Пдк можно отнести к: ПДК вредных веществ в воздухе

Содержание

ПДК (Предельно допустимая концентрация) — Что такое ПДК (Предельно допустимая концентрация)?

4836

ПДК (Предельно Допустимая Концентрация) — утвержденный в законодательном порядке санитарно-гигиенический норматив.
Он определяет такую концентрацию химических элементов и их соединений в окружающей среде, которая при повседневном влиянии в течение длительного времени на организм человека не вызывает патологических изменений или заболеваний, устанавливаемых современными методами исследований в любые сроки жизни настоящего и последующего поколений.

В настоящее время при определении ПДК учитывается также воздействие загрязнителей на диких животных, растения, грибы, микроорганизмы, а также на природные сообщества в целом.
Последние исследования привели к выводу об отсутствии нижних безопасных порогов (а, следовательно, ПДК) при воздействии канцерогенов и ионизирующей радиации.


Любое превышение ими привычных природных фонов опасно для живых организмов хотя бы генетически, в цепи поколений.

Определяются следующие виды ПДК:

  • для воздушной среды;
  • для водной среды;
  • для почвы;
  • для продуктов питания.

Допустимые нормы ПДК содержатся в различных ГОСТах и актах, выпущенных органами санитарно-эпидемиологического надзора. Некоторые из них были созданы еще в советское время и с того момента не пересматривались, другие корректировались и издавались в ходе последних 20 лет.

Среди наиболее важных документальных источников стоит упомянуть следующие:

  • ГН 2.1.6.1338-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест»;
  • ГН 2.2.5.1313-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны»;
  • ГН 2.2.5.1827-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны (Дополнение № 1 к ГН 2.2.5.1313-03)»;
  • ГОСТ 12.1.005-88 «ПДК вредных газов, паров и аэрозолей в воздухе рабочей зоны»;
  • ГН 2.1.5.1315-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования»;
  • ГН 2.3.3.972-00 «Предельно допустимые количества химических веществ, выделяющихся из материалов, контактирующих с пищевыми продуктами».

В Мурманской области рекордное в этом году превышение ПДК по диоксиду серы

Фото: Vladimir Voronov

По данным Росгидромета, 5 апреля максимальная разовая концентрация диоксида серы в атмосферном воздухе  поселка Никель  составила 12.6 ПДК, днем ранее – 6.7 ПДК.

В эти дни охранялись «метеоусловия, способствующие накоплению загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы. В связи с неблагоприятными для рассеивания примесей метеоусловиями предприятиям переданы предупреждения о принятии решений о сокращении выбросов», – говорится на официальном сайте ФГБУ «Мурманское управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды».

К неблагоприятным для комбината метеорологическим условиям (НМУ) можно отнести отсутствие ветра, или его направление на поселок, повышенную влажность и выпадение осадков. Похожая ситуация произошла в июле 1986 года, когда вследствие плохих погодных условий ПДК сернистого газа было превышено в 32 раза.

В результате администрацией области был разработан план работы комбината в период неблагоприятных метеоусловий, в соответствии с которым при определенных погодных условиях металлурги должны переходить на один из трех специальных режимов, щадящих атмосферу. Другими словами, комбинат должен снижать объемы производства, вплоть до полной остановки.

По-видимому, в очередной раз, оперативно это сделать не удалось. Причины будут выяснены в ходе специального расследования Росприроднадзора.

«Росприроднадзор начал расследование произошедшего. В источнике выброса у нас нет никаких сомнений, это могут быть только предприятия Кольской ГМК. Нам предстоит разобраться, какие меры были предприняты компанией в условиях неблагоприятных метеоусловий», – рассказал Беллоне.Ру источник в Мурманском Управлении Росприроднадзора.

Фото: Grigory Pasko

По словам начальника управления экологического мониторинга и охраны окружающей среды Кольской ГМК Михаила Шкондина, причина столь высокого превышения ПДК кроется именно в НМУ.

По его словам, с 10.45 4 апреля печи плавильных цехов были выведены на III режим, т.е. были практически остановлены. На II режим работы они перешли только в 23.50, а к 01.30 ночи 5 апреля датчики Росгидромета в жилом районе поселка Никель уже показали максимальную разовую концентрацию диоксида серы в 12.6 ПДК.

Отметим, что превышение серьезное ПДК по диоксиду серы характерно, в основном, для города Заполярный.

«В последние месяцы в Никеле достаточно редко наблюдались превышения по ПДК двуокиси серы, намного чаще это происходило в Заполярном, где уже четвертый год налаживают оборудование в цехе брикетирования, что позволит, как обещает руководство Кольской ГМК, значительно сократить выбросы. А вот эти два значительных загрязнения в Никеле очень выпадают из общей картины, которая наблюдается в последний год», – прокомментировал ситуацию руководитель «Беллоны-Мурманск» Андрей Золотков.

Он считает, что вряд ли можно это объяснить только неблагоприятными метеорологическими условиями, поскольку предупреждения о НМУ публикуются на сайте Мурманского Гидромета регулярно, но, это не особо влияет на деятельность предприятий Кольской ГМК.

«Скорее всего, причина кроется в каких-то элементах технологического процесса в плавильном цехе, который расположен в Никеле», – заявил Золотков, отметив, что общественности это вряд ли когда-либо станет известно.

Напомним, что ввод в эксплуатацию завода по брикетированию может существенно снизить выбросы диоксида серы в Заполярном, но, по мнению экологов, увеличить их в Никеле, куда брикеты пойдут на плавку.

Ситуация с превышением ПДК диоксида серы напоминает проблемы с угольной пылью, от которых уже который год страдает Мурманск.

 

Угольная пыль на улицах Мурманска. Фото: Беллона-Мурманск

На протяжении нескольких лет мурманчане жаловались на угольную пыль, оседающую на подоконниках. И несколько лет власти региона проводили исследования, выявляли виновников и источники, называли это только «черным налетом», вели разговоры о том, что пора уже что-то делать. Так было до тех пор, пока из-за пресловутых НМУ 14 февраля центр Мурманска не оказался погребен под угольной пылью.

«Тогда торговый порт, осуществляющий перевалку угля открытым способом практически в центре города, не принял во внимание сложившуюся ситуацию, и все воочию увидели угольную пыль во многих районах города, да в таком виде, что за ней не стало видно снега. Только тогда оперативно заработали все контролирующие государственные органы, и практически никто уже не пользовался термином «черный налет», а прямо указывал на виновника – открытая перевалка угля в торговом порту», – считает Золотков.

Золотков считает, что Кольская ГМК, видимо, тоже решила дожидаться похожей ситуации, когда жители Никеля или Заполярного будут вынуждены попросить помощи у государственных контролирующих органов, как это уже случалось летом 2007 года, когда жители Никеля старались как можно реже выходить на улицу: было тяжело дышать, сочная зеленая листва на деревьях выгорела, а если шел дождь – то он прожигал дыры в зонтиках.

«Будем ждать следующего случая со значительными превышениями ПДК по двуокиси серы, чтобы контролирующие органы начали хоть как-то разбираться с ситуацией и добились реального сокращения выбросов», – заявил руководитель мурманской Беллоны.

 

 

Только треть подземных вод Севастополя соответствуют нормам питьевых — Общество

НОВОСИБИРСК, 12 июля. /ТАСС/. Ученые новосибирского Института нефтегазовой геологии и геофизики (ИНГГ) СО РАН, Севастопольского государственного университета и других организаций, проведя оценку качества подземных вод Севастополя для использования их в качестве питьевых, пришли к выводу, что лишь 32% изученных объектов соответствуют действующим регламентам, сообщил ТАСС заведующий лабораторией гидрогеологии осадочных бассейнов Сибири ИНГГ СО РАН Дмитрий Новиков.

«На основании действующих в России нормативных документов и рекомендаций Всемирной организации по здравоохранению (ВОЗ) установлено, что воды лишь 32% изученных объектов соответствуют действующим регламентам. Засушливые периоды последних лет усугубили негативные тенденции», — сообщил он.

Ученые сделали такой вывод, изучив более сотни проб природных вод в районе Севастополя. Они оценили пробы по 53 показателям, из которых по 30 не выявлено превышения предельно допустимых концентраций (ПДК). Содержания основных макро- и микрокомпонентов в подземных водах 25 объектов (из 78) не превышают ПДК.

В исследованных водозаборах почти не установлено превышений ПДК, за исключением двух скважин, где есть превышение по двум параметрам и Орловского водозабора, где во всех скважинах обнаружено превышение по общей жесткости, общей минерализации, брому и хлоридам, поэтому его воды используются для технического водоснабжения. «Во второй группе (источники и колодцы) 12 объектов из 49, или 24,4 % можно отнести к соответствующим по качеству для питьевых вод. Основные превышения среди изученных проб установлены по общей жесткости и содержанию нитратов, железа, брома. Наиболее неблагоприятная обстановка выявлена при анализе родника на улице Громова (Северная сторона Севастополя) и колодца возле храма Воскресения Христова, где превышение ПДК выявлено по величине общей минерализации, концентрациям магния, натрия, лития и других элементов», — отметил собеседник агентства.

Среди поверхностных вод превышения ПДК единичны. В результате анализа ученые установили, что подземные воды Орловского водозабора и ряда родников по всем параметрам обладают низким качеством. Воды Родниковского водозабора, Чернореченского водохранилища, реки Черная, а также ряд источников и колодцев обладают наивысшим качеством. В будущем ученые намерены выявить источники загрязнения вод, а также оценить роль в этом антропогенных и природных факторов. Так, уже в этом году геологи намерены оценить влияние обильных осадков на изменение режима подземных вод.

Исследование выполнялось на средства гранта РФФИ, но из-за ликвидации фонда их финансирование прекращено. В связи с этим в начале июля ученые направили обращение губернатору Севастополя Михаилу Развожаеву с просьбой оказать поддержку.

Нормирование выбросов: применение Перечня 1316-р

Росприроднадзор придерживается позиции, что вещества, не указанные в Перечне № 1316-р, утверждённом распоряжением Правительства РФ от 08.07.2015 № 1316-р, и по своим физическим свойствам относящиеся к твёрдым частицам, следует нормировать как взвешенные вещества. Это не соответствует санитарному законодательству и может стать причиной отрицательного санитарно-эпидемиологического заключения на проект предельно допустимых выбросов, что препятствует установлению нормативов предельно допустимых выбросов и получению разрешения на выбросы.

С 1 января 2019 г. меры государственного регулирования в области охраны окружающей среды, в частности нормирование и контроль, будут применяться по отношению к загрязняющим веществам, включённым в специальный перечень. Хозяйствующие субъекты должны устанавливать нормативы допустимых выбросов и сбросов исключительно в отношении загрязняющих веществ, входящих в Перечень № 1316-р [1]. С 1 января 2016 г. предприятия уже вносят плату за выбросы и сбросы только тех загрязняющих веществ, которые содержатся в этом перечне. Нормативы платы в отношении выбросов и сбросов загрязняющих веществ, в нём указанных, установлены постановлением Правительства РФ № 913 [2].

Минприроды России издало письмо от 03.10.2016 № 12-44/26024 [3], в котором говорится: поскольку нормирование в области охраны окружающей среды является мерой государственного регулирования, при нормировании выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух целесообразно руководствоваться Перечнем № 1316-р.

Несмотря на то, что письма федеральных органов исполнительной власти не могут содержать обязательных требований, фактически в настоящее время формируется практика установления нормативов выбросов только в отношении загрязняющих веществ, включённых в Перечень № 1316-р.

Перечень № 1316-р [1] является закрытым и включает 160 позиций по загрязняющим атмосферный воздух веществам (кроме радиоактивных).

Для сравнения в ГН 2.1.6.1338-03 [4] и ГН 2.1.6.2309-07 [5], устанавливающих предельно допустимые концентрации (ПДК) и ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ), на основании которых разрабатываются нормативы предельно допустимых выбросов (ПДВ), содержится суммарно более 2000 позиций. То есть в данных нормативных правовых актах учтено значительно большее число загрязняющих веществ, чем в Перечне № 1316-р.

Как указывалось выше, в отношении загрязняющих веществ, наименования которых не приведены в Перечне № 1316-р, не должны устанавливаться нормативы ПДВ.

При этом в Перечень не были включены такие часто содержащиеся в выбросах вещества, как сажа, пыль древесная, пыль абразивная, пыль ферросплавов, диЖелезо триоксид, оксид олова, гексан и др.

16 января 2017 г. Росприроднадзором издано письмо № АС-03-01-31/502 [6] следующего содержания: «Выбросы веществ, которые по своим физическим свойствам относятся к твёрдым частицам, присутствуют в Перечне и индивидуально поименованы, нормируются индивидуально (отдельно по каждому из таких веществ). По мнению Минприроды России, все остальные вещества, относящиеся к твёрдым частицам по своим физическим свойствам, целесообразно учитывать в составе выбросов как «взвешенные вещества»… По мнению Минприроды России, выбросы таких веществ, как пыль абразивная, углерод (сажа), железа оксид по своим физическим свойствам относящимся к твёрдым частицам, целесообразно учитывать в составе выбросов как взвешенные вещества. Отнесение указанных веществ к взвешенным веществам пп. 10–12 Перечня, должно производиться в соответствии с размером их твёрдых частиц. Соответственно, плату за выбросы вышеуказанных веществ следует рассчитывать, исходя из ставки платы по взвешенным веществам».

Однако указанный подход к нормированию выбросов загрязняющих веществ, отсутствующих в Перечне № 1316-р, не соответствует действующему санитарному законодательству.

В пп. 10–12 Перечня № 1316-р содержатся позиции «Взвешенные частицы PM10» (п. 10), «Взвешенные частицы PM2,5» (п. 11), «Взвешенные вещества» (п. 12).

Нормирование выбросов загрязняющих веществ осуществляется на основе гигиенических нормативов – ПДК загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населённых мест, являющихся основой регулирования качества атмосферного воздуха населённых мест, или при их отсутствии – ОБУВ (п. 8.1 ОНД-86 [7], п. 3.3.2 ГОСТ 17.2.3.02-2014 [8], п. 2.1 СанПиН 2.1.6.1032-01 [9]).

Гигиенические нормативы установлены в виде максимальных разовых и среднесуточных ПДК с указанием класса опасности и лимитирующего показателя вредности, который положен в основу установления норматива конкретного вещества (абз. 2 Приложения 4 к ГН 2.1.6.1338-03 [4]).

Следует отметить, что в отношении загрязняющих веществ, для которых установлены ПДК или ОБУВ, законодательством не предусмотрено использование гигиенических нормативов, установленных для других загрязняющих веществ или их групп.

Более того, согласно примечанию к позиции «Взвешенные вещества» в ГН 2.1.6.1338-03 к взвешенным веществам относится недифференцированная по составу пыль (аэрозоль), содержащаяся в воздухе населённых пунктов. При этом ПДК взвешенных веществ не распространяется на аэрозоли органических и неорганических соединений (металлов, их солей, пластмасс, биологических, лекарственных препаратов и др.), для которых устанавливаются соответствующие ПДК.

В свою очередь, загрязняющие вещества, относящиеся к твёрдым частицам, в частности сажа, пыль абразивная, диЖелезо триоксид (в пересчёте на железо) – не являются недифференцированной по составу пылью. Для них в ГН 2.1.6.1338-03 и ГН 2.1.6.2309-07 установлены соответствующие гигиенические нормативы ПДК и ОБУВ:

Сажа 0,15 мг/м3 ПДКмр
Пыль абразивная 0,04 мг/м3 (ОБУВ)
ДиЖелезо триоксид (в пересчете на железо) 0,04 мг/м3 (ПДКсс)

 

В ГН 2.1.6.1338-03 [4] установлены самостоятельные ПДКмр на группы веществ:

Взвешенные частицы PM10 0,3 мг/м3
Взвешенные частицы PM2,5 0,16 мг/м3
Взвешенные вещества 0,5 мг/м3

 

Более того, как видно из представленных данных, значения ПДК (ОБУВ) различны для конкретных веществ (сажи, пыли абразивной, диЖелезо триоксида (в пересчёте на железо) и групп веществ (взвешенных частиц PM10, взвешенных частиц PM2,5, взвешенных веществ).

Таким образом, при нормировании выбросов индивидуально поименованных загрязняющих веществ, в отношении которых установлены самостоятельные ПДК или ОБУВ, использование значений ПДК соответствующих групп веществ прямо противоречит санитарному законодательству.

Следует отметить, что необходимым условием для утверждения нормативов ПДВ является наличие санитарно-эпидемиологического заключения о соответствии проекта нормативов ПДВ санитарным правилам (п. 3 ст. 20 Федерального закона № 52-ФЗ [10], п. 6 Положения о нормативах выбросов № 183 [11]).

Следовательно, хозяйствующие субъекты, которые будут руководствоваться позицией Росприроднадзора, указанной в письме, и разрабатывать нормативы выбросов по веществам, относящимся по своим физическим свойствам к твёрдым частицам, в отношении которых установлены самостоятельные ПДК или ОБУВ, но отсутствующим в Перечне № 1316-р, на основании гигиенических нормативов по группам веществ (взвешенные частицы PM10, взвешенные частицы PM2,5, взвешенные вещества), не только столкнутся с проблемами при расчёте нормативов ПДВ (использование применимых методик и т.д.). Они также рискуют получить санитарно-эпидемиологическое заключение о несоответствии проекта ПДВ санитарным правилам, что не позволит получить утвержденные нормативы ПДВ и разрешение на выбросы.

Соответственно в настоящее время единственным вариантом предъявления к хозяйствующим субъектам требований о нормировании сажи, пыли абразивной, диЖелеза триоксида (в пересчёте на железо) и иных загрязняющих веществ, не указанных в Перечне № 1316-р, является внесение изменений в указанный перечень.

Документы

  1. Распоряжение Правительства РФ от 08.07.2015 № 1316-р «Об утверждении перечня загрязняющих веществ, в отношении которых применяются меры государственного регулирования в области охраны окружающей среды».
  2. Постановление Правительства РФ от 13.09.2016 № 913 «О ставках платы за негативное воздействие на окружающую среду и дополнительных коэффициентах».
  3. Письмо Минприроды России от 03.10.2016 № 12-44/26024 «О применении распоряжения Правительства РФ от 08.07.2015 № 1316-р».
  4. ГН 2.1.6.1338-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населённых мест».
  5. ГН 2.1.6.2309-07 «Атмосферный воздух и воздух закрытых помещений, санитарная охрана воздуха. Ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населённых мест».
  6. Письмо Росприроднадзора от 16.01.2017 № АС-03-01-31/502 «О рассмотрении обращения».
  7. «Методика расчёта концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий (ОНД-86)», утверждённая Госкомгидрометом СССР 04.08.1986 № 192.
  8. ГОСТ 17.2.3.02-2014 «Межгосударственный стандарт. Правила установления допустимых выбросов загрязняющих веществ промышленными предприятиями».
  9. СанПиН 2.1.6.1032-01 «Атмосферный воздух и воздух закрытых помещений, санитарная охрана воздуха. Гигиенические требования к обеспечению качества атмосферного воздуха населённых мест».
  10. Федеральный закон от 30.031999 № 52-ФЗ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» (в ред. от 03.07.2016).
  11. Положение о нормативах выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух и вредных физических воздействий на него, утверждённое постановлением Правительства РФ от 02.03.2000 № 183 (в ред. от 05.06.2013).

Бишкек по концентрации загрязняющих веществ можно отнести к зоне экологического бедствия — эксперт

25 июля 2013, 15:05       Источник http://kyr…       Комментарии

В столице сложилась экологически опасная ситуация, которую по концентрации загрязняющих веществ можно охарактеризовать как зону экологического бедствия. Об этом КирТАГ сообщил заместитель начальника Чуй-Бишкек-Таласского территориального управления охраны окружающей среды государственного агентства охраны окружающей среды и лесного хозяйства Анвар Атантаев в четверг. «Фактически в столице сложилась экологически опасная ситуация, которую по концентрации отдельных загрязняющих веществ можно охарактеризовать как зону экологического бедствия. Превышение предельно допустимой концентрации (ПДК) вредных веществ зафиксировано в атмосферном воздухе, поверхностных и подземных водных ресурсах, а также тот факт, что за последние годы резко снизился показатель обеспеченности населения города зелеными насаждениями, негативно влияет на экологическое состояние столицы», — сообщил А. Атантаев. По его словам, основными источниками загрязнения атмосферного воздуха являются: автотранспорт, ТЭЦ Бишкека и котельные «Бишкектеплокоммунэнерго», на которые приходится более 90% выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Менее 10% составляют выбросы вредных веществ производственных и промышленных предприятий, таких как сталелитейные, металлообрабатывающие производства. Ежегодный выброс вредных веществ в атмосферный воздух в Бишкеке достигает 79 тыс. 644 тонны, преобладает доля загрязнения от автотранспорта — 62 тыс. 121 тонна, в том числе: 51 тыс. 360 тонн окиси углерода, углеводородов — 5 тыс. 861 тонна. По данным столичной дорожно-патрульной службы в Бишкеке зарегистрировано 180 тыс. единиц транспорта, к тому же ежесуточно через город проходит 40 тыс. транзитных автомашин. Как отметил А. Атантаев, от стационарных источников объем выбросов вредных веществ в атмосферу составил 17 тыс. 523 тонны в год, в том числе: твердые — 8,972 тыс. тонн; газообразные и жидкие — 8,551 тыс. тонн. «К примеру, можно выделить несколько крупных предприятий, которые осуществляют выбросы: 17 котельных ТЭЦ Бишкека — 17,612 тыс. тонн в год, 46 котельных «Бишкектеплокоммунэнерго» — 0,813 тыс. тонн в год», — подчеркнул он. Несмотря на снижение объемов промышленных выбросов, уровень загрязнения атмосферного воздуха в городе остается повышенным. Фоновое превышение состава атмосферного воздуха идет по следующим веществам: по диоксиду азота (от 1,25 до 2ПДК), по формальдегиду (от 4,3 до 7,7ПДК). Наиболее загрязненной является центральная часть города, где отмечается превышение ПДК: по диоксиду азота (от 1,6 до 3ПДК), по формальдегиду (от 4,7 до 8 ПДК). Также А. Атантаев отметил превышение ПДК в поверхностных и подземных водах Бишкека. «По реке Аламедин отмечается превышение ПДК: по меди и по азоту нитридному — в створах ниже города Бишкек идет превышение в 2 раза. По реке Ала-Арча отмечается превышение ПДК: по азоту нитритному — в 4,45 раза, по фтор-иону — в створе реки выше Бишкека в 1,24 раза», — заключил А. Атантаев.

