Interakcie flavonoidov a makromolekúl pri ľudských ochoreniach so zameraním na Alzheimerovu chorobu, aterosklerózu a rakovinu

E-mailová adresa:tina.xiang@wecistanche.comPre viac informácií

Abstrakt: Flavonoidy, trieda polyfenolov, konzumované denne v našej strave, sú spojené so zníženým rizikom chronických ochorení súvisiacich s oxidačným stresom (OS), ako sú kardiovaskulárne ochorenia, neurodegeneratívne ochorenia, rakovina azápal. Účasť flavonoidov na chronických ochoreniach súvisiacich s OS sa tradične pripisuje ich antioxidačnej aktivite. Dôkazy z nedávnych štúdií však naznačujú, že priaznivý vplyv flavonoidov možno pripísať skôr ich interakcii s bunkovými makromolekulami, než aby mali priamy antioxidačný účinok. Tento prehľad poskytuje prehľad nedávneho rozvíjajúceho sa výskumu interakcií medzi flavonoidmi a lipoproteínmi, proteínmi, chromatínom, DNA a molekulami bunkovej signalizácie, ktoré sa podieľajú na chronických ochoreniach súvisiacich s OS; zameriava sa na mechanizmy, ktorými flavonoidy tlmia rozvoj vyššie uvedených chronických ochorení prostredníctvom priamych a nepriamych účinkov na génovú expresiu a bunkové funkcie. Súčasný prehľad sumarizuje údaje z literatúry az nášho nedávneho výskumu a následne porovnáva interakcie špecifických flavonoidov s ich cieľmi, pričom sa zameriava naflavonoidvzťahy medzi štruktúrou a činnosťou. Okrem toho sú prezentované rôzne metódy hodnotenia interakcií flavonoid-proteín a flavonoid-DNA. Naším cieľom je objasniť pôsobenie flavonoidov v tele, nad rámec ich dobre zavedenej priamej antioxidačnej aktivity, a poskytnúť pohľad na mechanizmy, ktorými tieto malé molekuly, denne konzumované, ovplyvňujú bunkové funkcie.

Kľúčové slová:flavonoid; antioxidant; oxidačný stres; zápal; Alzheimerovej choroby; ateroskleróza; rakovina

1. Úvod

Flavonoidysú triedou polyfenolov v rastlinách, ktoré sú široko konzumované v našej strave. Majú všeobecnú štrukturálnu kostru C6–C3–C6, v ktorej sú dve jednotky C6 (kruh A a kruh B) fenolovej povahy. Flavonoidy možno rozdeliť do rôznych podskupín, ako sú flavóny, flavonoly, flavanóny, flavanoly, flavan-3-oly a antokyány (obrázok 1). Zatiaľ čo vo väčšine flavonoidov je kruh B pripojený v polohe C2 kruhu C, v niektorých, ako sú izoflavóny a izoflavany, je kruh B pripojený v polohe C3 [1].

Diétneflavonoidysú prírodné produkty, ktoré sú široko rozšírené v rastlinnej ríši. Bohatým zdrojom flavonoidov sú mnohé potraviny a nápoje, ako je ovocie, zelenina, strukoviny, celozrnné výrobky, čokoláda, korenie, čaj a víno [1]. V priebehu desaťročí sa výskumníci a výrobcovia potravín začali čoraz viac zaujímať o flavonoidy kvôli ich antioxidačným vlastnostiam, ich veľkému množstvu v našej strave a ich predpokladanej úlohe v prevencii rôznych chorôb, ktoré sú spojené s OS, ako je rakovina, kardiovaskulárne a neurodegeneratívne ochorenia [2–5]. Najnovšia literatúra poskytuje čoraz viac dôkazov o tom, že účinky flavonoidov sú sprostredkované inými mechanizmami, ako je klasická antioxidačná aktivita, poháňaná ich chemickou vlastnosťou darovať elektrón alebo chelatovať prechodné kovy [6,7]. Skúmanie ich základných spôsobov účinku by mohlo poskytnúť nový pohľad na mechanizmy, ktorými flavonoidy ovplyvňujú biologické funkcie.

2. Biologické aktivity flavonoidov

2.1. Flavonoidy ako antioxidanty

Vzhľadom na ich antioxidačnú aktivitu,flavonoidyPredpokladá sa, že zabraňujú chorobám, ktoré súvisia s OS prostredníctvom priameho vychytávania reaktívnych foriem kyslíka (ROS) prostredníctvom darovania atómu vodíka, aktivácie antioxidačných enzýmov, chelatačnej aktivity kovov (ako je železo a meď) a zmiernenia oxidačných stres, ktorý je spôsobený oxidom dusnatým (NO) [1,8–11]. Antioxidačná aktivita však nemôže byť jediným vysvetlením bunkových účinkov flavonoidov in vivo, pretože antioxidačná aktivita sa prejavuje pri koncentráciách flavonoidov nad 10 µM, ale ich koncentrácia v obehu nepresahuje 2 µM [12]. Diétne flavonoidy sa zle vstrebávajú z čreva, sú vysoko metabolizované alebo rýchlo eliminované. V priebehu absorpcie sa flavonoidy konjugujú v tenkom čreve a neskôr v pečeni. Tento proces zahŕňa hlavne metyláciu, sulfatáciu a glukuronidáciu. Ide o metabolický detoxikačný proces, ktorý je spoločný pre mnohé xenobiotiká, ktorý obmedzuje ich potenciálne toxické účinky a uľahčuje ich elimináciu žlčou a močom zvýšením ich hydrofility [13]. Nedávne štúdie naznačujú, že biologické účinky flavonoidov môžu byť sprostredkované rôznymi mechanizmami, ktoré ešte neboli úplne preskúmané. Tento prehľad sa zameriava na spôsob účinku flavonoidov prostredníctvom ich interakcie s makromolekulami, ako sú lipoproteíny, bunkové a sérové ​​proteíny a DNA a RNA (obrázok 2）

