Die zentrale Rolle von Pyruvatdehydrogenase-Kinasen bei der metabolischen Flexibilität

Die Aufrechterhaltung eines Gleichgewichts zwischen Energiebedarf und -angebot ist für die Gesundheit von entscheidender Bedeutung. Glukose und Lipide (Fettsäuren und Ketonkörper) können als Zellenergiequellen miteinander konkurrieren und interagieren . Die Fähigkeit eines Organismus, die Brennstoffoxidation an die Brennstoffverfügbarkeit anzupassen, das heißt, Kohlenhydrat- und Lipidbrennstoffe bevorzugt zu nutzen und schnell zwischen ihnen wechseln zu können, wird als metabolische Flexibilität bezeichnet . Das Versagen, die Brennstoffoxidation an Veränderungen der Nährstoffverfügbarkeit anzupassen, wird oft von Symptomen wie Insulinresistenz, ektopischer Lipidakkumulation und mitochondrialer Dysfunktion begleitet . Daher ist die metabolische Inflexibilität eng mit einer Reihe von Syndromen wie Typ-2-Diabetes (T2D), Fettleibigkeit, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und metabolischem Syndrom verbunden.

Eines der wichtigsten Enzyme, die für die metabolische Flexibilität bei Säugetieren verantwortlich sind, ist der Pyruvatdehydrogenase-Komplex (PDC), ein mitochondrialer Multienzymkomplex, der die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat katalysiert . PDC steuert die Umwandlung von Pyruvat, Coenzym A (CoA) und NAD + in Acetyl-CoA, NADH und CO2 und verknüpft so den Fettsäurestoffwechsel, den Glukosestoffwechsel und den Tricarbonsäure (TCA) -Zyklus . Die durch den Katabolismus von Pyruvat erzeugte CoA-aktivierte Zwei-Kohlenstoff-Einheit kann in der ersten Reaktion des TCA-Zyklus mit Oxalacetat kondensiert oder für die Fettsäure- und Cholesterinsynthese verwendet werden . Pyruvat kann auch für die Glukoneogenese in Leber und Niere konserviert werden . Damit nimmt die PDC eine zentrale Position im zellulären Energiestoffwechsel ein (Abbildung 1).

PDC und PDKs nehmen zentrale Positionen im zellulären Energiestoffwechsel ein. Fettsäure und Glukose konkurrieren bei Säugetieren um Oxidation auf der Ebene des PDC. PDC katalysiert die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA und verbindet so den Glucosestoffwechsel und den Fettsäurestoffwechsel. PDC kann durch PDKs phosphoryliert werden, die durch mitochondriales Acetyl-CoA, NADH, Pyruvat, ATP und nukleare Transkriptionsfaktoren reguliert werden können. ERRa: Östrogen-bezogener Rezeptor α; FoxO: Gabelkopf-Box-Protein O; NEFA: Nicht veresterte Fettsäure; PDC: Pyruvatdehydrogenase-Komplex; PDKs: Pyruvatdehydrogenase-Kinasen; PGC1a: PPARy-Coaktivator 1α; PPARs: Peroxisom-Proliferator-aktivierte Rezeptoren; TG: Triglycerid; TCA: Tricarbonsäure.

PDC ist im gesunden und wohlgenährten Zustand aktiver. Die Unterdrückung von PDC ist jedoch entscheidend für die Glukosesynthese, wenn Glukose knapp ist . Die Inaktivierung der PDC-Aktivität wird durch vier hochspezifische Pyruvatdehydrogenase (PDH) -Kinase (PDK) -Isozyme katalysiert, die spezifische Serinreste innerhalb der α-Untereinheit des E1-Enzyms im PDC phosphorylieren können . Von allen bekannten Isozymen sind PDK2 und PDK4 am weitesten verbreitet und werden bei Menschen und Nagetieren stark in Herz, Leber und Niere exprimiert. PDK4 ist auch in Pankreasinseln und in Skelettmuskeln reichlich vorhanden, die eine hohe Glukoseverwertung und Fettsäureoxidationsraten aufweisen. PDK1 und PDK3 haben eine eher begrenzte Gewebeverteilung . Die PDKs-Aktivitäten können durch verschiedene Ebenen von Metaboliten sowie Transkriptionsfaktoren unter verschiedenen Bedingungen und in verschiedenen Geweben reguliert werden (Abbildung 2). So kann das PDC die Nutzung und Lagerung von Kraftstoffen verwalten, um die metabolische Flexibilität als Reaktion auf die Umwelt zu erfüllen.

