Фосфодиэстераза 3 - Phosphodiesterase 3

Рисунок 1: Роль PDE3 в цАМФ- и цГМФ-опосредованной передаче сигнала. PK-A: протеинкиназа A (зависит от цАМФ). PK-G: протеинкиназа G (cGMP-зависимая).

PDE3 это фосфодиэстераза. PDE входят как минимум в одиннадцать связанных генные семьи, которые отличаются первичная структура, сродство к субстрату, ответы на эффекторы, и механизм регулирования.Большинство семейств PDE состоят из более чем одного гена. PDE3 имеет клиническое значение из-за своей роли в регуляции сердечной мышцы, гладких мышц сосудов и агрегации тромбоцитов. Ингибиторы PDE3 были разработаны как фармацевтические препараты, но их использование ограничено аритмическими эффектами, и они могут увеличивать смертность в некоторых случаях.

Функция

Ферменты PDE3 участвуют в регуляции сердечный и гладкие мышцы сосудов сократимость. Молекулы которые ингибируют PDE3, были первоначально исследованы для лечения сердечная недостаточность, но из-за нежелательного аритмичный побочные эффекты, они не изучаются для этого индикация больше. Тем не менее, ингибитор PDE3 милринон одобрен для использования при сердечной недостаточности в внутривенный форма.[1]

И PDE3A, и PDE3B экспрессируются в гладкие мышцы сосудов клетки и, вероятно, модулируют сокращение. Их экспрессия в гладких мышцах сосудов изменяется при определенных условиях, таких как повышенный уровень цАМФ и гипоксия.[1]

Изоформы и гены

фосфодиэстераза 3A, cGMP-ингибированный
Идентификаторы
СимволPDE3A
Ген NCBI5139
HGNC8778
OMIM123805
RefSeqNM_000921
UniProtQ14432
Прочие данные
LocusChr. 12 p12
фосфодиэстераза 3B, cGMP-ингибированный
Идентификаторы
СимволPDE3B
Ген NCBI5140
HGNC8779
OMIM602047
RefSeqNM_000922
UniProtQ13370
Прочие данные
LocusChr. 11 p15.2

Семейство PDE3 в млекопитающие состоит из двух членов, PDE3A и PDE3B. Изоформы PDE3 структурно подобны, они содержат N-концевой домен, важный для локализации, и С-конец.[2] Вставка из 44 аминокислот в каталитический домен отличается в изоформах PDE3, а N-концевые части изоформ довольно расходятся. PDE3A и PDE3B поразительно похожи фармакологический и кинетические свойства, но различие заключается в профилях экспрессии и сродстве к цГМФ.[3]

Семейство PDE3 состоит из двух гены, PDE3A и PDE3B. В клетках, экспрессирующих оба гена, PDE3A обычно доминирует. Три различных варианта PDE3A (PDE3A1-3) являются продуктами альтернативных startcodon использование PDE3A ген. В PDE3B кодирует один изоформа только.[1][4]

Полноразмерные PDE3A и PDE3B содержат две N-концевые гидрофобные области ассоциации с мембраной, NHR1 и NHR2 (рис. 2). Разница между вариантами PDE3A1-3 заключается в том, включают ли они:

  • как NHR1, так и NHR2
  • только NHR2
  • ни NHR1, ни NHR2.

Можно прогнозировать, что последний будет исключительно на растворимый /цитозольный форма.[4][5]

Распределение тканей

PDE3A в основном участвует в сердечно-сосудистой функции и фертильности, но PDE3B в основном участвует в липолизе.[3] Таблица 1 представляет собой обзор локализации изоформ PDE3.

PDE3APDE3B
Локализация в тканях– Сердце *
- Гладкие мышцы сосудов *
- Тромбоциты
- Ооцит
- Почка		– Гладкие мышцы сосудов
- Адипоциты
- Гепатоциты
- Почка
- β клетки
- Развитие сперма
- Т-лимфоциты
- Макрофаги
Внутриклеточная локализация– Мембрана -ассоциированный или же цитозольный– Мембрана -ассоциированный (преимущественно)
Таблица 1: Обзор локализации изоформы PDE3.
* Варианты PDE3A имеют дифференциальную экспрессию в сердечно-сосудистых тканях.[1]

В общем, PDE3 может быть цитозольным или мембраносвязанным и ассоциироваться с плазматическая мембрана, саркоплазматический ретикулум, гольджи, и ядро конверт.[2]

PDE3B преимущественно ассоциирован с мембраной и локализован в эндоплазматический ретикулум и микросомальный фракции.[1]

PDE3A может быть ассоциированной с мембраной или цитозольной, в зависимости от варианта и типа клеток, в которых она экспрессируется.[1]

