노화 관련 질병의 글리옥살라제 시스템: 노화 방지 전략으로서의 영양 개입 1부

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추상적인:글리옥살라제 시스템은 최종 당화 산물(AGE)의 해독에 중요합니다. AGE는 당화라고 하는 과정을 통해 당 또는 그 대사산물에 의한 생체 분자의 비효소적 변형으로 인한 독성 화합물입니다. AGEs는 분자 및 세포 노화의 진행에서 병원성 역할을 하는 많은 조직에 악영향을 미칩니다. 해독 메커니즘 및 단백질 분해 능력을 포함한 다양한 항-AGE 메커니즘의 노화 관련 감소로 인해 정상적인 노화 동안 당화 생체 분자가 조직 의존적 방식으로 우리 몸에 축적됩니다. 이러한 방식으로 볼 때, 항-AGE 해독 시스템은 AGE 축적 및 세포독성과 관련된 병리학적 기능 장애와 싸우기 위한 치료 표적으로 제안됩니다. 여기에서 우리는 당화의 반응성 중간체를 해독하기 위한 1차 기작으로서 글리옥살라아제 시스템을 특별히 강조하면서 당화 스트레스에 대한 보호 기작과 관련된 지식의 현재 상태를 요약합니다. 이 리뷰는 글리옥살라아제 시스템의 첫 번째 효소인 글리옥살라아제 1(GLO1)과 이 촉매 과정의 속도 제한 효소에 초점을 맞춥니다. GLO1은 편재적으로 발현되지만, 단백질 수준과 활성은 조직 의존적 방식으로 조절됩니다. 우리는 다른 조직에서 GLO1 단백질의 비교 분석을 제공합니다. 우리의 연구 결과는 빠른 단백질 회전율을 갖는 고도로 산소화된 조직인 안구 망막의 항상성에서 글리옥살라제 시스템의 역할을 나타냅니다. 우리는 또한 노화 관련 질병의 발병을 지연시키기 위한 치료 목표로 글리옥살라제 시스템의 조절을 설명하고 글리옥살라제 시스템을 조절하는 특성을 가진 영양 화합물에 대한 현재 지식을 설명하는 문헌을 요약합니다.

키워드:당화 스트레스; 글리옥살라제 시스템; 노화; 단백질 독성

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1. 서론: 당화 스트레스와 건강에 해로운 노화

증가하는 문헌에 따르면 손상된 단백질의 축적은 노화 및 제2형 당뇨병, 암, 신경퇴행성, 심혈관 및 눈 관련 장애를 비롯한 많은 연령 관련 질병의 특정 특징임을 나타냅니다[1-7]. 비정상 단백질은 비기능성 및 독성 응집체를 형성하여 세포 항상성을 손상시키고 이는 비정상 단백질의 불활성화로 이어질 뿐만 아니라 단백질 품질 관리 기구에 대한 스트레스 또는 불충분으로 인해 다른 필수 단백질의 기능을 손상시킬 수 있습니다. 세포에서. 비정상적인 분자로 이어지는 한 가지 두드러진 메커니즘은 고급 당화 최종 산물(AGE)에 의한 변형입니다.

디카르보닐 화합물이 생성됩니다.

AGEs를 형성하기 위해 식이 당과 탄수화물 대사를 포함하는 다양한 대사 경로(그림 1). 이러한 디카르보닐 화합물은 당화라고 하는 비효소적 번역 후 변형에서 단백질, 지질 및 핵산과 같은 생체 분자와 상호 작용합니다. 주요 당화 디카르보닐 제제는 메틸글리옥살(MG), 글리옥살 또는 3-데옥시글루코손[8]입니다. 이러한 디카보닐은 항상성 조건에서 낮은 수준으로 유지되지만 노화 과정은 이러한 당화 시약을 병리학적 수준으로 증가시켜 독성 AGE의 형성을 강화하고 궁극적으로 조직 적합성을 손상시킵니다. AGEs의 형성이 포도당 농도에 의존한다는 점을 감안할 때, 고혈당 식이 또는 당뇨병 상태의 섭취는 AGEs의 극적인 전신 축적으로 이어집니다. 이는 대사 변화, 염증 증가, 심각한 의학적 상태의 진행과 직접적인 관련이 있습니다. 반대로 저혈당 식이 섭취는 AGE 축적을 제한하고 이러한 질병 중 일부의 더 느린 진행과 관련이 있습니다[9-13]. 이러한 맥락에서 고혈당은 연령 관련 당화 단백질 생성에 추가적인 스트레스를 가하고 장기 기능에 대한 AGE 침착의 해로운 결과를 악화시킵니다.

