klíčovou roli pyruvát dehydrogenázy kinázy v metabolické flexibility

Zachování rovnováhy mezi energetickou poptávkou a nabídkou, je rozhodující pro zdraví. Glukóza a lipidy (mastné kyseliny a ketonová těla), jako zdroje buněčné energie, mohou soutěžit a vzájemně interagovat . Schopnost organismu přizpůsobit oxidaci paliva dostupnosti paliva, to znamená přednostně využívat sacharidová a lipidová paliva a být schopen rychle přepínat mezi nimi se nazývá metabolická flexibilita . Selhání, aby odpovídaly paliva, oxidačních změn v dostupnost živin je často doprovázeno příznaky, jako je inzulínová rezistence, ektopická akumulace lipidů a mitochondriální dysfunkce . Metabolická nepružnost tedy úzce souvisí s řadou syndromů, jako je diabetes typu 2 (T2D), obezita, kardiovaskulární onemocnění a metabolický syndrom.

Jedním z hlavních enzymů zodpovědných za metabolickou flexibilitu u savců je pyruvát dehydrogenázy komplexu (PDC), mitochondriální multi-enzym komplex, který katalyzuje oxidativní dekarboxylaci pyruvátu . PDC řídí přeměnu pyruvátu, Koenzym A (CoA) a NAD+ na acetyl-CoA, NADH + h + a CO2, a proto odkazy mastných kyselin metabolismus, metabolismus glukózy a trikarboxylová (KREBSOVA) cyklu . CoA-aktivuje dvě uhlíkové jednotky produkován katabolismus pyruvát může být kondenzované s oxalacetát v první reakci KREBSOVA cyklu, nebo použity pro mastné kyseliny a cholesterol syntéza . Pyruvát může být také konzervován pro glukoneogenezi v játrech a ledvinách . PDC tedy zaujímá centrální polohu v metabolismu buněčné energie (Obrázek 1).

PDC a PDKs zaujímají centrální postavení v buněčném energetickém metabolismu. Mastné kyseliny a glukóza si navzájem konkurují oxidací na úrovni PDC u savců. PDC katalyzuje oxidační dekarboxylaci pyruvátu za vzniku acetyl-CoA a tím spojuje metabolismus glukózy a metabolismus mastných kyselin. PDC může být fosforylován PDKs, které mohou být regulovány mitochondriální acetyl-CoA, NADH, pyruvátu, ATP a jaderné transkripční faktory. ERRa: Estrogen související receptor α; FoxO: Forkhead box protein O; NEFA: Non-esterifikované mastné kyseliny; PDC: Pyruvát dehydrogenáza komplex; PDKs: Pyruvát dehydrogenázy kinázy; PGC1a: PPARy co-activator 1α; Ppar: Receptory aktivované proliferátorem peroxizomu; TG: triglycerid; TCA: Trikarboxylová kyselina.

PDC je aktivnější ve zdravém a dobře živeném stavu. Potlačení PDC je však zásadní pro syntézu glukózy, když je glukóza vzácná . Inaktivace PDC činnost je katalyzována čtyři vysoce specifické pyruvát dehydrogenázy (PDH) kinázy (PDK) izoenzymy, které mohou fosforylovat konkrétní serinové zbytky v α podjednotku E1 enzymu v PDC . Ze všech známých isozymů jsou PDK2 a PDK4 nejrozšířenější a jsou vysoce exprimovány v srdci, játrech a ledvinách u lidí a hlodavců. PDK4 je také hojný v pankreatických ostrůvcích a v kosterních svalech, které mají vysoké využití glukózy a rychlost oxidace mastných kyselin. PDK1 a PDK3 mají poměrně omezenou distribuci tkání . Aktivity PDKs mohou být regulovány různými hladinami metabolitů a transkripčními faktory za různých podmínek a v různých tkáních (Obrázek 2). PDC tak může řídit využití a skladování paliv, aby splnil metabolickou flexibilitu v reakci na životní prostředí.

