王 蕾,朱迪娜,呂 翠,張文生
甲基乙二醛(methylglyoxal,MG)也稱為丙酮醛,分子式為C3H4O2,其中含有兩個(gè)羰基,性質(zhì)活潑,與乙二醛、3-脫氧醛酮等統(tǒng)稱為活性羰基化合物。人體內(nèi)各組織器官和血液中均有MG的存在,MG可以通過外源進(jìn)入人體,也可以由體內(nèi)代謝產(chǎn)生。外源性MG可以通過飲食攝入。食品生產(chǎn)、加工和長期貯存過程中也會(huì)因?yàn)樯a(chǎn)工藝和貯存條件不當(dāng)而逐漸產(chǎn)生MG。在咖啡、奶酪和高糖飲料如可樂中均發(fā)現(xiàn)存在高水平的MG[1]。內(nèi)源性MG主要來自于糖酵解過程中磷酸丙糖(包括磷酸二羥丙酮和三磷酸甘油醛)的中間體,其通過非酶催化過程脫磷酸或由磷酸丙糖異構(gòu)酶和甲基乙二醛合成酶催化產(chǎn)生[2]。此外MG也可由細(xì)胞色素P4502EI氧化丙酮、脂質(zhì)過氧化過程、氨基酸降解和Amadori重排反應(yīng)產(chǎn)生[3-4]。糖尿病或長期食用高糖、高M(jìn)G食物,體內(nèi)MG水平會(huì)明顯上升,對MG的清除帶來不利影響。
生物體內(nèi)MG主要通過乙二醛酶系統(tǒng)被清除代謝。乙二醛酶系統(tǒng)由乙二醛酶 I(glyoxalase I,GLO I,EC 4.4.1.5),乙二醛酶Ⅱ(glyoxalaseⅡ,GLOⅡ,EC 3.1.2.6)和催化劑量的還原型谷胱甘肽(reduced glutathione,GSH)組成。MG與GSH通過非酶反應(yīng)產(chǎn)生硫代半縮醛,經(jīng)GLOⅠ催化生成SD-乳酰谷胱甘肽,隨后,GLOⅡ酶解S-D-乳酰谷胱甘肽成D-乳酸,并還原谷胱甘肽而達(dá)到解毒作用[5]。其中GLOⅠ為反應(yīng)中的限速酶,在MG的代謝解毒方面起到關(guān)鍵作用,也是近年來研究的關(guān)注點(diǎn)。另有醛糖還原酶途徑、三甲基甘氨醛脫氫酶途徑、2-氧醛脫氫酶途徑參與 MG部分清除代謝[6-8]。
一般情況下,MG隨著糖酵解過程產(chǎn)生,經(jīng)過乙二醛酶系統(tǒng)代謝為無毒的D-乳酸,在體內(nèi)水平較低。但在糖酵解異常的病理狀態(tài)下或長期食用MG含量過高的食物時(shí),體內(nèi)清除系統(tǒng)負(fù)荷過大,造成體內(nèi)MG累積。MG代謝紊亂會(huì)造成嚴(yán)重的細(xì)胞毒性和組織損傷。
MG主要通過以下幾個(gè)方面造成細(xì)胞和組織的損傷。①大量親電體MG可與DNA、RNA的甲脒基結(jié)構(gòu)結(jié)合,其中研究最多的是MG與脫氧鳥苷的N1和 N2位置結(jié)合生成的R-/S-N2-(1-羧乙基)-2’-脫氧鳥苷(R-/S-N2-(1-carboxy ethyl)-2’-deoxyguanosine,CEdG)。此研究證明 CEdG能夠在體外實(shí)驗(yàn)中誘導(dǎo)DNA突變,MG與DNA結(jié)合后甚至?xí)蛊鋽嗔眩?]。②在生理?xiàng)l件下MG通過美拉德反應(yīng)不可逆的與蛋白質(zhì)的精氨酸殘基,少數(shù)與賴氨酸、組氨酸的α-氨基發(fā)生親核加成反應(yīng),對蛋白質(zhì)進(jìn)行翻譯后修飾,改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和生理生化功能。例如MG與谷胱甘肽還原酶的精氨酸殘基結(jié)合,從而使其失活,降低其還原GSH的能力[10]。③ MG與長壽蛋白反應(yīng)早期生成氨基果糖,隨后造成蛋白質(zhì)不可逆交聯(lián)生成晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycosylation end products,AGEs)[11]。AGEs與其細(xì)胞表面受體(receptor for advanced glycosylation end products,RAGE)結(jié)合,激活胞內(nèi)炎癥信號通路并產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species,ROS)。同時(shí),核轉(zhuǎn)錄因子(nuclear factorκB,NF-κB)磷酸化后入核,啟動(dòng)下游基因轉(zhuǎn)錄,進(jìn)而誘發(fā)炎癥和凋亡等一系列反應(yīng)[12]。
隨著人們生活水平的提高和西方快餐文化的盛行,高糖高脂已經(jīng)成為人們?nèi)粘o嬍车囊淮筇攸c(diǎn),MG的代謝障礙與累積,成為慢性疾病的重要誘因。糖基化過程和AGEs的生成與包括糖尿病、神經(jīng)退行性疾病、血管性疾病和腫瘤等在內(nèi)的多種重大疾病均存在密切聯(lián)系。
