БИОХИМИЯ, 2018, том 83, вып. 11, с. 1673–1685

УДК 557.175.7

3-Дезоксиглюкозон индуцирует у крыс карбонильный и окислительный стресс и вызывает дисфункцию β-клеток в результате нарушения проницаемости кишечника*

© 2018 L. Zhou #, X.D. Song #, H. Xu, G.Q. Liang, F. Wang, L.R. Zhang, F. Huang, J. Cai, G.R. Jiang **

Suzhou Academy of Wumen Chinese Medicine, Suzhou TCM Hospital Affiliated to Nanjing University of Chinese Medicine, Suzhou, Jiangsu, China; E-mail: szguorongjiang@163.com

Поступила в редакцию 11.05.2018
После доработки 27.06.2018
Принята к публикации 

DOI: 10.1134/S0320972518110064

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: 3-дезоксиглюкозон, предиабет, проницаемость кишечника, карбонильный и окислительный стресс, карбонилирование белков, АФК, дисфункция β-клеток.

Аннотация

3-Дезоксиглюкозон (3DG) – дикарбонильное соединение, характеризующееся высокой реакционной способностью, его накопление вызывает карбонильный и окислительный стресс. Ранее нами было показано, что 3DG является независимым фактором развития предиабета. Было предположено, что кишечник может выступать в качестве его новой мишени. В настоящей работе изучались влияние введения 3DG на проницаемость кишечника путем запуска карбонильного и окислительного стресса и связь между экзогенным 3DG и нарушением функционирования β-клеток. В течение двух недель крысам через желудочный зонд вводили 3DG. Далее измеряли содержание в плазме крови инсулина, АФК, MDA, SOD, NLRP3, TNF и IL-1β. Кроме того, определяли уровень АФК и содержание TNF и IL-1β в поджелудочной железе, а также уровень экспрессии E-кадгерина и ZO-1 и содержание 3DG, карбонильных групп в белках, АФК, TNF и IL-1β в ткани толстого кишечника. У крыс, которым вводили экзогенный 3DG, наблюдалось повышение уровня показателей окислительного стресса (АФК, MDA и SOD) и воспалительного процесса (TNF и IL-1β). Кроме того, было показано снижение уровня инсулина в плазме крови через 15 мин после введения глюкозы в сочетании с повышением уровня TNF, IL-1β и АФК в тканях поджелудочной железы. В тканях толстого кишечника крыс, которым вводили 3DG, наблюдалось снижение экспрессии E-кадгерина, увеличение продукции АФК, а также повышение уровней TNF и IL-1β. Следует отметить, что в тканях толстого кишечника крыс, которым вводили 3DG, наблюдалось накопление 3DG и повышенное содержание карбонильных групп в белках. В настоящей работе впервые показано, что накопление 3DG в тканях толстого кишечника запускает карбонильный и окислительный стресс, что приводит к нарушению проницаемости тонкого кишечника. Повышение проницаемости кишечника в результате накопления 3DG в толстом кишечнике вызывает системный и панкреатический окислительный стресс и воспалительный процесс с последующим развитием дисфункции β-клеток.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Сноски

* Первоначально английский вариант рукописи опубликован на сайте «Biochemistry» (Moscow) http://protein.bio.msu.ru/biokhimiya, в рубрике «Papers in Press», BM18-128, 27.08.2018.

** Адресат для корреспонденции.

# Авторы внесли равный вклад в работу.

Вклад авторов

Все авторы внесли вклад в разработку концепции и дизайна исследования и интерпретацию полученных результатов. L. Zhou, X.D. Song и G.R. Jiang написали первую версию рукописи. Все авторы принимали участие в редактировании рукописи и утверждении ее финальной версии. G.R. Jiang несет ответственность за достоверность работы в целом.

Финансирование

Работа выполнена при поддержке Youth Science and Education Project (KJXW2017043), Youth project of Suzhou TCM Hospital (YQN2015003), Jiangsu Province’s Key Provincial Talents Program (QNRC2016259) и Suzhou Science and Technology Department (SYSD2017191).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Протоколы всех экспериментов были одобрены этическим комитетом Госпиталя традиционной китайской медицины в Сучжоу. У животных все экспериментальные процедуры проводились в соответствии с Руководством по содержанию и использованию лабораторных животных. Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с использованием людей в качестве объектов.