2.2. Flavonoidné interakcie s makromolekulami

2.2.1. Interakcie flavonoidov a proteínov

Oblasťou základného záujmu sú molekulárne interakcie proteínov a nukleových kyselín so zlúčeninami s nízkou molekulovou hmotnosťou [14]. Pri nízkych koncentráciách môžu molekuly, ako sú ióny, metabolity a osmolyty, ovplyvňovať proteíny, ako sú enzýmy, receptory, protilátky a transkripčné faktory [15]. Účinok môže byť na štrukturálnej, funkčnej alebo konformačnej úrovni [7]. Dietetické flavonoidy sú dobrým príkladom malých molekúl, ktoré sprostredkovávajú bunkové účinky, ktoré sú ústredné pre intracelulárne signálne kaskády [16]. Účinky komplexov flavonoid-enzým vytvorených interakciou flavonoidov napríklad s hydrolázami, oxidázami a kinázami na štruktúru a aktivitu enzýmu boli široko preskúmané. Výskumy naznačili, že flavonoidy selektívne interagujú s rôznymi zložkami proteínkináz a menia ich fosforylačný stav, čím regulujú viaceré bunkové signálne dráhy [17]. Podobne sa zistilo, že flavonoidy pôsobia ako ligandy pre jadrové receptory, čo spôsobuje ich proliferáciu alebo aktiváciu a moduluje energetickú homeostázu. Apigenín a kempferol priamo potláčali interakciu medzi estrogénovým receptorom (ERR ) a jeho koaktivátorom peroxizómovým proliferátorom aktivovaným receptorovým koaktivátorom-1 (PGC-1). Na rozdiel od toho luteolín potláčal aktivitu PGC{11}} podporovaním degradácie PGC-1, čo viedlo k potlačeniu aktivity ERR v bunkách HeLa [7,18]. Flavonoidy, ako je glabridín a glabrén, môžu tiež interagovať a modulovať endogénne aktivity estrogénových receptorov v ľudských endotelových bunkách a bunkách hladkého svalstva, čím môžu spomaliť a dokonca zabrániť kardiovaskulárnym ochoreniam a rozvoju rakoviny prsníka a vaječníkov u žien po menopauze. [19]. Okrem toho sa skúmala aj schopnosť flavonoidov interagovať so sérovým albumínom a inými sérovými proteínmi [20,21]. Reverzibilné alebo ireverzibilné interakcie proteín-flavonoid závisia od pH, teploty a koncentrácie proteínov a flavonoidov [22]. Hoci biologický osud komplexov proteín-flavonoid in vivo stále nie je známy, zistilo sa, že flavonoidy ovplyvňujú rôzne ľudské ochorenia súvisiace s OS, ako je rakovina a kardiovaskulárne a neurodegeneratívne ochorenia [23–25].

Metódy na charakterizáciu interakcií flavonoid-proteín

Uskutočnilo sa niekoľko štúdií na charakterizáciu interakcií medzi flavonoidmi a proteínmi v potrave, najmä sérom a proteínmi súvisiacimi s potravinami, napríklad sérovými albumínmi a kazeínom [26–30]. K interakciám medzi flavonoidmi a proteínmi dochádza hlavne nekovalentnou väzbou, ktorá je odvodená z hydrofóbnych, van der Waalsových, vodíkových mostíkov a iónových interakcií, ktoré môžu meniť konformácie proteínov a aktivity enzýmov [31]. Nekovalentné interakcie medzi flavonoidmi a proteínmi sú slabé a reverzibilné. Štúdie tiež poskytli informácie o kovalentných reakciách medzi flavonoidmi a proteínmi. Flavonoidy môžu ľahko oxidovať a kovalentne reagovať s amino- a tiolovými bočnými reťazcami proteínu ireverzibilnou väzbou [32]. Na charakterizáciu nekovalentných interakcií medzi flavonoidmi a proteínmi boli vyvinuté mnohé metódy, väčšinou spektroskopické (tabuľka 1) [33–36].

UV-viditeľná spektroskopia sa používa na predpovedanie interakcií flavonoid-proteín a poskytuje informácie o povahe týchto interakcií. Absorpcia bielkovín pri 280 nm súvisí s aromatickými aminokyselinami tryptofánom, tyrozínom a fenylalanínom, ktoré môžu byť ďalej stimulované interakciou s flavonoidmi [37]. Spektroskopia cirkulárneho dichroizmu sa používa na kvantitatívnu analýzu konformačných zmien, zmien -helixu a -sheetu v proteínoch v dôsledku nekovalentných interakcií s malými molekulami, ako sú flavonoidy [38]. Infračervená spektroskopia s Fourierovou transformáciou sa tiež používa na určenie zmien v sekundárnej štruktúre proteínov v dôsledku interakcií flavonoidov. Táto metóda umožňuje interpretovať sekundárnu štruktúru z tvaru pásu amidu I, ktorý sa nachádza okolo 1650–1660 cm [38]

Termodynamické vlastnosti väzobnej interakcie medzi flavonoidmi a proteínmi je možné študovať pomocou izotermickej titračnej kalorimetrie, čo je metóda, ktorá je založená na meraní tepla, ktoré sa vyvinulo počas molekulárnej asociácie [39]. Vitali a kol. hodnotili väzbové interakcie medzi štyrmi flavonoidmi (kaempferol, luteolín, kvercetín a resveratrol) a ľudským sérovým albumínom a izoformou 1 glutatión S-transferázy Pi pomocou Taylorovej disperznej povrchovej plazmónovej rezonancie (SPR) – vysoko citlivej techniky bez označenia na štúdium nekovalentné interakcie biomolekúl, najmä medzi proteínmi a medzi proteínmi a malými molekulami [40].

