Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с PDE2 )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Структура PDE2 с фосфатом показана в виде стержней и каталитических металлов в виде сфер. ( PDB : 1Z1L )

PDE2 (фосфодиэстеразы 2) фермент является одним из 21 различных фосфодиэстеразы (ФДЭ) , найденных в млекопитающих . Эти различные PDE можно разделить на 11 семейств (PDE1 - PDE11). Различные PDE одного и того же семейства функционально связаны, несмотря на то, что их аминокислотные последовательности демонстрируют значительное расхождение. [1] PDE обладают различной субстратной специфичностью. Некоторые из них представляют собой селективные гидролазы цАМФ (ФДЭ 4, -7 и -8), другие представляют собой селективные гидролазы цГМФ (ФДЭ 5, -6 и -9), а остальные могут гидролизовать как цАМФ, так и цГМФ.(PDE1, -2, -3, -10 и -11). [2]

Существует только одно семейство генов, кодирующих PDE2, а именно PDE2A. Было обнаружено три варианта сплайсинга: PDE2A1, PDE2A2 и PDE2A3 (PDE2A2 обнаружен только у крыс). PDE2A1 является цитозольным, тогда как -A2 и -A3 связаны с мембраной. Было высказано предположение, что различная локализация PDE2A2 и -A3 обусловлена ​​уникальной N-концевой последовательностью, которая отсутствует в PDE2A1. Несмотря на то, что варианты сплайсинга PDE2A различны, нет никаких известных различий в их кинетическом поведении. [3]

Кристаллическая структура [ править ]

Кристаллическая структура в активном центре фермента PDE2 сообщалось. [4] Несмотря на то, что аминокислотные последовательности для членов семейства PDE демонстрируют значительные различия (25-35% идентичности), общая укладка, функциональные и структурные элементы активных сайтов очень похожи. Активный участок образован остатками , которые высоко консервативны среди всех ФДЭ. Связывающий карман содержит ион металла (цинк и магний) сайты связывания. Два гистидин и две аспарагиновой кислоты остатки, которые связывают цинк консервативными среди всех изученных ФДЭ. [3]Выяснена структура нескольких других изоферментов PDE, среди которых несколько сокристаллических структур с ингибиторами, находящимися в активном центре. [5] Сокристаллические структуры PDE4B, PDE4D и PDE5A выявили две общие особенности связывания ингибитора с PDE. Один из них представляет собой плоскую кольцевую структуру ингибиторов, которые выстраиваются в активном центре ферментов, а другой - консервативный остаток глутамина («переключатель глутамина», упомянутый ниже), который важен для распознавания нуклеотидов и селективности. [1] [5] [6]

Селективность субстрата [ править ]

цАМФ (слева) и цГМФ справа. Натуральные субстраты для PDE2.

Как упоминалось выше, PDE2 может гидролизовать как цАМФ, так и цГМФ, тогда как некоторые другие члены семейства PDE селективны в отношении любого из двух циклических нуклеотидов. Считается, что вариабельность селективности в отношении цАМФ или цГМФ определяется так называемым «переключением глутамина». «Переключатель глутамина» - это инвариантный глутамин, обнаруженный во всех PDE, для которых решена кристаллическая структура . В PDE2 этим остатком является Gln859. Он может образовывать водородные связи с экзоциклической аминогруппой цАМФ и экзоциклическим карбонильным кислородом цГМФ. В ФДЭ, которые могут гидролизовать как цАМФ, так и цГМФ, этот глютамин может свободно вращаться. В PDE, которые являются селективными в отношении цАМФ или цГМФ, этот глутамин ограничен соседними остатками в положении, благоприятствующем селективности в отношении любого циклического нуклеотида . [1] [3]

Регламент [ править ]

Когда цГМФ связывается с аллостерическим доменом GAF-B PDE, это вызывает конформационные изменения в структуре белка, приводящие к более высокой активности фермента. Повышенный гидролиз цАМФ из-за связывания цГМФ с доменом GAF-B хорошо документирован, однако нет известных примеров обратного. [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 цГМФгидролиз цАМФ может происходить in vivo . [3]

