Фосфодиэстераза 2 - Phosphodiesterase 2

Структура PDE2 с фосфатом в виде стержней и каталитических металлов в виде сфер. (PDB: 1Z1L​)

В PDE2 (фосфодиэстераза 2) фермент один из 21 разных фосфодиэстеразы (PDE) найдено в млекопитающие. Эти различные PDE можно подразделить на 11 семейств (PDE1 - PDE11). Различные PDE одного семейства функционально связаны, несмотря на то, что их аминокислота последовательности показывают значительное расхождение.[1] PDE имеют разные субстрат особенности. Некоторые лагерь селективный гидролазы (PDE 4, -7 и -8), другие cGMP селективные гидролазы (PDE 5, -6 и -9), а остальные могут гидролизовать оба лагерь и cGMP (PDE1, -2, -3, -10 и -11).[2]

Здесь только один ген семейное кодирование PDE2, то есть PDE2A. Три варианты стыковки были обнаружены PDE2A1, PDE2A2 и PDE2A3 (PDE2A2 был обнаружен только у крыс). PDE2A1 - это цитозольный тогда как -A2 и -A3 связаны мембраной. Было высказано предположение, что различная локализация PDE2A2 и -A3 обусловлена ​​уникальной N-концевой последовательностью, которая отсутствует в PDE2A1. Несмотря на PDE2A варианты стыковки поскольку они разные, нет никаких известных различий в их кинетическом поведении.[3]

Кристальная структура

В Кристальная структура из активный сайт фермента PDE2.[4] Хотя аминокислота последовательности для членов семейства PDE показывают значительные различия (25-35% идентичности), общая укладка, функциональные и структурные элементы активных сайтов очень похожи. В активный сайт образован остатками, которые являются высококонсервативными среди всех PDE. В карман для переплета содержит участки связывания ионов металлов (цинка и магния). Два гистидин и два аспарагиновая кислота Остатки, связывающие цинк, консервативны среди всех изученных PDE.[3] Была выяснена структура нескольких других изоферментов ФДЭ, и среди них мало сокристалл структуры, с ингибиторами, находящимися в активном центре.[5] Сокристаллические структуры для PDE4B, PDE4D и PDE5 А выявили две общие особенности связывания ингибитора с PDE. Один - это планарный кольцевая структура ингибиторов, которые выстраиваются в активный сайт ферментов, а другой - консервативный глутамин остаток («переключатель глутамина», упомянутый ниже), который необходим для нуклеотид узнаваемость и избирательность.[1][5][6]

Селективность субстрата

лагерь (слева) и cGMP Направо. Естественный субстраты для PDE2.

Как упоминалось выше, PDE2 может гидролизовать как лагерь и цГМФ, тогда как некоторые другие члены семейства PDE являются селективными в отношении любого из двух циклических нуклеотидов. Считается, что вариабельность селективности в отношении цАМФ или цГМФ определяется так называемым «переключателем глутамина». «Глютаминовый переключатель» - инвариант глутамин встречается во всех PDE, для которых Кристальная структура было решено. В PDE2 этим остатком является Gln859. Он может образовывать водородные связи с экзоциклическим аминогруппа цАМФ и экзоциклических карбонил кислород цГМФ. В PDE, которые могут гидролизовать как цАМФ, так и cGMP, этот глютамин может свободно вращаться. В PDE, которые являются селективными либо для цАМФ, либо для цГМФ, этот глутамин ограничен соседними остатками в положении, благоприятствующем селективности для любого циклического нуклеотид.[1][3]

Регулирование

Когда cGMP связывается с аллостерический GAF-B домен PDE, он вызывает конформационное изменение в белок структура, приводящая к более высокой активности ферментов. Повышенный гидролиз лагерь из-за связывания cGMP в домен GAF-B хорошо документирован, однако нет известных примеров обратного.[3] Было показано, что домен GAF-B в 30-100 раз ниже близость за лагерь чем для cGMP.[7] Эта информация в сочетании с тем, что в настоящее время известно о внутриклеточный концентрации цАМФ, делает маловероятным активацию cGMP гидролиз лагерь может иметь место in vivo.[3]

Клиническая ценность PDE2

PDE2 экспрессируется в различных тканях, например: мозговое вещество надпочечников, мозг, сердце, тромбоцит, макрофаги и эндотелиальные клетки. Считается, что фермент участвует в регулировании многих различных внутриклеточный процессы, такие как:[3][8]