Tryptofánový (Trp)-fluorescenčný test zhášania je ďalšou citlivou, selektívnou a široko používanou metódou na stanovenie interakcií medzi flavonoidmi a proteínmi [21,41,42]. Excitácia proteínov pri 280–290 nm indukuje emisiu fluorescencie v rozsahu 340–350 nm v dôsledku prítomnosti Trp. zhášanie fluorescencie v tomto rozsahu možno pripísať väzbe flavonoidov. Pri použití tejto metódy možno mechanizmus zhášania – statický (tvorba komplexu medzi polyfenolom a proteínom) alebo dynamický (zrážka fluorofóru s tlmičom) – určiť pomocou Stern-Volmerovej rovnice a výpočtom Sternovej-Volmerovej konštanty a konštanty rýchlosti zhášania. . Pre statické zhášanie možno vypočítať väzbovú konštantu a počet väzobných miest v molekule proteínu a potom je možné charakterizovať termodynamické vlastnosti. Nakoniec, výpočty dokovania sa môžu použiť na predpovedanie zhody hodnoteného ligandu v proteíne, kde je tvar komplementárny k väzbovému miestu. Výpočtové modelovanie dopĺňa experimentálne údaje o väzbe flavonoid-proteín a umožňuje rozsiahly skríning rôznych proteínových cieľov vybraných zo štruktúr, ktoré sú dostupné v Protein Data Bank (PDB) [43].

2.2.2. Flavonoidné interakcie s DNA a chromatínom

Vo vedeckej literatúre existuje množstvo dôkazov o regulácii genómu flavonoidmi prostredníctvom génovej expresie a chromozomálnych zmien [24,51], hoci presný mechanizmus účinku zostáva nejasný [48,52]. Ukázalo sa, že flavonoidy, ako je kvercetín a EGCG, prenikajú cez bunkové membrány a akumulujú sa v jadre ľudských črevných a pečeňových buniek [53,54]. Štruktúra kvercetínu umožňuje hydrofóbnu interkaláciu jeho najhydrofóbnejšieho segmentu do vnútra špirály DNA [55]. Kvercetín interkaluje s duplexmi DNA a RNA a prednostne sa viaže na triplex a tetraplex DNA v ľudských bunkách rakoviny prostaty (DU 145) [53]. Hoci rovnaký počet OH skupín, ktoré sa podieľajú hlavne na mechanizme prenosu vodíka, je prítomný v kempferole a luteolíne, druhý z nich vykazuje o niečo vyššiu afinitu k DNA. To môže byť spôsobené prítomnosťou OH v jeho polohe 30. Vzťahy medzi štruktúrou a aktivitou v interakciách flavonoid-DNA boli skutočne široko zistené. Predpokladá sa, že afinita flavonoidov k DNA sa zvyšuje pozdĺž rovnakej sekvencie, aká sa prejavuje ich biologickou aktivitou [44]. Po ošetrení DNA EGCG alebo kvercetínom boli zaznamenané rôzne účinky, vrátane poškodenia DNA, v ľudských periférnych lymfocytoch [56,57]. Štúdie ukazujú, že EGCG inhibuje aktivity rôznych chromatínových proteínov, ako je proteín viažuci prvok odozvy cAMP, DNA polymeráza, DNA metyltransferáza a DNA topoizomeráza v ľudských pľúcach a bunkách kolorektálneho adenómu a v pečeni, pľúcach a obličkách myší [6,24 ]. Tieto reakcie sú pravdepodobne ovplyvnené väzbou EGCG na DNA a RNA alebo na proteíny, ktoré sú pripojené k nukleovým kyselinám v rôznych typoch interakcie. Zatiaľ čo interakcie flavonoidov, ako je resveratrol, kvercetín, EGCG a genisteín, s DNA sú známe, presné umiestnenie väzbových miest flavonoidov na DNA, spôsob interakcie a jeho funkcia v genóme nie sú úplne pochopil.

Metódy charakterizácieFlavonoid-DNA interakcie
Kovalentná väzba malých molekúl na DNA bola prvýkrát pozorovaná začiatkom 80. rokov 20. storočia [58]. Po kovalentnej väzbe [14C], kvercetínu na DNA sa tvrdilo, že flavonoidy majú protichodné biochemické aktivity (mutagénny účinok na jednej strane a antikarcinogénny účinok na strane druhej) [44]. Okrem kovalentnej väzby môžu flavonoidy interagovať s DNA interkaláciou, väzbou na drážku a väzbou na kostru. Na objasnenie nekovalentných interakcií medzi flavonoidmi a DNA sa použilo niekoľko metód vrátane elektrochemických a SPR techník, lineárneho dichroizmu, absorpcie, fluorescencie a nukleárnej magnetickej rezonančnej spektroskopie [44–46]. Väzba 10 aglykónov a flavonoidových glykozidov s duplexmi DNA bola skúmaná pomocou elektrosprejovej ionizačnej hmotnostnej spektrometrie (ESI-MS) [47]. ESI-MS analýza a SPR ukázali, že presne tri molekuly EGCG sa viažu na poly(dT) 18mer jednovláknové DNA oligoméry prostredníctvom jednej hydroxylovej skupiny trihydroxyfenylovej skupiny v EGCG. Po naviazaní EGCG chránil oligoméry dvojvláknovej DNA pred roztavením na jednovláknovú DNA [59].

Dnes sa výpočtová simulácia a spektroskopia používajú hlavne na skúmanie biofyzikálnych informácií (napr. režim interakcie) o interakciách medzi flavonoidmi a DNA [60]. Experimenty, ktoré sa uskutočnili v posledných rokoch, navrhli špecifické konsenzuálne miesta viazania DNA pre flavonoidy. Kvercetín sa napríklad viaže na dodekamerovú duplexnú sekvenciu CGCGAATTCGCG, ktorej neviazaná štruktúra bola vyriešená pred mnohými rokmi (PDB ID: 1BNA) [61]. V súčasnosti je možné odhaliť kompletný genóm organizmu pomocou technológií sekvenovania novej generácie (NGS), ako sú masívne paralelné sekvenačné stroje Illumina alebo Sanger. Navyše podľa špecializovaných protokolov je možné extrahovať DNA v špecifických oblastiach alebo so špecifickými funkciami a potom použiť NGS na získanie sekvencie DNA. Chem-seq (zachytenie chemickej afinity spojené s masívne paralelným sekvenovaním DNA) je nová aplikácia NGS, ktorá sa nedávno použila na extrakciu a sekvenovanie oblastí DNA, ktoré boli naviazané na malé molekuly. Táto metóda umožňuje zachytiť oblasti chromatínu naviazané na malé molekuly bez predchádzajúcej informácie, tj s nezaujatým, nešpecifickým markerom [49]. Najnovšie štúdie už preukázali schopnosť izolovať známe interakcie liek – chromatín pomocou Chem-seq [49,50]. Atrahimovich a kol. použili techniku ​​Chem-seq na charakterizáciu interakcií medzi kvercetínom a bunkovou DNA a demonštrovali jej následný účinok na downstream transkripciu [48]. Výsledky ukazujú, že kvercetín sa viaže na chromatín monocytov a moduluje expresiu génov, ktoré sa podieľajú na bunkovom cykle a vývoji buniek [48]. Pomocou aplikácie Chem-seq možno určiť interakcie flavonoidov s DNA a chromatínom, aby sa študoval jeho význam. Táto schopnosť by mohla byť mimoriadne dôležitá pre medicínu a ľudské zdravie a prospešná pri navrhovaní vhodných diétnych zásahov a liekov na liečbu rakoviny.

