Study of oxidation and non-enzymatic glycosylation posttranslational modifications using a proteomic approach

Abstract

A glicosilação não-enzimática e o stress oxidativo representam dois processos importantes visto desempenharem um papel importante no que respeita às complicações de vários processos patofisiológicos. No presente, a associação entre a glicosilação não-enzimática e a oxidação de proteínas é reconhecida como sendo um dos principais responsáveis pela acumulação de proteínas não-funcionais que, por sua vez, promove uma contínua sensibilização para um aumento do stress oxidativo ao nível celular. Embora esteja disponível bastante informação no que respeita aos dois processos e suas consequências ao nível estrutural e funcional, permanecem questões por esclarecer acerca do que se desenvolve ao nível molecular. Com o objectivo de contribuir para uma melhor compreensão da relação entre a glicosilação não-enzimática e a oxidação, proteínas modelo (albumina, insulina e histonas H2B e H1) foram submetidas a sistemas in vitro de glicosilação não-enzimática e oxidação em condições controladas e durante um período de tempo específico. A identificação dos locais de glicosilação e oxidação foi realizada através de uma abordagem proteómica, na qual após digestão enzimática se procedeu à análise por cromatografia líquida acoplada a espectrometria de massa tandem (MALDI-TOF/TOF). Esta abordagem permitiu a obtenção de elevadas taxas de cobertura das sequências proteicas, permitindo a identificação dos locais preferenciais de glicosilação e oxidação nas diferentes proteínas estudadas. Como esperado, os resíduos de lisina foram os preferencialmente glicosilados. No que respeita à oxidação, além das modificações envolvendo hidroxilações e adições de oxigénio, foram identificadas deamidações, carbamilações e conversões oxidativas específicas de vários aminoácidos. No geral, os resíduos mais afectados pela oxidação foram os resíduos de cisteína, metionina, triptofano, tirosina, prolina, lisina e fenilalanina. Ao longo do período de tempo estudado, os resultados indicaram que a oxidação teve início em zonas expostas da proteína e/ou localizadas na vizinhança de resíduos de cisteína e metionina, ao invés de exibir um comportamente aleatório, ocorrendo de uma forma nãolinear por sua vez dependente da estabilidade conformacional da proteína. O estudo ao longo do tempo mostrou igualmente que, no caso das proteínas préglicosiladas, a oxidação das mesmas ocorreu de forma mais rápida e acentuada, sugerindo que as alterações estruturais induzidas pela glicosilação promovem um estado pro-oxidativo. No caso das proteínas pré-glicosiladas e oxidadas, foi identificado um maior número de modificações oxidativas assim como de resíduos modificados na vizinhança de resíduos glicosilados. Com esta abordagem é realizada uma importante contribuição na investigação das consequências do dano ‘glico-oxidativo’ em proteínas ao nível molecular através da combinação da espectrometria de massa e da bioinformática.

Glycation and oxidative stress are two important processes known to play a key role in complications of many pathophysiological processes. It is nowadays acknowledged the association between glycation and oxidation events as a major responsible for the accumulation of non-functional damaged proteins that in turn promote continuous sensitization to further oxidative stress at the cellular level. Despite the large amount of information concerning both events and their consequences at structural and functional levels, questions remain to answer on what happens at the protein molecular level. With the aim of contributing to better understand the interrelationship between glycation and oxidation, model proteins (BSA, insulin and histones H2B and H1) were submitted to in vitro systems of glycation and oxidation under controlled conditions and through a specific period of time. Identification of glycation and oxidation sites was performed through a proteomics approach. Protein samples were enzimatically digested and further analyzed by nano-liquid chromatography coupled to MALDI-TOF/TOF mass spectrometry. This approach allowed obtaining high protein coverage rates, enabling the identification of the most susceptible sites of glycation and oxidation in the different studied proteins. As expected, lysine residues were preferentially glycated and with respect to oxidation, besides protein hydroxyl derivatives and oxygen additions, modifications such as deamidations, carbamylations and specific amino acid oxidative conversions were detected. In general, the main affected amino acids by oxidative damage were cysteine, methionine, tryptophan, tyrosine, proline, lysine and phenylalanine. The time-course study of the oxidative damage indicated the oxidative attack, rather than occurring randomly, initiates at surface-exposed regions and/or near cysteine and methionine residues and occurs in a non-linear way depending on the conformational stability of the protein. Time-course analysis also showed a more pronounced and earlier occurrence of the oxidative damage in the case of preglycated proteins, suggesting that structural changes caused by glycation induce a pro-oxidant state. This increased oxidative damage included not only a greater number of oxidative modifications, but also of oxidized residues, occurring in the vicinity of the glycated residues. Through this kind of approach, an important contribution is made in the investigation of the consequences of protein ‘glycoxidative’ damage at a molecular level through the profit combination of mass spectrometry and bioinformatics.