Le système glyoxalase - Biologie

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Le système glyoxalase, découvert en 1913, est une voie cellulaire clé qui détoxifie les dicarbonyles réactifs et protège les cellules de produire et d’accumuler les produits finaux de glycation avancée (AGE).ce système est présent dans le cytosol de toutes les cellules, et est composé de deux enzymes, la glyoxalase I (Glo I, EC4.4.1.5) et la glyoxalase II (Glo II, EC3.1.2.6)avec le GSH comme un cofacteur essentiel. La glyoxalase I est la principale enzyme de ce système, étant responsable de la conversion des dicarbonyles réactifs en intermédiaires non toxiques : . elle catalyse l’isomérisation de l’hémithioacétal, formé spontanément d’α-oxoaldéhyde (RCOCHO) et GSH, en dérivé de S-2-hydroxyacylglutathion [RCH (OH) CO-SG]selon la réaction :RCOCHO + GSH ↔ RCOCH (OH) -SG → RCH (OH) CO-SG . La glyoxalase II catalyse, par la suite, la conversion de Dérivés de S-2-hydroxyacylglutathion en α-hydroxyacides et reforme le GSH consommé par la glyoxalase I. Le substrat physiologique majeur de la glyoxalase I est le méthylglyoxal (MO),ainsi que le glyoxal, l’hydroypyruvaldéhyde et 4,5-doxovalérate. Une déplétion de GSH, un dysfonctionnement ou une inhibition du système glyoxalase entraîne l’accumulation de ces composés toxiques.( Phillips SA,1993 ; Thornalley PJ, 1990, 2003 ; Maessen DE, 2015)

Le système glyoxalase est considéré comme partie de l’ensemble des enzymes de désintoxication dépendant du glutathion. Il a également été suggéré que le glutathion thiolester S-n-lactoylglutathion, produit par le réaction à la glyoxalase I, peut avoir des fonctions dans la prolifération cellulaire, la différenciation d’et autres processus.( Mannervik B,1993)

La glyoxalase I a été isolée dans divers taxons allant des organismes unicellulaire jusqu’aux organismes multicellulaires( les protozoaires, les champignons, les bactéries, les plantes et les mammifères,..) et y inclus les différents tissus humains. cette large distribution et la conservation phylogénétique de cette enzyme reflète son importance.( Mannervik B,1993 ; Peculis R,2013)
Chez E. coli, une troisième enzyme, la GLO3 a été identifiée .elle catalyse la conversion de MG en D-lactate, sans même avoir besoin de GSH ou tout autre cofacteur. Une étude humaine décrivent l’activité d’un homologue DJ-1 capable de convertir MGO en acide lactique sans besoin de GSH semblable à la GLO3 bactérienne mais d’autres recherches sont nécessaires pour l’identifier chez l’homme.( Maessen DE, 2015)

I. La glyoxalase I:

La glyoxalase I est une métalloprotéine dimériques contenant un atome de zinc par sous-unité. Zn2 + se trouve sur le site actif et peut être remplacé par une variété d’ions métalliques bivalents formant ainsi des holoenzymes catalytiquement actives. Des études spectroscopiques ont

conclu que l’ion métallique du site actif est coordonné à deux azote et à quatre ligands oxygène. La GLO I humaine a une masse moléculaire de 46 kDa et un point isoélectrique de 4,9 .Elle est formé de 184 acides aminés.les modifications post-traductionnelles consistent à la suppression du N-terminal Méthionine et le blocage de N-terminal Alanine. Il existe trois alloenzymes formant les deux sous-unités identiques ou similaires: GLO1-1, GLO1-2 et GLO2-2 .( Mannervik B, . 1993 ; McLellan AC, 1994 ) .Toutes les alloenzymes ont une masse moléculaire de 46 kDa (filtration sur gel) ou 42 kDa (séquence), et valeurs de pI de 4,8 à 5,1; cependant, ils ont des densités de charge et / ou des formes moléculaires distinctes et sont résolus par chromatographie échangeuse d’ions et par électrophorèse sur gel non dénaturant. (Thornalley PJ , 2003 )

Les enzymes glyoxalase I humaine, bactérienne et végétale sont dimères. Par contre , celles de la levure de Saccharomyces cerevisiae et Schizosaccharomyces pombe sont monomériques ayant deux copies d’un segment équivalent à la monomère de la protéine humaine . GLO1 est hautement conservé et les études ont montré une identité de séquence de 47% et de 55% entre la glyoxalase I humaine et celle de la levure Saccharomyces cerevisiae et de la bactéries Pseudomonas putida, respectivement , suggérant l’ évolution de la glyoxalase I divergente d’un même ancêtre commun.( Thornalley PJ ,2003).son expression ubiquitaire dans le cytosol de toutes les cellules reflète sa fonction critique surtout dans l’antiglycation.( Jack M ,2012 ) .de plus , Ce système enzymatique est parmi les premiers exprimés au cours de l’embryogenèse et du développement ; l’activité GLO1 est environ trois fois plus élevé dans les tissus fœtaux que dans les tissus adultes et persiste pendant la maturation, la vie adulte et la sénescence .(Ranganathan S, 1999 ; Maessen DE, 2015 )

La caractéristique essentielle du mécanisme catalytique est l’isomérisation de l’hémithioacétal et du glutathion dans le thiolester de S- D-hydroxyacyl glutathion correspondant. Le mécanisme proposé pour cette réaction implique un transfert de protons . Les formes R et S de l’ hémithioacétal sont liés au site actif de la glyoxalase I et y sont déprotonés; la reprotonation ultérieure du composé intermédiaire putatif ène-diol se produit de manière stéréospécifique pour former le dérivé de R-α-hydroxyacylglutathion.( Thornalley PJ , 2003)

Le gène GLO I est exprimé de manière ubiquitaire dans tous les tissus des organismes procaryotes et eucaryotes, avec environ 0,2 μg GLO I / g de protéines . Le locus GLO1 est situé sur le chromosome autosomique 6 p21.2 entre le centromère et HLADR hérité de manière co-dominante.(Ranganathan S,1999)
L’expression de la GLO I est sous le contrôle de plusieurs facteurs :
 facteur 2 lié au facteur nucléaire érythroïde 2 (Nrf-2) par le biais des éléments régulateurs de la réponse antioxydantes (ARE)
 l’élément de réponse métallique(MRE) et l’élément de réponse à l’insuline(IRE) ; La glyoxalase-I semble être régulée par l’insuline et le zinc via un IRE et un MRE.
 L’expression de Glo-I est également augmentée par la variation du nombre de copies (CNV) du gène GLO-I dans les génomes humains, de nombreuses souches de souris et murins ont été aussi étudiés. les altérations dans le génome qui incluent soit le gain, soit le la perte de sections d’ADN entraîne des différences d’expression.( Jack M,2012 ; Rabbani N, 2016)
 L’expression de Glo-I est régulée négativement par l’hypoxie ;le facteurs induits par l’hypoxie1α (HIF1α) et aussi par le récepteur des produits finaux de glycation avancée (RAGE) . L’hypoxie peut être un facteur physiologique important du stress dicarbonyles car elle augmente à la fois la formation de MG par flux à travers la glycolyse anaérobie et diminue probablement l’expression de Glo-I par l’activation de HIF1α.( Rabbani N, 2016)
Les études ont également reconnu divers polymorphismes mononucléotidiques (SNP) et allèles nuls de GLO1 chez l’homme. Il a été démontré que le gène codant Glo I a un polymorphisme nucléotidique commun (rs2736654) avec un A ou un C en position 332. Cette mutation ponctuelle entraîne l’alanine (Glo I – Ala; C332) ou acide glutamique (Glo I – Glu; A332) dans le résidu protéique 111 et conduit à un changement conformationnel de la protéine et à une diminution activité enzymatique. a l’état homozygote cette mutation est considéré comme l ’un des facteurs de sensibilité dans l’ étiologie de l ’autisme.( Jack M, . 2012 ; Sakhi AK,, 2013 ; Gabriele S, 2014)
Un autre SNP localisé dans la région promotrice de GLO I, aboutissant à une activité promotrice réduite et était associée à la présence de néphropathie et la rétinopathie chez les patients diabétiques de type 2( Jack M, . 2012 )

II. glyoxalase II :

GLO II est la deuxième enzyme du système glyoxalase. Elle catalyse l’hydrolyse du S-D-lactoylglutathion, pour former la D-lactate et régénérer le glutathion réduit consommé par la glyoxalase I. Elle est présente dans la majorité des organismes vivants, sauf chez certains mammifères. cette enzyme est monomérique ayant une masse moléculaire de 29,9 kDa et un point isoélectrique de 8,3. Elle est codé par le gène d’hydroxyacylglutathion hydrolase (HAGH) localisé sur le chromosome 16. Il n’y a généralement qu’un seul phénotype de la glyoxalase II et les polymorphismes génétiques sont extrêmement rares. Un lien entre le développement de complications diabétiques et de la glyoxalase système a été suggéré au niveau métabolique et au niveau génétique.( McLellan AC, 1994 ; Maessen DE, 2015 )

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