Transkripční regulace drah PDK4 v různých tkáních za různých nutričních státy. Inaktivace PDC up-regulací PDK4 může změnit katabolismus glukózy na využití mastných kyselin. Existují různé transkripční regulace dráhy v kosterním svalu, játrech, bílé tukové tkáně a srdce za různých nutričních podmínek (energetická deprivace, high tuk stravy, spotřeby, cvičení, onemocnění, léky). Akt/PKB: protein kináza B; AMPK: 5′-AMP aktivované protein kinázy; CD36: Cluster diferenciace 36; C/EBPß: CCAAT/enhancer-binding protein β; eIF4E: Eukaryotní iniciační faktor 4E; Suvu: Estrogen související receptor α; TUKU: Mastné kyseliny, transportní; FoxO1: Forkhead box protein O1; LXR: Jaterní X receptor; MAPK: p38 mitogen-aktivované protein kinázy; PDC: Pyruvát dehydrogenáza komplex; PDK4: Pyruvát dehydrogenázy kinázy 4; PGC1a: PPARy co-activator 1α; Ppar: Peroxisome tiazolidindionom-aktivované receptory; SHP: Malé heterodimeru partnera; STAT5: Signál snímače a aktivátor transkripce 5.

Tato recenze shrnuje nedávné studie na PDKs klíčovou úlohu v kontrole metabolismu flexibilitu, nedávný koncept v buněčném energetickém metabolismu za různých nutričních podmínek (energetická deprivace, high tuk stravy, spotřeby, výkonu a onemocnění) v různých tkáních (kosterní sval, játra, bílé tukové tkáně, srdce, slinivky břišní, ostrůvky a nervový systém), s důrazem na nejlepší vyznačuje PDK4. Pochopení regulace PDKs v různých tkáních a jejich role v energetické homeostáze bude prospěšné pro léčbu různých metabolických onemocnění.

PDK a metabolické flexibility v kosterním svalu

Jak kvantitativně největší orgán v těle, v kosterním svalu představuje 30% až 40% z metabolismu u dospělých v klidovém stavu. Přispívá k 80% absorpce glukózy stimulované inzulínem, je hlavním místem oxidace glukózy a metabolismu mastných kyselin . Kosterní sval vykazuje pozoruhodnou metabolickou flexibilitu při používání paliva v reakci na různé metabolické výzvy, jako je energetická deprivace a změny ve složení stravy. V libové zdravých jedinců, pod inzulinu stimulace, kosterní sval je schopen přejít od převážně oxidaci lipidů a vysoká míra mastné kyseliny příjmu k potlačení katabolismu lipidů a zvýšené vychytávání glukózy, oxidační a skladování . Nicméně, obézní a T2D pacientů projeví větší míra oxidace lipidů v kosterním svalu a jsou poměrně rezistentní na inzulín, což vede k metabolické nepružnost .

energetická deprivace

během energetické deprivace je glukóza vzácná a oxidace mastných kyselin s dlouhým řetězcem se používá ke splnění požadavků na buněčnou energii. Snížený příjem potravy a snížené koncentrace inzulínu snižují využití glukózy k zachování glukózy . Aktivita PDC savců je potlačena HYPERFOSFORYLACÍ PDK, což omezuje konverzi pyruvátu na acetyl-CoA v kosterním svalu . Při menším množství acetyl-CoA je syntéza malonyl-CoA, inhibitoru oxidace mastných kyselin, snížena . Výsledkem je, že oxidace mastných kyselin je vynucena a usnadněna up-regulací PDK4 . Čtyřicet osm hodin půstu u potkanů (úplné vysazení potravy) bylo spojeno s 3-4násobným zvýšením proteinu PDK4 a mRNA ve svalu gastrocnemius, bez účinků na expresi PDK2 . Čtyřicet osm hodin-postil PDK4 knock-out myši vykazovaly snížené hladiny glukózy v krvi, zvýšené sérové koncentrace neesterifikovaných mastných kyselin a větší PDC činnost v lýtkového svalu , v souladu s nižší mírou oxidace mastných kyselin a zvýšené sazby glukózy a oxidace pyruvátu. Energetická deprivace však vedla spíše ke snížení než ke zvýšení aktivity PDK2 u gastrocnemius svalu u PDK4 knock-out myší . To naznačuje, že PDK2 nebyl schopen kompenzovat ztrátu funkce PDK4 v reakci na půst. Opakované podávání volně žijících potkanů nalačno po dobu 48 hodin snížilo mRNA PDK4 na úroveň srovnatelnou s kontrolní skupinou .

