S-Nitrosoglutathione (GSNO) Inhibits Hydrogen Peroxide Production by α-Ketoglutarate Dehydrogenase and Pyruvate Dehydrogenase: Investigating the Effects of Sex and High Fat Diets on Mitochondrial Nitrogen Signaling and Redox Balance

Abstract

The oxidation and reduction (redox) of select protein cysteine thiols is an important interface that elicits changes in cell metabolism in response to fluctuations in nutrition status. Our group has previously shown that protein S-glutathionylation (PSSG), a protein redox modification, is a key regulatory mechanism for numerous mitochondrial flavin-dependent dehydrogenases in the coupling of nutrient oxidation with the genesis of H₂O₂, a nonradical reactive oxygen species (ROS) secondary messenger involved in cell signaling pathways. Two such enzymes include α-ketoglutarate dehydrogenase (KGDH) and pyruvate dehydrogenase (PDH), both important sources of H₂O₂ that serve as entry points for metabolites into the Krebs cycle. Metabolic enzymes can also be subjected to protein S-nitrosylation (PSNO), a redox modification involving the addition and removal of nitric oxide (NO) from proteinaceous thiols.

The primary goal of this study was to determine whether H₂O₂ production by KGDH and PDH is regulated by protein S-nitrosylation. This included elucidating whether sex-differences or high-fat diets affect the PSNO status of KGDH and PDH. Our investigation was conducted in two different systems: an isolated liver mitochondrial system and a purified enzyme system. Using S-nitrosoglutathione (GSNO) in conjunction with well-established assays for measuring H2O2 production and enzyme activities, we discovered that S-nitrosylation does indeed impact KGDH and PDH. Moreover, we reveal for the first time sex-dimorphic differences in their redox modification in both a control and high-fat diet context. Combined, our findings demonstrate a novel mechanism for mediating mitochondria-to-cell signaling

Alternate abstract:

L'oxydation et la réduction (redox) de thiols de cystéine de certaines protéines constituent une modification importante qui provoque des changements métaboliques en réponse des fluctuations de l'état nutritionnel. Notre équipe a précédemment démontré que la S-glutathionylation des protéines (PSSG), une modification redox des protéines, est un mécanisme pertinent chez nombreux déshydrogénases flavin-dépendantes mitochondriales qui effectuent le couplage de l'oxydation des nutriments avec la genèse de H₂O₂, une espèce réactive d'oxygène non radical (ROS) qui sert de second messager dans la signalisation cellulaire. Parmi ces enzymes comprennent la déshydrogénase de l'α-cétoglutarate (KGDH) et la déshydrogénase du pyruvate (PDH) qui représentent d'importantes enzymes génératrices d'oxygène réactif, en plus d'être des points d'entrée pour les métabolites dans le cycle de Krebs. Ces enzymes métaboliques peuvent également être soumises à la S-nitrosylation des protéines (PSNO), une modification redox impliquant l'ajout et l'élimination d'oxyde nitrique (NO) généré par les synthases d'oxyde nitrique (NOS) à partir de thiols protéiques.

L'objectif principal de l'étude est de déterminer si l’H₂O₂ peut être régulé par la S-nitrosylation dans les enzymes KGDH et PDH. En outre, l'étude élucidera l'impact du sexe biologique et d'un régime riche en graisses sur ce phénomène. Notre enquête sera menée dans deux systèmes différents : un système mitochondrial hépatique isolé et un système d’enzyme purifié. En utilisant la S-nitrosoglutathione (GSNO) comme catalyseur de S-nitrosylation en conjonction avec des tests bien établis pour mesurer la production de H₂O₂et les activités enzymatiques, nous avons découvert que la S-nitrosylation affecte KGDH et PDH. De plus, nous révélons des différences sexe-dimorphiques dans leur modification redox dans de contextes de régime contrôlé et riche en graisses. Ensemble, nos résultats démontrent un nouveau mécanisme de médiation de la signalisation mitochondriale-à-cellule