Interakcje flawonoidów z makrocząsteczkami w chorobach człowieka ze szczególnym uwzględnieniem choroby Alzheimera, miażdżycy i raka

Osiągnij e-mail:tina.xiang@wecistanche.comPo więcej informacji

Abstrakcyjny: Flawonoidy, klasa polifenoli, spożywanych codziennie w naszej diecie, wiążą się ze zmniejszonym ryzykiem chorób przewlekłych związanych ze stresem oksydacyjnym (OS), takich jak choroby sercowo-naczyniowe, choroby neurodegeneracyjne, nowotwory izapalenie. Udział flawonoidów w chorobach przewlekłych związanych z OS tradycyjnie przypisywano ich aktywności przeciwutleniającej. Jednak dowody z ostatnich badań wskazują, że korzystny wpływ flawonoidów można przypisać ich interakcji z makrocząsteczkami komórkowymi, a nie bezpośredniemu działaniu przeciwutleniającemu. Niniejszy przegląd zawiera przegląd ostatnich rozwijających się badań nad interakcjami między flawonoidami i lipoproteinami, białkami, chromatyną, DNA i cząsteczkami sygnalizacji komórkowej, które są zaangażowane w przewlekłe choroby związane z OS; skupia się na mechanizmach, dzięki którym flawonoidy łagodzą rozwój wyżej wymienionych chorób przewlekłych poprzez bezpośredni i pośredni wpływ na ekspresję genów i funkcje komórkowe. Obecny przegląd podsumowuje dane z literatury i naszych ostatnich badań, a następnie porównuje interakcje poszczególnych flawonoidów z ich celami, koncentrując się naflawonoidrelacje struktura-aktywność. Ponadto przedstawiono różne metody oceny interakcji flawonoid-białko i flawonoid-DNA. Naszym celem jest rzucenie światła na działanie flawonoidów w organizmie, wykraczające poza ich ugruntowaną, bezpośrednią aktywność przeciwutleniającą, oraz dostarczenie wglądu w mechanizmy, dzięki którym te małe cząsteczki, spożywane codziennie, wpływają na funkcje komórkowe.

Słowa kluczowe:flawonoid; przeciwutleniacz; stres oksydacyjny; zapalenie; Alzheimera; miażdżyca; nowotwór

1. Wstęp

Flawonoidyto klasa polifenoli w roślinach, które są powszechnie spożywane w naszej diecie. Mają ogólny szkielet strukturalny C6–C3–C6, w którym dwie jednostki C6 (pierścień A i pierścień B) mają charakter fenolowy. Flawonoidy można podzielić na różne podgrupy, takie jak: flawony, flawonole, flawanony, flawanonole, flawanole-3-ole i antocyjany (ryc. 1). Podczas gdy w większości flawonoidów pierścień B jest połączony w pozycji C2 pierścienia C, w niektórych, takich jak izoflawony i izoflawany, pierścień B jest połączony w pozycji C3 [1].

Dietetycznyflawonoidyto produkty naturalne, które są szeroko rozpowszechnione w królestwie roślin. Wiele produktów spożywczych i napojów, takich jak owoce, warzywa, rośliny strączkowe, produkty pełnoziarniste, czekolada, przyprawy, herbata i wino, jest bogatym źródłem flawonoidów [1]. Przez dziesięciolecia naukowcy i producenci żywności coraz bardziej interesowali się flawonoidami, ze względu na ich właściwości przeciwutleniające, ich dużą obfitość w naszej diecie oraz ich sugerowaną rolę w zapobieganiu różnym chorobom związanym z OS, takim jak nowotwory, układy sercowo-naczyniowe i choroby neurodegeneracyjne [2–5]. Ostatnia literatura dostarcza coraz więcej dowodów na to, że działanie flawonoidów jest pośredniczone przez mechanizmy inne niż klasyczna aktywność antyoksydacyjna, napędzana przez ich chemiczną właściwość oddawania elektronu lub chelatowania metali przejściowych [6, 7]. Zbadanie ich podstawowych sposobów działania może dostarczyć nowych informacji na temat mechanizmów, za pomocą których flawonoidy wpływają na funkcje biologiczne.

2. Biologiczne działanie flawonoidów

2.1. Flawonoidy jako przeciwutleniacze

W odniesieniu do ich aktywności przeciwutleniającej,flawonoidyuważa się, że zapobiegają chorobom związanym z OS poprzez bezpośrednie wymiatanie reaktywnych form tlenu (ROS) poprzez oddanie atomu wodoru, aktywację enzymów antyoksydacyjnych, aktywność chelatującą metali (takich jak żelazo i miedź) oraz łagodzenie utleniania stres wywołany tlenkiem azotu (NO) [1,8–11]. Jednak aktywność przeciwutleniająca nie może być jedynym wytłumaczeniem komórkowego działania flawonoidów in vivo, ponieważ aktywność przeciwutleniająca wyrażana jest przy stężeniach flawonoidów powyżej 10 µM, ale ich stężenie w krążeniu nie przekracza 2 µM [12]. Flawonoidy pokarmowe są słabo wchłaniane z jelita, silnie metabolizowane lub szybko eliminowane. W trakcie wchłaniania flawonoidy ulegają sprzężeniu w jelicie cienkim, a później w wątrobie. Proces ten obejmuje głównie metylację, siarczanowanie i glukuronidację. Jest to proces detoksykacji metabolicznej, wspólny dla wielu ksenobiotyków, który ogranicza ich potencjalne działanie toksyczne i ułatwia ich eliminację z żółcią i moczem poprzez zwiększenie ich hydrofilności [13]. Ostatnie badania sugerują, że w biologicznych skutkach flawonoidów mogą pośredniczyć różne mechanizmy, które nie zostały jeszcze w pełni zbadane. Niniejszy przegląd koncentruje się na mechanizmie działania flawonoidów poprzez ich interakcję z makrocząsteczkami, takimi jak lipoproteiny, białka komórkowe i surowicze oraz DNA i RNA (ryc. 2）