acetyl-CoA a NADH produkované oxidací mastných kyselin stimulovaly aktivitu PDK v kosterním svalu . Tam byl také selektivní indukci forkhead box O1 (FoxO1) a forkhead box O3 (FoxO3) přepisy v lýtkového svalu u myší po 48 h potravin odstoupení od smlouvy , uvádějící zapojení FoxO v up-regulaci PDK4 v reakci na krátkodobé změny v nutričním stavu. PDK4, interakci s mastných kyselin transporter/cluster diferenciace 36 (FAT/CD36, hlavní mastné kyseliny příjmu bílkovin ve svalu), peroxisome-tiazolidindionom activated receptor δ/β (PPARδ/β, mastné kyseliny aktivované nukleární receptory) a FoxO1, poskytuje rámec pro regulaci svalové palivo přednost v reakci na hladovění . Během energie deprivace, CD36-usnadnit mastných kyselin aktivuje tok PPARδ/β, které koordinovaně zvyšuje exprese FoxO1 a PDK4 k inhibici oxidace glukózy. Tok mastných kyselin a snížené koncentrace inzulínu jsou spojeny s down-regulací proteinkinázy B (Akt/PKB), což vede k aktivaci FoxO1 . Protože FoxO1 také rekrutuje CD36 do plazmatické membrány a indukuje lipoproteinovou lipázu, všechny tyto zvyšují využití mastných kyselin v kosterním svalu . Byla také hlášena nová metabolistatická signální osa jaterního x receptoru (LXR)-PPARa, která se podílí na odpovědi na deprivaci svalové energie . Aktivace LXR zvýšila signalizaci PPARa pro zvýšení up-regulace exprese PDK4 vyvolané nalačno, čímž se zvyšuje oxidace mastných kyselin a snižuje katabolismus glukózy v kosterním svalu .

dlouhodobá konzumace stravy s vysokým obsahem tuku

dlouhodobá konzumace stravy s vysokým obsahem nasycených tuků může způsobit hyperglykémii, hyperinzulinémii, intoleranci glukózy a obezitu. Podávání diety s vysokým obsahem nasycených tuků po dobu 4 týdnů potkanům výrazně zvýšil PDK2 a PDK4 exprese proteinů v obou fast-twitch bílých svalových vláken sub-typů (tibialis anterior) a slow-twitch červených svalových vláken sub-typů (soleus) u potkanů . Červené svalové vlákno s pomalým škubnutím je bohaté na mitochondrie a myoglobin a spoléhá se na aerobní metabolismus uhlohydrátových a lipidových paliv. V soleus, relativní nárůst PDK4 výraz byl také spojen s více než 7 násobné zvýšení koncentrace pyruvátu a 50% snížení PDC aktivity ve srovnání s, že v tibialis anterior , což znamená větší ztráty PDK citlivost v důsledku inhibice pyruvát v rychle-škubnutí svalu ve srovnání s pomalu-škubnutí svalů. Spotřeba stravy s vysokým obsahem tuku vede k použití paliv odvozených od lipidů jako respiračních substrátů ve svalech, částečně modulovaných up regulací aktivity PDK. Zvýšená oxidace mastných kyselin po krmení dietou s vysokým obsahem tuku v pomalém záškubu svalu je připisována hlavně up-regulaci PDK4. Nicméně, v rychle-škubnutí svalů, zvýšená PDK2 mRNA bylo pozorováno také , připomínající možné koordinovat nařízení mezi PDK2 a PDK4 v bílých svalových vláken sub-typů.

nedostatek PDK4 vede k inhibici oxidace mastných kyselin a zvyšuje oxidaci glukózy v důsledku větší aktivity PDC, což zvyšuje konverzi pyruvátu na acetyl-CoA. S více acetyl CoA dostupnými pro syntézu malonyl-CoA, inhibitoru oxidace mastných kyselin, rychlost oxidace mastných kyselin klesá v důsledku přímé zpětné vazby . Dlouhodobé podávání stravy s vysokým obsahem tuku však nepodporuje další ektopickou akumulaci tuku ani nezhoršuje inzulínovou rezistenci . Po krmení s vysokým obsahem nasycených tuků diety po dobu 32 týdnů v PDK4 knockout myší, PDK4 deficientní myši také vyvinul hyperinsulinaemia, ale menší hromadění tuku v kosterním svalu a lepší glukózovou toleranci v porovnání s wild-type myší . Aktivita syntázy mastných kyselin byla také nižší, což naznačuje, že nepřítomnost PDK4 může změnit signální složky podílející se na regulaci metabolismu lipidů .

