Methylglyoxal and glyoxal are highly reactive $\alpha$-oxoaldehyde, which are physiologically generated from various metabolic pathways. They reacts with arginine, lysine and cysteine residues of proteins and guanine nucleotides of DNA or RNA, leading to protein malfunction and mutation on genetic material, causing various disease such as diabetes complication and neurodegenerative disease. Several detoxification mechanisms exist to control these reactive aldehydes, including glyoxalase system, AKR, and DJ-1 glyoxalase. The glyoxalase system, which consists of two enzymes, glyoxalase 1 (Glo1) and glyoxalase 2 (Glo2), is considered to be the main detoxification pathway of methylglyoxal. Here, we generated Glo1 knockout mice from the ES cell carrying $Glo1^{tm1a(KOMP)Mbp}$ allele, which purchased from KOMP. This is the first reported Glo1 knockout mice. Glo1 knockout mice were non-lethal, exhibit normal gross phenotype, normal reproductive functions, and survived more than 2 years. Generated knockout mice were confirmed by PCR, western blot, and enzyme activity analysis. Accumulation of MG-H1 in Glo1 knockout mice liver was detected by western blot, whereas brain did not. No significant difference detected in total GSH level between wild-type and knockout mice.
DJ-1, autosomal recessive early onset familial Parkinson’s disease associated protein, revealed as a novel glyoxalase, which catalyze glyoxal / methylglyoxal into glycolate / L-lactate without any cofactor. Unlike glyoxalase system and AKR, which have a higher activity with methylglyoxal than glyoxal, mouse DJ-1 convert glyoxal more efficiently. Significant decrease in L-lactate level was observed in DJ-1 knockout mice brain, which reveals mouse DJ-1 really perform glyoxalase function within organism. Accumulated MG-H1, one of the advanced glycation end products, was observed in 28-month old male mice heart, liver, and brain extract. Stereotaxic injection of methylglyoxal and glyoxal into the SNpc or dorsal striatum was performed, and reduced TH-positive neuron in both the SNpc and striatum was observed. Glyoxal or methylglyoxal injected mice showed unexpected behavior. There mice showed more activity during few weeks after surgery and spontaneous rotation, underlying mechanism need to be further studied.
메틸글라이옥살과 글라이옥살은 반응성이 높은 $\alpha$-옥소알데하이드로서 생체 내 다양한 대사과정 중 발생한다. 이들은 단백질의 알지닌, 라이신, 시스테인 잔기, DNA나 RNA의 구아니딘 잔기와 반응하여 최종당화산물을 형성하며, 이로 인해 단백질의 기능이상이나 유전물질의 돌연변이를 일으킨다. 이들을 분해하기 위한 효소로는 글라이옥살레이즈 1, 2 두 가지 효소와 보조인자인 GSH로 이루어진 글라이옥살레이즈 시스템과 알도케토환원효소(ARK)가 알려져 있었다.KOMP에서 구매한 $Glo1^{tm1a(KOMP)Mbp}$ 대립유전자를 가진 배아줄기세포로부터 글라이옥살레이즈 1 결손 생쥐를 만들었다. 이 생쥐는 비 치사 성으로 태어났으며, 정상적인 생식기능과 수명을 보였다. 태어난 결손생쥐들은 PCR과, 웨스턴블랏, 효소반응을 통해 글라이옥살레이즈가 결손 되어 있음을 확인하였다. 생쥐의 조직에서 얻은 시료에서 최종 당화산물 중 하나인 MG-H1의 축적을 보았을 때 뇌조직에서는 차이를 보이지 않았으나, 결손생쥐의 간 조직에서 MG-H1의 축적이 증가되어있음을 밝혔다.
인간에서 파킨슨병과 연관된 것으로 알려져 있는 DJ-1에 대한 연구에서, DJ-1은 다른 보조인자 없이 작용할 수 있는 새로운 글라이옥살레이즈로 밝혀졌다. 정제한 생쥐 DJ-1 단백질을 통한 효소반응속도연구에서 글라이옥살레이즈 1/2나 AKR과 다르게 글라이옥살에 더 강한 효소반응을 보였다. DJ-1의 메틸글라이옥살 효소반응 산물로서 생성되는 L-락테이트의 양을 생쥐의 조직시료에서 측정 하였을 때 DJ-1 결손생쥐의 뇌에서 유의미하게 감소하였음을 보였고, 이로써 생체 내에서도 DJ-1이 글라이옥살레이즈로서 작용함을 밝혔다. 또한, 28개월 된 늙은 생쥐의 뇌, 간, 심장에서 MG-H1을 측정하였을 때 DJ-1 결손 생쥐에서 더 많은 MG-H1이 축적되어있음을 보였다. 뇌정위수술을 통해 메틸글라이옥살과 글라이옥살을 파킨슨병과 연관된 흑색질치밀부와 배후선조체에 주입하였을 때 도파민뉴런이 죽는 것을 확인하였으며, 특이적인 회전행동이 나타남을 관측하였다.
이전 연구에서는 글라이옥살레이즈 시스템이 글라이옥살과 메틸글라이옥살의 해독에 주요한 역할을 하는 것으로 알려졌으나, 본 연구에서 글라이옥살레이즈 1 결손 생쥐가 비 치사 성으로 태어나고 정상적인 생식기능과 수명을 가짐을 보임으로써 다른 효소들 또한 중요하게 작용하고 있음을 추측할 수 있었다. 본 연구에서 만들어진 글라이옥살레이즈 1 결손생쥐와 사용한 DJ-1 결손 생쥐를 비교 분석함으로써 생체 내에서 각 효소가 $\alpha$-옥소알데하이드의 해독에 차지하는 비율과 각 효소가 갖는 기능적 차이를 밝히는데 기여 할 것으로 기대되며, $\alpha$-옥소알데하이드와 연관된 질병의 연구와 치료법을 개발하는 기반으로서 활용될 것으로 기대된다.