2.2. Interakcje flawonoidów z makrocząsteczkami

2.2.1. Interakcje flawonoidów z białkiem

Interakcje molekularne białek i kwasów nukleinowych ze związkami o małej masie cząsteczkowej to obszar o fundamentalnym znaczeniu [14]. W niskich stężeniach cząsteczki, takie jak jony, metabolity i osmolity, mogą wpływać na białka, takie jak enzymy, receptory, przeciwciała i czynniki transkrypcyjne [15]. Efekt może występować na poziomie strukturalnym, funkcjonalnym lub konformacyjnym [7]. Flawonoidy dietetyczne są dobrym przykładem małych cząsteczek, które pośredniczą w działaniach komórkowych, które są kluczowe dla kaskad sygnalizacji wewnątrzkomórkowej [16]. Szeroko zbadano wpływ kompleksów flawonoidowo-enzymowych powstałych w wyniku interakcji flawonoidów z np. hydrolazami, oksydazami i kinazami na strukturę i aktywność enzymu. Badania sugerują, że flawonoidy selektywnie oddziałują z różnymi składnikami kinaz białkowych i zmieniają stan ich fosforylacji, regulując w ten sposób wiele szlaków sygnalizacji komórkowej [17]. Podobnie stwierdzono, że flawonoidy działają jako ligandy receptorów jądrowych, powodując ich proliferację lub aktywację i modulując homeostazę energetyczną. Apigenina i kaempferol bezpośrednio tłumiły interakcję między receptorem związanym z estrogenem (ERR) a jego koaktywatorem proliferatorów peroksysomów aktywowanym koaktywatorem receptora-1 (PGC-1). W przeciwieństwie do tego, luteolina hamowała aktywność PGC-1 poprzez promowanie degradacji PGC-1, prowadząc do zahamowania aktywności ERR w komórkach HeLa [7,18]. Flawonoidy, takie jak glabrydyna i glabren, mogą również wchodzić w interakcje i modulować endogenną aktywność receptorów estrogenowych w ludzkich komórkach śródbłonka i mięśni gładkich, przez co mogą spowalniać, a nawet zapobiegać chorobom sercowo-naczyniowym oraz rozwojowi raka piersi i jajnika u kobiet po menopauzie [19]. Ponadto badano również zdolność flawonoidów do interakcji z albuminą surowicy i innymi białkami surowicy [20,21]. Odwracalne lub nieodwracalne interakcje białko–flawonoid zależą od pH, temperatury oraz stężenia białka i flawonoidów [22]. Chociaż biologiczny los kompleksów białkowo-flawonoidowych in vivo jest nadal nieznany, stwierdzono, że flawonoidy wpływają na różne choroby człowieka związane z OS, takie jak nowotwory, choroby sercowo-naczyniowe i neurodegeneracyjne [23–25].

Metody charakteryzowania interakcji flawonoidów z białkiem

Przeprowadzono kilka badań w celu scharakteryzowania interakcji między dietetycznymi flawonoidami a białkami, głównie białkami surowicy i pokarmowymi, na przykład albuminami surowicy i kazeiną [26–30]. Oddziaływania flawonoidowo-białkowe zachodzą głównie poprzez wiązania niekowalencyjne, które wywodzą się z oddziaływań hydrofobowych, van der Waalsa, wiązania mostków wodorowych i oddziaływań jonowych, które mogą zmieniać konformacje białek i aktywność enzymów [31]. Niekowalencyjne interakcje między flawonoidami a białkami są słabe i odwracalne. Badania dostarczyły również informacji na temat reakcji kowalencyjnych między flawonoidami a białkami. Flawonoidy mogą łatwo utleniać się i kowalencyjnie reagować z aminowymi i tiolowymi łańcuchami bocznymi białka poprzez nieodwracalne wiązanie [32]. W celu scharakteryzowania niekowalencyjnych interakcji między flawonoidami a białkami opracowano wiele metod, głównie spektroskopowych (tab. 1) [33–36].

Spektroskopia UV-widzialna jest wykorzystywana do przewidywania interakcji flawonoidów z białkami i dostarczania informacji na temat charakteru tych interakcji. Absorpcja białka przy 280 nm jest związana z aminokwasami aromatycznymi tryptofanem, tyrozyną i fenyloalaniną, które mogą być dalej stymulowane pod wpływem interakcji z flawonoidami [37]. Spektroskopia dichroizmu kołowego jest wykorzystywana do ilościowej analizy zmian konformacyjnych, zmian -helisy i -arkusza, w białkach w wyniku niekowalencyjnych oddziaływań z małymi cząsteczkami, takimi jak flawonoidy [38]. Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera jest również wykorzystywana do określania zmian w strukturze drugorzędowej białek w wyniku oddziaływań flawonoidów. Metoda ta pozwala na interpretację struktury drugorzędowej z kształtu pasma amidu I, zlokalizowanego około 1650–1660 cm [38]

Właściwości termodynamiczne interakcji wiązania między flawonoidami a białkami można badać za pomocą kalorymetrii miareczkowania izotermicznego, metody opartej na pomiarze ciepła wydzielanego podczas asocjacji molekularnej [39]. Vitali i in. ocenił interakcje wiązania między czterema flawonoidami (kaempferolem, luteoliną, kwercetyną i resweratrolem) a ludzką albuminą surowicy i izoformą 1 S-transferazy glutationowej Pi przy użyciu powierzchniowego rezonansu plazmonowego Taylora (SPR) — wysoce czułej, pozbawionej znaczników techniki badania niekowalencyjne oddziaływania biocząsteczek, zwłaszcza między białkami oraz między białkami i małymi cząsteczkami [40].

Test wygaszania fluorescencji tryptofanem (Trp) jest kolejną czułą, selektywną i szeroko stosowaną metodą określania interakcji między flawonoidami a białkami [21,41,42]. Pobudzenie białek przy 280–290 nm indukuje emisję fluorescencji w zakresie 340–350 nm ze względu na obecność Trp. wygaszanie fluorescencji w tym zakresie można przypisać wiązaniu flawonoidów. Stosując tę ​​metodę, mechanizm wygaszania — statyczny (tworzenie kompleksu między polifenolem a białkiem) lub dynamiczny (zderzenie fluoroforu z wygaszaczem) — można określić za pomocą równania Sterna-Volmera i obliczając stałą Sterna-Volmera i stałą szybkości wygaszania . W przypadku wygaszania statycznego można obliczyć stałą wiązania i liczbę miejsc wiązania w cząsteczce białka, a następnie scharakteryzować właściwości termodynamiczne. Wreszcie, obliczenia dokowania można wykorzystać do przewidzenia dopasowania ocenianego ligandu w białku, gdzie kształt jest komplementarny do miejsca wiązania. Modelowanie obliczeniowe uzupełnia dane eksperymentalne dotyczące wiązania flawonoidów z białkami i pozwala na wielkoskalowe badania przesiewowe różnych celów białkowych wybranych ze struktur dostępnych w Protein Data Bank (PDB) [43].

