Фосфодиэстераза 2
ФДЭ2 (фосфодиэстераза 2 ) Фермент является одной из 21 различных фосфодиэстераз (ФДЭ), обнаруженных у млекопитающих . Эти различные PDE можно разделить на 11 семейств (PDE1 – PDE11). Различные ФДЭ одного и того же семейства функционально родственны, несмотря на то, что их аминокислотные последовательности демонстрируют значительные расхождения. [1] ФДЭ имеют различную субстратную специфичность. Некоторые из них являются цАМФ селективными гидролазами (ФДЭ 4, -7 и -8), другие - селективными гидролазами цГМФ (ФДЭ 5, -6 и -9), а остальные могут гидролизовать как цАМФ , так и цГМФ (ФДЭ1, -2, -3, - 10 и -11). [2]
Существует только одно семейство генов , кодирующее PDE2, — PDE2A. Были обнаружены три варианта сплайсинга : PDE2A1, PDE2A2 и PDE2A3 (PDE2A2 обнаружен только у крыс). PDE2A1 является цитозольным , тогда как -A2 и -A3 мембраносвязаны. Было высказано предположение, что разная локализация PDE2A2 и -A3 обусловлена уникальной N-концевой последовательностью, отсутствующей у PDE2A1. PDE2A Несмотря на то, что варианты сплайсинга различны, различий в их кинетическом поведении не обнаружено. [3]
Кристаллическая структура
[ редактировать ]кристаллической структуре активного центра фермента PDE2. Сообщается о [4] Несмотря на то , что аминокислотные последовательности членов семейства PDE демонстрируют значительные различия (идентичность на 25–35%), общие сворачивающиеся, функциональные и структурные элементы активных центров очень похожи. Активный центр образован остатками, которые высоко консервативны среди всех ФДЭ. Карман связывания содержит места связывания ионов металлов (цинка и магния). Два остатка гистидина и два остатка аспарагиновой кислоты , связывающие цинк, консервативны среди всех изученных ФДЭ. [3] Была выяснена структура нескольких других изоферментов ФДЭ, среди них несколько сокристаллических структур с ингибиторами, расположенными в активном центре. [5] Сокристаллические структуры PDE4B, PDE4D и PDE5 A выявили две общие особенности связывания ингибитора с PDE. Один из них представляет собой плоскую кольцевую структуру ингибиторов, которые выравниваются в активном центре ферментов, а другой представляет собой консервативный остаток глутамина («переключатель глутамина», упомянутый ниже), который важен для распознавания нуклеотидов и селективности. [1] [5] [6]
Селективность подложки
[ редактировать ]
Как упоминалось выше, ФДЭ2 способен гидролизовать как цАМФ , так и цГМФ, тогда как некоторые другие члены семейства ФДЭ селективны в отношении любого из двух циклических нуклеотидов. Считается, что изменчивость селективности в отношении цАМФ или цГМФ определяется так называемым «переключением глютамина». «Глутаминовый переключатель» — это инвариантный глютамин, которых обнаруженный во всех ФДЭ, кристаллическая структура решена. В PDE2 этот остаток представляет собой Gln859. Он способен образовывать водородные связи с экзоциклической аминогруппой цАМФ и экзоциклическим карбонильным кислородом цГМФ. В ФДЭ, которые могут гидролизовать как цАМФ, так и цГМФ , этот глутамин способен свободно вращаться. В ФДЭ, которые селективны либо в отношении цАМФ, либо в отношении цГМФ, этот глутамин удерживается соседними остатками в положении, благоприятствующем селективности в отношении любого циклического нуклеотида . [1] [3]