Пируватдегидрогеназа-киназа — обзор

PDK-регуляция PDH

Существует четыре изоформы PDH-киназы (PDK1-4), которые регулируют активность PDH, модулируя состояние фосфорилирования E1. Они не связаны с цитоплазматическими киназами Ser / Thr / Tyr, но отдаленно связаны с протеин-гистидинкиназами. После активации эти киназы подвергаются аутофосфорилированию по консервативному остатку гистидина перед переносом высокоэнергетического фосфата на акцепторный субстратный белок.Существуют значительные различия в кинетических параметрах и регуляции различных PDK, а также в их аминокислотных последовательностях, хотя каждая изоформа является высококонсервативной у разных видов млекопитающих. PDK1 присутствует в сердце, скелетных мышцах и островках поджелудочной железы. PDK2 повсеместно экспрессируется в тканях млекопитающих и особенно чувствителен к метаболическим сигналам о потреблении энергии и источнике топлива. Он выражается в более высоких концентрациях при голодании и диабете. PDK3 имеет самую высокую удельную активность из всех PDK.Обычно он экспрессируется на низких уровнях в большинстве тканей, за исключением семенников, почек и головного мозга. PDK4, который экспрессируется на более высоких уровнях во время голодания и диабета, обычно экспрессируется на низких уровнях, за исключением сердца, скелетных мышц и островков поджелудочной железы, и имеет самую высокую базальную активность среди PDK. Инсулин подавляет экспрессию PDK4, но потеря этой регуляции приводит к повышенным уровням глюкозы в крови у инсулино-нечувствительных пациентов. Таким образом, в определенных тканях одновременно экспрессируются несколько изоформ.Различные изоформы могут образовывать функциональные гетеродимеры, которые обладают кинетическими и регуляторными свойствами, отличными от таковых у родительских гомодимеров. Это усложняет регуляцию, особенно в сочетании с дифференциальной экспрессией PDH фосфатаз PDP1 и PDP2. Гормональная регуляция и ряд болезненных состояний, помимо диабета, также могут значительно изменить экспрессию PDK. Например, PDK3 и PDK1 сверхэкспрессируются в гипоксических раковых клетках под действием фактора транскрипции, индуцируемого гипоксией фактора-1 (HIF-1).Это сдвигает клеточный метаболизм для выработки высокого уровня лактата за счет активации гликолиза и сокращения митохондриальных окислительных путей (эффект Варбурга). PDP часто демонстрируют паттерны экспрессии, противоположные паттернам экспрессии PDK, тем самым дополнительно усиливая регуляторные эффекты на активность PDH. И PDK, и PDP являются привлекательными мишенями для разработки лекарств. Ряд соединений, включая негидролизуемый аналог пирувата дихлорацетат (DCA), рассматривался как потенциальные терапевтические агенты для лечения диабета, лактоацидоза, ишемии миокарда и рака.

Активность

E1 может подавляться фосфорилированием любого из трех целевых остатков Ser на его α -субъединице. Изоформы PDK демонстрируют значительные различия в их специфичности по отношению к отдельным сайтам фосфорилирования: каждая может фосфорилировать Ser 264 (сайт 1) и Ser271 (сайт 2), хотя и с разной скоростью, но только PDK1 модифицирует Ser203 (сайт 3). Эти сайты фосфорилирования расположены на двух соседних петлях, близких к активному сайту E1. Структурные исследования человеческого E1 показывают, что фосфорилирование сайта 1, который блокирует большую часть активности E1, нарушает две петли, прилегающие к активному сайту E1, и нарушает взаимодействие ThDP и связанной с E2 липоильной группы с их соответствующими сайтами связывания на E1 ( Рисунок 2 (а) ).Фосфорилирование сайтов 2 и 3 происходит медленнее и, как полагают, препятствует реактивации E1, в первую очередь PDP2.

Рисунок 2. Неактивная и активная конформации E1 и PDK. (a) Связывание ThDP (пурпурный) с активным центром E1 вызывает упорядочение петель фосфорилирования A (оранжевая линия) и B (желтая линия), что делает возможным декарбоксилирование пирувата (tan) и восстановительное ацетилирование присоединенной липоильной группы. к липоил-связывающему домену Lip-LBD. Пронумерованные кружки представляют три сайта фосфорилирования; водородные связи показаны пунктирными черными линиями; молекула воды обозначена красной точкой; α- и β-субъединица E1 имеют зеленый и голубой цвет соответственно.(b) Фосфорилирование сайта 1 (Ser 264) в человеческом апо-E1 блокирует упорядочение петель фосфорилирования, снижает связывание ThDP, устраняет сеть водородных связей, которая необходима для упорядочивания петель, и блокирует доступ липоильного субстрата, приводя к инактивации катализа E1. Неупорядоченные петли фосфорилирования обозначены желтыми и оранжевыми пунктирными линиями. (c) Закрытая (слева), промежуточная открытая (в центре) и открытая (справа) конформации изоформ PDK. В присутствии высокоаффинного связывания АДФ (N в красном кружке) PDK2 имеет закрытую щель активного сайта с полностью неупорядоченными С-концевыми хвостами.Структуры Apo-PDK2 или PDK4-ADP находятся в активной промежуточной открытой конформации, которая имеет открытую щель активного сайта с низкоаффинными сайтами связывания нуклеотидов (N в розовом кружке) и C-концевые хвосты, которые взаимодействуют с другой субъединицей с использованием DW. участки якоря мотива (красные кружки), хотя концевые аминокислоты хвоста остаются неупорядоченными. Активная открытая конформация, очевидная в структурах PDK3-L2-ADP и PDK2-L2-AMPPNP, имеет открытый активный сайт и полностью упорядоченные C-концевые хвосты, которые перекрестно закрепляют субъединицы и помогают формировать L2-связывающий домен.Молекулы, которые вызывают переходы между тремя состояниями, указаны над и под стрелками. AZD7545 является миметиком дигидролипоамида. Субъединицы PDK показаны синим и зеленым с указанием N- и C-концевых доменов. Сплошные и пунктирные линии обозначают упорядоченные и неупорядоченные участки белка соответственно. L2 показан желтым цветом.

(a, b) Воспроизведено у Kato M, Wynn RM, Chuang JL, et al. (2008) Структурные основы инактивации комплекса пируватдегидрогеназы человека путем фосфорилирования: роль неупорядоченных петель фосфорилирования. Строение 16: 1849–1859, с разрешения. (c) От Wynn R, Kato M, Chuang JL, Tso S-C и Chuang DT (2008). Структуры пируватдегидрогеназы киназы-4 обнаруживают метастабильную открытую конформацию, способствующую устойчивой базальной активности без ядра. Журнал биологической химии 283: 25305–25315.

Влияние малых молекул и ионных регуляторов на киназы является сложным, хотя многие из них работают, модулируя взаимодействия фермента с внутренними липоильными доменами E2. НАДН и ацетил-КоА вызывают восстановление и ацетилирование липоильных групп, ассоциированных с E2, путем обращения реакций, обычно катализируемых E3 и E2.Модифицированные липоильные домены (L2) могут связываться с каждой изоформой киназы PDH с градацией аффинностей PDK3> PDK1 ~ PDK2> PDK4. Связывание с L2 помещает каждую киназу в непосредственную близость к субстрату E1 и незначительно увеличивает активность PDK2 и PDK3. Только PDK3 сильно активируется доменами L2, связанными с нативным ядром E2 или свободными в растворе, что указывает на то, что он также аллостерически активируется L2. PDK1 и PDK4 с высокой внутренней базальной активностью демонстрируют маргинальный эффект ассоциации L2.Однако для всех изоформ это взаимодействие может иметь решающее значение для перемещения ограниченного числа киназ вокруг ядра E2. Исследования PDK2 показывают, что в присутствии калий-фосфатного буфера АДФ и пируват (или DCA) замедляют диссоциацию АДФ и усиливают ингибирование продукта, при этом заметно снижая связывание L2 и переводя димер в неактивное тетрамерное состояние. Подобные эффекты наблюдаются у PDK1 и PDK4, но не у PDK3, которая не регулируется пируватом.

Рентгеноструктурный кристаллографический анализ множества изоформ PDK в отсутствие или в присутствии ключевых регуляторных соединений дает удовлетворительное представление об изменениях в геометрии активного сайта, которые лежат в основе действия многих из этих регуляторов.Каждый мономер имеет два домена одинакового размера. N-концевой регуляторный домен представляет собой пучок из четырех спиралей, который связывает липоильную группу L2, пируват и другие регуляторные лиганды. С-концевой каталитический домен содержит α -спиральных и β -листовых мотивов, сайт связывания нуклеотидов АДФ / АТФ, где происходит перенос фосфорила, большой интерфейс димеризации, который является результатом взаимодействий «голова к хвосту» β -листы двух субъединиц и С-концевой хвост, который модулирует переключение с неактивного на активное состояние киназы.Активный сайт каждого мономера располагается на границе раздела между регуляторным и каталитическим доменами, где АТФ / АДФ связывается с АТФ-связывающей складкой, уникальной для суперсемейства АТФазы / киназ GHKL. Эта складка имеет связанный структурный элемент петли, называемый крышкой АТФ, конформация которой регулируется гидролизом АТФ, а также регуляторными сигналами, инициируемыми и передаваемыми из дистальных областей киназы.

Были идентифицированы множественные конформации фермента ( Рисунок 2 (b) ).В неактивной закрытой конформации С-концевой хвост неупорядочен и не взаимодействует с другой субъединицей. Крышка АТФ взаимодействует с N-концевым доменом, предотвращая диссоциацию АДФ для поддержания ингибирования продукта. Связывание L2 необходимо для получения активного состояния, в котором N-проксимальная область C-концевого хвоста, содержащая консервативный мотив Asp-Trp (DW) одной субъединицы, оборачивается вокруг другой субъединицы, а также взаимодействует со специфическими аминокислотами L2. домен. С-концевые аминокислотные остатки одной субъединицы являются неотъемлемым компонентом липоил-связывающего домена другой субъединицы.Эти взаимодействия расширяют как щель активного сайта, так и интерфейс димера, дестабилизируя взаимодействие крышки АТФ с N-концевым доменом. В свою очередь, это облегчает обмен АТФ на связанный АДФ и, вероятно, также увеличивает доступность целевых сериновых остатков Е1 для γ -фосфата АТФ, который переносится на субстрат серин, как только он был активирован консервативной аминокислотой. который действует как основное основание во время реакции переноса фосфорила. Наблюдались и другие структурные перестройки.Например, в PDK2 существует упорядочение петли, которая формирует заднюю стенку сайта связывания E1, которая охватывает как карман связывания липоамида, так и соседние аминокислоты, которые специфически взаимодействуют с самим доменом L2. Промежуточное активное состояние PDK4 кристаллизовалось в присутствии ADP, который имеет открытую щель активного сайта и частично упорядоченные С-концевые хвосты. Для эффективного удаления ADP с помощью PDK4 в этом состоянии требуется мотив DW; его потеря устраняет устойчивую независимую от ядра базальную активность PDK4.

Важный механизм, с помощью которого сигналы передаются между сайтом связывания нуклеотида и доменом связывания L2, может быть обеспечен длинным центральным стержнем, расположенным рядом с двумя сайтами. Этот стержень состоит из двух коротких спиралей, соединяющих эти два участка. Центральный пируват / DCA-связывающий сайт находится между двумя спиралями (, рис. 3, ). На геометрию активного центра влияют его нуклеотидная занятость, пируват и связывание L2, а также, что удивительно, ионы K + .Анализ PDK2 человека со связанным DCA показывает, что β -фосфат ADP хелатирует K + вместе с карбонильными группами основной цепи трех аминокислот и атомом кислорода гидроксильной группы Ser для усиления ингибирования ADP. Связывание липоильного домена сдвигает расположение участвующих аминокислотных остатков, разрушает сайт связывания K + и усиливает диссоциацию АДФ от активного сайта. Связывание ионов K + с другими сайтами белка стабилизирует сайт связывания L2 и способствует перекрестному взаимодействию между сайтами связывания нуклеотидов и L2.Хотя об их регуляции известно гораздо меньше, ионы также являются важными регуляторами PDP1 и PDP2. Обе формы активируются повышением концентрации свободного внутри митохондриального Mg 2+ или Mn 2+ , которое происходит в ответ на снижение уровня АТФ. Увеличение свободного митохондриального Ca 2+ активирует PDP1 в ​​тканях с гормональным или зависимым от физической нагрузки повышением митохондриального Ca 2+ . Ион служит мостиком для взаимодействия PDP1 с доменом L2 E2, тем самым стимулируя активность фосфатазы.Активности PDK и PDP2 реципрокно регулируются инозитолфосфогликанами, соединениями, которые хелатируют ионы металлов Mn 2+ и Zn 2+ и образуются в ответ на стимуляцию инсулином.

Рисунок 3. Связывание аналога пирувата DCA вызывает конформационные изменения в PDK1. Apo-PDK1 (розовая лента) претерпевает небольшие движения спиралей 6 (оранжевый) и 7 (желтый) и раскручивание короткой линкерной области при связывании DCA (модель заполнения зеленого пространства).Связанный с DCA PDK1 показан зеленой лентой. Движение этого спирального стержня может опосредовать перекрестную связь между сайтом связывания нуклеотида и связанной с ним крышкой АТФ (красный), липоил-связывающим сайтом (пурпурный) и сайтом связывания пирувата / DCA.

Воспроизведено Kato M, Li J, Chuang JL и Chuang DT (2007) Отчетливые структурные механизмы ингибирования изоформ киназы пируватдегидрогеназы с помощью AZD7545, дихлорацетата и радицикола. Строение 15: 992–1004, с разрешения. Фильм об этом структурном переходе доступен по адресу http: // download.cell.com/structure/mmcs/journals/0969-2126/PIIS096921260700250X.mmc2.mov

Пируватдегидрогеназа-киназа — обзор

PDK-регулирование PDH

Существует четыре изоформы PDH-киназы (PDK1-4), которые регулируют активность PDH путем модуляции состояния фосфорилирования E1. Они не связаны с цитоплазматическими киназами Ser / Thr / Tyr, но отдаленно связаны с протеин-гистидинкиназами. После активации эти киназы подвергаются аутофосфорилированию по консервативному остатку гистидина перед переносом высокоэнергетического фосфата на акцепторный субстратный белок.Существуют значительные различия в кинетических параметрах и регуляции различных PDK, а также в их аминокислотных последовательностях, хотя каждая изоформа является высококонсервативной у разных видов млекопитающих. PDK1 присутствует в сердце, скелетных мышцах и островках поджелудочной железы. PDK2 повсеместно экспрессируется в тканях млекопитающих и особенно чувствителен к метаболическим сигналам о потреблении энергии и источнике топлива. Он выражается в более высоких концентрациях при голодании и диабете. PDK3 имеет самую высокую удельную активность из всех PDK.Обычно он экспрессируется на низких уровнях в большинстве тканей, за исключением семенников, почек и головного мозга. PDK4, который экспрессируется на более высоких уровнях во время голодания и диабета, обычно экспрессируется на низких уровнях, за исключением сердца, скелетных мышц и островков поджелудочной железы, и имеет самую высокую базальную активность среди PDK. Инсулин подавляет экспрессию PDK4, но потеря этой регуляции приводит к повышенным уровням глюкозы в крови у инсулино-нечувствительных пациентов. Таким образом, в определенных тканях одновременно экспрессируются несколько изоформ.Различные изоформы могут образовывать функциональные гетеродимеры, которые обладают кинетическими и регуляторными свойствами, отличными от таковых у родительских гомодимеров. Это усложняет регуляцию, особенно в сочетании с дифференциальной экспрессией PDH фосфатаз PDP1 и PDP2. Гормональная регуляция и ряд болезненных состояний, помимо диабета, также могут значительно изменить экспрессию PDK. Например, PDK3 и PDK1 сверхэкспрессируются в гипоксических раковых клетках под действием фактора транскрипции, индуцируемого гипоксией фактора-1 (HIF-1).Это сдвигает клеточный метаболизм для выработки высокого уровня лактата за счет активации гликолиза и сокращения митохондриальных окислительных путей (эффект Варбурга). PDP часто демонстрируют паттерны экспрессии, противоположные паттернам экспрессии PDK, тем самым дополнительно усиливая регуляторные эффекты на активность PDH. И PDK, и PDP являются привлекательными мишенями для разработки лекарств. Ряд соединений, включая негидролизуемый аналог пирувата дихлорацетат (DCA), рассматривался как потенциальные терапевтические агенты для лечения диабета, лактоацидоза, ишемии миокарда и рака.

Активность

E1 может подавляться фосфорилированием любого из трех целевых остатков Ser на его α -субъединице. Изоформы PDK демонстрируют значительные различия в их специфичности по отношению к отдельным сайтам фосфорилирования: каждая может фосфорилировать Ser 264 (сайт 1) и Ser271 (сайт 2), хотя и с разной скоростью, но только PDK1 модифицирует Ser203 (сайт 3). Эти сайты фосфорилирования расположены на двух соседних петлях, близких к активному сайту E1. Структурные исследования человеческого E1 показывают, что фосфорилирование сайта 1, который блокирует большую часть активности E1, нарушает две петли, прилегающие к активному сайту E1, и нарушает взаимодействие ThDP и связанной с E2 липоильной группы с их соответствующими сайтами связывания на E1 ( Рисунок 2 (а) ).Фосфорилирование сайтов 2 и 3 происходит медленнее и, как полагают, препятствует реактивации E1, в первую очередь PDP2.

Рисунок 2. Неактивная и активная конформации E1 и PDK. (a) Связывание ThDP (пурпурный) с активным центром E1 вызывает упорядочение петель фосфорилирования A (оранжевая линия) и B (желтая линия), что делает возможным декарбоксилирование пирувата (tan) и восстановительное ацетилирование присоединенной липоильной группы. к липоил-связывающему домену Lip-LBD. Пронумерованные кружки представляют три сайта фосфорилирования; водородные связи показаны пунктирными черными линиями; молекула воды обозначена красной точкой; α- и β-субъединица E1 имеют зеленый и голубой цвет соответственно.(b) Фосфорилирование сайта 1 (Ser 264) в человеческом апо-E1 блокирует упорядочение петель фосфорилирования, снижает связывание ThDP, устраняет сеть водородных связей, которая необходима для упорядочивания петель, и блокирует доступ липоильного субстрата, приводя к инактивации катализа E1. Неупорядоченные петли фосфорилирования обозначены желтыми и оранжевыми пунктирными линиями. (c) Закрытая (слева), промежуточная открытая (в центре) и открытая (справа) конформации изоформ PDK. В присутствии высокоаффинного связывания АДФ (N в красном кружке) PDK2 имеет закрытую щель активного сайта с полностью неупорядоченными С-концевыми хвостами.Структуры Apo-PDK2 или PDK4-ADP находятся в активной промежуточной открытой конформации, которая имеет открытую щель активного сайта с низкоаффинными сайтами связывания нуклеотидов (N в розовом кружке) и C-концевые хвосты, которые взаимодействуют с другой субъединицей с использованием DW. участки якоря мотива (красные кружки), хотя концевые аминокислоты хвоста остаются неупорядоченными. Активная открытая конформация, очевидная в структурах PDK3-L2-ADP и PDK2-L2-AMPPNP, имеет открытый активный сайт и полностью упорядоченные C-концевые хвосты, которые перекрестно закрепляют субъединицы и помогают формировать L2-связывающий домен.Молекулы, которые вызывают переходы между тремя состояниями, указаны над и под стрелками. AZD7545 является миметиком дигидролипоамида. Субъединицы PDK показаны синим и зеленым с указанием N- и C-концевых доменов. Сплошные и пунктирные линии обозначают упорядоченные и неупорядоченные участки белка соответственно. L2 показан желтым цветом.

(a, b) Воспроизведено у Kato M, Wynn RM, Chuang JL, et al. (2008) Структурные основы инактивации комплекса пируватдегидрогеназы человека путем фосфорилирования: роль неупорядоченных петель фосфорилирования. Строение 16: 1849–1859, с разрешения. (c) От Wynn R, Kato M, Chuang JL, Tso S-C и Chuang DT (2008). Структуры пируватдегидрогеназы киназы-4 обнаруживают метастабильную открытую конформацию, способствующую устойчивой базальной активности без ядра. Журнал биологической химии 283: 25305–25315.

Влияние малых молекул и ионных регуляторов на киназы является сложным, хотя многие из них работают, модулируя взаимодействия фермента с внутренними липоильными доменами E2. НАДН и ацетил-КоА вызывают восстановление и ацетилирование липоильных групп, ассоциированных с E2, путем обращения реакций, обычно катализируемых E3 и E2.Модифицированные липоильные домены (L2) могут связываться с каждой изоформой киназы PDH с градацией аффинностей PDK3> PDK1 ~ PDK2> PDK4. Связывание с L2 помещает каждую киназу в непосредственную близость к субстрату E1 и незначительно увеличивает активность PDK2 и PDK3. Только PDK3 сильно активируется доменами L2, связанными с нативным ядром E2 или свободными в растворе, что указывает на то, что он также аллостерически активируется L2. PDK1 и PDK4 с высокой внутренней базальной активностью демонстрируют маргинальный эффект ассоциации L2.Однако для всех изоформ это взаимодействие может иметь решающее значение для перемещения ограниченного числа киназ вокруг ядра E2. Исследования PDK2 показывают, что в присутствии калий-фосфатного буфера АДФ и пируват (или DCA) замедляют диссоциацию АДФ и усиливают ингибирование продукта, при этом заметно снижая связывание L2 и переводя димер в неактивное тетрамерное состояние. Подобные эффекты наблюдаются у PDK1 и PDK4, но не у PDK3, которая не регулируется пируватом.

Рентгеноструктурный кристаллографический анализ множества изоформ PDK в отсутствие или в присутствии ключевых регуляторных соединений дает удовлетворительное представление об изменениях в геометрии активного сайта, которые лежат в основе действия многих из этих регуляторов.Каждый мономер имеет два домена одинакового размера. N-концевой регуляторный домен представляет собой пучок из четырех спиралей, который связывает липоильную группу L2, пируват и другие регуляторные лиганды. С-концевой каталитический домен содержит α -спиральных и β -листовых мотивов, сайт связывания нуклеотидов АДФ / АТФ, где происходит перенос фосфорила, большой интерфейс димеризации, который является результатом взаимодействий «голова к хвосту» β -листы двух субъединиц и С-концевой хвост, который модулирует переключение с неактивного на активное состояние киназы.Активный сайт каждого мономера располагается на границе раздела между регуляторным и каталитическим доменами, где АТФ / АДФ связывается с АТФ-связывающей складкой, уникальной для суперсемейства АТФазы / киназ GHKL. Эта складка имеет связанный структурный элемент петли, называемый крышкой АТФ, конформация которой регулируется гидролизом АТФ, а также регуляторными сигналами, инициируемыми и передаваемыми из дистальных областей киназы.

Были идентифицированы множественные конформации фермента ( Рисунок 2 (b) ).В неактивной закрытой конформации С-концевой хвост неупорядочен и не взаимодействует с другой субъединицей. Крышка АТФ взаимодействует с N-концевым доменом, предотвращая диссоциацию АДФ для поддержания ингибирования продукта. Связывание L2 необходимо для получения активного состояния, в котором N-проксимальная область C-концевого хвоста, содержащая консервативный мотив Asp-Trp (DW) одной субъединицы, оборачивается вокруг другой субъединицы, а также взаимодействует со специфическими аминокислотами L2. домен. С-концевые аминокислотные остатки одной субъединицы являются неотъемлемым компонентом липоил-связывающего домена другой субъединицы.Эти взаимодействия расширяют как щель активного сайта, так и интерфейс димера, дестабилизируя взаимодействие крышки АТФ с N-концевым доменом. В свою очередь, это облегчает обмен АТФ на связанный АДФ и, вероятно, также увеличивает доступность целевых сериновых остатков Е1 для γ -фосфата АТФ, который переносится на субстрат серин, как только он был активирован консервативной аминокислотой. который действует как основное основание во время реакции переноса фосфорила. Наблюдались и другие структурные перестройки.Например, в PDK2 существует упорядочение петли, которая формирует заднюю стенку сайта связывания E1, которая охватывает как карман связывания липоамида, так и соседние аминокислоты, которые специфически взаимодействуют с самим доменом L2. Промежуточное активное состояние PDK4 кристаллизовалось в присутствии ADP, который имеет открытую щель активного сайта и частично упорядоченные С-концевые хвосты. Для эффективного удаления ADP с помощью PDK4 в этом состоянии требуется мотив DW; его потеря устраняет устойчивую независимую от ядра базальную активность PDK4.