2.2.2. Interakcje flawonoidów z DNA i chromatyną

W literaturze naukowej istnieje wiele dowodów na regulację genomu przez flawonoidy poprzez ekspresję genów i zmiany chromosomalne [24,51], chociaż dokładny mechanizm działania pozostaje niejasny [48,52]. Wykazano, że flawonoidy, takie jak kwercetyna i EGCG, przenikają przez błony komórkowe i gromadzą się w jądrze ludzkich komórek jelitowych i wątrobowych [53,54]. Struktura kwercetyny pozwala na hydrofobową interkalację jej najbardziej hydrofobowego segmentu do wnętrza helisy DNA [55]. Kwercetyna interkaluje z dupleksami DNA i RNA i preferencyjnie wiąże się z potrójnym i tetrapleksowym DNA w ludzkich komórkach raka prostaty (DU 145) [53]. Chociaż w kaempferolu i luteolinie występuje taka sama liczba grup OH, które są głównie zaangażowane w mechanizm przenoszenia wodoru, ta ostatnia wykazuje nieco większe powinowactwo do DNA. Może to być spowodowane obecnością OH w pozycji 30. Zależności struktura-aktywność w interakcjach flawonoidów-DNA rzeczywiście zostały szeroko wykryte. Sugeruje się, że powinowactwo flawonoidów do DNA wzrasta wzdłuż tej samej sekwencji, jaką wykazuje ich aktywność biologiczna [44]. Po potraktowaniu DNA EGCG lub kwercetyną zaobserwowano różne efekty, w tym uszkodzenie DNA, w ludzkich limfocytach obwodowych [56, 57]. Badania pokazują, że EGCG hamuje aktywność różnych białek chromatyny, takich jak białko wiążące element odpowiedzi cAMP, polimeraza DNA, metylotransferaza DNA i topoizomeraza DNA w ludzkich płucach i komórkach gruczolaka jelita grubego oraz w wątrobie, płucach i nerkach myszy [6,24]. ]. Na reakcje te prawdopodobnie wpływa wiązanie EGCG z DNA i RNA lub z białkami przyłączonymi do kwasów nukleinowych w różnych rodzajach interakcji. Podczas gdy interakcje flawonoidów, takich jak resweratrol, kwercetyna, EGCG i genisteina, z DNA są znane, dokładna lokalizacja miejsc wiązania flawonoidów w DNA, sposób interakcji i jego funkcja w genomie nie są w pełni znane. zrozumiany.

Metody charakteryzowaniaFlawonoidy–Interakcje DNA
Wiązanie kowalencyjne małych cząsteczek do DNA po raz pierwszy zaobserwowano na początku lat 80. [58]. Po oznaczeniu kowalencyjnego wiązania [14C] kwercetyny z DNA argumentowano, że flawonoidy wykazują sprzeczne działania biochemiczne (z jednej strony działanie mutagenne, z drugiej działanie przeciwnowotworowe) [44]. Oprócz wiązania kowalencyjnego, flawonoidy mogą oddziaływać z DNA poprzez interkalację, wiązanie rowków i wiązanie szkieletu. Do wyjaśnienia niekowalencyjnych interakcji między flawonoidami a DNA wykorzystano kilka metod, w tym techniki elektrochemiczne i SPR, dichroizm liniowy, absorpcję, fluorescencję i spektroskopie magnetycznego rezonansu jądrowego [44–46]. Wiązanie 10 aglikonów i glikozydów flawonoidowych z dupleksami DNA badano za pomocą spektrometrii masowej z jonizacją metodą elektrorozpylania (ESI-MS) [47]. Analiza ESI-MS i SPR wykazały, że dokładnie trzy cząsteczki EGCG wiążą się z poli(dT) 18-merowymi jednoniciowymi oligomerami DNA poprzez jedną grupę hydroksylową grupy trihydroksyfenylowej w EGCG. Po związaniu EGCG chroniło dwuniciowe oligomery DNA przed stopieniem do jednoniciowego DNA [59].

Obecnie symulacje obliczeniowe i spektroskopia są wykorzystywane głównie do badania informacji biofizycznych (np. trybu interakcji) na temat interakcji między flawonoidami a DNA [60]. Eksperymenty przeprowadzone w ostatnich latach zasugerowały specyficzne miejsca wiązania DNA dla flawonoidów. Na przykład kwercetyna wiąże się z sekwencją dupleksu dodekamerowego CGCGAATTCGCG, której niezwiązana struktura została rozwiązana wiele lat temu (PDB ID: 1BNA) [61]. Obecnie pełny genom organizmu można odkryć za pomocą technologii sekwencjonowania nowej generacji (NGS), takich jak maszyny do masowo równoległego sekwencjonowania Illumina lub Sanger. Ponadto, zgodnie ze specjalistycznymi protokołami, możliwe jest wyodrębnienie DNA w określonych regionach lub o określonych funkcjach, a następnie wykorzystanie NGS do uzyskania sekwencji DNA. Chem-seq (chemiczne wychwytywanie powinowactwa połączone z masowo równoległym sekwencjonowaniem DNA) to nowa aplikacja NGS, która została ostatnio wykorzystana do ekstrakcji i sekwencjonowania regionów DNA, które były związane z małymi cząsteczkami. Metoda ta pozwala na wychwytywanie regionów chromatyny związanych z małymi cząsteczkami bez wcześniejszej informacji, tj. z obiektywnym, niespecyficznym markerem [49]. Najnowsze badania zilustrowały już możliwość wyizolowania znanych interakcji lek-chromatyna za pomocą Chem-seq [49,50]. Atrahimovich i in. wykorzystali technikę Chem-seq do scharakteryzowania interakcji między kwercetyną a komórkowym DNA i wykazali jej późniejszy wpływ na transkrypcję w dół [48]. Wyniki pokazują, że kwercetyna wiąże się z chromatyną monocytów i moduluje ekspresję genów biorących udział w cyklu komórkowym i rozwoju komórki [48]. Za pomocą aplikacji Chem-seq można określić interakcje flawonoidów z DNA i chromatyną w celu zbadania ich znaczenia. Umiejętność ta może być niezwykle ważna dla medycyny i zdrowia ludzkiego, a także korzystna dla projektowania odpowiednich interwencji dietetycznych i leków stosowanych w leczeniu raka.