그림 1. 노화의 AGE 유래 손상에 대한 -디카르보닐 형성 및 해독 경로의 개략도. 메틸글리옥살(MG)과 같은 반응성이 높은 디카르보닐의 형성은 디히드록시아세톤 포스페이트 및 글리세르알데히드 3-포스페이트 및 아미노산 및 지질 대사를 비롯한 기타 공급원을 비롯한 해당 중간체의 비효소적 분해를 통해 이루어집니다. AGE 손상을 피하기 위해 글리옥살라제 시스템은 AGE 합성을 제한하는 주요 메커니즘으로 MG와 같은 반응성이 높은 생체 분자를 반응성이 덜한 생체 분자(D-락테이트)로 전환합니다. 이 과정은 두 효소 GLO1과 GLO2의 순차적 활성과 환원된 형태의 글루타티온(GSH)을 포함합니다. 다른 해독 메커니즘은 DJ{9}}, aldehyde dehydrogenases(ALDHs), Aldo-keto reductases(AKRs) 및 acetoacetate 분해 효소의 활성을 의미합니다. 일단 형성되면 AGE는 유비퀴틴-프로테아좀(UPS) 시스템과 자가포식이라는 두 가지 단백질 분해 경로에 의해 제거될 수 있습니다. 이러한 보호 메커니즘(녹색으로 강조 표시됨)은 노화가 진행됨에 따라 감소하고 신경 퇴행, 안과 관련 질환(AMD, 백내장, DR), 신병증, 대사 증후군 및 암과 같은 노화 관련 질병의 발병에 기여합니다. GLO1:글리옥살라제 1; GLO2:글리옥살라제 2; GSH: 글루타티온.

Cistanche 캔 안티 에이징

과도한 당화 스트레스는 단백질 불용성을 촉진하고 신호 전달 및 단백질 품질 제어 경로를 조절합니다. 프로테옴의 AGEs 유래 변화는 염증, 세포자멸사, ER 스트레스를 포함한 여러 세포 기능과 관련된 전사 인자의 핵 전위로 이어지는 조직 생리학(MAP/ERK, JAK-STAT 및 PI3K-AKT 경로)의 신호 전달 경로를 교란합니다. , 자가포식, 산화 스트레스, 미토콘드리아 기능 등([2,14]에서 검토). 당화 단백질은 또한 단백질 분해 능력의 기능을 과도하게 사용하거나 제한할 수 있습니다. 이러한 변화는 궁극적으로 여러 연령 관련 장애의 발병에 기여합니다.

여러 연구에서 MG 및 MG 유래 AGE의 형성이 당뇨병 및 망막병증, 신장병증 및 신경병증과 같은 합병증의 발병기전에 중요한 인자임을 입증했습니다[15-19]. 디카르보닐 스트레스는 비만과 심혈관 질환의 매개체이기도 합니다[20,21]. MG는 죽상경화반에서 MG 유래 AGE의 축적[22] 및 MG 유도 저밀도 지단백 당화[23]를 포함한 여러 메커니즘을 통해 죽상동맥경화증에 기여할 수 있습니다. MG와 고혈압 사이의 연관성도 여러 연구에서 관찰되었으며 대동맥과 신장 조직에서 MG 수준이 증가했습니다[24,25]. 여러 연구에서 AGEs의 축적이 많은 신경퇴행성 장애와 상관관계가 있어 알츠하이머병, 파킨슨병, 정신분열증과 같은 뇌 기능에 영향을 미친다는 사실이 확인되었습니다[{11}}]. AGE 축적과 노화 관련 결과 사이의 관계에 대한 가장 좋은 예 중 하나는 백내장, 연령 관련 황반변성(AMD) 및 당뇨병성 망막병증(DR)과 같은 당화 유도 안구 조직 장애를 초래하는 안구 조직에서 발생합니다.[{ {15}}]. 전 세계적으로 실명의 주요 원인인 백내장과 관련하여 수정체 크리스탈린은 AGE 부산물이 축적되어 나이가 들면서 점차적으로 황갈색을 띠게 됩니다[31]. 수정체뿐만 아니라 망막 AGE는 특히 외부 망막에서 나이와 당뇨병에 따라 증가합니다. AMD는 선진국의 노인 실명의 주요 원인입니다. AMD 마우스 모델은 물론 대조군에 비해 AMD 환자에서 더 높은 AGE 수준이 발견되었습니다[{18}}]. DR은 망막에 AGE가 축적되어 미세혈관 손상을 유발하는 것이 특징입니다[37].미분화 정제 플라보노이드 분획 1000 mg 사용이러한 병리학적 변화는 혈액-망막 장벽에 돌이킬 수 없는 손상과 황반 부종을 초래하여 궁극적으로 시력 상실을 초래합니다. 요약하면, AGE는 특히 당뇨병 환자에서 노화와 함께 몸 전체에 축적됩니다. 이것은 유기체의 항상성을 손상시키고 과다한 노화 관련 질병의 발병 및 진행에 기여합니다.

