Oxidative damage to DNA induced by Alloisoleucine and other metabolites accumulated in the Maple Syrup Urine Disease : effect of L-carnitine

A Doença da Urina do Xarope do Bordo (MSUD) é causada pela deficiência na atividade do complexo da desidrogenase dos α-cetoácidos de cadeia ramificada, levando ao acúmulo dos aminoácidos de cadeia ramificada (BCAAs) leucina, isoleucina e valina e de seus α-cetoácidos de cadeia ramificada (BCKAs) correspondentes, bem como a presença da aloisoleucina (Allo), um biomarcador patognomômico da MSUD. Os pacientes afetados apresentam sintomas neurológicos severos, tais como coma, convulsões, edema e atrofia cerebral. Os mecanismos relacionados aos danos cerebrais ainda permanecem incertos, contudo, muitos estudos têm demonstrado o envolvimento do estresse oxidativo na fisiopatologia da doença. Neste contexto, foi recentemente demonstrado que, devido à restrição dietética de BCAAs (baixa ingestão de proteína), os pacientes MSUD possuem deficiência de L-Carnitina (L-Car), um composto com propriedades antioxidantes. Portanto, neste estudo, investigamos se a Allo e os outros metabólitos (BCAAs e BCKAs) acumulados na doença poderiam induzir danos ao DNA in vitro, avaliados pelo ensaio cometa, bem como o efeito da L-Car sobre o dano ao DNA. Também avaliamos os níveis urinários de 8-hidroxi-2’-deoxiguanosina (8-OHdG), um marcador bioquímico de dano oxidativo ao DNA, em pacientes MSUD submetidos a uma dieta restrita suplementada ou não com L-Car. Nossos resultados mostraram que todas as concentrações testadas de cada aminoácido e α-cetoácido (isolados ou incubados juntos) induziram dano ao DNA in vitro, comparado ao grupo controle e que o co-tratamento com L-Car reduziu significativamente esses efeitos. Observamos que a Allo induziu a maior classe de dano ao DNA e verificamos uma potencialização do dano ao DNA induzido pela ação sinérgica entre os metabólitos. No estudo in vivo, foi observado um aumento significativo nos níveis da 8-OHdG, o qual foi revertido pela suplementação com L-Car. Demonstramos pela primeira vez que o dano oxidativo ao DNA é induzido não somente pelos BCAAs e BCKAs, mas também pela Allo e que a L-Car confere efeito protetor antioxidante in vitro, bem como em pacientes MSUD.Maple Syrup Urine Disease (MSUD) is caused by a deficiency of the branched-chain α-keto acid dehydrogenase complex activity leading to accumulation of the branched-chain amino acids (BCAAs) leucine, isoleucine and valine and their corresponding branched chain α-keto-acids (BCKAs), as well as the presence of the amino acid alloisoleucine (Allo), a pathognomonic biomarker of MSUD. The affected patients present severe neurological symptoms, such as coma, seizures, edema and cerebral atrophy. The mechanisms related to brain damage in MSUD still remain unclear, however, many studies have been shown the involvement of oxidative stress in the pathophysiology of the disease. In this context, it was recently demonstrated that, due to dietary restriction of BCAAs (low protein intake), MSUD patients have deficiency of L-Carnitine (L-Car), a compound with antioxidant properties. Thus, in this work, we investigated whether Allo and others metabolites (BCAAs and BCKAs) accumulated in the disease could induce in vitro DNA damage, evaluated by the comet assay, as well as the effect of L-Car upon DNA damage. We also evaluated urinary 8-hydroxy-2′-deoxyguanosine (8-OHdG) levels, an oxidative DNA damage biomarker, in MSUD patients submitted to a restricted of BCAAs diet supplemented or not with L-Car. Our results showed that all tested concentrations of each amino acid and alpha keto acid (isolated or incubated together) induced in vitro DNA damage, compared to the control group and the co-treatment with L-Car reduced significantly these effects. We found that Allo induced the higher DNA damage class and verified a potentiation of DNA damage induced by synergistic action between the metabolites. In vivo, it was observed a significant increase in 8-OHdG levels, which was reversed by L-Car supplementation. We demonstrated for the first time that oxidative DNA damage is induced not only by BCAAs and BCKAs, but also by Allo and that the L-Car confers antioxidant protective effect in vitro, as well as in MSUD patients