Фосфодиэстераза 3
PDE3 представляет собой фосфодиэстеразу . PDEs принадлежат как минимум к одиннадцати родственным семействам генов , которые различаются по первичной структуре , сродству к субстрату , реакции на эффекторы и механизму регуляции .Большинство семейств PDE состоят из более чем одного гена. PDE3 клинически значим из-за его роли в регуляции сердечной мышцы, гладких мышц сосудов и агрегации тромбоцитов. Ингибиторы ФДЭ3 были разработаны в качестве фармацевтических препаратов, но их применение ограничено аритмическими эффектами, а в некоторых случаях они могут увеличивать смертность.
Функция
[ редактировать ]Ферменты ФДЭ3 участвуют в регуляции сердца и сократимости гладких мышц сосудов . Молекулы , ингибирующие ФДЭ3, первоначально исследовались для лечения сердечной недостаточности , но из-за нежелательных аритмических побочных эффектов не изучаются по этому показанию они больше . Тем не менее, ингибитор ФДЭ3 милринон одобрен для применения при сердечной недостаточности внутривенно . [1]
И PDE3A, и PDE3B экспрессируются в гладкомышечных клетках сосудов 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
[ редактировать ]| фосфодиэстераза 3А , ингибированная цГМФ | |||
|---|---|---|---|
| Идентификаторы | |||
| Символ | PDE3A | ||
| ген NCBI | 5139 | ||
| HGNC | 8778 | ||
| МОЙ БОГ | 123805 | ||
| RefSeq | НМ_000921 | ||
| ЮниПрот | Q14432 | ||
| Другие данные | |||
| Локус | Хр. 12 п12 | ||
| |||
| фосфодиэстераза 3B , ингибированная цГМФ | |||
|---|---|---|---|
| Идентификаторы | |||
| Символ | PDE3B | ||
| ген NCBI | 5140 | ||
| HGNC | 8779 | ||
| МОЙ БОГ | 602047 | ||
| RefSeq | НМ_000922 | ||
| ЮниПрот | Q13370 | ||
| Другие данные | |||
| Локус | Хр. 11 п15.2 | ||
| |||
Семейство PDE3 у млекопитающих состоит из двух членов: PDE3A и PDE3B. Изоформы PDE3 структурно схожи и содержат N-концевой домен, важный для локализации, и С-концевой конец. [2] Вставка из 44 аминокислот в каталитический домен различается у изоформ PDE3, а N-концевые части изоформ сильно расходятся. PDE3A и PDE3B имеют поразительно схожие фармакологические и кинетические свойства , но различие заключается в профилях экспрессии и сродстве к цГМФ. [3]
Семейство PDE3 состоит из двух генов : PDE3A и PDE3B . В клетках, экспрессирующих оба гена, PDE3A обычно доминирует. Три различных варианта PDE3A (PDE3A1-3) являются продуктами альтернативного стартового кодона использования гена PDE3A . PDE3B изоформу одну кодирует только . [1] [4]
В своей полной длине как PDE3A, так и PDE3B содержат две N-концевые области гидрофобной мембранной ассоциации, NHR1 и NHR2 (рис. 2). Разница вариантов PDE3A1-3 заключается в том, включают ли они:
- как NHR1, так и NHR2
- только НХР2
- ни NHR1, ни NHR2.
Можно предсказать, что последний находится исключительно в растворимой / цитозольной форме. [4] [5]
Распределение тканей
[ редактировать ]PDE3A в основном участвует в сердечно-сосудистой функции и фертильности, тогда как PDE3B в основном участвует в липолизе. [3] Таблица 1 представляет собой обзор локализации изоформ PDE3.