3. Flawonoidy łagodzą choroby człowieka poprzez bezpośrednie interakcje z białkami, lipoproteinami i DNA

3.1. Interakcje flawonoidów z kluczowymi białkami zaangażowanymi w stan zapalny

Zapaleniecharakteryzuje odpowiedź ochronną układu odpornościowego, polegającą na wytwarzaniu różnych prozapalnych cytokin i chemokin, które wzmagają produkcję interferonu-, proteaz, NO i ROS [62]. Cytokiny indukują również ekspresję cyklooksygenazy-2 (COX-2), enzymu katalizującego produkcję prostaglandyn (PG), które są kluczowymi mediatorami stanu zapalnego [63]. Oksydaza ksantynowa (XO) jest kolejnym krytycznym źródłem ROS, które przyczynia się do stanu zapalnego. Stany zapalne prowadzą do wzrostu poziomu XO, a tym samym do zwiększonego wytwarzania ROS i tworzenia nadtlenoazotynów. Peroxynitrite to silna reaktywna forma azotu (RNS), której towarzyszy OS, który powstaje w wyniku reakcji NO i rodników ponadtlenkowych [64].

Zaproponowano kilka mechanizmów działania wyjaśniających działanie przeciwzapalne flawonoidów in vivo, takie jak aktywność antyoksydacyjna oraz modulacja produkcji cytokin prozapalnych i ekspresji genów [11]. Co ciekawe, flawonoidy wpływają na proces zapalny nie tylko poprzez zmniejszenie ekspresji cytokin i innych pokrewnych markerów stanu zapalnego, ale także poprzez interakcje z białkami, które są związane zzapalenie. Wykazano, że flawonoidy modulują aktywność enzymów metabolizujących kwas arachidonowy (AA), takich jak fosfolipaza A2 (PLA2), COX i lipooksygenaza (LOX) oraz enzym wytwarzający NO syntaza tlenku azotu (NOS). Hamowanie tych enzymów przez flawonoidy zmniejsza produkcję AA, PG, leukotrienu i NO, które są kluczowymi mediatoramizapalenie. Zatem hamowanie flawonoidów tych enzymów jest zdecydowanie jednym z ważnych komórkowych mechanizmów przeciwzapalnych [65].

Kwercetyna była pierwszym odkrytym inhibitorem flawonoidów PLA2 z ludzkich neutrofili. Wykazano, że kwercetyna selektywnie hamuje sekrecję PLA2 grupy II [66]. Podobnie rutyna selektywnie hamowała ludzki PLA2-II z mazi stawowej, podczas gdy była słabym inhibitorem ludzkiego PLA2-I z soku trzustkowego. Kiedy porównano różne flawonoidy pod kątem ich zdolności do hamowania PLA2, małe zmiany w strukturze wydawały się wpływać zarówno na ogólne hamowanie PLA2, jak i na selektywność grupy II. Stwierdzono, że pozycja grup hydroksylowych jest jednym z ważnych aspektów podwójnego wiązania pierścienia C-2, 3-. Grupy hydroksylowe w pozycjach 3' i 4' na pierścieniu B wydawały się być ważne dla selektywnego hamowania PLA2-II, podczas gdy 5-grupa hydroksylowa na pierścieniu A, nienasycenie , a 4-oksy na pierścieniu C wydawały się być ważne dla ogólnej zdolności flawonoidów do hamowania aktywności PLA2 [67]; hamowanie PLA2 było bardzo zależne od pozycji grup hydroksylowych na pierścieniach A, B i C, podczas gdy grupy hydroksylowe w pozycjach 5, 6 i 7 pierścienia A uważano za niezbędne do wiązania się z PLA2. Tak więc kwercetyna, kaempferol i galangina wykazywały wysoką aktywność hamującą na PLA2, podczas gdy naringina wykazywała mniejszą aktywność hamującą [68].

COX wytwarza PG i tromboksany i występuje w co najmniej dwóch różnych izoformach: COX-1 i COX-2. COX-1 to konstytutywny enzym obecny w prawie każdym typie komórek. Podczas gdy COX-2 jest indukowalnym enzymem, który jest silnie wyrażany wzapaleniepowiązane typy komórek, w tym makrofagi i komórki tuczne [69]. Ponieważ wytwarza PG, COX-2 jest ściśle związany z ostrymi i przewlekłymi typami zaburzeń zapalnych. Stwierdzono, że niektóre flawonoidy, takie jak luteolina, 3',4'-dihyroksyflflawon, galangina i morin, katechina i epikatechina, hamują COX rdzenia nerki szczura z IC50 100–130 µM [70]. W ludzkich płytkach krwi agregowanych w trombinę, pewne flawonoidy, takie jak chryzyna i apigenina, okazały się być inhibitorami COX z IC50 13 i 18 µM, podczas gdy mirycetyna i kwercetyna w stężeniu 10 µM silnie hamują LOX. W szczególności redukcja podwójnego wiązania C-2, 3-i glikozylacja zmniejszyła aktywność hamującą flawonoidów [71]. Analiza in-silico wykazała, że ​​kwercetyna może częściowo hamować enzym COX-2 poprzez wiązanie się z podjednostką A, która ma aktywność peroksydazy i służy jako źródło ROS [72].

Ogólnie,flawonoidymoże być głównie zaangażowany wzapalenieproces poprzez hamowanie i regulację enzymów, które modulują prozapalne cytokiny lub małe cząsteczki, takie jak ROS i RNS.

