Inhibitory Effect of Gossypol on Aldose Reductase Activity

Abstract

Aldose reductase (AR; AKR1B1) and sorbitol dehydrogenase (SDH) are involved in the polyol pathway, a metabolic pathway related to sugar metabolism. This pathway is involved in the production of fructose for energy source. AR, an NADPH-dependent enzyme, serves as the initial enzyme in this pathway. However, elevated AR activity under conditions of high blood glucose levels leads to a reduction in the levels of NADPH/NAD+/Glutathione (GSH)/Glyoxalase (GLO)/Sirtuin1 (SIRT1), which are associated with antioxidant and antiaging processes. Moreover, heightened AR activity promotes the generation of Advanced glycation end products (AGEs), which can impair protein function or bind to the receptor for AGEs (RAGE), resulting in increased levels of reactive oxygen species (ROS) and subsequent aging or disease. Various types of aldose reductase inhibitors (ARI) have been developed to regulate excessive AR activity. However, many of these inhibitors exhibit toxicity, resulting in the suspension of their development. Consequently, researchers are currently exploring the potential of developing ARI through natural compounds. Gossypol (GP), a natural polyphenolic compound extracted from cotton, has been primarily investigated for its anticancer or antitumor properties, although its effects on antioxidant activity and antiaging processes are also noteworthy. GP has been found to inhibit AR, although specific research on this aspect is lacking. Interestingly, GP has demonstrated inhibitory effects on diabetes, a condition characterized by increased AR activity; however, its impact on AR inhibition has not yet been investigated. Therefore, the present study aims to assess whether GP reduces the levels of AR/AGEs/RAGE induced by D-galactose (D-gal). Experiments using fibroblasts revealed that D-gal treatment led to a dose-dependent increase in AGEs and RAGE levels, accompanied by a relative decrease in the levels of AMPK/SIRT1/ACC at 5 mg/ml of D-gal. The important point is that GP at concentrations ranging from 0.1 to 2 μM was found to have no toxic effects on cells and improved cell viability. Based on these preliminary findings, a post-treatment approach was employed to examine whether GP could effectively reduce the levels of AR/AGEs/RAGE induced by D-gal. The results demonstrated that GP effectively lowered the levels of AR/AGEs/RAGE induced by D-gal and restored the diminished levels of AMPK/SIRT1/ACC. These findings suggest that GP possesses the ability to inhibit AR and could serve as a promising candidate for ARI In conclusion, this study provides evidence that GP effectively reduces the levels of AR/AGEs/RAGE induced by D-gal and restores the compromised levels of AMPK/SIRT1/ACC. These findings highlight the potential of GP as an AR inhibitor, thus warranting further investigation into its therapeutic applications |알도스환원효소 (AR; AKR1B1)와 소르비톨 탈수소효소 (SDH)는 당 대사 경로 중 하나인 폴리올 경로에 관여한다. 이 경로는 에너지원인 과당을 생성하는데 관여한다. AR은 이 경로에서 초기 효소로 작용하며, NADPH를 필요로 한다. 그러나 고혈당 상태에서 AR 활성이 증가하면 NADPH/NAD+/글루타치온 (GSH)/글리옥살라제 (GLO)/시르투인1 (SIRT1)의 수준이 감소하는데, 이들은 항산화 및 항노화 관련이 있다. 게다가 증가된 AR 활성은 최종당화산물 (AGEs) 생성을 촉진하여 단백질 기능을 손상시키거나 최종당화산물 수용체 (RAGE)에 결합하여 활성산소종 (ROS)의 수준을 증가시키고, 이로 인해 노화나 질병이 발생할 수 있다. AR의 활성을 조절하기 위해 다양한 유형의 알도스 환원효소 억제제 (ARI)가 개발되었지만, 대부분은 부작용을 유발하여, 개발이 중단되었다. 따라서 현재는 ARI 개발하기위해 천연화합물에 초점을 맞추고 있고, 연구가 진행되고 있다. 목화에서 추출한 천연 폴리페놀 화합물인 고시폴 (GP)은 과거 중국에서 남성용 피임약으로 사용되었지만, 현재 항암 또는 항종양에 대해 연구가 되고 있다. 하지만, 구조적 측면에서 항산화, 항노화, AR을 표적하는 것으로 추측되지만, 아직 연구가 진행되지 않았다. 흥미롭게도, GP는 당뇨병 모델에서 연구가 되었는데, 당뇨병은 AR의 활성을 높이는데 관여한다. 그러나 AR에 대한 연구는 조사되지 않았다. 따라서 본 연구는 GP가 D-galactose (D-gal)에 의해 증가된 AR을 억제하여, AGEs/RAGE의 수준을 감소시키는지 분석하기 위해 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 섬유아세포를 이용하여, D-gal 처리가 용량 의존적으로 AGEs 및 RAGE 수준을 증가시키고, AMPK/SIRT1/ACC 수준을 상대적으로 감소시키는 것을 확인하였다. 중요한 점은 0.1~2 μM 농도의 GP는 세포에게 독성 효과를 나타내지 않고 세포 생존율을 향상시키는 사실을 확인하였다. 이러한 사전 연구 결과를 바탕으로, GP가 D-gal에 의해 증가된 AR/AGEs/RAGE 수준을 효과적으로 감소시킬 수 있는지 조사하기위해 GP를 후처리 하여 조사했다. 결과는 GP가 D-gal에 의해 상승된 AR/AGEs/RAGE 수준을 효과적으로 감소시키고 손상된 AMPK/SIRT1/ACC 수준을 회복시켰음을 보여주었다. 이러한 결과는 GP가 AR를 억제할 수 있는 능력을 가지고 있으며, 알도스 환원효소 억제제로서 유망한 후보물질로 기능할 수 있다는 것을 시사한다. 결론적으로, 본 연구는 GP가 D-gal에 의해 유발된 AR/AGEs/RAGE 수준을 효과적으로 감소시키고 손상된 AMPK/SIRT1/ACC 수 준을 회복시키는 것을 입증하고 있다. 이러한 결과는 GP가 AR 억제제로서의 잠재력을 강조하며, 따라서 그 치료적 응용 분야에 대한 추가적인 연구가 필요함을 보여준다.