3.1 MG與糖尿病 糖尿病是以高血糖為特征的代謝性疾病,而MG是糖酵解過程中產(chǎn)生的毒性副產(chǎn)物。糖尿病病理狀態(tài)下,由于糖代謝異常導(dǎo)致細(xì)胞和血漿中MG濃度長期處于較高狀態(tài)。高濃度MG使AGEs持續(xù)產(chǎn)生并積累。有調(diào)查研究顯示,血漿中總羰基水平和AGEs水平與胰島素抵抗指數(shù)均存在顯著性相關(guān)[13-14]。盡管胰島素半衰期很短,但MG獨(dú)特的糖化活性使胰島素和胰島素原合成加工過程很可能發(fā)生糖基化反應(yīng)[15]。胰島素B鏈的精氨酸殘基和末端的苯丙氨酸殘基作為其獨(dú)特的糖基化位點(diǎn)可以被MG修飾[16]。糖化胰島素比正常的胰島素高出0.70,才能誘導(dǎo)相同劑量的葡萄糖被吸收[17]。此外MG還可以直接影響胰島素信號通路的傳導(dǎo)。在胰島β細(xì)胞中MG修飾胰島素后抑制了胰島素受體酪氨酸位點(diǎn)的磷酸化和磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidyl inositol 3-kinase,PI3K)的活性,阻遏其信號傳導(dǎo)[18]。
Unoki-Kubota等在2型糖尿病小鼠中發(fā)現(xiàn),AGEs可通過多種機(jī)制造成胰島素抵抗,如誘導(dǎo)腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)進(jìn)而誘導(dǎo)氧化應(yīng)激和線粒體損傷等。AGEs能夠通過RAGE激活胞內(nèi)NF-κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路誘發(fā)炎癥并刺激產(chǎn)生ROS,而ROS反過來又會(huì)刺激AGEs的產(chǎn)生和積累并損傷胰島β細(xì)胞[19]。RAGE被AGEs激活后會(huì)釋放RAGE的其他配體,造成炎癥環(huán)境抑制胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)。此外,RAGE的激活會(huì)抑制GLOI活性,由于乙二醛酶系統(tǒng)不能及時(shí)的清除逐漸積累的MG,導(dǎo)致AGEs的進(jìn)一步產(chǎn)生和積累。因此造成胰島素抵抗和損傷胰島細(xì)胞的惡性循環(huán)。
由此可知,MG主要通過糖基化反應(yīng)改變胰島素結(jié)構(gòu)和阻遏其信號通路而降低其降糖作用,而 AGEs通過激活RAGE造成氧化應(yīng)激和炎癥環(huán)境,從而損傷胰島細(xì)胞。
3.2 MG與阿爾采末病 阿爾采末?。ˋlzheimer′s disease,AD)是一種進(jìn)行性的神經(jīng)退行性病變,表現(xiàn)為認(rèn)知功能減退、記憶喪失、行為障礙等。AD的主要病理特征包括在大腦皮層和海馬出現(xiàn)β淀粉樣蛋白(β-amyloid peptide,Aβ)聚集形成老年斑、Tau蛋白異常聚集形成的神經(jīng)纖維纏結(jié)、突觸數(shù)量減少和神經(jīng)元丟失等。Hardy等[20]提出AD的Aβ級聯(lián)假說,認(rèn)為腦中淀粉樣斑塊沉積是導(dǎo)致腦中神經(jīng)元丟失,造成AD的始發(fā)因素。
大腦是能量消耗最多的器官,葡萄糖代謝非?;钴S。即使在非病理?xiàng)l件下,隨著年齡的增長MG也會(huì)在腦內(nèi)累積。AD患者腦內(nèi)MG水平明顯升高。大量研究證實(shí)AD病理機(jī)制與糖基化反應(yīng)誘發(fā)的中樞神經(jīng)病變有關(guān)。體外實(shí)驗(yàn)中MG可與Aβ發(fā)生糖化作用生成Aβ-AGE。Aβ-AGE與單一的Aβ相比,可通過過度激活神經(jīng)元表面RAGE和糖原合酶激酶-3(glycogen synthase kinase-3,GSK-3)的活性,進(jìn)一步加強(qiáng)神經(jīng)毒性。而通過抑制MG引發(fā)的糖基化作用可以有效緩解轉(zhuǎn)基因小鼠早期的認(rèn)知障礙[21]。此外,過量的MG能夠誘導(dǎo)體外培養(yǎng)的大腦皮質(zhì)神經(jīng)元產(chǎn)生活性氧同時(shí)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。
