menghasilkan penurunan adduksi protein turunan MG dan MG di kedua sel dan jaringan [70-73]. Selain itu, mRNA dan protein Glol hati, otak, jantung, ginjal, dan paru-paru menurun pada tikus knockout NRF2 [65]. Secara keseluruhan, laporan ini menunjukkan bahwa GLO1 adalah target hilir di mana jalur NRF2/KEAP1 melakukan fungsi perlindungannya dengan mengurangi tekanan MG dan dikarbonil. Namun, aktivasi inflamasi NF-kB (faktor nuklir kB) dengan NRF2 mengurangi ekspresi Glol [74]. Ekspresi cahaya juga diatur secara negatif oleh HIFl (hypoxia-inducible factor l ) di bawah kondisi hipoksia, pendorong fisiologis penting dari stres dikarbonil [75].

Seiring dengan regulasi transkripsi, ada juga regulasi pasca-translasi protein GLO1 (Gambar2). GLO1 diasetilasi oleh sirtuin sitosol-2[76,77], dan ekspresinya dapat diturunkan dengan aktivasi RAGE (reseptor untuk produk akhir glikasi lanjut); Namun, mekanisme ini tidak dipahami dengan jelas [78].sistancheSebuah studi baru-baru ini menunjukkan bahwa protein GLO1 dapat dimodifikasi oleh fosforilasi treonin 107 (T107) dan nitrosilasi sistein 139 [79]. Dalam penelitian ini, fosforilasi T107 oleh delta kinase II yang bergantung pada calmodulin dalam protein GLO1 dilaporkan sebagai mekanisme yang tepat yang mengatur sistem glioksalase. Secara khusus, fosforilasi GLO1 pada T107 mempengaruhi efisiensi kinetik detoksifikasi MG dan tingkat degradasi proteasomal. Dengan demikian, statusnya yang berubah dikaitkan dengan perkembangan penyakit terkait usia [79].

Gambar 2. Mekanisme regulasi glioksalase 1(GLO1). Aktivitas GLO1 dapat diatur melalui berbagai mekanisme, termasuk regulasi transkripsi dan modifikasi pasca-translasi. Promotor Glo1 mengandung berbagai elemen pengatur, seperti elemen respons antioksidan (ARE), respons logam (MRE), dan respons insulin (IRE), dan situs pengikatan untuk AP-2 dan E2F. Dalam kondisi normal, faktor nuklir eritroid 2-faktor terkait 2 (NRF2) dikomplekskan dengan KEAP1, protein adaptor substrat untuk kompleks ligase ubiquitin E2 yang bergantung pada cullin-3-, mengarahkan NRF2 untuk degradasi oleh sistem ubiquitin-proteasome (UPS). Stres oksidatif menyebabkan destabilisasi kompleks NRF2-KEAP1, menyebabkan pelepasan NRF2 yang ditranslokasi ke nukleus yang memicu upregulasi gen antioksidan yang berbeda. Pengikatan NRF2 ke Glo1-ARE meningkatkan ekspresi GLO1. Dalam kondisi hipoksia, ekspresi Cahaya diatur secara terbalik oleh faktor 1 yang diinduksi hipoksia (HIFlx). Modifikasi pasca-translasi yang berbeda dalam sitosol dapat memengaruhi stabilitas GLO1.

2.2. Mekanisme Detoksifikasi Alternatif sebagai Sistem Cadangan Putatif untuk Mengkompensasi Kurangnya Aktivitas Glioksalase

Sementara mekanisme utama untuk detoksifikasi dikarbonil reaktif dalam sistem glioksalase, ada rute alternatif dengan kapasitas untuk mendetoksifikasi dikarbonil yang terbentuk selama metabolisme gula. Ini termasuk ALDH, AKR, DJ protein terkait Parkinson-1, dan scavenging oleh asetoasetat untuk membentuk 3-hidroksi heksana-2,5-dione (3-HHD )[80]. Relevansi fisiologis dari sistem ini masih belum jelas dan telah dipertanyakan apakah enzim ini penting untuk detoksifikasi AGEs dalam jaringan karena aktivitas tinggi sistem glioksalase. Mereka tampaknya menjadi komponen sistem cadangan yang beroperasi tanpa adanya aktivitas glioksalase meskipun peran jaringan yang bergantung pada rute ini tidak dapat diabaikan.