Важный механизм, с помощью которого сигналы передаются между сайтом связывания нуклеотида и доменом связывания L2, может быть обеспечен длинным центральным стержнем, расположенным рядом с двумя сайтами. Этот стержень состоит из двух коротких спиралей, соединяющих эти два участка. Центральный пируват / DCA-связывающий сайт находится между двумя спиралями (, рис. 3, ). На геометрию активного центра влияют его нуклеотидная занятость, пируват и связывание L2, а также, что удивительно, ионы K + .Анализ PDK2 человека со связанным DCA показывает, что β -фосфат ADP хелатирует K + вместе с карбонильными группами основной цепи трех аминокислот и атомом кислорода гидроксильной группы Ser для усиления ингибирования ADP. Связывание липоильного домена сдвигает расположение участвующих аминокислотных остатков, разрушает сайт связывания K + и усиливает диссоциацию АДФ от активного сайта. Связывание ионов K + с другими сайтами белка стабилизирует сайт связывания L2 и способствует перекрестному взаимодействию между сайтами связывания нуклеотидов и L2.Хотя об их регуляции известно гораздо меньше, ионы также являются важными регуляторами PDP1 и PDP2. Обе формы активируются повышением концентрации свободного внутри митохондриального Mg 2+ или Mn 2+ , которое происходит в ответ на снижение уровня АТФ. Увеличение свободного митохондриального Ca 2+ активирует PDP1 в ​​тканях с гормональным или зависимым от физической нагрузки повышением митохондриального Ca 2+ . Ион служит мостиком для взаимодействия PDP1 с доменом L2 E2, тем самым стимулируя активность фосфатазы.Активности PDK и PDP2 реципрокно регулируются инозитолфосфогликанами, соединениями, которые хелатируют ионы металлов Mn 2+ и Zn 2+ и образуются в ответ на стимуляцию инсулином.

Рисунок 3. Связывание аналога пирувата DCA вызывает конформационные изменения в PDK1. Apo-PDK1 (розовая лента) претерпевает небольшие движения спиралей 6 (оранжевый) и 7 (желтый) и раскручивание короткой линкерной области при связывании DCA (модель заполнения зеленого пространства).Связанный с DCA PDK1 показан зеленой лентой. Движение этого спирального стержня может опосредовать перекрестную связь между сайтом связывания нуклеотида и связанной с ним крышкой АТФ (красный), липоил-связывающим сайтом (пурпурный) и сайтом связывания пирувата / DCA.

Воспроизведено Kato M, Li J, Chuang JL и Chuang DT (2007) Отчетливые структурные механизмы ингибирования изоформ киназы пируватдегидрогеназы с помощью AZD7545, дихлорацетата и радицикола. Строение 15: 992–1004, с разрешения. Фильм об этом структурном переходе доступен по адресу http: // download.cell.com/structure/mmcs/journals/0969-2126/PIIS096921260700250X.mmc2.mov

Их основные функции в нейронно-глиальном метаболическом взаимодействии и нейрометаболических расстройствах

Curr Neuropharmacol. 2012 Dec; 10 (4): 393–403.

Кафедра фармакологии, Институт изучения мозга и инженерии, Школа медицины Национального университета Кёнпук, Тэгу, Корея

* Адресная переписка с этим автором на кафедре фармакологии Медицинской школы Национального университета Кёнпук, улица Кукчабосанг 680, Чжун- гу, Тэгу, 700-422, Корея; Тел: 82-53-420-4835; Факс: 82-53-256-1566; Электронная почта: [email protected]

Поступило 31.05.2012 г .; Пересмотрено 10 августа 2012 г .; Принято 28 августа 2012 г.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/2.5/), которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение в любых medium при условии правильного цитирования оригинальной работы. Эта статья цитировалась в других статьях PMC.

Abstract

Метаболизм прямо или косвенно участвует во всех процессах, протекающих в живых клетках.Мозг, обычно рассматриваемый как нейронно-глиальный комплекс, получает большую часть своей энергии от кислородзависимого метаболизма глюкозы, а митохондриальный пируватдегидрогеназный комплекс (PDC) играет ключевую регулирующую роль во время окисления глюкозы. Киназа пируватдегидрогеназы (также называемая киназой PDC или PDK) — это киназа, которая регулирует метаболизм глюкозы путем отключения PDC. Идентифицированы четыре изоформы PDK с тканеспецифической активностью. Метаболизм нейронов и глиальных клеток, особенно астроглиальных клеток, взаимосвязан, и эти клетки функционируют интегрированно.Энергетическая связь между нейронными и астроглиальными клетками необходима для эффективного удовлетворения энергетических потребностей мозга. Накапливающиеся данные свидетельствуют о том, что изменения в метаболических взаимодействиях PDK и / или нейрон-астроглия связаны с развитием нескольких неврологических расстройств. Здесь авторы рассматривают результаты недавних исследований, которые пролили свет на функции PDK в нервной системе, особенно на метаболические взаимодействия нейронов и глии и нейрометаболические расстройства.

Ключевые слова: Аэробный гликолиз, нейрометаболические нарушения, нейронно-глиальное взаимодействие, окислительное фосфорилирование, пируватдегидрогеназный комплекс, пируватдегидрогеназная киназа.

1. ВВЕДЕНИЕ

Пируватдегидрогеназный комплекс (PDC), играющий доминирующую роль в регуляции метаболизма млекопитающих, представляет собой точку невозврата в отношении использования углеводов, играет ведущую роль в поддержании гомеостаза глюкозы и чрезвычайно вовлечен в метаболических путях, необходимых для производства энергии и движения [1-3].PDC полностью кодируется ядром и состоит из множественных копий трех структурно различных, но функционально взаимозависимых ферментов (с E 1 по E 3 ) [4]. PDC млекопитающих — это огромный комплекс, состоящий из нескольких компонентов: пируватдегидрогеназа (E1), дигидролипоилтрансактилаза (E2), связывающий домен E3 (E3BP) и дигидролипоилдегидрогеназа (E3) [4-8]. Пируватдегидрогеназа (E1) — первый компонентный фермент PDC.

Пируват — конечный продукт гликолиза в цитозоле.Гликолиз, серия ферментативно катализируемых реакций, происходящих в клетках, посредством которых глюкоза и другие сахара расщепляются с образованием молочной или пировиноградной кислоты с высвобождением энергии в форме АТФ, хорошо дифференцируются на два типа на основе потребления кислорода во время Реакция. Превращение глюкозы в лактат в присутствии кислорода получило название аэробного гликолиза, тогда как превращение глюкозы в лактат в отсутствие кислорода было названо анаэробным гликолизом.Недавно была выдвинута гипотеза, что в головном мозге как аэробный, так и анаэробный гликолиз прекращаются с образованием лактата из пирувата под действием лактатдегидрогеназы (ЛДГ). Если эта гипотеза верна, лактат должен быть митохондриальным субстратом для окислительного энергетического метаболизма через его окисление до пирувата, возможно через митохондриальную ЛДГ . Новое открытие подтверждает гипотезу о том, что лактат, по крайней мере, в условиях in vitro , действительно является основным конечным продуктом аэробного гликолиза нейронов [9].

В аэробных условиях пируват попадает в митохондрии, где он превращается в ацетил-кофермент А (ацетил-КоА), производя дигидроникотинамидадениндинуклеотид (НАДН) и диоксид углерода. Ацетил-КоА впоследствии входит в цикл Кребса (лимонной кислоты) и, таким образом, обеспечивает клетку энергией (аденозинтрифосфат или АТФ) [10]. Эта реакция катализируется фермент-коферментным комплексом PDC. PDC расположен в пространстве митохондриального матрикса и отвечает за необратимое преобразование пирувата в ацетил-КоА, основное топливо цикла лимонной кислоты (CAC).В митохондриальном матриксе протекают реакции САС и окисления жирных кислот. Митохондриальная реакция PDC связывает гликолиз с окислительным метаболизмом, обеспечивая окислительное топливо для генерации АТФ. Реакция PDC также обеспечивает ацетил-КоА для синтеза жирных кислот в тканях, синтезирующих жир, когда потребление углеводов является чрезмерным. Активность PDC находится под контролем киназ пируватдегидрогеназы (также комплексных киназ пируватдегидрогеназы, киназ PDC или PDK) 1–4, которые фосфорилируют субъединицу E1 PDC и подавляют катализ пирувата до ацетил-КоА [11].Активность PDK регулируется концентрацией продуктов метаболизма пирувата (НАДН и ацетил-КоА). Система PDH / PDK действует как ключевой регулятор митохондриальной активности и играет важную роль в переключении метаболизма с окислительного фосфорилирования на аэробный гликолиз, который сопровождает злокачественную трансформацию.

Изоферменты PDK вместе с родственной киназой дегидрогеназы с разветвленной цепью составляют новое семейство сериновых киназ, не связанных с цитоплазматическими киназами Ser / Thr / Tyr [12-17].PDK участвуют в регуляции окисления глюкозы, что в конечном итоге может влиять на метаболизм глюкозы в организме [18-20]. Они состоят из двух субъединиц, то есть α-субъединицы с киназной активностью и β, которая является регуляторной субъединицей. PDK — это фермент киназа, который инактивирует PDC, фосфорилируя его с помощью АТФ. PDK участвует в регуляции активности PDC (рис. ), которая катализирует окислительное декарбоксилирование пирувата до ацетил-КоА [10]. Хотя PDC регулируется несколькими механизмами, включая аллостерическое ингибирование ацетил-КоА и NADH, ковалентная модификация PDC чрезвычайно важна для долгосрочной регуляции метаболических процессов.PDK фосфорилируют PDC, тогда как фосфатазы пируватдегидрогеназы (PDP) катализируют обратную реакцию. PDC дефосфорилирован и активен в сытом состоянии, что способствует окислению углеводов, но PDC фосфорилируется и неактивен в голодном состоянии для сохранения субстратов, необходимых для глюконеогенеза [21]. Когда запасы углеводов уменьшаются у млекопитающих, активность PDC снижается, чтобы ограничить потребление глюкозы посредством окислительного фосфорилирования в тканях, которые могут использовать жирные кислоты или кетоновые тела, таких как сердце и скелетные мышцы.Важным исключением является нейрональная ткань, которая обрабатывает глюкозу почти исключительно для производства АТФ.

Основные задачи PDK и PDP в регуляции PDC и связанных метаболических процессов . PDC представляет собой большой мультиферментный комплекс, расположенный в матричном компартменте митохондрий, и связывает гликолиз с циклом трикарбоновых кислот, катализируя необратимое окислительное декарбоксилирование пирувата, которое приводит к образованию CO2, NADH и ацетил-CoA. Активность PDC регулируется обратимым фосфорилированием.PDK инактивирует PDC путем фосфорилирования. Напротив, PDP активирует PDC дефосфорилированием. Регулирование PDC связано с метаболизмом глюкозы и жирных кислот. PDC, комплекс пируватдегидрогеназы; PDK, киназа пируватдегидрогеназы; НАДН, никотинамидадениндинуклеотидгидрид; FFA, свободные жирные кислоты; PDP, фосфатаза пируватдегидрогеназы; PEPCK; фосфоенолпируваткарбоксикиназа; TCA, цикл трикарбоновых кислот.

К настоящему времени четыре тканеспецифические изоформы (PDK 1–4) PDK были идентифицированы в митохондриях млекопитающих [22].PDK1 был обнаружен в сердце [23, 24], островках поджелудочной железы [25] и скелетных мышцах [26]. PDK2 экспрессируется повсеместно [27], тогда как PDK3 был обнаружен только в семенниках, почках и головном мозге [27], а PDK4 — в сердце, скелетных мышцах, печени, почках, мозге и островках поджелудочной железы [23, 25, 26]. , 28]. PDK фосфорилируют три сериновых сайта на PDC E1α, и тогда как PDK могут фосфорилировать сайты 1 и 2, PDK1 однозначно фосфорилирует сайт 3 [23, 25-27, 29, 30]. У грызунов есть две изоферментные формы PDK, которые имеют до 70% идентичности аминокислот [31] и обозначаются PDK1 и PDK2.Недавно было показано, что PDK4 обладает более высокой киназной активностью, чем другие три изоформы PDK, независимо от присутствия L2 или ядра E2p / E3BP [32]. Было обнаружено, что оба изофермента, полученные в виде рекомбинантных белков, способны катализировать фосфорилирование и инактивацию PDC [31, 33]. Каждая изоформа PDK имеет разные специфические активности и разную чувствительность к пирувату и ADP, что позволяет индивидуально реагировать на изменение метаболических требований, воздействуя на конкретные изоформы для повышения регуляции [19, 34].Существование множества изоферментов PDK в тканях млекопитающих предполагает, что их функции различаются в разных тканях. Более того, доля активного PDC снижается за счет активности выделенных изоформ PDK [35].

Согласно недавнему отчету об экспрессии белка в головном мозге крысы, мРНК изофермента PDK высоко экспрессируются в коре головного мозга, гиппокампе, миндалевидном теле, таламусе и других областях мозга, которые могут играть важную роль в регулировании циклов фосфорилирования / дефосфорилирования PDHE1α1 и его активности в эти регионы в физиологических условиях.Кроме того, PDK2 является наиболее распространенным изоферментом в мозге крысы в ​​физиологических условиях, при этом PDK4 экспрессируется редко. Факторы, определяющие региональную гетерогенность изоформ и баланс между фосфорилированием и активностью фосфатазы, остаются неизвестными [36].

2. PDK, УПРАВЛЯЮЩИЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬЮ PDC

PDK участвует в регулировании PDC, в котором PDH является первым компонентом. PDK может фосфорилировать сериновый остаток на PDH в трех возможных сайтах. Фосфорилирование в сайте 1 почти полностью дезактивирует фермент, в то время как фосфорилирование в сайтах 2 и 3 вносит лишь небольшой вклад в инактивацию комплекса.Следовательно, фосфорилирование в сайте 1 отвечает за дезактивацию PDH. Ингибирование PDK пируватом способствует активации PDH, способствуя окислению глюкозы и образованию малонил-КоА: последний подавляет окисление длинноцепочечных жирных кислот (LCFA). Активация PDK за счет высоких соотношений концентраций ацетил-CoA / CoA и NADH / NAD (+) в митохондриях, которые отражают высокие скорости окисления LCFA, вызывает блокаду окисления глюкозы [18, 37-39]. С другой стороны, PDP удаляет фосфатные группы на PDH и реактивирует фермент (рис. ). Чтобы удовлетворить дискретные тканеспецифичные роли, которые PDC должен выполнять для управления расходом и хранением топлива, набор специализированных регуляторных ферментов обеспечивает легко адаптируемый контроль фракции активного PDC (PDCa) [11, 20, 40-48]. Четыре изофермента PDK [12, 15, 44, 47] управляют активностью PDC [35], а краткосрочные и долгосрочные механизмы действуют для изменения активности и уровней PDK, чтобы управлять количеством, необходимым для хранения топлива [ 11, 20, 40-47]. Сообщается, что PDK является эффектором, который в конечном итоге передает ингибирующий сигнал от фосфорилированной c-Jun-N-концевой киназы (pJNK) к PDH.Другими словами, можно сделать вывод, что повышенная ассоциация фосфорилированного JNK с митохондриями может активировать активность PDK, тем самым вызывая повышенное фосфорилирование (и ингибирование) PDC [49]. Механизм того, как JNK может модулировать PDK, остается неясным. Другие сигнальные пути также могут способствовать увеличению экспрессии PDK2.

Регулирование PDC путем фосфорилирования-дефосфорилирования . PDC катализирует окислительное декарбоксилирование пирувата с образованием ацетил-КоА. PDK катализируют фосфорилирование сериновых остатков E1 PDC, ингибируя комплекс, тогда как PDP обращают это ингибирование через дефосфорилирование .PDC, комплекс пируватдегидрогеназы; PDK, киназа пируватдегидрогеназы; PDP, фосфатаза пируватдегидрогеназы; АДФ, аденозиндифосфат; АТФ, аденозинтрифосфат.

3. АКТИВАЦИЯ И ИНГИБИРОВАНИЕ PDK

PDK активируются АТФ, НАДН и ацетил-КоА. Они ингибируются АДФ, НАД +, КоА-SH и пируватом [19]. Активация PDK включает взаимодействие с субъединицами E 2 PDC для определения изменений в степени окисления и ацетилирования липоамида, вызванных NADH и ацетил-CoA.Во время голодания уровни PDK повышаются в большинстве тканей, включая скелетные мышцы, за счет увеличения транскрипции генов на [21, 50, 51]. В тех же условиях количество PDP уменьшается, что не позволяет мышцам и другим тканям катаболизировать глюкозу и предшественники глюконеогенеза. Затем метаболизм сдвигается в сторону использования жира [39]. Мышечный белок и поставка предшественников глюконеогенеза сводятся к минимуму, экономя доступную глюкозу для использования мозгом. Кроме того, уровни PDC становятся важными биомаркерами при остром повреждении и нейродегенерации.На мышиной модели БА обнаружено, что биоэнергетический дефицит митохондрий, включая снижение уровня и активности PDC, предшествует патологическому проявлению заболевания [52].

Строго регулируемый баланс, существующий между экспрессией изоферментов PDK и PDP, нарушается после черепно-мозговой травмы (TBI), которая может, в свою очередь, нарушать или останавливать метаболизм глюкозы, регулируемый PDC. Изоферменты PDK2 и PDP1 в ​​мозге могут играть решающую роль в жестком контроле цикла фосфорилирования / дефосфорилирования PDHE1α1 и активности при нормальных условиях.Быстрые и дивергентные изменения между экспрессией изоферментов PDK и PDP могут приводить к гиперфосфорилированию и инактивации PDHE1α1 в посттравматический период, тем самым блокируя регулируемый PDC метаболизм глюкозы и продукцию АТФ при TBI [36].

Гликолитические ингибиторы в настоящее время являются предметом интенсивных исследований с целью изучения их терапевтического потенциала [53]. В настоящее время существует значительный интерес к разработке специфических ингибиторов PDK в качестве потенциальных средств лечения рака, диабета и заболеваний головного мозга.Дихлорацетат (DCA), низкомолекулярный ингибитор митохондриального PDK, активирует PDH путем ингибирования PDK дозозависимым образом in vitro [54], что приводит к увеличению доставки пирувата в митохондрии. DCA подавляет гликолиз in vitro, и in vivo, и оказывает существенное терапевтическое действие при многих типах рака [55, 56], заслуживающих дальнейшего исследования для проверки его терапевтического потенциала при заболеваниях головного мозга.

Регуляция экспрессии PDK2 и PDK4 инсулином физиологически важна.И PDK2, и PDK4 повышаются в условиях низкого уровня инсулина (например, голодание и диабет). Замечено, что глюкокортикоиды, свободные жирные кислоты (FFA) и инсулин играют важную роль в установлении уровня экспрессии PDK. Этот уровень, в свою очередь, определяет состояние фосфорилирования и, следовательно, состояние активации PDC. Таким образом, инактивация PDC, которая происходит в большинстве основных тканей тела во время голодания и диабета, вероятно, объясняется эффектами, которые снижение инсулина и увеличение глюкокортикоидов и FFAs оказывают на экспрессию PDK4 в этих условиях [51].

4. РОЛЬ PDK В МЕТАБОЛИЧЕСКОМ СВЯЗИ НЕЙРОНА И ГЛИИ

Глиальные клетки играют важную роль в метаболизме мозга, поскольку они контролируют химический состав жидкости, окружающей нейроны, включая уровни ионов и питательных веществ. Необходимые структурные условия и паттерны экспрессии различных изомеров транспортера глюкозы и транспортера монокарбоксилата установили молекулярную основу метаболического взаимодействия между глией и нейронами [57, 58]. Ответы двух основных типов клеток мозга (нейронов и астроцитов) на депривацию энергии являются сложной функцией их способности продуцировать АТФ и активности различных путей, участвующих в ионном гомеостазе [59].Отростки астроцитов обернуты вокруг синаптических контактов, тогда как их концевые ножки окружают внутрипаренхимные капилляры и образуют клеточную зону, расположенную между кровотоком и другими элементами паренхимы головного мозга. Долгое время предполагалось, что эта последняя структурная особенность указывает на то, что астроциты участвуют в транспортировке веществ из крови к другим клеткам мозга. Метаболизм нейронов и глиальных клеток взаимосвязан, и эти клетки функционируют интегрированно. Некоторые важные ферменты, такие как пируваткарбоксилаза и глутамин синтетаза, обнаруживаются только в астроцитах [60, 61], а PDC играет ключевую роль в регуляции окисления глюкозы.Чтобы глюкоза окислялась до CO 2 , пируват, образующийся во время гликолиза, должен войти в цикл TCA, и это осуществляется через PDC в митохондриях, поскольку он контролирует скорость входа пирувата в цикл TCA в виде ацетила. кофермент А (ацетил-КоА). ПДГ инактивируется фосфорилированием по его декарбоксилазной части прочно связанной Mg 2+ / АТФ-зависимой протеинкиназой и активируется дефосфорилированием слабосвязанной Mg 2+ — и Ca 2+ -зависимой фосфатазой.

Контроль фосфорилирования PDHα осуществляется набором из 4 различных PDK (PDK1-4) и 2 различных PDP (PDP1 и 2), которые все по-разному экспрессируются в тканях млекопитающих [27]. Регуляция PDC на уровне экспрессии или активности белка вносит вклад в дифференцированный метаболический фенотип нейронов и астроцитов и в направленное перемещение монокарбоксилатов между этими типами клеток [62]. Было продемонстрировано, что все субъединицы PDC экспрессируются в культивируемых астроцитах и ​​нейронах, но астроциты экспрессируют значительно более высокую иммунореактивность для всех субъединиц, чем нейроны [62].Эти более высокие экспрессии PDK2 и PDK4 в астроцитах согласуются с более высоким статусом фосфорилирования PDHα, более низкой активностью PDC и более высокой продукцией лактата, проявляемой культивируемыми астроцитами.

Астроциты играют центральную роль в нейрометаболическом взаимодействии и подвергаются пластической адаптации параллельно с адаптивными механизмами, которые характеризуют синаптическую пластичность [63-65]. Основной механизм включает стимулированный глутаматом аэробный гликолиз, то есть связанный с натрием обратный захват глутамата астроцитами и последующую активацию Na-K-ATPase, которая запускает захват и переработку глюкозы посредством гликолиза и приводит к высвобождению лактат из астроцитов.Чаще всего нейроны, астроциты и кровеносные сосуды функционируют в сложной сети, и эта метаболическая связь, а также поддержка астроцитов являются обязательными для функционирования нейронов. Интерстициальный компартмент включает пространство между эндотелиальными клетками и концевыми ножками астроцитов (базальная пластинка), а также пространство между нейрональными и астроцитарными отростками. Эти две области хорошо связаны, так что не ожидается значительных градиентов концентрации между этими компартментами для обильных молекул, таких как глюкоза и лактат [66-68].Фиг. ( ) схематически представляет согласованную модель потоков глюкозы и лактата в нейропиле млекопитающих. После попадания в нейроны и астроциты глюкоза фосфорилируется гексокиназой — реакция, которая в мозге необратима из-за отсутствия значительной активности глюкозо-6-фосфатазы [69, 70]. В настоящее время существует два крайних взгляда на метаболическое взаимодействие в головном мозге, которые приспосабливают более высокую скорость потребления кислорода и синтеза АТФ в нейронах, но резко различаются по характеру источника лактата во время активности и, следовательно, в направлении потока лактата.Стандартная или стандартная модель нейрометаболической связи утверждает, что нейроны захватывают большую часть потока глюкозы и выделяют некоторое количество лактата, который поглощается астроцитами (рис. ). Эта модель утверждает, что астроциты более аэробны, чем нейроны, то есть их индекс кислорода к глюкозе (OGI) выше. Альтернативная модель называется «гипотезой челнока от астроцита к нейрону и лактата (ANLSH)» [71], в которой утверждается, что астроциты забирают большую часть глюкозы и экспортируют ее в виде лактата, который затем поглощается и окисляется нейроны (рис. ). В этой модели более аэробной клеткой является нейрон. В последние годы было опубликовано несколько научных обзоров, в которых рассматриваются доказательства за и против двух моделей нейрометаболической связи [68, 72-83]. Существуют также математические модели, выводы которых, полученные при различных предположениях, подтверждают ту или иную модель [76, 84-88]. Например, некоторые исследования предполагают, что нейроны с базовой активацией не демонстрируют чистого импорта пирувата или лактата [74], в то время как Мангиа и его коллеги утверждают прямо противоположное ANLSH, то есть нейроны перемещают лактат в астроциты, и это единственный способ работать в обратном направлении (т.е. астроцит-нейрон) — это когда астроцитарная транспортная способность глюкозы увеличивается в 12 раз [84]. Согласно недавнему исследованию Genc et al., , хотя ANLSH энергетически более благоприятен для нейрона с точки зрения продуцирования АТФ, как в гипоксических, так и в нормоксических условиях, это не является случаем значительного преимущества для астроцита в долгосрочной перспективе. срок. Учитывая тот факт, что астроциты более устойчивы к гипоксии, они полагают, что вместо «классического или ANLSH» выбора для клеток нейроны и астроциты могут переключаться между одной моделью или другой, в зависимости от энергетических потребностей нейрона. чтобы поддерживать выживание нейрона в условиях гипоксии или недостатка глюкозы и кислорода [89].Однако дальнейшие исследования, несомненно, окажутся полезными для более подробного анализа этих моделей, а также для понимания такого переключения в зависимости от потребности в энергии [90].

