Le système glyoxalase dans les maladies liées à l'âge : intervention nutritionnelle comme stratégie anti-âge Partie 1

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Résumé:Le système glyoxalase est essentiel pour la détoxification des produits finaux de glycation avancée (AGE). Les AGE sont des composés toxiques résultant de la modification non enzymatique de biomolécules par des sucres ou leurs métabolites via un processus appelé glycation. Les AGE ont des effets néfastes sur de nombreux tissus, jouant un rôle pathogène dans la progression du vieillissement moléculaire et cellulaire. En raison du déclin lié à l'âge de différents mécanismes anti-AGE, y compris les mécanismes de détoxification et les capacités protéolytiques, les biomolécules glyquées s'accumulent au cours du vieillissement normal dans notre corps de manière tissu-dépendante. Vu sous cet angle, les systèmes détoxifiants anti-AGE sont proposés comme cibles thérapeutiques pour lutter contre les dysfonctionnements pathologiques associés à l'accumulation et à la cytotoxicité des AGE. Nous résumons ici l'état actuel des connaissances liées aux mécanismes de protection contre le stress de la glycation, avec un accent particulier sur le système glyoxalase comme principal mécanisme de détoxification des intermédiaires réactifs de la glycation. Cette revue se concentre sur la glyoxalase 1 (GLO1), la première enzyme du système glyoxalase et l'enzyme limitant la vitesse de ce processus catalytique. Bien que GLO1 soit exprimé de manière ubiquitaire, les niveaux et les activités des protéines sont régulés de manière dépendante des tissus. Nous fournissons une analyse comparative de la protéine GLO1 dans différents tissus. Nos résultats indiquent un rôle du système glyoxalase dans l'homéostasie de la rétine oculaire, un tissu hautement oxygéné avec un renouvellement rapide des protéines. Nous décrivons également la modulation du système glyoxalase comme cible thérapeutique pour retarder le développement des maladies liées à l'âge et résumons la littérature qui décrit les connaissances actuelles sur les composés nutritionnels ayant des propriétés pour moduler le système glyoxalase.

Mots clés:stress de glycation ; système glyoxalase; vieillissement; protéotoxicité

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1. Introduction : Stress glycatif et vieillissement malsain

Un nombre croissant de publications indique que l'accumulation de protéines endommagées est une caractéristique spécifique du vieillissement et de nombreuses maladies liées à l'âge, notamment le diabète de type 2, le cancer, les troubles neurodégénératifs, cardiovasculaires et oculaires [1-7]. Les protéines aberrantes altèrent l'homéostasie cellulaire en formant des agrégats non fonctionnels et toxiques, ce qui entraîne non seulement l'inactivation de la protéine aberrante, mais peut également altérer la fonction d'autres protéines essentielles en raison du stress ou de l'insuffisance de la machinerie de contrôle de la qualité des protéines. dans la cellule. Un mécanisme important qui conduit à des molécules aberrantes est une modification par des produits finaux de glycation avancée (AGE).

Des composés dicarbonylés sont générés

provenant de différentes voies métaboliques (Figure 1) qui impliquent le métabolisme des sucres alimentaires et des glucides pour former des AGE. Ces composés dicarbonylés interagissent avec des biomolécules, telles que des protéines, des lipides et des acides nucléiques dans une modification post-traductionnelle non enzymatique appelée glycation. Les principaux agents dicarbonylés glyquants sont le méthylglyoxal (MG), le glyoxal ou la 3-désoxyglucosone [8]. Ces dicarbonyles sont maintenus à de faibles niveaux dans des conditions homéostatiques, mais le processus de vieillissement augmente ces réactifs glyquants à des niveaux pathologiques, favorisant la formation d'AGE toxiques et, finalement, compromettant la forme physique des tissus. Étant donné que la formation des AGE dépend de la concentration de glucose, la consommation de régimes à indice glycémique élevé ou de conditions diabétiques conduit à une accumulation systémique dramatique des AGE. Cela est directement corrélé à un métabolisme altéré, à une inflammation accrue et à la progression de conditions médicales graves. À l'inverse, la consommation de régimes à faible indice glycémique limite l'accumulation d'AGE et est associée à la progression plus lente de certaines de ces maladies [9-13]. Dans ce contexte, l'hyperglycémie impose un stress supplémentaire sur la production de protéines glyquées associée à l'âge et exacerbe les conséquences néfastes des dépôts d'AGE sur la fonction des organes.