Сообщалось о нескольких ферментативных функциях PDE2. Было показано, что PDE2 снижает цАМФ за счет увеличения цГМФ, вызванного предсердный натрийуретический пептид (ANP), что приводит к снижению альдостерон секреция.[3] Также было высказано предположение, что PDE2 может играть важную роль в регуляции повышенного внутриклеточный концентрации цАМФ и цГМФ в тромбоцитах. PDE3 играет важную роль в агрегации тромбоцитов. Сообщалось, что более высокая концентрация цГМФ вызывает ингибирование PDE3, тогда как он стимулирует PDE2. Взаимодействие между этими двумя функциями, по-видимому, опосредует противоположную регуляцию цАМФ в тромбоцитах.[3] PDE2 регулирует сердечный Са L-типа2+ ток в сердечный миоциты, где активация PDE2 цГМФ снижает цАМФ и тем самым влияет на сердечную функцию.[3] Однако недавно было обнаружено, что разные пулы цАМФ, расположенные в сердечном миоците, опосредуют разные (более того, иногда противоположные) эффекты. Поскольку разные типы PDE могут влиять на разные пулы цАМФ, разные PDE могут регулировать разные процессы в клетке.[9] PDE2 экспрессируется в нескольких областях мозга, и эксперименты на крысах показали, что ингибирование PDE2 улучшает такие функции, как память.[3] PDE2 активируется, когда моноциты дифференцировать в макрофаги, но роль PDE2 в созревших макрофагах еще предстоит охарактеризовать. Кроме того, было показано, что PDE2 играет роль в воспалительный ответы, поскольку это было обнаружено в микрососудах, но не в более крупных сосудах. Было высказано предположение, что фактор некроза опухоли альфа (TNFα) может регулировать функцию PDE2 в эндотелиальные клетки и тем самым влияя на поток жидкости и клеток через эндотелиальный барьер, как in vitro эксперименты на эндотелиальных клетках показывают регуляцию как PDE2 мРНК и активность.[3]

До сих пор ингибиторы PDE2 в основном использовались в качестве инструментов исследования, но в настоящее время они исследуются на предмет улучшения памяти и уменьшения эндотелиального проницаемость под воспалительный условия,[3] и для предотвращения / улучшения сердечной недостаточности и гипертрофии сердца.[10]

Ингибиторы PDE2A

Ингибиторы ФДЭ2
EHNA
Оксиндол
Залив 60-7550
PDP

EHNA

Первым специфическим ингибитором, разработанным для PDE2, был EHNA (эритро-9- (2-гидрокси-3-нонил) аденин). Было продемонстрировано, что он специфически действует на PDE2, ингибируя активацию cGMP PDE2 с помощью IC50 значение ~ 1 мкм и как минимум 50-кратная селективность по сравнению с другими PDE.[11] Основная структура EHNA напоминает цАМФ, но отличается тем, что EHNA имеет объемную структуру. гидрофобный боковая углеродная цепь, заменяющая фосфорибозу часть в cAMP.[1]

Тормозящие эффекты EHNA

В первичные культуры крысы корковый нейроны, ингибирование PDE2A с помощью EHNA потенцирует NMDA (N-метил-D-аспартат) рецептор активировал увеличение цГМФ, но не влияет на концентрацию цАМФ.[12]EHNA также очень мощный аденозиндезаминаза ингибитор с IC50 ~ 2 нМ.[13] Это двойное ингибирование привело бы к накоплению двух тормозящих метаболиты, аденозин [13][14] и cGMP,[12][15] который может действовать в синергия для опосредования различных фармакологических ответов, включая противовирусные, противоопухолевые и антиаритмические эффекты.[11]Хотя EHNA сильно подавляет аденозиндезаминаза, он успешно использовался с соответствующими элементами управления в качестве инструмента для проверки функций PDE2. EHNA была использована для изучения влияния PDE2 на контроль кальция в сердечных миоцитах. [16] и было показано, что он эффективен для устранения гипоксического сужения легочных сосудов на моделях перфузии легких.[17]Таким образом, EHNA использовалась для двух целей:

  1. служить ведущая структура для рационального дизайна более селективных и сильнодействующих ингибиторов ФДЭ2, и
  2. для определения некоторых биологических целей PDE.