3. Flavonoidy zmierňujú ľudské choroby prostredníctvom priamych interakcií s proteínmi, lipoproteínmi a DNA

3.1. Interakcie flavonoidov s kľúčovými proteínmi podieľajúcimi sa na zápale

Zápalcharakterizuje ochrannú odpoveď imunitného systému, zahŕňajúcu produkciu rôznych prozápalových cytokínov a chemokínov, ktoré zvyšujú produkciu interferónu, proteáz, NO a ROS [62]. Cytokíny tiež indukujú expresiu cyklooxygenázy-2 (COX-2), enzýmu, ktorý katalyzuje produkciu prostaglandínov (PG), ktoré sú kľúčovými mediátormi zápalu [63]. Xantín oxidáza (XO) je ďalším kritickým zdrojom ROS, ktorý prispieva k zápalu. Zápalové stavy vedú k zvýšeným hladinám XO a tým k zvýšenej tvorbe ROS a tvorbe peroxydusitanu. Peroxydusitan je silný reaktívny dusík (RNS) sprevádzaný OS, ktorý vzniká reakciou NO a superoxidových radikálov [64].

Na vysvetlenie protizápalovej aktivity flavonoidov in vivo bolo navrhnutých niekoľko mechanizmov účinku, ako je antioxidačná aktivita a modulácia produkcie prozápalových cytokínov a génovej expresie [11]. Je zaujímavé, že flavonoidy ovplyvňujú zápalový proces nielen znížením expresie cytokínov a iných príbuzných zápalových markerov, ale aj interakciou s proteínmi, ktoré súvisia szápal. Ukázalo sa, že flavonoidy modulujú aktivitu enzýmov metabolizujúcich kyselinu arachidónovú (AA), ako je fosfolipáza A2 (PLA2), COX a lipoxygenáza (LOX) a enzým syntáza oxidu dusnatého (NOS) produkujúci NO. Inhibícia týchto enzýmov flavonoidmi znižuje produkciu AA, PG, leukotriénu a NO, ktoré sú kľúčovými mediátormizápal. Inhibícia týchto enzýmov flavonoidmi je teda určite jedným z dôležitých bunkových protizápalových mechanizmov [65].

Kvercetín bol prvý objavený flavonoidový inhibítor PLA2 z ľudských neutrofilov. Ukázalo sa, že kvercetín selektívne inhibuje sekrečnú PLA2 skupiny II [66]. Podobne rutín selektívne inhiboval ľudský PLA2-II zo synoviálnej tekutiny, zatiaľ čo bol slabým inhibítorom ľudského PLA2-I z pankreatickej šťavy. Keď sa rôzne flavonoidy porovnávali z hľadiska ich schopnosti inhibovať PLA2, zdá sa, že malé zmeny v štruktúre ovplyvňujú celkovú inhibíciu PLA2 aj selektivitu skupiny II. Zistilo sa, že poloha hydroxylových skupín je jedným z dôležitých aspektov C-kruhu-2, 3-dvojitej väzby. Hydroxylové skupiny v polohách 3' a 4' na kruhu B sa zdajú byť dôležité pre selektívnu inhibíciu PLA2-II, zatiaľ čo 5-hydroxylová skupina na kruhu A, nenasýtenosť a 4-oxy na C-kruhu sa zdalo byť dôležité pre celkovú schopnosť flavonoidov inhibovať aktivitu PLA2 [67]; inhibícia PLA2 bola veľmi závislá od polohy hydroxylových skupín na kruhoch A, B a C, zatiaľ čo hydroxylové skupiny v polohách 5, 6 a 7 na A-kruhu sa považovali za nevyhnutné pre väzbu k PLA2. Kvercetín, kempferol a galangín teda vykazovali vysokú inhibičnú aktivitu na PLA2, zatiaľ čo naringín vykazoval nižšiu inhibičnú aktivitu [68].

COX produkuje PG a tromboxány a existuje najmenej v dvoch rôznych izoformách, COX-1 a COX-2. COX-1 je konštitutívny enzým, ktorý je prítomný takmer v každom type bunky. Zatiaľ čo COX-2 je indukovateľný enzým, ktorý je vysoko exprimovaný vzápal-príbuzné typy buniek, vrátane makrofágov a žírnych buniek [69]. Pretože produkuje PG, COX-2 je úzko spojená s akútnymi, ako aj chronickými typmi zápalových porúch. Zistilo sa, že niektoré flavonoidy, ako je luteolín, 3',4'-dihydroxyfllavón, galangín a morín, katechín a epikatechín, inhibujú COX obličkovej drene potkanov s IC50 100–130 µM [70]. V ľudských trombínom agregovaných krvných doštičkách sa zistilo, že určité flflavonoidy, ako je chryzín a apigenín, sú inhibítormi COX s IC50 13 a 18 uM, zatiaľ čo myricetín a kvercetín pri 10 uM silne inhibujú LOX. Najmä redukcia C-2, 3-dvojitej väzby a glykozylácia znížili inhibičné aktivity flavonoidov [71]. Analýza in-silico preukázala, že kvercetín môže čiastočne inhibovať enzým COX{19}} väzbou na podjednotku A, ktorá má peroxidázovú aktivitu a slúži ako zdroj ROS [72].

vo všeobecnostiflavonoidysa môže podieľať hlavne nazápalprostredníctvom inhibície a regulácie enzýmov, ktoré modulujú prozápalové cytokíny alebo malé molekuly, ako sú ROS a RNS.