u myší po chronické konzumaci stravy s vysokým obsahem tuku byla zjištěna Up-regulace mRNA a proteinu související s estrogenem pro vzácná nukleární receptor α (ERRa). To bylo navrhl, že PPARy coactivator 1α (PGC1a) může regulovat glukózy a katabolismu a mitochondriální oxidační cest zvýšením PDK4 činnost prostřednictvím PGC1a/ERRa závislé dráhy v kosterním svalu . ERRa mohou rekrutovat PGC1a kombinovat do PDK4 promotér a regulovat PDK4 přepis, který je nezávislý na FoxO1 a Ppar . Negativní regulace aktivity PDC PDK4 inhibuje vstup pyruvátu do cyklu TCA a následně otupuje buněčnou oxidaci glukózy v reakci na podávání s vysokým obsahem tuku . PGC1a / ERRa má tedy klíčovou roli v regulaci PDK4 vyvolané vysokým obsahem tuku a metabolické flexibilitě v kosterním svalu.

Cvičení

bylo zjištěno, že PDC aktivace při nízké až střední intenzitě svalové kontrakce byl ~2 krát vyšší v PDK4 knockout myší než u wild-type myší v průběhu cvičení, a to bez ohledu na intenzitu . MRNA PDK4 byla významně zvýšena během prodlouženého cvičení a po krátkodobém cvičení s vysokou intenzitou i po dlouhodobém cvičení s nízkou intenzitou v kosterním svalu u myší . Inaktivace PDC v reakci na oba pomalu-škubnutí a rychlá svalová kontrakce prostřednictvím up-regulované PDK4 může omezit vstup glycolytic produkty do mitochondrií pro oxidaci. Období zotavení po cvičení také zdůrazňuje vysokou metabolickou prioritu doplňování glykogenu k obnovení energetické homeostázy v kosterním svalu . High tuk stravy, spotřeby po dobu 18 týdnů, následuje 12 h cvičení také zvýšené PDK4 exprese v kosterním svalu u myší , což vede ke snížené PDC aktivity a méně sacharidů oxidace. FoxO1 byl navržen jako možný transkripční faktor související s touto změnou. FoxO1 může snímat změny v dostupnosti volných mastných kyselin a přenášet tuto zprávu po proudu modulací transkripce PDK4. Un-fosforylovaný FoxO1 sídlí v jádře, kde může aktivovat transkripci genů, které obsahují prvky inzulínové odpovědi. Fosforylace FoxO1 cestou Akt/PKB vede k jadernému vyloučení a destrukci . PGC1a také hrál významnou roli v kosterním svalu v reakci na cvičení podle výzkumu na koních . PGC1a regulované oxidace glukózy, zatímco zvýšení mitochondriální dýchání a oxidace mastných kyselin během post-cvičení zotavení v Plnokrevných koní .

kromě cvičení svalů, při akutní vytrvalostní cvičení na jedné noze cyklistika model, klidové svalové také ukázaly zvýšenou PDK4 výraz, pravděpodobně zprostředkované zvýšení cirkulujících volných mastných kyselin, ligandy Ppar, a up-regulaci PPAR cesty .

Inzulínové rezistence a diabetes

Inzulinové rezistence je většinou charakterizována jako omezená reakce na stimulovaný metabolismus glukózy v kosterním svalu. Také odolnost proti potlačení využití lipidů při inzulínové rezistenci narušila schopnost přepínat mezi palivy, což vedlo k metabolické nepružnosti . To je velmi časté u obézních a T2D pacientů ve stavu simulovaném inzulínem. Kim et. al indukované akutní inzulínové rezistence konstantní infuze Intralipid (tuková emulze) a laktátu po dobu 5 h u potkanů, což vede 2 až 3 krát vyšší PDK4 výraz ve svalu po infuzi inzulínu , což naznačuje zhoršenou schopnost inzulínu potlačit PDK4. Intralipidová a laktátová infuze také snížila fosforylaci Akt/PKB a FoxO1, což ilustruje zhoršenou signalizaci inzulínu . Novější studie klinického výzkumu ukázala, že růstový hormon (GH) může podporovat lipolýzu a snížit citlivost na inzulín u lidských subjektů. To bylo spojeno s up-regulací PDK4 mRNA a sníženým aktivním PDC, podobně jako to, co je pozorováno během půstu . Výzkum na T2D pacientů svalová biopsie ukázala, že oba PDK2 a PDK4 mRNA byly zvýšeny ve srovnání se zdravými dobrovolníky po lačnění přes noc , což bylo v souladu s inzulinovou rezistencí a metabolickým nepružnost T2D pacientů. Dále methylace stav cytosines v +160 a +446 oblasti PDK4 pořadatelem byla snížena u T2D pacientů, což naznačuje, že epigenetické modifikace mitochondriální geny jsou zapojeny v regulaci substrátu přepínání . Nicméně, jako jeden z transkripčních faktorů, který reguluje expresi PDK4, PGC1a propagátorem byl ohlásen být hyper-methylované v kosterním svalu T2D předměty a po překrmování tuku nízká porodní hmotnost jedinců , což naznačuje, že změněné methylace vzory spojené s metabolických onemocnění může být promotor specifický .