AGEs를 해독하는 여러 시스템이 있습니다. 여기에는 글리옥살라제 시스템, AGE 형성을 억제하는 가장 잘 규명된 메커니즘, 그리고 당화 중간체를 해독할 수 있는 경로 중 하나가 포함됩니다. 그러나 항-AGEs 능력은 나이가 들면서 감소하여 '정상적인 오래된 조직'에 AGEs의 축적이 가속화됩니다. 조직에서 AGE의 축적을 제한하는 다양한 방어 메커니즘이 있지만, AGE의 축적 및 관련 병리를 방지하기 위해 이를 개발하는 것은 여전히 ​​활용되지 않고 있습니다[38]. 다음 섹션에서는 다음 섹션에 초점을 맞춘 해독 메커니즘에 대한 현재 문헌을 요약합니다. 글리옥살라아제 시스템은 세포와 조직에서 이러한 독성 부산물의 축적을 감소시킵니다. 마지막으로 노화 방지 전략으로서 글리옥살라제 시스템을 강화하기 위한 영양 개입의 유용성에 대해 논의합니다.

2. Glycative Stress에 대한 해독 메커니즘: Glyoxalase 시스템의 주요 역할

AGE 축적에 대한 여러 해독 메커니즘이 보고되었습니다. 그림 1은 노화에 따른 AGEs 유래 손상에 대한 α-디카르보닐 형성 및 다양한 해독 경로의 개략도입니다. AGE 합성의 주요 경로는 주로 포도당 대사에서 파생된 반응성 디카보닐과 1차 아민(N-말단 또는 라이신 측쇄) 또는 아르기닌 측쇄의 구아니딘 그룹과의 반응을 포함합니다[39]. MG와 같은 반응성이 높은 α-디카르보닐의 형성은 디히드록시아세톤 포스페이트 및 글리세르알데히드 3-포스페이트와 같은 해당과정 중간체와 아미노산 및 지질 대사를 비롯한 기타 공급원의 대사를 통해 이루어집니다.

AGE는 비가역적이며 일단 형성되면 단백질 분해 경로를 통해서만 제거될 수 있습니다[5,9,40,41]. 유비퀴틴-프로테아좀 시스템(UPS)과 자가포식 리소좀 단백질 분해 시스템(ALPS)[5,9,40,41](그림 1)의 두 가지 주요 단백질 분해 능력이 AGE 제거에 기여하는 것으로 제안됩니다. UPS는 주로 용해성 잘못 접힌 단백질에서 작동합니다. UPS에서 기질은 유비퀴틴으로 인식되고 태그가 지정되며 분해를 위해 프로테아좀을 표적으로 합니다. ALPS는 분해를 위해 리소좀 구획으로 화물을 표적화하는 것으로 구성됩니다. 자가포식 화물은 불용성 단백질, 단백질성 응집체 및 전체 소기관을 포함하여 다양할 수 있습니다. 두 단백질 분해 경로는 기능적으로 협력적이며 상호 직간접적인 상호작용[{11}}]을 통해 두 경로 간의 누화를 지원하는 문헌이 증가하고 있습니다. 이 누화는 백업 메커니즘을 보장하고 경로 중 하나가 결핍된 경우 다른 단백질 분해 경로가 보상하여 적절하고 기능적인 프로테옴을 유지하는 경향이 있습니다[47].

단백질 분해 속도의 연령 관련 변화는 단백질 분해 경로의 분자적 특성이 정의되기 전인 30여 년 전에 많은 조직에서 문서화되었습니다[48]. 오늘날, 연령에 따른 두 가지 주요 단백질 분해 경로의 분자 및 세포 감소가 더 잘 이해되고 UPS와 리소좀 시스템 사이에 감소 정도의 차이가 있습니다. 많은 보고서에서 UPS에서 조직 의존적 감소가 나타났지만 자가포식 감소는 보편적인 것으로 보입니다([{4}}에서 검토). 자가포식과 관련하여 리소좀 및 자가포식소체 구획은 모두 현저한 수정을 겪습니다. autophagy의 기능 장애에 기여하는 변화에는 리소좀 안정성의 감소, 가수 분해 효소 활성, 리소좀 내강의 소화 불가능한 물질 (lipofuscin) 축적, 리소좀 pH 기능 장애, autophagy 관련 단백질의 전사 수준 감소, 샤페론 매개의 안정성 감소 등이 있습니다. 리소좀 막의 자가포식 수용체 LAMP2A 및 자가포식 구획의 운동 단백질 결합 감소([49,51,52]). autophagy와 대조적으로 나이에 따른 proteasome proteolytic 능력의 변화는 양적보다 질적이라는 것이 이제 받아들여지고 있습니다.오테플라보노이드프로테아좀 코어 촉매 활성 및 조절 소단위의 구성 변화, 프로테아좀 발현 감소, 프로테아좀 소단위 및 프로테아좀 기질의 산화 상태 변화는 연령 관련 UPS 용량 억제에 기여합니다([53] ,54). 어떤 경우에는 부하를 처리하기 위한 단백질 분해 시스템의 용량이 충분하지 않을 수 있습니다. 불행히도, 이 두 가지 기전의 효능은 나이가 들면서 감소하여 손상된 단백질을 인식하고 제거하는 능력이 충분하지 않아 단백질 응집체와 기능 장애 소기관이 세포 내 축적됩니다[55,56]. 순 AGEs 수준은 합성 또는 형성 속도와 제거 속도의 균형에 의해 결정됩니다. 단백질 분해 능력 감소의 즉각적인 결과는 노화된 유기체에 수명이 긴 단백질이 축적되는 것이며, 이들 중 다수는 아미노산 서열에 당화 유래 손상을 축적합니다. AGE의 축적은 연령과 관련되고 의존적인 방식으로 발생하며([4,9]), 최근 노화 연구의 단백질체 분석에 따르면 AGE 생물학에는 연령 관련 단백질체와 관련된 풍부한 대사 경로가 포함되어 있음이 밝혀졌습니다[57].