3.2. Interakcie flavonoidov s kľúčovými proteínmi pri Alzheimerovej chorobe (AD)

AD je rozšírené neurodegeneratívne ochorenie, ktoré je charakterizované neurofibrilárnymi spleťami, senilnými plakmi a synaptickou stratou, ktorá nakoniec vedie k smrti neurónov [78,79]. AD je formou demencie, ktorá sa vyznačuje progresívnou stratou pamäti, poklesom jazykových schopností a inými kognitívnymi poruchami a najčastejšie postihuje starších ľudí [80]. Etiológia AD je nejasná; v patofyziológii ochorenia sa však zvažuje množstvo faktorov, ako je tvorba plakov s amyloidným proteínom (A ), nízke hladiny acetylcholínu, oxidačný stres a abnormálne posttranslačné modifikácie proteínu tau [81,82]. Postupné štiepenie amyloidného prekurzorového proteínu tvorí agregáty A peptidov s 39 až 43 aminokyselinami, ktoré sa prilepia na neuróny ako nerozpustné amyloidné plaky. A sa generuje z amyloidového prekurzorového proteínu enzýmom štiepiacim amyloidný prekurzorový proteín na mieste -1 (BACE-1, -sekretáza) a -sekretázami [83,84]. Preto sa predpokladá, že inhibícia BACE-1 hrá dôležitú úlohu v prevencii AD [85].

Neurotransmiter acetylcholín hrá dôležitú úlohu v procese učenia a pamäti v hipokampe. Na hydrolýze acetylcholínu sa podieľajú dva enzýmy, acetylcholínesteráza (AChE) a butyrylcholínesteráza (BChE), ktoré znižujú jeho hladinu počas rozvoja AD. Preto je inhibícia AChE a BChE vysoko žiaducou stratégiou na liečbu AD [86–88]. Klinicky schválené lieky takrín, donepezil, galantamín a rivastigmín zlepšili krátkodobú pamäť a kognitívne hladiny prostredníctvom inhibície AChE. Nevýhody týchto liekov a ich postupné vedľajšie účinky, ako sú periférne vedľajšie účinky, hepatotoxicita a poruchy gastrointestinálneho traktu, povzbudili výskumníkov k vývoju účinnejších inhibítorov AChE [89–91].
Flavonoidy sú perspektívne prírodné produkty s neuroprotektívnym potenciálom, ktoré buď zabraňujú vzniku alebo spomaľujú progresiu vekom podmienených neurodegeneratívnych ochorení. Mechanizmus, ktorým flavonoidy zabraňujú alebo spomaľujú progresiu AD, môže spočívať v priamej interakcii s kľúčovými enzýmami, ktoré sa podieľajú na tomto ochorení [81,85,92–95]. Shimmyo a kol. skúmali potenciál flavonolov a flavónov inhibovať BACE-1. Zistili, že štyri flavonoly: myricetín, kvercetín, kempferol a morín a jeden flavón: apigenín priamo inhibujú aktivitu enzýmu BACE-1 v závislosti od koncentrácie, s hodnotami IC50 2,8, 5,4, 14,7, 21,7, a 38,5 uM, v danom poradí [95]. Štúdie na starých transgénnych myšiach TASTPM (model AD) ukázali, že perorálne podávanie (-)-epikatechínu znižuje patológiu A prostredníctvom nepriamej, nekatalytickej inhibície BACE-1 a nie prostredníctvom modulácie aktivity buď - alebo -sekretázy [96 ]. Zistilo sa, že epigalokatechín-3-galát (EGCG) a kurkumín znižujú A-sprostredkovanú BACE{28}} upreguláciu v kultúrach neurónov, čo je zaujímavé, že zvyšuje neamyloidogénne spracovanie amyloidného prekurzorového proteínu zvýšením štiepenia -sekretázou [95 ]. Pueyo a kol. preskúmali literatúru o prírodných a syntetických flavonoidoch s AChE-inhibičnou aktivitou. Našli 128 takýchto flflavonoidov: 41 flflavónov, 21 flflavanónov, 35 flflavonolov, 25 izofllavónov a šesť chalkónov. Spomedzi nich osem syntetických flavonoidov inhibovalo AChE s IC50 < 100="" nm.="" tri="" prírodné="" flavonoidy,="" akaciín="" z="" kvetov="" chrysanthemum="" indicum="" a="" desmetylanhydroikaritín="" a="" kaempferol="" z="" koreňov="" sophora="" flavescens,="" inhibovali="" ache="" s="" hodnotami="" ic50="" 3,2,="" 6,7="" a="" 3,3="" nm="" [97].="" orhan="" a="" kol.="" skúmali="" rôzne="" deriváty="" flavonoidov="" na="" ich="" inhibíciu="" ache="" a="" bche.="" pri="" koncentrácii="" 1="" mg/ml="" bol="" kvercetín="" najúčinnejší="" voči="" ache="" so="" 76,2="" percentnou="" inhibíciou="" a="" genisteín="" vykazoval="" najvyššiu="" inhibíciu="" (65,7="" percenta)="" bche,="" nasledovaný="" luteolín{52}}o-rutinozidom="" a="" silibinínom="" (54,9="" percent="" a="" 51,4="" percenta)="" [98,99].="" v="" ďalšej="" štúdii="" mal="" citrus="" junos="" významný="" inhibičný="" účinok="" na="" ache="" in="" vitro="" a="" in="" vivo="" a="" aktívna="" zlúčenina="" bola="" identifikovaná="" ako="" naringenín,="" hlavný="" derivát="" flavanónu="" [100].="" lee="" a="" spol.="" skúmali="" inhibičný="" účinok="" citrusových="" flavanónov="" na="" bace-1,="" ache="" a="" bche.="" spomedzi="" všetkých="" skúmaných="" flflavanónov="" vykazoval="" hesperidín="" najlepšiu="" inhibíciu="" bace-1,="" ache="" a="" bche="" s="" hodnotami="" ic50="" 10,02,="" 22,80="" a="" 48,09="" um,="" v="" tomto="" poradí.="" kinetické="" štúdie="" odhalili,="" že="" všetky="" flavanóny="" boli="" nekompetitívne="" inhibítory="" bace{70}}="" a="" cholínesterázy="">