在AD大腦纖維狀結(jié)構(gòu)和皮層淀粉樣斑塊中也發(fā)現(xiàn)有大量AGEs的存在。1994年,Yan等[22]在對AD的研究中提出AGEs與大腦老化過程和AD病理的改變存在相關(guān)性。Kuhla等[23]證明AGEs降低了SH-SY5Y胞內(nèi)葡萄糖代謝、ATP水平和線粒體活性。細(xì)胞外老年斑中累積的AGEs能夠刺激小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生自由基和有害的細(xì)胞因子如TNF-α等[11]。細(xì)胞內(nèi)AGEs與細(xì)胞骨架蛋白交聯(lián),抑制其運(yùn)輸功能,最終導(dǎo)致神經(jīng)元功能障礙甚至細(xì)胞凋亡。AD病理狀態(tài)下,Aβ受體RAGE可被腦內(nèi)累積的AGEs激活。RAGE被激活后會(huì)釋放自由基并通過NF-κB通路上調(diào)前炎癥因子白細(xì)胞介素-1與白介素-6、TNF-α和巨噬細(xì)胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor,MCSF)等的表達(dá)。同時(shí)NF-κB入核后啟動(dòng)RAGE的轉(zhuǎn)錄,上調(diào)RAGE蛋白表達(dá),啟動(dòng)AD病理進(jìn)程中的惡性循環(huán)。
以上證據(jù)說明,MG和AGEs在神經(jīng)退行性疾病AD中起到重要作用,這很有可能是Ⅱ型糖尿病易于導(dǎo)致AD發(fā)生發(fā)展的原因之一。清除MG等活性羰基化合物并抑制AGEs的形成可能成為AD的一個(gè)治療新靶點(diǎn)[11]。
3.3 MG與血管性疾病 高血壓等血管疾病是威脅人類健康,造成死亡的主要原因之一。MG在哺乳動(dòng)物的所有細(xì)胞中均有分布,在血管平滑肌細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn)有MG的存在。
生化檢測和臨床觀察均證實(shí)血液中高濃度的MG會(huì)損傷眼和腎臟中的微血管,造成視網(wǎng)膜病變和腎小球損傷[24]。親電子的MG能夠與血管平滑肌細(xì)胞中蛋白質(zhì)的氨基酸殘基直接作用,改變其生物功能,使血管外周阻力增加。而MG誘導(dǎo)產(chǎn)生的ROS與多種血管性疾病的致病機(jī)制相關(guān)。大量MG會(huì)誘導(dǎo)血小板中H2O2大量產(chǎn)生并累積[25]。血管平滑肌細(xì)胞中MG誘導(dǎo)的H2O2能夠降解NF-κB抑制蛋白(inhibitor of NF-κB,Iκ-B),從而激活 NF-κB來調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖。另一方面,MG與血清白蛋白結(jié)合后產(chǎn)生的AGEs會(huì)激活細(xì)胞表面的RAGE受體及其下游信號系統(tǒng)。同時(shí)有證據(jù)表明,AGEs-RAGE系統(tǒng)與調(diào)節(jié)心血管功能穩(wěn)態(tài)和體液平衡的腎素-血管緊張素系統(tǒng)存在相互作用。AGEs能夠上調(diào)大鼠血管緊張素原、血管緊張素轉(zhuǎn)換酶和腎素血管緊張素Ⅰ型受體的表達(dá),上調(diào)血管緊張素轉(zhuǎn)化酶活性,導(dǎo)致腎臟肥大、鹽潴留等損傷[26]。作為AGEs的主要清除場所,腎臟也是AGEs損傷的靶器官之一。AGEs通過RAGE對腎臟的損傷包括腎小球基底膜增厚,腎小球硬化和腎小管間質(zhì)纖維化等[27]。實(shí)驗(yàn)證實(shí)普洱茶能夠通過捕獲MG有效抑制AGEs形成,從而減輕其對腎臟的損傷[28]。
3.4 MG與腫瘤 早在1979年Szent-Gyorgyi就已經(jīng)證明MG具有抗腫瘤和生長抑制劑的作用,其對原核細(xì)胞和真核細(xì)胞具有抑制作用。MG主要通過與DNA和RNA結(jié)合,抑制蛋白質(zhì)合成,從而抑制細(xì)胞生長。另外研究表明[29],高濃度MG通過修飾甘油醛-3-磷酸精氨酸位點(diǎn)抑制腫瘤細(xì)胞的糖酵解和呼吸作用,降低細(xì)胞活性,但對正常細(xì)胞的線粒體呼吸作用影響卻不明顯。同時(shí)乙二醛酶系統(tǒng)的GLOⅠ在很多種類型的腫瘤組織中均存在過表達(dá)現(xiàn)象,這說明MG與GLOⅠ可能共同調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞的增殖和凋亡[30]??梢酝茰y,MG低水平的本底表達(dá)可能作為一種保護(hù)機(jī)制抑制腫瘤的過度增殖,當(dāng)生長異常的組織中GLOⅠ過度表達(dá)時(shí),GLOⅠ過度清除MG,造成MG的增殖抑制作用消失,異常細(xì)胞進(jìn)一步發(fā)展成腫瘤。而MG大量累積后會(huì)誘發(fā)DNA突變甚至斷裂,最終激活細(xì)胞凋亡通路。