Клиническое значение PDE2 [ править ]

PDE2 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 из надпочечников
  • 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 условиях

Сообщалось о нескольких ферментативных функциях PDE2. Было показано, что PDE2 снижает цАМФ за счет увеличения цГМФ, вызванного предсердным натрийуретическим пептидом (ANP), что приводит к снижению секреции альдостерона . [3] Также было высказано предположение, что PDE2 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 PDE3 , тогда как она стимулирует PDE2. Взаимодействие между этими двумя функциями, по-видимому, опосредует противоположную регуляцию цАМФ в тромбоцитах. [3] PDE2 регулирует сердечный Са L-типа.2+ в сердечных миоцитах , где активация PDE2 цГМФ снижает цАМФ и тем самым влияет на сердечную функцию. [3] Однако недавно было обнаружено, что разные пулы цАМФ, расположенные в сердечном миоците, опосредуют разные (более того, иногда противоположные) эффекты. Поскольку разные типы PDE могут влиять на разные пулы цАМФ, разные PDE могут регулировать разные процессы в клетке. [9] PDE2 экспрессируется в нескольких областях мозга, и эксперименты на крысах показали, что ингибирование PDE2 улучшает такие функции, как память. [3] PDE2 активируется, когда моноциты дифференцируются в макрофаги., но роль PDE2 в созревших 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 PDE2, так и активности . [3]

До сих пор ингибиторы ФДЭ2 в основном использовались в качестве инструментов исследований, но в настоящее время они исследуются на предмет улучшения памяти и уменьшения эндотелиальногопроницаемость при воспалительных заболеваниях [3], а также для предотвращения / улучшения сердечной недостаточности и гипертрофии сердца. [10]

Ингибиторы PDE2A [ править ]

Ингибиторы ФДЭ2
Оксиндол
Залив 60-7550
PDP

EHNA [ править ]

Первым специфическим ингибитором, разработанным для PDE2, был EHNA ( эритро- 9- (2-гидрокси-3-нонил) аденин). Было продемонстрировано, что он специфически действует на PDE2, ингибируя активацию cGMP PDE2 со значением IC 50 ~ 1 мкМ и по меньшей мере 50-кратной селективностью по сравнению с другими PDE. [11] Центральная структура EHNA напоминает цАМФ, но отличается тем, что EHNA имеет объемную гидрофобную углеродную боковую цепь, заменяющую фосфорибозный фрагмент в цАМФ. [1]

Тормозящие эффекты EHNA [ править ]

В первичных культурах из крысиных корковых нейронов, ингибирование PDE2A по EHNA потенцирует NMDA ( N - метил - D -аспартата) активированного рецептора увеличение в цГМФ, но не оказывает никакого влияния на концентрацию цАМФ. [12] EHNA также является очень сильным 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 синергетически.для опосредования различных фармакологических реакций, включая противовирусные, противоопухолевые и антиаритмические эффекты. [11] Хотя EHNA сильно ингибирует аденозиндезаминазу , она успешно использовалась с соответствующими контролями в качестве инструмента для исследования функций PDE2. EHNA использовалась для изучения влияния PDE2 на контроль кальция в сердечных миоцитах [16] и показала свою эффективность в обращении гипоксического легочного вазоконстрициума на моделях перфузии легких. [17] Таким образом, EHNA использовалась для двух целей:

  1. служить в качестве ведущей структуры для рационального дизайна более селективных и мощных ингибиторов PDE2, и
  2. для определения некоторых биологических целей PDE.