Hyperfosforylácia tau proteínov s následnou akumuláciou ako neuro fibrilárne klbká je hlavným prispievateľom ku kognitívnym dysfunkciám a jedným z prvých AD markerov. Je známe, že niekoľko kináz, ako napríklad GSK{0}b a CDK5/p25, prispieva k fosforylácii tau proteínov a podieľa sa na patogenéze AD. V prevencii AD možno použiť flavonoidy, ktoré inhibujú aktivity niekoľkých kináz. Ukázalo sa, že terapia flavonoidom morínom znižuje hyperfosforyláciu tau in vitro a in vivo v hipokampálnych neurónoch transgénnych zvierat (myši 3xTg-AD) [103]. Kvercetín inhiboval aktivitu PI3-kinázy a kyanidín 3-O-glukozid tiež poskytoval významnú ochranu proti kognitívnym dysfunkciám, ktoré sú indukované podávaním A na zvieracích modeloch, sprostredkované moduláciou GSK{{9} }b/tau. [104,105].

Celkovo môžu flavonoidy uplatniť svoje potenciálne neuroprotektívne účinky prostredníctvom interakcie s kľúčovými proteínmi, ktoré sa podieľajú na AD. Lepšie pochopenie interakcií flavonoid-proteín pri AD by mohlo byť sľubnou stratégiou pre vývoj nových neuroprotektívnych terapií na prevenciu a liečbu neurodegeneratívnych ochorení.

3.3. Interakcie flavonoidov s kľúčovými proteínmi a lipoproteínmi pri ateroskleróze

Ateroskleróza je ďalšou chorobou, ktorú flavonoidy preukázateľne zmierňujú. Prvým krokom pri ateroskleróze je akumulácia lipoproteínu s nízkou hustotou (LDL), hlavného nosiča cholesterolu, v arteriálnej stene. Lipoproteíny s vysokou hustotou (HDL) sú na druhej strane hlavným antiaterogénnym faktorom v krvi, ktorý udržuje hladinu cholesterolu v celom tele v rovnovážnom stave. V proteóme HDL bolo identifikovaných viac ako 80 proteínov, pričom apolipoproteíny A1 a A2 tvoria približne 65 percent a 15 percent proteínovej hmoty. Ďalšie proteíny zahŕňajú rôzne enzýmy, ako je paraoxonáza 1 (PON1). PON1 je zodpovedný za mnohé antiaterogénne vlastnosti HDL. Korelácie medzi PON1, HDL a aterosklerózou, in vivo aj in vitro, sú dobre preukázané [106,107]. Okrem odtoku cholesterolu má HDL ďalšie silné biologické aktivity: antioxidačné [108], protizápalové [109], antiapoptotické [110] a vazodilatačné [111]. Tieto aktivity nemusia nevyhnutne závisieť od kvantity HDL, ale pravdepodobne závisia od jeho kvality [112,113]. S ohľadom na kardiovaskulárne zdravie sme už predtým ukázali, že flavonoid glabridín, extrahovaný z koreňa sladkého drievka, pôsobí ako vynikajúci antioxidant a vykazuje aditívne antioxidačné a antiaterogénne vlastnosti. Glabridín sa viaže na rekombinantný PON1 (rePON1) a chráni svoj Cys284 pred oxidáciou aterosklerotickou zložkou hydroperoxidom kyseliny linolovej (LA-OOH). Táto špecifická kapacita glabridínu je jedinečná; aflavonoidkatechín nevykazuje žiadnu väzbovú afinitu k rePON1 [21]. Ďalej sa skúmala súvislosť medzi štruktúrou flavonoidov a ich účinkami na aktivitu rePON1. Charakterizovali sa interakcie 12 reprezentatívnych flavonoidov z rôznych chemických podtried s rePON1 [42]. Okrem toho sa skúmal potenciál komplexov rePON1 – flavonoidov brániť oxidácii LDL, kľúčovému procesu v aterogenéze. Katechín, ktorý sa neviaže na rePON1, urýchlil oxidáciu LDL; na rozdiel od toho glabridín preukázal vysokú väzbovú afinitu k rePON1 a zvýšil jeho ochranný účinok proti oxidácii LDL [42]. Okrem toho sme dôsledne pozorovali interakcie špecifických flavonoidov s časticami HDL alebo jej viazanými proteínmi, apolipoproteínom A1 a PON1. Ukázali sme, že kvercetín a punicalagín sa viažu na časticu HDL a zvyšujú jej protizápalové vlastnosti [41], zatiaľ čo po väzbe na časticu LDL alebo na jej naviazaný apolipoproteín B100, punicalagin indukoval prílev LDL do buniek makrofágu J774A.1, ktorý môže znížiť hladiny cirkulujúceho LDL [114]. Celkovo sa zistilo, že flflavonoidy a polyfenoly vo všeobecnosti inhibujú symptómy aterosklerózy a znižujú jej rozvoj prostredníctvom špecifických interakcií flflavonoidov s bunkovými a sérovými proteínmi a lipoproteínmi.

3.4. Flavonoidy ako protirakovinové látky prostredníctvom interakcie s DNA a chromatínom

Protirakovinové účinky flavonoidov môžu byť výsledkom interakcie týchto prírodných zlúčenín s biomolekulami (DNA, RNA a proteín). Uvedomujeme si, že flavonoidy z potravy sa môžu špecificky alebo stochasticky viazať na DNA a meniť jej funkciu [115]. Rozsiahle štúdie in vitro naznačujú, že flavonoidy účinne znižujú bunkovú proliferáciu, indukujú apoptózu a znižujú riziko metastáz [24]. Chemo-preventívne účinky flavonoidov vrátane luteolínu, epigalokatechín galátu, kvercetínu, apigenínu a chryzínu boli preukázané so zameraním na ochranu pred poškodením DNA, ktoré je spôsobené rôznymi karcinogénnymi faktormi. Tieto flavonoidy selektívne chránia normálne bunky a indukujú mechanizmy bunkovej smrti v rakovinových bunkách v ľudských pľúcach a bunkách kolorektálneho adenómu počas chemoterapie alebo rádioterapie [24]. Zistilo sa, že flavonoidy, menovite kvercetín, myricetín, kempferol, apigenín a luteolín, ktoré sú rozpustné v tukoch a sú slabo kyslé, môžu voľne difundovať cez bunkovú membránu a špecificky sa akumulovať vo vnútri leukemických buniek K562 [116]. preto