UPS와 ALPS는 나이가 들면서 감소하지만 AGE의 합성을 감소시키는 능력이 있는 다른 보호 경로가 있습니다. 이 리뷰에서 우리는 반응성 디카보닐을 해독하기 위한 주요 경로인 글리옥살라제 시스템에 특히 중점을 두고 AGE의 생합성을 제한하는 이러한 보호 메커니즘에 초점을 맞춥니다[58]. 이 섹션에서는 글리옥살라제 시스템에 대해 자세히 설명합니다. 우리는 또한 파킨슨 관련 단백질 DJ-1, aldehyde dehydrogenases(ALDHs), Aldo-keto reductases(AKRs) 및 acetoacetate 분해와 같은 AGEs 해독의 다른 메커니즘을 간략하게 설명합니다.

2.1.글리옥살라제 시스템: 디카르보닐 반응의 주요 해독 경로

방대한 문헌은 모든 포유동물 세포의 세포질에서 반응성 디카르보닐에 대한 주요 해독 경로로서 글리옥살라제 시스템을 지지합니다[58]. 글리옥살라아제 시스템은 MG 대사를 위한 가장 잘 특성화된 경로입니다. 글리옥살라제 유전자는 진화적으로 보존되어 있으며 인간, 식물, 효모, 박테리아, 균류 및 원생생물과 같은 다양한 생명체에 널리 분포되어 있습니다. 많은 다양한 분류군의 존재는 생물학적 생명의 생리적 기능에서 글리옥살라아제 효소의 중요성이 높다는 것을 지적합니다. 글리옥살라제 1과 2(GLO1, GLO2)의 결합된 활성은 반응성 비고리형 -옥소알데하이드를 해당하는 -하이드록시산으로 전환하는 것을 촉매합니다[58]. 이러한 반응에는 촉매적 GSH도 필요합니다. 초기 단계에서 GLO1은 디카르보닐 MG와 GSH의 알데히드의 자발적 반응에 의해 형성된 기질인 헤미티오아세탈을 SD-락토일글루 왕좌로 전환합니다. 그런 다음 GLO2는 SD-락토일글루타티온을 D-락테이트로 가수분해하고 GSH를 재형성합니다(그림 1).청교도 비타민 CGLO1의 활성은 GSH 농도에 정비례합니다. GLO1 활성은 GSH가 GSSG로 전환될 때 산화 스트레스가 있을 때와 같이 GSH가 제거될 때 감소합니다[59].

MG는 해당과정과 포도당신생합성 과정에서 다이하이드록시아세톤 포스페이트와 글리세르알데하이드 3-포스페이트의 분해뿐만 아니라 트레오닌의 이화작용, 케톤체의 산화, 당화 단백질의 분해에 의해 형성됩니다. 글리옥살(glyoxal), 페닐글리옥살(phenylglyoxal), 하이드록시피루 알데하이드(hydroxypyru aldehyde)를 포함한 다른 기질도 이 경로를 통해 대사됩니다[60]. 글리옥살라아제 시스템의 속도 제한 효소인 GLO1은 1차 해독 단계를 촉매하므로[61] GLO1 단백질의 변경은 당뇨병, 신경 퇴행성 질환, 암 및 눈 관련 질환과 같은 노화의 많은 병리학적 과정에 관여합니다. 질병 [20.