Однако использование EHNA в качестве химического инструмента для определения фармакологической роли PDE2 ограничено из-за его низкой способности ингибировать PDE2 и высокой эффективности ингибирования аденозиндезаминазы. [18] Теоретически эту проблему можно решить, если учесть и скорректировать эффект аденозина, накопленного EHNA в результате ингибирования аденозиндезаминазы. Таким образом, наблюдался положительный инотропный эффект, вызываемый EHNA в результате ингибирования PDE2. [19] [20]

BAY 60-7550, оксиндол и PDP [ править ]

BAY 60-7550 является аналогом из EHNA , что более чем в 100 раз более сильным и очень селективным для PDE2A. [13] Другими недавно открытыми селективными ингибиторами PDE2 являются PDP (9- (6-фенил-2-оксогекс-3-ил) -2- (3,4-диметоксибензил) пурин-6-он) [21] и оксиндол. [18]

Ингибиторы ФДЭ2
ИнгибиторIC 50Справка
EHNA1 мкМ[11]
Оксиндол40 нМ[16]
Залив 60-75504,7 нМ[13]
PDP0,6 нМ[21]

В приведенной выше таблице показана эффективность ингибиторов PDE2, включая EHNA. Между EHNA, Bay 60-7550 и PDP наблюдается значительное повышение эффективности. Большая диметоксибензильная группа в положении 2 пуриновой части Bay-60 7550 и PDP может вносить вклад в дополнительную эффективность.

Структура и связь ингибиторов [ править ]

Сравнение этих ингибиторов с натуральными субстратамифермента цАМФ и цГМФ обнаруживают некоторые общие характеристики молекул. Основной характеристикой всех молекул является плоский фрагмент, содержащий по меньшей мере две конденсированные кольцевые структуры, кольцо из шести атомов и кольцо из пяти атомов. Эта кольцевая система в cGMP и cAMP представляет собой пуриновую кольцевую систему, и то же самое верно для EHNA и PDP. Bay 60-7550 и оксиндол не имеют пуринового ядра, но имеют родственную кольцевую систему. Акцепторы водородной связи, в основном азот, но также и кислород, находятся в кольцевой системе ингибиторов. Эти атомы могут взаимодействовать с донаторами водородных связей, которые являются частью аминокислот в активном центре фермента, и тем самым способствовать ингибированию ферментом гидролиза цАМФ и цГМФ подобно тому, как природные субстраты связываются с активным сайтом. [1]

Структурное сходство ингибиторов [ править ]

Конструкции Bay 60-7550 и PDP очень похожи. Разница между этими молекулами заключается в экзоциклической метильной группе в заливе 60-7550, которая заменяет атом азота в PDP, уменьшая возможность образования водородных связей с ферментом в важном месте для связывания субстрата и ингибитора. Структура оксиндола отличается от других ингибиторов, поскольку она более отличается от пуриновой кольцевой системы и имеет меньше возможностей 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 для ингибиторов ФДЭ2 [ править ]

Отсутствуют сокристаллические структуры ингибиторов, связанных в активном центре PDE2. 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 в Ala (Asp811Ala) и Ile826 в Val (Ile826Val) в активном сайте , где единственные аминокислотные замены, которые значительно влияют на ингибирование EHNA. Мутация Asp811 до аланина увеличивала значение IC 50 для EHNA в 6 раз, а мутация Ile826 до валина приводила к 7-кратному увеличению IC 50.значение для EHNA по сравнению с PDE2A дикого типа. [1]

Верхний карман для переплета: Gln859 и Asp811 [ править ]

EHNA находится в непосредственной близости от Gln859 в активном центре, который может отдавать две водородные связи N1 и N6 атомов азота в адениновом кольце EHNA. На другом сайте связывающего кармана Asp811 может отдавать другую водородную связь N7 в адениновом кольце для стабилизации ингибитора связи. Эта гипотеза подтверждается тем фактом, что мутант Asp811Ala имеет пониженную активность в отношении цАМФ, тогда как активность в отношении цГМФ не изменяется. [1]

Нижний карман для переплета: Ile 826 [ править ]