DJ-1, juga dikenal sebagai protein penyakit Parkinson 7 (PARK7), memainkan peran penting dalam penyakit Parkinson (PD). Kurangnya protein DJ-1 fungsional telah terbukti menyebabkan PD resesif autosomal [81,82]. DJ-1 dilaporkan memiliki dua aktivitas yang berbeda: (1) aktivitas glioksalase in vitro, mengubah MG menjadi laktat dan mencegah kerusakan jaringan yang diinduksi MG pada Caenorhabditis elegans [83], dan (2) aktivitas deglycase in vitro, mengurangi produk sampingan MG tahap awal [84]. Baru-baru ini, penelitian lain juga menunjukkan bahwa DJ-1 memainkan peran yang relevan dalam DNA deglycase [85-87].apa itu cistanche?Kapasitas detoksifikasi DJ-1 tanpa adanya glutathione(GSH) menjadikannya rute alternatif ke sistem glioksalase, yang membutuhkan keberadaan GSH. Namun, Pfaff dkk. menggunakan knockdown DJ-1 di sel Drosophila dan DJ-1 knockout di seluruh organisme mengamati tidak ada perbedaan dalam akumulasi adduct protein MG [88].

AKR adalah superfamili protein yang mampu mereduksi aldehida dan keton menjadi alkohol primer dan sekunder. AKR memetabolisme MG menjadi hidroksi aseton atau laktaldehida. Beberapa penelitian menunjukkan bahwa ekspresi transgenik reduktase Aldo-keto manusia dan tikus dalam sel fibroblas hewan pengerat melindungi terhadap kerusakan yang diinduksi MG, menunjukkan bahwa AKR dapat berpartisipasi dalam detoksifikasi MG dan pengurangan tingkat AGEs [89-91]. Aktivitas AKR1B3 yang tinggi terdeteksi dalam sel Schwann tikus knockout Glo1 serta peningkatan ekspresi selama paparan MG, menunjukkan bahwa itu bisa menjadi mekanisme kompensasi yang disebabkan oleh kurangnya sistem glioksalase atau stres glikasi yang berlebihan [92]. Menariknya, kurangnya AKR1B3 mengakibatkan tingkat MG dan AGEs yang lebih tinggi di jantung tikus diabetes [91].

LED adalah kelompok lain dari enzim metabolisme -dikarbonil yang mengoksidasi MG menjadi piruvat. Ekspresi ALDH meningkat pada sel tipe liar Schwann tikus pada pengobatan MG [92]. Dalam model ikan zebra, ikan knockout glo1 menunjukkan bahwa aktivitas ALDH yang diinduksi mengkompensasi kekurangan GLO1 [93]. Namun, setidaknya pada tikus, mekanisme kompensasi bergantung pada jaringan, karena peningkatan ekspresi AKR dan ALDH diamati di jaringan hati tetapi hanya AKR yang dilaporkan pada ginjal pada tikus knockout Glo1 [94]. Dalam penelitian pada manusia, 3-metabolit DG yang dihasilkan oleh aktivitas aldehid dehidrogenase 1A1(ALDH1A1) meningkat dalam plasma dan eritrosit pasien diabetes [92]. Baru-baru ini, juga ditunjukkan bahwa keton body acetoacetate mengurangi konsentrasi MG melalui reaksi non-enzimatik selama ketosis diabetes dan diet [95,96]. Mereka menemukan bahwa jalur metabolisme ini melibatkan reaksi aldol non-enzimatik antara MG dan badan keton asetoasetat, yang mengarah ke 3-hidroksi heksana-2,5-dion, yang ada dalam darah dari pasien yang kekurangan insulin. Jalur alternatif yang mungkin mengkompensasi kekurangan sistem glioksalase berpotensi menghasilkan molekul beracun seperti y-diketon, yang berhubungan dengan degenerasi aksonal perifer dan cedera testis [97,98].

Meskipun tidak ada analisis penuaan sistematis protein yang terlibat dalam GLO1-jalur alternatif independen, perubahan terkait usia pada pemain molekuler tersebut telah dilaporkan. Misalnya, ada korelasi antara tingkat ekspresi D]-1 dan stres oksidatif, dan laporan yang berbeda menunjukkan peningkatan DJ-1 seiring bertambahnya usia. DJ-1 mRNA dan tingkat protein meningkat dari usia 8 hingga 20 minggu pada tikus [99] dan level DJ-1 meningkat secara signifikan sebagai fungsi usia dalam cairan serebrospinal manusia [100]. Dalam jaringan okular, telah ditunjukkan bahwa DJ-1 diekspresikan dalam epitel pigmen retina dan fotoreseptor dan ekspresinya meningkat pada mata tua [101]. Ini mungkin mencerminkan mekanisme kompensasi karena penurunan aktivitas sistem glioksalase.