GLO1 발현 및 활성의 조절은 복잡하고 아직 잘 이해되지 않았습니다(그림 2). GLO1 프로모터 서열은 금속 반응 요소(MRE), 인슐린 반응 요소(IRE), 초기 유전자 2-인자 동형체(E2F) 및 활성화 인핸서 결합 단백질 2(AP{10 }} ) 및 항산화제-반응 요소(ARE). IRE와 MRE의 기능은 인슐린과 염화아연 처리가 전사 반응을 증가시킨 리포터 분석에서 확인되었습니다. E2F와 AP{14}}[63,64]에서도 유사한 기능적 활동이 관찰되었습니다. Glo1의 엑손 1에 위치한 ARE는 Glo1을 핵인자 적혈구계 관련 인자 2(NRF2) 스트레스 반응 전사 시스템에 연결하는 역할을 합니다[65]. MG 대사 및 산화 스트레스에 대한 보호와 관련된 여러 유전자가 NRF{25}}ARE 경로의 제어 하에 있습니다[66]. NRF2는 컬린 의존성 E2 유비퀴틴 리가제 복합체의 기질 어댑터 단백질인 KEAP1과 복합체를 형성하여 생리적 조건에서 NRF2가 26S 프로테아좀에 의해 분해되도록 합니다. 산화 스트레스는 이 복합체의 불안정화를 초래하여 NRF2를 핵으로 전위시키고 항산화 유전자의 상향 조절을 유발합니다[67,68]. GLO{37}}ARE에 NRF2의 결합은 GLO1의 기본 및 유도성 발현을 증가시킵니다.[65]. NRF2와 항산화 반응은 또한 MG가 Nrf2를 유리시키는 KEAP의 이량체화를 야기할 때 상향 조절됩니다[69].

여러 연구에 따르면 NRF2는 GLO1 활성을 증가시키고 세포 내 MG 스트레스를 완화합니다. 따라서 NRF2 작용제에 의한 GLO1의 조절은 세포와 조직 모두에서 MG 및 MG 유래 단백질 부가물을 감소시켰습니다[70-73]. 또한, NRF2 녹아웃 마우스에서 간, 뇌, 심장, 신장 및 폐 Gol mRNA 및 단백질이 감소하였다[65]. 종합하면, 이러한 보고서는 GLO1이 NRF2/KEAP1 경로가 MG 및 디카르보닐 스트레스를 감소시켜 보호 기능을 수행하는 다운스트림 표적임을 시사합니다. 그러나 NRF2에 의한 NF-kB(nuclear factor kB)의 염증 활성화는 Gol 발현을 감소시킨다[74]. 발광 발현은 또한 디카르보닐 스트레스의 중요한 생리학적 동인인 저산소 조건에서 HIF1(저산소증 유발 인자 1)에 의해 부정적으로 조절됩니다[75].

전사 조절과 함께 GLO1 단백질의 번역 후 조절도 있습니다(그림 2). GLO1은 세포질 시르투인-2[76,77]에 의해 아세틸화되고 RAGE(최종 당화 반응 수용체)의 활성화에 의해 발현이 감소될 수 있습니다. 그러나 이러한 메커니즘은 명확하게 이해되지 않습니다[78].시스탄체최근 연구에 따르면 GLO1 단백질은 트레오닌 107(T107)의 인산화와 시스테인 139의 니트로실화에 의해 변형될 수 있습니다[79]. 이 연구에서는 GLO1 단백질에서 칼모듈린 의존성 키나제 II 델타에 의한 T107의 인산화가 글리옥살라제 시스템을 조절하는 정확한 메커니즘으로 보고되었습니다. 구체적으로, T107에서 GLO1의 인산화는 MG 해독 및 프로테아좀 분해 속도의 운동 효율에 영향을 미칩니다. 따라서 그 변화된 상태는 연령 관련 질병의 발병과 관련이 있습니다[79].

그림 2. 글리옥살라제 1(GLO1) 조절 메커니즘. GLO1 활성은 전사 조절 및 번역 후 변형을 포함한 여러 메커니즘을 통해 조절될 수 있습니다. Glo1 프로모터는 항산화 반응(ARE), 금속 반응(MRE), 인슐린 반응(IRE) 요소와 같은 다양한 조절 요소와 AP{8}} 및 E2F에 대한 결합 부위를 포함합니다. 정상 조건에서, 핵 인자 적혈구계{10}}관련 인자 2(NRF2)는 컬린 의존성 E2 유비퀴틴 리가제 복합체에 대한 기질 어댑터 단백질인 KEAP1과 복합체를 형성하여 NRF2가 유비퀴틴-프로테아좀 시스템(UPS)에 의해 분해되도록 지시합니다. 산화 스트레스는 복잡한 NRF{18}}KEAP1의 불안정화를 초래하여 핵으로 전위된 NRF2의 분리를 유발하여 다양한 항산화 유전자의 상향 조절을 촉발합니다. NRF2를 Glo{22}}ARE에 결합하면 GLO1의 발현이 증가합니다. 저산소증 조건에서 글로우 발현은 저산소증 유발 인자 1(HIFlx)에 의해 역으로 조절됩니다. 세포질의 다른 번역 후 변형은 GLO1 안정성에 영향을 줄 수 있습니다.

