甲基乙二醛与相关疾病的研究进展

王 蕾，朱迪娜，吕 翠，张文生

1 MG的来源和代谢途径

甲基乙二醛（methylglyoxal，MG）也称为丙酮醛，分子式为C3H4O2，其中含有两个羰基，性质活泼，与乙二醛、3-脱氧醛酮等统称为活性羰基化合物。人体内各组织器官和血液中均有MG的存在，MG可以通过外源进入人体，也可以由体内代谢产生。外源性MG可以通过饮食摄入。食品生产、加工和长期贮存过程中也会因为生产工艺和贮存条件不当而逐渐产生MG。在咖啡、奶酪和高糖饮料如可乐中均发现存在高水平的MG［1］。内源性MG主要来自于糖酵解过程中磷酸丙糖（包括磷酸二羟丙酮和三磷酸甘油醛）的中间体，其通过非酶催化过程脱磷酸或由磷酸丙糖异构酶和甲基乙二醛合成酶催化产生［2］。此外MG也可由细胞色素P4502EI氧化丙酮、脂质过氧化过程、氨基酸降解和Amadori重排反应产生［3－4］。糖尿病或长期食用高糖、高MG食物，体内MG水平会明显上升，对MG的清除带来不利影响。

生物体内MG主要通过乙二醛酶系统被清除代谢。乙二醛酶系统由乙二醛酶 I（glyoxalase I，GLO I，EC 4.4.1.5），乙二醛酶Ⅱ（glyoxalaseⅡ，GLOⅡ，EC 3.1.2.6）和催化剂量的还原型谷胱甘肽（reduced glutathione，GSH）组成。MG与GSH通过非酶反应产生硫代半缩醛，经GLOⅠ催化生成SD-乳酰谷胱甘肽，随后，GLOⅡ酶解S-D-乳酰谷胱甘肽成D-乳酸，并还原谷胱甘肽而达到解毒作用［5］。其中GLOⅠ为反应中的限速酶，在MG的代谢解毒方面起到关键作用，也是近年来研究的关注点。另有醛糖还原酶途径、三甲基甘氨醛脱氢酶途径、2-氧醛脱氢酶途径参与 MG部分清除代谢［6－8］。

2 MG的毒性及AGEs的形成

一般情况下，MG随着糖酵解过程产生，经过乙二醛酶系统代谢为无毒的D-乳酸，在体内水平较低。但在糖酵解异常的病理状态下或长期食用MG含量过高的食物时，体内清除系统负荷过大，造成体内MG累积。MG代谢紊乱会造成严重的细胞毒性和组织损伤。

MG主要通过以下几个方面造成细胞和组织的损伤。①大量亲电体MG可与DNA、RNA的甲脒基结构结合，其中研究最多的是MG与脱氧鸟苷的N1和 N2位置结合生成的R-／S-N2-（1-羧乙基）-2’-脱氧鸟苷（R-／S-N2-（1-carboxy ethyl）-2’-deoxyguanosine，CEdG）。此研究证明 CEdG能够在体外实验中诱导DNA突变，MG与DNA结合后甚至会使其断裂［9］。②在生理条件下MG通过美拉德反应不可逆的与蛋白质的精氨酸残基，少数与赖氨酸、组氨酸的α-氨基发生亲核加成反应，对蛋白质进行翻译后修饰，改变蛋白质的结构和生理生化功能。例如MG与谷胱甘肽还原酶的精氨酸残基结合，从而使其失活，降低其还原GSH的能力［10］。③ MG与长寿蛋白反应早期生成氨基果糖，随后造成蛋白质不可逆交联生成晚期糖基化终末产物（advanced glycosylation end products，AGEs）［11］。AGEs与其细胞表面受体（receptor for advanced glycosylation end products，RAGE）结合，激活胞内炎症信号通路并产生活性氧（reactive oxygen species，ROS）。同时，核转录因子（nuclear factorκB，NF-κB）磷酸化后入核，启动下游基因转录，进而诱发炎症和凋亡等一系列反应［12］。

3 MG与疾病的关系

随着人们生活水平的提高和西方快餐文化的盛行，高糖高脂已经成为人们日常饮食的一大特点，MG的代谢障碍与累积，成为慢性疾病的重要诱因。糖基化过程和AGEs的生成与包括糖尿病、神经退行性疾病、血管性疾病和肿瘤等在内的多种重大疾病均存在密切联系。