Figure 1. Diagramme schématique des voies de formation et de détoxification des -dicarbonyles contre les dommages dérivés des AGE au cours du vieillissement. La formation de -dicarbonyles hautement réactifs tels que le méthylglyoxal (MG) se fait par dégradation non enzymatique des intermédiaires glycolytiques, y compris le phosphate de dihydroxyacétone et le phosphate de glycéraldéhyde 3- et d'autres sources, y compris le métabolisme des acides aminés et des lipides. Afin d'éviter les dommages causés par les AGE, le système glyoxalase est un mécanisme principal qui limite la synthèse des AGE, convertissant les biomolécules hautement réactives, telles que la MG, en biomolécules moins réactives (D-lactate). Ce processus implique l'activité séquentielle de deux enzymes GLO1 et GLO2 et la forme réduite du glutathion (GSH). D'autres mécanismes de détoxification impliquent l'activité de DJ-1, des aldéhydes déshydrogénases (ALDH), des aldo-céto réductases (AKR) et des enzymes de dégradation de l'acétoacétate. Une fois formés, les AGE peuvent être éliminés par deux voies protéolytiques : le système ubiquitine-protéasome (UPS) et l'autophagie. Ces mécanismes de protection (surlignés en vert) déclinent avec l'âge et contribuent à l'apparition de maladies liées à l'âge telles que la neurodégénérescence, les maladies oculaires (DMLA, cataracte, RD), les néphropathies, le syndrome métabolique et le cancer. GLO1:glyoxalase 1; GLO2:glyoxalase 2; GSH : glutathion.

Cistanche peut anti-âge

Un stress de glycation excessif favorise l'insolubilité des protéines, dérégulant les voies de signalisation et de contrôle de la qualité des protéines. Les changements dérivés des AGE dans le protéome perturbent les voies de signalisation de la physiologie tissulaire (voies MAP/ERK, JAK-STAT et PI3K-AKT) qui conduisent à la translocation nucléaire de facteurs de transcription impliqués dans de multiples fonctions cellulaires, y compris l'inflammation, l'apoptose, le stress du RE , autophagie, stress oxydatif, fonction mitochondriale, etc. (revu dans [2,14]). Les protéines glyquées peuvent également surcharger ou limiter la fonctionnalité des capacités protéolytiques. Ces changements contribuent finalement à l'apparition de multiples troubles liés à l'âge.

Plusieurs études ont démontré que la formation de MG et d'AGE dérivés de MG est un facteur important dans la pathogenèse du diabète et de ses complications, telles que la rétinopathie, la néphropathie et la neuropathie [15-19]. Le stress dicarbonyle est également un médiateur contribuant à l'obésité et aux maladies cardiovasculaires [20,21]. La MG peut contribuer à l'athérosclérose par plusieurs mécanismes, notamment l'accumulation d'AGE dérivés de la MG dans les plaques d'athérosclérose [22] et la glycation des lipoprotéines de basse densité induite par la MG [23]. L'association entre MG et hypertension a également été observée dans plusieurs études, montrant une augmentation des taux de MG dans l'aorte et les tissus rénaux [24,25]. Plusieurs études ont également confirmé que l'accumulation d'AGE est corrélée à de nombreux troubles neurodégénératifs, affectant ainsi le fonctionnement du cerveau, comme la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson et la schizophrénie [26-28]. L'un des meilleurs exemples de la relation entre l'accumulation d'AGE et les conséquences liées au vieillissement se produit dans les tissus oculaires entraînant des troubles du tissu oculaire induits par la glycation, tels que la cataracte, la dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA) et la rétinopathie diabétique (RD) [{ {15}}]. En ce qui concerne la cataracte, première cause de cécité dans le monde, les cristallins du cristallin se pigmentent progressivement en jaune-brun avec l'âge en raison de l'accumulation de sous-produits des AGE [31]. En plus du cristallin, les AGE rétiniens augmentent avec l'âge et le diabète, notamment au niveau de la rétine externe. La DMLA est la principale cause de cécité chez les personnes âgées dans les pays développés. Des niveaux d'AGE plus élevés sont trouvés chez les patients atteints de DMLA par rapport aux sujets témoins ainsi que dans les modèles de souris DMLA [32-36]. La RD se caractérise par l'accumulation d'AGE dans la rétine, induisant des lésions microvasculaires [37].fraction flavonoïde purifiée micronisée 1000 mg utilisationsCes changements pathologiques entraînent des dommages irréversibles à la barrière hémato-rétinienne et un œdème maculaire, aboutissant finalement à une perte de vision. En résumé, les AGE s'accumulent dans tout le corps lors du vieillissement, en particulier chez les patients diabétiques. Cela compromet l'homéostasie de l'organisme et contribue à l'apparition et à la progression d'une pléthore de maladies liées à l'âge.

Il existe plusieurs systèmes pour détoxifier les AGE. Il s'agit notamment du système glyoxalase, le mécanisme le mieux caractérisé pour inhiber la formation des AGE et l'une des voies capables de détoxifier les intermédiaires de la glycation. Cependant, les capacités anti-AGEs diminuent avec l'âge conduisant à l'accumulation accélérée des AGEs dans les tissus normaux plus âgés. Bien qu'il existe différents mécanismes de défense pour limiter l'accumulation des AGEs dans les tissus, leur développement pour prévenir l'accumulation des AGEs et des pathologies associées reste encore peu exploité [38]. le système glyoxalase pour réduire l'accumulation de ces sous-produits toxiques dans les cellules et les tissus. Enfin, nous discutons de l'utilité des interventions nutritionnelles pour stimuler le système glyoxalase en tant que stratégie anti-âge.

2. Mécanismes détoxifiants contre le stress glycatif : rôle majeur du système glyoxalase

De multiples mécanismes détoxifiants contre l'accumulation d'AGEs ont été rapportés. La figure 1 est un aperçu schématique de la formation de -dicarbonyle et des différentes voies de détoxification contre les dommages dérivés des AGE au cours du vieillissement. Les principales voies de synthèse des AGE impliquent la réaction des dicarbonyles réactifs issus principalement du métabolisme du glucose avec les amines primaires (chaîne latérale N-terminale ou lysine) ou le groupement guanidine de la chaîne latérale de l'arginine [39]. La formation de -dicarbonyles hautement réactifs, tels que MG, se fait par le métabolisme des intermédiaires glycolytiques, tels que le phosphate de dihydroxyacétone et le phosphate de glycéraldéhyde 3-, et d'autres sources, y compris le métabolisme des acides aminés et des lipides.

Les AGE sont irréversibles et, une fois formés, ne peuvent être éliminés que par des voies protéolytiques [5,9,40,41]. Deux capacités protéolytiques majeures sont suggérées pour contribuer à la clairance des AGE : le système ubiquitine-protéasome (UPS) et le système protéolytique lysosomal autophagique (ALPS) [5,9,40,41](Figure 1). L'UPS fonctionne principalement sur des protéines solubles mal repliées. Dans l'UPS, les substrats sont reconnus et marqués avec de l'ubiquitine et ciblés sur le protéasome pour la dégradation. L'ALPS consiste à cibler la cargaison vers le compartiment lysosomal pour la dégradation. La cargaison autophagique peut être diverse, y compris des protéines insolubles, des agrégats protéiques et même des organites entiers. Les deux voies protéolytiques sont fonctionnellement coopératives et la littérature croissante soutient la diaphonie entre les deux voies avec des interactions directes et indirectes réciproques [42-46]. Cette diaphonie garantit un mécanisme de secours et, en cas de déficience de l'une des voies, l'autre voie protéolytique tend à compenser pour maintenir un protéome propre et fonctionnel [47].

Des changements liés à l'âge dans les taux de dégradation des protéines ont été documentés pour de nombreux tissus il y a plus de 3 décennies, avant même que la caractérisation moléculaire des voies protéolytiques ne soit définie [48]. De nos jours, le déclin moléculaire et cellulaire des deux principales voies protéolytiques avec l'âge est mieux compris et il existe des différences dans les degrés de diminution entre les systèmes UPS et lysosomal. De nombreux rapports ont montré un déclin de l'UPS dépendant des tissus, tandis que le déclin autophagique semble être universel (revu dans [49-51). En ce qui concerne l'autophagie, les compartiments lysosomal et autophagosomal subissent des modifications frappantes. Les changements qui contribuent au dysfonctionnement de l'autophagie comprennent une diminution de la stabilité lysosomale, de l'activité de l'hydrolase, une accumulation de matière indigeste (lipofuscine) dans la lumière lysosomale, un pH lysosomal dysfonctionnel, une diminution du niveau transcriptionnel des protéines liées à l'autophagie, une diminution de la stabilité du chaperon récepteur autophagique LAMP2A dans la membrane lysosomale et diminution de l'association des protéines motrices dans les compartiments autophagiques ([49, 51, 52]). Contrairement à l'autophagie, il est maintenant admis que les changements dans les capacités protéolytiques du protéasome avec l'âge semblent être plus qualitatifs que quantitatifs.oteflavonoïdeDes changements dans la composition des activités catalytiques du noyau du protéasome et des sous-unités modulatrices, une diminution de l'expression du protéasome, ainsi que des changements dans l'état d'oxydation des sous-unités du protéasome et des substrats du protéasome, contribuent à l'inhibition liée à l'âge de la capacité de l'UPS (revue dans [53 ,54). Dans certains cas, il peut simplement y avoir une capacité insuffisante des systèmes protéolytiques à gérer la charge. Malheureusement, l'efficacité de ces deux mécanismes diminue avec l'âge, entraînant une capacité insuffisante à reconnaître et à éliminer les protéines endommagées et, par conséquent, l'accumulation intracellulaire d'agrégats de protéines et d'organites dysfonctionnels [55,56]. Les niveaux nets d'AGE sont déterminés par l'équilibre entre le taux de synthèse ou de formation et le taux d'élimination. La conséquence immédiate du déclin de la capacité protéolytique est l'accumulation de protéines à longue durée de vie dans les organismes âgés, dont beaucoup accumulent des dommages dérivés de la glycation dans leurs séquences d'acides aminés. L'accumulation d'AGE se produit de manière liée et dépendante de l'âge ([4,9]) et une analyse protéomique récente dans la recherche sur le vieillissement a révélé que la biologie des AGE contient une voie métabolique enrichie associée à des protéomes associés à l'âge [57].