全球糖尿病發(fā)病率的迅速增長和高糖高脂食品的流行,糖代謝過程中毒性副產(chǎn)物MG的毒性逐漸受到大家的關(guān)注。由于MG在糖尿病、阿爾采末病、癌癥等多種重大疾病中起著重要作用,已經(jīng)逐漸成為研究的熱點(diǎn)。大量研究證實(shí),利用MG捕獲劑清除MG并抑制AGEs的形成在預(yù)防和治療相關(guān)疾病中有著重要意義,很有可能成為研究和疾病治療的新靶點(diǎn)。這提示我們開發(fā)MG捕獲劑將會(huì)有非常廣闊的前景。
參考文獻(xiàn):
[1] Wang J,Chang T.Methylglyoxal content in drinking coffee as a cytotoxic factor[J].J Food Sci,2010,75(6):H167-71.
[2] Thornalley P J.Pharmacology of methylglyoxal:formation,modification of proteins and nucleic acids,and enzymatic detoxification-a role in pathogenesis and antiproliferative chemotherapy[J].Gen Pharmacol,1996,27(4):565-73.
[3] Rose I A,Nowick J S.Methylglyoxal synthetase,enol-pyruvaldehyde,glutathione and the glyoxalase system[J].J Am Chem Soc,2002,124(44):13047-52.
[4] Casazza J P,F(xiàn)elver M E,Veech R L.The metabolism of acetone in rat[J].J Biol Chem,1984,259(1):231-6.
[5] Mannervik B,Ridderstrom M.Catalytic and molecular properties of glyoxalase I[J].Biochem Soc Trans,1993,21(2):515-7.
[6] Odani H,Asami J,Ishii A,et al.Suppression of renal alpha-dicarbonyl compounds generated following ureteral obstruction by kidney-specific alpha-dicarbonyl/L-xylulose reductase[J].Ann N Y Acad Sci,2008,1126:320-4.
[7] Baba SP,Barski OA,Ahmed Y,et al.Reductive metabolism of AGE precursors:a metabolic route for preventing AGE accumulation in cardiovascular tissue[J].Diabetes,2009,58(11):2486-97.
[8] Baba S P,Hellmann J,Srivastava S,et al.Aldose reductase(AKR1B3)regulates the accumulation of advanced glycosylation end products(AGEs) and the expression of AGE receptor(RAGE)[J].Chem Biol Interact,2011,191(1-3):357-63.
[9] Thornalley P J,Waris S,F(xiàn)leming T,et al.Imidazopurinones are markers of physiological genomic damage linked to DNA instability and glyoxalase 1-associated tumour multidrug resistance[J].Nucleic Acids Res,2010,38(16):5432-42.
[10]Vander JD,Hunsaker L A,Vander JT,et al.Inactivation of glutathione reductase by 4-hydroxynonenal and other endogenous aldehydes[J].Biochem Pharmacol,1997,53(8):1133-40.
