GSK-3 - GSK-3

Kinaza syntazy glikogenu 3, domena katalityczna
Identyfikatory
Symbol STKc_GSK3
InterPro IPR039192
CDD cd14137
kinaza syntazy glikogenu 3 alfa
Identyfikatory
Symbol GSK3A
gen NCBI 2931
HGNC 4616
OMIM 606784
RefSeq NM_019884
UniProt P49840
Inne dane
Numer WE 2.7.11.26
Umiejscowienie Chr. 19 q13.2
kinaza syntazy glikogenu 3 beta
1J1B.png
Struktura krystalograficzna ludzkiego GSK-3β (kolor tęczowy, N-koniec = niebieski, C-koniec = czerwony) związanego z estrem adenylanowym kwasu fosfoaminofosfonowego (kulki).
Identyfikatory
Symbol GSK3B
gen NCBI 2932
HGNC 4617
OMIM 605004
WPB 1Q3W Więcej struktur
RefSeq NM_002093
UniProt P49841
Inne dane
Numer WE 2.7.11.26
Umiejscowienie Chr. 3 q13,33

Kinaza syntazy glikogenu 3 ( GSK-3 ) to białkowa kinaza serynowo/treoninowa, która pośredniczy w dodawaniu cząsteczek fosforanu do reszt aminokwasowych seryny i treoniny . Odkryta po raz pierwszy w 1980 roku jako kinaza regulatorowa dla swojej imiennika, syntazy glikogenu (GS), GSK-3 została zidentyfikowana jako kinaza białkowa dla ponad 100 różnych białek na wielu różnych szlakach. U ssaków, w tym ludzi, GSK-3 występuje w dwóch izoformach kodowanych przez dwa paralogiczne geny GSK-3α ( GSK3A ) i GSK-3β ( GSK3B ). GSK-3 był przedmiotem wielu badań, ponieważ jest powiązany z wieloma chorobami, w tym cukrzycą typu 2 , chorobą Alzheimera , zapaleniem , rakiem i chorobą afektywną dwubiegunową .

GSK-3 jest białkową serynowo / treoninowa kinaza fosforylowania ani treoniny lub seryny , a to fosforylacji kontroli rozmaitych czynności biologicznych, takich jak glikogen metabolizm, sygnalizacji komórkowej , transportu komórkowego i innych. Hamowanie GS przez GSK-3β prowadzi do zmniejszenia syntezy glikogenu w wątrobie i mięśniach, wraz ze wzrostem stężenia glukozy we krwi lub hiperglikemią. Dlatego GSK-3β jest związany z patogenezą i progresją wielu chorób, takich jak cukrzyca , otyłość , nowotwory i choroba Alzheimera. Jest aktywny w komórkach spoczynkowych i jest hamowany przez kilka hormonów , takich jak insulina , śródbłonkowy czynnik wzrostu i płytkowy czynnik wzrostu . Insulina inaktywuje ją poprzez fosforylację specyficznych reszt seryny Ser21 i Ser9 odpowiednio w izoformach α i β GSK-3. W sposób zależny od 3-kinazy fosfatydyloinozytolu.

Od 2019 r. GSK-3 jest jedynym nazwanym i uznanym typem kinazy syntazy glikogenu . Te symbole genu dla GSK1 i GSK2 zostały wycofane przez HUGO Gene Nomenclature Committee (HGNC) i bez nowych nazw dla tych „genów”, ani ich lokalizacje zostały określone.

Mechanizm

Aktywna strona GSK-3
Miejsce aktywne GSK-3. Trzy reszty w kolorze niebieskim wiążą fosforan podkładowy na podłożu, jak pokazuje ligand. Pozostałości D181, D200, K85 i E97.

GSK-3 działa poprzez fosforylację reszty seryny lub treoniny na docelowym substracie. Dodatnio naładowana kieszeń sąsiadująca z miejscem aktywnym wiąże „pierwotną” grupę fosforanową przyłączoną do czterech reszt seryny lub treoniny C-końca docelowego miejsca fosforylacji. Miejsce aktywne, przy resztach 181, 200, 97 i 85, wiąże końcowy fosforan ATP i przenosi go do miejsca docelowego na substracie (patrz figura 1).

