AN INTEGRATED PROTEOMIC AND ANALYTICAL APPROACH FOR ELUCIDATING THE MECHANISM OF ACTION OF HISTIDINE DIPEPTIDES AND SYNTHETIC DERIVATES

β-alanil-L-histidine (i.e. carnosine) is an endogenous peptide that have been extensively characterized for a number of in vitro properties (i.e. metal chelating, antioxidant, reactive carbonyl species quenching). Several clinical trials highlighted the potential benefits of carnosine in the treatment of oxidative stress-based diseases, although the in vivo mechanism of action is not known, yet. The research project herein tries to expand upon the in vivo mechanism of action of carnosine. New analytical methods have been developed by means of liquid chromatography – tandem mass spectrometry for the quantification of histidine dipeptides, their derivatives, and the adducts formed with reactive carbonyl species into biospecimens. A first step was the implementation of hydrophilic interaction chromatography to skip some sample preparation steps and to reduce the chance of systematic errors. The method allowed the quantification of carnosine and carnosinol (a carnosine derivative stable to carnosinase) in biospecimens. Carnosinol tissue distribution in animal models of metabolic syndrome was determined and carnosinol-acrolein adduct was detected for the first time in liver matrices. This finding experimentally confirmed the reactive carbonyl species (RCS quenching activity of histidine dipeptides and derivatives in vivo. However, the metabolic instability of carnosinolHNE adduct was proved and such an evidence requires further studies aiming at understanding the metabolic fate of RCS-adducts to characterize their disposal. Subsequently, a new method for the measurement of carnosine hydrolysis in serum was developed as well. Human serum carnosinase has been identified as the enzyme responsible for such an activity. Compared to other published assays, the method employs a direct detection of the substrate and the use of less sample. Competition experiments with either natural derivatives or other molecules were set to identify hit compounds acting as carnosinase inhibitors. The collected data were shared with computational chemists who identified putative hit compounds via docking, virtual screening, and molecular dynamic approaches. Furthermore, a novel carnosine mechanism of action was studied starting from the evidence that carnosine can prevent the formation of protein adducts with 3,4- dihydroxyphenylglycolaldehyde (DOPEGAL) (i.e. an aldehyde intermediate of norepinephrine metabolism). This could be relevant for the in vivo mode of action of carnosine since DOPEGAL can accumulate in cells because of oxidative stress and as it covalently binds proteins, it can alter their structures and functions. Carnosine quenching activity via the formation of an Amadori product with DOPEGAL was determined in vitro and in cell lysates producing DOPEGAL from enzymatic transformation of norepinephrine. Future studies should be done to characterize the metabolic stability of the adduct and its formation in biospecimens as potential biomarker of norepinephrine toxicity. Finally, the project included proteomics studies on human umbilical vein cells (HUVECs) to assess the impact of carnosine and carnosinol on protein expression. It is widely recognized that drugs exert their pharmacological effects also by an alteration of biological pathways by modifying protein expression. Carnosine and carnosinol have little or no impact on protein expression as detectable on proteome or secretome of healthy endothelial cells. In the future the impact on pathological cells should be carried out as well. These data support the hypothesis of a low toxicity for these molecules, making them suitable candidates for a chronic administration. Although a lot of questions are still unanswered, these data have given new insights in the mechanism of action of carnosine and in the discovery of molecules acting either as carnosine-like compounds or as carnosinase inhibitors.