3.1 MG与糖尿病 糖尿病是以高血糖为特征的代谢性疾病，而MG是糖酵解过程中产生的毒性副产物。糖尿病病理状态下，由于糖代谢异常导致细胞和血浆中MG浓度长期处于较高状态。高浓度MG使AGEs持续产生并积累。有调查研究显示，血浆中总羰基水平和AGEs水平与胰岛素抵抗指数均存在显著性相关［13－14］。尽管胰岛素半衰期很短，但MG独特的糖化活性使胰岛素和胰岛素原合成加工过程很可能发生糖基化反应［15］。胰岛素B链的精氨酸残基和末端的苯丙氨酸残基作为其独特的糖基化位点可以被MG修饰［16］。糖化胰岛素比正常的胰岛素高出0.70，才能诱导相同剂量的葡萄糖被吸收［17］。此外MG还可以直接影响胰岛素信号通路的传导。在胰岛β细胞中MG修饰胰岛素后抑制了胰岛素受体酪氨酸位点的磷酸化和磷脂酰肌醇3激酶（phosphatidyl inositol 3-kinase，PI3K）的活性，阻遏其信号传导［18］。

Unoki-Kubota等在2型糖尿病小鼠中发现，AGEs可通过多种机制造成胰岛素抵抗，如诱导肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）进而诱导氧化应激和线粒体损伤等。AGEs能够通过RAGE激活胞内NF-κB信号转导通路诱发炎症并刺激产生ROS，而ROS反过来又会刺激AGEs的产生和积累并损伤胰岛β细胞［19］。RAGE被AGEs激活后会释放RAGE的其他配体，造成炎症环境抑制胰岛素信号转导系统。此外，RAGE的激活会抑制GLOI活性，由于乙二醛酶系统不能及时的清除逐渐积累的MG，导致AGEs的进一步产生和积累。因此造成胰岛素抵抗和损伤胰岛细胞的恶性循环。

由此可知，MG主要通过糖基化反应改变胰岛素结构和阻遏其信号通路而降低其降糖作用，而 AGEs通过激活RAGE造成氧化应激和炎症环境，从而损伤胰岛细胞。

3.2 MG与阿尔采末病 阿尔采末病（Alzheimer′s disease，AD）是一种进行性的神经退行性病变，表现为认知功能减退、记忆丧失、行为障碍等。AD的主要病理特征包括在大脑皮层和海马出现β淀粉样蛋白（β-amyloid peptide，Aβ）聚集形成老年斑、Tau蛋白异常聚集形成的神经纤维缠结、突触数量减少和神经元丢失等。Hardy等［20］提出AD的Aβ级联假说，认为脑中淀粉样斑块沉积是导致脑中神经元丢失，造成AD的始发因素。

大脑是能量消耗最多的器官，葡萄糖代谢非常活跃。即使在非病理条件下，随着年龄的增长MG也会在脑内累积。AD患者脑内MG水平明显升高。大量研究证实AD病理机制与糖基化反应诱发的中枢神经病变有关。体外实验中MG可与Aβ发生糖化作用生成Aβ-AGE。Aβ-AGE与单一的Aβ相比，可通过过度激活神经元表面RAGE和糖原合酶激酶-3（glycogen synthase kinase-3，GSK-3）的活性，进一步加强神经毒性。而通过抑制MG引发的糖基化作用可以有效缓解转基因小鼠早期的认知障碍［21］。此外，过量的MG能够诱导体外培养的大脑皮质神经元产生活性氧同时诱导细胞凋亡。

在AD大脑纤维状结构和皮层淀粉样斑块中也发现有大量AGEs的存在。1994年，Yan等［22］在对AD的研究中提出AGEs与大脑老化过程和AD病理的改变存在相关性。Kuhla等［23］证明AGEs降低了SH-SY5Y胞内葡萄糖代谢、ATP水平和线粒体活性。细胞外老年斑中累积的AGEs能够刺激小胶质细胞产生自由基和有害的细胞因子如TNF-α等［11］。细胞内AGEs与细胞骨架蛋白交联，抑制其运输功能，最终导致神经元功能障碍甚至细胞凋亡。AD病理状态下，Aβ受体RAGE可被脑内累积的AGEs激活。RAGE被激活后会释放自由基并通过NF-κB通路上调前炎症因子白细胞介素-1与白介素-6、TNF-α和巨噬细胞集落刺激因子（macrophage colony-stimulating factor，MCSF）等的表达。同时NF-κB入核后启动RAGE的转录，上调RAGE蛋白表达，启动AD病理进程中的恶性循环。

