Methylglyoxal (MG) detoxification is a significant phenomenon in cells which is related to glutathione homeostasis. The main detoxifying enzymes for MG are glyoxalase system and this is composed of glyoxalase I (GLO1) and II (GLO II, HAGH) and in case of HAGH, there are two forms which are known to localize in cytosol and mitochondria. Glyoxalase system have been studied actively for many years however the core mechanism between these two glyoxalases is not yet completely clear correlated to cell physiology. I generated knockout (KO) cells deficient in glyoxalase system in human dopaminergic neuronal cell line, SH-SY5Y, and investigated the various defects in those cells. Specially, HAGH KO cells showed increased sensitivity against MG treatment as of GLO1 KO cells as well. Thus, I observed the apparent increase of apoptosis therefore more AGEs (advanced glycation endproducts) were accumulated. Also, I established double KO cells and they tend to follow of GLO1 KO cells phenotypes and highly sensitive to MG treatment than single KO cell lines as expected. Residual MG induced the activation of cell signaling pathways related cell death and accumulation of tremendous level of ROS after long period of treatment in KO cell lines. And remarkably, the mitochondria of glyoxalases KO cells showed aberrant physiology even if without MG treatment such as decrease of cellular ATP level, and abnormal structural network. By contrast, rescue of each mutant dramatically improved those defects caused by the abnormalities. Based on the data obtained from these rescue cell lines, I figured out that GLO1 and HAGH are behave differently to present the resistance against MG. Rescue of two forms, cytosolic and mitochondrial forms, both HAGH are intimately related to oxidative stress caused by exogenous MG treatment. In other words, overexpressed HAGH removed ROS generated by MG whereas GLO1 did not inhibit MG-induced ROS accumulations. Instead, both GLO1 and HAGH increased total glutathione (GSH) level in cells and this means that GLO1 would not decrease the ROS directly but regulate the factors affecting oxidative stress. Moreover, I noticed that glyoxalases are related with autophagy and this will be applied for the next study. Here I report that the orchestra action between GLO1 and HAGH could be suggested for the new insight of the dicarbonyl stress in the aspect of the nature in mitochondrial physiology related diseases.
메틸글리옥살 해독화는 글루타타이온 항상성 유지와 관련하여 세포내에서 중요한 현상 중 하나이다. 이를 해독하는 효소들은 글리옥살레이즈 시스템으로, 두 종류의 효소로 구성되어 있으며, 이 중 글라이옥살레이즈 2의 경우에는 세포질과 미토콘드리아 두 곳에 모두 존재하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 예전부터 글라이옥살레이즈 시스템에 대한 연구가 원활히 되어왔음에도 불구하고 아직 세포생리와 연관되어 이들의 핵심 기작이 알려져 있지 않다. 본 연구에서는 사람 도파민 신경세포에서 글리옥살레이즈 시스템을 결손시켜 이로 인해 야기되는 다양한 결함에 관해 살펴보았다. 특히, 글라이옥살레이즈 2의 경우에는 글리옥살레이즈 1과 마찬가지로 메틸글리옥살의 처리에 의한 감수성이 증가함을 확인할 수 있었다. 이에 따라 세포사멸의 증가가 뚜렷하게 관찰되었고 분해되지 못한 메틸글리옥살에 의하여 최종당화산물이 보다 더 축적되는 것 역시 보였다. 또한, 두 글리옥살레이즈 모두가 결손된 세포주도 확보하여 관찰했을 시, 이는 글리옥살레이즈 1의 표현형을 따르는 것을 알 수 있었고, 예상대로 하나의 유전자가 결손된 세포주들보다 메틸글리옥살 처리에 의한 민감도가 보다 더 높아진 것도 관찰하였다. 메틸글리옥살 처리에 의한 세포 내 변화로는, 세포사멸과 연관된 신호전달체계의 활성화 및 활성산소의 양이 오랜 시간 후에도 잔존함을 알 수 있었다. 그리고, 주목할 만한 특징으로 글리옥살레이즈 결손 세포주에서는 메틸글리옥살의 처리가 없음에도 불구하고 ATP가 감소하는 등의 미토콘드리아의 비정상적인 생리활성과 구조적 변화가 눈에 띄게 관찰되었다. 반면에, 결손되었던 유전자들을 다시 회복시킨 세포주들에서는 위에서 언급한 결함들이 극적으로 완화되는 결과를 보였다. 더불어, 회복된 세포주들에서 얻은 정보를 토대로, 본 연구에서는 글리옥살레이즈들이 서로 다른 기전으로 메틸글리옥살에 대한 저항성을 나타낸다는 것을 알 수 있었는데, 특히 글리옥살레이즈 2의 경우에는 산화스트레스와 밀접한 관련이 있다는 것을 조사하였다. 즉, 과발현된 글리옥살레이즈의 2가지 형태 모두 활성산소를 제거하는 데에 탁월하였지만, 글리옥살레이즈 1의 경우에는 메틸글리옥살에 의한 활성산소의 축적을 막지 못하였다. 대신, 두 글리옥살레이즈 효소들 모두 세포 내 총 글루타타이온의 양을 증가시켰는데, 이를 통해 글리옥살레이즈 1의 경우 직접적으로 활성산소의 양을 감소시키는 것이 아니라, 그 산화스트레스를 조절할 수 있는 요소들을 간접적으로 조절하여 영향을 주는 것이라 예측할 수 있다. 그리고 자가 소화 작용과 연관되어있다는 증거도 확보 할 수 있었는데, 이는 후속 실험으로 더 나아갈 수 있는 발판으로 활용될 수 있을 것이다. 이러한 글리옥살레이즈 효소들의 역할 규명을 통해 미토콘드리아 관련 질병에 관한 본연적인 통찰을 제공해줄 수 있으리라 예상 된다.