Syntaza glikogenu

Syntaza glikogenu to enzym odpowiedzialny zasyntezę glikogenu . Jest aktywowany przez glukozo-6-fosforan (G6P) i hamowany przez kinazy syntazy glikogenu ( GSK3 ). Te dwa mechanizmy odgrywają ważną rolę w metabolizmie glikogenu.

Funkcjonować

Fosforylacja białka przez GSK-3 zwykle hamuje aktywność jego dalszego celu. GSK-3 jest aktywny w wielu centralnych wewnątrzkomórkowych szlakach sygnałowych, w tym proliferacji komórkowej, migracji, regulacji glukozy i apoptozie.

GSK-3 został pierwotnie odkryty w kontekście jego zaangażowania w regulację syntazy glikogenu . Po pobudzeniu przez kinazę kazeinową 2 (CK2) syntaza glikogenu ulega fosforylacji w skupisku trzech C-końcowych reszt seryny, zmniejszając jej aktywność. Oprócz swojej roli w regulacji syntazy glikogenu, GSK-3 odgrywa rolę w innych aspektach homeostazy glukozy, w tym fosforylacji receptora insuliny IRS1 i enzymów glukoneogennych, karboksykinazy fosfoenolopirogronianowej i fosfatazy glukozo-6 . Jednak te interakcje nie zostały potwierdzone, ponieważ szlaki te mogą być hamowane bez regulacji w górę GSK-3.

Wykazano również, że GSK-3 reguluje procesy odpornościowe i migracyjne. GSK-3 uczestniczy w wielu szlakach sygnałowych we wrodzonej odpowiedzi immunologicznej, w tym w produkcji cytokin prozapalnych i interleukin. Inaktywacja GSK3B przez różne kinazy białkowe wpływa również na adaptacyjną odpowiedź immunologiczną, indukując produkcję i proliferację cytokin w naiwnych i pamięciowych limfocytach T CD4+. W migracji komórkowej, integralnym aspekcie odpowiedzi zapalnych, hamowanie GSK-3 odgrywa sprzeczne role, ponieważ wykazano, że miejscowe hamowanie w stożkach wzrostu promuje ruchliwość, podczas gdy wykazano, że globalne hamowanie komórkowego GSK-3 hamuje rozprzestrzenianie się i migracja komórek.

GSK-3 jest również integralnie związany ze szlakami proliferacji komórek i apoptozy. Wykazano, że GSK-3 fosforyluje beta-kateninę , kierując ją w ten sposób do degradacji. GSK-3 jest zatem częścią kanonicznego szlaku Beta-katenina / Wnt , który sygnalizuje komórce podział i proliferację. GSK-3 uczestniczy również w wielu apoptotycznych szlakach sygnałowych poprzez fosforylację czynników transkrypcyjnych, które regulują apoptozę . GSK-3 może promować apoptozę zarówno poprzez aktywację czynników proapoptotycznych, takich jak p53, jak i dezaktywację czynników sprzyjających przeżyciu poprzez fosforylację. Rola GSK-3 w regulacji apoptozy jest jednak kontrowersyjna, ponieważ niektóre badania wykazały, że myszy pozbawione GSK-3β są nadmiernie uczulone na apoptozę i umierają w stadium embrionalnym, podczas gdy inne wykazały, że nadekspresja GSK-3 może indukować apoptozę . Ogólnie rzecz biorąc, wydaje się, że GSK-3 zarówno promuje, jak i hamuje apoptozę, a ta regulacja różni się w zależności od konkretnego kontekstu molekularnego i komórkowego.

Rozporządzenie

Ze względu na jego znaczenie w wielu funkcjach komórkowych, aktywność GSK-3 podlega ścisłej regulacji.