Регулирование

Активность PDE3A и PDE3B регулируется несколькими фосфорилирование пути. Протеинкиназа А и Протеинкиназа B оба активируют PDE3A и PDE3B посредством фосфорилирования в двух разных сайтах фосфорилирования (P1 и P2) между NHR1 и NHR2 (рисунок 2). Гидролиз из лагерь изоформ PDE3 также напрямую ингибируется cGMP, хотя чувствительность PDE3B к cGMP ингибирование как PDE3A.[4]PDE3B был тщательно изучен на предмет его важности в опосредовании антилиполитического и антигликогенитического эффекта инсулин в жировой и печень ткани. Активация PDE3B в адипоциты связан с фосфорилирование из серин остаток инсулино-стимулированным белком серином киназа (PDE3IK). Блокируя активацию инсулином PDE3IK и, в свою очередь, фосфорилирование / активацию PDE3B, можно нейтрализовать антилиполитический эффект инсулина. Активация PDE3B снижает концентрацию лагерь, что, в свою очередь, уменьшает Протеинкиназа А Мероприятия. Протеинкиназа А отвечает за активацию липаза, что вызывает липолиз а также другие физиологические пути.[6][4]

Могут ли пути фосфорилирования, регулирующие активность PDE3A или PDE3B, служить потенциальным препарат, средство, медикамент мишени, а не каталитический домен PDE3 фермент сам по себе неясен и выходит за рамки этого текста.

Структура

PDE млекопитающих имеют общую структурную организацию и содержат три функциональных домена, которые включают консервативное каталитическое ядро, регуляторное ядро. N-конец, а C-конец. Консервативное каталитическое ядро ​​гораздо более похоже в семействе PDE, около 80% аминокислота идентичность, чем между разными семьями. Считается, что ядро ​​содержит общие конструктивные элементы, важные для гидролиз из лагерь и cGMP фосфодиэфирные связи. Также считается, что он содержит специфические для семейства детерминанты различий в аффинности к субстратам и чувствительности к ингибиторам.[6]

Каталитический домен PDE3 характеризуется вставкой из 44 аминокислот, но эта вставка уникальна для семейства PDE3 и является фактором при определении структуры для мощный и селективный PDE3 ингибитор.[6]

В Кристальная структура каталитических доменов нескольких PDE, включая PDE3B, показали, что они содержат три спиральных субдомена:

  1. Складчатая область N-концевого циклина
  2. Linker region
  3. С-концевой спиральный пучок[3][1]

На стыке этих доменов глубокая гидрофобный карман образован остатками, которые высококонсервативны среди всех PDE. Этот карман является активным сайтом и состоит из четырех дочерних сайтов:

  1. Сайт связывания металла (M-сайт)
  2. Основной карман (Q-карман)
  3. Гидрофобный карман (H-карман)
  4. Область крышки (область L)[3][1]

M-сайт находится на дне гидрофобного связывающего кармана и содержит два двухвалентный участки связывания металлов. Металл ионы которые могут связываться с этими сайтами, представляют собой цинк или магний. В сайте связывания цинка есть два остатка гистидина и два остатка аспарагиновой кислоты, которые являются абсолютно консервативными среди тех PDE, изученных на сегодняшний день.[3][1]

N-концевые части PDEs широко расходятся и содержат детерминанты, которые связаны с регуляторными свойствами, специфичными для разных семейств генов. Для PDE3 этими детерминантами являются домены ассоциации гидрофобных мембран и сайты фосфорилирования цАМФ-зависимой протеинкиназы.[6]

Сродство к субстрату

Сначала PDE3 были очищены и описаны как ферменты которые гидролизуют оба cGMP и лагерь с Kм значения от 0,1 до 0,8 мкМ. Однако VМаксимум за лагерь гидролиз в 4-10 раз больше, чем VМаксимум за cGMP гидролиз.[6]

Когда были впервые идентифицированы различные PDE, были выделены два типа PDE (PDE3 и PDE4), которые проявляли высокое сродство к цАМФ. PDE3 проявлял высокую аффинность как к цГМФ, так и к цАМФ, но PDE4 имел высокое сродство только к цАМФ. По этой причине PDE3 был назван ФДЭ, ингибируемая цГМФ чтобы отличить его от PDE4.[6]

Считается, что вставка из 44 аминокислот в каталитический домен PDE3 участвует во взаимодействии PDE3 с его субстрат и ингибиторы, но это еще предстоит установить.[6]

Предлагаемый молекулярный механизм циклической нуклеотидной специфичности ФДЭ представляет собой так называемый переключатель глутамина механизм.

В PDEs, структура которых раскрыта, по-видимому, существует инвариантный остаток глутамина, который стабилизирует связывание пуринового кольца в активном сайте (карман связывания). В качестве альтернативы g-аминогруппа остатка глутамина может принимать две разные ориентации:

  1. Сеть водородных связей поддерживает связывание гуанина - селективность цГМФ
  2. Сеть водородных связей поддерживает связывание аденина - селективность цАМФ.