predpokladá sa, že flavonoidy s väčšou pravdepodobnosťou viažu DNA alebo proteíny v jadre rakovinovej bunky a špecificky prerušujú reguláciu rakovinového genómu. Okrem toho výsledky in-silico ukázali, že najmä kvercetín dobre interaguje s G-kvadruplexnou DNA, ktorá súvisí s telomerázou. Kvercetín pôsobí ako terapeutické protirakovinové činidlo prostredníctvom regulácie aktivity telomerázy [117]. Porovnaním výpočtových a experimentálnych väzbových profilov nová štúdia potvrdila, že kvercetín má najsilnejšiu väzbovú afinitu k DNA spomedzi študovaných flavonoidov. Okrem toho štúdia odhalila, že flavonoidy môžu meniť konformáciu DNA a inhibovať amplifikáciu DNA, vykazujú pôsobivú indukciu zastavenia bunkového cyklu a môžu podporovať apoptózu v rakovinových bunkách HepG2, MCF{6}} a A549 [60] Na dosiahnutie účinných terapeutických dávok používaných v predklinických štúdiách sa musí klásť dôraz na vylepšené a cielené techniky podávania liečiv, aby sa dosiahla maximálna účinnosť s minimálnymi nepriaznivými vedľajšími účinkami. Pokroky v systémoch dodávania liekov založených na nanotechnológiách otvárajú lepšie príležitosti na zvýšenie rozpustnosti, zlepšenie biologickej dostupnosti a zlepšenie schopnosti flavonoidov zacieliť [118]. Nanočastice na báze lipozómov, polyetylénglykolových lipozómov, na báze niklu, lecitínu a nanoribbonu sú vhodnými molekulárnymi nosičmi na dodávanie flavonoidných liečiv do cieľových tkanív. Uvádza sa, že nanočastice boli úspešne použité na dodanie kvercetínu do solídnych nádorov in vitro a in vivo modelov rakoviny centrálneho nervového systému, pľúc, hrubého čreva, pečene a prsníkov [119].
Mnohé štúdie teda podporujú potenciál flavonoidov ako prírodných zdravotných produktov v chemoprevencii rakoviny. Je však potrebných viac štúdií na konfiguráciu ich mechanizmu účinku na zlepšenie nášho chápania epigenetických procesov, ktoré môžu poskytnúť racionálnejší základ pre kombinovanie špecifických dietetických zlúčenín v klinickom prostredí [24].

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

1 Lab of Natural Compounds and Analytical Chemistry, MIGAL-Galilee Research Institute, Kiryat Shmona 11016, Izrael; Danaa@migal.org.il
2 Katedra biotechnológie, Tel-Hai College, Upper Galilee 12210, Izrael
3 Laboratórium sfingolipidov, bioaktívnych metabolitov a modulácie imunity, MIGAL-Galilee Research Institute, Kiryat Shmona 11016, Izrael; dorita@migal.org.il* Korešpondencia: solimankh@migal.org.il; Tel.: plus 972-4-6953512; Fax: plus 972-4-6944980

4. Závery

Príspevky autora:DA (Dana Atrahimovich), písanie – príprava a úprava pôvodného návrhu, DA (Dorit Avni) písanie časti 'Flavonoidové interakcie s kľúčovými proteínmi podieľajúcimi sa na zápale' a editovanie; SK supervízia, písanie—recenzia a úprava. Všetci autori si prečítali publikovanú verziu rukopisu a súhlasili s ňou.
Financovanie:Tento výskum nezískal žiadne externé financovanie.
Konflikt záujmov:Autori nedeklarujú žiadny konflikt záujmov.

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

Referencie

1. Procházková, D.; Boušová, I.; Wilhelmová, N. Antioxidačné a prooxidačné vlastnosti flflavonoidov. Fitoterapia 2011, 82, 513–523. [CrossRef]