Szybkość i skuteczność fosforylacji GSK-3 jest regulowana przez szereg czynników. Fosforylacja niektórych reszt GSK-3 może zwiększać lub zmniejszać jego zdolność do wiązania substratu. Fosforylacja tyrozyny-216 w GSK-3β lub tyrozyny-279 w GSK-3α wzmaga aktywność enzymatyczną GSK-3, natomiast fosforylacja seryny-9 w GSK-3β lub seryny-21 w GSK-3α znacząco zmniejsza dostępność miejsca aktywnego ( patrz rysunek 1). Ponadto, GSK-3 jest niezwykły wśród kinaz, ponieważ zwykle wymaga „kinazy starterowej”, aby najpierw fosforylować substrat. Fosforylowana reszta seryny lub treoniny znajdująca się na czterech aminokwasach C-końca od docelowego miejsca fosforylacji umożliwia substratowi wiązanie kieszeni ładunku dodatniego utworzonego przez reszty argininy i lizyny.

W zależności od szlaku, w którym jest wykorzystywany, GSK-3 może być dalej regulowany poprzez lokalizację komórkową lub tworzenie kompleksów białkowych. Aktywność GSK-3 jest znacznie większa w jądrze i mitochondriach niż w cytozolu neuronów korowych, podczas gdy w fosforylacji beta-kateniny przez GSK-3 pośredniczy wiązanie obu białek do Aksyny , białka szkieletowego, umożliwiającego beta- kateninę. -katenina, aby uzyskać dostęp do aktywnego miejsca GSK-3.

Znaczenie choroby

Ze względu na udział w wielu szlakach sygnałowych, GSK-3 jest powiązany z wieloma głośnymi chorobami. Inhibitory GSK-3 są obecnie testowane pod kątem efektów terapeutycznych w chorobie Alzheimera , cukrzycy typu 2 (T2DM), niektórych postaciach raka i zaburzeniu afektywnym dwubiegunowym .

Obecnie wykazano, że lit , który jest stosowany w leczeniu choroby afektywnej dwubiegunowej , działa jako stabilizator nastroju poprzez selektywne hamowanie GSK-3. Mechanizm, za pomocą którego hamowanie GSK-3 stabilizuje nastrój, nie jest znany, choć podejrzewa się, że hamowanie zdolności GSK-3 do promowania stanu zapalnego przyczynia się do efektu terapeutycznego. Hamowanie GSK-3 destabilizuje również represor transkrypcyjny Rev-ErbA alfa, który odgrywa istotną rolę w zegarze okołodobowym. Elementy zegara dobowego mogą wiązać się z predyspozycją do zaburzeń afektywnych dwubiegunowych.

Aktywność GSK-3 powiązano z obydwoma patologicznymi cechami choroby Alzheimera, a mianowicie odkładaniem się złogów amyloidu-β (Aβ) i tworzeniem splątków neurofibrylarnych . GSK-3 jest uważany bezpośrednio pobudza wytwarzanie Ap i być związane z procesem hiperfosforylacją z białka tau , co prowadzi do splotów. Ze względu na te role GSK-3 w promowaniu choroby Alzheimera, inhibitory GSK-3 mogą mieć pozytywny wpływ terapeutyczny na pacjentów z chorobą Alzheimera i znajdują się obecnie na wczesnych etapach testów.

W podobny sposób ukierunkowane hamowanie GSK-3 może mieć działanie terapeutyczne na niektóre rodzaje raka. Chociaż wykazano, że GSK-3 w niektórych przypadkach promuje apoptozę , doniesiono również, że jest kluczowym czynnikiem w powstawaniu nowotworów w niektórych nowotworach. Popierając to twierdzenie, wykazano, że inhibitory GSK-3 indukują apoptozę w komórkach glejaka i raka trzustki.

Inhibitory GSK-3 okazały się również obiecujące w leczeniu T2DM. Chociaż aktywność GSK-3 w warunkach cukrzycowych może się radykalnie różnić w różnych typach tkanek, badania wykazały, że wprowadzenie konkurencyjnych inhibitorów GSK-3 może zwiększyć tolerancję glukozy u myszy z cukrzycą. Inhibitory GSK-3 mogą również mieć działanie terapeutyczne na przemianę krwotoczną po ostrym udarze niedokrwiennym. GSK-3 może negatywnie regulować szlak sygnalizacyjny insuliny poprzez hamowanie IRS1 poprzez fosforylację seryny-332, czyniąc receptor insuliny niezdolnym do aktywacji IRS1 i dalszego inicjowania kanonicznego szlaku PI3K/Akt. Rola, jaką hamowanie GSK-3 może odgrywać w innych jego rolach sygnalizacyjnych, nie jest jeszcze w pełni zrozumiała.