Регулирование
[ редактировать ]Когда цГМФ связывается с аллостерическим доменом GAF-B ФДЭ, это вызывает конформационные изменения в структуре белка, приводящие к более высокой активности фермента. Усиление гидролиза цАМФ из-за связывания цГМФ с доменом GAF-B хорошо документировано, однако неизвестные примеры обратного процесса. [3] Было показано, что домен GAF-B имеет в 30-100 раз меньшее сродство к цАМФ, чем к цГМФ . [7] Эта информация в сочетании с тем, что в настоящее время известно о внутриклеточных концентрациях цАМФ, делает маловероятным, что активация цГМФ гидролиза цАМФ может происходить in vivo . [3]
Клиническое значение ФДЭ2
[ редактировать ]ФДЭ2 экспрессируется в различных тканях, например: мозговом веществе надпочечников , головном мозге, сердце, тромбоцитах , макрофагах и эндотелиальных клетках . Считается, что фермент участвует в регуляции многих различных внутриклеточных процессов, таких как: [3] [8]
- альдостерона секреция надпочечниками
- внутриклеточные концентрации цАМФ в кардиомиоцитах и цАМФ и цГМФ в тромбоцитах
- цГМФ в нейронах и влияние на долговременную память
- барьерная функция эндотелиальных клеток при воспалительных состояниях
Сообщалось о нескольких ферментных функциях PDE2. Было показано, что ФДЭ2 снижает уровень цАМФ за счет увеличения цГМФ, вызванного предсердным натрийуретическим пептидом (ПНП), что приводит к снижению альдостерона секреции . [3] Также было высказано предположение, что ФДЭ2 может играть важную роль в регуляции повышенных внутриклеточных концентраций цАМФ и цГМФ в тромбоцитах. PDE3 играет важную роль в агрегации тромбоцитов. Сообщалось, что более высокая концентрация цГМФ вызывает ингибирование ФДЭ3 , тогда как она стимулирует ФДЭ2. Взаимодействие между этими двумя функциями, по-видимому, опосредует противоположную регуляцию цАМФ в тромбоцитах. [3] PDE2 регулирует сердечный Ca L-типа 2+ ток в кардиомиоцитах . , где активация ФДЭ2 цГМФ снижает уровень цАМФ и тем самым влияет на функцию сердца [3] Однако недавно было обнаружено, что разные пулы цАМФ, расположенные внутри кардиомиоцита, опосредуют разные (причем иногда противоположные) эффекты. Поскольку разные типы ФДЭ могут влиять на разные пулы цАМФ, разные ФДЭ могут регулировать разные процессы в клетке. [9] ФДЭ2 экспрессируется в нескольких областях мозга, и эксперименты на крысах показали, что ингибирование ФДЭ2 улучшает такие функции, как память. [3] PDE2 регулируется, когда моноциты дифференцируются в макрофаги , но роль PDE2 в зрелых макрофагах еще предстоит охарактеризовать. Кроме того, было показано, что PDE2 играет роль в воспалительных реакциях, поскольку он был обнаружен в микрососудах, но не в более крупных сосудах. Было высказано предположение, что фактор некроза опухоли-альфа (TNFα) может регулировать функцию PDE2 в эндотелиальных клетках и тем самым влиять на поток жидкости и клеток через эндотелиальный барьер, поскольку эксперименты in vitro на эндотелиальных клетках показывают регуляцию как мРНК, так и активности PDE2. . [3]
До сих пор ингибиторы ФДЭ2 в основном использовались в качестве исследовательских инструментов, но в настоящее время исследуются с точки зрения улучшения памяти, снижения проницаемости эндотелия при воспалительных состояниях. [3] и для предотвращения/улучшения сердечной недостаточности и гипертрофии сердца. [10]
Ингибиторы ФДЭ2А
[ редактировать ]
ЭХНА
[ редактировать ]Первым специфическим ингибитором ФДЭ2, разработанным для ФДЭ2, был ЭННА ( эритро -9-(2-гидрокси-3-нонил)аденин). Было продемонстрировано, что он специфически действует на ФДЭ2 путем ингибирования активации цГМФ ФДЭ2 со значением IC 50 ~1 мкМ и по меньшей мере 50-кратной селективностью по сравнению с другими ФДЭ. [11] Основная структура EHNA напоминает цАМФ, но отличается тем, что EHNA имеет объемную гидрофобную углеродную боковую цепь, заменяющую фосфорибозную часть в цАМФ. [1]
Тормозящие эффекты EHNA
[ редактировать ]В первичных культурах нейронов крыс корковых ингибирование PDE2A с помощью EHNA потенцирует увеличение цГМФ, активируемое рецептором NMDA ( N -метил- D -аспартат), но не влияет на концентрации цАМФ. [12] EHNA также является очень мощным ингибитором аденозиндезаминазы с IC 50 ~2 нМ. [13] Это двойное ингибирование приведет к накоплению двух ингибирующих метаболитов — аденозина. [13] [14] и цГМФ, [12] [15] которые могут действовать синергически , опосредуя различные фармакологические реакции, включая противовирусные, противоопухолевые и антиаритмические эффекты. [11] Хотя EHNA мощно ингибирует аденозиндезаминазу , ее успешно использовали при соответствующем контроле в качестве инструмента для исследования функций PDE2. EHNA использовалась для изучения влияния PDE2 на контроль кальция в кардиомиоцитах. [16] и было показано, что он эффективен для устранения гипоксической легочной вазоконстрикции на моделях перфузированных легких. [17] Таким образом, EHNA использовалась для двух целей:
- служить ведущей структурой для рациональной разработки более селективных и мощных ингибиторов ФДЭ2, и
- определить некоторые биологические цели PDE.
Однако использование EHNA в качестве химического инструмента для определения фармакологической роли ФДЭ2 ограничено из-за его низкой эффективности ингибирования ФДЭ2 и высокой эффективности ингибирования аденозиндезаминазы. [18] Теоретически эта проблема может быть решена, если учесть и скорректировать эффект накопления ЭГНА аденозина в результате ингибирования аденозиндезаминазы. Таким образом, наблюдался положительный инотропный эффект, вызываемый EHNA в результате ингибирования ФДЭ2. [19] [20]
BAY 60-7550, оксиндол и ПДП
[ редактировать ]BAY 60-7550 является аналогом EHNA . , который более чем в 100 раз более эффективен и обладает высокой селективностью в отношении PDE2A [13] Другими недавно открытыми селективными ингибиторами ФДЭ2 являются PDP (9-(6-фенил-2-оксогекс-3-ил)-2-(3,4-диметоксибензил)пурин-6-он). [21] и оксиндол. [18]
| Ингибитор | ICIC50 | Ссылка |
| ЭХНА | 1 мкм | [11] |
| Оксиндол | 40 нМ | [16] |
| Бухта 60-7550 | 4,7 нМ | [13] |
| ПРП | 0,6 нМ | [21] |
В таблице выше показана эффективность ингибиторов PDE2, включая EHNA. Наблюдается значительное увеличение эффективности между EHNA, Bay 60-7550 и PDP. Большая диметоксибензильная группа в положении 2 пуринового фрагмента Bay-60 7550 и PDP может способствовать повышению эффективности.
Структура и связь ингибиторов
[ редактировать ]Сравнение этих ингибиторов с природными субстратами фермента цАМФ и цГМФ выявляет некоторые общие характеристики молекул. Основной характеристикой всех молекул является плоский фрагмент, содержащий по крайней мере две конденсированные кольцевые структуры: шестиатомное кольцо и пятиатомное кольцо. Эта кольцевая система в цГМФ и цАМФ является пуриновой кольцевой системой, и то же самое верно для EHNA и PDP. Bay 60-7550 и оксиндол лишены пуринового ядра, но обладают родственной кольцевой системой. Акцепторы водородной связи, в основном азот, но также и кислород, находятся в кольцевой системе ингибиторов. Эти атомы могут взаимодействовать с донорами водородных связей, которые являются частью аминокислот в активном центре фермента и тем самым способствуют ингибированию ферментом гидролиза цАМФ и цГМФ, аналогично тому, как природные субстраты связываются с активным центром. [1]
Структурное сходство ингибиторов
[ редактировать ]Структуры Bay 60-7550 и PDP очень похожи. Разница между этими молекулами заключается в экзоциклической метильной группе в Bay 60-7550, которая заменяет атом азота в PDP, уменьшая возможность образования водородных связей с ферментом в важном сайте связывания субстрата и ингибитора.Структура оксиндола отличается от других ингибиторов, поскольку она больше отличается от пуриновой кольцевой системы и имеет меньшие возможности 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 ингибиторов ФДЭ2
[ редактировать ]Отсутствуют сокристаллические структуры ингибиторов, связанных в активном центре ФДЭ2. Однако была создана компьютеризированная модель стыковки ингибитора EHNA и субстратов цАМФ и цГМФ, связанных в каталитическом сайте. [1] Модель стыковки EHNA показала, что мутации аминокислот Asp811 на Ala (Asp811Ala) и Ile826 на Val (Ile826Val) в активном сайте , где единственные аминокислотные замены, которые существенно влияют на ингибирование EHNA. Мутация Asp811 на аланин увеличивает значение IC 50 для EHNA в 6 раз, а мутация Ile826 на валин приводит к 7-кратному увеличению значения IC 50 для EHNA по сравнению с PDE2A дикого типа. [1]
Верхний карман для переплета: Gln859 и Asp811.
[ редактировать ]EHNA находится в непосредственной близости от Gln859 в активном центре, который может отдавать две водородные связи к N1 и N6 атомам азота в адениновом кольце EHNA. На другом сайте связывающего кармана Asp811 может отдать еще одну водородную связь к N7 в адениновом кольце, чтобы стабилизировать ингибитор связи. В пользу этой гипотезы говорит тот факт, что мутант Asp811Ala имеет пониженную активность по отношению к цАМФ, тогда как активность по отношению к цГМФ не изменилась. [1]
Нижний карман для переплета: Иль 826.
[ редактировать ]Остатки в нижнем кармане связывания могут находиться слишком далеко для взаимодействия с ингибитором и, следовательно, могут не иметь значения для селективности 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, одновременно улучшая связывание водорода в нижнем кармане связывания. Этот сдвиг взаимодействий может дестабилизировать связывание аденинового кольца EHNA, что может быть причиной более высокого значения IC 50 . [1]
Для других ингибиторов, кроме EHNA, которые выравниваются в активном центре, не существует моделей. Следовательно, интерпретировать молекулярное связывание сложнее. Если посмотреть на ингибиторы и их общее сходство, то вполне вероятно, что они связываются с активным центром по схожему механизму и что разные боковые группы определяют эффективность ингибитора.Детерминанты специфичности ингибитора в активном центре PDE2 не очень хорошо известны, и лучшее понимание этих детерминант облегчит разработку ингибиторов с повышенной эффективностью. [1]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж Иффланд А., Колс Д., Лоу С. и др. (июнь 2005 г.). «Структурные детерминанты специфичности и селективности ингибитора PDE2A с использованием системы трансляции in vitro зародышей пшеницы». Биохимия . 44 (23): 8312–25. дои : 10.1021/bi047313h . ПМИД 15938621 .
- ^ Мартинес С.Е., Ву А.Ю., Главас Н.А. и др. (октябрь 2002 г.). «Два домена GAF в фосфодиэстеразы 2А играют различную роль в димеризации и связывании цГМФ» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 99 (20): 13260–5. дои : 10.1073/pnas.192374899 . ПМК 130621 . ПМИД 12271124 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л Бендер А.Т., Беаво Дж.А. (сентябрь 2006 г.). «Циклические нуклеотидные фосфодиэстеразы: молекулярная регуляция для клинического использования». Фармакол. Преподобный . 58 (3): 488–520. дои : 10.1124/пр.58.3.5 . ПМИД 16968949 . S2CID 7397281 .
- ^ ПДБ : 1Z1L
- ^ Перейти обратно: а б Кард Г.Л., Англия BP, Suzuki Y и др. (декабрь 2004 г.). «Структурные основы активности препаратов, ингибирующих фосфодиэстеразу» . Структура . 12 (12): 2233–47. дои : 10.1016/j.str.2004.10.004 . ПМИД 15576036 .
- ^ Чжан К.Ю., Кард Г.Л., Сузуки Ю. и др. (июль 2004 г.). «Механизм переключения глютамина для избирательности нуклеотидов фосфодиэстеразами» . Мол. Клетка . 15 (2): 279–86. doi : 10.1016/j.molcel.2004.07.005 . ПМИД 15260978 .
- ^ Ву AY, Тан XB, Мартинес С.Е., Икеда К., Беаво Дж.А. (сентябрь 2004 г.). «Молекулярные детерминанты связывания циклических нуклеотидов с регуляторными доменами фосфодиэстеразы 2А» . Ж. Биол. Хим . 279 (36): 37928–38. дои : 10.1074/jbc.M404287200 . ПМИД 15210692 .
- ^ Касс Д.А. (2013). «Эт Ту ПДЭ2?» . Дж Ам Колл Кардиол . 62 (17): 1607–1609. дои : 10.1016/j.jacc.2013.06.003 . ПМИД 23810892 .
- ^ Стангерлин А; Гезельхен Ф; Зоккарато А; Террин А; Филдс, Лос-Анджелес; Беррера М; Сурдо, Северная Каролина; Крейг М.А.; Смит Дж; Гамильтон Дж; Закколо М (2011). «Сигналы цГМФ модулируют уровни лагеря специфичным для каждого компартмента образом, чтобы регулировать катехоламин-зависимую передачу сигналов в кардиомиоцитах» . Цир Рес . 108 (8): 929–939. дои : 10.1161/CIRCRESAHA.110.230698 . ПМК 3083836 . ПМИД 21330599 .
- ^ Зоккарато А; Южный Северная Каролина; Аронсен Дж.М.; Филдс, Лос-Анджелес; Манкузо Л; Додони Дж; Стангерлин А; Ливи С; Цзян Х; Без ГГ; Гезельхен Ф; Террин А; Бэйли Г.С.; Никлин С.А.; Грэм Д; Сабо-Френне Н; Кралл Дж; Вандепут Ф; Мовсесян М; Фурлан Л; Корсетти V; Гамильтон ГМ; Лефкиммиатис К; Сьястад I; Закколо М (2015). «Гипертрофия сердца подавляется локальным пулом цАМФ, регулируемым фосфодиэстеразой 2» (PDF) . Цир Рес . 117 (8): 707–719. дои : 10.1161/CIRCUS.114.305892 . ПМИД 26243800 .
- ^ Перейти обратно: а б с Подзувейт Т., Неннстил П., Мюллер А. (сентябрь 1995 г.). «Изоферментное селективное ингибирование цГМФ-стимулируемых циклических нуклеотидных фосфодиэстеразы эритро-9-(2-гидрокси-3-нонил) аденином». Клетка. Сигнал . 7 (7): 733–8. дои : 10.1016/0898-6568(95)00042-N . ПМИД 8519602 .
- ^ Перейти обратно: а б Суварнский НУ, О'Доннелл Дж. М. (июль 2002 г.). «Гидролиз цАМФ и цГМФ, стимулированных рецептором N-метил-D-аспартата, фосфодиэстеразами ФДЭ4 и ФДЭ2 в первичных культурах нейронов коры головного мозга и гиппокампа крыс». Дж. Фармакол. Эксп. Там . 302 (1): 249–56. дои : 10.1124/jpet.302.1.249 . ПМИД 12065724 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Боесс Ф.Г., Хендрикс М., ван дер Стаай Ф.Дж. и др. (декабрь 2004 г.). «Ингибирование фосфодиэстеразы 2 увеличивает нейрональный цГМФ, синаптическую пластичность и производительность памяти». Нейрофармакология . 47 (7): 1081–92. doi : 10.1016/j.neuropharm.2004.07.040 . ПМИД 15555642 . S2CID 25756665 .
- ^ ван Калкер Д., Мюллер М., Хампрехт Б. (1978). «Аденозин ингибирует накопление циклического АМФ в культивируемых клетках мозга». Природа . 276 (5690): 839–41. дои : 10.1038/276839a0 . ПМИД 214714 . S2CID 4272425 .
- ^ Голдберг Н.Д., Хэддокс М.К., Никол С.Е. и др. (1975). «Биологическая регуляция посредством противоположного влияния циклического GMP и циклического AMP: гипотеза Инь Ян». Adv Циклический нуклеотид Res . 5 : 307–30. ПМИД 165672 .
- ^ Перейти обратно: а б Ривет-Бастид М., Вандекастил Г., Хатем С. и др. (июнь 1997 г.). «ЦГМФ-стимулируемая циклическая нуклеотидфосфодиэстераза регулирует базальный ток кальция в предсердных миоцитах человека» (PDF) . Дж. Клин. Инвестируйте . 99 (11): 2710–8. дои : 10.1172/JCI119460 . ПМК 508117 . ПМИД 9169501 .
- ^ Хейнс Дж., Киллили Д.В., Петерсон П.Д., Томпсон У.Дж. (февраль 1996 г.). «Эритро-9-(2-гидрокси-3-нонил)аденин ингибирует стимулируемую циклическим-3',5'-гуанозинмонофосфатом фосфодиэстеразу, обращая вспять гипоксическую легочную вазоконстрикцию в перфузируемых легких крысы» . Дж. Фармакол. Эксп. Там . 276 (2): 752–7. ПМИД 8632346 .
- ^ Перейти обратно: а б Чемберс Р.Дж., Абрамс К., Гарсо, штат Нью-Йорк, и др. (январь 2006 г.). «Новый химический инструмент для изучения физиологической функции изофермента PDE2». Биоорг. Мед. хим. Летт . 16 (2): 307–10. дои : 10.1016/j.bmcl.2005.10.005 . ПМИД 16275071 .
- ^ Гестели Р; Жуга Дж; Хайду П; Сабо Дж. З.; Чеппенто А; Сентмиклоши А.Дж. (2003). «Положительный инотропный эффект ингибирования циклической GMP-стимулируемой 3',5'-циклической нуклеотидной фосфодиэстеразы (PDE2) на левое предсердие морской свинки при эу- и гипертиреозе» (PDF) . Ген Физиол Биофиз . 22 (4): 501–513. ПМИД 15113122 .
- ^ Кемени-Беке А; Якаб А; Жуга Дж; Весерный М; Карсай Д; Пастор Ф; Гренцер М; Сентмиклоши А.Дж.; Берта А; Гестцелий Р (2007). «Ингибирование аденозиндезаминазы усиливает инотропный ответ, опосредованный аденозиновым рецептором А1 в предсердиях морских свинок с гипертиреозом». Фармакол Рез . 56 (2): 124–131. дои : 10.1016/j.phrs.2007.04.017 . ПМИД 17574432 .
- ^ Перейти обратно: а б Сейболд Дж., Томас Д., Витценрат М. и др. (май 2005 г.). «Фактор некроза опухоли-альфа-зависимая экспрессия фосфодиэстеразы 2: роль в гиперпроницаемости эндотелия» . Кровь . 105 (9): 3569–76. дои : 10.1182/blood-2004-07-2729 . ПМИД 15650061 .