易弛,王文悅,余帆,樊鑫,朱曉青,肖俊鋒,周夢舟,穆楊
(湖北工業(yè)大學(xué)發(fā)酵工程教育部重點實驗室,工業(yè)發(fā)酵省部協(xié)同創(chuàng)新中心,細(xì)胞調(diào)控與分子藥物“111”引智基地,湖北武漢 430068)
甲基乙二醛(methylglyoxal,MGO)是具有較高活性的二羰基化合物,可共價修飾核酸和氨基酸內(nèi)的親核位點,形成晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycosylation end products,AGEs)。這些二羰基化合物和AGEs 在體內(nèi)積累與各種慢性疾病相關(guān)聯(lián),如糖尿病、心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病。除了人體內(nèi)源性產(chǎn)生,膳食(外源性)MGO 對體內(nèi)MGO 和AGEs 的積累以及對人類健康問題也有所影響。本文概述外源性MGO在人體胃腸道的消化吸收與代謝,強(qiáng)調(diào)胃腸道也可作為外源性AGEs 的場所來源。作為AGEs 重要前體物質(zhì)的MGO 具有細(xì)胞毒性,可導(dǎo)致細(xì)胞損傷,引起氧化應(yīng)激、細(xì)胞炎癥、誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡,同時在分子機(jī)制上激活多種信號通路響應(yīng)應(yīng)激。
人體和食品加工中都能產(chǎn)生MGO,而人體中也含有清除MGO 的酶系統(tǒng),但在高血糖、糖尿病患者體內(nèi)清除系統(tǒng)受阻,易引起MGO 積累。目前已有的MGO清除劑二甲雙胍通過降低血糖水平、誘導(dǎo)乙二醛酶I(glyoxalase I,GLO1)活性,從而降低MGO 的水平[1]。氨基胍可通過胍基團(tuán)與MGO 迅速反應(yīng)消除還原羰基。但是這些氨基胍類化合物具有較大的副作用,主要包括胃腸反應(yīng)、罕見發(fā)生乳酸酸中毒等[2],限制了其臨床應(yīng)用。而天然化學(xué)產(chǎn)物因較高的安全性及其生理和藥理活性受到廣泛關(guān)注。因此利用天然產(chǎn)物抑制MGO 已成為研究的熱點。目前關(guān)于MGO 的代謝與毒性機(jī)制并未完全闡明,因此本文對MGO 的產(chǎn)生與代謝、細(xì)胞毒性機(jī)制進(jìn)行總結(jié),綜述其發(fā)揮毒性的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,以期為抑制MGO 體內(nèi)毒性提供角度與思路。并對具有清除MGO 的天然化學(xué)產(chǎn)物進(jìn)行分類,總結(jié)各種天然產(chǎn)物對MGO 的抑制機(jī)制,為開發(fā)新的MGO天然抑制劑提供理論基礎(chǔ)。
由于食品在貯藏和加工過程中各組分間相互作用發(fā)生美拉德反應(yīng),會產(chǎn)生有害活性中間產(chǎn)物α-二羰基化合物,如甲基乙二醛、乙二醛、3-脫氧葡萄糖酮等[3]。而具有較高活性的MGO 已在烘焙食品、乳制品、發(fā)酵食品以及油炸食品中被發(fā)現(xiàn),通過膳食攝入在體內(nèi)積累并影響人體健康[4]。據(jù)報道,食源性MGO 的產(chǎn)生主要來自美拉德反應(yīng)、焦糖化反應(yīng)(也稱己糖自氧化)、脂質(zhì)過氧化以及微生物代謝[5-6]。美拉德反應(yīng)有3 個階段,其中初級階段主要由于食品在儲存和熱處理過程中,葡萄糖和果糖與氨基酸反應(yīng)經(jīng)羰氨縮合生成席夫堿(Schiff Base),席夫堿發(fā)生分子內(nèi)重排產(chǎn)生Amadori產(chǎn)物[7]。中間階段Amadori 產(chǎn)物經(jīng)烯醇化、脫氨基、脫水、分裂等步驟形成1-脫氧葡萄糖醛酮(1-deoxyglucosone,1-DG)或3-脫氧葡萄糖醛酮(3-deoxyglucosone,3-DG)。隨后這些二羰基化合物可以進(jìn)一步與氨基酸發(fā)生降解反應(yīng)(Strecker 反應(yīng)),裂解形成MGO,MGO 產(chǎn)生及代謝見圖1[6]。
圖1 MGO 產(chǎn)生及代謝Fig.1 Production and metabolism of methylglyoxal