Inhibicja GSK-3 pośredniczy również w zwiększeniu transkrypcji czynnika transkrypcyjnego Tbet (Tbx21) i inhibicji transkrypcji zaprogramowanej śmierci komórkowej-1 (PD-1) hamującego koreceptora na limfocytach T. Inhibitory GSK-3 zwiększały in vivo funkcję CD8(+) OT-I CTL i eliminację infekcji wirusowych przez mysiego gamma-herpeswirusa 68 i klon 13 limfocytarnego zapalenia opon mózgowo-rdzeniowych, a także anty-PD-1 w immunoterapii.

Inhibitory

Inhibitory kinazy syntazy glikogenu są różnymi chemotypami i mają różne mechanizmy działania; mogą to być kationy pochodzące z naturalnych źródeł, syntetyczne inhibitory ATP i niekompetycyjne ATP oraz inhibitory współzawodniczące z substratami. GSK3 jest architekturą dwupłatową z N-końcową i C-końcową , N-końcową odpowiada za wiązanie ATP i C-końcową, która nazywa się pętlą aktywacyjną pośredniczącą w aktywności kinazy, Tyrozyna zlokalizowana na C-końcu jest niezbędna dla pełna aktywność GSK3.

Korzyści z inhibitorów GSK-3β

W cukrzycy inhibitory GSK-3β zwiększają wrażliwość na insulinę, syntezę glikogenu i metabolizm glukozy w mięśniach szkieletowych oraz zmniejszają otyłość poprzez wpływ na proces adipogenezy . GSK-3β jest również nadeksprymowany w kilku typach nowotworów, takich jak rak jelita grubego , jajnika i prostaty . Inhibitory GSK-3β pomagają również w leczeniu choroby Alzheimera , udaru i zaburzeń nastroju , w tym zaburzenia afektywnego dwubiegunowego .

Konkretni agenci

Inhibitory GSK-3 obejmują:

Kationy metali

ATP-konkurencyjny

Pochodzące z organizmów morskich

aminopirymidyny

Arylindolomaleimid

Tiazole

Paulones

IC 50 = 4-80nM:

Aloizyny

IC 50 = 0.5-1.5μM:

Konkurencyjny dla ATP

Pochodzące z organizmów morskich

Tiazolidynodiony

Halometyloketony

Peptydy

Nieznany mechanizm (inhibitory drobnocząsteczkowe)

Lit

Lit stosowany w leczeniu choroby afektywnej dwubiegunowej był pierwszym odkrytym naturalnym inhibitorem GSK-3. Hamuje GSK-3 bezpośrednio poprzez konkurowanie z jonami magnezu oraz pośrednio poprzez fosforylację i autoregulację seryny. Stwierdzono, że lit ma podobny do insuliny wpływ na metabolizm glukozy, w tym stymulację syntezy glikogenu w komórkach tłuszczowych, skórze i mięśniach, zwiększając wychwyt glukozy i aktywację aktywności GS. Oprócz hamowania GSK-3 hamuje również inne enzymy biorące udział w regulacji metabolizmu glukozy, takie jak mio-inozytol-1-monofosfataza i 1,6 bisfosfataza. Wykazał również korzyści terapeutyczne w chorobie Alzheimera i innych chorobach neurodegeneracyjnych, takich jak neurodegeneracja padaczkowa.

Naproksen i Cromolyn

Naproksen jest niesteroidowym lekiem przeciwzapalnym, a kromolyn jest środkiem przeciwalergicznym, który działa jako stabilizator komórek tucznych. Obydwa leki wykazały działanie przeciwnowotworowe oprócz działania hipoglikemizującego dzięki hamowaniu kinazy 3β syntazy glikogenu (GSK-3β).