Однако использование EHNA в качестве химического инструмента для определения фармакологической роли PDE2 ограничено из-за его низкой способности ингибировать PDE2 и высокой эффективности ингибирования аденозиндезаминазы.[18] Теоретически эту проблему можно решить, если учесть и скорректировать эффект аденозина, накопленного EHNA в результате ингибирования аденозиндезаминазы. Таким образом, наблюдался положительный инотропный эффект, вызываемый EHNA в результате ингибирования PDE2.[19][20]

BAY 60-7550, оксиндол и PDP

BAY 60-7550 - это аналог из EHNA, который более чем в 100 раз более эффективен и обладает высокой селективностью в отношении PDE2A.[13] Другими недавно открытыми селективными ингибиторами PDE2 являются PDP (9- (6-фенил-2-оксогекс-3-ил) -2- (3,4-диметоксибензил) пурин-6-он) [21] и оксиндол.[18]

Ингибиторы ФДЭ2
ИнгибиторIC50Ссылка
EHNA1 мкМ[11]
Оксиндол40 нМ[16]
Залив 60-75504,7 нМ[13]
PDP0,6 нМ[21]

В таблице выше показаны потенция ингибиторов PDE2, включая EHNA. Между EHNA, Bay 60-7550 и PDP наблюдается значительное повышение эффективности. Большая диметоксибензильная группа в положении 2 пуриновой части Bay-60 7550 и PDP может вносить вклад в дополнительную эффективность.

Структура и связь ингибиторов

Сравнение этих ингибиторов с естественными субстраты фермента цАМФ и цГМФ обнаруживают некоторые общие характеристики молекул. Основной характеристикой всех молекул является плоский фрагмент, содержащий по меньшей мере две конденсированные кольцевые структуры, кольцо из шести атомов и кольцо из пяти атомов. Эта кольцевая система в cGMP и cAMP представляет собой пуриновую кольцевую систему, и то же самое верно для EHNA и PDP. Bay 60-7550 и оксиндол не имеют пуринового ядра, но имеют родственную кольцевую систему. Акцепторы водородной связи, в основном азот, но также и кислород, находятся в кольцевой системе ингибиторов. Эти атомы могут взаимодействовать с донаторами водородных связей, которые являются частью аминокислот в активном центре фермента, и тем самым способствовать ингибированию ферментом гидролиза цАМФ и цГМФ, подобно тому, как природные субстраты связываются с активным сайтом.[1]

Структурное сходство ингибиторов

Конструкции Bay 60-7550 и PDP очень похожи. Разница между этими молекулами - экзоциклический метил группа на заливе 60-7550, которая заменяет атом азота в PDP, уменьшая возможность образования водородные связи с ферментом в важном сайте для связывания субстрата и ингибитора. Структура оксиндола отличается от других ингибиторов, поскольку она более отклоняется от пурин кольцевой системой и имеет меньше возможностей связывания водорода. В молекуле также отсутствует большая боковая группа, аналогичная диметоксибензильной группе Bay 60-7550 и PDP. Трудно предсказать возможные взаимодействия с ферментом без сокристаллической структуры явления.

Возможная взаимосвязь структура-активность для ингибиторов PDE2

Отсутствуют сокристаллические структуры ингибиторов, связанных в активный сайт PDE2. Однако компьютеризированная модель стыковки ингибитора EHNA и субстратов цАМФ и цГМФ, связанных в каталитическом сайте.[1] В модель стыковки EHNA показали, что мутации аминокислот от Asp811 до Ala (Asp811Ala) и от Ile826 до Val (Ile826Val) на активный сайт, где единственные аминокислотные замены, которые существенно повлияли на ингибирование EHNA. Мутация Asp811 в аланин увеличивает IC50 значение EHNA в 6 раз, а мутация Ile826 валина приводит к 7-кратному увеличению IC50 значение для EHNA по сравнению с PDE2A дикого типа.[1]

Верхний карман для переплета: Gln859 и Asp811

EHNA находится в непосредственной близости от Gln859 в активном центре, который может отдавать две водородные связи N1 и N6 атомов азота в адениновом кольце EHNA. На другом сайте связывающего кармана Asp811 может отдавать другую водородную связь N7 в адениновом кольце, чтобы стабилизировать ингибитор связи. Эта гипотеза подтверждается тем фактом, что мутант Asp811Ala имеет пониженную активность в отношении цАМФ, тогда как активность в отношении цГМФ не изменилась.[1]

Нижний переплетный карман: Иль 826

Остатки в нижнем кармане связывания могут находиться слишком далеко для взаимодействия с ингибитором и, следовательно, могут не иметь отношения к избирательности EHNA. Однако остатки могут играть косвенную роль в селективности EHNA. Ile826 расположен ниже пуринового кольца EHNA и тем самым ограничивает пространство для EHNA. Замена валином меньшего размера (мутация Ile826Val) может увеличить пространство для EHNA и вызвать потерю связывания водорода с остатками в верхнем кармане связывания, улучшая связывание водорода в нижнем кармане связывания. Этот сдвиг взаимодействий может дестабилизировать связывание аденинового кольца EHNA, что может быть причиной более высокого IC50 ценить.[1]

