Komponenten eines neu identifizierten zellulären Schutzmechanismus gegen Methylglyoxal-induzierte Proteinschädigung liegen in der diabetischen Nephropathie hochreguliert vor

Fragestellung: Der reaktive Metabolit Methylglyoxal (MG) liegt bei Diabetikern erhöht vor und ist an der Entstehung diabetischer Komplikationen beteiligt. Dessen Wirkung beruht auf irreversiblen Protein-Modifikationen, die zu Protein-Fehlfaltung und Aggregation führen. Wir konnten einen komplexen Schutzmechanismus gegen erhöhte MG-Konzentrationen identifizieren, der von der Hefe bis zum Menschen konserviert ist. Wir untersuchten i) die Aktivierung dieses zellulären Schutzmechanismus, ii) dessen Effektorsysteme sowie iii) die Ziel-Proteine der intrazellulären MG-Modifikationen.

Methodik: Zelluläre Schutzmechanismen gegen MG wurden in Hefe- und Mausendothelzellen untersucht. Mittels mRNA-Sequenzierung in Hefezellen wurde die transkriptionelle Antwort auf erhöhte MG-Konzentrationen identifiziert. Anschließend wurden Schlüsselkomponenten im Säugersystem validiert. Fluoreszenz-/Elektronenmikroskopie wurden zur Lokalisierung MG-induzierter Proteinaggregate genutzt. Die Expression einzelner Komponenten des Schutzmechanismus konnte im Nierengewebe von Patienten mit Typ 2 Diabetes (T2D) und diabetischer Nephropathie mittels Immunhistochemie nachgewiesen werden.

Ergebnisse: Niedrige MG-Konzentrationen aktivieren einen zellulären Abwehrmechanismus, der gegen ansteigende MG-Spiegel schützt. Dieser existiert sowohl in Hefe- als auch in Mausendothel- und Tubulusepithelzellen. Zu den Effektoren zählen das Proteinqualitätskontrollsystem sowie ein metabolisches Remodelling, um eine weitere MG-Bildung zu vermeiden. Dem Hitzeschockprotein70 (Hsp70) kommt eine essentielle Rolle zu: sein Funktionsverlust führt zur zellulären MG-Hypersensitivität. Weiterhin essentiell ist VMS1, welches die Mitochondrien-assoziierte Proteindegradation (MAD) steuert. Die MAD scheint somit kritisch für das zelluläre Überleben bei MG-Stress zu sein. Ebenfalls lokalisiert Hsp70 nach MG-Behandlung verstärkt an mitochondrialen-Aggregaten. Die Relevanz unserer Daten für T2D und diabetische Nephropathie zeigt sich anhand des hierbei akkumulierenden Hsp70.

Schlussfolgerung: Der zelluläre Schutzmechanismus gegenüber ansteigendem MG kann durch nicht-toxische MG-Konzentrationen initiiert werden und umfasst die verminderte weitere MG-Bildung sowie die Beseitigung MG-geschädigter Proteine.