Aby potwierdzić hipotezę anty-GSK-3β dotyczącą naproksenu i kromolinu, oprócz pomiaru stężenia glukozy w surowicy, insuliny w surowicy, przeprowadzono dokowanie dwóch struktur do kieszeni wiążącej GSK-3β i porównanie ich dopasowania ze znanym inhibitorem GSK-3β ARA014418, peptyd C w surowicy, wahania masy ciała i poziomy glikogenu w wątrobie dla normalnych i cukrzycowych modeli zwierzęcych na czczo w celu oceny ich skutków hipoglikemicznych in vitro.

Naproksen i cromolyn zostały z powodzeniem zadokowane w miejscu wiązania GSK-3β (oba zostały umieszczone w kieszeni wiążącej). Wykazali oni oddziaływania elektrostatyczne, hydrofobowe i wiązania wodorowe z kluczowymi aminokwasami w kieszeni wiążącej o profilach interakcji wiązania podobnych do AR-A014418 (znany inhibitor). Ujemne ładunki grup kwasu karboksylowego w obu lekach oddziałują elektrostatycznie z dodatnio naładowaną grupą guanidynową Arg141. Ponadto, oddziaływania wiązaniami wodorowymi pomiędzy ugrupowaniami kwasu karboksylowego kromolinu i grupami amonowymi Lys183 i Lys60, oprócz układania π naftalenowego układu pierścieniowego naproksenu z pierścieniem fenolowym Tyr134.

Działanie przeciwcukrzycowe naproksenu i kromolinu: W normalnych modelach zwierzęcych oba leki wykazały zależne od dawki obniżenie poziomu glukozy we krwi i wzrost poziomu glikogenu. W modelu przewlekłej cukrzycy typu II poziom glukozy również był obniżony, a poziom glikogenu i poziom insuliny był podwyższony w sposób zależny od dawki ze zmniejszeniem stężenia glukozy w osoczu.

Działanie przeciw otyłości naproksenu i kromolinu: Oba leki wykazywały znaczące działanie przeciw otyłości, ponieważ zmniejszały masę ciała, rezystynę i poziomy glukozy w sposób zależny od dawki. Stwierdzono również, że podnoszą poziom adiponektyny , insuliny i peptydu C w sposób zależny od dawki.

Famotydyna

Famotydyna jest specyficznym, długo działającym antagonistą receptora H2, który zmniejsza wydzielanie kwasu żołądkowego. Jest stosowany w leczeniu choroby wrzodowej, GERD oraz patologicznych stanów nadmiernego wydzielania, takich jak zespół Zollingera-Ellisona. (14,15) Antagoniści receptora H2 wpływają na metabolizm hormonów, ale ich wpływ na metabolizm glukozy nie jest dobrze poznany. (16) Badanie wykazało działanie obniżające poziom glukozy dla famotydyny. Ostatnio przeprowadzono dokowanie molekularne jako wstępny test przesiewowy in silico w celu zbadania wiązania famotydyny z miejscem aktywnym GSK-3β.

Badanie wiązania famotydyny z enzymem wykazało, że famotydyna może być zadokowana w kieszeni wiążącej GSK-3β, powodując znaczące interakcje z kluczowymi punktami w kieszeni wiążącej GSK-3β. Silne oddziaływania wiązań wodorowych z kluczowymi aminokwasami PRO-136 i VAL -135 oraz potencjalne oddziaływania hydrofobowe z LEU-188 były podobne do tych występujących w przypadku wiązania liganda z enzymem (AR-A014418).