2.2. 글리옥살라아제 활성의 부족을 보상하기 위한 추정 백업 시스템으로서의 대체 해독 메커니즘

글리옥살라제 시스템에서 반응성 디카보닐을 해독하는 주요 메커니즘인 반면, 당 대사 중에 형성된 디카보닐을 해독할 수 있는 대체 경로가 있습니다. 여기에는 ALDH, AKR, 파킨슨 관련 단백질 DJ-1 및 3-하이드록시 헥산-2,{4}}디온(3-HHD 형성을 위한 아세토아세테이트에 의한 소거)이 포함됩니다. )[80]. 이러한 시스템의 생리학적 관련성은 불분명하며, 글리옥살라제 시스템의 높은 활성으로 인해 이러한 효소가 조직에서 AGE의 해독에 중요한지 여부에 대해 의문이 제기되었습니다. 비록 이러한 경로의 조직 의존적 역할을 무시할 수는 없지만, 이들은 글리옥살라아제 활성이 없을 때 작동하는 백업 시스템의 구성요소인 것 같습니다.

파킨슨병 단백질 7(PARK7)로도 알려진 DJ{0}}는 파킨슨병(PD)에서 필수적인 역할을 합니다. 기능적 DJ-1 단백질의 결핍은 상염색체 열성 PD를 유발하는 것으로 나타났습니다[81,82]. DJ-1는 (1) 시험관 내에서 글리옥살라아제 활성, MG를 젖산으로 전환하고 엘레강스 선충에서 MG로 인한 조직 손상 방지 [83], (2) 시험관 내에서 탈글리카아제 활성, 감소 초기 단계 MG 부산물 [84]. 최근에 다른 연구에서도 DJ{13}}가 DNA 탈당효소[85-87]에서 관련 역할을 한다는 것이 밝혀졌습니다.시스탄체란 무엇인가글루타티온(GSH)이 없는 상태에서 DJ{0}}의 해독 능력은 이를 GSH의 존재를 필요로 하는 글리옥살라제 시스템에 대한 대체 경로로 만듭니다. 그러나 Pfaff 등은 초파리 세포에서 DJ-1 녹다운과 전체 유기체에서 DJ-1 녹아웃을 모두 사용하여 MG 단백질 부가물 축적에 차이가 없음을 관찰했습니다[88].

AKR은 알데히드와 케톤을 1차 및 2차 알코올로 환원시킬 수 있는 단백질의 슈퍼패밀리입니다. AKR은 MG를 하이드록시 아세톤 또는 락트알데히드로 대사합니다. 일부 연구에 따르면 설치류 섬유아세포에서 인간 및 마우스 Aldo-keto reductase의 유전자 변형 발현이 MG 유발 손상을 방지하여 AKR이 MG 해독 및 AGE 수준 감소에 참여할 수 있음을 시사합니다[89-91]. Glo1 녹아웃 마우스 Schwann 세포에서 높은 AKR1B3 활성이 검출되었고 MG 노출 동안 발현이 증가하여 이것이 글리옥살라제 시스템의 결핍 또는 과도한 당화 스트레스에 의해 유도된 보상 기전일 수 있음을 시사합니다[92]. 흥미롭게도 AKR1B3의 결핍은 당뇨병 쥐의 심장에서 더 높은 수준의 MG와 AGE를 초래했습니다[91].

LED는 MG를 피루브산으로 산화시키는 -디카르보닐 대사 효소의 또 다른 그룹입니다. ALDH 발현은 MG 처리 시 마우스 Schwann 야생형 세포에서 증가했습니다[92]. zebrafish 모델에서 glo1 녹아웃 물고기는 유도된 ALDH 활성이 GLO1의 결핍을 보상한다는 것을 보여주었습니다[93]. 그러나 적어도 마우스에서 보상 기전은 조직 의존적입니다. AKR과 ALDH의 발현 증가가 간 조직에서 관찰되었지만 Glo1 녹아웃 마우스의 신장에서는 AKR만이 보고되었기 때문입니다[94]. 인체 연구에서 3-알데하이드 탈수소효소 1A1(ALDH1A1) 활성에 의해 생성된 DG 대사산물은 당뇨병 환자의 혈장과 적혈구에서 증가했습니다[92]. 최근에는 케톤체 아세토아세테이트가 당뇨병 및 식이 케토시스 동안 비효소적 반응에 의해 MG 농도를 감소시키는 것으로 나타났습니다[95,96]. 그들은 이 대사 경로가 MG와 케톤체 아세토아세테이트 사이의 비효소적 알돌 반응을 수반하여 혈액에 존재하는 3-하이드록시 헥산-2,{22}}디온을 유도한다는 것을 발견했습니다. 인슐린 결핍 환자의 글리옥살라제 시스템의 결핍을 보상할 수 있는 대체 경로는 말초 축삭 변성 및 고환 손상과 관련된 y-디케톤과 같은 독성 분자를 잠재적으로 생성할 수 있습니다[97,98].

