晚期糖基化终末产物（AGEs）

晚期糖基化终末产物（Advanced Glycation End products，AGEs）

一、AGEs

1984 年，Vlassara 首次提出晚期糖基化终末产物（Advanced Glycation End products，AGEs）这一概念[1]。生物大分子如蛋白质、脂质与核酸均可在没有酶参与的条件下自发地与葡萄糖及其他还原性糖反应，产生稳定的共价加成产物，即晚期糖基化终末产物（AGEs）[1,6]。这一反应又被称为美拉德反应（Maillard reaction）[7]。

AGEs 化学特征包括：

• AGEs 呈棕色，具有特殊吸收光谱[1]；
• AGEs 的形成发生于蛋白质、脂质与核酸[6]；
• AGEs 修饰是不可逆的[6]；
• AGEs 对酶稳定，不易被降解[1,6]；
• AGEs 是高度反应性物质，可引起同一蛋白如胶原多肽间交联的形成，及俘获未糖化蛋白，如低密度脂蛋白（LDL）、免疫球蛋白（Ig）等[6]；
• 脂质 AGEs 的形成引起脂质氧化[6]；
• AGEs 可化学性灭活 NO[6]；
• AGEs 是非酶促反应，高血糖状态可以加速这一过程[1]。

二、糖化反应/美拉德反应

糖化（Glycation）不同于糖基化（glycosylation）。糖化是大分子的非酶翻译后修饰，而糖基化是一种依赖酶的反应，该反应通过位点特异性过程将碳水化合物与另一分子的羟基结合[8]。

糖化反应，又称美拉德反应（Maillard reaction），可分为三个阶段（Fig. 2）：早期、中期、晚期。含有羟赖氨酸、赖氨酸和精氨酸残基的蛋白质更容易发生糖化[8]。糖化反应在早期（而不是晚期）是剂量依赖性的[12]。

• 早期：通过蛋白质和糖基的氨基羰基相互作用形成希夫碱（Schiff's base），这是一种早期糖基化终末产物（early glycation end products，EGEs）。
• 中期：希夫碱（Schiff's base）不稳定，通过快速环化和化学重排产生相对稳定的阿马多里产物（Amadori products）。
• 晚期：阿马多里产物（Amadori products）经过氧化、碎裂和化学重排形成不同的α-二羰基化合物（α-dicarbonyls），如乙二醛（glyoxal）、甲基乙二醛（methylglyoxal，MG）、3-脱氧葡萄糖酮（3-deoxyglucosone，3-DG）。而这些二羰基化合物也被称为美拉德反应的中间产物，最终形成 AGEs。

三、AGEs成分

在生理条件下，AGEs 的产生缓慢，并被抗氧化系统有效抑制；然而，在病理条件下，如高血糖，AGEs 的形成加速，超过了抗氧化系统的保护作用（图[12]）[10]。

1、成分

AGEs 是氧化应激的标志（Figure 1[14]），包括[10,12,14]：

• CML（carboxymethyl-lysine，羧甲基赖氨酸）
• Pentosidine（戊糖素 / 戊糖苷）
• Glucosepane
• Crosslink（交联）
• GOLA（Nε-[2-[(5-amino-5-carboxypentyl) amino]-2-oxoethyl]-lysine;）
• Pyrraline（Pyr，吡咯素）
• CEL（carboxyethyl-lysine，羧乙基赖氨酸）
• GOLD（glyoxal-lysine dimer，乙二醛-赖氨酸二聚体）
• MOLD（methylglyoxal-lysine dimer，MG-赖氨酸二聚体）
• DOLD（3-deoxyglucosone-lysine dimer，3-DG-赖氨酸二聚体）
• G-H1（glyoxal-hydroimidazolone-1，乙二醛-氢化咪唑酮-1）
• MG-H1（methylglyoxal-hydroimidazolone-1，MG-氢化咪唑酮-1）
• MG-H3
• 3DG-H1（3-deoxyglucosone-hydroimidazolone-1，3-DG-氢化咪唑酮-1）
• CEA（carboxyethyl-arginine，羧乙基精氨酸）
• CMA（carboxymethyl-arginine，羧甲基精氨酸）
• CMC（carboxymethyl-cysteine，羧甲基半胱氨酸）
• GODIC（glyoxal-derived imidazolium crosslink，乙二醛来源的咪唑啉型交联）
• MODIC（methylglyoxal-derived imidazolium crosslink，MG来源的咪唑啉型交联）
• DODIC（3-deoxyglucosone-derived imidazolium crosslink，3-DG来源的咪唑啉型交联）
• Argpyrimidine
• THP（tetrahydropyrimidine，四氢嘧啶）