3.2. Interakcje flawonoidów z kluczowymi białkami w chorobie Alzheimera (AD)

AD jest powszechną chorobą neurodegeneracyjną, która charakteryzuje się splotami neurofibrylarnymi, blaszkami starczymi i utratą synaptyczną, prowadzącą ostatecznie do śmierci neuronów [78, 79]. AD jest formą demencji, która charakteryzuje się postępującą utratą pamięci, spadkiem umiejętności językowych oraz innymi zaburzeniami poznawczymi i najczęściej dotyka osoby starsze [80]. Etiologia AD jest niejasna; jednak w patofizjologii choroby bierze się pod uwagę różne czynniki, takie jak tworzenie blaszek białka amyloidu (A), niski poziom acetylocholiny, stres oksydacyjny i nieprawidłowe modyfikacje potranslacyjne białka tau [81,82]. Sekwencyjne cięcie białka prekursorowego amyloidu tworzy agregaty peptydów A o 39-43 aminokwasach, które przyklejają się do neuronów jako nierozpuszczalne blaszki amyloidowe. A jest generowane z białka prekursorowego amyloidu przez enzym rozszczepiający białko prekursorowe amyloidu -1 (BACE-1, -sekretaza) i -sekretazy [83,84]. Tak więc zakłada się, że hamowanie BACE-1 odgrywa ważną rolę w zapobieganiu AD [85].

Neuroprzekaźnik acetylocholina odgrywa ważną rolę w procesie uczenia się i zapamiętywania w hipokampie. W hydrolizie acetylocholiny, obniżając jej poziom podczas rozwoju AZS, biorą udział dwa enzymy, acetylocholinesteraza (AChE) i butyrylocholinesteraza (BChE). Dlatego hamowanie AChE i BChE jest wysoce pożądaną strategią leczenia AD [86–88]. Zatwierdzone klinicznie leki takryna, donepezil, galantamina i rywastygmina poprawiały pamięć krótkotrwałą i poziomy poznawcze poprzez hamowanie AChE. Wady tych leków i ich stopniowe skutki uboczne, takie jak obwodowe skutki uboczne, hepatotoksyczność i zaburzenia przewodu pokarmowego, zachęciły badaczy do opracowania skuteczniejszych inhibitorów AChE [89–91].
Flawonoidy to obiecujące produkty naturalne o potencjale neuroprotekcyjnym, które zapobiegają wystąpieniu lub spowalniają postęp chorób neurodegeneracyjnych związanych z wiekiem. Mechanizm, dzięki któremu flawonoidy zapobiegają lub spowalniają progresję AD, może wynikać z bezpośredniej interakcji z kluczowymi enzymami zaangażowanymi w tę chorobę [81,85,92–95]. Shimmyo i in. zbadali potencjał flawonoli i flawonów do hamowania BACE-1. Odkryli, że cztery flawonole: mirycetyna, kwercetyna, kaempferol i morin oraz jeden flawon: apigenina, bezpośrednio hamują aktywność enzymu BACE-1 w sposób zależny od stężenia, z wartościami IC50 wynoszącymi 2,8, 5,4, 14,7, 21,7, i 38,5 µM, odpowiednio [95]. Badania na starych transgenicznych myszach TASTPM (model AD) wykazały, że doustne podawanie (-)-epikatechiny zmniejsza patologię A poprzez pośrednie, niekatalityczne hamowanie BACE-1, a nie poprzez modulację aktywności sekretazy [96] ]. Stwierdzono, że galusan epigallokatechiny-3- (EGCG) i kurkumina zmniejszają regulację w górę BACE zależną od A-1 w hodowlach neuronalnych, co, co ciekawe, zwiększyło nieamyloidogenne przetwarzanie białka prekursorowego amyloidu poprzez nasilenie rozszczepiania -sekretazy [95 ]. Pueyo i in. dokonał przeglądu literatury na temat naturalnych i syntetycznych flawonoidów o działaniu hamującym AChE. Znaleźli 128 takich flflawonoidów: 41 flflawonów, 21 flflawanonów, 35 flflawonoli, 25 izoflflawonów i sześć chalkonów. Wśród nich osiem syntetycznych flawonoidów hamowało AChE z IC50 < 100="" nm.="" trzy="" naturalne="" flawonoidy,="" akacyna="" z="" kwiatów="" chrysanthemum="" indicum="" oraz="" desmetyloanhydroikarytyna="" i="" kaempferol="" z="" korzeni="" sophora="" flavescens,="" hamowały="" ache,="" przy="" wartościach="" ic50="" odpowiednio="" 3,2,="" 6,7="" i="" 3,3="" nm="" [97].="" orhan="" i="" in.="" przebadano="" różne="" pochodne="" flawonoidów="" pod="" kątem="" ich="" hamowania="" ache="" i="" bche.="" w="" stężeniu="" 1="" mg/ml="" kwercetyna="" była="" najskuteczniejsza="" w="" stosunku="" do="" ache,="" z="" 76,2%="" hamowaniem,="" a="" genisteina="" wykazała="" najwyższe="" hamowanie="" (65,7%)="" bche,="" a="" następnie="" luteolina-7-o-rutynozyd="" i="" sylibinina="" (54,9="" proc.="" i="" 51,4="" proc.)="" [98,99].="" w="" innym="" badaniu="" citrus="" junos="" miał="" znaczący="" wpływ="" hamujący="" na="" ache="" in="" vitro="" i="" in="" vivo,="" a="" aktywny="" związek="" zidentyfikowano="" jako="" naringeninę,="" główną="" pochodną="" flawanonu="" [100].="" lee="" i="" in.="" zbadali="" hamujący="" wpływ="" flawanonów="" cytrusowych="" na="" bace-1,="" ache="" i="" bche.="" spośród="" wszystkich="" badanych="" flflawanonów,="" hesperydyna="" wykazywała="" najlepsze="" hamowanie="" bace-1,="" ache="" i="" bche,="" z="" wartościami="" ic50="" odpowiednio="" 10,02,="" 22,80="" i="" 48,09="" µm.="" badania="" kinetyczne="" wykazały,="" że="" wszystkie="" flawanony="" były="" niekonkurencyjnymi="" inhibitorami="" bace-1="" i="" cholinesterazy="">