2.3. Aktivitas Jaringan-Tergantung Sistem Glyoxalase

Meskipun GLO1 adalah protein di mana-mana, tingkat enzim ini diatur dengan cara yang bergantung pada jaringan. Untuk mengevaluasi peran sistem glioksalase di jaringan yang berbeda, kami memeriksa ekspresi dan aktivitas GLO1 di jaringan non-okular (hati, otak, jantung, dan ginjal) dan okular (retina, RPE/koroid, dan lensa) dari tikus tipe liar C57BL/6]. Menggunakan antibodi yang secara khusus mengenali GLO1, Western blotting dan imunohistokimia dilakukan untuk mengukur kadar protein. Aktivitas GLO1 dalam ekstrak sitosol ditentukan secara spektrofotometri sebagai laju awal pembentukan SD-lactoylglutathione, seperti yang dilaporkan sebelumnya [30,102]. Hasil ini dirangkum dalam Gambar 3.

Gambar 3. Analisis komparatif protein GLO1 dan aktivitas di jaringan okular dan non-okular. (A) Aktivitas GLO1 diuji dalam jaringan non-okular dan jaringan retina dari tikus WT seperti yang dijelaskan sebelumnya [29] dan aktivitas dinyatakan sebagai persentase (persen) dibandingkan dengan hati. (B) Hati dan (C) perwakilan analisis Western blot dari tikus transgenik WT dan Glow overekspresi (Glo1 Tg plus / plus) menggunakan antibodi monoklonal (non-komersial) dan antibodi poliklonal untuk Glol (komersial, GeneTex) [36,103,104]. (D) Analisis Western blot representatif dari ekstrak jaringan non-okular (50ug) tikus WT menggunakan antibodi monoklonal untuk kuantifikasi protein Glo1 (non-komersial) dan (E) dari GLO1 yang dinormalisasi untuk mengontrol pemuatan (pewarnaan Ponceau). (F) Aktivitas GLO1 dilakukan di jaringan okular (Retina, RPE/Choroid, dan Lens) dari tikus WT seperti yang dijelaskan sebelumnya [29] dan aktivitas dinyatakan sebagai miliunit per miligram protein. Nilai rata-rata ± SEM. Ukuran sampel adalah n=4dari protein GLO1 dan uji aktivitas.

Data yang diterbitkan sebelumnya menunjukkan bahwa retina dan hati menampilkan aktivitas tertinggi GLO1([30]; Gambar 3A). Perhatikan bahwa aktivitas retina adalah nilai tertinggi sedangkan hati, ginjal, otak, dan jantung masing-masing hanya mewakili 46 persen , 27 persen , 22 persen , dan 11 persen dari kapasitas detoksifikasi retina. Kami mengevaluasi apakah aktivitas GLO1 berkorelasi dengan tingkat enzim dengan penilaian kadar protein GLO1 dengan Western blotting. Antibodi terhadap GLO1 sebelumnya telah divalidasi dalam laporan sebelumnya dan digunakan untuk analisis GLO1 dalam sampel retina [36.103.104]. Sebagai kontrol positif, analisis komparatif juga dilakukan di retina dan jaringan hati dari tikus transgenik yang mengekspresikan GLO1 secara berlebihan pada latar belakang C57BL/6J (B6) [105]. Untuk memeriksa kadar GLO1, kami menggunakan dua antibodi yang berbeda: antibodi kelinci poliklonal (antibodi komersial dari GeneTex) dan antibodi tikus monoklonal (antibodi non-komersial) yang dilaporkan pada model hewan yang berbeda untuk studi biologi GLO1 [103,106]. Kami dapat mendeteksi protein GLO1 dalam jaringan tipe liar hati dan retina dengan Western blotting, dan kami menemukan ekspresi tertinggi pada tikus transgenik di kedua jaringan (Gambar 3B, C, dan Gambar Tambahan S1). Dua pita dikenali untuk kedua antibodi. Profil elektroforesis diferensial dari GLO1-positif ini menunjukkan bahwa perubahan pascatranskripsi bisa menjadi vital dalam peran protein. Oleh karena itu, penelitian terbaru menunjukkan bahwa GLO1 terfosforilasi lebih efisien dan lebih stabil, mendukung perubahan pasca-transkripsi ini sebagai mekanisme yang tepat yang mengatur aktivitas GLO1 [79]. Namun, ada sedikit informasi tentang bagaimana modifikasi pasca-transkripsi memodulasi aktivitas glioksalase 1.