2、来源[10,12,14]

（1）直接重排产物：

• CML、Pentosidine、Glucosepane、Crosslink、GOLA、Pyrraline。

（2）乙二醛（glyoxal）来源产物：

• CML、GOLD、GODIC、CMC、CMA、GOLA、G-H1。

（3）甲基乙二醛（MG）来源产物：

• CEL、MOLD、MODIC、Argpyrimidine、CEA、MG-H1、MG-H3、THP。

（4）3-DG 来源产物：

• DOLD、DODIC、Glucosepane、3DG-H1、Pyrraline、Pentosidine、Crosslink。

3、特征

各种 AGEs 在免疫上是不同的，并共存于不同的载体蛋白上，如白蛋白、血红蛋白、晶状体、低密度脂蛋白胆固醇[12]。

在 20 多种 AGEs 中，CML、戊糖素作为氧化 AGEs，特征性最好[12]。

• 戊糖素是一种由精氨酸和赖氨酸交联形成的荧光化合物，在酸性蛋白质水解下稳定，由于其特有的荧光，在很低的浓度下可检测到[10]。戊糖素在体内 AGEs 中所占比例相对较小（<1%）[13]。
• CML 可作为碳水化合物和脂质氧化反应引起的氧化应激的一般生物标志物[12]。

4、分布

AGEs 的形成发生在所有组织和体液中，包括细胞内和细胞外[10]。有研究使用免疫组化检测 MG-H1，发现其主要聚集于小鼠终板，而非髓核组织（Figure 5）[11]。

四、氧化应激

AGEs 形成过程中产生大量自由基，这些自由基可以使蛋白质、脂质发生氧化。AGEs 本身还可以可减弱 SOD 的活性，降低机体抗氧化的能力[1]。

（1）氧化型低密度脂蛋白（ox-LDL）

低密度脂蛋白（low-density lipoproteins，LDL）可分为氧化型低密度脂蛋白（oxidised LDL，ox-LDL）、糖化型低密度脂蛋白（glycated LDL）、糖基化型低密度脂蛋白（glycoxidated LDL）[12]。

AGEs 引起 ox-LDL 的生成增加，ox-LDL 的重要作用包括[1]：

• ①ox-LDL 能促进 AGEs 的生成，形成 AGEs 与脂质氧化的恶性循环；
• ②ox-LDL 可导致 NO 的生成减少，降低 NO 的生物活性，引发内皮功能障碍；
• ③ox-LDL 能够增加单核细胞对血管内皮的粘附作用，促进巨噬细胞转化为泡沫细胞，诱导平滑肌细胞增殖；
• ④ox-LDL 促进胶原蛋白的交联；
• ⑤ox-LDL 抑制胆固醇的逆转运。

五、AGEs与基质蛋白

胶原是第一个被发现通过 AGEs 修饰形成分子内共价交联的基质蛋白。在衰老过程中，一个最明显的变化就是组织进行性变硬[6]。AGEs 修饰的胶原蛋白对胶原酶及胃蛋白酶的敏感性下降[6]，不易受到水解酶的影响[10]。AGEs 可交联 ECM 分子，降低蛋白多糖的亲水性，从而直接或间接增加组织硬度[4]。

六、椎间盘退变

（1）AGEs 与 RAGE

1991 年，Hormel 在退行性椎间盘髓核区域观察到的棕色退变是蛋白质糖基化产物（如AGEs）积累的结果，伴随特异性荧光，随着时间推移而增加。Schleicher 报道了正常胎儿、青少年和成人组织中 AGEs 的免疫定位清楚地显示出年龄依赖性的染色模式。此外，正常的髓核细胞呈阴性，而退行性椎间盘组织呈轻度至中度阳性染色[9]。

随着时间推移，AGEs 在各种组织中积累，但积累本身不会导致生物活性。只有在 AGEs 与 RAGE（RAGE 为 AGEs 受体，具体见下文 5 楼）发生反应后，各种生物活动才会发生[9]。 Yokosuka [9]首次提供了 RAGE 存在于椎间盘髓核的证据。由于髓核中不仅存在 AGEs，也存在 RAGE，因此发生在关节软骨中的生物活动也有可能发生在椎间盘中。

（2）信号通路

AGEs 在髓核组织中积累，通过抑制 AMPK/PCG-1α 磷酸化过程（见帖：PGC-1α），引起 SIRT3 功能（见帖：Sirtuin家族）和线粒体抗氧化网络（包括 SOD2、CAT、TRX2、TRXR2，见帖：氧化应激）受损，诱导了氧化微环境和线粒体功能障碍。NMN（烟酰胺单核苷酸，见帖：Sirtuin家族）通过恢复 SIRT3 功能，对 AGEs 诱导的氧化微环境和线粒体功能障碍起到了保护作用（Fig 9）[5]。

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参考文献

[1]赵方圆.关于晚期糖基化终末产物的研究进展[J].山东医学高等专科学校学报,2013,35(05):394-396.

[2]赵磊. 程序性坏死在氧化应激诱导髓核细胞死亡中的作用及机制研究[D].华中科技大学,2018.

[3]Cao G, Yang S, Cao J, Tan Z, Wu L, Dong F, Ding W, Zhang F. The Role of Oxidative Stress in Intervertebral Disc Degeneration. Oxid Med Cell Longev. 2022 Jan 12;2022:2166817. doi: 10.1155/2022/2166817. PMID: 35069969; PMCID: PMC8769842.

[4]Dudli S, Fields AJ, Samartzis D, Karppinen J, Lotz JC. Pathobiology of Modic changes. Eur Spine J. 2016 Nov;25(11):3723-3734. doi: 10.1007/s00586-016-4459-7. Epub 2016 Feb 25. PMID: 26914098; PMCID: PMC5477843.

[5]Song Y, Li S, Geng W, et al. Sirtuin 3-dependent mitochondrial redox homeostasis protects against AGEs-induced intervertebral disc degeneration. Redox Biol. 2018;19:339–353. doi:10.1016/j.redox.2018.09.006

[6]苏连芳,邓洪斌.晚期糖基化终产物直接病理作用机制研究进展[J].国外医学(老年医学分册),2003(04):183-185.

[7]Song Y, Wang Y, Zhang Y, et al. Advanced glycation end products regulate anabolic and catabolic activities via NLRP3-inflammasome activation in human nucleus pulposus cells. J Cell Mol Med. 2017;21(7):1373-1387. doi:10.1111/jcmm.13067

[8]Haque E, Kamil M, Hasan A, Irfan S, Sheikh S, Khatoon A, Nazir A, Mir SS. Advanced glycation end products (AGEs), protein aggregation and their cross talk: new insight in tumorigenesis. Glycobiology. 2019 Dec 12;30(1):49-57. doi: 10.1093/glycob/cwz073. PMID: 31508802.

[9]Yokosuka K, Park JS, Jimbo K, Yamada K, Sato K, Tsuru M, Takeuchi M, Yamagishi S, Nagata K. Advanced glycation end-products downregulating intervertebral disc cell production of proteoglycans in vitro. J Neurosurg Spine. 2006 Oct;5(4):324-9. doi: 10.3171/spi.2006.5.4.324. PMID: 17048769.

[10]Corica D, Pepe G, Currò M, Aversa T, Tropeano A, Ientile R, Wasniewska M. Methods to investigate advanced glycation end-product and their application in clinical practice. Methods. 2022 Jul;203:90-102. doi: 10.1016/j.ymeth.2021.12.008. Epub 2021 Dec 21. PMID: 34942356.

[11]Illien-Jünger S, Lu Y, Qureshi SA, Hecht AC, Cai W, Vlassara H, Striker GE, Iatridis JC. Chronic ingestion of advanced glycation end products induces degenerative spinal changes and hypertrophy in aging pre-diabetic mice. PLoS One. 2015 Feb 10;10(2):e0116625. doi: 10.1371/journal.pone.0116625. PMID: 25668621; PMCID: PMC4323205.

[12]Singh R, Barden A, Mori T, Beilin L. Advanced glycation end-products: a review. Diabetologia. 2001 Feb;44(2):129-46. doi: 10.1007/s001250051591. Erratum in: Diabetologia 2002 Feb;45(2):293. PMID: 11270668.

[13]Broz K, Walk RE, Tang SY. Complications in the spine associated with type 2 diabetes: The role of advanced glycation end-products. Med Nov Technol Devices. 2021 Sep;11:100065. doi: 10.1016/j.medntd.2021.100065. Epub 2021 Mar 2. PMID: 35992525; PMCID: PMC9390092.

[14]Zeng C, Li Y, Ma J, Niu L, Tay FR. Clinical/Translational Aspects of Advanced Glycation End-Products. Trends Endocrinol Metab. 2019 Dec;30(12):959-973. doi: 10.1016/j.tem.2019.08.005. Epub 2019 Oct 6. PMID: 31597608.