Ponadto famotydyna wykazywała wysokie powinowactwo wiązania GSK-3β i aktywność hamującą dzięki oddziaływaniom stabilizującym kompleks, mianowicie wiązaniu wodorowym grupy guanidynowej w famotydynie z ugrupowaniem sulfahydrylowym w CYS-199; oraz oddziaływania elektrostatyczne między tą samą grupą guanidynową a grupą karboksylową w ASP-200, wiązanie wodorowe między końcową grupą NH2, OH w TYR-143 oraz oddziaływanie hydrofobowe atomu siarki w tioeterze z ILE-62. Badania in vitro wykazały, że famotydyna hamuje aktywność GSK-3β i zwiększa rezerwy glikogenu wątrobowego w sposób zależny od dawki. Zaobserwowano czterokrotny wzrost poziomu glikogenu wątrobowego przy zastosowaniu najwyższej dawki famotydyny (4,4 mg/kg). Wykazano również, że famotydyna obniża poziom glukozy w surowicy 30 i 60 minut po doustnym obciążeniu glukozą u zdrowych osób.

Kurkumina

Kurkumina, która jest składnikiem przyprawy kurkuma , ma właściwości smakowe i barwiące. Ma dwie symetryczne formy: enol (najobfitsze formy) i keton.

Kurkumina ma szerokie działanie farmakologiczne: działanie przeciwzapalne, przeciwbakteryjne, hipoglikemizujące, przeciwutleniające i gojące rany. W modelach zwierzęcych z chorobą Alzheimera wykazuje działanie przeciwdestrukcyjne beta amyloidu w mózgu, a ostatnio wykazuje działanie przeciwmalaryczne.

Kurkumina ma również działanie profilaktyczne i przeciwnowotworowe. Wykazano, że łagodzi stres oksydacyjny i dysfunkcję nerek u zwierząt z cukrzycą przy długotrwałym stosowaniu.

Mechanizm działania kurkuminy jest przeciwzapalny; hamuje jądrowy aktywator transkrypcji kappa B ( NF-kB ), który jest aktywowany za każdym razem, gdy pojawia się odpowiedź zapalna.

NF-kB ma dwa czynniki regulacyjne, IkB i GSK-3, co sugeruje, że kurkumina bezpośrednio wiąże i hamuje GSK-3B. Badanie in vitro potwierdziło hamowanie GSK-3B poprzez symulację dokowania molekularnego przy użyciu techniki dokowania silico. Stężenie, przy którym 50% GK-3B byłoby hamowane przez kurkuminę wynosi 66,3 nM.

Wśród jego dwóch form, eksperymentalne i teoretyczne badania pokazują, że forma enolowa jest formą preferowaną ze względu na wewnątrzcząsteczkowe wiązania wodorowe, a eksperyment NMR pokazuje, że forma enolowa występuje w różnych rozpuszczalnikach.

Olanzapina

Leki przeciwpsychotyczne są coraz częściej stosowane w schizofrenii , chorobie afektywnej dwubiegunowej, lęku i innych stanach psychicznych. Atypowe leki przeciwpsychotyczne są częściej stosowane niż leki przeciwpsychotyczne pierwszej generacji, ponieważ zmniejszają ryzyko wystąpienia objawów pozapiramidowych, takich jak dyskineza późna , i mają lepszą skuteczność.

Olanzapina i atypowe leki przeciwpsychotyczne powodują przyrost masy ciała poprzez zwiększenie tkanki tłuszczowej. Wpływa również na metabolizm glukozy, a kilka badań pokazuje, że może pogorszyć cukrzycę.

Ostatnie badania pokazują, że olanzapina hamuje aktywność GSK3, co sugeruje, że olanzapina umożliwia syntezę glikogenu. Badanie wpływu olanzapiny na poziom glukozy i glikogenu we krwi myszy wykazało znaczny spadek poziomu glukozy we krwi i podwyższenie poziomu glikogenu u myszy, a IC50% olanzapiny wynosiło 91,0 nm, która jest uważana za silny inhibitor. Badanie ilustruje również, że podprzewlekłe stosowanie olanzapiny skutkuje silnym hamowaniem GSK3.

Pochodne pirymidyny

Analogi pirymidyny są antymetabolitami, które zakłócają syntezę kwasów nukleinowych. Wykazano, że niektóre z nich pasują do kieszeni wiążącej ATP GSK-3β w celu obniżenia poziomu glukozy we krwi i poprawy niektórych chorób neuronalnych.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki