Methyglyoxal is a toxic metabolite known to accumulate in various cell types. We detected in vivo conversion of methylglyoxal (MG) to acetol in MG-accumulating Escherichia coli cells by $^1H-NMR$ spectroscopy. Search for homologs of the mammalian aldo-keto reductases, reported to exhibit activity to MG, revealed nine open-reading frames from the E. coli genome. Based on both sequence similarities and preliminary screening with $^1H-NMR$ for crude proteins of the corresponding mutant strains, we selected five genes, yafB, yqhE, yeaE, yghZ, and yajO, for further study. Quantitative assessment of acetol production including its metabolite 1,2-propanediol from the crude extracts of these mutants indicated that the yafB, yqhE, and yghZ genes are significantly involved in the metabolic conversion of MG in the presence of NADPH. Enzymatic properties of these proteins with the Km values of 2.1 - 6.9 mM are consistent with the in vivo and cell-free activities of MG conversion. Substrate specificities of these enzymes toward various aldehydes and ketones demonstrate their similarities to the mammalian aldo-keto reductases. The results imply that the glutathione-independent detoxification of MG can occur through multiple pathways of aldo-keto reductases, leading to a generation of acetol.
Methylglyoxal은 미생물에서 고등진핵생물에 이르는 다양한 생명체에서 축적되는 유독한 대사산물이다. 본 연구에서는 NMR 분광법을 이용해서 methylglyoxal이 축적되는 in vivo 상황에서 acetol이 형성되는 것을 관찰하였다. 이전의 연구에서 methylglyoxal의 환원 활성이 보고된 포유동물의 aldo-keto reductase와의 상동성 분석을 통해 대장균에 9개의 aldo-keto reductase가 존재함을 알아내었다. 단백질 서열의 상동성 분석과 aldo-keto reductase 돌연변이 균주의 세포추출액을 이용한 실험을 통해 yafB, yqhE, yeaE, yghZ, yajO 유전자를 가능한 후보 유전자로 선정하였다. 형성된 acetol의 정량적인 분석과 세포추출액의 효소 활성 측정을 통해 yafB, yqhE, yghZ 유전자가 NADPH 의존적인 methylglyoxal 환원과정에 관여함을 알았다. 이 세 효소의 Km 값은 2.1 - 6.9 mM 이었고 이 값은 in vivo 실험결과와 세포추출액 실험결과와 잘 일치하였다. 이 세 효소들은 다양한 알데하이드와 케톤에 대해 넓은 범위의 기질특이성을 보였고 이러한 특성은 포유동물의 aldo-keto reductase와 유사성을 보여준다. 이러한 결과들로부터 대장균 내에 glutathione 비의존적인 methylglyoxal을 acetol로 전환하여 해독하는 경로가 존재함을 밝혔고 여기에 세가지 aldo-keto reductase가 관여함을 규명하였다.
