Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Фосфодиэстераза I
Идентификаторы
Номер ЕС3.1.4.1
Количество CAS9025-82-5
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
BRENDABRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
Структуры PDB RCSB PDB PDBe PDBsum
Поиск
ЧВКстатьи
PubMedстатьи
NCBIбелки

PDE1 ( фосфодиэстеразы типа 1 ) представляет собой фосфодиэстеразу фермент , известный также как кальций - и кальмодулин -зависимой фосфодиэстеразы. Это одно из 11 семейств фосфодиэстераз (PDE1-PDE11). PDE1 имеет три подтипа , PDE1A, PDE1B и PDE1C, которые в дальнейшем делятся на различные изоформы . Различные изоформы проявляют разное сродство к цАМФ и цГМФ . [1] [2]

Открытие [ править ]

Существование стимулированной Ca 2+ PDE1 было впервые продемонстрировано Cheung (1970), Kakiuchi и Yamazaki (1970) в результате их исследований на мозге крупного рогатого скота и головного мозга крысы соответственно. [1] [3] С тех пор было обнаружено, что он широко распространен в различных тканях млекопитающих, а также у других эукариот . В настоящее время это один из наиболее интенсивно изучаемых членов суперсемейства ферментов PDE [3], которое сегодня представляет 11 семейств генов [1] [4], а также наиболее изученное . [3]

Дальнейшие исследования в этой области наряду с увеличением доступности моноклональных антител показали, что существуют различные изоферменты PDE1, которые были идентифицированы и очищены. Теперь известно, что PDE1 существует в виде тканеспецифических изоферментов. [3]

Структура [ править ]

Семейство изоферментов PDE1 относится к ферментам класса I [2] [5], который включает все PDE позвоночных и некоторые ферменты дрожжей . [5] Все ферменты класса I имеют каталитическое ядро, состоящее как минимум из 250 аминокислот, тогда как ферменты класса II не имеют такой общей характеристики. [5]

Обычно PDE позвоночных представляют собой димеры линейных белков 50–150 кДа . [5] Они состоят из трех функциональных доменов ; консервативное каталитическое ядро, регуляторный N-конец и C-конец [3-5]. Белки химерные, и каждый домен связан со своей конкретной функцией. [2]

Регуляторный N-конец существенно различается у разных типов PDE. [4] [5] Они фланкированы каталитическим ядром и включают области, которые автоматически ингибируют каталитические домены. Они также нацелены на последовательности, которые контролируют субклеточную локализацию. В PDE1 эта область содержит домен связывания кальмодулина. [4]

Каталитические домены PDE1 (и других типов PDE) имеют три спиральных субдомена: N-концевую область складки циклина, линкерную область и C-концевой спиральный пучок. На границе этих субдоменов образуется глубокий гидрофобный карман. Он состоит из четырех подсайтов . Это сайт связывания металла (M-сайт), сердцевинный карман (Q-карман), гидрофобный карман (H-карман) и область крышки (L-область). Сайт M расположен на дне гидрофобного кармана с несколькими атомами металла . Атомы металла связываются с остатками, которые полностью консервативны у всех членов семейства PDE. Идентичность атомов металла неизвестна с абсолютной уверенностью. Однако некоторые свидетельства указывают на то, что по крайней мере один из металловцинк, а другой - магний . Координационная сфера цинка состоит из трех гистидинов , одного аспартата и двух молекул воды . Координационная сфера магния включает тот же аспартат вместе с пятью молекулами воды, одна из которых является общей с молекулой цинка. Предполагаемая роль ионов металлов включает стабилизацию структуры, а также активацию гидроксида для проведения катализа . [4]

Домены разделены «шарнирными» областями, где их можно экспериментально разделить путем ограниченного протеолиза. [2]

Семейство изоферментов PDE1 (наряду с семейством PDE4) является наиболее разнообразным и включает многочисленные изоформы вариантов сплайсинга PDE1. Он имеет три подтипа: PDE1A, PDE1B и PDE1C, которые далее делятся на различные изоформы. [1] [2]

Локализация [ править ]

Локализация изоформ PDE1 в различных тканях / клетках и их расположение в клетках выглядит следующим образом:

ИзоформаТканевая / клеточная локализацияВнутриклеточная локализация
PDE1A ( PDE1A )Гладкая мышца, сердце, легкие, мозг, сперма [2]Преимущественно цитозольный [2]
PDE1A1Сердце, легкое [2]Преимущественно цитозольный [2]
PDE1A2Мозг [2]Преимущественно цитозольный [2]
PDE1B1 ( PDE1B )Нейроны, лимфоциты, гладкие мышцы [2] мозг, сердце, скелетные мышцы [1]Цитозольный [2]
PDE1B2Макрофаги, лимфоциты [2]Цитозольный [2]
PDE1C ( PDE1C )Мозг, разрастающиеся гладкие мышцы человека, сперматиды [2]Цитозольный [2]
PDE1C1Мозг, сердце, яички [6]-
PDE1C2Обонятельный эпителий [2]Цитозольный [2]
PDE1C4 / 5мРНК присутствует в семенниках [6]-

Таблица 1. Различное расположение PDE1 в тканях и внутри клеток.

Сообщается, что большинство изоформ PDE1 являются цитозольными . Однако есть примеры локализации PDE1 в субклеточных областях, но мало что известно о молекулярных механизмах, ответственных за такую ​​локализацию. Считается вероятным, что уникальные N-концевые или C-концевые области различных изоформ позволяют нацеливать различные белки на конкретные субклеточные домены. [2]

Функциональная роль [ править ]

PDE1 катализирует следующую химическую реакцию : [7]

Гидролитически удаляет 5'- нуклеотиды последовательно с 3'- гидроксильных концов олигонуклеотидов с 3'-гидроксильными концевыми группами.

Гидролизует как рибонуклеотиды, так и дезоксирибонуклеотиды . Имеет низкую активность по отношению к полинуклеотидам .

Внутриклеточные вторичные мессенджеры, такие как цГМФ и цАМФ, претерпевают быстрые изменения в концентрации в ответ на широкий спектр специфических для клетки стимулов. Концентрация этих вторичных мессенджеров в значительной степени определяется относительной синтетической активностью аденилатциклазы и разрушающей активностью циклического нуклеотида PDE. [3] Роль ферментов PDE1 заключается в разложении как цГМФ, так и цАМФ. [8]

Связывание ФДЭ с цГМФ и цАМФ соответственно

Различные изоформы проявляют разное сродство к цАМФ и цГМФ. PDE1A и PDE1B предпочтительно гидролизуют цГМФ, тогда как PDE1C разрушает цАМФ и цГМФ с высокой аффинностью. Например, в гладких мышцах дыхательных путей человека и других видов на общий PDE1 приходится более 50% гидролитической активности циклических нуклеотидов. [9] Было продемонстрировано, что делеция и сверхэкспрессия PDE1 оказывает сильное влияние на индуцированную агонистами передачу сигналов цАМФ, но мало влияет на базальный уровень цАМФ. [10]

Фармакология [ править ]

Из - ин витро регулирования Ca 2+ / кальмодулин, PDE1s , как полагают, функции в качестве механизма для интеграции сигнальных путей клетки , опосредованные цГМФ и цАМФ с путей , которые регулируют внутриклеточные уровни кальция. [2] Точная функция изоферментов PDE1 в различных патофизиологических процессах не ясна, поскольку большинство исследований проводилось in vitro. Поэтому важно направить дальнейшие исследования на исследования in vivo. [3]

Предполагается, что PDE1 играет роль во многих физиологических и патологических процессах:

  • PDE1A, скорее всего, служит для регулирования концентрации гладких мышц сосудов и, как было обнаружено, активируется в аорте крысы в ​​ответ на хроническое лечение нитроглицерином . Также возможно, что он играет роль в функции сперматозоидов . [8]
  • Мыши с нокаутом PDE1B обладают повышенной двигательной активностью, а в некоторых парадигмах снижают память и способности к обучению. PDE1B также участвует в передаче дофаминергических сигналов и индуцируется в нескольких типах активированных иммунных клеток. [8] мРНК PDE1B индуцируется в PHA или активированных анти-CD3 / CD28 человеческих Т-лимфоцитах и участвует в регуляции IL-13, связанной с аллергическими заболеваниями. [1]
  • Было показано, что PDE1C является основным регулятором пролиферации гладких мышц, по крайней мере, в гладких мышцах человека. Непролиферирующие гладкомышечные клетки (SMC) демонстрируют только низкие уровни экспрессии PDE1C, но высоко экспрессируются в пролиферирующих SMC. Следовательно, можно предположить, что ингибирование PDE1C может иметь положительные эффекты из-за предполагаемого ингибирования пролиферации SMC, события, которое вносит важный вклад в патофизиологию атеросклероза . [8] Другой вероятной ролью PDE1C является обоняние [4], регулирование функции сперматозоидов и нейрональной передачи сигналов. [8]

Регламент [ править ]

Отличительной особенностью PDE1 как семейства является их регуляция кальцием (Ca 2+ ) и кальмодулином (CaM). [11] Было показано, что кальмодулин активирует циклический нуклеотид PDE кальций-зависимым образом, и для полной активации PDE1 требуется кооперативное связывание четырех Ca 2+ с кальмодулином [2]. Связывание одного комплекса Ca 2+ / CaM на мономер с сайтами связывания около N-конца стимулирует гидролиз циклических нуклеотидов. В интактных клетках PDE1 почти исключительно активируется Ca 2+, поступающим в клетку из внеклеточного пространства. Регулирование PDE1 с помощью Ca 2+и CaM был изучен in vitro, и эти исследования показали, что восемь остатков метионина внутри гидрофобных щелей Ca 2+ -CaM необходимы для связывания и активации PDE1. Мутации в N-концевой доле CaM влияют на его способность активировать PDE1, поэтому считается, что C-концевая доля CaM служит для нацеливания CaM на PDE1, в то время как N-концевая доля активирует фермент. Присутствие ароматического остатка, обычно триптофана , в СаМ-связывающей области Са 2+ -СаМ-регулируемых белков также может быть необходимо для связывания с PDE1. [11]

Между разными изоферментами PDE1 существует значительная разница в сродстве к Ca 2 + / CaM. Как правило, ферменты PDE1 имеют высокое сродство к комплексу, но на сродство может влиять фосфорилирование. Фосфорилирование PDE1A1 и PDE1A2 протеинкиназой A и PDE1B1 CaM-киназой II снижает их чувствительность к активации кальмодулина. [1] Это фосфорилирование может быть обращено фосфатазой кальциневрин. [2] Фосфорилирование изоферментов сопровождается уменьшением сродства изоферментов к СаМ, а также увеличением концентраций Са 2+, необходимых для активации СаМ изоферментов. [3]

Ингибиторы и их функции [ править ]

PDE используются в качестве терапевтических мишеней из-за основного фармакологического принципа, согласно которому регулирование деградации любого лиганда или вторичного посредника часто может приводить к более быстрому и большему процентному изменению концентрации, чем сопоставимые скорости синтеза . Другая причина заключается в том, что PDE не должны конкурировать с очень высокими уровнями эндогенного субстрата, чтобы быть эффективными, поскольку уровни цАМФ и цГМФ в большинстве клеток обычно находятся в микромолярном диапазоне. [2]

Доступность кристаллических структур с высоким разрешением каталитических доменов PDE делает возможной разработку высокоэффективных и специфических ингибиторов . [6]

Многие соединения, указанные как ингибиторы PDE1, не взаимодействуют напрямую с каталитическим сайтом PDE1, но взаимодействуют во время активации либо на уровне сайтов связывания кальмодулина, таких как соединение KS505a, либо непосредственно с Ca 2+ / кальмодулином, такими как беприл , флунаризин и амиодарон . [1]

Те ингибиторы, которые взаимодействуют с каталитическим сайтом, занимают часть активного сайта, в основном вокруг Q-кармана и иногда вблизи M-кармана. [12] Основной точкой взаимодействия является консервативный гидрофобный карман, который участвует в ориентации пуринового кольца субстрата для взаимодействия с остатком глутамина, который имеет решающее значение для каталитического механизма PDE. [6]

Эти взаимодействия ингибиторов могут быть разделены на три основных типа: взаимодействие с ионами металла , опосредованных через воду, Н-связей взаимодействия с белковыми остатков , участвующих в нуклеотидной распознавания и , самое главное взаимодействие с гидрофобными остатками , выстилающих полость активного сайта. Похоже, что все известные ингибиторы используют эти три типа взаимодействий, и, следовательно, эти взаимодействия должны определять дизайн новых типов ингибиторов. [12]

Первоначально ингибиторы PDE1 считались эффективными сосудистыми релаксантами. Однако, благодаря доступности очищенных клонированных ферментов, теперь известно, что такие ингибиторы фактически одинаково активны против PDE5. [4] Эти ингибиторы включают, например, запринаст , 8-метоксиметил IPMX и SCH 51866 . [1]

Все терапевтически эффективные ингибиторы PDE должны быть включены в клетку, поскольку все PDE локализованы в цитоплазме и / или на внутриклеточных мембранах. [8]

На сегодняшний день не существует реального и эффективного специфического ингибитора PDE1, который можно было бы использовать для оценки функциональной роли PDE1 в тканях. [1]

Общие ингибиторы [ править ]

Химическая структура нимодипина
Химическая структура винпоцетина

Нимодипин представляет собой дигидропиридин, который специфически антагонизирует / блокирует Ca 2+ -канал L-типа , и впервые был описан как ингибитор PDE1. Этот эффект не связан с его свойствами антагониста кальция, поскольку он ингибирует в микромолярном диапазоне базальный и кальмодулин-стимулированный очищенный PDE1. Поскольку нимодипин в более низких концентрациях блокирует кальциевый канал L-типа, его можно использовать только для оценки участия PDE1 в тканевых и клеточных гомогенатах. [1]

Винпоцетин был описан как специфический ингибитор базальной и кальмодулин-активируемой PDE1. Этот эффект приводит к увеличению цАМФ по сравнению с цГМФ. [1] [13] Он в основном используется как фармакологический инструмент для выявления PDE1. Винпоцетин по-разному ингибирует различные подтипы PDE1 (IC 50 от 8 до 50 мкм), а также он способен ингибировать PDE7B. Его нельзя использовать в качестве специального инструмента для исследования функциональной роли PDE1 из-за его прямого активирующего воздействия на каналы BK (Ca). [1] Винпоцетин проникает через гематоэнцефалический барьер и поглощается тканями головного мозга. Было высказано предположение, что винпоцетин может влиять на потенциал-зависимые кальциевые каналы. [13]

IC224 ингибирует PDE1 (IC 50 = 0,08 мкМ) с селективным отношением 127 (отношение значения IC 50 для следующего по чувствительности PDE и значения IC 50 для PDE1). Разработан корпорацией ICOS. Если IC224 аналогичным образом ингибирует базальный и активированный кальмодулином подтипы PDE1, это соединение может быть очень полезным для характеристики активности PDE1 и четкого исследования различных ролей PDE1 в патофизиологии. [1]

Ингибиторы при заболеваниях [ править ]

Почти все фосфодиэстеразы экспрессируются в ЦНС, что делает это семейство генов привлекательным источником новых мишеней для лечения психических и нейродегенеративных расстройств. [6]

PDE1A2 может играть потенциальную роль в нейродегенеративных заболеваниях, в том числе: [4]

  • болезнь Паркинсона
  • Аксонов нейрофиламентов деградация
  • Моторнейрональная деградация
  • Ишемия нейронов
  • Болезнь Альцгеймера
  • Эпилепсия

PDE1C может играть роль в регуляции высвобождения инсулина [5] и может нацеливаться на пролиферирующие гладкомышечные клетки в атеросклеротических поражениях или во время рестеноза . [4] [14]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e f g h i j k l m n Lugnier C (март 2006 г.). «Суперсемейство циклических нуклеотидфосфодиэстераз (PDE): новая мишень для разработки конкретных терапевтических агентов». Pharmacol. Ther . 109 (3): 366–98. DOI : 10.1016 / j.pharmthera.2005.07.003 . PMID  16102838 .
  2. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w Бендер А. Т., Биво Дж. А (сентябрь 2006 г.). «Циклические нуклеотидные фосфодиэстеразы: молекулярная регуляция для клинического использования». Pharmacol. Ред . 58 (3): 488–520. DOI : 10,1124 / pr.58.3.5 . PMID 16968949 . 
  3. ^ a b c d e f g Каккар Р., Раджу Р. В., Шарма Р. К. (июль 1999 г.). «Кальмодулин-зависимая циклическая нуклеотидфосфодиэстераза (PDE1)» . Клетка. Мол. Life Sci . 55 (8–9): 1164–86. DOI : 10.1007 / s000180050364 . PMID 10442095 . [ постоянная мертвая ссылка ]
  4. ^ Б с д е е г Jeon YH, Хо Ю.С., Ким CM, и др. (Июнь 2005 г.). «Фосфодиэстераза: обзор белковых структур, потенциальных терапевтических применений и последних достижений в разработке лекарств». Клетка. Мол. Life Sci . 62 (11): 1198–220. DOI : 10.1007 / s00018-005-4533-5 . PMID 15798894 . 
  5. ^ a b c d e f Dousa TP (январь 1999 г.). «Изоферменты циклической 3 ', 5'-нуклеотидной фосфодиэстеразы в клеточной биологии и патофизиологии почек». Kidney Int . 55 (1): 29–62. DOI : 10.1046 / j.1523-1755.1999.00233.x . PMID 9893113 . 
  6. ^ a b c d e Menniti FS, Faraci WS, Schmidt CJ (август 2006 г.). «Фосфодиэстеразы в ЦНС: мишени для разработки лекарств». Nat Rev Drug Discov . 5 (8): 660–70. DOI : 10.1038 / nrd2058 . PMID 16883304 . 
  7. ^ Khorana GH (1961). «Фосфодиэстеразы». В Boyer PD, Lardy H, Myrbäck K (ред.). Ферменты . 5 (2-е изд.). Нью-Йорк: Academic Press. С. 79–94.
  8. ^ Б с д е е Bischoff Е (июнь 2004 г.). «Эффективность, селективность и последствия неселективности ингибирования ФДЭ» . Int. J. Impot. Res . 16 (Дополнение 1): S11–4. DOI : 10.1038 / sj.ijir.3901208 . PMID 15224129 . 
  9. ^ Giembycz MA (июнь 2005). «Жизнь после PDE4: преодоление побочных эффектов с помощью ингибиторов фосфодиэстеразы двойной специфичности». Curr Opin Pharmacol . 5 (3): 238–44. DOI : 10.1016 / j.coph.2005.04.001 . PMID 15907909 . 
  10. ^ Thevelein JM де Winde JH (сентябрь 1999). «Новые механизмы восприятия и мишени для пути цАМФ-протеинкиназы A в дрожжах Saccharomyces cerevisiae» . Мол. Microbiol . 33 (5): 904–18. DOI : 10.1046 / j.1365-2958.1999.01538.x . PMID 10476026 . 
  11. ^ a b Горая Т.А., Купер Д.М. (июль 2005 г.). «Са2 + -кальмодулин-зависимая фосфодиэстераза (ФДЭ1): современные перспективы». Клетка. Сигнал . 17 (7): 789–97. DOI : 10.1016 / j.cellsig.2004.12.017 . PMID 15763421 . 
  12. ^ a b Card GL, England BP, Suzuki Y и др. (Декабрь 2004 г.). «Структурные основы действия препаратов, ингибирующих фосфодиэстеразы». Структура . 12 (12): 2233–47. DOI : 10.1016 / j.str.2004.10.004 . PMID 15576036 . 
  13. ^ а б "Винпоцетин. Монография". Altern Мед Ред . 7 (3): 240–3. Июнь 2002 г. PMID 12126465 . 
  14. Перейти ↑ Matsumoto T, Kobayashi T, Kamata K (август 2003 г.). «Фосфодиэстеразы в сосудистой системе» . J Smooth Muscle Res . 39 (4): 67–86. DOI : 10,1540 / jsmr.39.67 . PMID 14692693 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Фосфодиэстераза + I в Национальных медицинских предметных рубриках США (MeSH)