Для других ингибиторов, кроме EHNA, которые выравниваются в активном сайте, нет моделей. Следовательно, интерпретировать молекулярное связывание труднее. Если посмотреть на ингибиторы и их общее сходство, вполне вероятно, что они связываются с активным сайтом схожим механизмом и что разные боковые группы определяют эффективность ингибитора. Детерминанты специфичности ингибитора в активном центре PDE2 не очень хороши. известно, и при лучшем понимании этих детерминант это облегчило бы разработку ингибиторов с повышенной эффективностью.[1]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j Иффланд А., Колс Д., Лоу С. и др. (Июнь 2005 г.). «Структурные детерминанты специфичности и селективности ингибитора PDE2A с использованием системы трансляции зародышей пшеницы in vitro». Биохимия. 44 (23): 8312–25. Дои:10.1021 / bi047313h. PMID  15938621.
  2. ^ Мартинез С.Е., Ву А.Ю., Главас Н.А. и др. (Октябрь 2002 г.). «Два домена GAF в фосфодиэстеразе 2A играют разные роли в димеризации и связывании цГМФ». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 99 (20): 13260–5. Дои:10.1073 / pnas.192374899. ЧВК  130621. PMID  12271124.
  3. ^ а б c d е ж грамм час я j k л Бендер А.Т., Биво Д.А. (сентябрь 2006 г.). «Циклические нуклеотидные фосфодиэстеразы: молекулярная регуляция для клинического использования». Pharmacol. Rev. 58 (3): 488–520. Дои:10.1124 / пр.58.3.5. PMID  16968949. S2CID  7397281.
  4. ^ PDB: 1Z1L​
  5. ^ а б Card GL, England BP, Suzuki Y и др. (Декабрь 2004 г.). «Структурные основы активности препаратов, ингибирующих фосфодиэстеразы». Структура. 12 (12): 2233–47. Дои:10.1016 / j.str.2004.10.004. PMID  15576036.
  6. ^ Zhang KY, Card GL, Suzuki Y и др. (Июль 2004 г.). «Механизм переключения глутамина для селективности нуклеотидов фосфодиэстеразами». Мол. Клетка. 15 (2): 279–86. Дои:10.1016 / j.molcel.2004.07.005. PMID  15260978.
  7. ^ Wu AY, Tang XB, Martinez SE, Ikeda K, Beavo JA (сентябрь 2004 г.). «Молекулярные детерминанты связывания циклических нуклеотидов с регуляторными доменами фосфодиэстеразы 2A». J. Biol. Chem. 279 (36): 37928–38. Дои:10.1074 / jbc.M404287200. PMID  15210692.
  8. ^ Касс Д.А. (2013). "Et Tu PDE2?". J Am Coll Cardiol. 62 (17): 1607–1609. Дои:10.1016 / j.jacc.2013.06.003. PMID  23810892.
  9. ^ Stangherlin A; Gesellchen F; Zoccarato A; Террин А; Поля LA; Berrera M; Surdo NC; Craig MA; Smith G; Гамильтон G; Zaccolo M (2011). «Сигналы цГМФ модулируют уровни лагеря специфическим образом для регулирования катехоламин-зависимой передачи сигналов в сердечных миоцитах». Circ Res. 108 (8): 929–939. Дои:10.1161 / CIRCRESAHA.110.230698. ЧВК  3083836. PMID  21330599.
  10. ^ Zoccarato A; Surdo NC; Aronsen JM; Поля LA; Mancuso L; Додони Г; Stangherlin A; Ливи С; Цзян Х; Sin YY; Gesellchen F; Террин А; Baillie GS; Никлин С.А.; Грэм Д; Szabo-Fresnais N; Krall J; Vandeput F; Мовсесян М; Фурлан L; Corsetti V; Гамильтон GM; Lefkimmiatis K; Сджастад I; Zaccolo M (2015). «Гипертрофия сердца подавляется локальным пулом цАМФ, регулируемым фосфодиэстеразой 2» (PDF). Circ Res. 117 (8): 707–719. Дои:10.1161 / CIRCRESAHA.114.305892. PMID  26243800.