Hiperfosforylacja białek tau z późniejszą akumulacją w postaci splątków neurofibrylarnych jest głównym czynnikiem przyczyniającym się do dysfunkcji poznawczych i jednym z najwcześniejszych markerów AD. Wiadomo, że kilka kinaz, takich jak GSK-3b i CDK5/p25, przyczynia się do fosforylacji białek tau i biorą udział w patogenezie AD. W profilaktyce AD ​​można stosować flawonoidy, które hamują aktywność kilku kinaz. Wykazano, że terapia flawonoidem morin zmniejsza hiperfosforylację tau in vitro i in vivo w neuronach hipokampu zwierząt transgenicznych (myszy 3xTg-AD) [103]. Kwercetyna hamowała aktywność kinazy PI3-, a 3-O-glukozyd cyjanidyny zapewniał również znaczącą ochronę przed dysfunkcjami poznawczymi, które są indukowane przez podawanie A w modelach zwierzęcych, za pośrednictwem modulacji GSK{{9} }b/tau. [104,105].

Podsumowując, flawonoidy mogą wywierać swoje potencjalne działanie neuroprotekcyjne poprzez interakcję z kluczowymi białkami zaangażowanymi w AD. Lepsze zrozumienie interakcji flawonoid-białko w AD może być obiecującą strategią opracowania nowych terapii neuroprotekcyjnych do zapobiegania i leczenia chorób neurodegeneracyjnych.

3.3. Interakcje flawonoidów z kluczowymi białkami i lipoproteinami w miażdżycy

Miażdżyca to kolejna choroba, której działanie łagodzą flawonoidy. Pierwszym krokiem w miażdżycy jest akumulacja lipoprotein o małej gęstości (LDL), głównego nośnika cholesterolu, w ścianie tętnicy. Z drugiej strony lipoproteiny o dużej gęstości (HDL) są głównym czynnikiem przeciwmiażdżycowym we krwi, który utrzymuje stały poziom cholesterolu w całym organizmie. W proteomie HDL zidentyfikowano ponad 80 białek, przy czym apolipoproteiny A1 i A2 stanowią odpowiednio około 65% i 15% masy białka. Inne białka obejmują różne enzymy, takie jak paraoksonazy 1 (PON1). PON1 odpowiada za wiele przeciwmiażdżycowych właściwości HDL. Korelacje między PON1, HDL i miażdżycą, zarówno in vivo, jak i in vitro, zostały dobrze poznane [106, 107]. Oprócz wypływu cholesterolu, HDL ma inne silne działanie biologiczne: antyoksydacyjne [108], przeciwzapalne [109], przeciwapoptotyczne [110] i rozszerzające naczynia [111]. Działania te niekoniecznie zależą od ilości HDL, ale prawdopodobnie zależą od jego jakości [112, 113]. W odniesieniu do zdrowia układu krążenia, wcześniej wykazaliśmy, że flawonoid glabrydyna, ekstrahowana z korzenia lukrecji, działa jako doskonały przeciwutleniacz i wykazuje dodatkowe właściwości przeciwutleniające i przeciwmiażdżycowe. Glabrydyna wiąże się z rekombinowanym PON1 (rePON1) i chroni jego Cys284 przed utlenianiem przez składnik miażdżycowy, wodoronadtlenek kwasu linolowego (LA-OOH). Ta specyficzna zdolność glabrydyny jest wyjątkowa; tenflawonoidkatechina nie wykazuje żadnego powinowactwa wiązania do rePON1 [21]. Następnie zbadano związek między strukturą flawonoidów a ich wpływem na aktywność rePON1. Scharakteryzowano interakcje 12 reprezentatywnych flawonoidów z różnych podklas chemicznych z rePON1 [42]. Ponadto zbadano potencjał kompleksów rePON1–flawonoidów w zapobieganiu utlenianiu LDL, kluczowemu procesowi w miażdżycy. Katechina, która nie wiąże się z rePON1, przyspiesza utlenianie LDL; z kolei glabrydyna wykazywała wysokie powinowactwo wiązania do rePON1 i wzmacniała jej działanie ochronne przed utlenianiem LDL [42]. Ponadto konsekwentnie obserwowaliśmy interakcje określonych flawonoidów z cząsteczką HDL lub związanymi z nią białkami, apolipoproteiną A1 i PON1. Wykazaliśmy, że kwercetyna i punicalagin wiążą się z cząsteczką HDL i zwiększają jej właściwości przeciwzapalne [41], podczas gdy po związaniu się z cząsteczką LDL lub związaną z nią apolipoproteiną B100, punikakagina indukuje napływ LDL do komórek makrofagów J774A.1, co może obniżać poziom krążącego LDL [114]. Ogólnie rzecz biorąc, stwierdzono, że flawonoidy i ogólnie polifenole hamują objawy miażdżycy i zmniejszają jej rozwój poprzez specyficzne interakcje flawonoidów z białkami komórek i surowicy oraz lipoproteinami.

3.4. Flawonoidy jako środki przeciwnowotworowe poprzez interakcję z DNA i chromatyną

Aktywność przeciwnowotworowa flawonoidów może być wynikiem interakcji tych naturalnych związków z biocząsteczkami (DNA, RNA i białka). Zdajemy sobie sprawę, że dietetyczne flawonoidy mogą specyficznie lub stochastycznie wiązać DNA i zmieniać jego funkcję [115]. Rozległe badania in vitro sugerują, że flawonoidy skutecznie zmniejszają proliferację komórek, indukują apoptozę i zmniejszają ryzyko przerzutów [24]. Wykazano chemoprewencyjne działanie flawonoidów, w tym luteoliny, galusanu epigallokatechiny, kwercetyny, apigeniny i chryzyny, z naciskiem na ochronę przed uszkodzeniem DNA powodowanym przez różne czynniki rakotwórcze. Te flawonoidy selektywnie chronią normalne komórki i indukują mechanizmy śmierci komórkowej w komórkach nowotworowych w ludzkich płucach i komórkach gruczolaka jelita grubego podczas chemioterapii lub radioterapii [24]. Stwierdzono, że flawonoidy, a mianowicie kwercetyna, mirycetyna, kaempferol, apigenina i luteolina, które są rozpuszczalne w tłuszczach i słabo kwaśne, mogą swobodnie dyfundować przez błonę komórkową i kumulować się specyficznie w komórkach białaczkowych K562 [116]. W związku z tym,