β-alanil-L-istidina (carnosina) è un peptide endogeno che possiede innumerevoli proprietà (chelante dei metalli, antiossidante, sequestrante delle specie reattive carboniliche). Diversi studi clinici hanno dimostrato un’attività farmacologica della carnosina in malattie su base ossidative, tuttavia il meccanismo dell’attività in vivo non è ancora noto. Questo progetto ha come scopo quello di comprendere il meccanismo in vivo della carnosina. Per far ciò, sono stati sviluppati nuovi metodi analitici di cromatografia liquida accoppiata a spettrometria di massa per la quantificazione in campioni biologici dei peptidi istidinici, loro derivati e gli addotti con le specie reattive carboniliche. Come prima cosa, un metodo analitico basato su una colonna ad interazione idrofiliche è stato sviluppato per l’analisi del carnosinolo in matrici biologiche di modelli animali di sindrome metabolica. La concentrazione di carnosinolo è stata determinata in diversi tessuti e, per la prima volta, l’addotto carnosinolo-acroleina è stato identificato in omogenato di fegato. Questo conferma l’attività del carnosinolo e dei peptidi istidinici come sequestranti delle specie reattive carboniliche in vivo. Tuttavia, è stata identificata l’instabilità metabolica dell’addotto carnosinolo-HNE in diversi tessuti. Saranno quindi necessari ulteriori studi per la caratterizzazione del metabolismo di questi addotti e l’identificazione della corretta entità chimica da ricercare nelle matrici biologiche come indice dell’attività sequestrante di carnosina e derivati. Il metodo basato su colonne ad interazioni idrofiliche è stato anche utilizzato per sviluppare un metodo a rivelazione diretta per determinare l’attività idrolitica del siero umano della carnosina. La carnosinasi serica è stata identificata come principale enzima impiegato nel metabolismo della carnosina. Rispetto ad altri metodi pubblicati in letteratura, quello sviluppato in questo elaborato si basa su una determinazione diretta della carnosina, senza dover effettuare processi complessi di preparazione del campione. I dati ottenuti sono stati convalidati con dati presenti in letteratura, dimostrando che il nostro metodo risulta essere affidabile ed accurato. È stato possibile anche condurre esperimenti di competizione fra substrati naturali e alcune molecole per valutare le principali interazioni substrato/enzima, con l’obiettivo di identificare inibitori della carnosinasi. I dati ottenuti sono stati condivisi con colleghi chimici computazionali che attraverso esperimenti di docking, virtual screening e dinamica molecolare hanno identificato dei possibili inibitori naturali della carnosinasi serica umana. Un nuovo meccanismo d’azione della carnosina è stato approfondito, in quanto recenti pubblicazioni hanno evidenziato un ruolo della carnosina nella prevenzione della formazione di addotti fra la 3,4-diidrofenilglicolaldeide (DOPEGAL), un metabolita intermedio del catabolismo della noradrenalina, e le proteine. La capacità della carnosina di legare covalentemente la DOPEGAL tramite la formazione di un prodotto di Amadori è stata determinata in vitro e in lisato cellulare dove la DOPEGAL è stata formata aggiungendo noradrenalina al lisato enzimaticamente attivo. Studi futuri dovranno caratterizzare la stabilità metabolica di quest’addotto e le caratteristiche della sua formazione in matrici biologiche in quanto risulta essere un interessante biomarcatore di tossicità noradrenalinergica. In fine è stata valutato l’impatto della carnosina e del carnosinolo sul proteoma di cellule endoteliali umane derivanti dalla vena ombelicale. È ormai noto che i farmaci non agiscono unicamente col meccanismo d’azione per il quale sono stati sviluppati, ma possono interferire con l’espressione delle proteine cellulari, aumentandone, o diminuendone l’espressione e di conseguenza attivando o disattivando vie biologiche. Carnosina e carnosinolo non inducono una variazione nell’espressione delle proteine in cellule sane. Questo conferma la sicurezza delle molecole, soprattutto prevedendone un uso come terapia cronica. In futuro l’effetto del trattamento andrà valutato su cellule in condizioni patologiche, per comprendere se, in queste condizioni, carnosina o carnosinolo riescono a influenzare vie metaboliche e risposte cellulari. Sebbene ci siano ancora diverse domande che sono rimaste senza risposta, i dati ottenuti in questo elaborato hanno portato all’aumento della conoscenza del meccanismo d’azione di carnosina e derivati e all’identificazione di composti inibitori della carnosinasi.