terapeutické intervence byly použity ke snížení exprese PDK4 u diabetu. Kromě inzulínu bylo několik inhibitorů PDK4 použito k podpoře likvidace glukózy na zvířecích modelech. Počáteční studie ukázaly povzbudivé výsledky při perorálním podání dichloracetátu( DCA), ale tato sloučenina je slabý inhibitor PDK a toxický . Více nedávno, silný, perorálně podávanými léky, jako jsou PDK inhibitory produkován Novartis a AstraZeneca obvykle zahrnují amidy kyseliny trifluor-2-hydroxy-2-methylpropanové kyseliny . Všechny tyto inhibitory, včetně inhibitoru PDK2 Nov3r a AZD7545, se váží na vazebném místě LIPOYLOVÉ skupiny PDK a účinně zvyšují aktivitu PDC . Mnoho léků se zaměřuje na aktivitu PDK ve většině periferních tkání, jako je DCA, ale některé léky mají lepší účinnost ve specifických tkáních. Například, AZD7545 zvýšené PDC činnosti efektivněji v játrech než v kosterním svalu a v srdci a se ztrátou účinnosti v kosterním svalu postil zvířat .

PDK a metabolické flexibility v játrech

Jednou z hlavních funkcí jater je regulovat přísun glukózy a ostatními metabolickými paliv poskytovat energii do dalších tkání . Tělo může vyrovnat hladinu glukózy v krvi vyvážením produkce a skladování glukózy v játrech a ledvinách a regulací jejího využití v periferních tkáních. Za podmínek nalačno játra zpočátku poskytují glukózu z glykogenolýzy, rozkladu zásob glykogenu v játrech. Při prodloužené energetické deprivaci je primárním zdrojem glukózy glukoneogeneze, syntéza glukózy z prekurzorů bez sacharidů, jako je glycerol, laktát a aminokyselina alanin . Inaktivace PDC pomocí PDKs může inhibovat konverzi pyruvátu na acetyl-CoA, což má za následek posun pyruvátu do cyklu TCA nebo syntézu mastných kyselin směrem k glukoneogenezi .

Půst po dobu 48 h nezměnila PDC aktivity v játrech PDK4 knockout myší, ale meziprodukty gluconeogenic dráhy (glukóza-6-fosfát, fruktosa-1,6-bisphosphate, pyruvát, laktát a citrát) byly nižší , což naznačuje sníženou sazbu glukoneogeneze a glykolýzy. Růstový hormon (GH), mohou zvýšit jaterní PDK4 exprese v játrech u wild-type myší během půstu prostřednictvím aktivace signální transduktor a aktivátor transkripce 5 (STAT5), což vede k inhibici PDC aktivity, zachování substráty pro glukoneogenezi . Metformin, obyčejně předepsaný lék pro T2D, může inhibovat GH indukovaná PDK4 výraz pomocí 5′-AMP aktivované protein kinázy – malé heterodimeru partnera (AMPK-SHP) dependentní cesta k potlačení kombinace STAT5 do PDK4 pořadatel .

jaterní exprese PDK4 a PDK2 a aktivita PDC nebyly ovlivněny u myší divokého typu krmených dietou s vysokým obsahem tuku po dobu 18 týdnů. . Strava s vysokým obsahem tuku vyvolala jaterní steatózu, což je stav, ke kterému dochází, když hromadění tuku překračuje rychlost oxidace . Této situaci bylo zabráněno u KNOCKOUTOVÝCH myší PDK4, které konzumovaly stravu s vysokým obsahem nasycených tuků po dobu 32 týdnů . To lze částečně vysvětlit změnou aktivity PGC1a v játrech. PGC1a řídí expresi glukoneogenních enzymů, jako je fosfoenolpyruvátkarboxykináza (PEPCK). Vyřazení PDK4 by mohlo vést k vyšší úrovni PGC1a, v souladu s větší aktivity PEPCK a nižší kapacitu pro de novo syntézu mastných kyselin . PPARa také ukázal, koordinované nařízení s PGC1a v jaterní steatóza, která byla prokázána zvýšená blahodárné účinky clofibric kyseliny, PPARa agonistou na mastné kyseliny akumulace v PDK4 knockout myší . Na rozdíl od kosterního svalstva se tuk / CD36, klíčové enzymy pro transport mastných kyselin, nepodílely na snížené akumulaci tuku v játrech .

Pod diabetické podmínky, vyjádření PDK genů, zejména PDK4, jsou významně zvýšené v játrech, což by mohlo pomoci vysvětlit zvýšené sazby glukoneogeneze , a blahodárné účinky metforminu. Výzkum modelu diabetických myší, který má nedostatek substrátů jaterních inzulínových receptorů 1 a 2 (IRS 1/2), ukázal, že jak knockdown, tak knockout genu PDK4 vedly ke zlepšení glykemické kontroly a glukózové tolerance. PDK4 byl účinnější v regulaci metabolické flexibility než PDK2 v játrech . V kombinaci s výsledky z dalších studií se zdá, že PDK2 reguluje hlavně využití glukózy, zatímco PDK4 se může podílet jak na metabolismu glukózy v systému,tak na jaterní glukoneogenezi.

hormon Štítné žlázy (T3) ovládá více aspektů jaterní energie metabolické procesy, jako je oxidace mastných kyselin, lipogenezí a oxidace glukózy. Experimentální hypertyreóza může indukovat expresi PDK4 v játrech, kosterním svalu a srdci, což vede k inhibici aktivity PDC. V promotoru genu PDK4 u potkanů byla identifikována dvě vazebná místa pro receptor β hormonu štítné žlázy . Kromě toho, že funguje jako koaktivátor T3, může PGC1a také zvýšit indukci T3 jaterní exprese PDK4 u potkanů . Na CCAAT/enhancer-binding protein β (C/EBPß), jako transkripční faktor pro geny kódující gluconeogenic enzymy, jako jsou PEPCK, také stimuluje jaterní PDK4 exprese u potkanů přes dva C/EBPß-response elements v PDK4 organizace a také se podílí na T3 indukce PDK4 transkripce .

PDK4 a metabolické flexibility v bílé tukové tkáně

ve Srovnání s kosterním svalu a játrech, relativně malý průzkum uvádí na metabolické flexibility v bílé tukové tkáně (WAT). WAT je klíčovým orgánem pro metabolický proces mastných kyselin označovaný jako glyceroneogeneze adipocytů. Tato cesta používá pyruvát, alanin, glutamin nebo jakékoliv látky z KREBSOVA cyklu jako prekurzory pro syntézu dihydroxyaceton fosfát (DHAP) a nakonec produkovat glycerol-3-fosfátu (G3P), triacylglycerolu (TAG) syntézu . PDC je spojen s tímto procesem a potlačení PDC umožňuje zvýšené použití laktátu a pyruvátu pro glyceroneogenezi .

Jako aktivátor glyceroneogenesis, thiazolidindiony (TZD) se zvýšil PDK4 mRNA exprese v subkutánní, periepididymal a retroperitoneální WAT sklady v fa/fa Zucker potkanů, genetické obézních, inzulin rezistentní model, zatímco PDK2 mRNA nebyla ovlivněna, což naznačuje zásadní roli PDK4 v glyceroneogenesis. Exprese PDK4 vyvolaná TZD byla specifická pro tkáň, protože játra a svaly na takovou léčbu nereagovaly . Podobné výsledky byly pozorovány u 3 adipocytů T3-F442A in vitro za použití inhibitorů PDK4, DCA a leelaminu a PDK4 siRNA. Jak 500 µmol/L DCA, tak 50 µmol/L leelamin inhibovaly inkorporaci pyruvátu do triglyceridů. Inkorporace pyruvátu do lipidů byla snížena o 40% po transfekci adipocytů PDK4 siRNA . PPARy je jaderný receptor regulovaný TZD senzibilizujícími inzulín. PDK4 je nepřímým cílem PPARy. Regulace PDK4 TZD ve WAT tedy úzce souvisí s PPARy .

na Rozdíl od TZD, akutní adrenalin léčby také zvýšil PDK4 mRNA prostřednictvím p38 mitogen-aktivované protein kinázy (MAPK) a AMPK cesty v kultivovaných adipocytech a v epididymálních WAT sklady u obézních, inzulin rezistentní krysa modely, které byly vyvolané high tuk stravy . PDK2 mRNA byla stále nedotčena. Dvě hodiny plavání přinesly podobné výsledky jako léčba epinefrinem u WAT u chudých i obézních potkanů . V kombinaci se zvýšenou G3P syntézy prostřednictvím PEPCK, více glyceroneogenesis umožňuje zvýšený re-esterifikace neesterifikovaných mastných kyselin v TAG z lipolýzu, zatímco oxidace glukózy je snížena v těchto adipocyty . S hlavní úlohou v clearance glukózy a syntéze/ukládání tuků, up-regulace PDK4 během cvičení, epinefrin a léčba TZD vedoucí k inhibici PDC, podporuje ukládání energie ve WAT. Pro objasnění transkripčních drah zapojených do Up-regulace PDK4 ve WAT je zapotřebí více práce .

PDK4 a metabolické flexibility v srdci

Metabolické nepružnost vždy doprovází kardiomyopatie, zejména během ischemie, a může dokonce způsobit srdeční selhání . Neschopnost oxidovat dostatek sacharidů, aby splňovaly energetické nároky, je důležitým důvodem srdeční neúčinnosti. To lze prokázat srdeční specifickou nadměrnou expresí PDK4, která je dostatečná k tomu, aby způsobila ztrátu metabolické flexibility a zhoršila kardiomyopatii . Nadměrná exprese PDK4 v srdci s transgenním myším modelem byla spojena se snížením katabolismu glukózy a odpovídajícím zvýšením oxidace mastných kyselin. Tento transgenní model také exprimoval konstitutivně aktivní formu fosfatázy kalcineurinu, a tak způsobil hypertrofii fibrózy kardiomyocytů a výrazné zvýšení úmrtnosti .

u myší, které byly krmeny dietou s vysokým obsahem tuku po dobu 10 dnů, se oxidace srdečních uhlohydrátů výrazně snížila s up-regulací aktivity PDK4. Vysokým obsahem tuku strava indukované srdeční metabolické změny prostřednictvím eukaryotní iniciační faktor 4E (eIF4E)/cyklin D1/E2F1/PDK4 dráhy .

během středně těžké ischémie jsou volné mastné kyseliny primárním palivem při mitochondriální oxidaci . Zatímco glykolýza je stále aktivní a glukóza se používá k produkci laktátu k získání ATP, nezávisle na kyslíku, inaktivace PDC usnadňuje použití mastných kyselin. Ischémie způsobuje přeměnu pyruvátu na laktát, čímž se zvyšuje okyselení v myokardu . Inhibice aktivity PDK DCA je tedy nezbytná pro zvýšení produkce ATP i absorpce Ca2+ a použití kombinace inhibitorů oxidace glukóza-inzulín-k+ nebo mastných kyselin je také prospěšné .

Angiotensin II (Ang II), hlavní efektorové v renin angiotenzinového systému při srdečním selhání, může vyvolat značené srdeční inzulínová rezistence, což vede k srdeční metabolický přechod z glukózy oxidace mastných kyselin, produkují metabolické nepružnost a srdeční neefektivnosti . PDK4 je vysoce exprimován v tomto modelu hypertrofie indukované Ang II a delece PDK4 zabraňuje ang II indukované redukci oxidace glukózy a zabraňuje diastolické dysfunkci . Inhibice aktivity PDK4 se stala novou terapeutickou strategií proti srdečním onemocněním .

PDK a metabolické flexibility v centrálním nervovém systému

mozek také využívá oxidace glukózy jako primární zdroj energie. Kultivované astrocyty vyjádřil více PDK2 a PDK4 ve srovnání s neurony, v souladu s nižší PDH aktivity a vyšší produkce laktátu zobrazí kultivované astrocyty . Hromadí se důkazy, že změny aktivity PDKs jsou spojeny s vývojem několika neurologických poruch. Například Alzheimerova choroba byla spojena s dysfunkcí aktivity PDH a metabolismu glukózy . Stárnutí mozku je spojeno se sníženou mRNA PDK1 a PDK2 v mozečku a zvýšenou mRNA PDK2 v hipokampu a mozkové kůře a up-regulace mRNA PDK2 byla zapojena do glioblastomu .

hypotalamické neurony jsou citlivé na nutriční signály a mohou regulovat energetickou rovnováhu a homeostázu glukózy. Základní složité mechanismy však stále nejsou zcela pochopeny. Nedávné studie na myších postil po dobu 48 h odhalila profilu genové exprese v hypotalamu v souladu se snižuje využití glukózy a zvýšenou oxidaci lipidů, včetně zvýšené PDK4 mRNA, v souladu s výsledky v kosterním svalu, jater, srdce a ledvin . Up-regulace PDK4 byla také pozorována u hypotalamu během novorozeneckého půstu u potkanů po dobu 6 hodin, což odráží pokus o úsporu energie během novorozenecké potravní deprivace . To také naznačuje, že novorozenecký mozek není ušetřen omezení glukózy během energetické krize, ale místo toho může novorozenecký mozek používat jako hlavní zdroj energie ketony odvozené z metabolismu mastných kyselin . Jsou však hlášeny pouze omezené studie účinku PDK na hypotalamickou energetickou bilanci. Očekává se další výzkum.

PDK a metabolické flexibility v jiných tkáních

Pankreatických ostrůvků

V myších pankreatických β buněk, a to jak vysoké mastných kyselin a vysoké glykémie léčba zvýšené PDK činnosti a snížil PDH činnosti. Palmitátu up-regulované mRNA exprese PDK1, PDK2 a PDK4, zatímco vysoké glukózy zvýšená PDK1, PDK2 mRNA, ale snižuje PDK4 mRNA , připomínající různé transkripční regulace. Indukce exprese PDK glukózou i tukem tedy doprovází pokles flexibility metabolismu β buněk během progrese od obezity k T2D .

chronická expozice hyperglykemickým stavům vede k glukotoxicitě v β buňkách. Glukotoxicita narušuje glukózovou simulovanou sekreci inzulínu (GSI), což přispívá k rozvoji T2D. Metabolomická analýza β buněk po expozici vysoké glukóze (25 mM po dobu 20 h) odhalila zvýšení glukózy a snížení mastných kyselin během GSI, ale žádné významné změny proteinu PDK2 . Podobný výzkum na inzulinomových e (INS-1E) β buněčných liniích ukázal zvýšení fosforylace podjednotky PDC E1a během léčby vysokou glukózou (50 mM po dobu 48 hodin). Knockdown PDK1 a PDK3 vedl k výraznému snížení inaktivace PDC. Inaktivace PDC však nebyla spojena se změněnými GSI . Je možné, že PDC aktivita v ins-1E β buňkách je v přebytku, a proto snížení její aktivity má malý důsledek. Prolaktin může také indukovat GSI v buněčných liniích INS-1E potlačením PDK a zvýšenou aktivitou PDC, což naznačuje novou roli laktogenů v léčbě diabetu . Jako nejdůležitější orgán podílející se na patogenezi T2D je zapotřebí více výzkumu metabolické flexibility v pankreatických β buňkách.

Rakovinné buňky

Rakovinné buňky mají jedinečný způsob, jak získat energii, nazývá Warburg efekt. Využívají zvýšenou glykolýzu a potlačují oxidaci mitochondriální glukózy, aby poskytly energii s proliferativní výhodou, vedoucí k rezistenci na apoptózu a dokonce ke zvýšené angiogenezi . V podmínkách nízkých živin byl Warburgův účinek zvýšen mechanismem zahrnujícím aktivaci PDK závislou na reaktivních kyslíkových druzích (ROS)/AMPK . PDK1 a PDK3 jsou hlavní izoformy související s Warburgovým efektem . Proto inhibice PDK s buď malé interferující Rna nebo orphan drugs, jako DCA, může posunout metabolismus nádorových buněk z glykolýze, oxidaci glukózy, a může poskytnout účinný přístup k léčbě rakoviny .