甲基乙二醛與相關疾病的研究進展

王 蕾，朱迪娜，呂 翠，張文生

1 MG的來源和代謝途徑

甲基乙二醛（methylglyoxal，MG）也稱為丙酮醛，分子式為C3H4O2，其中含有兩個羰基，性質活潑，與乙二醛、3-脫氧醛酮等統稱為活性羰基化合物。人體內各組織器官和血液中均有MG的存在，MG可以通過外源進入人體，也可以由體內代謝產生。外源性MG可以通過飲食攝入。食品生產、加工和長期貯存過程中也會因為生產工藝和貯存條件不當而逐漸產生MG。在咖啡、奶酪和高糖飲料如可樂中均發現存在高水平的MG［1］。內源性MG主要來自于糖酵解過程中磷酸丙糖（包括磷酸二羥丙酮和三磷酸甘油醛）的中間體，其通過非酶催化過程脫磷酸或由磷酸丙糖異構酶和甲基乙二醛合成酶催化產生［2］。此外MG也可由細胞色素P4502EI氧化丙酮、脂質過氧化過程、氨基酸降解和Amadori重排反應產生［3－4］。糖尿病或長期食用高糖、高MG食物，體內MG水平會明顯上升，對MG的清除帶來不利影響。

生物體內MG主要通過乙二醛酶系統被清除代謝。乙二醛酶系統由乙二醛酶 I（glyoxalase I，GLO I，EC 4.4.1.5），乙二醛酶Ⅱ（glyoxalaseⅡ，GLOⅡ，EC 3.1.2.6）和催化劑量的還原型谷胱甘肽（reduced glutathione，GSH）組成。MG與GSH通過非酶反應產生硫代半縮醛，經GLOⅠ催化生成SD-乳酰谷胱甘肽，隨后，GLOⅡ酶解S-D-乳酰谷胱甘肽成D-乳酸，并還原谷胱甘肽而達到解毒作用［5］。其中GLOⅠ為反應中的限速酶，在MG的代謝解毒方面起到關鍵作用，也是近年來研究的關注點。另有醛糖還原酶途徑、三甲基甘氨醛脫氫酶途徑、2-氧醛脫氫酶途徑參與 MG部分清除代謝［6－8］。

2 MG的毒性及AGEs的形成

一般情況下，MG隨著糖酵解過程產生，經過乙二醛酶系統代謝為無毒的D-乳酸，在體內水平較低。但在糖酵解異常的病理狀態下或長期食用MG含量過高的食物時，體內清除系統負荷過大，造成體內MG累積。MG代謝紊亂會造成嚴重的細胞毒性和組織損傷。

MG主要通過以下幾個方面造成細胞和組織的損傷。①大量親電體MG可與DNA、RNA的甲脒基結構結合，其中研究最多的是MG與脫氧鳥苷的N1和 N2位置結合生成的R-／S-N2-（1-羧乙基）-2’-脫氧鳥苷（R-／S-N2-（1-carboxy ethyl）-2’-deoxyguanosine，CEdG）。此研究證明 CEdG能夠在體外實驗中誘導DNA突變，MG與DNA結合后甚至會使其斷裂［9］。②在生理條件下MG通過美拉德反應不可逆的與蛋白質的精氨酸殘基，少數與賴氨酸、組氨酸的α-氨基發生親核加成反應，對蛋白質進行翻譯后修飾，改變蛋白質的結構和生理生化功能。例如MG與谷胱甘肽還原酶的精氨酸殘基結合，從而使其失活，降低其還原GSH的能力［10］。③ MG與長壽蛋白反應早期生成氨基果糖，隨后造成蛋白質不可逆交聯生成晚期糖基化終末產物（advanced glycosylation end products，AGEs）［11］。AGEs與其細胞表面受體（receptor for advanced glycosylation end products，RAGE）結合，激活胞內炎癥信號通路并產生活性氧（reactive oxygen species，ROS）。同時，核轉錄因子（nuclear factorκB，NF-κB）磷酸化后入核，啟動下游基因轉錄，進而誘發炎癥和凋亡等一系列反應［12］。

3 MG與疾病的關系

隨著人們生活水平的提高和西方快餐文化的盛行，高糖高脂已經成為人們日常飲食的一大特點，MG的代謝障礙與累積，成為慢性疾病的重要誘因。糖基化過程和AGEs的生成與包括糖尿病、神經退行性疾病、血管性疾病和腫瘤等在內的多種重大疾病均存在密切聯系。

3.1 MG與糖尿病 糖尿病是以高血糖為特征的代謝性疾病，而MG是糖酵解過程中產生的毒性副產物。糖尿病病理狀態下，由于糖代謝異常導致細胞和血漿中MG濃度長期處于較高狀態。高濃度MG使AGEs持續產生并積累。有調查研究顯示，血漿中總羰基水平和AGEs水平與胰島素抵抗指數均存在顯著性相關［13－14］。盡管胰島素半衰期很短，但MG獨特的糖化活性使胰島素和胰島素原合成加工過程很可能發生糖基化反應［15］。胰島素B鏈的精氨酸殘基和末端的苯丙氨酸殘基作為其獨特的糖基化位點可以被MG修飾［16］。糖化胰島素比正常的胰島素高出0.70，才能誘導相同劑量的葡萄糖被吸收［17］。此外MG還可以直接影響胰島素信號通路的傳導。在胰島β細胞中MG修飾胰島素后抑制了胰島素受體酪氨酸位點的磷酸化和磷脂酰肌醇3激酶（phosphatidyl inositol 3-kinase，PI3K）的活性，阻遏其信號傳導［18］。

Unoki-Kubota等在2型糖尿病小鼠中發現，AGEs可通過多種機制造成胰島素抵抗，如誘導腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）進而誘導氧化應激和線粒體損傷等。AGEs能夠通過RAGE激活胞內NF-κB信號轉導通路誘發炎癥并刺激產生ROS，而ROS反過來又會刺激AGEs的產生和積累并損傷胰島β細胞［19］。RAGE被AGEs激活后會釋放RAGE的其他配體，造成炎癥環境抑制胰島素信號轉導系統。此外，RAGE的激活會抑制GLOI活性，由于乙二醛酶系統不能及時的清除逐漸積累的MG，導致AGEs的進一步產生和積累。因此造成胰島素抵抗和損傷胰島細胞的惡性循環。

由此可知，MG主要通過糖基化反應改變胰島素結構和阻遏其信號通路而降低其降糖作用，而 AGEs通過激活RAGE造成氧化應激和炎癥環境，從而損傷胰島細胞。

3.2 MG與阿爾采末病 阿爾采末病（Alzheimer′s disease，AD）是一種進行性的神經退行性病變，表現為認知功能減退、記憶喪失、行為障礙等。AD的主要病理特征包括在大腦皮層和海馬出現β淀粉樣蛋白（β-amyloid peptide，Aβ）聚集形成老年斑、Tau蛋白異常聚集形成的神經纖維纏結、突觸數量減少和神經元丟失等。Hardy等［20］提出AD的Aβ級聯假說，認為腦中淀粉樣斑塊沉積是導致腦中神經元丟失，造成AD的始發因素。

大腦是能量消耗最多的器官，葡萄糖代謝非常活躍。即使在非病理條件下，隨著年齡的增長MG也會在腦內累積。AD患者腦內MG水平明顯升高。大量研究證實AD病理機制與糖基化反應誘發的中樞神經病變有關。體外實驗中MG可與Aβ發生糖化作用生成Aβ-AGE。Aβ-AGE與單一的Aβ相比，可通過過度激活神經元表面RAGE和糖原合酶激酶-3（glycogen synthase kinase-3，GSK-3）的活性，進一步加強神經毒性。而通過抑制MG引發的糖基化作用可以有效緩解轉基因小鼠早期的認知障礙［21］。此外，過量的MG能夠誘導體外培養的大腦皮質神經元產生活性氧同時誘導細胞凋亡。

在AD大腦纖維狀結構和皮層淀粉樣斑塊中也發現有大量AGEs的存在。1994年，Yan等［22］在對AD的研究中提出AGEs與大腦老化過程和AD病理的改變存在相關性。Kuhla等［23］證明AGEs降低了SH-SY5Y胞內葡萄糖代謝、ATP水平和線粒體活性。細胞外老年斑中累積的AGEs能夠刺激小膠質細胞產生自由基和有害的細胞因子如TNF-α等［11］。細胞內AGEs與細胞骨架蛋白交聯，抑制其運輸功能，最終導致神經元功能障礙甚至細胞凋亡。AD病理狀態下，Aβ受體RAGE可被腦內累積的AGEs激活。RAGE被激活后會釋放自由基并通過NF-κB通路上調前炎癥因子白細胞介素-1與白介素-6、TNF-α和巨噬細胞集落刺激因子（macrophage colony-stimulating factor，MCSF）等的表達。同時NF-κB入核后啟動RAGE的轉錄，上調RAGE蛋白表達，啟動AD病理進程中的惡性循環。

以上證據說明，MG和AGEs在神經退行性疾病AD中起到重要作用，這很有可能是Ⅱ型糖尿病易于導致AD發生發展的原因之一。清除MG等活性羰基化合物并抑制AGEs的形成可能成為AD的一個治療新靶點［11］。

3.3 MG與血管性疾病 高血壓等血管疾病是威脅人類健康，造成死亡的主要原因之一。MG在哺乳動物的所有細胞中均有分布，在血管平滑肌細胞中也發現有MG的存在。

生化檢測和臨床觀察均證實血液中高濃度的MG會損傷眼和腎臟中的微血管，造成視網膜病變和腎小球損傷［24］。親電子的MG能夠與血管平滑肌細胞中蛋白質的氨基酸殘基直接作用，改變其生物功能，使血管外周阻力增加。而MG誘導產生的ROS與多種血管性疾病的致病機制相關。大量MG會誘導血小板中H2O2大量產生并累積［25］。血管平滑肌細胞中MG誘導的H2O2能夠降解NF-κB抑制蛋白（inhibitor of NF-κB，Iκ-B），從而激活 NF-κB來調節細胞增殖。另一方面，MG與血清白蛋白結合后產生的AGEs會激活細胞表面的RAGE受體及其下游信號系統。同時有證據表明，AGEs-RAGE系統與調節心血管功能穩態和體液平衡的腎素－血管緊張素系統存在相互作用。AGEs能夠上調大鼠血管緊張素原、血管緊張素轉換酶和腎素血管緊張素Ⅰ型受體的表達，上調血管緊張素轉化酶活性，導致腎臟肥大、鹽潴留等損傷［26］。作為AGEs的主要清除場所，腎臟也是AGEs損傷的靶器官之一。AGEs通過RAGE對腎臟的損傷包括腎小球基底膜增厚，腎小球硬化和腎小管間質纖維化等［27］。實驗證實普洱茶能夠通過捕獲MG有效抑制AGEs形成，從而減輕其對腎臟的損傷［28］。

3.4 MG與腫瘤 早在1979年Szent-Gyorgyi就已經證明MG具有抗腫瘤和生長抑制劑的作用，其對原核細胞和真核細胞具有抑制作用。MG主要通過與DNA和RNA結合，抑制蛋白質合成，從而抑制細胞生長。另外研究表明［29］，高濃度MG通過修飾甘油醛－3－磷酸精氨酸位點抑制腫瘤細胞的糖酵解和呼吸作用，降低細胞活性，但對正常細胞的線粒體呼吸作用影響卻不明顯。同時乙二醛酶系統的GLOⅠ在很多種類型的腫瘤組織中均存在過表達現象，這說明MG與GLOⅠ可能共同調節腫瘤細胞的增殖和凋亡［30］。可以推測，MG低水平的本底表達可能作為一種保護機制抑制腫瘤的過度增殖，當生長異常的組織中GLOⅠ過度表達時，GLOⅠ過度清除MG，造成MG的增殖抑制作用消失，異常細胞進一步發展成腫瘤。而MG大量累積后會誘發DNA突變甚至斷裂，最終激活細胞凋亡通路。

4 總結與討論

全球糖尿病發病率的迅速增長和高糖高脂食品的流行，糖代謝過程中毒性副產物MG的毒性逐漸受到大家的關注。由于MG在糖尿病、阿爾采末病、癌癥等多種重大疾病中起著重要作用，已經逐漸成為研究的熱點。大量研究證實，利用MG捕獲劑清除MG并抑制AGEs的形成在預防和治療相關疾病中有著重要意義，很有可能成為研究和疾病治療的新靶點。這提示我們開發MG捕獲劑將會有非常廣闊的前景。

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