  11. ^ а б c Podzuweit T, Nennstiel P, Müller A (сентябрь 1995 г.). «Селективное ингибирование изоферментами цГМФ-стимулированных циклических нуклеотидных фосфодиэстераз с помощью эритро-9- (2-гидрокси-3-нонил) аденина». Клетка. Сигнал. 7 (7): 733–8. Дои:10.1016 / 0898-6568 (95) 00042-Н. PMID  8519602.
  12. ^ а б Суварна Н.Ю., О'Доннелл Дж. М. (июль 2002 г.). «Гидролиз стимулированного рецептором N-метил-D-аспартата цАМФ и цГМФ с помощью фосфодиэстераз PDE4 и PDE2 в первичных культурах нейронов коры головного мозга и гиппокампа крыс». J. Pharmacol. Exp. Ther. 302 (1): 249–56. Дои:10.1124 / jpet.302.1.249. PMID  12065724.
  13. ^ а б c d Boess FG, Hendrix M, van der Staay FJ и др. (Декабрь 2004 г.). «Ингибирование фосфодиэстеразы 2 увеличивает нейрональный цГМФ, синаптическую пластичность и производительность памяти». Нейрофармакология. 47 (7): 1081–92. Дои:10.1016 / j.neuropharm.2004.07.040. PMID  15555642. S2CID  25756665.
  14. ^ ван Калкер Д., Мюллер М., Хампрехт Б. (1978). «Аденозин подавляет накопление циклического АМФ в культивируемых клетках мозга». Природа. 276 (5690): 839–41. Дои:10.1038 / 276839a0. PMID  214714. S2CID  4272425.
  15. ^ Голдберг Н.Д., Хэддокс М.К., Никол С.Е. и др. (1975). «Биологическая регуляция посредством противоположных влияний циклического GMP и циклического AMP: гипотеза Инь-Ян». Adv Cyclic Nucleotide Res. 5: 307–30. PMID  165672.
  16. ^ а б Rivet-Bastide M, Vandecasteele G, Hatem S и др. (Июнь 1997 г.). «ЦГМФ-стимулированная циклическая нуклеотидфосфодиэстераза регулирует базальный ток кальция в миоцитах предсердий человека» (PDF). J. Clin. Вкладывать деньги. 99 (11): 2710–8. Дои:10.1172 / JCI119460. ЧВК  508117. PMID  9169501.
  17. ^ Хейнс Дж., Киллилия Д.В., Петерсон П.Д., Томпсон В.Дж. (февраль 1996 г.). «Эритро-9- (2-гидрокси-3-нонил) аденин ингибирует циклически-3 ', 5'-гуанозинмонофосфат-стимулированную фосфодиэстеразу, обращая вспять гипоксическое легочное вазоконстрикцию в перфузируемом легком крысы». J. Pharmacol. Exp. Ther. 276 (2): 752–7. PMID  8632346.
  18. ^ а б Чемберс Р.Дж., Абрамс К., Гарсо Нью-Йорк и др. (Январь 2006 г.). «Новый химический инструмент для изучения физиологической функции изофермента PDE2». Биоорг. Med. Chem. Латыш. 16 (2): 307–10. Дои:10.1016 / j.bmcl.2005.10.005. PMID  16275071.
  19. ^ Gesztelyi R; Zsuga J; Hajdu P; Szabo JZ; Cseppento A; Сентмиклоси А.Дж. (2003). «Положительный инотропный эффект ингибирования циклической GMP-стимулированной 3 ', 5'-циклической нуклеотидной фосфодиэстеразы (PDE2) на левое предсердие морской свинки при эу- и гипертиреозе» (PDF). Gen Physiol Biophys. 22 (4): 501–513. PMID  15113122.
  20. ^ Кемены-Беке А; Якаб А; Zsuga J; Vecsernyes M; Карсай Д; Pasztor F; Grenczer M; Szentmiklosi AJ; Берта А; Gesztelyi R (2007). «Ингибирование аденозиндезаминазы усиливает инотропный ответ, опосредованный аденозиновым рецептором A1 в предсердии морской свинки с гипертиреозом». Pharmacol Res. 56 (2): 124–131. Дои:10.1016 / j.phrs.2007.04.017. PMID  17574432.
  21. ^ а б Сейболд Дж., Томас Д., Витценрат М. и др. (Май 2005 г.). "Фактор некроза опухоли-альфа-зависимая экспрессия фосфодиэстеразы 2: роль в гипер проницаемости эндотелия". Кровь. 105 (9): 3569–76. Дои:10.1182 / кровь-2004-07-2729. PMID  15650061.