[11]Dukic-Stefanovic S,Schinzel R,Riederer P,et al.AGESin brain ageing:AGE-inhibitors as neuroprotective and anti-dementia drugs[J]?Biogerontology,2001,2(1):19-34.
[12]呂 翠,劉洪娟,劉曉麗,等.晚期糖基化終末產(chǎn)物受體及其抑制劑的研究進(jìn)展[J].中國藥理學(xué)通報(bào),2013,29(4):452-3.
[12]LüC,Liu H J,Liu X L,et al.The research progress on RAGE and RAGE inhibitor[J].Chin Pharmacol Bull,2013,29(4):452-3.
[13]Tan K C,Shiu S W,Wong Y,et al.Serum advanced glycation end products(AGEs)are associated with insulin resistance[J].Diabetes Met Res Rev,2011,27(5):488-92.
[14]Sarkar P,Kar K,Mondal M C,et al.Elevated level of carbonyl compounds correlates with insulin resistance in type2 diabetes[J].Ann Acad Med Singapore,2010,39(12):904-9.
[15] Song F,Schmidt A M.Glycation and insulin resistance:novel mechanisms and unique targets?[J].Arterioscl Thromb Vasc Biol,2012,32(8):1760-5.
[16]Jia X,Olson D J,Ross A R,et al.Structural and functional changes in human insulin induced by methylglyoxal[J].Faseb J,2006,20(9):1555-7.
[17]Hunter SJ,Boyd A C,O′Harte F P,et al.Demonstration of glycated insulin in human diabetic plasma and decreased biological activity assessed by euglycemic-hyperinsulinemic clamp technique in humans[J].Diabetes,2003,52(2):492-8.
[18]Fiory F,Lombardi A,Miele C,et al.Methylglyoxal impairs insulin signalling and insulin action on glucose-induced insulin secretion in the pancreatic beta cell line INS-1E[J].Diabetologia,2011,54(11):2941-52.
[19]Lee B W,Chae H Y,Kwon SJ,et al.RAGE ligands induce apoptotic cell death of pancreatic beta-cells via oxidative stress[J].Int J Mol Med,2010,26(6):813-8.
[20]Hardy J,Selkoe D J.The amyloid hypothesis of Alzheimer′s disease:progress and problems on the road to therapeutics[J].Science,2002,297(5580):353-6.
[21]Li X H,Du L L,Cheng X S,et al.Glycation exacerbates the neuronal toxicity of beta-amyloid[J].Cell Death Dis,2013,4:e673.
[22]Yan SD,Chen X,Schmidt A M,et al.Glycated tau protein in Alzheimer disease:a mechanism for induction of oxidant stress[J].Proc Natl Acad Sci USA,1994,91(16):7787-91.
[23]Kuhla B,Loske C,Garcia DAS,et al.Differential effects of“Advanced glycation endproducts”and beta-amyloid peptide on glucose utilization and ATPlevels in the neuronal cell line SH-SY5Y[J].J Neural Transm,2004,111(3):427-39.
[24]Wu L,Juurlink B H.Increased methylglyoxal and oxidative stress in hypertensive rat vascular smooth muscle cells[J].Hypertension,2002,39(3):809-14.
[25]Leoncini G,Poggi M.Effects of methylglyoxal on platelet hydrogen peroxide accumulation,aggregation and release reaction[J].Cell Biochem Funct,1996,14(2):89-95.
[26]Vasdev S,Gill V,Singal P.Role of advanced glycation end products in hypertension and atherosclerosis:therapeutic implications[J].Cell Biochem Biophys,2007,49(1):48-63.
[27]Ramasamy R,Yan S F,Schmidt A M.Advanced glycation endproducts:from precursors to RAGE:round and round we go[J].A-mino Acids,2012,42(4):1151-61.
[28]Yan S J,Wang L,Li Z,et al.Inhibition of advanced glycation end product formation by Pu-erh tea ameliorates progression of experimental diabetic nephropathy[J].J Agric Food Chem,2012,60(16):4102-10.
[29]Halder J,Ray M,Ray S.Inhibition of glycolysis and mitochondrial respiration of Ehrlich ascites carcinoma cells by methylglyoxal[J].Int J Cancer,1993,54(3):443-9.
[30]Wang Y,Kuramitsu Y,Ueno T,et al.Glyoxalase I(GLO1)is up-regulated in pancreatic cancerous tissues compared with related non-cancerous tissues[J].Anticancer Res,2012,32(8):3219-22.