GLO 독립적인 대체 경로에 관여하는 단백질에 대한 체계적인 노화 분석은 없지만{0} 이러한 분자 플레이어의 연령 관련 변화가 보고되었습니다. 예를 들어, D]-1 발현 수준과 산화 스트레스 사이에는 상관관계가 있으며 다양한 보고서에서는 연령에 따라 DJ-1가 증가하는 것으로 나타났습니다. DJ-1 mRNA와 단백질 수준은 생쥐에서 8주령에서 20주령으로 증가했으며[99], DJ-1 수준은 인간 뇌척수액에서 나이의 함수로 유의하게 증가했습니다[100]. 안구 조직에서 DJ{10}}는 망막 색소 상피와 광수용체에서 발현되고 노안에서는 발현이 증가하는 것으로 나타났습니다[101]. 이는 글리옥살라제 시스템 활동의 감소로 인한 보상 메커니즘을 반영할 수 있습니다.

2.3. Glyoxalase 시스템의 조직 의존적 활성

GLO1은 유비쿼터스 단백질이지만 이 효소의 수준은 조직에 따라 조절됩니다. 다른 조직에서 글리옥살라제 시스템의 역할을 평가하기 위해 비안구(간, 뇌, 심장 및 신장) 및 안구 조직(망막, RPE/맥락막 및 수정체)에서 GLO1의 발현 및 활성을 조사했습니다. 야생형 C57BL/6] 마우스. GLO1을 특이적으로 인식하는 항체를 사용하여 단백질 수준을 정량화하기 위해 웨스턴 블롯팅 및 면역조직화학을 수행했습니다. 세포질 추출물의 GLO1 활성은 이전에 보고된 바와 같이 SD-lactoylglutathione의 초기 형성 속도로 분광광도계로 결정되었습니다[30,102]. 이러한 결과는 그림 3에 요약되어 있습니다.

그림 3. GLO1 단백질과 안구 및 비안구 조직에서의 활성 비교 분석. (A) GLO1 활성은 이전에 설명된 대로 WT 마우스의 비안구 조직 및 망막 조직에서 분석되었으며[29], 활성은 간과 비교하여 백분율(%)로 표시되었습니다. (B) 간 및 (C) 망막 대표 웨스턴 블롯 분석은 WT 및 Glow 과발현 형질전환 마우스(Glo1 Tg plus / plus)에서 Gol(상업용, GeneTex)에 대한 단클론 항체(비상업용) 및 다클론 항체를 사용한 것입니다[36,103,104]. (D)Glo1에 대한 단클론 항체(비상업용) 및 (E) 부하를 제어하기 위해 정규화된 GLO1의 단백질 정량을 사용한 WT 마우스의 비-안구 조직 추출물(50ug)의 대표적인 웨스턴 블롯 분석(Ponceau 염색). (F) GLO1 활성은 이전에 설명된 대로 [29] WT 마우스의 안구 조직(망막, RPE/맥락막 및 수정체)에서 수행되었으며 활성은 단백질 밀리그램당 밀리단위로 표시되었습니다. 값은 평균 ± SEM입니다. 샘플 크기는{18}GLO1 단백질 및 활성 분석에서 가져온 것입니다.

이전에 발표된 데이터는 망막과 간이 GLO1의 가장 높은 활성을 나타내는 것으로 나타났습니다([30], 그림 3A). 망막 활동이 가장 높은 값을 나타내는 반면 간, 신장, 뇌 및 심장은 망막 해독 능력의 각각 46%, 27%, 22% 및 11%만을 나타냅니다. 우리는 Western blotting으로 GLO1 단백질 수준을 평가하여 GLO1의 활성이 효소 수준과 상관 관계가 있는지 평가했습니다. GLO1에 대한 항체는 이전 보고서에서 이전에 검증되었으며 망막 샘플에서 GLO1 분석에 사용되었습니다[36,103,104]. 양성 대조군으로, C57BL/6J(B6) 배경에서 GLO1을 과발현하는 형질전환 마우스의 망막 및 간 조직에서도 비교 분석을 수행했습니다[105]. GLO1의 수준을 조사하기 위해 우리는 GLO1 생물학 연구를 위해 서로 다른 동물 모델에서 보고된 다클론 토끼 항체(GeneTex의 상용 항체)와 단일 클론 마우스 항체(비상업 항체)의 두 가지 다른 항체를 사용했습니다[103,106]. 우리는 웨스턴 블롯팅을 통해 간 및 망막 야생형 조직에서 GLO1 단백질을 검출할 수 있었고 두 조직 모두에서 형질전환 마우스에서 가장 높은 발현을 발견했습니다(그림 3B, C 및 보충 그림 S1). 두 항체 모두에 대해 두 개의 밴드가 인식되었습니다. 이러한 GLO 양성의 차등 전기영동 프로필은{28}}전사 후 변화가 단백질의 역할에 중요할 수 있음을 시사합니다. 따라서 최근 연구에 따르면 인산화된 GLO1이 보다 효율적이고 안정적이며 GLO1 활성을 조절하는 정확한 메커니즘으로서 이러한 전사 후 변경을 지원합니다[79]. 그러나 전사 후 변형이 글리옥살라제 1 활성을 조절하는 방법에 대한 정보가 부족합니다.