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 увеличивать пространство для EHNA и вызывать 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 по активному сайту, отсутствуют модели. Следовательно, интерпретировать молекулярное связывание труднее. Если посмотреть на ингибиторы и их общее сходство, вполне вероятно, что они связываются с активным сайтом схожим механизмом и что разные боковые группы определяют эффективность ингибитора. Детерминанты специфичности ингибитора в активном центре PDE2 не очень хорошо известны, и при лучшем понимании этих детерминант это облегчило бы разработку ингибиторов с повышенной эффективностью. [1]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e f g h i j Iffland A, Kohls D, Low S, et al. (Июнь 2005 г.). «Структурные детерминанты специфичности и селективности ингибитора PDE2A с использованием системы трансляции зародышей пшеницы in vitro». Биохимия . 44 (23): 8312–25. DOI : 10.1021 / bi047313h . PMID  15938621 .
  2. ^ Мартинес С.Е., Ву А.Ю., Главас Н.А. и др. (Октябрь 2002 г.). «Два домена GAF в фосфодиэстеразе 2A играют разные роли в димеризации и связывании цГМФ» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 99 (20): 13260–5. DOI : 10.1073 / pnas.192374899 . PMC 130621 . PMID 12271124 .  
  3. ^ a b c d e f g h i j k l 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 . S2CID 7397281 .  
  4. ^ PDB : 1Z1L
  5. ^ 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 . 
  6. ↑ Zhang KY, Card GL, Suzuki Y и др. (Июль 2004 г.). «Механизм переключения глутамина для селективности нуклеотидов фосфодиэстеразами» . Мол. Cell . 15 (2): 279–86. DOI : 10.1016 / j.molcel.2004.07.005 . PMID 15260978 . 
  7. ↑ Wu AY, Tang XB, Martinez SE, Ikeda K, Beavo JA (сентябрь 2004 г.). «Молекулярные детерминанты связывания циклических нуклеотидов с регуляторными доменами фосфодиэстеразы 2А» . J. Biol. Chem . 279 (36): 37928–38. DOI : 10.1074 / jbc.M404287200 . PMID 15210692 . 
  8. Перейти ↑ Kass DA (2013). "Et Tu PDE2?" . J Am Coll Cardiol . 62 (17): 1607–1609. DOI : 10.1016 / j.jacc.2013.06.003 . PMID 23810892 . 
  9. ^ Stangherlin A; Gesellchen F; Zoccarato A; Террин А; Поля LA; Berrera M; Surdo NC; Craig MA; Smith G; Гамильтон G; Zaccolo M (2011). «Сигналы цГМФ модулируют уровни лагеря специфическим образом для регулирования катехоламин-зависимой передачи сигналов в сердечных миоцитах» . Circ Res . 108 (8): 929–939. DOI : 10,1161 / CIRCRESAHA.110.230698 . PMC 3083836 . PMID 21330599 .  
  10. ^ Zoccarato A; Surdo NC; Aronsen JM; Поля LA; Mancuso L; Dodoni G; Stangherlin A; Ливи С; Цзян Х; Sin YY; Gesellchen F; Террин А; Бэйли GS; Никлин С.А.; Грэм Д; Szabo-Fresnais N; Krall J; Vandeput F; Мовсесян М; Фурлан L; Corsetti V; Гамильтон GM; Lefkimmiatis K; Сджастад I; Закколо М (2015). «Сердечная гипертрофия ингибируется локальным пулом цАМФ, регулируемым фосфодиэстеразой 2» (PDF) . Circ Res . 117 (8): 707–719. DOI : 10,1161 / CIRCRESAHA.114.305892 . PMID 26243800 .  