在一些含大量單糖的食物中(如蜂蜜),極易氧化裂解發(fā)生焦糖化反應(yīng),產(chǎn)生MGO,其中麥盧卡蜂蜜中的MGO 濃度最高,是普通蜂蜜的5~100 倍[8]。在高脂肪食品中如油炸薯條等,MGO 則通過不飽和脂肪酸的氧化產(chǎn)生。在發(fā)酵食品中(如醬油、醋)中檢測到相對高濃度的MGO(分別為12 mg/kg 和5 mg/kg),這是由于微生物酶的催化作用使糖酵解中形成的中間體轉(zhuǎn)化為MGO[6,9-10]。除了食源性的MGO 外,人體內(nèi)源性也會產(chǎn)生MGO,主要來自糖酵解過程,少部分來自糖基化蛋白質(zhì)的降解[11]。
據(jù)報道,人體每天攝入的MGO 約為0.04~0.30 mmol,由于其親電性易與蛋白質(zhì)和肽的側(cè)鏈氨基反應(yīng),導(dǎo)致形成晚期糖基化終產(chǎn)物(AGEs)[11]。經(jīng)MGO 補充喂食的嚙齒動物,其腦和血清中會存在MGO 積累,并表明至少10% 的MGO 衍生AGEs 被吸收,然后積聚在血管、心臟、肝臟、腎臟和脂肪組織等組織中[12]。研究發(fā)現(xiàn),食源性MGO 經(jīng)口腔攝入后,經(jīng)消化后被分解為D-乳酸等,然而MGO 在胃階段消化率極低,在pH 值為2的模擬胃階段基本穩(wěn)定,但在十二指腸和結(jié)腸階段,隨著pH 值的升高和消化酶的作用,MGO 迅速反應(yīng)[13]。研究表明可能是食物中存在的MGO 與消化酶、胃蛋白酶、胰酶形成糖基化蛋白,導(dǎo)致消化結(jié)束后MGO 含量降低[14]。在模擬MGO 和蛋白體系中,蛋白釋放的多肽可能與MGO 相互作用形成糖化蛋白,而糖基化后會降低蛋白質(zhì)消化率,胃腸道也為AGEs 的產(chǎn)生提供了場所[15]。
總之,MGO 不僅存在于人體的各個細(xì)胞中,熱加工食品中也廣泛存在,現(xiàn)如今也發(fā)現(xiàn)胃腸道可能為MGO的轉(zhuǎn)變提供了場所,(寡聚)肽、游離氨基酸、蛋白酶都可能與MGO 在消化過程中發(fā)生額外的糖化反應(yīng)。
MGO 對細(xì)胞的毒性通常通過誘導(dǎo)凋亡發(fā)生,MGO造成羰基應(yīng)激和氧化應(yīng)激,引起細(xì)胞毒性可能是由AGEs 激活晚期糖基化終末產(chǎn)物受體(the receptor for advanced glycation end products,RAGE)進(jìn)而產(chǎn)生大量活性氧(reactive oxygen species,ROS),也可能是由MGO 誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡而引起蛋白質(zhì)氧化損傷,這一途徑可不依賴AGEs-RAGE 途徑而直接損害細(xì)胞功能,或者因線粒體損傷而引起[16],MGO 細(xì)胞毒性信號通路示意圖概述見圖2。
圖2 MGO 細(xì)胞毒性信號通路示意圖Fig.2 Schematic diagram of methylglyoxal-induced cytotoxicity signaling pathway
MGO 衍生形成AGEs,作用于RAGE 受體,激活JAK 通路,AGEs 可通過ROS 觸發(fā)炎癥、氧化應(yīng)激、自噬以及細(xì)胞凋亡;MGO 通過ROS 介導(dǎo)炎癥,NF-κB 調(diào)控炎癥的表達(dá),IκB 蛋白磷酸化并降解,促進(jìn)腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor alpha-like,TNF-α)、白細(xì)胞介素-1β(interleukin 1β,IL-1β)和白細(xì)胞介素-6(interleukin 6,IL-6)的釋放;或通過p38MAPK 通路的激活,促進(jìn)促炎細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-8(interleukin 8,IL-8)分泌;MGO 通過ROS 介導(dǎo)氧化應(yīng)激,Keap1 將Nrf2 釋放,Nrf2 與抗氧化反應(yīng)元件ARE 序列結(jié)合,驅(qū)動ARE編碼抗氧化酶和解毒蛋白酶等基因的轉(zhuǎn)錄;MGO 通過ROS 介導(dǎo)自噬標(biāo)志物p62 和LC3 的激活,引起腺苷單磷酸活化蛋白激酶(AMPK)以及mTOR 通路激活;MGO 誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡,線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能障礙,線粒體基質(zhì)中的細(xì)胞色素C(cytochrome C,Cyt-C)結(jié)合凋亡蛋白酶活化因子(apoptotic protease activating factor-1,Apaf-1),激活Caspase-9/Caspase-3 啟動級聯(lián)反應(yīng),導(dǎo)致細(xì)胞凋亡;內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激受雙鏈RNA 激活蛋白激酶樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(PERK)、肌醇要求酶-1(IRE1)和激活轉(zhuǎn)錄因子6(ATF6)調(diào)控,激活促凋亡轉(zhuǎn)錄因子CHOP。
線粒體既是活性氧的來源又是活性氧的作用目標(biāo)。MGO 誘發(fā)線粒體功能障礙,并損害呼吸鏈重要步驟[17]。MGO 誘導(dǎo)發(fā)育中的胚胎細(xì)胞生長遲緩,可能與線粒體紊亂以及產(chǎn)生的ATP 減少有關(guān)[18]。MGO 增加了不同類型腎細(xì)胞中黏附分子、促炎細(xì)胞因子和轉(zhuǎn)化生長因子TGF-β 的表達(dá),也使腎細(xì)胞的電子呼吸鏈?zhǔn)芤种?,?dǎo)致線粒體功能障礙,還誘導(dǎo)ROS 的生成并激活了轉(zhuǎn)化生長因子[19]。在人造骨細(xì)胞上,MGO 誘導(dǎo)ROS 的增加并進(jìn)一步激活下游凋亡信號因子[20]。但在小鼠肌細(xì)胞中,MGO 不僅造成線粒體功能障礙而且還伴隨ROS 的增加,說明MGO 誘導(dǎo)的細(xì)胞損傷中還伴有ROS 的參與[21]。
線粒體的完整性對于細(xì)胞的生存至關(guān)重要,只有維持正常的線粒體膜電位才能使線粒體進(jìn)行氧化磷酸化、產(chǎn)生三磷酸腺苷[17]。線粒體產(chǎn)生的ROS 會破壞電子運輸鏈復(fù)合物,使得線粒體內(nèi)膜發(fā)生變化,引起線粒體內(nèi)、外膜之間的線粒體通透性轉(zhuǎn)換膜(mitochondrial permeability transition pore,MPTP)不可逆的開放,線粒體膜電位下降,線粒體基質(zhì)中的細(xì)胞色素C(cytochrome C,Cyt-C)被釋放到胞漿中[22]。Cyt-C 結(jié)合凋亡蛋白酶活化因子(apoptotic protease activating factor-1,Apaf-1),激活Caspase-9 形成凋亡小體,進(jìn)而激活Caspase-3 啟動級聯(lián)反應(yīng),導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。而Bcl-2 家族在調(diào)控線粒體通道上起著至關(guān)重要的作用,調(diào)節(jié)細(xì)胞線粒體凋亡途徑。MGO 可影響B(tài)cl-2 家族蛋白的表達(dá)[16,22]。
綜上,MGO 誘導(dǎo)細(xì)胞ROS 積累,ROS 的過度積累會損害線粒體功能,使得線粒體膜電位發(fā)生變化,并激活Caspase-3 級聯(lián)反應(yīng)響應(yīng)MGO 引起的細(xì)胞凋亡。
MGO 靶向細(xì)胞中的蛋白質(zhì),會對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生不可逆的影響[11]。而蛋白質(zhì)合成和修飾的場所發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum,ER)中,因而內(nèi)質(zhì)網(wǎng)可能是MGO 作用的一個靶點,同時內(nèi)質(zhì)網(wǎng)也是鈣離子在細(xì)胞內(nèi)的存儲位置[23]。新合成的分泌膜蛋白被轉(zhuǎn)移到ER 進(jìn)行修飾。如果未折疊蛋白反應(yīng)(unfolded protein response,UPR)系統(tǒng)不能從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中去除未折疊或錯誤折疊的蛋白質(zhì),則會誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)后,新蛋白向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)運減少,逆轉(zhuǎn)錄易位、蛋白降解,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)折疊能力增強(qiáng)[24]。