以上证据说明，MG和AGEs在神经退行性疾病AD中起到重要作用，这很有可能是Ⅱ型糖尿病易于导致AD发生发展的原因之一。清除MG等活性羰基化合物并抑制AGEs的形成可能成为AD的一个治疗新靶点［11］。

3.3 MG与血管性疾病 高血压等血管疾病是威胁人类健康，造成死亡的主要原因之一。MG在哺乳动物的所有细胞中均有分布，在血管平滑肌细胞中也发现有MG的存在。

生化检测和临床观察均证实血液中高浓度的MG会损伤眼和肾脏中的微血管，造成视网膜病变和肾小球损伤［24］。亲电子的MG能够与血管平滑肌细胞中蛋白质的氨基酸残基直接作用，改变其生物功能，使血管外周阻力增加。而MG诱导产生的ROS与多种血管性疾病的致病机制相关。大量MG会诱导血小板中H2O2大量产生并累积［25］。血管平滑肌细胞中MG诱导的H2O2能够降解NF-κB抑制蛋白（inhibitor of NF-κB，Iκ-B），从而激活 NF-κB来调节细胞增殖。另一方面，MG与血清白蛋白结合后产生的AGEs会激活细胞表面的RAGE受体及其下游信号系统。同时有证据表明，AGEs-RAGE系统与调节心血管功能稳态和体液平衡的肾素－血管紧张素系统存在相互作用。AGEs能够上调大鼠血管紧张素原、血管紧张素转换酶和肾素血管紧张素Ⅰ型受体的表达，上调血管紧张素转化酶活性，导致肾脏肥大、盐潴留等损伤［26］。作为AGEs的主要清除场所，肾脏也是AGEs损伤的靶器官之一。AGEs通过RAGE对肾脏的损伤包括肾小球基底膜增厚，肾小球硬化和肾小管间质纤维化等［27］。实验证实普洱茶能够通过捕获MG有效抑制AGEs形成，从而减轻其对肾脏的损伤［28］。

3.4 MG与肿瘤 早在1979年Szent-Gyorgyi就已经证明MG具有抗肿瘤和生长抑制剂的作用，其对原核细胞和真核细胞具有抑制作用。MG主要通过与DNA和RNA结合，抑制蛋白质合成，从而抑制细胞生长。另外研究表明［29］，高浓度MG通过修饰甘油醛－3－磷酸精氨酸位点抑制肿瘤细胞的糖酵解和呼吸作用，降低细胞活性，但对正常细胞的线粒体呼吸作用影响却不明显。同时乙二醛酶系统的GLOⅠ在很多种类型的肿瘤组织中均存在过表达现象，这说明MG与GLOⅠ可能共同调节肿瘤细胞的增殖和凋亡［30］。可以推测，MG低水平的本底表达可能作为一种保护机制抑制肿瘤的过度增殖，当生长异常的组织中GLOⅠ过度表达时，GLOⅠ过度清除MG，造成MG的增殖抑制作用消失，异常细胞进一步发展成肿瘤。而MG大量累积后会诱发DNA突变甚至断裂，最终激活细胞凋亡通路。

4 总结与讨论

全球糖尿病发病率的迅速增长和高糖高脂食品的流行，糖代谢过程中毒性副产物MG的毒性逐渐受到大家的关注。由于MG在糖尿病、阿尔采末病、癌症等多种重大疾病中起着重要作用，已经逐渐成为研究的热点。大量研究证实，利用MG捕获剂清除MG并抑制AGEs的形成在预防和治疗相关疾病中有着重要意义，很有可能成为研究和疾病治疗的新靶点。这提示我们开发MG捕获剂将会有非常广阔的前景。

参考文献：

［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，Felver 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，Fleming 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］吕 翠，刘洪娟，刘晓丽，等.晚期糖基化终末产物受体及其抑制剂的研究进展［J］.中国药理学通报，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.