German Title: Die Anhäufung endogenem Acetaldehyds in Aldehyd-Dehydrogenase 2 Gen Knockout Zebrafischen führt zu Mikrovaskulären Komplikationen und beeinträchtigtem Glukosemetabolismus

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Abstract

Reactive carbonyl species (RCS) are spontaneously formed during metabolism and modify and impair the function of DNA, proteins, and lipids, leading to several organ complications. The most prominent constituent of this class is methylglyoxal (MG) with its ability to produce and cause the accumulation of advanced glycation endproducts (AGEs). Methylglyoxal is a non-enzymatic byproduct of glycolysis, amino acids, lipids and more, and can be detoxified primarily through the glyoxalase system, aldehyde dehydrogenases (Aldh) and aldo-ketoreductases (Akr). Studies about the glyoxalase system have recently been completed for mice, zebrafish and Drosophila and reveal that compensatory mechanisms like Aldh and Akr will significantly reduce complications during loss of function of the glyoxalase system. However, the effect of endogenous elevation of these various RCS like acetaldehyde (AA), 4-hydroxynonenal (4-HNE), and acrolein (ACR) are currently poorly understood. Therefore, this study aimed to identify the specific primary RCS detoxification target of different Aldh family members and to investigate the impact of endogenous elevation on organ complications and glucose metabolism in vivo. In zebrafish, knockout of the RCS detoxifying enzymes glyoxalase 1 (Glo1), aldehyde dehydrogenase 3a1 (Aldh3a1) and aldo-ketoreductase 1a1a (Akr1a1a) showed a signature of elevated RCS which specifically regulated glucose metabolism, hyperglycemia and diabetic organ damage. The isoform aldh2.1 was compensatory upregulated in glo1 / animals as well and therefore implemented as a single gene knockout mutant in zebrafish. The knockout mutant was analyzed on a histological, metabolic and transcriptional level, because aldh2.1-/- zebrafish displayed increased endogenous acetaldehyde (AA) inducing an increased angiogenesis in retinal vasculature. Furthermore, expression and pharmacological interventional studies identified an imbalance of c-Jun N-terminal kinase (JNK) and p38 MAPK induced by AA, which mediated an activation of angiogenesis. However, the increased AA in aldh2.1-/- zebrafish did not induce hyperglycemia, instead AA inhibited the expression of glucokinase (gck) and glucose-6-phosphatase (g6pc), which led to an impaired glucose metabolism akin to hypoglycemia. In conclusion, the data have identified AA as the preferred substrate for Aldh2.1’s detoxification ability, which subsequently caused microvascular organ damage and impaired glucose metabolism independently of ethanol exposure.

Translation of abstract (German)

Reaktive Carbonyl Spezies (RCS) werden in jedem Organismus spontan während des Stoffwechsels produziert und sind problematisch, weil sie die Struktur und Funktion von DNA, Proteinen und Lipiden verändern und beeinträchtigen können. Das bekannteste Mitglied dieser Klasse ist Methylglyoxal (MG), welches eine Anhäufung von advanced glycation endproducts (AGEs) verursacht und damit zu schweren Organschäden führen kann. MG selbst ist ein Nebenprodukt, das hauptsächlich durch eine nicht-enzymatische Reaktion während der Glykolyse produziert wird, weitere Quellen sind Aminosäuren, Lipide und Aceton. Methylglyoxal wird vorrangig durch das Glyoxalase System detoxifiziert, kann aber auch durch weitere Enzymfamilien wie die Aldehyddehydrogenasen (Aldh) oder die Aldo-Keto Reduktasen (Akr) abgebaut werden. Neueste Studien über den Funktionsverlust des Glyoxalase Systems in Maus, Zebrafisch und Drosophila haben offengelegt, dass die Aldehyddehydrogenasen und die Aldo-Keto Reduktasen kompensatorische Aktivität für MG besitzen und so Komplikationen abmildern. In Verbindung zu den Befunden zu Aldh und Akr wird derzeit angenommen, dass die verschiedensten RCS Auslöser für mikrovaskuläre Komplikationen sein können, jedoch sind die inneren Mechanismen zur Anreicherung von RCS wie Acetaldehyd (AA), 4-Hydroxynonenal (4-HNE), Akrolein (ACR) und weitere sowie die nachfolgende Schadensentwicklung nur schlecht verstanden. Daher war das Ziel dieser Studie herauszufinden, welche spezifischen Metabolite von verschiedensten Aldhs primär detoxifiziert werden und welche Auswirkung eine endogene Anhäufung dieser Metabolite auf die Gesundheit verschiedener Organe und den Glukose Metabolismus hat. Im Zebrafisch führte der Knockout von glo1, aldh3a1 und akr1a1a zur Anhäufung von spezifischen primären RCS. Diese RCS enthüllten einen unterliegenden spezifischen Mechanismus zur Regulation des Glukosemetabolismus bis hin zur Hyperglykämie und diabetischen Organschäden. Zusätzlich wurde in den Studien um glo1 gezeigt, dass diverse Aldh Gene kompensatorisch hochreguliert waren. Zu diesen Genen zählt aldh2.1, welches daher als Gen Knockout Mutante im Zebrafisch mittels CRISPR/Cas9 hergestellt und histologisch, metabolisch und transkriptionell analysiert wurde. aldh2.1 / Zebrafische wiesen eine Anhäufung von endogenem AA auf, welche zu einer erhöhten Angiogenese in der retinalen Vaskulatur führte. Diese Aktivierung der Angiogenese wurde getrieben durch ein Ungleichgewicht in der Expression von c-Jun-N-terminaler Kinase (JNK) und p38 Mitogen-Activated Protein Kinase (MAPK). Des Weiteren konnte herausgefunden werden, dass die Anhäufung von AA in aldh2.1-/- Zebrafischen keine Hyperglykämie auslöste, sondern über die Inhibierung der Expression von Glucokinase (gck) und Glukose-6-phosphatase (g6pc) zu einem beschädigten Glukose Metabolismus führte.