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>jantung (Gambar 3D, E). Ini menguatkan hasil penelitian sebelumnya [30]. Ada informasi terbatas tentang peran GLO1 dalam jaringan okular. Seperti yang kami laporkan sebelumnya, uji enzimatik mengungkapkan bahwa aktivitas GLO1 ~ 10 kali lipat lebih tinggi di retina dibandingkan dengan lensa atau RPE / koroid (Gambar 3F, [30]). Ekspresi berlebihan glioksalase I meningkatkan kelangsungan hidup perisit retina manusia di bawah kondisi hiperglikemik [107] dan penghambat reseptor angiotensin yang mengembalikan GLO1 pada tikus diabetes terbukti mengurangi kapiler aseluler retina [18]. Selain itu, kurangnya GLO1 pada ikan zebra berdampak pada arsitektur pembuluh retina dewasa, meskipun peningkatan pembentukan tunas angiogenik hanya diamati pada ikan zebra yang diberi makan berlebihan tetapi tidak pada pemberian makan normal [93].

Retina adalah jaringan yang sangat kompleks dan sangat dinamis dengan tipe sel yang beragam (Gambar 4A). Aliran darah, dan paparan konsekuen terhadap xenobiotik dan pemicu stres lainnya, termasuk yang tertinggi di dalam tubuh. Setiap pagi, 10 persen dari ujung luar fotoreseptor retina dilepaskan dan harus dihilangkan oleh sel-sel epitel berpigmen retina yang berdekatan. Kami melakukan analisis imunohistokimia untuk mengkarakterisasi untuk pertama kalinya perbedaan spasial GLO1 di retina. Protein GLO1 hadir di semua jenis sel di dalam retina, dengan tingkat tinggi di dalam badan sel dari lapisan nukleus bagian dalam dan bejana sel ganglion. Badan sel fotoreseptor di lapisan nukleus luar memiliki tingkat yang lebih rendah. Dalam fotoreseptor, sebagian besar protein GLO1 ditemukan di dalam segmen dalam dan luar. RPE juga memiliki kadar protein GLO1 yang tinggi, sedangkan koroid dan sklera memiliki jumlah protein GLO1 yang lebih rendah (Gambar 4B, C).

Gambar 4. Imunohistokimia GLO1 pada jaringan retina tikus. (A) Penampang melintang, skema seluler retina yang menggambarkan tiga lapisan utamanya terdiri dari lapisan sel ganglion (GCL), mengandung sel ganglion retina (RGC), lapisan inti dalam (INL), menampung interneuron amakrin, bipolar dan horizontal sel serta sel glial Müller, dan lapisan nuklir luar (ONL), fotoreseptor batang dan kerucut perumahan. Jaringan sensorik, atau neuroretina, terhubung ke epitel berpigmen retina (RPE). Panah merah menunjukkan lapisan RPE. ( B ) Gambar representatif dari immunostaining GLO1 dalam sampel retina dari tikus WT. (C) Fluoresensi intensitas rata-rata GLO1 dinormalisasi ke nilai dalam RPE. Data yang ditampilkan adalah mean ± standard error of mean (SEM). Hasil kami di retina relevan karena retina adalah jaringan pasca-mitosis yang sangat berdiferensiasi, di mana kerusakan akibat glikasi tidak dapat dikurangi dengan pembelahan seluler [5,9]. Selanjutnya, perubahan GLO1 telah dikaitkan dengan kerusakan retina [108]. Skenario serupa mungkin terjadi di jaringan lain yang terdiri dari sel-sel dengan kapasitas regenerasi rendah, seperti sistem saraf pusat, di mana sebagian besar neuron pasca-mitosis. Evaluasi level GLO1 bersama dengan penanda spesifik sel memungkinkan kami untuk mengevaluasi variasi sel ke sel dalam jaringan tertentu. Hasil kami menunjukkan bahwa protein dan aktivitas GLO1 retina tingkat tinggi mungkin memainkan peran perlindungan penting terhadap kerusakan yang diturunkan dari AGE seiring bertambahnya usia.

Artikel ini diambil dari Cells 2021, 10, 1852. https://doi.org/10.3390/cells10081852 https://www.mdpi.com/journal/cells