zakłada się, że flawonoidy z większym prawdopodobieństwem wiążą DNA lub białka w jądrze komórki rakowej i specyficznie przerywają regulację genomu nowotworowego. Ponadto wyniki in-silico wykazały, że w szczególności kwercetyna dobrze oddziałuje z DNA G-kwadrupleksu, który jest powiązany z telomerazą. Kwercetyna działa jako terapeutyczny środek przeciwnowotworowy poprzez regulację aktywności telomerazy [117]. Porównując obliczeniowe i eksperymentalne profile wiązania, nowe badanie potwierdziło, że kwercetyna ma najsilniejsze powinowactwo wiązania z DNA wśród badanych flawonoidów. Ponadto badanie wykazało, że flawonoidy mogą zmieniać konformację DNA i hamować amplifikację DNA, wykazują imponującą indukcję zatrzymania cyklu komórkowego i mogą promować apoptozę w komórkach nowotworowych HepG2, MCF-7 i A549 [60] W celu osiągnięcia skutecznych dawek terapeutycznych stosowanych w badaniach przedklinicznych, należy zwrócić uwagę na ulepszone i ukierunkowane techniki dostarczania leków, tak aby osiągnąć maksymalną skuteczność przy minimalnych niekorzystnych skutkach ubocznych. Postępy w systemach dostarczania leków opartych na nanotechnologii otwierają lepsze możliwości zwiększenia rozpuszczalności, poprawy biodostępności i zwiększenia możliwości celowania flawonoidów [118]. Nanocząstki oparte na liposomach, liposomach glikolu polietylenowego, na bazie niklu, na bazie lecytyny i nanowstążce są odpowiednimi nośnikami molekularnymi do dostarczania leków flawonoidowych do tkanek docelowych. Doniesiono, że nanocząsteczki były z powodzeniem stosowane do dostarczania kwercetyny do guzów litych w modelach in vitro i in vivo nowotworów ośrodkowego układu nerwowego, płuc, okrężnicy, wątroby i piersi [119].
W związku z tym liczne badania potwierdzają potencjał flawonoidów jako naturalnych produktów zdrowotnych w chemoprewencji raka. Jednak potrzeba więcej badań, aby skonfigurować ich mechanizm działania, aby lepiej zrozumieć procesy epigenetyczne, które mogą stanowić bardziej racjonalną podstawę do łączenia określonych składników diety w warunkach klinicznych [24].

Dana Atrahimovich 1,2, Dorit Avni 3 i Soliman Khatib 1,2,*

1 Laboratorium Związków Naturalnych i Chemii Analitycznej, MIGAL–Galilee Research Institute, Kiryat Shmona 11016, Izrael; Danaa@migal.org.il
2 Wydział Biotechnologii, Tel-Hai College, Górna Galilea 12210, Izrael
3 Lab of Sfingolipids, Bioactive Metabolites and Immune Modulation, MIGAL—Galilee Research Institute, Kiryat Shmona 11016, Izrael; dorita@migal.org.il* Korespondencja: solimankh@migal.org.il; Tel.: plus 972-4-6953512; Faks: plus 972-4-6944980

4. Wnioski

Autorskie Wkłady:DA (Dana Atrahimovich), pisanie – przygotowanie i edycja oryginalnego projektu, DA (Dorit Avni) pisanie sekcji „Interakcje flawonoidów z kluczowymi białkami zaangażowanymi w zapalenie” i edycja; Nadzór SK, pisanie – weryfikacja i edycja. Wszyscy autorzy przeczytali i zgodzili się na opublikowaną wersję rękopisu.
Finansowanie:Badania te nie otrzymały finansowania zewnętrznego.
Konflikt interesów:Autorzy deklarują brak konfliktu interesów.

Dana Atrahimovich 1,2, Dorit Avni 3 i Soliman Khatib 1,2,*

Bibliografia

1. Procházková, D.; Boušová, I.; Wilhelmová, N. Właściwości przeciwutleniające i prooksydacyjne flawonoidów. Fitoterapia 2011, 82, 513–523. [Odn.]