| PDE3A | PDE3B | |
|---|---|---|
| Локализация в тканях | - Сердце * - Гладкие мышцы сосудов * - Тромбоциты - Ооцит - Почка | – Гладкая мускулатура сосудов - Адипоциты - Гепатоциты - Почка - β-клетки - Развитие спермы - Т-лимфоциты - Макрофаги |
| Внутриклеточная локализация | – Мембранассоциированные или цитозольные | – Мембранассоциированные (преимущественно) |
| Таблица 1: Обзор локализации изоформ PDE3. *Варианты PDE3A имеют дифференциальную экспрессию в сердечно-сосудистых тканях. [1] | ||
В общем, PDE3 может быть цитозольным или мембраносвязанным и связан с плазматической мембраной , саркоплазматическим ретикулумом , аппаратом Гольджи и ядерной оболочкой. [2]
PDE3B преимущественно мембранассоциирован и локализован в эндоплазматическом ретикулуме и микросомальных фракциях. [1]
PDE3A может быть мембраносвязанным или цитозольным, в зависимости от варианта и типа клеток, в которых он экспрессируется. [1]
Регулирование
[ редактировать ]Активность PDE3A и PDE3B регулируется несколькими путями фосфорилирования . Протеинкиназа А и протеинкиназа B активируют PDE3A и PDE3B посредством фосфорилирования в двух разных сайтах фосфорилирования (P1 и P2) между NHR1 и NHR2 (рис. 2). Гидролиз цАМФ , хотя изоформами ФДЭ3 также напрямую ингибируется цГМФ ФДЭ3В всего на ≈10% столь же чувствителен к ингибированию цГМФ, как и ФДЭ3А. [4] PDE3B был тщательно изучен на предмет его важности в обеспечении антилиполитического и антигликогенлитического эффекта инсулина в жировой и печеночной тканях . Активация PDE3B в серина инсулин - стимулируемой протеинсериновой адипоцитах связана с фосфорилированием остатка киназой ( PDE3IK). Блокируя инсулиновую активацию PDE3IK и, в свою очередь, фосфорилирование/активацию PDE3B, можно противодействовать антилиполитическому эффекту инсулина. Активация PDE3B снижает концентрацию цАМФ, что, в свою очередь, снижает активность протеинкиназы А. Протеинкиназа А отвечает за активацию липазы , которая индуцирует липолиз, а также другие физиологические пути. [6] [4]
Могут ли пути фосфорилирования, которые регулируют активность PDE3A или PDE3B, служить потенциальными мишенями для лекарств, а не каталитический домен самого фермента PDE3 , неясно и выходит за рамки этого текста.
Структура
[ редактировать ]ФДЭ млекопитающих имеют общую структурную организацию и содержат три функциональных домена, которые включают консервативное каталитическое ядро, регуляторный N-конец и С-конец . Консервативное каталитическое ядро гораздо более сходно внутри семейств PDE (около 80% аминокислотной идентичности), чем между разными семействами. Считается, что ядро содержит общие структурные элементы, важные для фосфодиэфирных цАМФ гидролиза и цГМФ связей . Также считается, что он содержит специфичные для семейства детерминанты различий в сродстве 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 мощного и селективного PDE3 ингибитора . [6]
Кристаллическая структура каталитических доменов нескольких PDE, включая PDE3B, показала, что они содержат три спиральных субдомена:
На границе раздела этих доменов образуется глубокий гидрофобный карман из остатков, высококонсервативных среди всех PDE. Этот карман является активным сайтом и состоит из четырех дочерних сайтов:
- Сайт связывания металла (М-сайт)
- Основной карман (Q-карман)
- Гидрофобный карман (H-карман)
- Область век (L-область) [3] [1]
Сайт М находится в нижней части гидрофобного связывающего кармана и содержит два двухвалентных сайта связывания металлов металлов. Ионы , которые могут связываться с этими сайтами, представляют собой цинк или магний. Сайт связывания цинка имеет два остатка гистидина и два остатка аспарагиновой кислоты, которые абсолютно консервативны среди изученных на сегодняшний день ФДЭ. [3] [1]
N-концевые части PDE широко расходятся и содержат детерминанты, связанные с регуляторными свойствами, специфичными для разных семейств генов. Для PDE3 этими детерминантами являются домены гидрофобной мембранной ассоциации и сайты фосфорилирования цАМФ-зависимой протеинкиназы. [6]
Сродство к субстрату
[ редактировать ]Сначала PDE3 были очищены и описаны как ферменты , гидролизующие как цГМФ , так и цАМФ, со значениями K m 0,1–0,8 мкМ. Однако V max для цАМФ гидролиза в 4–10 раз выше, чем V max для гидролиза цГМФ . [6]
Когда были впервые идентифицированы различные ФДЭ, были выделены два типа ФДЭ (ФДЭ3 и ФДЭ4), которые проявляли высокое сродство к цАМФ. PDE3 проявлял высокое сродство как к цГМФ, так и к цАМФ, но PDE4 имел высокое сродство только к цАМФ. По этой причине ФДЭ3 назвали ФДЭ, ингибируемым цГМФ, чтобы отличить его от ФДЭ4. [6]
Считается, что вставка из 44 аминокислот в каталитический домен PDE3 участвует во взаимодействии PDE3 с ее субстратом и ингибиторами, но это еще предстоит установить. [6]
Предполагаемый молекулярный механизм специфичности циклических нуклеотидов ФДЭ представляет собой так называемый механизм переключения глутамина .
В ФДЭ, структура которых была решена, по-видимому, существует инвариантный остаток глутамина, который стабилизирует связывание пуринового кольца в активном центре (кармане связывания). G-аминогруппа остатка глутамина альтернативно может принимать две разные ориентации:
- Сеть водородных связей поддерживает связывание гуанина – селективность цГМФ.
- Сеть водородных связей поддерживает связывание аденина – селективность цАМФ.
В ФДЭ, которые могут гидролизовать как цГМФ, так и цАМФ (ФДЭ3), глутамин может свободно вращаться и, следовательно, переключаться между ориентациями. [3] [1]
Активный сайт
[ редактировать ]На основе ранних исследований была получена первоначальная модель ФДЭ, топография активного центра. Эту раннюю модель можно обобщить в следующие этапы, касающиеся топографии активного сайта цАМФ :
- Субстрат цАМФ с его адениновыми и рибозными фрагментами в «анти» отношениях.
- Атом фосфата в цАМФ связывается с активным центром ФДЭ, используя остаток аргинина и молекулу воды, которая изначально была связана с Mg. 2+ . Второй остаток аргинина и Mg 2+ также может играть роли во время привязки и/или играть роли на следующем этапе
- S N 2 атака фосфора H 2 O с образованием переходного состояния тригональной бипирамиды
- 5´-АМФ образуется как «инвертированный» продукт. Электронные заряды сохраняют чистый заряд в целом и во всем переходном состоянии. [7]
Ингибиторы
[ редактировать ]- противодействовать тромбоцитов агрегации
- блокировать яйцеклеток созревание
- повышают сократимость сердца
- улучшить гладких мышц сосудов расслабление
- улучшить расслабление гладких мышц дыхательных путей
Было продемонстрировано, что ингибирование PDE3A предотвращает ооцитов созревание in vitro и in vivo . [1] Например, когда у мышей полностью отсутствует PDE3A, они становятся бесплодными. [2]
Агрегация тромбоцитов в значительной степени регулируется циклическими нуклеотидами. ФДЭ3А является регулятором этого процесса, а ингибиторы ФДЭ3 эффективно предотвращают агрегацию тромбоцитов. Цилостазол одобрен для лечения перемежающейся хромоты и, как полагают, ингибирует агрегацию тромбоцитов, а также ингибирует пролиферацию гладких мышц и расширение сосудов.
Наиболее изученная роль PDE3B связана с передачей сигналов инсулина , IGF1 и лептина . [1] Когда PDE3B сверхэкспрессируется в β-клетках мышей, это вызывает нарушение секреции инсулина и непереносимость глюкозы . [2]
Рак
[ редактировать ]Экспрессия PDE3a была описана как биомаркер чувствительности к ингибитору PDE3 зардаверину при различных типах рака. [8]
Астма
[ редактировать ]Нацеливаясь на ФДЭ3 в оптимальных дозах и времени, эноксимон предотвращает аллергическое воспаление в моделях аллергического воспаления дыхательных путей, основанных на HDM. [9] Ингибиторы ФДЭ3 эноксимон и милринон могут использоваться в качестве лекарственного средства при опасной для жизни бронхиальной астме/ острой тяжелой астме . [10] [11] [12]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: 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». Фармакологические обзоры . 58 (3): 488–520. дои : 10.1124/пр.58.3.5 . ПМИД 16968949 . S2CID 7397281 .
- ^ Jump up to: а б с д Люнье С. (март 2006 г.). «Суперсемейство циклических нуклеотидных фосфодиэстераз (ФДЭ): новая мишень для разработки специфических терапевтических средств». Фармакология и терапия . 109 (3): 366–98. doi : 10.1016/j.pharmthera.2005.07.003 . ПМИД 16102838 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Чон Й.Х., Хо Й.С., Ким СМ, Хён Й.Л., Ли Т.Г., Ро С., Чо Дж.М. (июнь 2005 г.). «Фосфодиэстераза: обзор белковых структур, потенциальное терапевтическое применение и недавний прогресс в разработке лекарств» . Клеточные и молекулярные науки о жизни . 62 (11): 1198–220. дои : 10.1007/s00018-005-4533-5 . ПМЦ 11139162 . ПМИД 15798894 . S2CID 9806864 .
- ^ Jump up to: а б с д Морис Д.Х., Палмер Д., Тилли Д.Г., Данкерли Х.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 . ПМИД 12920188 .
- ^ WO 03012030 , Мовсесян М., «Изоформ-селективные ингибиторы и активаторы циклических нуклеотид-фосфодиэстеразы PDE3», опубликованная 13 февраля 2003 г., передана в Отдел передачи технологий Университета Юты.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Дегерман Э., Белфрадж П., Манганьелло В.К. (март 1997 г.). «Структура, локализация и регуляция цГМФ-ингибируемой фосфодиэстеразы (ФДЭ3)» . Журнал биологической химии . 272 (11): 6823–6. дои : 10.1074/jbc.272.11.6823 . ПМИД 9102399 .
- ^ Эрхардт П.В., Чоу Ю.Л. (1991). «Топографическая модель активного центра ц-АМФ фосфодиэстеразы III». Науки о жизни . 49 (8): 553–68. дои : 10.1016/0024-3205(91)90254-9 . ПМИД 1650876 .
- ^ Назир М., Сеньковски В., Нюберг Ф., Блом К., Эдквист П.Х., Джарвиус М. и др. (декабрь 2017 г.). «Нацеливание на опухолевые клетки на основе экспрессии фосфодиэстеразы 3А». Экспериментальные исследования клеток . 361 (2): 308–315. дои : 10.1016/j.yexcr.2017.10.032 . ПМИД 29107068 . S2CID 19506507 .
- ^ Бойте Дж., Луккес М., Кукук Э.П., Настити Х., Ганеш К., де Брёйн М.Дж. и др. (2018). «Патофизиологическая роль PDE3 при аллергическом воспалении дыхательных путей» . JCI-инсайт . 3 (2). doi : 10.1172/jci.insight.94888 . ПМК 5821178 . ПМИД 29367458 .
- ^ Бойте Дж (2014). «Неотложная помощь при астматическом статусе эноксимоном» . Бр Джей Анест . 112 (6): 1105–1108. дои : 10.1093/bja/aeu048 . ПМИД 24638233 .
- ^ Шульц О., Визнер О., Вельте Т. и др. (2020). «Эноксимон при астматическом состоянии» . Открытое разрешение ERJ . 6 (1): 00367–2019. дои : 10.1183/23120541.00367-2019 . ПМК 7132035 . ПМИД 32280667 .
- ^ Собхи А., Элдин Д.М., Заки Х.В. (2019). «Использование милринона по сравнению с традиционным лечением опасной для жизни бронхиальной астмы» . Открытый журнал анестезиологии . 13 (1): 12–7. дои : 10.2174/2589645801913010012 .