UPR 是一個由3 種內(nèi)質(zhì)網(wǎng)跨膜受體蛋白組成的復(fù)雜系統(tǒng):雙鏈RNA 激活蛋白激酶樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶[the protein kinase ribonucleic acid(RNA)-activated-like ER kinase,PERK]、肌醇要求酶-1(inositol-requiring kinase 1,IRE1)和激活轉(zhuǎn)錄因子6(activating transcription factor 6,ATF6)。CHOP(也稱為生長阻滯和DNA 損傷誘導(dǎo)蛋白GADD153)是一種只與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的凋亡相關(guān)的促凋亡轉(zhuǎn)錄因子[25]。MGO 可誘導(dǎo)血管平滑肌上皮細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,并以時間和濃度依賴性的方式激活并響應(yīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的三條主要應(yīng)激途徑,但在VSMCs 細(xì)胞中未觀察到CHOP 促凋亡因子的變化[26]。MGO 還可以通過ROS 依賴的方式誘導(dǎo)ARPE-19 細(xì)胞死亡,MGO 激活了典型的URP 信號傳導(dǎo)通路,使用內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激抑制劑處理可降低MGO 誘導(dǎo)的ROS 生成以及細(xì)胞內(nèi)鈣升高,對MGO 引起的線粒體膜電位(mitochondrial membrane potential,MMP)損失和細(xì)胞死亡都有所減少[27]。
可見,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激依賴于細(xì)胞內(nèi)ROS 的產(chǎn)生,而MGO 可通過ROS 介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,激活典型URP 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,細(xì)胞內(nèi)鈣離子增加,線粒體膜電位損失,進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。
自噬是一種進(jìn)化高度保守的細(xì)胞內(nèi)機(jī)制,提供溶酶體,降解舊的或受損的細(xì)胞器、脂質(zhì)和聚集蛋白來保持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)[28]。通過MGO 處理神經(jīng)細(xì)胞增加了自噬標(biāo)志物自噬銜接蛋白螯合體1(p62)以及微管相關(guān)蛋白輕鏈3(LC3)的脂化和活性形式[29]。MGO 通過與信號通路的直接相互作用或ROS 的形成來影響觸發(fā)自噬的信號通路。mTOR 是自噬的主要調(diào)節(jié)途徑,除此之外還可通過非依賴性途徑被激活。腺苷單磷酸活化蛋白激酶(AMPK)是維持細(xì)胞能量穩(wěn)態(tài)的主要調(diào)節(jié)因子,磷酸化后,AMPK 可以通過將下游自噬相關(guān)蛋白募集到自噬體形成位點來控制自噬體的形成[28,30]。AMPK 的激活通常也會導(dǎo)致mTOR 失活和自噬增加,經(jīng)MGO 處理細(xì)胞后,自噬通過AMPK 激活誘導(dǎo),ACC(AMPK 底物)磷酸化增強(qiáng),阻止mTOR 的激活[31]。
MGO 誘導(dǎo)細(xì)胞損傷,而自噬在二羰基應(yīng)激中對細(xì)胞具有保護(hù)作用,且自噬激活劑可以顯著增加細(xì)胞活性。自噬調(diào)節(jié)途徑主要是通過mTOR 信號介導(dǎo)。