Список литературы

1. Hecker, M., and Wagner, A.H. (2018) Role of protein carbonylation in diabetes, J. Inherit. Metab. Dis., 41, 29–38.

2. Wang, C.H., Wu, S.B., Wu, Y.T., and Wei, Y.H. (2013) Oxidative stress response elicited by mitochondrial dysfunction: implication in the pathophysiology of aging, Exp. Biol. Med. (Maywood), 238, 450–460.

3. Gerber, P.A., and Rutter, G.A. (2017) The role of oxidative stress and hypoxia in pancreatic beta-cell dysfunction in diabetes mellitus, Antioxid. Redox Signal., 26, 501–518.

4. Keane, K.N., Cruzat, V.F., Carlessi, R., de Bittencourt, P.I., and Newsholme, P. (2015) Molecular events linking oxidative stress and inflammation to insulin resistance and β-cell dysfunction, Oxid. Med. Cell. Longev., 2015, 181643.

5. Miyata, T., van Ypersele de Strihou, C., Kurokawa, K., and Baynes, J.W. (1999) Alterations in nonenzymatic biochemistry in uremia: origin and significance of «carbonyl stress» in long-term uremic complications, Kidney Int., 55, 389–399.

6. Aldini, G., Dalle-Donne, I., Facino, R.M., Milzani, A., and Carini, M. (2007) Intervention strategies to inhibit protein carbonylation by lipoxidation-derived reactive carbonyls, Med. Res. Rev., 27, 817–868.

7. Brun, P., Castagliuolo, I., Di, L.V., Buda, A., Pinzani, M., Palu, G., and Martines, D. (2007) Increased intestinal permeability in obese mice: new evidence in the pathogenesis of nonalcoholic steatohepatitis, Am. J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol., 292, G518–G525.

8. Cani, P.D., Bibiloni, R., Knauf, C., Waget, A., Neyrinck, A.M., Delzenne, N.M., and Burcelin, R. (2008) Changes in gut microbiota control metabolic endotoxemia-induced inflammation in high-fat diet-induced obesity and diabetes in mice, Diabetes, 57, 1470–1481.

9. Muccioli, G.G., Naslain, D., Backhed, F., Reigstad, C.S., Lambert, D.M., Delzenne, N.M., and Cani, P.D. (2010) The endocannabinoid system links gut microbiota to adipogenesis, Mol. Syst. Biol., 6, 392.

10. Hall, D.M., Buettner, G.R., Oberley, L.W., Xu, L., Matthes, R.D., and Gisolfi, C.V. (2001) Mechanisms of circulatory and intestinal barrier dysfunction during whole body hyperthermia, Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol., 280, H509–Н521.

11. Dong, M., Hu, N., Hua, Y., Xu, X., Kandadi, M.R., Guo, R., Jiang, S., Nair, S., Hu, D., and Ren, J. (2013) Chronic Akt activation attenuated lipopolysaccharide-induced cardiac dysfunction via Akt/GSK3β-dependent inhibition of apoptosis and ER stress, Biochim. Biophys. Acta, 1832, 848–863.

12. Yu, L., Zhai, Q., Tian, F., Liu, X., Wang, G., Zhao, J., Zhang, H., Narbad, A., and Chen, W. (2016) Potential of Lactobacillus plantarum CCFM639 in protecting against aluminum toxicity mediated by intestinal barrier function and oxidative stress, Nutrients, 8, 783.

13. Davis, B.T., Voigt, R.M., Shaikh, M., Forsyth, C.B., and Keshavarzian, A. (2017) CREB protein mediates alcohol-induced circadian disruption and intestinal permeability, Alcohol. Clin. Exp. Res., 41, 2007–2014.

14. Degen, J., Hellwig, M., and Henle, T. (2012) 1,2-Dicarbonyl compounds in commonly consumed foods, J. Agric. Food Chem., 60, 7071–7079.

15. Lin, J.A., Wu, C.H., Lu, C.C., Hsia, S.M., and Yen, G.C. (2016) Glycative stress from advanced glycation end products (AGEs) and dicarbonyls: an emerging biological factor in cancer onset and progression, Mol. Nutr. Food Res., 60, 1850–1864.

16. Turk, Z. (2010) Glycotoxins, carbonyl stress and relevance to diabetes and its complications, Physiol. Res., 59, 147–156.