В ФДЭ, которые могут гидролизовать цГМФ и цАМФ (ФДЭ3), глутамин может свободно вращаться и, следовательно, переключаться между ориентациями.[3][1]

Активный сайт

Из ранних исследований была получена исходная модель PDE, топография активного сайта. Эту раннюю модель можно суммировать следующим образом: лагерь топография активной площадки:

  1. субстрат цАМФ с его аденин и рибозные фрагменты в «анти» отношениях
  2. Атом фосфата в цАМФ связывается с активным центром PDE, используя аргинин остаток и молекула воды, которая изначально была связана с Mg2+. Второй остаток аргинина и Mg2+ также может играть роли во время связывания и / или играть роли на следующем этапе
  3. SN2 атака фосфора H2О с образованием тригональной бипирамиды переходное состояние
  4. 5´-AMP формируется как «перевернутый» продукт. Электронные сборы сохраняют чистый заряд в целом и во всем переходное состояние[7]

Ингибиторы

Ингибиторы PDE3:

  • противодействовать тромбоцит агрегирование
  • блокировать ооцит созревание
  • увеличить сократительную способность сердце
  • усиливать гладкие мышцы сосудов расслабление
  • улучшить расслабление гладких мышц дыхательных путей

Было продемонстрировано, что ингибирование PDE3A предотвращает ооцит созревание in vitro и in vivo.[1] Например, когда у мышей полностью отсутствует PDE3A, они становятся бесплодными.[2]

Агрегация тромбоцитов сильно регулируется циклическими нуклеотидами. PDE3A является регулятором этого процесса, а ингибиторы PDE3 эффективно предотвращают агрегацию тромбоцитов. Цилостазол одобрен для лечения перемежающаяся хромота и считается, что он включает ингибирование агрегации тромбоцитов, а также ингибирование пролиферации гладких мышц и вазодилатации.

Наиболее изученные роли PDE3B были в областях инсулин, IGF1, и лептин сигнализация.[1] Когда PDE3B сверхэкспрессируется в β-клетки у мышей это вызывает нарушение инсулин секреция и глюкоза нетерпимость.[2]

Рак

Экспрессия PDE3a была описана как биомаркер чувствительности к ингибитору PDE3 зардаверину при различных типах рака.[8]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ 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». Фармакологические обзоры. 58 (3): 488–520. Дои:10.1124 / пр.58.3.5. PMID  16968949. S2CID  7397281.
  2. ^ а б c d Lugnier C (март 2006 г.). «Суперсемейство циклических нуклеотидфосфодиэстераз (PDE): новая мишень для разработки специфических терапевтических агентов». Фармакология и терапия. 109 (3): 366–98. Дои:10.1016 / j.pharmthera.2005.07.003. PMID  16102838.
  3. ^ а б c d е ж Jeon YH, Heo YS, Kim CM, Hyun YL, Lee TG, Ro S, Cho JM (июнь 2005 г.). «Фосфодиэстераза: обзор белковых структур, потенциальных терапевтических применений и последних достижений в разработке лекарств». Клеточные и молекулярные науки о жизни. 62 (11): 1198–220. Дои:10.1007 / s00018-005-4533-5. PMID  15798894. S2CID  9806864.
  4. ^ а б c d Морис Д.Х., Палмер Д., Тилли Д.Г., Дункерли Н.А., Нетертон С.Дж., Раймонд Д.Р. и др. (Сентябрь 2003 г.). «Активность, экспрессия и нацеливание циклической нуклеотидной фосфодиэстеразы в клетках сердечно-сосудистой системы». Молекулярная фармакология. 64 (3): 533–46. Дои:10,1124 / моль. 64.3.533. PMID  12920188.
  5. ^ WO 03012030, Мовсесян М., "Изоформ-селективные ингибиторы и активаторы PDE3-циклических нуклеотид-фосфодиэстераз", опубликовано 13 февраля 2003 г., передано в Управление передачи технологий Университета штата Юта. 
  6. ^ а б c d е ж грамм Degerman E, Belfrage P, Manganiello VC (март 1997 г.). «Структура, локализация и регуляция цГМФ-ингибированной фосфодиэстеразы (PDE3)». Журнал биологической химии. 272 (11): 6823–6. Дои:10.1074 / jbc.272.11.6823. PMID  9102399.
  7. ^ Эрхардт П.В., Чжоу Ю.Л. (1991). «Топографическая модель активного центра c-AMP фосфодиэстеразы III». Науки о жизни. 49 (8): 553–68. Дои:10.1016/0024-3205(91)90254-9. PMID  1650876.
  8. ^ Назир М., Сеньковски В., Ниберг Ф., Блом К., Эдквист П.Х., Ярвиус М. и др. (Декабрь 2017 г.). «Нацеливание на опухолевые клетки на основе экспрессии фосфодиэстеразы 3A». Экспериментальные исследования клеток. 361 (2): 308–315. Дои:10.1016 / j.yexcr.2017.10.032. PMID  29107068. S2CID  19506507.