2. Duthie, GG; Duthie, SJ; Kyle, JAM Polifenole roślinne w raku i chorobach serca: Implikacje jako przeciwutleniacze odżywcze. Nutr. Res. Obj. 2000, 13, 79-106. [CrossRef] [PubMed] 3. Ramos, S. chemoprewencja i chemioterapia raka: dietetyczne polifenole i szlaki sygnałowe. Mol. Nutr. Żywność Res. 2008, 52, 507-526. [CrossRef] [PubMed] 4. Jaeger, BN; Parylak, SL; Gage, FH Mechanizmy działania dietetycznych flawonoidów w funkcji neuronalnej i neurozapaleniu. Mol. Aspekty Med. 2018, 61, 50–62. [CrossRef] [PubMed] 5. Devi, S.; Kumar, V.; Singh, SK; Dubey, AK; Kim, JJ Flawonoidy: Potencjalni kandydaci do leczenia zaburzeń neurodegeneracyjnych. Biomedicines 2021, 9, 99. [CrossRef] 6. Williams, RJ; Spencera, JPE; Rice-Evans, C. Flawonoidy: przeciwutleniacze czy cząsteczki sygnałowe? Wolna Rada. Biol. Med. 2004, 36, 838-849. [CrossRef] 7. Virgili, F.; Marino, M. Regulacja sygnałów komórkowych z cząsteczek odżywczych: specyficzna rola fitochemikaliów, poza aktywnością przeciwutleniającą. Wolna Rada. Biol. Med. 2008, 45, 1205–1216. [CrossRef] 8. Grotewold, E. Nauka o flawonoidach; Springer: Columbus, Ohio, USA, 2006; ISBN 9780387288215. 9. Agati, G.; Brunetti, C.; Fini, A.; Gori, A.; Guidi, L.; Landi, M.; Sebastiani, F.; Tattini, M. Czy flawonoidy są skutecznymi przeciwutleniaczami w roślinach? Dwadzieścia lat naszego śledztwa. Przeciwutleniacze 2020, 9, 1098. [CrossRef] 10. Liu, Y.; Weng, W.; Gao, R.; Liu, Y.; Monacelli, F. Nowe spojrzenie na komórkowe i molekularne mechanizmy starzenia się i chorób związanych ze starzeniem się: ziołolecznictwo jako potencjalne podejście terapeutyczne. Tlenek. Med. Komórka. Longew. 2019, 2019. [CrossRef] 11. Rolt, A.; Cox, LS Strukturalne podstawy przeciwstarzeniowego działania polifenoli: Łagodzenie stresu oksydacyjnego. BMC Chem. 2020, 14, 1–13. [CrossRef] 12. Manach, C.; Scalbert, A.; Morand, C.; Remésy, C.; Jiménez, L. Polifenole: źródła żywności i biodostępność. Jestem. J. Clin. Nutr. 2004, 79, 727-747. [CrossRef] 13. Thilakarathna, SH; Vasantha Rupasinghe, biodostępność flawonoidów HP oraz próby zwiększenia biodostępności. Odżywki 2013, 5, 3367–3387. [CrossRef] [PubMed] 14. Haq, I. Termodynamika interakcji lek-DNA. Łuk. Biochem. Biofizyka. 2002, 403, 1-15. [CrossRef] 15. Uversky, VN Wewnętrznie nieuporządkowane białka i ich środowisko: Wpływ silnych denaturantów, temperatury, pH, przeciwjonów, błon, partnerów wiążących, osmolity i stłoczenie makrocząsteczkowe. Białko J. 2009, 28, 305-325. [CrossRef] 16. Hou, D.-X.; Kumamoto, T. Flawonoidy jako inhibitory kinaz białkowych w chemoprewencji raka: Wiązanie bezpośrednie i modelowanie molekularne. Przeciwutleniacz. Sygnał redoks. 2010, 13, 691–719. [CrossRef] 17. Spencer, JPE Poza przeciwutleniaczami: Komórkowe i molekularne interakcje flawonoidów i ich wpływ na mózg. Proc. Nutr. Soc. 2010, 69, 244-260. [CrossRef] [PubMed] 18. Huang, Z.; Fang, F.; Wang, J.; Wong, C.-W. Związek aktywności strukturalnej flawonoidów z receptorem gamma związanym z estrogenem. FEBS Lett. 2010, 584, 22-26. [CrossRef] [PubMed] 19. Somjen, D.; Knoll, E.; Vaya, J.; Stern, N.; Tamir, S. Aktywność estrogenopodobna składników korzenia lukrecji: glabrydyny i glabreny w tkankach naczyniowych in vitro i in vivo. J. Steroid Biochem. Mol. Biol. 2004, 91, 147-155. [CrossRef] 20. Jin, X.-L.; Wei, X.; Qi, FM; Yu, S.-S.; Zhou, B.; Bai, S. Charakterystyka pochodnych kwasu hydroksycynamonowego wiążących się z albuminą surowicy bydlęcej. Organizacja Biomol. Chem. 2012, 10, 3424–3431. [CrossRef] 21. Atrahimovich, D.; Vaya, J.; Tavori, H.; Khatib, S. Glabridin chroni paraoksonazy 1 przed hamowaniem wodoronadtlenku kwasu linolowego poprzez swoistą interakcję: badanie wygaszania fluorescencji. J. Rolnictwo. Chemia Spożywcza 2012, 60, 3679–3685. [CrossRef] 22. Szczęście, G.; Liao, H.; Murray, New Jersey; Grimmer, HR; Warmiński, EE; Williamson, poseł; Lilley, TH; Haslam, E. Polifenole, cierpkość i białka bogate w prolinę. Fitochemia 1994, 37, 357-371. [CrossRef] 23. Ciumărnean, L.; Milaciu, MV; Runcan, O.; Vesa, SC; Ruchisan, AL; Negren, V.; Perne, MG; Donca, VI; Alexescu, TG; Para, I.; i in. Wpływ flawonoidów na choroby układu krążenia. Cząsteczki 2020, 25, 4320. [CrossRef] [PubMed] 24. Cijo, V.; Dellaire, G.; Rupasinghe, HPV ScienceDirect Flawonoidy roślinne w chemoprewencji raka: rola w stabilności genomu. J. Nutr. Biochem. 2017, 45, 1–14. [CrossRef] 25. Maher, P. Potencjał flawonoidów w leczeniu chorób neurodegeneracyjnych. wewn. J. Mol. Nauka. 2019, 20, 3056. [CrossRef] [PubMed] 26. Gecibesler, IH; Aydin, M. Plasma wiązanie białek ziołowych flawonoidów z albuminą surowicy ludzkiej i ich działanie antyproliferacyjne. Jakiś. Acad. Biustonosze. Cienc. 2020, 92, 1-16. [CrossRef] 27. Lin, CZ; Hu, M.; Wu, AZ; Zhu, CC Badanie różnic między czterema flawonoidami o podobnej strukturze wiążących się z albuminą surowicy ludzkiej. J. Pharm. Analny. 2014, 4, 392–398. [CrossRef] 28. Mondal, P.; Bose, A. Spektroskopowy przegląd kwercetyny i jej złożonej interakcji Cu(II) z albuminami surowicy. BioImpacts 2019, 9, 115–121. [CrossRef] 29. Geng, R.; Ma, L.; Liu, L.; Xie, Y. Wpływ interakcji albuminy surowicy bydlęcej z flawonoidami na aktywność przeciwutleniającą dietetycznych flawonoidów: nowe dowody z elektrochemicznej oceny ilościowej. Molekuły 2019, 24, 70. [CrossRef] [PubMed] 30. Ma, CM; Zhao, XH Przedstawienie niekowalencyjnego oddziaływania białek serwatkowych z galanginą lub genisteiną przy użyciu technik multispektroskopowych i dokowania molekularnego. Żywność 2019, 8, 360. [CrossRef] 31. Tang, F.; Xie, Y.; Cao, H.; Yang, H.; Chen, X.; Xiao, J. Płodowa surowica bydlęca wpływa na stabilność i aktywność biologiczną analogów resweratrolu: podejście do interakcji polifenol-białko. Chemia Spożywcza 2017, 219, 321–328. [Odn.]