腸道中的羰基化合物可以引起炎癥反應(yīng),如在炎癥性腸?。╥nflammatory bowel disease,IBD)患者腸道中促炎細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-8(interleukin,IL-8)分泌增加,主要是超氧化物陰離子的誘導(dǎo)和p38MAPK 通路的激活[31]。MGO 誘導(dǎo)腸上皮細(xì)胞產(chǎn)生活性氧(ROS),使得不同信號通路受損后導(dǎo)致不同激酶級聯(lián)的激活,刺激IL-6 和IL-8 的合成[32]。動物實驗發(fā)現(xiàn),MGO 會引起大鼠炎癥,誘導(dǎo)胰腺損傷,MGO 促進(jìn)促炎細(xì)胞因子的釋放,增加促氧化酶如NADPH 氧化酶和JNK 的活性,并上調(diào)大鼠胰腺細(xì)胞中NF-κB 的表達(dá)[33]。NF-κB可促進(jìn)細(xì)胞因子的釋放,包括腫瘤壞死因子α(TNFα)、白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)和白細(xì)胞介素-6(IL-6)[11]。MAPK 在炎癥細(xì)胞因子、ROS、化學(xué)物質(zhì)和氧化劑等多種因素誘導(dǎo)的胰島素抵抗發(fā)展中起關(guān)鍵作用,MGO 以氧化還原依賴性方式激活成骨細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和Jurkat 白血病細(xì)胞中的MAPK 炎癥途徑[34]。
綜上,MGO 引起細(xì)胞炎癥主要是通過MAPK 以及NF-κB 途徑,進(jìn)而促進(jìn)炎癥因子的表達(dá),也可通過ROS的過度積累進(jìn)一步導(dǎo)致炎癥的發(fā)生。
Keap1-Nrf2-ARE 是一種將外源刺激轉(zhuǎn)導(dǎo)成真核轉(zhuǎn)錄反應(yīng)的信號通路。Keap1-Nrf2-ARE 途徑在細(xì)胞防御應(yīng)激中至關(guān)重要,并且與醛應(yīng)激直接相關(guān)[35]。MGO 對該信號通路具有雙重作用,編碼解毒蛋白和抗氧化酶的基因表達(dá)均受到轉(zhuǎn)錄因子Nrf2 調(diào)控,GLO1作為MGO 解毒的主要酶也受到Nrf2 調(diào)控,Nrf2 可促進(jìn)GLO1 的表達(dá)和MGO 向D-乳酸的轉(zhuǎn)化[11]。Nrf2 為細(xì)胞內(nèi)抗氧化劑和II 期解毒酶的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子通過許多ARE 依賴基因的轉(zhuǎn)錄上調(diào),在胞液內(nèi)Nrf2 與Keap1 結(jié)合存在,當(dāng)細(xì)胞遭受MGO 攻擊后,與Keap1的半胱氨酸殘基和精氨酸殘基結(jié)合,形成交聯(lián)物質(zhì),并將Nrf2 釋放出來,隨后Nrf2 位移到細(xì)胞核與抗氧化反應(yīng)元件ARE 序列結(jié)合,驅(qū)動ARE 編碼抗氧化酶和解毒蛋白酶等基因的轉(zhuǎn)錄[11,36]。Nrf2/Keap1 通路在MGO對抗神經(jīng)元解毒機(jī)制中對MGO 誘導(dǎo)的羰基應(yīng)激很重要,Nrf2 激活劑有助于羰基應(yīng)激介質(zhì)的積累和毒性表達(dá)的抑制[36]。NF-κB 參與拮抗Nrf2 的轉(zhuǎn)錄活性[12]。
MGO 引起細(xì)胞內(nèi)ROS 積累,造成氧化應(yīng)激,Keap1-Nrf2-ARE 作為氧化應(yīng)激調(diào)節(jié)通路,在MGO 誘導(dǎo)的細(xì)胞氧化應(yīng)激中起著關(guān)鍵解毒作用,Nrf2 促進(jìn)GLO1 的表達(dá)和MGO 向D-乳酸的轉(zhuǎn)化。
MGO 對細(xì)胞毒性的影響可通過形成AGEs 破壞生物分子的結(jié)構(gòu)和功能特性,并參與ROS 的形成。MGO 來源的AGEs 可通過與特定的細(xì)胞表面受體晚期糖基化終產(chǎn)物受體(RAGE)結(jié)合,MGO 經(jīng)人血清蛋白修飾后形成的AGEs 對人胚胎細(xì)胞造成損害,在細(xì)胞水平上引起炎癥反應(yīng)[37]。AGE-RAGE 的信號效應(yīng)最常通過激活JAK 和STAT 通路發(fā)生[38]。甲基乙二醛賴氨酸二聚體(methylglyoxal-lysine dimer,MOLD)處理小鼠系膜細(xì)胞后RAGE 表達(dá)明顯增加,并與RAGE 的v 型免疫球蛋白結(jié)構(gòu)域連接[39]。AGEs 激活小膠質(zhì)細(xì)胞可增加促炎細(xì)胞因子(如TNF-α、IL-1β 和IL-6)的表達(dá)和分泌[40]。
MGO 作為一種糖化劑,可導(dǎo)致MGO 衍生的AGEs水平升高,AGEs 可與RAGE 結(jié)合,激活下游JAK 和STAT 通路發(fā)生。AGEs 也可通過ROS 促進(jìn)炎癥的正反饋調(diào)節(jié)。
綜上,ROS 在MGO 介導(dǎo)的細(xì)胞毒性中起著媒介作用,ROS 可直接或間接引起線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)損傷,也可引起自噬、炎癥、氧化應(yīng)激或AGEs 的產(chǎn)生。NF-κB既可促進(jìn)炎癥因子的表達(dá),也參與Nrf2 的調(diào)節(jié),而對于炎癥和自噬之間除了ROS 的連接作用外,是否還有其它基因的共同調(diào)節(jié)還有待研究。
正常人體內(nèi)含有清除MGO 的機(jī)制,主要以乙二醛酶1(glyoxalase 1,GLO1)和乙二醛酶2(glyoxalase 2,GLO2)組成的酶系統(tǒng)為主。在正常情況下,細(xì)胞通過不同的機(jī)制保護(hù)免受甲基乙二醛毒性,特別是乙二醛酶系統(tǒng),這是甲基乙二醛解毒的最重要的途徑,除此之外,還有醛糖還原酶以及醛脫氫酶解毒系統(tǒng),見圖3。
圖3 MGO 解毒系統(tǒng)Fig.3 Detoxification system of methylglyoxal
乙二醛酶系統(tǒng)是所有哺乳動物均含有的一種代謝途徑,能夠清除體內(nèi)的MGO[11]。乙二醛酶系統(tǒng)由兩種酶組成,GLO1、GLO2 和還原型谷胱甘肽(glutathione,GSH)。MGO 與GSH 非酶反應(yīng)形成半硫代縮醛,被GLO1 識別[41]。GLO1 將半硫代縮醛轉(zhuǎn)化為S-D-乳酰谷胱甘肽,S-D-乳酰谷胱甘肽為無毒化合物,因此GLO1 是MGO 解毒的關(guān)鍵,此外S-D-乳酰谷胱甘肽代謝為D-乳酸過程中GSH 再生,這意味著MGO 水平的大幅增加或GLO2 活性低均可能使S-D-乳酰谷胱甘肽積累,導(dǎo)致GSH 被捕獲[34]。研究表明在原代人主動脈內(nèi)皮細(xì)胞中,GLO1 敲除增加了MGO 水平,并導(dǎo)致隨后的炎癥、凋亡和功能障礙,從而導(dǎo)致血管損傷和功能受損[42]。在神經(jīng)母細(xì)胞瘤中,MGO 激發(fā)導(dǎo)致GLO1 酶活性受到抑制[18]。
醛糖還原酶(aldose reductase,AKR)是NAD(P)H依賴性酶的超家族,可將醛和酮還原為反應(yīng)性較低的醇。AKR 超家族包括來自細(xì)菌、酵母、植物和哺乳動物的酶,這些酶能夠減少存在于各種天然和合成化合物中的羰基。AKR 的幾個成員,包括AKR1A1、AKR1B1、AKR1C1 和AKR7A2,能夠代謝MGO[43-44]。AKR 介導(dǎo)的MGO 解毒通過兩種不同的途徑進(jìn)行,一種是在GSH和MGO 的非酶反應(yīng)之間形成半硫代縮醛,被AKR 和NADPH 轉(zhuǎn)化為乳醛;另一種是GSH 獨立性,MGO 與AKR 以及NADPH 反應(yīng)生成丙二醇[40,45]。AKR7A2 和AKR1C3 酶參與保護(hù)神經(jīng)母細(xì)胞瘤和星形細(xì)胞瘤細(xì)胞免受MGO 誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性[44,46]。
ALDHs 是一類煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)和NAD 磷酸(NADP)依賴性酶,可將醛氧化成羧酸。醛脫氫酶ALDH1A1 通過氧化生成丙酮酸來代謝MGO。然而,由于存在高活性GLO1 和AKR1B1,該反應(yīng)在體內(nèi)不是主要的清除系統(tǒng)[1]。ALDH 的E1、E2 和E3 同工酶與MGO 反應(yīng),并以NAD 依賴的方式將其氧化為丙酮酸鹽。同樣,2-氧代醛脫氫酶(2-oxidative dehydrogenation,2-ODH)以NADP 依賴的方式將MGO 轉(zhuǎn)化為丙酮酸[43]。
天然化學(xué)產(chǎn)物是次生代謝物、生物活性物質(zhì)和各種天然存在的化學(xué)部分,目前的研究多從膳食植物、水果和草藥中尋找有效的植物化學(xué)化合物去清除食品中或體內(nèi)MGO 含量[41]。一些天然化學(xué)產(chǎn)物如黃酮、酚酸、多糖、萜類化合物、維生素等可以通過清除自由基、改善氧化應(yīng)激、降低炎癥、調(diào)節(jié)相關(guān)代謝酶從而達(dá)到清除二羰基化合物的作用。常見天然化學(xué)產(chǎn)物清除MGO 作用見表1。
表1 常見天然化學(xué)產(chǎn)物清除MGO 作用Table 1 Common natural chemical products for methylglyoxal clearance
黃酮類化合物的結(jié)構(gòu)對其保護(hù)活性有重要影響,相較而言黃烷-3-醇亞型中的大多數(shù)化合物表現(xiàn)出較強(qiáng)的保護(hù)活性,其次是黃烷酮亞型,最后是黃烷醇亞型[60]。對于黃烷-3-醇亞型,表沒食子兒茶素3-O-沒食子酸酯(epigallocatechin gallate,EGCG)和表兒茶素3-O-沒食子酸酯(epicatechin gallate,ECG)顯示出比EGC和EC 更強(qiáng)的保護(hù)活性,表明沒食子酸鹽基團(tuán)替代增強(qiáng)了MGO 處理的PC-12 細(xì)胞的保護(hù)活性[61]。對于黃烷酮亞型如柚皮素和芹菜素,保護(hù)作用在于結(jié)構(gòu)上C-2和C-3 位置雙鍵。而黃烷醇亞型的保護(hù)作用主要是由于C 環(huán)上3 位羥基取代[62]。
兒茶素(catechins)屬于黃烷醇類化合物,具有很強(qiáng)的抗氧化活性,體外試驗證明,兒茶素能捕獲MGO中的羰基,從而抑制羰基化反應(yīng)[61]。在人血管細(xì)胞中,兒茶素通過阻止線粒體通透性改變以及下游凋亡的啟動來抑制MGO 誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[16]。天然類黃酮木犀草素可以阻止MGO 誘導(dǎo)的神經(jīng)元細(xì)胞凋亡,通過阻止Bax 蛋白的激活,抑制Cyt-C 和Caspase-3 水平,從線粒體凋亡途徑減少神經(jīng)元細(xì)胞凋亡,而Bax 蛋白是mTOR 的靶點,通過AKT/mTOR 途徑介導(dǎo)凋亡[50]。槲皮素通過GSK-3β/Nrf2 通路減少MGO 對成骨細(xì)胞凋亡,GSK-3β 能調(diào)控線粒體膜通道的開放[48]。桑黃素增加GLO1 活性和GSH 濃度,同時降低了MGO 的濃度[41]。白藜蘆醇衍生物PTS 通過提高GLO1 水平以及抑制氧化應(yīng)激和相關(guān)的下游線粒體依賴性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)凋亡級聯(lián)來減輕MGO 誘導(dǎo)的人臍靜脈內(nèi)皮HUVEC 凋亡[49]。接骨木中的花青素和槲皮素能有效捕獲MGO后形成加合物,并降低MGO 對人肝癌HepG2 細(xì)胞的毒性作用[47]。
酚酸具有高抗氧化活性以及清除自由基能力,螯合金屬離子,能在糖基化反應(yīng)期間中和羰基中間體,從而抑制AGEs 的形成[53]。白酒酒糟提取物中七種酚酸化合物(阿魏酸、香草酸、綠原酸、對香豆酸、介子酸、咖啡酸、丁香酸)具有很好的捕獲乙二醛的能力,其捕獲/清除率高達(dá)49.57%[63]。香草酸抑制糖基化機(jī)制包括ROS、p38 和JNK、PKC 和氧化敏感蛋白p47phox 表達(dá)并且抑制MGO 衍生的CML 形成,從而減少了MGO誘導(dǎo)的神經(jīng)-2A 細(xì)胞凋亡[52]??Х人岷途G原酸具有很好的抗糖機(jī)化作用,咖啡酸已被證明是一種脂氧合酶抑制劑,綠原酸可干擾葡萄糖吸收,具有清除自由基和金屬的能力,可調(diào)節(jié)一些抗氧化酶基因的表達(dá)[54]。體外BSA 模型中發(fā)現(xiàn)朝鮮薊固體廢物中提取的綠原酸具有捕獲MGO 的能力,并具有清除ABTS+自由基和DPPH 自由基能力[54-55]。阿魏酸可減少MGO 誘導(dǎo)的大鼠肝細(xì)胞毒性和氧化應(yīng)激,降低ROS 形成和線粒體膜電位MMP 增加[51]。香草酸、綠原酸、丁香酸通過改變線粒體膜電位和降低Bax/Bcl-2 的升高、抑制Caspase-3 的激活以及PARP 的裂解減少MGO 對神經(jīng)元細(xì)胞凋亡,抑制MAPK 信號通路(JNK 和p38)的激活[7]。
多糖是藥用植物中豐富的大分子,具有抗氧化、抗炎、降低血糖等功能。在牛血清蛋白(bovine serum protein,BSA)糖化模型中,Pholiotanameko多糖捕獲MGO 并減少MGO 誘導(dǎo)的官能團(tuán)(羰基和ε-NH2),清除ABTS 和DPPH 自由基,螯合金屬亞鐵離子并保護(hù)人類成纖維細(xì)胞Hs68 在糖化脅迫下的細(xì)胞活力[56]。黃芪多糖能夠維持視網(wǎng)膜周細(xì)胞線粒體膜,抑制線粒體膜電位的下降,通過減少ROS 的產(chǎn)生從而抑制氧化應(yīng)激,調(diào)節(jié)Bcl-2 家族蛋白(Bcl-2 和Bax)和Caspase 家族蛋白(Caspase-3 和Caspase-9)的表達(dá)進(jìn)而減少MGO引起的細(xì)胞凋亡[7]。
熊果酸及其異構(gòu)體齊墩果酸是三萜類化合物,具有抗炎,抗關(guān)節(jié)炎,細(xì)胞抑制和抗增殖作用,對小鼠具有保肝作用,以及膜穩(wěn)定特性[55]。齊墩果酸和熊果酸降低了醛糖還原酶(AKR)和山梨醇脫氫酶的腎活性,下調(diào)了AKR 的mRNA 表達(dá),增強(qiáng)了GLO1 的活性和表達(dá)[57]。紅莧菜水提物中含有萜類化合物,能降低人類晶狀體上皮細(xì)胞HLE-B3 中MGO 水平和AKR 活性[64]。
維生素是維持人體正常生理功能所必需的有機(jī)物質(zhì),在新陳代謝中起著重要作用。其中,維生素C(抗壞血酸)、維生素E(α-生育酚)、苯基硫胺素和吡哆胺是優(yōu)良的抗氧化劑,維生素E 可以阻止ROS 和MGO 衍生的AGEs 的增加[59]。吡哆胺淬滅MGO,改善功能失調(diào)的炎癥反應(yīng),并加速傷口愈合,糖尿病小鼠傷口組織和THP-1M1 樣巨噬細(xì)胞中GLO1 的表達(dá)下降[58]。吡哆醇、硫胺素和焦磷酸硫胺素可通過捕獲羰基來抑制AGEs 形成,抑制糖基化級聯(lián)中的后Amadori 階段[65]。
食品中的MGO 主要來自高糖的食品和飲料中或食品加工中,這些都會導(dǎo)致MGO 的積累。體內(nèi)糖酵解是MGO 產(chǎn)生的核心,而體內(nèi)MGO 水平升高與一些慢性疾病密切相關(guān),如高血糖、糖尿病患者體內(nèi)清除系統(tǒng)受阻,易引起MGO 積累。MGO 引起細(xì)胞毒性是多方面的,MGO 可直接作用細(xì)胞對細(xì)胞造成損傷,可介導(dǎo)ROS 的產(chǎn)生對線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)產(chǎn)生影響,導(dǎo)致細(xì)胞凋亡,也可通過形成AGEs 誘導(dǎo)細(xì)胞損傷。在分子機(jī)制上,觸發(fā)mTOR-AMPK 激活自噬,MGO 還可能激活MAPK 和JAK 途徑,促使NF-κB 激活,促炎細(xì)胞因子IL-6、IL-8 釋放引起炎癥,MGO 通過Keap1/Nrf2/ARE信號系統(tǒng)誘導(dǎo)氧化應(yīng)激等。
人體自身含有MGO 清除系統(tǒng),正常生理條件下,98% 以上的MGO 均能通過GLO 系統(tǒng)解毒,食品和飲料中的MGO 在代謝過程中的積累現(xiàn)多集中在MGO和蛋白結(jié)合的模擬體系中,可采用食物基質(zhì)如烘焙食品、乳制品等進(jìn)一步研究MGO 在體內(nèi)的代謝。此外,MGO 經(jīng)胃腸道消化后產(chǎn)生的糖基化肽阻礙蛋白酶水解的深層機(jī)制仍需探究。
隨著對天然產(chǎn)物研究的深入,黃酮類化合物、酚酸、多糖、萜類化合物、維生素都可以清除MGO,通過捕獲羰基、清除自由基、螯合金屬離子來減少MGO 的積累,在體內(nèi)增強(qiáng)GLO 酶系統(tǒng)活性。目前研究較多的是多酚類化合物,然而采用化學(xué)合成法提取的天然產(chǎn)物衍生物也存在產(chǎn)量有限、提取條件復(fù)雜等問題,與合成制劑相比,天然產(chǎn)物來源的MGO 抑制劑還未在臨床醫(yī)學(xué)上得到廣泛應(yīng)用,可以與現(xiàn)有的合成藥物結(jié)合起來治療或預(yù)防疾病等健康問題。對于食源性MGO而言,可考慮在食品加工過程中添加天然產(chǎn)物,探究食品成分、加工過程與天然產(chǎn)物之間的作用以及清除MGO 能力。綜上,繼續(xù)開拓更多MGO 清除劑和糖基化抑制劑及其機(jī)制研究具有重要意義。