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>심장(그림 3D, E). 이는 이전 연구[30]의 결과를 확증합니다. 안구 조직에서 GLO1의 역할에 대한 정보는 제한적입니다. 우리가 이전에 보고한 바와 같이, 효소 분석은 GLO1 활성이 수정체 또는 RPE/맥락막에 비해 망막에서 ~10배 더 높은 것으로 밝혀졌습니다(그림 3F,[30]). 글리옥살라제 I의 과발현은 고혈당 상태에서 인간 망막 주위 세포의 생존을 향상시키고[107] 당뇨병 쥐에서 GLO1을 회복시키는 지오텐신 수용체 차단제는 망막 무세포 모세혈관을 감소시키는 것으로 나타났습니다[18]. 또한 Zebrafish의 GLO1 결핍은 성체 망막 혈관 구조에 영향을 미치지만, 증가된 혈관신생 새싹 형성은 glo{11}}/과식한 zebrafish에서만 관찰되지만 정상적인 섭식에서는 관찰되지 않습니다[93].

망막은 다양한 세포 유형을 가진 매우 복잡하고 매우 역동적인 조직입니다(그림 4A). 혈류와 그에 따른 생체외 물질 및 기타 스트레스 요인에 대한 노출은 신체에서 가장 높은 수치에 속합니다. 매일 아침 망막 광수용기의 바깥쪽 끝 부분의 10%가 떨어져 나가며 인접한 망막 색소 상피 세포에 의해 제거되어야 합니다. 우리는 망막에서 GLO1의 공간적 차이를 처음으로 특성화하기 위해 면역 조직 화학적 분석을 수행했습니다. GLO1 단백질은 망막 내 모든 세포 유형에 존재했으며 내부 핵층 및 신경절 세포 김의 세포체 내에서 높은 수준으로 존재했습니다. 외부 핵층의 광수용체 세포체는 더 낮은 수준을 보였습니다. 광수용체에서 대부분의 GLO1 단백질은 내부 및 외부 세그먼트 내에서 발견되었습니다. RPE는 또한 높은 수준의 GLO1 단백질을 갖는 반면 맥락막과 공막은 더 적은 양의 GLO1 단백질을 가졌다(그림 4B, C).

그림 4. 마우스 망막 조직에서 GLO1의 면역조직화학. (A) 망막 신경절 세포(RGC), 내부 핵층(INL), 무축삭, 양극성 및 수평의 중간 뉴런을 호스팅하는 신경절 세포층(GCL)으로 구성된 3개의 기본 층을 보여주는 망막의 횡단면, 세포 개략도 세포뿐만 아니라 뮐러 신경교 세포, 외부 핵층(ONL), 하우징 간상체 및 원추형 광수용체. 감각 조직 또는 신경망막은 망막 색소 상피(RPE)와 연결되어 있습니다. 빨간색 화살표는 RPE 레이어를 나타냅니다. (B) WT 마우스의 망막 샘플에서 GLO1 면역염색의 대표적인 그림. (C) RPE의 값으로 정규화된 GLO1의 평균 강도 형광. 표시된 데이터는 평균 ± 평균의 표준 오차(SEM)입니다. 망막은 세포 분열에 의해 당화 손상으로 인한 손상을 줄일 수 없는 고도로 분화된 유사분열 후 조직이기 때문에 망막에 대한 우리의 결과는 관련이 있습니다[5,9]. 또한 GLO1의 변화는 망막 손상과 관련이 있습니다[108]. 대다수의 뉴런이 유사분열 후인 중추신경계와 같이 재생 능력이 낮은 세포로 구성된 다른 조직에서도 유사한 시나리오가 발생할 수 있습니다. 세포 특이적 마커와 함께 GLO1 수준을 평가하면 주어진 조직 내에서 세포 간 변이를 평가할 수 있습니다. 우리의 결과는 높은 수준의 망막 GLO1 단백질과 활성이 노화에 따른 AGE 유래 손상에 대해 중요한 보호 역할을 할 수 있음을 시사합니다.

이 기사는 Cells 2021, 10, 1852에서 발췌했습니다. https://doi.org/10.3390/cells10081852 https://www.mdpi.com/journal/cells