17. Okado, A., Kawasaki, Y., Hasuike, Y., Takahashi, M., Teshima, T., Fujii, J., and Taniguchi, N. (1996) Induction of apoptotic cell death by methylglyoxal and 3-deoxyglucosone in macrophage-derived cell lines, Biochem. Biophys. Res. Commun., 225, 219–224.

18. Che, W., Asahi, M., Takahashi, M., Kaneto, H., Okado, A., Higashiyama, S., and Taniguchi, N. (1997) Selective induction of heparin-binding epidermal growth factor-like growth factor by methylglyoxal and 3-deoxyglucosone in rat aortic smooth muscle cells. The involvement of reactive oxygen species formation and a possible implication for atherogenesis in diabetes, J. Biol. Chem., 272, 18453–18459.

19. Kato, H., van Chuyen, N., Shinoda, T., Sekiya, F., and Hayase, F. (1990) Metabolism of 3-deoxyglucosone, an intermediate compound in the Maillard reaction, administered orally or intravenously to rats, Biochim. Biophys. Acta, 1035, 71–76.

20. Zhang, L., Song, X., Zhou, L., Liang, G., Xu, H., Wang, F., Huang, F., and Jiang, G. (2016) Accumulation of intestinal tissue 3-deoxyglucosone attenuated GLP-1 secretion and its insulinotropic effect in rats, Diabetol. Metab. Syndr., 8, 78.

21. Wang, F., Zhou, L., Song, X., Liang, G., Xu, H., Zhang, L., and Jiang, G. (2017) Acute reduction of incretin effect and glucose intolerance in rats by single intragastric administration of 3-deoxyglucosone, Exp. Clin. Endocrinol. Diabetes, 125, 4–11.

22. Jiang, G.L., Zhang, L.V., Wang, F., Xu, H., and Fei, D. (2011) Synthesis and structure analysis of the 3-deoxyglucosone (3-DG), J. Soochow Univ., 27, 60–68.

23. Guide for the care and use of laboratory animals (2011) Eighth edition, The National Academies Press, Washington, DC.

24. Hwang, I., An, B.S., Yang, H., Kang, H.S., Jung, E.M., and Jeung, E.B. (2013) Tissue-specific expression of occludin, zona occludens-1, and junction adhesion molecule A in the duodenum, ileum, colon, kidney, liver, lung, brain, and skeletal muscle of C57BL mice, J. Physiol. Pharmacol., 64, 11–18.

25. Wang, Q., and Brubaker, P.L. (2002) Glucagon-like peptide-1 treatment delays the onset of diabetes in 8-week-old db/db mice, Diabetologia, 45, 1263–1273.

26. Eizirik, D.L, Colli, M.L, and Ortis, F. (2009) The role of inflammation in insulitis and beta-cell loss in type 1 diabetes, Nat. Rev. Endocrinol., 5, 219–226.

27. Gerber, P.A., and Rutter, G.A. (2017) The role of oxidative stress and hypoxia in pancreatic β-cell dysfunction in diabetes mellitus, Antioxid. Redox Signal., 26, 501–518.

28. Lugrin, J., Rosenblatt-Velin, N., Parapanov, R., and Liaudet, L. (2014) The role of oxidative stress during inflammatory processes, Biol. Chem., 395, 203–230.

29. Man, Y., Hart, V.J., Ring, C.J., Sanjar, S., and West, M.R. (2000) Loss of epithelial integrity resulting from E-cadherin dysfunction predisposes airway epithelial cells to adenoviral infection, Am. J. Respir. Cell Mol. Biol., 23, 610–617.

30. Siliciano, J.D., and Goodenough, D.A. (1988) Localization of the tight junction protein, ZO-1, is modulated by extracellular calcium and cell–cell contact in Madin–Darby canine kidney epithelial cells, J. Cell Biol., 107, 2389–2399.

31. Troxell, M.L., Gopalakrishnan, S., McCormack, J., Poteat, B.A., Pennington, J., Garringer, S.M., Schneeberger, E.E., Nelson, W.J., and Marrs, J.A. (2000) Inhibiting cadherin function by dominant mutant E-cadherin expression increases the extent of tight junction assembly, J. Cell Sci., 113 (Pt. 6), 985–996.

