Změny exprese glyoxalázy in vitro v podmínkách metabolického stresu

Bc. Zuzana Nová

Master's thesis

Expression changes of glyoxalase in vitro under the metabolic stress

Abstract:

Diabetes mellitus (DM) and in a wider context also metabolic syndrome are the most common metabolic diseases with increasing prevalence worldwide reaching epidemiological proportions in developed countries nowadays. DM is characterized by a complex metabolit disorder of all primary energy substrates due to deficient insulin action. DM creates aunique biochemical environment where an excess of energy substrates – i.e. hyperglycemia and high concentration of unsaturated fatty acids - leads to multiple intermediate metabolic alterations orchestrated by the overproduction of reactive oxygen species (ROS) in the mitochondrial chain. Non-enzymatic glycation is one of the well- -desccribed metabolic abnormality. Chemically heterogeneous group of substances called Advanced Glycation End-products (AGEs) are formed from reducing sugars, 𝛼-oxoaldehydes/ carbonyls (methylglyoxal, glyoxal and 3-deoxyglukosone) and other sugars on amino groups of amino acids (particularly lysine and arginine), peptides and proteins. AGEs contribute significantly to the cell damage resulting from gluco- and lipotoxicity, i.e. processes that constitutes a „metabolic microenvironment“ of cardiovascular diseases. Production of AGEs from dicarbonyls represents quantitatively most important pathway with methylglyoxal being the most active glycation agent in vivo. This is confirmed by the existence of natural detoxification mechanisms such as glyoxalase system formed by enzymes glyoxalase 1 (GLO1) and 2. It has been experimentally demonstrated in vitro that over-expression of GLO1 completely inhibits production of AGEs from methylglyoxal and protects cells from hyperglycemic damage. This thesis aims to compare in vitro GLO1 expression in human mononuclear cells in metabolic conditions similar to those observed in diabetes, i.e. culturing cells in (a) normo - and hyperglycemic medium, (b) „lipotoxic“ medium (palmitate) and (c) medium mimicking uremia (addition of 5-10% uremic serum).

Abstract:

Diabetes mellitus (DM) a v širším kontextu metabolický syndrom jsou nejčastějšími metabolickými onemocněními s celosvětově rostoucí prevalencí a už dnes dosahují ve vyspělých zemích epidemických proporcí. DM je charakterizován komplexní poruchou metabolismu všech základních energetických substrátů v důsledku deficitního účinku inzulinu. DM vytváří unikátní biochemické prostředí, kdy přetížení energetickými substráty – tj. hyperglykemie a vysoká koncentrace nenasycených mastných kyselin (NMK) – vede k mnohočetným alteracím intermediárního metabolismu, jako následek hyperglykemií a NMK stimulované nadprodukce reaktivních metabolitů kyslíku (ROS) v mitochondriálním řetězci. Jednou z dobře prozkoumaných metabolických abnormalit je neenzymatická glykace, tj. tvorba chemicky heterogenní skupiny látek zvaných Advanced Glycation End- -products (AGEs). Neenzymatická glykace probíhá mezi redukujícími cukry, 𝛼-oxoaldehydy/ karbonyly (methylglyoxal, glyoxal a 3-deoxyglukoson) a jinými cukernými deriváty a aminoskupinami (zejm. lyziny a argininy) aminokyselin, peptidů a proteinů. AGEs významně patogeneticky přispívají k poškození buněk v důsledku gluko- a lipotoxicity, tedy procesům, které představují „metabolické podhoubí“ kardiovaskulárních onemocnění. Kvantitativně nejvýznamnější je tvorba AGEs z dikarbonylů a z nich methylglyoxal je nejaktivnější glykační agens in vivo. Pro to hovoří rovněž existence přirozených detoxifikačních mechanizmů jako je glyoxalázový systém složený z glyoxalázy 1 (GLO1) a 2. Experimentálně bylo prokázáno, že over-exprese GLO1 in vitro kompletně inhibuje tvorbu AGEs z methylglyoxalu a chrání buňky před hyperglykemickým poškozením. Cílem diplomové práce je porovnat expresi GLO1 v humánních mononukleárních buňkách in vitro za metabolických podmínek patofyziologicky odpovídajících situaci u diabetiků, tj. kultivace v (a) normo- a hyperglykemickém mediu, (b) „lipotoxickém“ mediu (palmitát) a (c) v mediu imitujícím uremii (přidáním 5–10% uremického séra).

Keywords

Diabetes mellitus, AGE, glukotoxicita, lipotoxicita, urémie, glyoxaláza/Diabetes mellitus, urémia, glucotoxicity, lipotoxicity, glyoxalase

Language used: Slovak

Date on which the thesis was submitted / produced: 19. 5. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 9. 6. 2014
• Supervisor: prof. MUDr. Kateřina Kaňková, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Biochemistry / Biochemistry