2. Duthie, GG; Duthie, SJ; Kyle, JAM Rastlinné polyfenoly pri rakovine a srdcových chorobách: Dôsledky ako výživové antioxidanty. Nutr. Res. Rev. 2000, 13, 79–106. [CrossRef] [PubMed] 3. Ramos, S. Chemoprevencia a chemoterapia rakoviny: Diétne polyfenoly a signálne dráhy. Mol. Nutr. Food Res. 2008, 52, 507-526. [CrossRef] [PubMed] 4. Jaeger, BN; Parylak, SL; Gage, FH Mechanizmy účinku dietetických flavonoidov na funkciu neurónov a neurozápal. Mol. Aspects Med. 2018, 61, 50–62. [CrossRef] [PubMed] 5. Devi, S.; Kumar, V.; Singh, SK; Dubey, AK; Kim, JJ Flavonoidy: Potenciálni kandidáti na liečbu neurodegeneratívnych porúch. Biomedicína 2021, 9, 99. [CrossRef] 6. Williams, RJ; Spencer, JPE; Rice-Evans, C. Flavonoidy: Antioxidanty alebo signálne molekuly? Voľný Radic. Biol. Med. 2004, 36, 838-849. [CrossRef] 7. Virgili, F.; Marino, M. Regulácia bunkových signálov z molekúl výživy: Špecifická úloha fytochemikálií nad rámec antioxidačnej aktivity. Voľný Radic. Biol. Med. 2008, 45, 1205–1216. [CrossRef] 8. Grotewold, E. The Science of Flavonoids; Springer: Columbus, OH, USA, 2006; ISBN 9780387288215. 9. Agati, G.; Brunetti, C.; Fini, A.; Gori, A.; Guidi, L.; Landi, M.; Sebastiani, F.; Tattini, M. Sú flavonoidy účinnými antioxidantmi v rastlinách? Dvadsať rokov nášho vyšetrovania. Antioxidanty 2020, 9, 1098. [CrossRef] 10. Liu, Y.; Weng, W.; Gao, R.; Liu, Y.; Monacelli, F. Nové poznatky o bunkových a molekulárnych mechanizmoch starnutia a chorôb súvisiacich so starnutím: Bylinná medicína ako potenciálny terapeutický prístup. Oxid. Med. Bunka. Longev. 2019, 2019. [CrossRef] 11. Rolt, A.; Cox, LS Štrukturálny základ účinkov polyfenolov proti starnutiu: Zmiernenie oxidačného stresu. BMC Chem. 2020, 14, 1–13. [CrossRef] 12. Manach, C.; Scalbert, A.; Morand, C.; Rémésy, C.; Jiménez, L. Polyfenoly: zdroje potravy a biologická dostupnosť. Am. J. Clin. Nutr. 2004, 79, 727-747. [CrossRef] 13. Thilakarathna, SH; Vasantha Rupasinghe, biologická dostupnosť flavonoidov HP a pokusy o zvýšenie biologickej dostupnosti. Živiny 2013, 5, 3367–3387. [CrossRef] [PubMed] 14. Haq, I. Termodynamika interakcií liek-DNA. Arch. Biochem. Biophys. 2002, 403, 1-15. [CrossRef] 15. Uversky, VN Vnútorne neusporiadané proteíny a ich prostredie: Účinky silných denaturantov, teplota, pH, protiióny, membrány, väzboví partneri, osmolyty a makromolekulové zhlukovanie. Protein J. 2009, 28, 305-325. [CrossRef] 16. Hou, D.-X.; Kumamoto, T. Flavonoidy ako inhibítory proteínkinázy na chemoprevenciu rakoviny: Priama väzba a molekulárne modelovanie. Antioxid. Redoxný signál. 2010, 13, 691–719. [CrossRef] 17. Spencer, JPE Okrem antioxidantov: Bunkové a molekulárne interakcie flavonoidov a ako tieto podporujú ich pôsobenie na mozog. Proc. Nutr. Soc. 2010, 69, 244–260. [CrossRef] [PubMed] 18. Huang, Z.; Fang, F.; Wang, J.; Wong, C.-W. Vzťah štrukturálnej aktivity flavonoidov s receptorom gama súvisiacim s estrogénom. FEBS Lett. 2010, 584, 22–26. [CrossRef] [PubMed] 19. Somjen, D.; Knoll, E.; Vaya, J.; Stern, N.; Tamir, S. Estrogénu podobná aktivita zložiek koreňa sladkého drievka: glabridín a glabrén, vo vaskulárnych tkanivách in vitro a in vivo. J. Steroid Biochem. Mol. Biol. 2004, 91, 147–155. [CrossRef] 20. Jin, X.-L.; Wei, X.; Qi, F.-M.; Yu, S.-S.; Zhou, B.; Bai, S. Charakterizácia derivátov kyseliny hydroxyškoricovej viažucich sa na hovädzí sérový albumín. Org. Biomol. Chem. 2012, 10, 3424–3431. [CrossRef] 21. Atrahimovich, D.; Vaya, J.; Tavori, H.; Khatib, S. Glabridin chráni paraoxonázu 1 pred inhibíciou hydroperoxidu kyseliny linolovej prostredníctvom špecifickej interakcie: Štúdia zhášania fluorescencie. J. Agric. Food Chem. 2012, 60, 3679–3685. [CrossRef] 22. Luck, G.; Liao, H.; Murray, NJ; Grimmer, HR; Warminski, EE; Williamson, poslanec; Lilley, TH; Haslam, E. Polyfenoly, adstringencia a proteíny bohaté na prolín. Fytochémia 1994, 37, 357-371. [CrossRef] 23. Ciumărnean, L.; Milaciu, MV; Runcan, O.; Vesa, SC; Răchisan, AL; Negrean, V.; Perné, MG; Donča, VI; Alexescu, TG; Para, I.; a kol. Účinky flavonoidov pri kardiovaskulárnych ochoreniach. Molekuly 2020, 25, 4320. [CrossRef] [PubMed] 24. Cijo, V.; Dellaire, G.; Rupasinghe, HPV ScienceDirect Rastlinné flavonoidy v chemoprevencii rakoviny: Úloha v stabilite genómu. J. Nutr. Biochem. 2017, 45, 1–14. [CrossRef] 25. Maher, P. Potenciál flavonoidov na liečbu neurodegeneratívnych ochorení. Int. J. Mol. Sci. 2019, 20, 3056. [CrossRef] [PubMed] 26. Gecibesler, IH; Aydin, M. Väzba rastlinných flavonoidov na plazmatický proteín na ľudský sérový albumín a ich antiproliferatívne aktivity. An. Akad. Bras. Cienc. 2020, 92, 1–16. [CrossRef] 27. Lin, CZ; Hu, M.; Wu, AZ; Zhu, CC Výskum rozdielov medzi štyrmi flavonoidmi s podobnou štruktúrou viažucou sa na ľudský sérový albumín. J. Pharm. Anal. 2014, 4, 392–398. [CrossRef] 28. Mondal, P.; Bose, A. Spektroskopický prehľad kvercetínu a jeho interakcie komplexu Cu (II) so sérovými albumínmi. BioImpacts 2019, 9, 115–121. [CrossRef] 29. Geng, R.; Ma, L.; Liu, L.; Xie, Y. Vplyv interakcie hovädzieho séra albumín-flavonoid na antioxidačnú aktivitu flavonoidov v strave: Nové dôkazy z elektrochemickej kvantifikácie. Molekuly 2019, 24, 70. [CrossRef] [PubMed] 30. Ma, CM; Zhao, XH Znázorňujúci nekovalentnú interakciu srvátkových proteínov s galangínom alebo genisteínom pomocou multispektroskopických techník a molekulárneho dokovania. Potraviny 2019, 8, 360. [CrossRef] 31. Tang, F.; Xie, Y.; Cao, H.; Yang, H.; Chen, X.; Xiao, J. Fetálne bovinné sérum ovplyvňuje stabilitu a biologickú aktivitu analógov resveratrolu: Interakčný prístup polyfenol-proteín. Food Chem. 2017, 219, 321–328. [CrossRef]