32. Gassler, N., Rohr, C., Schneider, A., Kartenbeck, J., Bach, A., Obermuller, N., Otto, H.F., and Autschbach, F. (2001) Inflammatory bowel disease is associated with changes of enterocytic junctions, Am. J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol., 281, G216–G228.

33. Hanby, A.M., Chinery, R., Poulsom, R., Playford, R.J., and Pignatelli, M. (1996) Downregulation of E-cadherin in the reparative epithelium of the human gastrointestinal tract, Am. J. Pathol., 148, 723–729.

34. Bischoff, S.C., Barbara, G., Buurman, W., Ockhuizen, T., Schulzke, J.D., Serino, M., Tilg, H., Watson, A., and Wells, J.M. (2014) Intestinal permeability – a new target for disease prevention and therapy, BMC Gastroenterol., 14, 189.

35. Bein, A., Zilbershtein, A., Golosovsky, M., Davidov, D., and Schwartz, B. (2017) LPS induces hyper-permeability of intestinal epithelial cells, J. Cell. Physiol., 232, 381–390.

36. Tran, C.D., Grice, D.M., Wade, B., Kerr, C.A., Bauer, D.C., Li, D., and Hannan, G.N. (2015) Gut permeability, its interaction with gut microflora and effects on metabolic health are mediated by the lymphatics system, liver and bile acid, Future Microbiol., 10, 1339–1353.

37. Sequeira, I.R., Kruger, M.C., Hurst, R.D., and Lentle, R.G. (2015) Ascorbic acid may exacerbate aspirin-induced increase in intestinal permeability, Basic Clin. Pharmacol. Toxicol., 117, 195–203.

38. Niwa, T. (1999) 3-Deoxyglucosone: metabolism, analysis, biological activity, and clinical implication, J. Chromatogr. B Biomed. Sci. Appl., 731, 23–36.

39. Vargas-Robles, H., Citalan Madrid, A.F., Garcia-Ponce, A., Silva-Olivares, A., Shibayama, M., Betanzos, A., Del Valle Mondragon, L., Nava, P., and Schnoor, M. (2016) Experimental colitis is attenuated by cardioprotective diet supplementation that reduces oxidative stress, inflamma- tion, and mucosal damage, Oxid. Med. Cell. Longev., 2016, 8473242.

40. Paszti-Gere, E., Csibrik-Nemeth, E., Szeker, K., Csizinszky, R., Jakab, C., and Galfi, P. (2012) Acute oxidative stress affects IL-8 and TNF-α expression in IPEC-J2 porcine epithelial cells, Inflammation, 35, 994–1004.

41. Roberts, M.J., Wondrak, G.T., Laurean, D.C., Jacobson, M.K., and Jacobson, E.L. (2003) DNA damage by carbonyl stress in human skin cells, Mutat. Res., 522, 45–56.

42. Kang, J.H. (2003) Oxidative damage of DNA induced by methylglyoxal in vitro, Toxicol. Lett., 145, 181–187.

43. Rahbar, S., and Figarola, J.L. (2003) Novel inhibitors of advanced glycation endproducts, Arch. Biochem. Biophys., 419, 63–79.

44. Araki, A. (1997) Oxidative stress and diabetes mellitus: a possible role of alpha-dicarbonyl compounds in free radical formation, Nihon Ronen Igakkai Zasshi, 34, 716–720.

45. Niwa, T., Takeda, N., Yoshizumi, H., Tatematsu, A., Ohara, M., Tomiyama, S., and Niimura, K. (1993) Presence of 3-deoxyglucosone, a potent protein crosslinking intermediate of Maillard reaction, in diabetic serum, Biochem. Biophys. Res. Commun., 196, 837–843.

46. Almogbel, E., and Rasheed, N. (2017) Protein mediated oxidative stress in patients with diabetes and its associated neuropathy: correlation with protein carbonylation and disease activity markers, J. Clin. Diagn. Res., 11, BC21–BC25.

47. Adams, S., Green, P., Claxton, R., Simcox, S., Williams, M.V., Walsh, K., and Leeuwenburgh, C. (2001) Reactive carbonyl formation by oxidative and non-oxidative pathways, Front. Biosci., 6, A17–A24.

48. Maisonneuve, E., Ducret, A., Khoueiry, P., Lignon, S., Longhi, S., Talla, E., and Dukan, S. (2009) Rules governing selective protein carbonylation, PLoS One, 4, e7269.