Метаболическая связь между астроцитами и нейронами . ( A ) Нейроны и астроциты окружены ECF, который содержит глюкозу и лактат. Пул глюкозы питает клетки и пополняется глюкозой, полученной из крови. Лактат течет от клеток к клеткам и выводится в кровь с очень низкой скоростью.( B ) Традиционная модель связывания предполагает основное поглощение глюкозы нейронами, чистую продукцию лактата нейронами и потребление лактата астроцитами. ( C ) Модель лактатного челнока или ANLSH предполагает основное поглощение глюкозы астроцитами, чистую продукцию лактата астроцитами и потребление лактата нейронами (на B и C толщина стрелок представляет соответствующие потоки). TCA, цикл трикарбоновых кислот; ECF, внеклеточная жидкость; ANLSH, гипотеза шаттла от астроцита к нейрону и лактату.

5. БОЛЕЗНИ АЛЬЦГЕЙМЕРА И PDKs

Болезнь Альцгеймера — нейродегенеративное заболевание со сложным и прогрессирующим патологическим фенотипом, характеризующимся, прежде всего, гипометаболизмом и нарушением биоэнергетики митохондрий, а затем патологическим бременем. Нарушение метаболизма глюкозы, биоэнергетики и функции митохондрий являются последовательными предпосылками развития патологии Альцгеймера [52, 91-93]. Снижение метаболизма глюкозы в головном мозге и функции митохондрий может проявиться за десятилетия до появления гистопатологических и / или клинических признаков и, таким образом, может служить биомаркером риска БА, а также терапевтической мишенью [94–97].Окислительный стресс и синаптическое повреждение вовлечены в патогенез БА [98-103]. Хорошо известно, что окислительное повреждение митохондриальных мембран и белков снижает эффективность митохондриального окислительного фосфорилирования и приводит к увеличению утечки электронов, увеличению уровней H 2 O 2 и более высокому окислительному стрессу [104, 105]. Ключевые ферменты, участвующие в биоэнергетике митохондрий, такие как ПДГ и α-кетоглутаратдегидрогеназа (αKGDH), часто являются мишенями окислительных модификаций.Это приводит к снижению активности фермента, снижению эффективности митохондриального транспорта электронов и увеличению продукции свободных радикалов [106, 107]. Параллельно со снижением метаболизма глюкозы при БА наблюдается общий сдвиг от выработки энергии глюкозой, что связано со снижением экспрессии гликолитических ферментов в сочетании со снижением активности PDC [108]. Изменения в метаболическом профиле мозга при БА дополнительно подтверждаются сопутствующей активацией компенсаторных путей, которые способствуют использованию альтернативных субстратов, таких как кетоновые тела, для компенсации снижения вызванного глюкозой образования АТФ.Ожидается, что усиление митохондриальной биоэнергетики и усиление метаболизма глюкозы в головном мозге предотвратит снижение метаболизма глюкозы в головном мозге, будет способствовать здоровому старению и, следовательно, предотвратить БА. Интересно, что PDH является важным кандидатом в этой категории, активность которого может быть повышена путем ингибирования PDK. Перекисное окисление липидов головного мозга и снижение утилизации глюкозы головным мозгом являются характеристиками этого нейродегенеративного заболевания [109]. Акролеин, побочный продукт перекисного окисления липидов, который накапливается в головном мозге в ходе AD, снижает активность PDC.В частности, акролеин связывает липоевую кислоту, компонент как PDC, так и αKGDH [110]. Инактивация PDC акролеином или другими механизмами может быть, по крайней мере, частично ответственна за митохондриальную дисфункцию и нарушение церебрального энергетического метаболизма, связанного с БА [110-112].

6. СТАРЕНИЕ МОЗГА И PDKs

Процесс старения подавляет метаболизм глюкозы во всем организме. Сообщалось, что в мозге стареющих животных наблюдается снижение энергетического метаболизма, и это снижение может быть более выраженным в определенных областях мозга.Исследование, посвященное наличию различных уровней мРНК для изоферментов PDK в областях мозга крыс, сделало вывод, что уровень мРНК PDK1 относительно высок в мозжечке и коре головного мозга по сравнению с продолговатым мозгом и гиппокампом. Старение снижает уровни мРНК PDK1 и PDK2 в мозжечке и увеличивает уровни мРНК PDK2 в гиппокампе и коре головного мозга, тогда как на экспрессию мРНК PDK4 не влияет старение. Эти результаты свидетельствуют о различиях в региональном содержании мРНК изоферментов PDK в головном мозге крыс и о том, что на их уровни влияет старение [113].

Было обнаружено, что снижение неврологической активности при нормальном старении мозга связано с митохондриальной дисфункцией [114]. Интерес к связи между дисфункцией митохондрий и патобиологией старения и возрастными расстройствами вспыхнул, когда около шести десятилетий назад была высказана теория старения со свободными радикалами. Старение и нейродегенерация являются обычными последствиями митохондриальной дисфункции и связаны со снижением активности ПДГ, вызванным фосфорилированием его субъединицы E (1α).Фосфорилирование PDH, вероятно, опосредуется PDK, уровнем белка и активностью, которая увеличивается с возрастом. Зависимое от возраста снижение и увеличение продукции АТФ и накопления лактата, соответственно, в ткани мозга, по-видимому, представляет собой переход от аэробного гликолиза (митохондриальный PDH-зависимый) к анаэробному гликолизу (цитозольному LDH-зависимому). Механические последствия этого сдвига в первую очередь основаны на инактивации субъединицы E 1 α митохондриального матрикса ПДГ с последующим снижением метаболизма ацетил-КоА.

Нейроны в целом не выживают in vitro в присутствии глюкозы, но могут выжить в присутствии низкомолекулярных агентов, таких как пируват, которые поставляются глиальными клетками. Похоже, что нейроны используют относительно мало глюкозы in vivo , и что глиальные клетки могут поставлять вещества, отличные от глюкозы, например пируват, в качестве основного источника энергии [115]. Реакции, катализируемые PDC, функционально связывают гликолиз в цитоплазме с окислительным фосфорилированием (OXPHOS) в митохондриях [116].PDC играет центральную роль в метаболизме митохондриального топлива и, следовательно, для здоровья и выживания организма. Недостатки PDC, вызванные нормальным старением или наличием врожденных или приобретенных заболеваний, демонстрируют поразительно похожие патологии. Следовательно, PDC и его регуляторные киназы, PDK, могут быть потенциальными терапевтическими мишенями для лечения множественных возрастных расстройств нервной системы [117].

7. ГЛИОБЛАСТОМА И PDK

Злокачественные глиомы или злокачественные глиальные новообразования представляют собой наиболее распространенный тип первичной опухоли головного мозга и представляют собой спектр клинико-патологических состояний от злокачественных новообразований низкой и высокой степени.Глиобластома с высокой экспрессией PDK2 [118] является наиболее частой и злокачественной из глиом [119]. Метаболическая модуляция может быть жизнеспособным терапевтическим подходом в лечении глиобластомы [118]. Уникальный метаболический признак, обычно наблюдаемый в раковых клетках, — это энергетическая зависимость перехода от нормального окислительного фосфорилирования к аэробному гликолизу. Однако в раковых клетках пируват превращается в лактат независимо от присутствия кислорода. Частично это может быть связано с повышением активности PDK и / или ингибированием PDH в раковых клетках.Высокие скорости аэробного гликолиза могут способствовать злокачественной трансформации и выживанию раковых клеток [120]. Недавние исследования показали, что антиапоптотический механизм в раковых клетках опосредуется аэробным гликолизом, также известным как эффект Варбурга. Одним из основных регуляторов аэробного гликолиза является PDK. Усиленный гликолиз и повышенная продукция лактата — общее свойство инвазивного рака, которое может приводить к подавлению апоптоза [55, 121].

Гипоксическая микросреда опухоли повышает уровень фактора, индуцируемого гипоксией (HIF).HIF способен ослаблять митохондриальное дыхание за счет индукции PDK1, что частично объясняет эффект Варбурга, который описывает склонность раковых опухолей активно поглощать глюкозу и превращать ее в лактат с одновременным снижением митохондриального дыхания [122]. Точно так же нормоксическая сверхэкспрессия HIF1α в большинстве, если не во всех, раковых опухолях человека стимулирует захват глюкозы, гликолиз и PDK, который ингибирует PDC [123-125]. Следовательно, OXPHOS подавляется и накапливается пируват, который стабилизирует HIF1α, создавая петлю положительной обратной связи между HIF1α и гликолизом [120, 126], которая может быть обращена нокдауном PDK [127].Ингибирование PDK DCA высвобождает митохондриальный фермент, удерживающий ворота, PDH, который затем способен преобразовывать пируват в ацетил-CoA и инициировать нормальное окислительное фосфорилирование через цикла Кребса [55]. Эти данные предполагают, что ось PDK / PDH может вносить вклад в метаболизм клеток глиомы и рост опухоли.

8. ПОВРЕЖДЕНИЕ МОЗГА И PDKs

В то время как окислительное повреждение метаболизма энергии мозга является критическим фактором замедленной и некротической гибели нейронов, окислительный стресс также является мощным инициатором апоптоза, который также в значительной степени способствует ишемической гибели нервных клеток.Митохондрии обычно генерируют активные формы кислорода и вносят значительный вклад в повышенную чистую продукцию этих деструктивных агентов во время реперфузии. Митохондрии одновременно являются мишенями и источниками окислительного стресса. Эта двойная связь особенно очевидна в экспериментальных парадигмах моделирования ишемического повреждения мозга. Митохондрии играют центральную роль в острой травме головного мозга. После ЧМТ степень повреждения или дисфункции митохондрий может быть важным фактором, определяющим выживаемость или гибель клеток [128].Изменения дыхательной способности митохондрий были продемонстрированы после ЧМТ у взрослых животных и людей [129–131]. Нарушение регуляции метаболизма глюкозы и энергетическая недостаточность являются метаболической характеристикой и показателем плохого прогноза для пациентов с тяжелой ЧМТ [129, 132–137]. Недавние исследования предполагают важную роль ПДГ в изменении энергетического метаболизма мозга после ЧМТ [138-141]. Изоферменты PDK и PDP головного мозга, по-видимому, очень чувствительны к эффектам травматического повреждения: контролируемая ЧМТ, вызванная кортикальным воздействием (CCI-TBI) и краниотомия, вызывали заметное увеличение экспрессии белка PDK и снижение экспрессии белка PDP, что способствовало увеличению Фосфорилирование и ингибирование PDHE1α1 с последующим разъединением регулируемого PDH метаболизма глюкозы.Кроме того, все четыре изофермента PDK, по-видимому, участвуют в изменении фосфорилирования и активности PDHE1α1 на разных стадиях после TBI из-за их различных пространственно-временных моделей индукции. Дивергентные изменения в экспрессии изоферментов PDK и PDP последовательно наблюдались в разное время после CCI-TBI [36]. Однако вопрос о том, как посттравматическая распространяющаяся кортикальная депрессия (CSD) коррелирует с экспрессией PDK / PDP при ЧМТ, остается без ответа.

9. ВЫВОДЫ И БУДУЩИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ

Эффективная мозговая деятельность требует адекватного энергоснабжения каждого из задействованных клеточных механизмов.Концепция метаболического взаимодействия между нейронами и глией, особенно астроцитами, в контексте поддержания гомеостаза энергетического метаболизма в головном мозге обсуждалась в течение некоторого времени. Кроме того, метаболизм астроцитов и нейронов тесно связан для удовлетворения анаболических и энергетических потребностей, связанных с активацией мозга. Глиальные клетки играют важную роль в метаболизме мозга, контролируя химический состав жидкости, окружающей нейроны. Структурные отношения между астроцитами и другими элементами нервной ткани имеют особое значение при обсуждении энергетического метаболизма мозга на клеточном уровне.Углубленное понимание метаболических взаимодействий нейронов и астроцитов предлагает потенциальные средства для разработки новых терапевтических стратегий для многих неврологических расстройств, связанных с метаболическим дефицитом. Специальная система PDK / PDP реагирует на сигналы метаболитов и гормонов, которые изменяют активность PDC в ответ на изменения состояния питания. PDK участвуют в регуляции окисления глюкозы, что в конечном итоге может повлиять на метаболизм глюкозы в организме. Метаболизм нейронов и глиальных клеток взаимосвязан, и эти клетки функционируют интегрированно.Кроме того, регуляция экспрессии или активности белка PDC способствует метаболическим фенотипам нейронов и астроцитов и направленному перемещению монокарбоксилатов между этими клетками. До сих пор гипотеза лактатного челнока астроцитов и нейронов обещает помочь раскрыть важные клеточные и молекулярные аспекты нейрометаболического взаимодействия. Астроциты играют центральную роль в этой связи, поскольку они забирают глюкозу из кровеносных сосудов для нейронов. С другой стороны, активность PDC жестко регулируется фосфорилированием четырьмя изоформами PDK.Появляется все больше свидетельств перекрестного взаимодействия между астроглиальными и нейрональными клетками с точки зрения поддержания потребности в энергии для неврологической деятельности.

Метаболические нарушения, основанные на системе PDH / PDK, вызывают дефекты синтеза, метаболизма, транспортировки и хранения биохимических соединений, что, в свою очередь, может привести к тканевой интоксикации или дефициту энергии в головном мозге, что приводит к опасным для жизни нейрометаболическим расстройствам у помимо дисфункции ряда других жизненно важных органов.Точная роль, которую играют PDKs в нервной системе, особенно во взаимодействиях глиальных нейронов, остается неясной, и многое еще предстоит определить относительно того, как PDKs участвуют в сигнальных путях и метаболическом контроле взаимодействий глия-нейрон. Дальнейшие исследования необходимы для подтверждения роли, которую играют PDKs в нервной системе, особенно во взаимодействиях глия-нейрон, и для изучения поведения PDK и соответствующих им микроРНК. Мы убеждены, что такие исследования приведут к серьезному прорыву в исследованиях нейробиологии и откроют новые измерения для трансляционных исследований расстройств нервной системы.

БЛАГОДАРНОСТИ

Эта работа была поддержана грантами Национального исследовательского фонда (NRF), финансируемыми Министерством образования, науки и технологий (MEST) правительства Кореи (2011-0028240). Это исследование также было поддержано грантом Корейского проекта исследований и разработок в области технологий здравоохранения Министерства здравоохранения и социального обеспечения Республики Корея (A111345).

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Автор (ы) подтверждают, что содержание этой статьи не имеет конфликта интересов.

ЛИТЕРАТУРА

1.Данфорд Э.С., Хербст Э.А., Джунг Н.Х., Гиттингс В., Инглис Дж.Г., Ванденбум Р., Леблан П.Дж., Харрис Р.А., Питерс С.Дж. Активация PDH во время in vitro мышечных сокращений у мышей с нокаутом PDH-киназы 2: эффект компенсации PDH-киназы 1. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2011; 300 (6 ): R1487–1493. [PubMed] [Google Scholar] 2. Дентон Р.М., Хейлстрап А.П. Регуляция метаболизма пирувата в тканях млекопитающих. Очерки Биохимии. 1979; 15: 37–77. [PubMed] [Google Scholar] 3. Питерс С.Дж., Сент-Аманд Т.А., Хоулетт Р.А., Хейгенхаузер Г.Дж., Spriet LL.Активность киназы пируватдегидрогеназы скелетных мышц человека увеличивается после низкоуглеводной диеты. Am J Physiol. 1998; 275 (6, часть 1 ): E980–986. [PubMed] [Google Scholar] 4. Смолл М., Прайор А.Е., Браун А.Е., Купер А., Байрон О., Линдси Дж. Новый уровень архитектурной сложности в комплексе пируватдегидрогеназы человека. J Biol Chem. 2006; 281 (28 ): 19772–19780. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 5. Сандерсон SJ, Миллер C, Линдси JG. Стехиометрическая организация и каталитическая функция протеина X пируватдегидрогеназного комплекса из сердца крупного рогатого скота.Eur J Biochem. 1996; 236 (1 ): 68–77. [PubMed] [Google Scholar] 6. Рид Л.Дж., Хакерт М.Л. Структурно-функциональные отношения в дигидролипоамидацилтрансферазах. J Biol Chem. 1990; 265 (16 ): 8971–8974. [PubMed] [Google Scholar] 7. Маенг CY, Yazdi MA, Niu XD, Lee HY, Reed LJ. Очистка экспрессии и характеристика связывающего дигидролипоамиддегидрогеназу белка пируватдегидрогеназного комплекса из Saccharomyces cerevisiae. Биохимия. 1994; 33 (46 ): 13801–13807. [PubMed] [Google Scholar] 8.Харрис Р.А., Боукер-Кинли М.М., Ву П., Дженг Дж., Попов К.М. Связывающий дигидролипоамиддегидрогеназу белок пируватдегидрогеназного комплекса человека. Аминокислотная последовательность, полученная из ДНК, экспрессия и восстановление комплекса пируватдегидрогеназы. J Biol Chem. 1997; 272 (32 ): 19746–19751. [PubMed] [Google Scholar] 9. Шурр А., Пейн RS. Лактат, а не пируват, является конечным продуктом нейронального аэробного гликолиза: электрофизиологическое исследование in vitro . Неврология. 2007; 147 (3 ): 613–619. [PubMed] [Google Scholar] 10.Харрис Р.А., Боукер-Кинли М.М., Хуанг Б., Ву П. Регулирование активности комплекса пируватдегидрогеназы. Adv Enzyme Regul. 2002. 42: 249–259. [PubMed] [Google Scholar] 11. Харрис Р.А., Хуанг Б., Ву П. Контроль экспрессии гена киназы пируватдегидрогеназы. Adv. Enzyme Regul. 2001. 41: 269–288. [PubMed] [Google Scholar] 12. Гуди Р., Боукер-Кинли М.М., Кедишвили Н.Ю., Чжао Ю., Попов К.М. Разнообразие семейства генов киназы пируватдегидрогеназы у людей. J Biol Chem. 1995; 270 (48 ): 28989–28994. [PubMed] [Google Scholar] 13.Machius M, Chuang JL, Wynn RM, Tomchick DR, Chuang DT. Структура киназы BCKD крысы: связь домена, индуцированного нуклеотидами в митохондриальной протеинкиназе. Proc Natl Acad Sci U S A. 2001; 98 (20 ): 11218–11223. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 14. Стейсси К.Н., Попов К.М., Баукер-Кинли М.М., Слоан Р.Б., мл., Харрис Р.А., Гамильтон Дж. Структура киназы пируватдегидрогеназы. Новый паттерн сворачивания сериновой протеинкиназы. J Biol Chem. 2001; 276 (40 ): 37443–37450. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 15.Rowles J, Scherer SW, Xi T, Majer M, Nickle DC, Rommens JM, Popov KM, Harris RA, Riebow NL, Xia J, Tsui LC, Bogardus C, Prochazka M. Клонирование и характеристика PDK4 на кодировке 7q21.3 четвертый изофермент киназы пируватдегидрогеназы у человека. J Biol Chem. 1996; 271 (37 ): 22376–22382. [PubMed] [Google Scholar] 16. Боукер-Кинли М, Попов КМ. Доказательства принадлежности киназы пируватдегидрогеназы к суперсемейству АТФазы / киназы. Biochem J. 1999; 344 (Pt 1 ): 47–53. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 17.Винн Р.М., Чуанг JL, Cote CD, Chuang DT. Сборка и сохранение тетрамеров в АТФ-связывающем домене киназы альфа-кетокислоты дегидрогеназы крысы с разветвленной цепью. J Biol Chem. 2000; 275 (39 ): 30512–30519. [PubMed] [Google Scholar] 18. Sugden MC, Холнесс MJ. Механизмы, лежащие в основе регуляции экспрессии и активности киназ пируватдегидрогеназы млекопитающих. Arch Physiol Biochem. 2006; 112 (3 ): 139–149. [PubMed] [Google Scholar] 19. Sugden MC, Холнесс MJ. Последние достижения в механизмах регуляции окисления глюкозы на уровне пируватдегидрогеназного комплекса с помощью PDK.Am J Physiol Endocrinol Metab. 2003; 284 (5 ): E855–862. [PubMed] [Google Scholar] 20. Sugden MC, Bulmer K, Holness MJ. Механизмы определения топлива, интегрирующие использование липидов и углеводов. Biochem Soc Trans. 2001; 29 (часть 2 ): 272–278. [PubMed] [Google Scholar] 21. Хуанг Б., Ву П., Попов К.М., Харрис Р.А. Голодание и диабет снижают количество фосфатазы пируватдегидрогеназы в сердце и почках крыс. Сахарный диабет. 2003; 52 (6 ): 1371–1376. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 22. Попов KM, Hawes JW, Harris RA.Митохондриальные киназы альфа-кетоациддегидрогеназы: новое семейство протеинкиназ. Adv Second Messenger Phosphoprotein Res. 1997. 31: 105–111. [PubMed] [Google Scholar] 23. Ву П., Сато Дж., Чжао Й., Яскевич Дж., Попов К.М., Харрис Р.А. Голодание и диабет увеличивают количество изофермента 4 киназы пируватдегидрогеназы в сердце крысы. Biochem J. 1998; 329 (Pt 1 ): 197–201. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 24. Ди РМ, Фэн QT, Чанг З., Луан Кью, Чжан Й.Й., Хуанг Дж., Ли XL, Ян З.З. PDK1 играет важную роль в регуляции сердечной функции у мышей и человека.Chin Med J (англ.) 2010; 123 (17 ): 2358–2363. [PubMed] [Google Scholar] 25. Сагден М.К., Балмер К., Августин Д., Холнесс М.Дж. Селективная модификация экспрессии изоформы киназы пируватдегидрогеназы в островках поджелудочной железы крыс, вызванная голоданием и активацией рецептора-альфа, активируемого пролифератором пероксисом: последствия для стимулированной глюкозой секреции инсулина. Сахарный диабет. 2001; 50 (12 ): 2729–2736. [PubMed] [Google Scholar] 26. Spriet LL, Tunstall RJ, Watt MJ, Mehan KA, Hargreaves M, Cameron-Smith D.Активация пируватдегидрогеназы и экспрессия киназы в скелетных мышцах человека во время голодания. J Appl Physiol. 2004; 96 (6 ): 2082–2087. [PubMed] [Google Scholar] 27. Bowker-Kinley MM, Davis WI, Wu P, Harris RA, Popov KM. Доказательства существования тканеспецифической регуляции пируватдегидрогеназного комплекса млекопитающих. Biochem J. 1998; 329 (Pt 1 ): 191–196. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 28. Ву П., Блэр П.В., Сато Дж., Яскевич Дж., Попов К.М., Харрис Р.А. Голодание увеличивает количество киназы пируватдегидрогеназы в некоторых тканях млекопитающих.Arch Biochem Biophys. 2000; 381 (1 ): 1–7. [PubMed] [Google Scholar] 29. Тиг В.М., Петтит Ф.Х., Йеман С.Дж., Рид Л.Дж. Функция сайтов фосфорилирования пируватдегидрогеназы. Biochem Biophys Res Commun. 1979; 87 (1 ): 244–252. [PubMed] [Google Scholar] 30. Короткина Л.Г., Патель М.С. Сайт-специфичность четырех изоферментов киназы пируватдегидрогеназы по отношению к трем сайтам фосфорилирования пируватдегидрогеназы человека. J Biol Chem. 2001; 276 (40 ): 37223–37229. [PubMed] [Google Scholar] 31. Попов К.М., Кедишвили Н.Ю., Чжао Ю., Гуди Р., Харрис Р.А.Молекулярное клонирование субъединицы p45 киназы пируватдегидрогеназы. J Biol Chem. 1994; 269 (47 ): 29720–29724. [PubMed] [Google Scholar] 32. Винн Р.М., Като М., Чуанг Дж.Л., Цо С.К., Ли Дж., Чуанг Д.Т. Структуры киназы-4 пируватдегидрогеназы обнаруживают метастабильную открытую конформацию, способствующую устойчивой базальной активности без ядра. J Biol Chem. 2008; 283 (37 ): 25305–25315. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 33. Попов К.М., Кедишвили Н.Ю., Чжао Ю., Шимомура Ю., Крабб Д.В., Харрис Р.А. Первичная структура киназы пируватдегидрогеназы создает новое семейство эукариотических протеинкиназ.J Biol Chem. 1993; 268 (35 ): 26602–26606. [PubMed] [Google Scholar] 34. Леблан П.Дж., Питерс С.Дж., Танстолл Р.Дж., Камерон-Смит Д., Хейгенхаузер Г.Дж. Влияние аэробных тренировок на пируватдегидрогеназу и киназу пируватдегидрогеназы в скелетных мышцах человека. J Physiol. 2004; 557 (часть 2 ): 559–570. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 35. Хуанг Б., Гуди Р., Ву П., Харрис Р.А., Гамильтон Дж., Попов К.М. Изоферменты фосфатазы пируватдегидрогеназы. Аминокислотные последовательности, полученные из ДНК, экспрессия и регуляция.J Biol Chem. 1998; 273 (28 ): 17680–17688. [PubMed] [Google Scholar] 36. Xing G, Ren M, O’Neill JT, Verma A, Watson WD. Контролируемое ударное повреждение коры и трепанация черепа приводят к дивергентным изменениям ферментов метаболизма пирувата в головном мозге крысы. Exp Neurol. 2012; 234 (1 ): 31–38. [PubMed] [Google Scholar] 37. Холнесс MJ, Sugden MC. Регулирование активности комплекса пируватдегидрогеназы путем обратимого фосфорилирования. Biochem Soc Trans. 2003; 31 (часть 6 ): 1143–1151. [PubMed] [Google Scholar] 38. Токмаков А.А.Сравнительное моделирование гомологии изоферментов киназы пируватдегидрогеназы Xenopus tropicalis выявляет структурные основы их субфункционализации. Модель J Mol. 2011. [PubMed] 39. Лоренсикиене Дж., Стенсон Б.М., Арвидссон Нордстром Э., Агустссон Т., Лангин Д., Исакссон Б., Пермерт Дж., Райден М., Арнер П. Доказательства важной роли CIDEA в раковой кахексии человека. Cancer Res. 2008; 68 (22 ): 9247–9254. [PubMed] [Google Scholar] 40. Randle PJ. Выбор топлива у животных. Biochem Soc Trans. 1986; 14 (5 ): 799–806.[PubMed] [Google Scholar] 41. Патель М.С., Рош Т.Е. Молекулярная биология и биохимия комплексов пируватдегидрогеназы. FASEB J. 1990; 4 (14 ): 3224–3233. [PubMed] [Google Scholar] 42. Сагден М.С., Орфали К.А., Фрайер Л.Г., Холнесс М.Дж., Пристман Д.А. Молекулярные механизмы, лежащие в основе долгосрочного воздействия пищевых жиров на увеличение киназы сердечной пируватдегидрогеназы: регуляция циклическим АМФ инсулина и пируватом. J Mol Cell Cardiol. 1997; 29 (7 ): 1867–1875. [PubMed] [Google Scholar] 43. Randle PJ. Регуляторные взаимодействия между липидами и углеводами: цикл жирных кислот глюкозы через 35 лет.Диабет Metab Rev.1998; 14 (4 ): 263–283. [PubMed] [Google Scholar] 44. Патель М.С., Короткина Л.Г. Регулирование комплекса пируватдегидрогеназы. Biochem Soc Trans. 2006; 34 (часть 2 ): 217–222. [PubMed] [Google Scholar] 45. Пристман Д.А., Мистри С.К., Холсалл А., Рэндл П.Дж. Роль синтеза белка и метаболизма жирных кислот в долгосрочном регулировании киназы пируватдегидрогеназы. Biochem J. 1994; 300 (Pt 3 ): 659–664. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 46. Дентон Р.М., Маккормак Дж. Г., Раттер Г. А., Бернетт П., Эджелл Н. Дж., Муле С. К., Диггл Т. А..Гормональная регуляция пируватдегидрогеназного комплекса. Adv Enzyme Regul. 1996; 36: 183–198. [PubMed] [Google Scholar] 47. Рош Т.Е., Бейкер Дж.С., Ян Х, Хиромаса Й., Гонг Х, Пэн Т., Донг Дж., Тюркан А., Кастен С.А. Отличительные регуляторные свойства киназы пируватдегидрогеназы и изоформ фосфатазы. Прог. Nucleic Acid Res Mol Biol. 2001; 70: 33–75. [PubMed] [Google Scholar] 48. Ван З., Ивасаки Ю., Чжао Л.Ф., Нишияма М., Тагучи Т., Цугита М., Камбаяши М., Хашимото К., Терада Ю. Гормональная регуляция гена гликолитического фермента и транскрипция гена киназы / фосфатазы пируватдегидрогеназы.Endocr J. 2009; 56 (8 ): 1019–1030. [PubMed] [Google Scholar] 49. Zhou Q, Lam PY, Han D, Cadenas E. Активация c-Jun-N-терминальной киназы и снижение активности митохондриальной пируватдегидрогеназы во время старения мозга. FEBS Lett. 2009; 583 (7 ): 1132–1140. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 50. Холнесс М.Дж., Смит Н.Д., Балмер К., Хопкинс Т., Гиббонс Г.Ф., Сагден М.С. Оценка роли рецептора альфа, активируемого пролифератором пероксисом, в регуляции экспрессии сердечного белка киназы 4 пируватдегидрогеназы в ответ на голодание, питание с высоким содержанием жиров и гипертиреоз.Biochem J. 2002; 364 (Pt 3 ): 687–694. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 51. Хуан Б., Ву П., Боукер-Кинли М.М., Харрис Р.А. Регулирование экспрессии киназы пируватдегидрогеназы с помощью глюкокортикоидов и инсулина, активируемых пролифератором пероксисом, лигандами рецептора альфа. Сахарный диабет. 2002; 51 (2 ): 276–283. [PubMed] [Google Scholar] 52. Яо Дж., Ирвин Р.В., Чжао Л., Нильсен Дж., Гамильтон Р.Т., Бринтон Р.Д. Митохондриальный биоэнергетический дефицит предшествует патологии Альцгеймера в модели самок мышей с болезнью Альцгеймера.Proc Natl Acad Sci U S A. 2009; 106 (34 ): 14670–14675. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 53. Пеликано Х., Мартин Д.С., Сюй Р.Х., Хуанг П. Ингибирование гликолиза для противоопухолевого лечения. Онкоген. 2006; 25 (34 ): 4633–4646. [PubMed] [Google Scholar] 54. Stacpoole PW. Фармакология дихлорацетата. Обмен веществ. 1989; 38 (11 ): 1124–1144. [PubMed] [Google Scholar] 55. Боннет С., Арчер С.Л., Аллалунис-Тернер Дж., Хароми А., Болье С., Томпсон Р., Ли К. Т., Лопащук Г. Д., Путтагунта Л., Гарри Дж., Хашимото К., Портер С. Джей, Андраде М. А., Тибо Б., Мичелакис Е. Д..Ось митохондриального канала K + подавляется при раке, и его нормализация способствует апоптозу и подавляет рост рака. Раковая клетка. 2007; 11 (1 ): 37–51. [PubMed] [Google Scholar] 56. Пан JG, Мак TW. Метаболическое нацеливание как противораковая стратегия: рассвет новой эры? Sci STKE. 2007; 2007 (381 ): pe14. [PubMed] [Google Scholar] 57. Balmaceda-Aguilera C, Cortes-Campos C, Cifuentes M, Peruzzo B, Mack L, Tapia JC, Oyarce K, Garcia MA, Nualart F. Транспортер глюкозы 1 и транспортеры монокарбоксилата 1, 2 и 4 Локализация в глиальных клетках акулы Кровь-мозг-барьеры.PLoS One. 2012; 7 (2 ): e32409. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 58. Мацумото К., Акадзава С., Ишибаши М., Трочино Р.А., Мацуо Х., Ямасаки Н., Ямагути Ю., Нагамацу С., Нагатаки С. Обильная экспрессия GLUT1 и GLUT3 в эмбрионе крысы в ​​период раннего органогенеза. Biochem. Biophys Res Commun. 1995; 209 (1 ): 95–102. [PubMed] [Google Scholar] 59. Silver IA, Deas J, Erecinska M. Гомеостаз ионов в клетках мозга: различия во внутриклеточных реакциях ионов на ограничение энергии между культивируемыми нейронами и глиальными клетками.Неврология. 1997; 78 (2 ): 589–601. [PubMed] [Google Scholar] 60. Ю. А.С., Дрейер Дж., Герц Л., Шоусбо А. Активность пируваткарбоксилазы в первичных культурах астроцитов и нейронов. J Neurochem. 1983; 41 (5 ): 1484–1487. [PubMed] [Google Scholar] 61. Мартинес-Эрнандес А., Белл КП, Норенберг, доктор медицины. Глутамин синтетаза: глиальная локализация в головном мозге. Наука. 1977; 195 (4284 ): 1356–1358. [PubMed] [Google Scholar] 62. Халим Н.Д., МакФейт Т., Мохиелдин А., Окагаки П., Короткина Л.Г., Патель М.С., Джунг Н.Х., Харрис Р.А., Шелл М.Дж., Верма А.Статус фосфорилирования пируватдегидрогеназы различает метаболические фенотипы культивируемых астроцитов и нейронов головного мозга крыс. Глия. 2010; 58 (10 ): 1168–1176. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 63. Магистретти П.Дж., Пеллерин Л., Ротман Д.Л., Шульман Р.Г. Энергия по запросу. Наука. 1999; 283 (5401 ): 496–497. [PubMed] [Google Scholar] 64. Magistretti PJ. Метаболическая связь и пластичность нейронов и глии. J Exper Biol. 2006; 209 (часть 12 ): 2304–2311. [PubMed] [Google Scholar] 65. Такано Т., Тиан Г.Ф., Пэн В., Лу Н., Либионка В., Хан Х, Недергаард М.Астроцит-опосредованный контроль мозгового кровотока. Nat Neuroscience. 2006; 9 (2 ): 260–267. [PubMed] [Google Scholar] 66. Брайтман М.В., Риз Т.С. Соединения между плотно прилегающими клеточными мембранами в головном мозге позвоночных. J Cell Biol. 1969; 40 (3 ): 648–677. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 67. Баррос Л.Ф., Биттнер С.Х., Лоайса А., Поррас Огайо. Количественный обзор динамики глюкозы в глиоваскулярной единице. Глия. 2007; 55 (12 ): 1222–1237. [PubMed] [Google Scholar] 68. Симпсон И.А., Каррутерс А., Ваннуччи С.Дж.Спрос и предложение в метаболизме энергии мозга: роль переносчиков питательных веществ. J Cerebral Blood Flow Metabol. 2007; 27 (11 ): 1766–1791. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 69. Динел Г.А., Нельсон Т., Круз Н.Ф., Джей Т., Крейн А.М., Соколофф Л. Завышенная оценка активности глюкозо-6-фосфатазы в мозге in vivo Очевидная разница в уровнях [2-3H] глюкозы и [U-14C ] утилизация глюкозы происходит из-за загрязнения пула предшественников продуктами, меченными 14C, и неполного восстановления метаболитов, меченных 14C.J Biol Chem. 1988; 263 (36 ): 19697–19708. [PubMed] [Google Scholar] 70. Дринген Р., Гебхардт Р., Хампрехт Б. Гликоген в астроцитах: возможная функция как снабжение лактатом соседних клеток. Brain Res. 1993; 623 (2 ): 208–214. [PubMed] [Google Scholar] 71. Пеллерин Л., Магистретти П.Дж. Поглощение глутамата астроцитами стимулирует аэробный гликолиз: механизм, связывающий активность нейронов с утилизацией глюкозы. Pro Natl Acad Sci U S A. 1994; 91 (22 ): 10625–10629. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 72.Mangia S, Giove F, Tkac I, Logothetis NK, Henry PG, Olman CA, Maraviglia B, Di Salle F, Ugurbil K. Метаболические и гемодинамические события после изменений нейрональной активности: текущие гипотезы, теоретические прогнозы и in vivo ЯМР эксперимент Выводы. J Cerebral Blood Flow Metabol. 2009; 29 (3 ): 441–463. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 73. Герц Л., Динель Г.А. Энергетический обмен в головном мозге. Int Rev Neurobiol. 2002; 51: 1–102. [PubMed] [Google Scholar] 74. Gjedde A, Marrett S, Vafaee M.Окислительный и неокислительный метаболизм возбужденных нейронов и астроцитов. J Cerebral Blood Flow Metabol. 2002; 22 (1 ): 1–14. [PubMed] [Google Scholar] 76. Occhipinti R, Somersalo E, Calvetti D. Астроциты как шунт глюкозы для глутаматергических нейронов при высокой активности: исследование in silico. J Neurophysiol. 2009; 101 (5 ): 2528–2538. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 77. Чих КП, Липтон П., Робертс Э.Л. мл. Действительно ли активные нейроны головного мозга используют лактат, а не глюкозу? Trends Neurosci. 2001; 24 (10 ): 573–578.[PubMed] [Google Scholar] 78. Бонвенто Дж., Херард А.С., Воутсинос-Порче Б. Шаттл астроцита и нейрона с лактатом: обсуждаемая, но все еще ценная гипотеза для визуализации мозга. J. Метаболизм церебрального кровотока. 2005; 25 (10 ): 1394–1399. [PubMed] [Google Scholar] 79. Лейберт Л. Нейробарьерная связь в головном мозге: партнер нейроваскулярной и нейрометаболической связи? J Cerebral Blood Flow Metabol. 2005; 25 (1 ): 2–16. [PubMed] [Google Scholar] 80. Динель Г.А., Круз Н.Ф. Питание во время активации мозга: влияет ли обмен лактата от клетки к клетке на кислую и сладкую пищу для размышлений? Neurochem Internat.2004; 45 (2-3 ): 321–351. [PubMed] [Google Scholar] 81. Пеллерен Л., Бузье-Сор А.К., Обер А., Серрес С., Мерль М., Косталат Р., Магистретти П.Дж. Активно-зависимая регуляция энергетического обмена астроцитами: обновленная информация. Глия. 2007; 55 (12 ): 1251–1262. [PubMed] [Google Scholar] 82. Nehlig A, Coles JA. Клеточные пути энергетического обмена в головном мозге: глюкоза используется нейронами или астроцитами? Глия. 2007; 55 (12 ): 1238–1250. [PubMed] [Google Scholar] 83. Ганди Г.К., Круз Н.Ф., Болл К.К., Динель Г.А. Астроциты готовы к перемещению и высвобождению лактата из активированного мозга, а также к доставке глюкозы в нейроны.J Neurochem. 2009; 111 (2 ): 522–536. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 84. Mangia S, Simpson IA, Vannucci SJ, Carruthers A. in vivo лактатный челнок между нейронами и астроцитами в человеческом мозге: данные моделирования измеренных уровней лактата во время визуальной стимуляции. J Neurochem. 2009; 109 (Дополнение 1 ): 55–62. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 85. Обер А., Косталат Р., Магистретти П. Дж., Пеллерин Л. Кинетика лактата в мозге: моделирование доказательств поглощения нейронами лактата при активации.Proc Natl Acad Sci U S A. 2005; 102 (45 ): 16448–16453. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 86. Хайдер Ф., Патель А.Б., Джедде А., Ротман Д.Л., Бехар К.Л., Шульман Р.Г. Нейронально-глиальное окисление глюкозы и глутаматергико-ГАМКергическая функция. J Cerebral Blood Flow Metabol. 2006; 26 (7 ): 865–877. [PubMed] [Google Scholar] 87. Обер А., Косталат Р. Компартментализация энергетического метаболизма мозга между глией и нейронами: выводы из математического моделирования. Глия. 2007; 55 (12 ): 1272–1279. [PubMed] [Google Scholar] 88.Мангиа С., ДиНуццо М., Джове Ф., Каррутерс А., Симпсон И.А., Ваннуччи С.Дж. Ответ на «комментарий к недавним модельным исследованиям метаболических взаимодействий астроцитов и нейронов»: много шума из ничего. J Cerebral Blood Flow Metabol. 2011; 31 (6 ): 1346–1353. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 89. Genc S, Kurnaz IA, Ozilgen M. Лактатный челнок между астроцитами и нейронами может увеличить поступление АТФ в нейрон в условиях гипоксии — исследование in silico, подтвержденное данными по экспрессии in vitro . BMC Syst Biol.2011; 5: 162. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 90. Смоллбоун К., Симеонидис Э., Суэйнстон Н., Мендес П. К кинетической модели клеточного метаболизма в масштабе генома. BMC Syst Biol. 2010; 4: 6. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 91. Hauptmann S, Scherping I, Drose S, Brandt U, Schulz KL, Jendrach M, Leuner K, Eckert A, Muller WE. Митохондриальная дисфункция: раннее проявление патологии Альцгеймера накапливается с возрастом у трансгенных мышей с БА. Neurobiol Aging. 2009; 30 (10 ): 1574–1586. [PubMed] [Google Scholar] 92.Николсон Р.М., Кусне Й., Новак Л.А., ЛаФерла Ф.М., Рейман Е.М., Валла Дж. Региональное церебральное потребление глюкозы в модели болезни Альцгеймера 3xTG подчеркивает общую региональную уязвимость в моделях мышей с БА. Brain Res. 2010; 1347: 179–185. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 93. Гибсон Г.Е., Ши К. Митоцентрический взгляд на болезнь Альцгеймера предлагает многогранные методы лечения. J. Alzheimers Dis. 2010; 20 (Дополнение 2 ): S591–607. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 94. Москони Л., Мистур Р., Свитальский Р., Брыс М., Глодзик Л., Rich K, Pirraglia E, Tsui W, De Santi S, de Leon MJ.Снижение метаболизма глюкозы в головном мозге у здоровых людей с материнской историей болезни Альцгеймера. Неврология. 2009; 72 (6 ): 513–520. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 95. Москони Л., Мистур Р., Свитальски Р., Цуй У.Х., Глодзик Л., Ли Ю., Пирраглиа Е., Де Санти С., Рейсберг Б., Вишневски Т., де Леон М.Дж. ФДГ-ПЭТ изменяет метаболизм глюкозы в головном мозге от нормального познания до патологически подтвержденной болезни Альцгеймера. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2009; 36 (5 ): 811–822. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 96.Reiman EM, Chen K, Alexander GE, Caselli RJ, Bandy D, Osborne D, Saunders AM, Hardy J. Функциональные аномалии головного мозга у молодых людей с генетическим риском развития слабоумия Альцгеймера с поздним началом. Proc Natl Acad Sci U S A. 2004; 101 (1 ): 284–289. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 97. Москони Л., Де Санти С., Ли Дж., Цуй У.Х., Ли Й., Боппана М., Ласка Е., Русинек Х., де Леон М.Дж. Гипометаболизм гиппокампа предсказывает снижение когнитивных функций в результате нормального старения. Neurobiol Aging. 2008; 29 (5 ): 676–692. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 98.Манчак М., Анеконда Т.С., Хенсон Э., Парк Б.С., Куинн Дж., Редди П.Х. Митохондрии являются прямым местом накопления Aβ в нейронах болезни Альцгеймера: последствия для образования свободных радикалов и окислительного повреждения в прогрессировании болезни. Hum Mol Genet. 2006; 15 (9 ): 1437–1449. [PubMed] [Google Scholar] 99. Деви Л., Прабху Б.М., Галати Д.Ф., Авадхани Н.Г., Анандатхиртхаварада Х.К. Накопление белка-предшественника амилоида в митохондриальных каналах импорта мозга человека при болезни Альцгеймера связано с митохондриальной дисфункцией.J Neurosci. 2006; 26 (35 ): 9057–9068. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 100. Касперсен К., Ван Н., Яо Дж., Сосунов А., Чен Х, Люстбейдер Дж. У., Сюй Х. В., Стерн Д., МакКханн Г., Ян С. Д.. Митохондриальная Abeta: потенциальный очаг нейрональной метаболической дисфункции при болезни Альцгеймера. FASEB J. 2005; 19 (14 ): 2040–2041. [PubMed] [Google Scholar] 101. Нуномура А., Перри Дж., Алиев Дж., Хираи К., Такеда А., Балрадж Е.К., Джонс П.К., Ганбари Х., Ватая Т., Шимохама С., Чиба С., Этвуд К.С., Петерсен Р.Б., Смит М.А. Окислительное повреждение — самое раннее проявление болезни Альцгеймера.J Neuropathol Exp Neurol. 2001; 60 (8 ): 759–767. [PubMed] [Google Scholar] 102. ДеКоски ST, Scheff SW, Styren SD. Структурные корреляты познания при деменции: количественная оценка и оценка изменения синапсов. Нейродегенерация. 1996; 5 (4 ): 417–421. [PubMed] [Google Scholar] 103. Селькое DJ. Болезнь Альцгеймера — это синаптическая недостаточность. Наука. 2002; 298 (5594 ): 789–791. [PubMed] [Google Scholar] 104. Бил М.Ф. Митохондрии занимают центральное место в процессе старения и нейродегенерации. Энн Нейрол. 2005; 58 (4 ): 495–505. [PubMed] [Google Scholar] 105.Редди PH, Бил MF. Бета-амилоидная митохондриальная дисфункция и синаптическое повреждение: последствия для снижения когнитивных функций при старении и болезни Альцгеймера. Тенденции Мол Мед. 2008; 14 (2 ): 45–53. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 106. Park LC, Zhang H, Sheu KF, Calingasan NY, Kristal BS, Lindsay JG, Gibson GE. Нарушение обмена веществ вызывает окислительный стресс, снижает воспалительные реакции и инактивирует ключевой митохондриальный фермент в микроглии. J Neurochem. 1999; 72 (5 ): 1948–1958. [PubMed] [Google Scholar] 107.Старков А.А., Фискум Г., Чинопулос К., Лоренцо Б.Дж., Браун С.Е., Патель М.С., Бил М.Ф. Митохондриальный альфа-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс генерирует активные формы кислорода. J Neurosci. 2004; 24 (36 ): 7779–7788. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 108. Blass JP. митохондриальная спираль. Адекватная причина слабоумия при синдроме Альцгеймера. Ann N Y Acad Sci. 2000; 924: 170–183. [PubMed] [Google Scholar] 109. Pratico D, Yao Y, Rokach J, Mayo M, Silverberg GG, McGuire D. Уменьшение перекисного окисления липидов мозга с помощью дренажа спинномозговой жидкости у пациентов с болезнью Альцгеймера.J Alzheimers Dis 385-389. 2004. 6 (4): 385–389. обсуждение 443-389. [PubMed] [Google Scholar] 110. Почернич CB, Баттерфилд Д.А. Акролеин подавляет активность митохондриальных ферментов, связанных с НАДН: последствия для болезни Альцгеймера. Neurotox Res. 2003; 5 (7 ): 515–520. [PubMed] [Google Scholar] 111. Sun L, Luo C, Long J, Wei D, Liu J. Акролеин — митохондриальный токсин: влияние на дыхательную функцию и активность ферментов в изолированных митохондриях печени крысы. Митохондрия. 2006; 6 (3 ): 136–142. [PubMed] [Google Scholar] 112.Ловелл М.А., Се Ц., Марксбери В.Р. Акролеин, продукт перекисного окисления липидов, ингибирует захват глюкозы и глутамата в первичных культурах нейронов. Free Radical Biol Med. 2000; 29 (8 ): 714–720. [PubMed] [Google Scholar] 113. Nakai N, Obayashi M, Nagasaki M, Sato Y, Fujitsuka N, Yoshimura A, Miyazaki Y, Sugiyama S, Shimomura Y. Обилие мРНК для изоферментов киназы пируватдегидрогеназы в областях мозга молодых и старых крыс. Life Sci. 2000; 68 (5 ): 497–503. [PubMed] [Google Scholar] 114. Наварро А., Санчес Дель Пино М.Дж., Гомес К., Перальта Д.Л., Боверис А.Поведенческая дисфункция, окислительный стресс мозга и нарушение митохондриального переноса электронов у стареющих мышей. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2002; 282 (4 ): R985–992. [PubMed] [Google Scholar] 115. Катох-Семба Р., Кейно Х., Кашивамата С. Возможный вклад глиальных клеток в производство энергии нейронов: ферментно-гистохимические исследования в развивающемся мозжечке крысы. Cell Tissue Res. 1988; 252 (1 ): 133–139. [PubMed] [Google Scholar] 116. Wang J, Bai L, Li J, Sun C, Zhao J, Cui C, Han K, Liu Y, Zhuo X, Wang T, Liu P, Fan F, Guan Y, Ma A.Протеомный анализ митохондрий показывает метаболический переход от окисления жирных кислот к гликолизу в больном сердце. Наука в Китае. Серия C Life Sci. 2009; 52 (11 ): 1003–1010. [PubMed] [Google Scholar] 117. Stacpoole PW. Комплекс пируватдегидрогеназы как терапевтическая мишень при возрастных заболеваниях. Ячейка старения. 2012. [PubMed] 118. Мишелакис Э.Д., Сутендра Дж., Дромпарис П., Вебстер Л., Хароми А., Нивен Э, Магуайр С., Гаммер Т.Л., Макки Дж. Р., Фултон Д., Абдулкарим Б., Макмертри М.С., Петрук К.С.. Метаболическая модуляция глиобластомы дихлорацетатом.Sci Transl Med. 2010; 2 (31 ): 31ra34. [PubMed] [Google Scholar] 120. Лу Х, Форбс Р.А., Верма А. Активация индуцируемого гипоксией фактора 1 аэробным гликолизом предполагает влияние эффекта Варбурга на канцерогенез. J Biol Chem. 2002; 277 (26 ): 23111–23115. [PubMed] [Google Scholar] 121. Мичелакис ЭД, Вебстер Л., Макки-младший. Дихлорацетат (DCA) как потенциальная метаболически направленная терапия рака. Br J Рак. 2008; 99 (7 ): 989–994. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 122. Черт возьми, CV. Взаимодействие между MYC и HIF в эффекте Варбурга.Эрнст Шеринг нашел Symp Proc. 2007. С. 35–53. [PubMed] 123. Ким Дж. В., Чернышев И., Семенза Г. Л., Данг CV. HIF-1-опосредованная экспрессия киназы пируватдегидрогеназы: метаболический переключатель, необходимый для клеточной адаптации к гипоксии. Cell Metab. 2006; 3 (3 ): 177–185. [PubMed] [Google Scholar] 124. Ким Дж.В., Гао П, Лю Ю.С., Семенза Г.Л., Данг CV. Фактор 1, индуцируемый гипоксией, и дисрегулируемый c-Myc совместно индуцируют фактор роста эндотелия сосудов и метаболические переключатели гексокиназы 2 и киназы пируватдегидрогеназы 1.Mol Cell Biol. 2007; 27 (21 ): 7381–7393. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 125. Папандреу И., Кэрнс Р.А., Фонтана Л., Лим А.Л., Денко, Северная Каролина. HIF-1 опосредует адаптацию к гипоксии, активно подавляя потребление кислорода митохондриями. Cell Metab. 2006; 3 (3 ): 187–197. [PubMed] [Google Scholar] 126. Лу Х, Далгард С.Л., Мохиелдин А, МакФейт Т, Тайт А.С., Верма А. Обратимая инактивация пролилгидроксилаз HIF-1 позволяет клеточному метаболизму контролировать базальный HIF-1. J Biol Chem. 2005; 280 (51 ): 41928–41939.[PubMed] [Google Scholar] 127. McFate T, Mohyeldin A, Lu H, Thakar J, Henriques J, Halim ND, Wu H, Schell MJ, Tsang TM, Teahan O, Zhou S, Califano JA, Jeoung NH, Harris RA, Verma A. Контроль активности комплекса пируватдегидрогеназы метаболический и злокачественный фенотип в раковых клетках. J Biol Chem. 2008; 283 (33 ): 22700–22708. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 128. Fiskum G, Rosenthal RE, Vereczki V, Martin E, Hoffman GE, Chinopoulos C, Kowaltowski A. Защита от ишемического повреждения мозга путем ингибирования митохондриального окислительного стресса.J Bioenerg Biomembr. 2004; 36 (4 ): 347–352. [PubMed] [Google Scholar] 129. Verweij BH, Muizelaar JP, Vinas FC, Peterson PL, Xiong Y, Lee CP. Нарушение функции митохондрий головного мозга после черепно-мозговой травмы у человека. J Neurosurg. 2000; 93 (5 ): 815–820. [PubMed] [Google Scholar] 130. Xiong Y, Gu Q, Peterson PL, Muizelaar JP, Lee CP. Дисфункция митохондрий и нарушение кальция, вызванное черепно-мозговой травмой. J Neurotrauma. 1997; 14 (1 ): 23–34. [PubMed] [Google Scholar] 131. Verweij BH, Muizelaar JP, Vinas FC, Peterson PL, Xiong Y, Lee CP.Дисфункция митохондрий после экспериментальной травмы головного мозга и травмы головного мозга человека и ее возможное устранение с помощью селективного антагониста кальциевых каналов N-типа (SNX-111) Neurol Res. 1997; 19 (3 ): 334–339. [PubMed] [Google Scholar] 132. Веспа П., Бергснайдер М., Хаттори Н., Ву Х.М., Хуанг С.К., Мартин Н.А., Гленн Т.К., МакАртур Д.Л., Ховда Д.А. Метаболический кризис без ишемии головного мозга является обычным явлением после черепно-мозговой травмы: комбинированного исследования микродиализа и позитронно-эмиссионной томографии. J Cereb Blood Flow Metab. 2005; 25 (6 ): 763–774.[Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 133. Принс М.Л., Ли С.М., Фудзима Л.С., Ховда Д.А. Повышенное церебральное поглощение и окисление экзогенного бетаНВ улучшает АТФ после черепно-мозговой травмы у взрослых крыс. J Neurochem. 2004; 90 (3 ): 666–672. [PubMed] [Google Scholar] 134. Лифшиц Дж., Фриберг Х., Неймар Р. У., Рагупати Р., Валлийский Ф. А., Джанмей П., Саатман К. Э., Велох Т., Грейди М. С., Макинтош Т. К.. Структурные и функциональные повреждения митохондрий после черепно-мозговой травмы у крысы: данные о дифференциально чувствительных популяциях в коре и гиппокампе.J Cereb Blood Flow Metab. 2003; 23 (2 ): 219–231. [PubMed] [Google Scholar] 135. Hillered L, Enblad P. Неишемический энергетический метаболический кризис при острой черепно-мозговой травме. Crit Care Med. 2008; 36 (10 ): 2952–2953. [PubMed] [Google Scholar] 136. Hattori N, Huang SC, Wu HM, Yeh E, Glenn TC, Vespa PM, McArthur D, Phelps ME, Hovda DA, Bergsneider M. Корреляция региональных показателей метаболизма глюкозы со шкалой комы Глазго после черепно-мозговой травмы. J Nucl Med. 2003; 44 (11 ): 1709–1716. [PubMed] [Google Scholar] 137.Ёшино А., Ховда Д.А., Кавамата Т., Катаяма Ю., Беккер Д.П. Динамические изменения в локальной утилизации глюкозы головного мозга после церебрального заключения у крыс: свидетельство гипер- и последующего гипометаболического состояния. Brain Res. 1991; 561 (1 ): 106–119. [PubMed] [Google Scholar] 138. Roche TE, Hiromasa Y. Механизмы регуляции и ингибирования киназы пируватдегидрогеназы при лечении диабета, ишемии сердца и рака. Cell Mol Life Sci. 2007; 64 (7-8 ): 830–849. [PubMed] [Google Scholar] 139. Xing G, Ren M, Watson WD, O’Neill JT, Verma A.Экспрессия и фосфорилирование пируватдегидрогеназы, вызванные черепно-мозговой травмой: механизм дисрегуляции метаболизма глюкозы. Neurosci Lett. 2009; 454 (1 ): 38–42. [PubMed] [Google Scholar] 140. Опии В.О., Нукала В.Н., Султана Р., Пандия Д.Д., Дэй К.М., Торговец М.Л., Кляйн Дж.Б., Салливан П.Г., Баттерфилд Д.А. Протеомная идентификация окисленных митохондриальных белков после экспериментальной черепно-мозговой травмы. J Neurotrauma. 2007; 24 (5 ): 772–789. [PubMed] [Google Scholar] 141. Робертсон К.Л., Сарасвати М., Фискум Г.Митохондриальная дисфункция на ранней стадии после черепно-мозговой травмы у неполовозрелых крыс. J Neurochem. 2007; 101 (5 ): 1248–1257. [PubMed] [Google Scholar]

Важнейшая роль киназ пируватдегидрогеназы в метаболической гибкости | Питание и обмен веществ

Поддержание баланса между спросом и предложением энергии имеет решающее значение для здоровья. Глюкоза и липиды (жирные кислоты и кетоновые тела) как источники клеточной энергии могут конкурировать и взаимодействовать друг с другом [1]. Способность организма адаптировать окисление топлива к доступности топлива, то есть предпочтительно использовать углеводное и липидное топливо и иметь возможность быстро переключаться между ними, называется метаболической гибкостью [2, 3].Неспособность согласовать окисление топлива с изменениями доступности питательных веществ часто сопровождается такими симптомами, как инсулинорезистентность, эктопическое накопление липидов и дисфункция митохондрий [3, 4]. Таким образом, метаболическая негибкость тесно связана с рядом синдромов, таких как диабет 2 типа (T2D), ожирение, сердечно-сосудистые заболевания и метаболический синдром.

Одним из основных ферментов, ответственных за метаболическую гибкость у млекопитающих, является пируватдегидрогеназный комплекс (PDC), митохондриальный мультиферментный комплекс, который катализирует окислительное декарбоксилирование пирувата [5].PDC контролирует превращение пирувата, кофермента A (CoA) и NAD + в ацетил-CoA, NADH и CO 2 и, таким образом, связывает метаболизм жирных кислот, метаболизм глюкозы и цикл трикарбоновой кислоты (TCA) [6]. Двухуглеродное звено, активированное КоА, образующееся в результате катаболизма пирувата, может конденсироваться с оксалоацетатом в первой реакции цикла TCA или использоваться для синтеза жирных кислот и холестерина [7]. Пируват также может сохраняться для глюконеогенеза в печени и почках [8].Таким образом, PDC занимает центральное место в энергетическом метаболизме клетки (рис. 1).

Рисунок 1

PDC и PDK занимают центральные позиции в энергетическом метаболизме клеток. Жирные кислоты и глюкоза конкурируют друг с другом за окисление на уровне PDC у млекопитающих. PDC катализирует окислительное декарбоксилирование пирувата с образованием ацетил-КоА и, таким образом, связывает метаболизм глюкозы и метаболизм жирных кислот. PDC может фосфорилироваться PDK, которые могут регулироваться митохондриальным ацетил-CoA, NADH, пируватом, АТФ и факторами ядерной транскрипции.ERRα: рецептор, связанный с эстрогеном; FoxO: Протеин O коробчатой ​​вилки; NEFA: неэтерифицированная жирная кислота; PDC: комплекс пируватдегидрогеназы; PDK: киназы пируватдегидрогеназы; PGC1α: соактиватор PPARγ 1α; PPAR: рецепторы, активируемые пролифератором пероксисом; ТГ: триглицерид; TCA: трикарбоновая кислота.

ППК более активен в здоровом и сытом состоянии. Однако подавление PDC имеет решающее значение для синтеза глюкозы, когда глюкозы не хватает [9]. Инактивация активности PDC катализируется четырьмя высокоспецифичными изоферментами киназы пируватдегидрогеназы (PDH) (PDK), которые могут фосфорилировать специфические сериновые остатки в α-субъединице фермента E1 в PDC [5, 10].Из всех известных изоферментов PDK2 и PDK4 являются наиболее широко распространенными и высоко экспрессируются в сердце, печени и почках у людей и грызунов. PDK4 также присутствует в большом количестве в островках поджелудочной железы и в скелетных мышцах, которые имеют высокую скорость использования глюкозы и окисления жирных кислот. PDK1 и PDK3 имеют довольно ограниченное распространение в тканях [11]. Активность PDK может регулироваться разными уровнями метаболитов, а также факторами транскрипции в различных условиях и в разных тканях (рис. 2).Таким образом, PDC может управлять использованием и хранением топлива для обеспечения метаболической гибкости в зависимости от окружающей среды.

Рисунок 2

Пути регуляции транскрипции PDK4 в различных тканях при различных состояниях питания. Инактивация PDC путем активации PDK4 может переключить катаболизм глюкозы на утилизацию жирных кислот. Существуют различные пути регуляции транскрипции в скелетных мышцах, печени, белой жировой ткани и сердце при различных условиях питания (энергетическая депривация, потребление диеты с высоким содержанием жиров, упражнения, болезни, лекарства).Akt / PKB: протеинкиназа B; AMPK: 5’-AMP-активированная протеинкиназа; CD36: Кластер дифференцировки 36; C / EBPβ: CCAAT / энхансер-связывающий белок β; eIF4E: фактор инициации эукариот 4E; ERRα: рецептор, связанный с эстрогеном; FAT: переносчик жирных кислот; FoxO1: белок коробки вилки O1; LXR: рецептор Х печени; MAPK: митоген-активированная протеинкиназа p38; PDC: комплекс пируватдегидрогеназы; PDK4: киназа пируватдегидрогеназы 4; PGC1α: соактиватор PPARγ 1α; PPAR: рецепторы, активируемые пролифератором пероксисом; SHP: маленький гетеродимерный партнер; STAT5: преобразователь сигнала и активатор транскрипции 5.

В этом обзоре обобщены недавние исследования ключевой роли PDK в контроле метаболической гибкости, недавней концепции клеточного энергетического метаболизма, при различных условиях питания (энергетическая депривация, потребление диеты с высоким содержанием жиров, физические упражнения и болезни) в различных тканях (скелетные мышцы, печень). , белая жировая ткань, сердце, островки поджелудочной железы и нервная система), с акцентом на наиболее охарактеризованный PDK4. Понимание регуляции PDK в различных тканях и их роли в энергетическом гомеостазе будет полезно для лечения различных видов метаболических заболеваний.

PDK и метаболическая гибкость скелетных мышц

Как самый крупный орган в организме, скелетные мышцы составляют от 30% до 40% скорости метаболизма у взрослых в состоянии покоя. Содействуя 80% стимулированного инсулином захвата глюкозы, он является основным местом окисления глюкозы и метаболизма жирных кислот [12]. Скелетные мышцы демонстрируют замечательную метаболическую гибкость в использовании топлива в ответ на различные метаболические проблемы, такие как лишение энергии и изменения в составе рациона.У худых здоровых людей при стимуляции инсулином скелетные мышцы способны переключаться с преимущественно окисления липидов и высокой скорости поглощения жирных кислот на подавление катаболизма липидов и повышенного поглощения, окисления и хранения глюкозы [13]. Однако пациенты с ожирением и диабетом 2 типа проявляют более высокую скорость окисления липидов в скелетных мышцах и относительно инсулинорезистентны, что приводит к метаболической негибкости [13].

Энергетическая депривация

Во время энергетической депривации глюкозы не хватает, и окисление длинноцепочечных жирных кислот используется для удовлетворения энергетических потребностей клеток.Уменьшение потребления пищи и снижение концентрации инсулина снижают утилизацию глюкозы для сохранения глюкозы [6]. Активность PDC млекопитающих подавляется гиперфосфорилированием PDK, что ограничивает превращение пирувата в ацетил-КоА в скелетных мышцах [11]. При меньшем количестве доступного ацетил-КоА синтез малонил-КоА, ингибитора окисления жирных кислот, снижается [14]. В результате окисление жирных кислот как форсируется, так и облегчается за счет активации PDK4 [15]. 48 часов голодания у крыс (полный отказ от пищи) были связаны с 3–4-кратным увеличением белка PDK4 и мРНК в икроножной мышце без влияния на экспрессию PDK2 [16].48-часовые голодные мыши PDK4 с нокаутом демонстрировали пониженный уровень глюкозы в крови, повышенный уровень неэтерифицированных жирных кислот в сыворотке и большую активность PDC в икроножной мышце [17], что согласуется с более низкой скоростью окисления жирных кислот и повышенным уровнем глюкозы и глюкозы. окисление пирувата. Однако депривация энергии привела к снижению, а не к увеличению активности PDK2 в икроножной мышце у мышей с нокаутом PDK4 [17]. Это предполагает, что PDK2 не может компенсировать потерю функции PDK4 в ответ на голодание.Повторное кормление голодных крыс дикого типа в течение 48 часов снизило мРНК PDK4 до уровня, сопоставимого с контрольной группой [16].

Ацетил-КоА и НАДН, продуцируемые окислением жирных кислот, стимулировали активность PDK в скелетных мышцах [11]. Также наблюдалась селективная индукция транскриптов бокса O1 (FoxO1) и бокса O3 (FoxO3) в икроножной мышце у мышей через 48 часов после прекращения приема пищи [18], что указывает на участие FoxO в повышающей регуляции PDK4 в ответ. к кратковременным изменениям состояния питания.PDK4, взаимодействуя с переносчиком жирных кислот / кластером дифференцировки 36 (FAT / CD36, белки, поглощающие основные жирные кислоты в мышцах), рецептором δ / β, активированным пероксисомами-пролифератором (PPARδ / β, ядерный рецептор, активируемый жирными кислотами) и FoxO1, обеспечивает структура для регулирования предпочтения мышечного топлива в ответ на голодание [19]. Во время депривации энергии CD36-облегчаемый поток жирных кислот активирует PPARδ / β, что координированно увеличивает экспрессию FoxO1 и PDK4, подавляя окисление глюкозы. Поток жирных кислот и снижение концентрации инсулина связаны с подавлением протеинкиназы B (Akt / PKB), что приводит к активации FoxO1 [20].Поскольку FoxO1 также рекрутирует CD36 в плазматическую мембрану и индуцирует липопротеинлипазу, все они усиливают утилизацию жирных кислот в скелетных мышцах [19]. Ось метаболической передачи нового печеночного X-рецептора (LXR) -PPARα также участвует в реакции депривации мышечной энергии [21, 22]. Активация LXR усиливала передачу сигналов PPARα, увеличивая индуцированную натощаком повышающую регуляцию экспрессии PDK4, тем самым усиливая окисление жирных кислот и снижая катаболизм глюкозы в скелетных мышцах [21, 22].

Долгосрочное потребление диеты с высоким содержанием жиров

Долгосрочное употребление диеты с высоким содержанием насыщенных жиров может вызвать гипергликемию, гиперинсулинемию, непереносимость глюкозы и ожирение. Введение крысам диеты с высоким содержанием насыщенных жиров в течение 4 недель значительно увеличивало экспрессию белков PDK2 и PDK4 как в подтипах быстро сокращающихся белых мышечных волокон (передняя большеберцовая мышца), так и в подтипах медленно сокращающихся красных мышечных волокон (камбаловидная мышца). крысы [23]. Медленно сокращающиеся красные мышечные волокна богаты митохондриями и миоглобином и зависят от аэробного метаболизма углеводов и липидного топлива.В камбаловидной мышце относительное увеличение экспрессии PDK4 также было связано с более чем 7-кратным увеличением концентрации пирувата и 50% снижением активности PDC по сравнению с таковой в передней большеберцовой мышце [23], что указывает на большую потерю чувствительности PDK из-за ингибирования пирувата. в быстро сокращающихся мышцах по сравнению с медленно сокращающимися мышцами. Употребление диеты с высоким содержанием жиров приводит к использованию липидного топлива в качестве респираторных субстратов в мышцах, что частично регулируется повышающей регуляцией активности PDK. Усиленное окисление жирных кислот в медленно сокращающихся мышцах после кормления диетами с высоким содержанием жиров в основном объясняется повышающей регуляцией PDK4.Однако в быстро сокращающихся мышцах также наблюдалось увеличение мРНК PDK2 и [23], что указывает на возможную координированную регуляцию между PDK2 и PDK4 в подтипах белых мышечных волокон.

Дефицит PDK4 приводит к ингибированию окисления жирных кислот и увеличению окисления глюкозы из-за большей активности PDC, что увеличивает превращение пирувата в ацетил-КоА. Чем больше ацетил-КоА, доступным для синтеза малонил-КоА, ингибитора окисления жирных кислот, скорость окисления жирных кислот снижается из-за прямой обратной связи [14].Однако длительное кормление диетами с высоким содержанием жиров не способствует дальнейшему эктопическому накоплению жира и не ухудшает инсулинорезистентность [24, 25]. После кормления высоконасыщенной жирной диетой в течение 32 недель мышей с нокаутом PDK4 и у мышей с дефицитом PDK4 также развивалась гиперинсулинемия, но меньшее накопление жира в скелетных мышцах и лучшая переносимость глюкозы по сравнению с мышами дикого типа [25]. Активность синтазы жирных кислот также была ниже, предполагая, что отсутствие PDK4 может изменять компоненты передачи сигналов, участвующие в регуляции метаболизма липидов [25].

Повышающая регуляция мРНК и белка орфанного ядерного рецептора эстрогенового рецептора α (ERRα) была обнаружена у мышей после хронического употребления диеты с высоким содержанием жиров [26]. Было высказано предположение, что коактиватор 1α PPARγ (PGC1α) может регулировать катаболизм глюкозы и митохондриальные окислительные пути путем увеличения активности PDK4 через PGC1α / ERRα-зависимый путь в скелетных мышцах [27, 28]. ERRα может рекрутировать PGC1α для объединения с промотором PDK4 и регулировать транскрипцию PDK4 , которая не зависит от FoxO1 и PPARs [29].Отрицательная регуляция активности PDC с помощью PDK4 ингибирует проникновение пирувата в цикл TCA и, следовательно, замедляет клеточное окисление глюкозы в ответ на питание с высоким содержанием жиров [26]. Таким образом, PGC1α / ERRα играет ключевую роль в повышении регуляции PDK4, индуцированной диетой с высоким содержанием жиров, и метаболической гибкости в скелетных мышцах.

Exercise

Было обнаружено, что активация PDC во время мышечных сокращений от низкой до умеренной была примерно в 2 раза выше у мышей с нокаутом PDK4 , чем у мышей дикого типа во время упражнений, независимо от интенсивности [30]. PDK4 мРНК заметно увеличивалась во время длительных упражнений и после кратковременных высокоинтенсивных и длительных низкоинтенсивных упражнений в скелетных мышцах у мышей [31]. Инактивация PDC в ответ на сокращение как медленно сокращающихся, так и быстро сокращающихся мышц за счет активации PDK4 может ограничивать поступление гликолитических продуктов в митохондрии для окисления. Период восстановления после упражнений также подчеркивает высокий метаболический приоритет пополнения запасов гликогена для восстановления энергетического гомеостаза в скелетных мышцах [31].Употребление диеты с высоким содержанием жиров в течение 18 недель с последующими 12-часовыми упражнениями также увеличивало экспрессию PDK4 в скелетных мышцах у мышей [32], что приводило к снижению активности PDC и меньшему окислению углеводов. Было высказано предположение, что FoxO1 является возможным фактором транскрипции, связанным с этим изменением. FoxO1 может определять изменения в доступности свободных жирных кислот и передавать это сообщение ниже по течению, модулируя транскрипцию PDK4 [32]. Нефосфорилированный FoxO1 находится в ядре, где он может активировать транскрипцию генов, содержащих элементы ответа на инсулин.Фосфорилирование FoxO1 через путь Akt / PKB приводит к исключению и разрушению ядра [20]. Согласно исследованиям на лошадях, PGC1α также играет важную роль в скелетных мышцах в ответ на упражнения [33]. PGC1α регулирует окисление глюкозы при одновременном увеличении митохондриального дыхания и окисления жирных кислот во время восстановления после тренировки у чистокровных лошадей [33].

В дополнение к тренировке мышц во время упражнений на острую выносливость в модели езды на велосипеде на одной ноге в мышце в состоянии покоя также наблюдалась повышенная экспрессия PDK4, вероятно, опосредованная повышением циркулирующих свободных жирных кислот, лигандов PPAR и повышающей регуляцией PPAR. путей [34].

Инсулинорезистентность и диабет

Инсулинорезистентность в основном характеризуется как ограниченная реакция на стимулированный метаболизм глюкозы в скелетных мышцах. Также устойчивость к подавлению утилизации липидов при инсулинорезистентности снижает способность переключаться между видами топлива, что приводит к метаболической негибкости [13]. Это очень часто встречается у пациентов с ожирением и диабетом 2 типа в условиях, имитирующих инсулин. Kim et. al индуцировал острую инсулинорезистентность путем постоянной инфузии интралипида (жировой эмульсии) и лактата в течение 5 часов у крыс, что приводило к увеличению экспрессии PDK4 в мышцах после инфузии инсулина в 2–3 раза [35], что указывает на нарушение способности инсулина подавлять PDK4. .Инфузия интралипида и лактата также снижает фосфорилирование Akt / PKB и FoxO1, что свидетельствует о нарушении передачи сигналов инсулина [35]. Более недавнее клиническое исследование показало, что гормон роста (GH) может способствовать липолизу и снижать чувствительность к инсулину у людей. Это было связано с повышением регуляции мРНК PDK4 и и снижением активности PDC, аналогично тому, что наблюдается во время голодания [36]. Исследование биопсий мышц пациентов с СД2 показало, что мРНК PDK2 и PDK4 были увеличены по сравнению со здоровыми добровольцами после ночного голодания [37], что соответствовало инсулинорезистентности и метаболической негибкости у пациентов с СД2.Более того, статус метилирования цитозинов в области +160 и +446 промотора PDK4 был снижен у пациентов с T2D, подтверждая, что эпигенетическая модификация митохондриальных генов участвует в регуляции переключения субстрата [37]. Однако, как один из факторов транскрипции, регулирующих экспрессию PDK4, промотор PGC1α , как сообщалось, был гиперметилирован в скелетных мышцах пациентов с СД2 [38] и после перекармливания жира лицами с низкой массой тела при рождении [39], что указывает на то, что измененные паттерны метилирования, связанные с метаболическим заболеванием, могут быть промотор-специфичными [37].

Терапевтические вмешательства использовались для снижения экспрессии PDK4 при диабете. Помимо инсулина, несколько ингибиторов PDK4 использовались для ускорения удаления глюкозы в моделях на животных. Первоначальные исследования показали обнадеживающие результаты при пероральном приеме дихлорацетата (DCA), но это соединение является слабым ингибитором PDK и токсично [40]. В последнее время сильнодействующие пероральные препараты, такие как ингибиторы PDK, производимые Novartis и AstraZeneca, обычно включают амиды трифтор-2-гидрокси-2-метилпропионовой кислоты [41].Все эти ингибиторы, включая ингибитор PDK2 Nov3r и AZD7545, связываются в сайте связывания липоильной группы PDK и эффективно повышают активность PDC [41]. Многие лекарства нацелены на активность PDK в большинстве периферических тканей, например DCA [41], но некоторые лекарства обладают большей эффективностью в определенных тканях. Например, AZD7545 повышал активность PDC более эффективно в печени, чем в скелетных мышцах и сердце, и с потерей эффективности в скелетных мышцах голодных животных [42].

PDK и метаболическая гибкость в печени

Одной из основных функций печени является регулирование поступления глюкозы и других метаболических топлив для обеспечения энергией других тканей [20].Организм может уравновешивать уровни глюкозы в крови за счет уравновешивания производства и хранения глюкозы в печени и почках и регулирования ее использования в периферических тканях. В условиях голодания печень изначально обеспечивает глюкозу в результате гликогенолиза, расщепления запасов гликогена в печени. При длительном дефиците энергии основным источником глюкозы является глюконеогенез, синтез глюкозы из неуглеводных предшественников, таких как глицерин, лактат и аминокислота аланин [20]. Инактивация PDC с помощью PDK может ингибировать превращение пирувата в ацетил-КоА, что приводит к смещению пирувата в цикл TCA или к синтезу жирных кислот в сторону глюконеогенеза [43].

Голодание в течение 48 часов не влияло на активность PDC в печени мышей с нокаутом PDK4 , но промежуточные продукты глюконеогенного пути (глюкозо-6-фосфат, фруктозо-1,6-бисфосфат, пируват, лактат и цитрат) были ниже. [17], что указывает на снижение скорости глюконеогенеза и гликолиза. Гормон роста (GH) может увеличивать экспрессию PDK4 в печени у мышей дикого типа во время голодания за счет активации сигнального преобразователя и активатора транскрипции 5 (STAT5), что приводит к ингибированию активности PDC, сохраняя субстраты для глюконеогенеза [44].Метформин, обычно назначаемый препарат для лечения СД2, может ингибировать GH-индуцированную экспрессию PDK4 через 5′-AMP-активируемую протеинкиназу — зависимый от небольшого гетеродимерного партнера (AMPK-SHP) путь, ингибируя комбинацию STAT5 с промотором PDK4 [ 44].

Печеночная экспрессия PDK4 и PDK2 и активность PDC не были затронуты у мышей дикого типа, получавших диету с высоким содержанием жиров в течение 18 недель. [24]. Питание с высоким содержанием жиров вызывает стеатоз печени, состояние, которое возникает, когда накопление жира превышает скорость окисления [45].Эта ситуация была предотвращена у мышей с нокаутом PDK4 и , которые потребляли диету с высоким содержанием насыщенных жиров в течение 32 недель [25]. Частично это можно объяснить изменением активности PGC1α в печени. PGC1α контролирует экспрессию глюконеогенных ферментов, таких как фосфоенолпируваткарбоксикиназа (PEPCK). Нокаут PDK4 может приводить к более высоким уровням PGC1α, что согласуется с большей активностью PEPCK и более низкой способностью к синтезу de novo жирных кислот [25]. PPARα также продемонстрировал скоординированную регуляцию с PGC1α при стеатозе печени, что было продемонстрировано усиленными положительными эффектами клофиброевой кислоты, агониста PPARα, на накопление жирных кислот у мышей с нокаутом PDK4 [46].В отличие от скелетных мышц, FAT / CD36, ключевые ферменты транспорта жирных кислот, не участвовали в снижении накопления жира в печени [25].

В условиях диабета экспрессия генов PDK, особенно PDK4, значительно повышена в печени, что может помочь объяснить повышенную скорость глюконеогенеза [47] и положительные эффекты метформина. Исследования на модели мышей с диабетом, у которых отсутствует субстрат печеночного рецептора инсулина 1 и 2 (IRS 1/2), показали, что как нокдаун, так и нокаут гена PDK4 привели к улучшению гликемического контроля и толерантности к глюкозе.PDK4 более эффективен в регуляции метаболической гибкости, чем PDK2 в печени [47]. В сочетании с результатами других исследований кажется, что PDK2 в основном регулирует утилизацию глюкозы, тогда как PDK4 может участвовать как в системном метаболизме глюкозы, так и в глюконеогенезе печени.

Гормон щитовидной железы (T 3 ) контролирует множество аспектов метаболических процессов энергии печени, таких как окисление жирных кислот, липогенез и окисление глюкозы. Экспериментальный гипертиреоз может вызывать экспрессию PDK4 в печени [48, 49], скелетных мышцах [50] и сердце [51], что приводит к ингибированию активности PDC.Два сайта связывания рецептора тироидного гормона β были идентифицированы в промоторе крысиного гена PDK4 [52]. Помимо функционирования в качестве соактиватора T 3 , PGC1α также может усиливать индукцию T 3 экспрессии PDK4 в печени у крыс [52]. CCAAT / энхансер-связывающий белок β (C / EBPβ) в качестве фактора транскрипции для генов, кодирующих глюконеогенные ферменты, такие как PEPCK, также стимулирует экспрессию PDK4 в печени у крыс через два элемента C / EBPβ-ответа в промоторе PDK4 . а также участвует в индукции T 3 транскрипции PDK4 [53].

PDK4 и метаболическая гибкость в белой жировой ткани

По сравнению со скелетными мышцами и печенью, относительно мало исследований метаболической гибкости в белой жировой ткани (WAT). ЖАТ является важным органом в процессе метаболизма жирных кислот, который называется глицеронеогенезом адипоцитов. Этот путь использует пируват, аланин, глутамин или любые вещества из цикла TCA в качестве предшественников для синтеза дигидроксиацетонфосфата (DHAP) и, наконец, для производства глицерин-3-фосфата (G3P) для синтеза триацилглицерина (TAG) [54].PDC связан с этим процессом, и подавление PDC позволяет увеличить использование лактата и пирувата для глицеронеогенеза [55].

В качестве активатора глицеронеогенеза тиазолидиндионы (TZD) увеличивали экспрессию мРНК PDK4 в подкожных, периэпидидимальных и забрюшинных депо WAT у fa / fa крыс Zucker, модель PDK2 с генетическим ожирением и инсулинорезистентностью, в то время как mRNA2 не было. затронуты, что указывает на жизненно важную роль PDK4 в глицеронеогенезе. TZD-индуцированная экспрессия PDK4 была тканеспецифичной, поскольку печень и мышцы не реагировали на такое лечение [56].Аналогичные результаты наблюдались для 3 адипоцитов T3-F442A in vitro с использованием ингибиторов PDK4, DCA и лиламина и PDK4 siRNA. И 500 мкмоль / л DCA, и 50 мкмоль / л лиламин ингибировали включение пирувата в триглицериды. Включение [1- 14 C] пирувата в липиды снижалось на 40% после трансфекции адипоцитов миРНК PDK4 [56]. PPARγ представляет собой ядерный рецептор, регулируемый сенсибилизирующими к инсулину TZD. PDK4 является косвенной мишенью PPARγ.Таким образом, регуляция PDK4 с помощью TZD в WAT тесно связана с PPARγ [57].

Помимо TZD, острое лечение адреналином также увеличивало мРНК PDK4 через митоген-активированную протеинкиназу p38 ( MAPK ) и пути AMPK в культивируемых адипоцитах [58] и в эпидидимальных депо WAT на моделях крыс с ожирением и инсулинорезистентностью. которые были вызваны диетой с высоким содержанием жиров [59]. PDK2 мРНК все еще не была затронута. Два часа плавания дали такие же результаты, как и лечение адреналином в WAT, как у худых, так и у тучных крыс [59].В сочетании с повышенным синтезом G3P посредством PEPCK, усиление глицеронеогенеза позволяет увеличить реэтерификацию неэтерифицированных жирных кислот в TAG в результате липолиза, в то время как окисление глюкозы в этих адипоцитах снижается [58]. Обладая основной ролью в клиренсе глюкозы и синтезе / хранении жира, повышающей регуляции PDK4 во время упражнений, лечение адреналином и TZD, ведущее к ингибированию PDC, способствует хранению энергии в WAT. Необходимы дополнительные работы для выяснения путей транскрипции, участвующих в повышении регуляции PDK4 в WAT [60].

PDK4 и метаболическая гибкость в сердце

Отсутствие метаболической гибкости всегда сопровождает кардиомиопатию, особенно во время ишемии, и может даже вызвать сердечную недостаточность [41]. Неспособность окислить достаточно углеводов для удовлетворения энергетических потребностей является важной причиной сердечной неэффективности. Это может быть продемонстрировано кардиоспецифической сверхэкспрессией PDK4, которой достаточно, чтобы вызвать потерю метаболической гибкости и обострить кардиомиопатию [61]. Сверхэкспрессия PDK4 в сердце на модели трансгенных мышей была связана со снижением катаболизма глюкозы и соответствующим увеличением окисления жирных кислот.Эта трансгенная модель также экспрессировала конститутивно активную форму фосфатазы кальциневрина и, таким образом, вызывала гипертрофию фиброза кардиомиоцитов и резкое увеличение смертности [61].

У мышей, которых кормили диетой с высоким содержанием жиров в течение 10 дней, сердечное окисление углеводов заметно снижалось с повышением активности PDK4. Диета с высоким содержанием жиров индуцировала сердечные метаболические изменения через путь эукариотического инициирующего фактора 4E ( eIF4E ) / , циклин D1 / E2F1 / PDK4 [62].

Во время ишемии средней степени тяжести свободные жирные кислоты являются основным топливом митохондриального окисления [43]. Хотя гликолиз все еще активен и глюкоза используется для выработки лактата для получения АТФ, независимого от кислорода, инактивация PDC облегчает использование жирных кислот. Ишемия вызывает превращение пирувата в лактат, тем самым увеличивая закисление миокарда [41]. Таким образом, ингибирование активности PDK с помощью DCA жизненно важно для увеличения выработки АТФ, а также поглощения Ca 2+ , и использование комбинации глюкоза-инсулин-K + или ингибиторов окисления жирных кислот также полезно [41] .

Ангиотензин II (Ang II), главный эффектор ренин-ангиотензиновой системы при сердечной недостаточности, может вызывать выраженную сердечную инсулинорезистентность, что приводит к переключению сердечного метаболизма с глюкозы на окисление жирных кислот, вызывая метаболическую негибкость и сердечную неэффективность [63] . PDK4 высоко экспрессируется в этой модели гипертрофии, индуцированной Ang II, а делеция PDK4 предотвращает вызванное Ang II снижение окисления глюкозы и предотвращает диастолическую дисфункцию [63]. Ингибирование активности PDK4 стало новой терапевтической стратегией против болезней сердца [41].

PDK и метаболическая гибкость в центральной нервной системе

Мозг также использует окисление глюкозы в качестве основного источника энергии. Культивированные астроциты экспрессировали больше PDK2 и PDK4 по сравнению с нейронами, что согласуется с более низкой активностью PDH и более высокой продукцией лактата, проявляемой культивируемыми астроцитами [64]. Накапливаются данные о том, что изменения активности PDK связаны с развитием нескольких неврологических расстройств. Например, болезнь Альцгеймера была связана с дисфункцией активности ПДГ и метаболизма глюкозы [65].Старение мозга связано с уменьшением мРНК PDK1, и PDK2, в мозжечке и повышением мРНК PDK2 в гиппокампе и коре головного мозга [66], а повышающая регуляция мРНК PDK2 и участвовала в глиобластоме [67].

Гипоталамические нейроны чувствительны к сигналам питания и могут регулировать энергетический баланс и гомеостаз глюкозы. Однако лежащие в основе сложные механизмы до сих пор полностью не изучены. Недавние исследования на мышах, голодавших в течение 48 часов, выявили профиль экспрессии генов в гипоталамусе, согласующийся со сниженным использованием глюкозы и повышенным окислением липидов, включая повышение мРНК PDK4 , что согласуется с результатами в скелетных мышцах, печени, сердце и почках [68].Повышение регуляции PDK4 также наблюдалось в гипоталамусе во время голодания новорожденных крыс в течение 6 часов, что отражает попытку сохранить энергию во время голодания новорожденных [69]. Это также указывает на то, что мозг новорожденного не избавлен от ограничения глюкозы во время энергетического кризиса, но вместо этого мозг новорожденного может использовать кетоны, полученные в результате метаболизма жирных кислот, в качестве основного источника энергии [69]. Однако о влиянии PDK на энергетический баланс гипоталамуса сообщается только об ограниченных исследованиях. Ожидаются дополнительные исследования.

PDK и метаболическая гибкость в других тканях

Островки поджелудочной железы

В β-клетках поджелудочной железы мыши обработка как высоким содержанием жирных кислот, так и высоким содержанием глюкозы увеличивала активность PDK и снижала активность PDH. Пальмитат активировал экспрессию мРНК PDK1 , PDK2 и PDK4 , в то время как высокий уровень глюкозы увеличивал мРНК PDK1 , PDK2 , но снижал мРНК PDK4 [70], что свидетельствует о различной регуляции транскрипции.Таким образом, индукция экспрессии PDK глюкозой и жиром сопровождает снижение гибкости метаболизма β-клеток во время перехода от ожирения к T2D [70].

Хроническое воздействие гипергликемических состояний приводит к глюкотоксичности β-клеток. Глюкотоксичность нарушает секрецию инсулина, имитирующую глюкозу (GSIS), что способствует развитию СД2. Метаболомный анализ β-клеток после воздействия высокого уровня глюкозы (25 мМ в течение 20 часов) выявил повышение уровня глюкозы и снижение жирных кислот во время GSIS, но не обнаружил значительных изменений в белке PDK2 [71].Аналогичные исследования на линиях клеток инсулиномы E (INS-1E) β показали увеличение фосфорилирования субъединицы PDC E1α во время лечения высоким содержанием глюкозы (50 мМ в течение 48 часов). Нокдаун PDK1 и PDK3 привел к заметному снижению инактивации PDC. Однако инактивация PDC не была связана с изменением GSIS [72]. Возможно, что активность PDC в клетках INS-1E β избыточна, и поэтому снижение ее активности не имеет большого значения. Пролактин также может индуцировать GSIS в клеточных линиях INS-1E путем подавления PDK и повышения активности PDC, что указывает на новую роль лактогенов в лечении диабета [73].Поскольку это наиболее важный орган, участвующий в патогенезе СД2, необходимы дополнительные исследования метаболической гибкости β-клеток поджелудочной железы.

Раковые клетки

Раковые клетки обладают уникальным способом получения энергии, называемым эффектом Варбурга. Они используют повышенный гликолиз и подавляют окисление митохондриальной глюкозы, чтобы обеспечить энергию с пролиферативным преимуществом, способствующим устойчивости к апоптозу и даже усилению ангиогенеза [74]. В условиях с низким содержанием питательных веществ эффект Варбурга усиливался за счет механизма, включающего активные формы кислорода (АФК) / AMPK-зависимую активацию PDK [75, 76].PDK1 и PDK3 — основные изоформы, связанные с эффектом Варбурга [41]. Таким образом, ингибирование PDK либо небольшими интерферирующими РНК, либо орфанными лекарствами, такими как DCA, может сдвинуть метаболизм раковых клеток с гликолиза на окисление глюкозы и может обеспечить мощный подход к лечению рака [77].

Пируватдегидрогеназа киназа 2 (PDK2) связана с конидиацией, ростом мицелия и патогенностью у Fusarium graminearum | Производство, переработка и питание пищевых продуктов

  • Altintaş, A., Мартини Дж., Мортенсен У. Х. и Воркман К. Т. (2015). Количественная оценка фенотипов окислительного стресса на основе высокопроизводительного профилирования нокаутов протеинкиназ и фосфатаз. FEMS Yeast Research, 16 (1), 1–15.

    Google Scholar

  • Браун, Г. К., Отеро, Л. Дж., ЛеГрис, М., и Браун, Р. М. (1994). Недостаток пируватдегидрогеназы. Журнал медицинской генетики, 31, (11), 875–879.

    CAS Статья Google Scholar

  • Коричневый, Н.А., Де Гувеа, П. Ф., Крон, Н. Г., Савольди, М., и Гольдман, Г. Х. (2013). Функциональная характеристика несущественных протеинкиназ и фосфатаз, регулирующих продукцию гидролитических ферментов Aspergillus Nidulans . Биотехнология для биотоплива, 6 (1), 1–17.

  • Bruno, KS., Tenjo, F., Li, Lei., Hamer, J. E., Xu, JR. (2004). Клеточная локализация и роль киназной активности PMK1 у Magnaporthe grisea. Эукариотическая клетка, 3 (6), 1525–1532

    CAS Статья Google Scholar

  • Чен, Ю., & Чжоу, М. Г. (2009). Характеристика изолятов Fusarium Graminearum , устойчивых как к карбендазиму, так и к новому фунгициду JS399-19. Фитопатология, 99 (4), 441–446.

  • де Ассис, Л. Дж., Райс, Л. Н. А., Савольди, М., Динамарко, Т. М., Голдман, Г. Х., & Браун, Н. А. (2015). Множественные фосфатазы регулируют зависящее от источника углерода прорастание и первичный метаболизм у Aspergillus Nidulans . G3: Гены, геномы, генетика, 5 (5), 857–872.

  • Ди Пьетро А., Гарсиа-Масейра Ф. И., Меглец Э. и Ронсеро М. И. Г. (2001). MAP-киназа гриба сосудистого увядания fusarium Oxysporum необходима для проникновения в корни и патогенеза. Молекулярная микробиология, 39 (5), 1140–1152.

  • Дикман, М. Б., & Ярден, О. (1999). Серин / треониновые протеинкиназы и фосфатазы нитчатых грибов. Генетика и биология грибов, 26, (2), 99–117.

    CAS Статья Google Scholar

  • Донг, Ф., Qiu, JB., Xu, JH., Yu, MZ., Wang, SF., Sun, Y., Zhang, GF., Shi, JR. (2016). Влияние факторов окружающей среды на популяцию Fusarium и связанных с ними трихотеценов в зерне пшеницы, выращиваемой в провинции Цзянсу, Китай. Международный журнал пищевой микробиологии, 230, 58–63.

    CAS Статья Google Scholar

  • Гао, Т., Чен, Дж., И Ши, З. (2016). Fusarium Graminearum киназа пируватдегидрогеназы 1 (FgPDK1) имеет решающее значение для конидиации, роста мицелия и патогенности. PLoS One, 11 (6), 1–19.

  • Гардинер, Д. М., Осборн, С., Казань, К., и Маннерс, Дж. М. (2009). Низкий уровень pH регулирует выработку дезоксиниваленола Fusarium Graminearum . Microbiology, 155 (9), 3149–3156.

  • Jeong, J. Y., Jeoung, N.H., Park, K. G., & Lee, I.K (2012). Транскрипционная регуляция киназы пируватдегидрогеназы. Журнал диабета и метаболизма, 36 (5), 328–335.

    Артикул Google Scholar

  • Джи, Ф., Сюй Дж., Лю X., Инь X. и Ши Дж. (2014). Естественное присутствие дезоксиниваленола и зеараленона в пшенице из провинции Цзянсу, Китай. Food Chemistry, 157 (1881), 393–397.

    CAS Статья Google Scholar

  • Клетер, Г. А., и Марвин, Х. Дж. П. (2009). Индикаторы возникающих опасностей и рисков для безопасности пищевых продуктов. Пищевая и химическая токсикология, 47 (5), 1022–1039.

    CAS Статья Google Scholar

  • Krause-Buchholz, U., Гей, У., Вюншманн, Дж., Беккер, С., и Рёдел, Г. (2006). YIL042c и YOR090c кодируют киназу и фосфатазу пируватдегидрогеназного комплекса saccharomyces cerevisiae. FEBS Letters, 580 (11), 2553–2560.

    CAS Статья Google Scholar

  • Кумар С., Ней М., Дадли Дж. И Тамура К. (2008). MEGA: ориентированное на биологов программное обеспечение для эволюционного анализа последовательностей ДНК и белков. Брифинги по биоинформатике, 9 (4), 299–306.

    CAS Статья Google Scholar

  • Лю, X., Цзян, Y., Чжан, Y., Yu, M., Jiang, H., Xu, J., & Shi, J. (2019). FgIlv3a играет ключевую роль в биосинтезе аминокислот с разветвленной цепью, вегетативной дифференциации и вирулентности у fusarium Graminearum. Журнал микробиологии, 57, , 694–703.

    CAS Статья Google Scholar

  • Макмуллен, М., Джонс, Р., Галленберг, Д., & Америка, С. (1997). Парша пшеницы и ячменя: вновь возникающая болезнь разрушительного действия. Болезнь растений, 81 (12), 1340–1348.

    Артикул Google Scholar

  • Ньюингтон, Дж. Т., Раппон, Т., Альберс, С., Вонг, Д. Ю., Джейн Рилетт, Р., и Камминг, Р. К. (2012). Сверхэкспрессия киназы 1 пируватдегидрогеназы и лактатдегидрогеназы a в нервных клетках придает устойчивость к амилоиду β и другим токсинам за счет снижения митохондриального дыхания и продукции активных форм кислорода. Journal of Biological Chemistry, 287 (44), 37245–37258.

    CAS Статья Google Scholar

  • Папагианни, М. (2012). Последние достижения в разработке центрального углеродного метаболизма промышленно важных бактерий. Microbial Cell Factories, 11, , 1–13.

    Артикул Google Scholar

  • Проктор, Р. Х., Хон, Т. М., Маккормик, С.П. и Дежарден А. Э. (1995). Tri6 кодирует необычный белок цинкового пальца, участвующий в регуляции биосинтеза трихотецена у фузариоза Sporotrichioides. Прикладная и экологическая микробиология, 61 (5), 1923–1930.

  • Рис, Л. Н. А., де Ассис, Л. Дж., Родригес, Ф. Дж. С., Калдана, К., Роча, М. К., Малавази, И., Байрам, О., и Голдман, Г. Х. (2018). Киназы пируватдегидрогеназы Aspergillus Nidulans необходимы для интеграции метаболизма источников углерода. G3: Гены, геномы, генетика, 8 (7), 2445–2463.

  • Рош Т. Э. и Хиромаса Ю. (2007). Механизмы регуляции и ингибирования киназы пируватдегидрогеназы при лечении диабета, ишемии сердца и рака. Клеточные и молекулярные науки о жизни, 64 (7–8), 830–849.

    CAS Статья Google Scholar

  • Steensma H.Y., Tomaska, Lubomir., Reuven, Peter., Nosek, Jozef., Brandt, Raymond.(2008). Нарушение генов, кодирующих киназы пируватдегидрогеназы, приводит к задержке роста на ацетате и этаноле у ​​Saccharomyces cerevisiae. Дрожжи, 25 (1), 9–19

    Артикул Google Scholar

  • Steensmays, H. Y. D. E. (1996). Метаболизм пирувата в. Дрожжи, 12, , 1607–1633.

    Артикул Google Scholar

  • Sugden, M.C., & Holness, M.J. (2011). Ось пируваткарбоксилазы-пируватдегидрогеназы в островковом метаболизме пирувата: крутится по кругу? Островков, 3 (6), 302–319.

    Артикул Google Scholar

  • Сагден, М. К., Лангдаун, М. Л., Харрис, Р. А., и Холнесс, М. Дж. (2000). Экспрессия и регуляция изоформ киназы пируватдегидрогеназы в развивающемся сердце крысы и во взрослом возрасте: роль гормонального статуса щитовидной железы и липидного питания. Биохимический журнал, 352 (3), 731–738.

    CAS Статья Google Scholar

  • Ван, К., Фан, Дж., Ниу, К., Ван, К., Вильяруз, А. Э., Отто, М., и Гао, К. (2010). Роль Spx в формировании биопленок эпидермального стафилококка. FEMS Иммунология и медицинская микробиология, 59 (2), 152–160.

    CAS Статья Google Scholar

  • Ван Дж., Ван, Х., Чжан, К., Ву, Т., Ма, З., и Чен, Ю. (2019). Гомеостаз фосфолипидов играет важную роль в развитии грибов, устойчивости к фунгицидам и вирулентности у Fusarium Graminearum . Фитопатологические исследования, 1 (1), 1–12.

  • Ю., Дж. Х., Хамари, З., Хан, К. Х., Сео, Дж. А., Рейес-Домингес, Ю., и Скаццоккио, К. (2004). Двухкомпонентная ПЦР: основанный на ПЦР молекулярный инструмент для генных манипуляций в мицелиальных грибах. Генетика и биология грибов, 41 (11), 973–981.

    CAS Статья Google Scholar

  • Чжан С., Халвер М. В., Макмиллан Р. П., Клайн М. А. и Гилберт Э. Р. (2014). Ключевая роль киназ пируватдегидрогеназы в метаболической гибкости. Питание и обмен веществ, 11 (1), 1–9.

    Артикул Google Scholar

  • Чжан, Ю. Дж., Фань, П. С., Чжан, X., Чен, К. Дж., И Чжоу, М.Г. (2009). Количественное определение Fusarium Graminearum в убранном зерне с помощью полимеразной цепной реакции в реальном времени для оценки эффективности фунгицидов против фузариоза, загрязнения дезоксиниваленолом и урожайности озимой пшеницы. Фитопатология, 99 (1), 95–100.

  • Чжэн, З., Гао, Т., Ю, З., Хоу, Ю., Ван, Дж., И Чжоу, М. (2014). FgFim, ключевой белок, регулирующий устойчивость к фунгициду JS399-19, бесполое и половое развитие, стрессовые реакции и вирулентность у Fusarium Graminearum . Молекулярная патология растений, 15 (5), 488–499.

  • Метаболическая гибкость при раке: нацеливание на пируватдегидрогеназную киназу: ось пируватдегидрогеназы

    % PDF-1.4 % 116 0 объект > эндобдж 115 0 объект > поток application / pdf

  • Метаболическая гибкость при раке: нацеливание на пируватдегидрогеназную киназу: ось пируватдегидрогеназы
  • 2019-09-11T11: 20: 49 + 05: 30Arbortext Advanced Print Publisher 9.1.406 / W Unicode2021-07-28T11: 14: 58-07: 002021-07-28T11: 14: 58-07: 00Acrobat Distiller 8.1.0 (Windows) uuid: 2c2fdb35-1dd2-11b2-0a00-6409276d7200uuid: 2c2fdb3a-1dd2-11b2-0a00-b80000000000 конечный поток эндобдж 114 0 объект > эндобдж 109 0 объект > эндобдж 3 0 obj > эндобдж 2 0 obj > / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB] / Properties> / XObject >>> / Type / Page >> эндобдж 47 0 объект > / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / Properties> / XObject >>> / Type / Page >> эндобдж 48 0 объект > / Font> / ProcSet [/ PDF / Text] >> / Type / Page >> эндобдж 49 0 объект > / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / Properties> / XObject >>> / Type / Page >> эндобдж 50 0 объект > / Font> / ProcSet [/ PDF / Text] >> / Type / Page >> эндобдж 51 0 объект > / Font> / ProcSet [/ PDF / Text] >> / Type / Page >> эндобдж 52 0 объект > / Font> / ProcSet [/ PDF / Text] >> / Type / Page >> эндобдж 53 0 объект > / Font> / ProcSet [/ PDF / Text] >> / Type / Page >> эндобдж 54 0 объект > / Font> / ProcSet [/ PDF / Text] >> / Type / Page >> эндобдж 118 0 объект > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Type / Page >> эндобдж 151 0 объект [157 0 R 158 0 R 159 0 R 160 0 R 161 0 R] эндобдж 152 0 объект > поток q 538.6593933 0 0 78.7513733 22.6703033 655.2486267 см / Im0 Do Q BT / T1_0 1 Тс 10 0 0 10 107,23975 556,99985 тм (Опубликовано в Интернете, впервые 11 сентября 2019 г.) Tj / T1_1 1 Тс -7.72397 0 Тд (Mol Cancer Ther \ 240) Tj / T1_0 1 Тс 0 1 ТД (\ 240) Tj 0 1.00001 TD (Бенджамин Л. Вулбрайт, Ганешкумар Раджендран, Роберт А. Харрис и др. \ ) Tj / T1_2 1 Тс 0 1 ТД (\ 240) Tj / T1_3 1 Тс 18 0 0 18 30 596,99997 тм (Дегидрогеназа киназа: ось пируватдегидрогеназы) Tj Т * (Метаболическая гибкость при раке: нацеливание на пируват) Tj ET 30 502 524 35 рэ 0 0 мес. S BT / T1_0 1 Тс 11 0 0 11 120.94202 509,99997 тм (\ 240) Tj / T1_3 1 Тс -7,55696 1 тд (Обновленная версия) Tj ET BT / T1_2 1 Тс 10 0 0 10 141 501,99994 тм (\ 240) Tj / T1_0 1 Тс 16.73095 1 тд () Tj 0 0 1 рг -15.11895 0 Td (10.1158 / 1535-7163.MCT-19-0079) Tj 0 г -1,612 0 Тд (DOI 🙂 Tj 0 1.00001 TD (См. Самую последнюю версию этой статьи по адресу:) Tj ET BT / T1_2 1 Тс 10 0 0 10 30 481,99997 тм (\ 240) Tj 0 1 ТД (\ 240) Tj ET BT / T1_2 1 Тс 10 0 0 10 30 461,99997 тм (\ 240) Tj Т * (\ 240) Tj ET BT / T1_2 1 Тс 10 0 0 10 30 441,99997 тм (\ 240) Tj Т * (\ 240) Tj ET 30 317 524 125 рэ 0 0 мес. S BT / T1_0 1 Тс 11 0 0 11 120.94202 409,99997 тм (\ 240) Tj / T1_3 1 Тс -5.66901 1 тд (Оповещения по электронной почте) Tj ET BT / T1_0 1 Тс 10 0 0 10 295,49963 422 тм (относится к этой статье или журналу.) Tj 0 0 1 рг -15.44996 0 Тд (Подпишитесь, чтобы получать бесплатные уведомления по электронной почте) Tj ET BT 0 г / T1_0 1 Тс 11 0 0 11 120.94202 376.99994 тм (\ 240) Tj / T1_3 1 Тс -6.38997 1 тд (Подписки) Tj 0,556 1,00001 тд (Отпечатки и) Tj ET BT / T1_0 1 Тс 10 0 0 10 141 379,99994 тм (\ 240) Tj 13.46496 1 тд (.) Tj 0 0 1 рг -6.85098 0 Тд ([email protected]) Tj 0 г -6.61398 0 Тд (Отделение) Tj 0 1.00001 TD (Чтобы заказать перепечатку статьи или подписаться на журнал, свяжитесь с нами \ t Публикации AACR) Tj ET BT / T1_0 1 Тс 11 0 0 11 120.94202 354.99997 тм (\ 240) Tj / T1_3 1 Тс -5.66901 1 тд (Разрешения) Tj ET BT / T1_0 1 Тс 10 0 0 10 141 316,99985 тм (\ 240) Tj 0 1 ТД (Сайт с правами.) Tj 0 1.00001 TD (\ (CCC \)) Tj 0 1 ТД (Нажмите «Запросить разрешения», чтобы перейти на страницу защиты авторских прав \ Рэнс Центр) Tj 34.34991 1 Td (.) Tj 0 0 1 рг -34.34991 0 Тд (http://mct.aacrjournals.org/content/early/2019/09/11/1535-7163.MCT-19-00 \ 79) Ти 0 г 0 1.00001 TD (Чтобы запросить разрешение на повторное использование всей или части этой статьи, используйте это li \ nk) Tj ET BT / T1_0 1 Тс 9 0 0 9 230,8979 11 тм (28 июля 2021 г. \ 251 Американская ассоциация исследований рака, 2019 г.) Tj 0 0 1 рг -9.33597 0 Тд (mct.aacrjournals.org) Tj 0 г -8.11398 0 Td (Скачано с) Tj ET BT / T1_0 1 Тс 9 0 0 9 124,17081 769 тм (Опубликовано в Интернете, впервые 11 сентября 2019 г .; DOI: 10.1158 / 1535-7163.MCT-19- \ 0079) Ти ET конечный поток эндобдж 156 0 объект > / Filter / FlateDecode / Height 225 / Length 77819 / Name / X / Subtype / Image / Type / XObject / Width 1539 >> stream HMW ~ ݏ0 F0n $ & QK4CB ܸ4 A6Ꞅ% gg7 @ M ݔ, Y — $ Z2cl

    (PDF) PDK-1 регулирует выработку лактата при гипоксии и связан с плохим прогнозом при плоскоклеточном раке головы и шеи

    , аналогично результатам, которые Кукуракис показал в немелкоклеточных исследованиях.

    рак легкого (Giatromanolaki et al, 2001; Koukourakis et al, 2005b).

    Ранее не сообщалось, что PDK-1 продемонстрировал

    ядерной экспрессии в подмножестве раковых заболеваний. Хотя функция

    этой ядерной фракции неизвестна, сообщалось, что другие гликолитические ферменты

    также проявляют ядерную экспрессию. Высокая доля

    опухолей HNSCC экспрессировала высокие уровни как PDK-1, так и PDH.

    Это контрастирует с предыдущим исследованием, в котором сообщалось, что ПДГ на

    уменьшилось в эпидермальных опухолях по сравнению с нормальным эпидермисом

    (Eboli and Pasquini, 1994).

    Поразительный и неблагоприятный исход опухолей с максимальной экспрессией

    PDK-1 может быть связан с улучшением выживаемости

    раковых клеток in vivo, что, возможно, указывает на то, что маргинальные гипоксические /

    аноксические клетки важны для роста опухоли. Ранее мы измерили

    HIF-1a и HIF-2a, а также карбоангидразу 9, рецептор эритропоэтина

    и эритропоэтин и рецептор EGF в

    этой серии случаев (Winter et al, 2005, 2006).Ни один из этих

    маркеров не был таким сильным фактором в прогнозировании результата, как PDK-1.

    Это может указывать на относительную важность одного пути, индуцированного

    гипоксией, по сравнению с другим. Недавно мы провели анализ массива генов

    серии первичных раковых заболеваний головы и шеи и показали

    , что профиль гена гипоксии различается в каждом случае (Kong et al,

    2006). Следовательно, возможно, что некоторые пути биологически на

    более важны, чем другие, и, следовательно, лучше предсказывают исход.

    Другая возможность состоит в том, что это надежный маркер передачи сигналов HIF-1a

    , не связанный конкретно с его функцией, первый из которых

    , по данным нескольких групп, он связан с плохим исходом при

    этом и других типах рака. Кроме того,

    антиген может быть лучше сохранен, чем HIF, и, следовательно, более надежен.

    Мы предлагаем механизм, основанный на нашем наблюдении, что активность PDK-1

    поддерживает уровни лактата во внеклеточной среде на уровне

    примерно в 2 раза выше, скорее всего, путем предотвращения метаболизма пирувата

    и его входа в митохондриальный путь. .Высокая активность

    транспортеров LDHA и монокарбоксилата также увеличивала

    при гипоксии через HIF-1, в сочетании с неспособностью клеток к

    превращать пируват в ацетил-КоА путем активации PDK-1 приводит к повышению уровня лактата на

    (Brahimi-Horn и др., 2007). Лактат может усиливать

    и поддерживать активацию HIF за счет ингибирования пролилгидро-

    ксилаз (Lu et al, 2005). Это будет иметь эффект усиления эффекта Варбурга

    , и, действительно, роль PDK-1 может быть в том, что

    вносит свой вклад в этот эффект.

    Высокий уровень лактата был связан с плохим исходом

    ряда опухолей, включая HNSCC (Walenta et al,

    1997; Brizel et al, 2001). Однако, кроме того, LDHA имеет

    ,

    , как недавно было показано, играет критическую роль в производстве энергии

    раковых клеток посредством гликолиза, и поддержание

    этого пути может быть более важным аспектом ингибирования

    PDH (Fantin et al. , 2006). Недавно Cairns et al (2007) продемонстрировали

    , что митохондриальный метаболизм опухолевых клеток

    повышается за счет фармакологического ингибирования PDK-1.Резкое увеличение потребления кислорода на

    приводит к соответствующему снижению оксигенации опухоли на

    , тем самым повышая эффективность

    некоторых традиционных методов лечения. Таким образом,

    представляет интерес для изучения релевантности пути PDK-1

    в моделях in vivo, чтобы определить, будут ли ингибиторы

    целесообразными для клинической разработки, а также относительную важность

    увеличения выработки лактата. против подавления митохондриальной функции.

    ССЫЛКИ

    Берридж М.В., Тан А.С. (1993) Характеристика клеточного восстановления

    3- (4,5-диметилтиазол-2-ил) -2,5-дифенилтетразолий бромид (МТТ):

    субклеточная локализация, зависимость от субстрата и участие

    митохондриального транспорта электронов в восстановлении МТТ. Arch Biochem

    Biophys 303: 474–482

    Bowker-Kinley M, Popov KM (1999) Доказательства того, что киназа пируватдегидрогеназа

    принадлежит к суперсемейству АТФазы / киназы.Biochem J 344 (Часть 1):

    47 — 53

    Brahimi-Horn MC, Chiche J, Pouysse

    ´

    gur J (2007) Сигнализация гипоксии

    контролирует метаболическую потребность. Curr Opin Cell Biol 19: 1–7

    Brizel DM, Schroeder T, Scher RL, Walenta S, Clough RW, Dewhirst MW,

    Mueller-Klieser W (2001) Повышенные концентрации лактата в опухоли прогнозируют

    для повышенного риска метастазы при раке головы и шеи. Int J Radiat

    Oncol Biol Phys 51: 349–353

    Cairns RA, Papandreou I, Sutphin PD, Denko NC (2007) Metabolic

    нацеливание на гипоксию и HIF1 в солидных опухолях может усилить цитотоксическую химиотерапию

    .Proc Natl Acad Sci USA 104: 9445 — 9450

    Chi JT, Wang Z, Nuyten DS, Rodriguez EH, Schaner ME, Salim A, Wang,

    Kristensen GB, Helland A, Borresen-Dale AL, Giaccia A, Longaker MT ,

    Hastie T, Yang GP, Vijver MJ, Brown PO (2006) Экспрессия генов

    программ в ответ на гипоксию: специфичность клеточного типа и прогностическое значение

    при раке человека. PLoS Med 3: e47

    Dunigan DD, Waters SB, Owen TC (1995) Водорастворимый тетразолий /

    MTS формазан в качестве индикатора НАДН- и НАДФН-зависимой активности дегидрогеназы

    .Biotechniques 19: 640 — 649

    Eboli ML, Pasquini A (1994) Связанное с трансформацией уменьшение пирувата

    дегидрогеназного комплекса в эпидермисе человека. Cancer Lett 85: 239– 243

    Fantin VR, St-Pierre J, Leder P (2006) Ослабление экспрессии LDH-A

    раскрывает связь между гликолизом, физиологией митохондрий и поддержанием опухоли

    . Cancer Cell 9: 425–434

    Fries M, Jung HI, Perham RN (2003) Механизм реакции компонента

    гетеротетрамерного (alpha2beta2) E1 мультиферментных комплексов 2-оксокислоты, дегидро-

    ,

    геназы.Biochemistry 42: 6996-7002

    Giatromanolaki A, Koukourakis MI, Sivridis E, Turley H, Talks K, Pezzella

    F, Gatter KC, Harris AL (2001) Связь индуцируемого гипоксией фактора 1

    альфа и 2 альфа в рабочем состоянии немелкоклеточный рак легкого до ангиогенного /

    молекулярный профиль опухолей и выживаемость. Br J Cancer 85: 881– 890

    Harris RA, Bowker-Kinley MM, Huang B, Wu P (2002) Регулирование активности

    пируватдегидрогеназного комплекса.Adv Enzyme Regul 42:

    249–259

    Иризарри Р.А., Хоббс Б., Коллин Ф., Бизер-Барклай Ю.Д., Антонеллис К.Дж., Шерф У.,

    Скорость, TP (2003) Исследование, нормализация и обобщение высоких значений

    данные об уровне зонда матрицы олигонуклеотидов плотности. Biostatistics 4: 249 — 264

    Kelly BD, Hackett SF, Hirota K, Oshima Y, Cai Z, Berg-Dixon S, Rowan A,

    Yan Z, Campochiaro PA, Semenza GL (2003) Регулирование по типу клеток

    экспрессии гена ангиогенного фактора роста и индукции ангиогена-

    в неишемической ткани конститутивно активной формой гипоксии-

    индуцибельного фактора 1.Circ Res 93: 1074 — 1081

    Ким Дж. У., Чернышёв И., Семенца Г. Л., Данг К. В. (2006) HIF-1-опосредованная

    экспрессия киназы пируватдегидрогеназы: метаболический переключатель

    , необходимый для клеточной адаптации к гипоксии. Cell Metab 3: 177-185

    Kong A, Leboucher P, Leek R, Calleja V, Winter S, Harris A, Parker PJ,

    Larijani B (2006) Прогностическое значение маркера состояния активации для

    фактора роста эпидермиса рецептор в тканевых микрочипах рака головы и шеи

    .Cancer Res 66: 2834 -2843

    Коротчкина Л.Г., Сидху С., Патель М.С. (2006) Характеристика семенников-специфичного изофермента

    пируватдегидрогеназы человека. J Biol Chem 281:

    9688– 9696

    Кукуракис М.И., Гиатроманолаки А., Харрис А.Л., Сивридис Э. (2006)

    Сравнение метаболических путей между раковыми клетками и стромальными

    клеток в колоректальной карциноме: роль метаболизма в выживаемости опухоли: метаболическая роль в выживаемости опухоли —

    ассоциированная строма. Cancer Res 66: 632–637

    Koukourakis MI, Giatromanolaki A, Simopoulos C, Polychronidis A,

    Sivridis E (2005a) Лактатдегидрогеназа 5 (LDH5) связана с повышением-

    метастазирующего фактора гипоксии, индуцируемого 9000, и индуцируемого метастазирующим фактором

    рак.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

    *