  11. ^ a b c Podzuweit T, Nennstiel P, Müller A (сентябрь 1995 г.). «Селективное ингибирование изоферментами цГМФ-стимулированных циклических нуклеотидных фосфодиэстераз с помощью эритро-9- (2-гидрокси-3-нонил) аденина». Клетка. Сигнал . 7 (7): 733–8. DOI : 10.1016 / 0898-6568 (95) 00042-N . PMID 8519602 . 
  12. ^ a b Suvarna NU, O'Donnell JM (июль 2002 г.). «Гидролиз стимулированного рецептором N-метил-D-аспартата цАМФ и цГМФ с помощью фосфодиэстераз PDE4 и PDE2 в первичных культурах нейронов коры головного мозга и гиппокампа крыс». J. Pharmacol. Exp. Ther . 302 (1): 249–56. DOI : 10,1124 / jpet.302.1.249 . PMID 12065724 . 
  13. ^ a b c d Boess FG, Hendrix M, van der Staay FJ, et al. (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 . PMID 15555642 . S2CID 25756665 .  
  14. ^ Ван Calker Д, Мюллер М, Hamprecht В (1978). «Аденозин подавляет накопление циклического АМФ в культивируемых клетках мозга». Природа . 276 (5690): 839–41. DOI : 10.1038 / 276839a0 . PMID 214714 . S2CID 4272425 .  
  15. ^ Голдберг Н.Д., Хэддокс М.К., Николь С.Е. и др. (1975). «Биологическая регуляция посредством противоположных влияний циклического GMP и циклического AMP: гипотеза Инь-Ян». Adv Cyclic Nucleotide Res . 5 : 307–30. PMID 165672 . 
  16. ^ a b Ривет-Бастид М, Вандекастил Г, Хатем С. и др. (Июнь 1997 г.). «ЦГМФ-стимулированная циклическая нуклеотидфосфодиэстераза регулирует базальный ток кальция в миоцитах предсердий человека» (PDF) . J. Clin. Инвестируйте . 99 (11): 2710–8. DOI : 10.1172 / JCI119460 . PMC 508117 . PMID 9169501 .   
  17. ^ Хейнс - J, Killilea DW, Петерсон PD, Томпсон WJ (февраль 1996 г.). «Эритро-9- (2-гидрокси-3-нонил) аденин ингибирует циклическую-3 ', 5'-гуанозинмонофосфат-стимулированную фосфодиэстеразу, обращая вспять гипоксическую вазоконстрикцию легких в перфузируемом легком крысы» . J. Pharmacol. Exp. Ther . 276 (2): 752–7. PMID 8632346 . 
  18. ^ a b Chambers RJ, Abrams K, Garceau NY, et al. (Январь 2006 г.). «Новый химический инструмент для изучения физиологической функции изофермента PDE2». Биоорг. Med. Chem. Lett . 16 (2): 307–10. DOI : 10.1016 / j.bmcl.2005.10.005 . PMID 16275071 . 
  19. ^ Gesztelyi R; Zsuga J; Хайду П; Szabo JZ; Cseppento A; Сентмиклоси А.Дж. (2003). «Положительный инотропный эффект ингибирования циклической GMP-стимулированной 3 ', 5'-циклической нуклеотидной фосфодиэстеразы (PDE2) на левое предсердие морской свинки при эу- и гипертиреозе» (PDF) . Gen Physiol Biophys . 22 (4): 501–513. PMID 15113122 .  
  20. ^ Кемени-Беке А; Якаб А; Zsuga J; Vecsernyes M; Карсай Д; Pasztor F; Grenczer M; Szentmiklosi AJ; Берта А; Gesztelyi R (2007). «Ингибирование аденозиндезаминазы усиливает инотропный ответ, опосредованный аденозиновым рецептором A1 в предсердии морской свинки с гипертиреозом». Pharmacol Res . 56 (2): 124–131. DOI : 10.1016 / j.phrs.2007.04.017 . PMID 17574432 . 
  21. ^ а б Сейболд Дж., Томас Д., Витценрат М. и др. (Май 2005 г.). «Фактор некроза опухоли-альфа-зависимая экспрессия фосфодиэстеразы 2: роль в гипер проницаемости эндотелия». Кровь . 105 (9): 3569–76. DOI : 10.1182 / кровь-2004-07-2729 . PMID 15650061 .