Bien que l'UPS et l'ALPS diminuent avec l'âge, il existe différentes voies de protection ayant la capacité de réduire la synthèse des AGE. Dans cette revue, nous nous concentrons sur ces mécanismes protecteurs limitant la biogenèse des AGE, avec un accent particulier sur le système glyoxalase, principale voie de détoxification des dicarbonyles réactifs [58]. Dans cette section, nous décrirons en détail le système glyoxalase. Nous décrivons également brièvement d'autres mécanismes de détoxification des AGE : protéine associée à la maladie de Parkinson DJ-1, aldéhyde déshydrogénases (ALDH), aldo-céto réductases (AKR) et dégradation de l'acétoacétate.

2.1.Système de la glyoxalase : la principale voie de détoxification des dicarbonyles de réaction

Une vaste littérature soutient le système glyoxalase comme la principale voie de détoxification des dicarbonyles réactifs dans le cytosol de toutes les cellules de mammifères [58]. Le système glyoxalase est la voie la mieux caractérisée pour le métabolisme de la MG. Les gènes des glyoxalases sont conservés au cours de l'évolution et largement distribués dans divers systèmes vivants, tels que les humains, les plantes, les levures, les bactéries, les champignons et les protistes. La présence dans de nombreux taxons divers souligne la grande importance des enzymes glyoxalase dans la fonction physiologique de la vie biologique. Les activités combinées des glyoxalases 1 et 2 (GLO1, GLO2) catalysent la conversion des -oxoaldéhydes acycliques réactifs en acides -hydroxy correspondants [58]. Ces réactions nécessitent également du GSH catalytique. Dans l'étape initiale, GLO1 convertit son substrat, l'hémithioacétal, formé par une réaction spontanée de l'aldéhyde du dicarbonyl MG et du GSH, en SD-lactoylglu trône. Ensuite, GLO2 hydrolyse le SD-lactoylglu tathione en D-lactate et reforme le GSH (Figure 1).puritains vitamine cL'activité de GLO1 est directement proportionnelle à la concentration en GSH. L'activité GLO1 diminue lorsque le GSH est éliminé, comme lors d'un stress oxydatif lorsque le GSH est converti en GSSG [59].

Le MG est formé au cours de la glycolyse et de la gluconéogenèse par la dégradation du phosphate de dihydroxyacétone et du phosphate de glycéraldéhyde 3-, ainsi que par le catabolisme de la thréonine, l'oxydation des corps cétoniques et la dégradation des protéines glyquées. D'autres substrats, notamment le glyoxal, le phénylglyoxal et l'hydroxypyru aldéhyde, sont également métabolisés par cette voie [60]. GLO1, l'enzyme limitant la vitesse du système glyoxalase, catalyse l'étape de détoxification primaire [61], ainsi l'altération de la protéine GLO1 est impliquée dans de nombreux processus pathologiques du vieillissement, tels que le diabète, les maladies neurodégénératives, le cancer et les troubles oculaires. maladies [20.

La régulation de l'expression et de l'activité de GLO1 est complexe et encore mal comprise (Figure 2). La séquence promotrice GLO1 contient un élément de réponse au métal (MRE), un élément de réponse à l'insuline (IRE), une isoforme du facteur 2- du gène précoce (E2F) et une protéine de liaison à l'activateur d'activation 2 (AP{{10 }} ), et un élément de réponse antioxydante (ARE). La fonction de l'IRE et de la MRE a été confirmée dans des essais de rapporteur où le traitement à l'insuline et au chlorure de zinc a produit une réponse transcriptionnelle accrue 62]. Des activités fonctionnelles similaires ont été observées pour E2F et AP-2 [63,64]. L'ARE situé dans l'exon 1 de Glo1 sert à joindre Glo1 au système transcriptionnel sensible au stress du facteur nucléaire érythroïde 2- lié au facteur 2 (NRF2) [65]. Plusieurs gènes liés au métabolisme des MG et à la protection contre le stress oxydatif sont sous le contrôle de la voie NRF2-ARE [66]. NRF2 est complexé avec KEAP1, une protéine adaptatrice de substrat pour le complexe ubiquitine ligase E2 dépendant de la culline, dirigeant NRF2 pour la dégradation par le protéasome 26S dans des conditions physiologiques. Le stress oxydatif conduit à la déstabilisation de ce complexe, provoquant la translocation de NRF2 vers le noyau et déclenchant la régulation à la hausse des gènes antioxydants [67,68]. La liaison de NRF2 au Glo1-ARE augmente l'expression basale et inductible de GLO1.[65]. NRF2 et les réponses antioxydantes sont également régulées positivement lorsque MG provoque la dimérisation de KEAP libérant Nrf2 [69].

Plusieurs études montrent que NRF2 augmente l'activité GLO1 et atténue le stress MG intracellulaire ; ainsi, la modulation de GLO1 par les agonistes de NRF2 a entraîné une diminution des adduits de protéines MG et dérivés de MG dans les cellules et les tissus [70-73]. De plus, les ARNm et protéines Glol hépatiques, cérébraux, cardiaques, rénaux et pulmonaires ont diminué chez les souris NRF2 knock-out [65]. Dans l'ensemble, ces rapports suggèrent que GLO1 est une cible en aval par laquelle la voie NRF2/KEAP1 remplit ses fonctions protectrices en diminuant le stress MG et dicarbonyle. Cependant, l'activation inflammatoire du NF-kB (facteur nucléaire kB) avec NRF2 diminue l'expression de Glol [74]. L'expression de la lueur est également régulée négativement par HIFl (facteur l inductible par l'hypoxie) dans des conditions hypoxiques, un facteur physiologique important du stress dicarbonyle [75].

Parallèlement à la régulation transcriptionnelle, il existe également une régulation post-traductionnelle de la protéine GLO1 (Figure 2). GLO1 est acétylé par la sirtuine cytosolique-2[76,77], et son expression peut être diminuée par l'activation de RAGE (récepteur des produits finaux de glycation avancée) ; cependant, ces mécanismes ne sont pas clairement compris [78].sistancheUne étude récente a montré que la protéine GLO1 peut être modifiée par la phosphorylation de la thréonine 107 (T107) et la nitrosylation de la cystéine 139 [79]. Dans cette étude, la phosphorylation de T107 par la kinase II delta dépendante de la calmoduline dans la protéine GLO1 a été rapportée comme un mécanisme précis régulant le système glyoxalase. Plus précisément, la phosphorylation de GLO1 à T107 affecte l'efficacité cinétique de la détoxification de la MG et le taux de dégradation du protéasome. Ainsi, son statut altéré est associé au développement de maladies liées à l'âge [79].

Figure 2. Mécanismes de régulation de la glyoxalase 1(GLO1). L'activité GLO1 peut être régulée par de multiples mécanismes, y compris la régulation transcriptionnelle et les modifications post-traductionnelles. Le promoteur Glo1 contient divers éléments régulateurs, tels que la réponse antioxydante (ARE), la réponse aux métaux (MRE) et les éléments de réponse à l'insuline (IRE), ainsi que des sites de liaison pour AP-2 et E2F. Dans des conditions normales, le le facteur 2 lié au facteur nucléaire érythroïde 2-(NRF2) est complexé avec KEAP1, une protéine adaptatrice de substrat pour le complexe ubiquitine ligase E2 dépendant de la culline-3-, dirigeant NRF2 pour la dégradation par le système ubiquitine-protéasome (UPS). Le stress oxydatif entraîne la déstabilisation du complexe NRF2-KEAP1, provoquant le détachement de NRF2 qui est transloqué vers le noyau, ce qui déclenche la régulation à la hausse de différents gènes antioxydants. La liaison de NRF2 au Glo1-ARE augmente l'expression de GLO1. Dans des conditions d'hypoxie, l'expression de Glow est inversement régulée par le facteur 1 inductible par l'hypoxie (HIFlx). Différentes modifications post-traductionnelles dans le cytosol peuvent avoir un impact sur la stabilité de GLO1.

2.2. Mécanismes de détoxification alternatifs en tant que systèmes de secours putatifs pour compenser le manque d'activité de la glyoxalase

Alors que le principal mécanisme de détoxification des dicarbonyles réactifs dans le système glyoxalase, il existe des voies alternatives avec la capacité de détoxifier les dicarbonyles formés au cours du métabolisme des sucres. Ceux-ci incluent les ALDH, les AKR, la protéine DJ-1 associée à la maladie de Parkinson et le piégeage par l'acétoacétate pour former 3-hydroxyhexane-2,5-dione (3-HHD )[80]. La pertinence physiologique de ces systèmes reste incertaine et on s'est demandé si oui ou non ces enzymes sont cruciales pour la détoxification des AGE dans les tissus en raison de la forte activité du système glyoxalase. Ils semblent être des composants de systèmes de secours qui fonctionnent en l'absence d'activité de la glyoxalase bien qu'un rôle tissu-dépendant de ces voies ne puisse être écarté.

DJ-1, également connue sous le nom de protéine 7 de la maladie de Parkinson (PARK7), joue un rôle essentiel dans la maladie de Parkinson (MP). Il a été démontré que l'absence de protéine DJ-1 fonctionnelle provoque la MP autosomique récessive [81,82]. Il a été rapporté que DJ-1 avait deux activités différentes : (1) l'activité glyoxalase in vitro, convertissant la MG en lactate et prévenant les lésions tissulaires induites par la MG chez Caenorhabditis elegans [83], et (2) l'activité déglycase in vitro, réduisant sous-produits de MG à un stade précoce [84]. Récemment, d'autres études ont également montré que DJ-1 joue un rôle pertinent dans l'ADN déglycase [85-87].qu'est-ce que cistancheLa capacité détoxifiante de DJ-1 en l'absence de glutathion (GSH) en fait une voie alternative au système glyoxalase, qui nécessite la présence de GSH. Cependant, Pfaff et al., utilisant à la fois les knockdowns DJ-1 dans les cellules de drosophile et le knockout DJ-1 dans l'ensemble de l'organisme, n'ont observé aucune différence dans l'accumulation d'adduits de protéines MG [88].

Les AKR sont une superfamille de protéines capables de réduire les aldéhydes et les cétones en alcools primaires et secondaires. Les AKR métabolisent la MG en hydroxyacétone ou en lactaldéhyde. Certaines études ont montré que l'expression transgénique des aldo-céto réductases humaines et murines dans les fibroblastes de rongeurs protège contre les dommages induits par la MG, suggérant que les AKR peuvent participer à la détoxification de la MG et à une réduction des niveaux d'AGE [89-91]. Une activité AKR1B3 élevée a été détectée dans les cellules de Schwann de souris knock-out Glo1 ainsi qu'une expression accrue lors de l'exposition à la MG, suggérant qu'il pourrait s'agir d'un mécanisme compensatoire induit par l'absence du système glyoxalase ou un stress de glycation excessif [92]. Fait intéressant, le manque d'AKR1B3 a entraîné des niveaux plus élevés de MG et d'AGE dans le cœur des souris diabétiques [91].

Les LED sont un autre groupe d'enzymes métabolisant le -dicarbonyle qui oxydent le MG en pyruvate. L'expression de l'ALDH a été augmentée dans les cellules de type sauvage de Schwann de souris lors du traitement à la MG [92]. Dans un modèle de poisson zèbre, les poissons knock-out glo1 ont montré que l'activité ALDH induite compense le manque de GLO1 [93]. Cependant, au moins chez les souris, les mécanismes compensatoires sont tissu-dépendants, car l'expression accrue des AKR et des ALDH a été observée dans le tissu hépatique, mais seuls les AKR ont été signalés dans les reins chez les souris Glo1 knock-out [94]. Dans des études humaines, le métabolite 3-DG produit par l'activité de l'aldéhyde déshydrogénase 1A1 (ALDH1A1) a été augmenté dans le plasma et les érythrocytes de patients diabétiques [92]. Récemment, il a également été montré que l'acétoacétate de corps cétonique réduisait la concentration de MG par une réaction non enzymatique au cours de la cétose diabétique et alimentaire [95,96]. Ils ont découvert que cette voie métabolique implique une réaction aldol non enzymatique entre la MG et l'acétoacétate de corps cétonique, conduisant à l'3-hydroxyhexane-2,5-dione, qui est présent dans le sang des patients en manque d'insuline. Des voies alternatives qui pourraient compenser la déficience du système glyoxalase pourraient potentiellement générer des molécules toxiques telles que les y-dicétones, qui sont associées à la dégénérescence axonale périphérique et aux lésions testiculaires [97,98].

Bien qu'il n'existe aucune analyse systématique du vieillissement des protéines impliquées dans les voies alternatives indépendantes de GLO1-, des modifications liées à l'âge de ces acteurs moléculaires ont été signalées. Par exemple, il existe une corrélation entre les niveaux d'expression D]-1 et le stress oxydatif, et différents rapports ont montré une augmentation de DJ-1 avec l'âge. Les niveaux d'ARNm et de protéines DJ-1 ont augmenté de 8 à 20 semaines chez la souris [99] et les niveaux de DJ-1 ont augmenté de manière significative en fonction de l'âge dans le liquide céphalo-rachidien humain [100]. Dans les tissus oculaires, il a été démontré que le DJ-1 est exprimé dans l'épithélium pigmentaire rétinien et les photorécepteurs et que l'expression augmente dans les yeux âgés [101]. Cela pourrait refléter un mécanisme compensatoire dû à la baisse de l'activité du système glyoxalase.

2.3. Activité dépendante des tissus du système glyoxalase

Bien que GLO1 soit une protéine ubiquitaire, les niveaux de cette enzyme sont régulés de manière dépendante des tissus. Afin d'évaluer le rôle du système glyoxalase dans différents tissus, nous avons examiné l'expression et l'activité de GLO1 dans les tissus non oculaires (foie, cerveau, cœur et rein) et oculaires (rétine, RPE/choroïde et cristallin) de souris C57BL/6 de type sauvage]. En utilisant des anticorps qui reconnaissent spécifiquement GLO1, Western blot et immunohistochimie ont été réalisés pour quantifier les niveaux de protéines. L'activité GLO1 dans les extraits cytosoliques a été déterminée par spectrophotométrie en tant que taux initial de formation de SD-lactoylglutathion, comme indiqué précédemment [30, 102]. Ces résultats sont résumés dans la figure 3.

Figure 3. Une analyse comparative de la protéine GLO1 et de l'activité dans les tissus oculaires et non oculaires. (A) L'activité GLO1 a été dosée dans les tissus non oculaires et les tissus rétiniens de souris WT comme décrit précédemment [29] et l'activité a été exprimée en pourcentage (pour cent) par rapport au foie. Analyse par Western blot représentative du foie et (C) de la rétine de souris transgéniques surexprimant WT et Glow (Glo1 Tg plus / plus) à l'aide d'un anticorps monoclonal (non commercial) et d'un anticorps polyclonal pour Glol (commercial, GeneTex) [36, 103, 104]. (D) Analyse représentative par Western blot d'extraits de tissus non oculaires (50 ug) de souris WT à l'aide d'un anticorps monoclonal pour Glo1 (non commercial) et (E) quantification des protéines de GLO1 normalisée pour contrôler la charge (coloration de Ponceau). (F) L'activité GLO1 a été réalisée dans les tissus oculaires (rétine, RPE/choroïde et cristallin) de souris WT comme décrit précédemment [29] et l'activité a été exprimée en milliunités par milligramme de protéine. Les valeurs sont moyennes ± SEM. La taille de l'échantillon est n=4 à partir des dosages de protéine et d'activité GLO1.

