Гликирование в организме: триггер дисфункции белков при старении и возрастных заболеваниях

Для поддержания функций органов белки в клетках должны находиться в балансе (протеостаз). Это состояние нарушается с возрастом. Одна из возможных причин — гликирование, при котором сахара и белки необратимо соединяются. Эти конечные продукты гликирования (AGEs) накапливаются и могут приводить к воспалению и повреждениям. Команда исследователей из Института старения Лейбница — Института Фрица Липманна (FLI) и Университетской клиники Йены (UKJ) изучила, где именно в клетке образуются AGEs, какое влияние они оказывают на белки и способствуют ли они старению и возрастным метаболическим заболеваниям.

Химическая реакция, описанная в 1912 году французским биохимиком Луи Майяром, при которой сахара соединяются с белками, приводит к образованию неразлагаемых молекул (AGEs). Этот процесс, известный как «реакция Майяра», играет важную роль в старении и считается фактором развития многочисленных хронических заболеваний. Например, AGEs рассматриваются как факторы риска сосудистых заболеваний при диабете и способствуют отвердению сосудов. Гликирование затрагивает различные белки в организме и может нарушать функциональность и структуру пораженных клеток и тканей. Поэтому гликирование всё чаще рассматривается как потенциальная движущая сила метаболических заболеваний и процесса старения.

Но где именно в клетке происходит гликирование, каковы его эффекты на конкретные белки и как оно влияет на функцию всей клетки? Команда исследователей из FLI и UKJ изучила эти вопросы. Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, изучает патофизиологические эффекты AGEs на внутриклеточные белки и их возможный вклад в развитие метаболических заболеваний и старения.

Гликирование белков

«Неферментативное гликирование белков в результате реакции с сахарами или высокореактивными дикарбонильными соединениями, такими как глиоксаль, увеличивается при стойко высоком уровне глюкозы в организме», — говорит руководитель исследовательской группы FLI доктор Алессандро Ори. Один из самых распространённых AGEs — N(6)-карбоксиметиллизин (CML), образование которого частично запускается реакцией с глиоксалем. «CML химически стабилен и накапливается в тканях человека в основном при таких заболеваниях, как сахарный диабет и атеросклероз, но также и при нормальном старении. Поэтому CML можно рассматривать как биомаркер старения», — добавляет профессор Регине Хеллер из UKJ. В то время как гликирование внеклеточных белков, таких как гемоглобин или коллаген, хорошо описано, об этом изменении внутриклеточных белков известно мало.

Комплексный подход к характеристике модифицированных CML белков

Чтобы зафиксировать изменения в белках, вызванные гликированием, во всём протеоме, исследователи использовали две модели. «С одной стороны, мы использовали классические культуры клеток, такие как фибробласты и эндотелиальные клетки, чтобы определить влияние гликирования на белки. С другой стороны, мы также использовали клетки из органов молодых и старых мышей, чтобы вывести целостное влияние гликирования на функцию и механизм действия белка», — объясняет доктор Ори процедуру протеомного исследования.

Новый рабочий процесс, основанный на селективном обогащении модифицированных CML пептидов в сочетании с масс-спектрометрией, позволил провести всестороннюю характеристику и количественную оценку белков-мишеней и их метаболических путей. В обеих моделях впервые были выявлены сотни специфических сайтов гликирования.

Гликирование как функция оборота и обилия белка

Независимо от их локализации в определённых компартментах клетки, белки с более медленным метаболизмом с большей вероятностью подвергались гликированию, чем белки с более быстрым оборотом. «Белки с медленным оборотом модифицировались чаще», — пояснил доктор Ори результат в обеих моделях. Это согласуется с предыдущими исследованиями, которые показали, что AGEs накапливаются в основном в тканях с медленным оборотом белка, таких как хрящ и кожа.

«Хотя гликированные сайты были обнаружены в исследуемых белках во всём динамическом диапазоне в обеих модельных системах, гликирование сильно коррелировало с обилием белка. То есть, если белки были очень обильны, они также чаще модифицировались», — резюмировал доктор Ори. «Из этих результатов мы делаем вывод, что как медленный оборот, так и обилие белка являются важными ключевыми факторами для гликирования белков в клетках».

Органоспецифическое гликирование белков

«Чтобы изучить влияние старения на гликирование, сайты гликирования были количественно определены в сердце, почке и печени молодых и старых мышей и проанализированы параллельно с изменениями во всём протеоме тех же органов», — объясняет доктор Ори. Эта комбинация данных позволила идентифицировать специфические сайты в образцах органов; гликирование, по-видимому, является органоспецифичным.

«Однако модифицированные белки, такие как гистоны, также были идентифицированы во всех изученных органах старых мышей», — добавляет профессор Хеллер. «Наши данные позволяют предположить, что, с одной стороны, гликирование в значительной степени органоспецифично, а с другой стороны, степень модификации увеличивается со старением сайт-специфичным образом, что, вероятно, связано с меньшим количеством и активностью ферментов для детоксикации высокореактивных дикарбонильных соединений в старых органах».

Гликирование ингибирует деление клеток

«В эндотелиальных клетках наша обработка глиоксалем привела к остановке клеточного цикла, то есть деление клеток было сильно подавлено накоплением CML», — объясняет доктор Катрин Шпенглер из UKJ, соавтор исследования. Это было частично связано с изменённой экспрессией регуляторов клеточного цикла. Чтобы лучше понять, как гликирование белка влияет на прогрессирование клеточного цикла, исследователи сосредоточились на тубулинах, которые, среди прочих задач, выполняют важную функцию в регуляции клеточного цикла. Для выполнения своих функций тубулины образуют филаменты, так называемые микротрубочки, которые должны подвергаться непрерывным процессам сборки/разборки.

«Проводя эксперименты с очищенным гликированным тубулином и наблюдая за микротрубочками в обработанных глиоксалем эндотелиальных клетках с помощью иммунофлуоресценции, мы обнаружили изменения в динамике микротрубочек, что может частично объяснить ингибирование деления клеток», — продолжает доктор Шпенглер. Гликирование тубулинов может мешать другим важным модификациям тубулинов, таким как ацетилирование, тем самым изменяя «код тубулина», который определяет функцию микротрубочек.

Понимание роли гликирования и его влияния на стареющие клетки

Это исследование убедительно демонстрирует, как последствия гликирования для всего протеома можно изучить, комбинируя анализы масс-спектрометрии с механистическими исследованиями в клеточных системах. Анализ позволяет картировать сайты гликирования и показывает, как определённые гликирования связаны с конкретными клеточными функциями. Это вносит значительный вклад в лучшее понимание того, как гликирование белков может влиять на старение и возрастные метаболические заболевания.

«При длительном воздействии патофизиологических концентраций сахаров и высокореактивных дикарбонильных соединений, как это бывает у пожилых людей или диабетиков, гликирование тубулина и других белков может быть начальным событием, которое постепенно приводит к нарушению функции клеток и, в конечном итоге, к дисфункции органов», — резюмируют исследователи. Идентификация специфических сайтов гликирования и/или степени гликирования может, следовательно, помочь выявить риск развития возрастных заболеваний в будущем.