Des données publiées précédemment indiquaient que la rétine et le foie affichent l'activité la plus élevée de GLO1 ([30] ; Figure 3A). Notez que l'activité rétinienne était la valeur la plus élevée tandis que le foie, les reins, le cerveau et le cœur ne représentaient que 46 %, 27 %, 22 % et 11 % de la capacité rétinienne détoxifiante, respectivement. Nous avons évalué si l'activité de GLO1 était corrélée au niveau de l'enzyme en évaluant les niveaux de protéine GLO1 par Western blot. L'anticorps contre GLO1 a déjà été validé dans des rapports précédents et utilisé pour l'analyse de GLO1 dans des échantillons de rétine [36, 103, 104]. En tant que contrôle positif, une analyse comparative a également été réalisée dans les tissus rétiniens et hépatiques de souris transgéniques surexprimant GLO1 sur fond C57BL/6J (B6) [105]. Pour examiner les niveaux de GLO1, nous avons utilisé deux anticorps différents : un anticorps polyclonal de lapin (anticorps commercial de GeneTex) et un anticorps monoclonal de souris (anticorps non commercial) rapportés dans différents modèles animaux pour l'étude de la biologie de GLO1 [103, 106]. Nous avons pu détecter la protéine GLO1 dans les tissus de type sauvage du foie et de la rétine par Western blot, et nous avons trouvé l'expression la plus élevée chez les souris transgéniques dans les deux tissus (Figure 3B, C et Figure supplémentaire S1). Deux bandes ont été reconnues pour les deux anticorps. Les profils électrophorétiques différentiels de ces GLO1-positifs suggèrent que des changements post-transcriptionnels pourraient être vitaux dans le rôle de la protéine. En conséquence, une étude récente a indiqué que GLO1 phosphorylé est plus efficace et plus stable, soutenant ces altérations post-transcriptionnelles comme un mécanisme précis régulant l'activité de GLO1 [79]. Cependant, il existe peu d'informations sur la façon dont les modifications post-transcriptionnelles modulent l'activité de la glyoxalase 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>coeur(Figure 3D, E). Cela corrobore les résultats d'une étude précédente[30]. Il existe peu d'informations sur le rôle de GLO1 dans les tissus oculaires. Comme nous l'avons signalé précédemment, le test enzymatique a révélé que l'activité GLO1 est ~ 10 fois plus élevée dans la rétine par rapport à la lentille ou à l'EPR/choroïde (Figure 3F, [30]). La surexpression de la glyoxalase I améliore la survie des péricytes rétiniens humains dans des conditions hyperglycémiques [107] et il a été démontré qu'un bloqueur des récepteurs de l'angiotensine qui restaure GLO1 chez les rats diabétiques réduit les capillaires acellulaires rétiniens [18]. De plus, le manque de GLO1 chez le poisson zèbre a un impact sur l'architecture des vaisseaux de la rétine adulte, bien qu'une augmentation de la formation de germes angiogéniques ne soit observée que chez le poisson zèbre glo1-/suralimenté, mais pas dans une alimentation normale [93].

La rétine est un tissu très complexe et très dynamique avec divers types de cellules (figure 4A). Le flux sanguin et l'exposition qui en résulte aux xénobiotiques et à d'autres facteurs de stress sont parmi les plus élevés du corps. Chaque matin, 10 % des extrémités externes des photorécepteurs de la rétine sont éliminées et doivent être éliminées par les cellules épithéliales pigmentées rétiniennes adjacentes. Nous avons effectué une analyse immunohistochimique pour caractériser pour la première fois les différences spatiales de GLO1 dans la rétine. La protéine GLO1 était présente dans tous les types de cellules de la rétine, avec des niveaux élevés dans les corps cellulaires de la couche nucléaire interne et des cellules ganglionnaires. Les corps cellulaires des photorécepteurs dans la couche nucléaire externe avaient des niveaux inférieurs. Dans les photorécepteurs, la plupart des protéines GLO1 se trouvaient dans les segments interne et externe. Le RPE avait également des niveaux élevés de protéine GLO1, tandis que la choroïde et la sclérotique avaient une quantité inférieure de protéine GLO1 (figure 4B, C).

Figure 4. Immunohistochimie de GLO1 dans les tissus rétiniens de souris. (A) Schéma cellulaire en coupe transversale de la rétine illustrant ses trois couches primaires composées de la couche de cellules ganglionnaires (GCL), contenant les cellules ganglionnaires rétiniennes (RGC), la couche nucléaire interne (INL), hébergeant les interneurones amacrines, bipolaires et horizontales cellules ainsi que les cellules gliales de Müller et la couche nucléaire externe (ONL), abritant des photorécepteurs à tige et à cône. Le tissu sensoriel, ou neurorétine, est relié à l'épithélium pigmenté rétinien (RPE). Les flèches rouges indiquaient la couche RPE. (B) Image représentative de l'immunocoloration GLO1 dans des échantillons rétiniens de souris WT. (C) Fluorescence d'intensité moyenne de GLO1 normalisée à la valeur du RPE. Les données présentées sont des moyennes ± erreurs standard des moyennes (SEM). Nos résultats dans la rétine sont pertinents car la rétine est un tissu post-mitotique hautement différencié, où les dommages dérivés de la glycation ne peuvent pas être réduits par la division cellulaire [5,9]. De plus, des modifications de GLO1 ont été associées à des lésions rétiniennes [108]. Un scénario similaire pourrait se produire dans d'autres tissus composés de cellules à faible capacité de régénération, comme le système nerveux central, où la grande majorité des neurones sont post-mitotiques. L'évaluation des niveaux de GLO1 ainsi que des marqueurs spécifiques aux cellules pourrait nous permettre d'évaluer la variation de cellule à cellule dans un tissu donné. Nos résultats suggèrent que le niveau élevé de protéine GLO1 rétinienne et son activité pourraient jouer un rôle protecteur important contre les dommages dérivés de l'AGE avec l'âge.

Cet article est extrait de Cells 2021, 10, 1852. https://doi.org/10.3390/cells10081852 https://www.mdpi.com/journal/cells