Transkriptionsregulationswege von PDK4 in verschiedenen Geweben unter verschiedenen Ernährungszuständen. Die Inaktivierung von PDC durch Hochregulierung von PDK4 kann den Glukosekatabolismus auf die Fettsäurenutzung umstellen. Es gibt verschiedene Transkriptionsregulationswege in Skelettmuskulatur, Leber, weißem Fettgewebe und Herz unter verschiedenen Ernährungsbedingungen (Energieentzug, fettreicher Diätkonsum, Bewegung, Krankheiten, Drogen). Akt / PKB: Proteinkinase B; AMPK: 5′-AMP-aktivierte Proteinkinase; CD36: Differenzierungscluster 36; C / EBPß: CCAAT / Enhancer-bindendes Protein β; eIF4E: Eukaryotischer Initiationsfaktor 4E; ERRa: Östrogenbezogener Rezeptor α; FETT: Fettsäuretransporter; FoxO1: Gabelkopf-Box-Protein O1; LXR: Leber-X-Rezeptor; MAPK: p38 Mitogen-aktivierte Proteinkinase; PDC: Pyruvatdehydrogenase-Komplex; PDK4: Pyruvatdehydrogenase-Kinase 4; PGC1a: PPARy-Coaktivator 1α; PPARs: Peroxisom-Proliferator-aktivierte Rezeptoren; SHP: Kleiner Heterodimerpartner; STAT5: Signalwandler und Aktivator der Transkription 5.

Diese Übersicht fasst die jüngsten Studien über die zentrale Rolle von PDKs bei der Kontrolle der metabolischen Flexibilität zusammen, ein aktuelles Konzept im zellulären Energiestoffwechsel, unter verschiedenen Ernährungsbedingungen (Energieentzug, fettreicher Diätkonsum, Bewegung und Krankheit) in verschiedenen Geweben (Skelettmuskel, Leber, weißes Fettgewebe, Herz, Pankreasinseln und Nervensystem), mit Schwerpunkt auf dem am besten charakterisierten PDK4. Das Verständnis der Regulation von PDKs in verschiedenen Geweben und ihrer Rolle bei der Energiehomöostase wird für die Behandlung verschiedener Arten von Stoffwechselerkrankungen von Vorteil sein.

PDK und metabolische Flexibilität im Skelettmuskel

Als quantitativ größtes Organ im Körper macht der Skelettmuskel 30% bis 40% der Stoffwechselrate bei Erwachsenen im Ruhezustand aus. Es trägt zu 80% zur insulinstimulierten Glukoseaufnahme bei und ist eine wichtige Stelle für die Glukoseoxidation und den Fettsäurestoffwechsel . Der Skelettmuskel zeigt eine bemerkenswerte metabolische Flexibilität beim Kraftstoffverbrauch als Reaktion auf verschiedene metabolische Herausforderungen wie Energieentzug und Änderungen der Ernährungszusammensetzung. Bei mageren gesunden Personen kann der Skelettmuskel unter Insulinstimulation von einer vorwiegend Lipidoxidation und hohen Fettsäureaufnahmeraten zur Unterdrückung des Lipidkatabolismus und einer erhöhten Glukoseaufnahme, -oxidation und -speicherung übergehen . Adipöse und T2D-Patienten weisen jedoch eine höhere Lipidoxidationsrate im Skelettmuskel auf und sind relativ insulinresistent, was zu einer metabolischen Inflexibilität führt .

Energieentzug

Während des Energieentzugs ist Glukose knapp und die langkettige Fettsäureoxidation wird verwendet, um den Energiebedarf der Zellen zu decken. Reduzierte Nahrungsaufnahme und gesenkte Insulinkonzentrationen verringern die Glukoseverwertung, um Glukose zu sparen . Die PDC-Aktivität von Säugetieren wird durch die Hyperphosphorylierung von PDK unterdrückt, wodurch die Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA im Skelettmuskel begrenzt wird . Mit weniger verfügbarem Acetyl-CoA wird die Synthese von Malonyl-CoA, einem Inhibitor der Fettsäureoxidation, reduziert . Infolgedessen wird die Fettsäureoxidation durch Hochregulierung von PDK4 sowohl erzwungen als auch erleichtert. Achtundvierzig Stunden Fasten bei Ratten (vollständiger Nahrungsentzug) waren mit einem 3-4-fachen Anstieg des PDK4-Proteins und der mRNA im Gastrocnemius-Muskel verbunden, ohne Auswirkungen auf die PDK2-Expression . Achtundvierzig Stunden gefastete PDK4-Knock-out-Mäuse zeigten einen niedrigeren Blutzucker, erhöhte nicht veresterte Fettsäuren im Serum und eine größere PDC-Aktivität im Gastrocnemius-Muskel , was mit den niedrigeren Raten der Fettsäureoxidation und den erhöhten Raten der Glukose- und Pyruvatoxidation übereinstimmt. Energieentzug führte jedoch eher zu einer Abnahme als zu einer Zunahme der PDK2-Aktivität im Gastrocnemius-Muskel bei PDK4-Knock-out-Mäusen . Dies deutete darauf hin, dass PDK2 den Funktionsverlust von PDK4 als Reaktion auf das Fasten nicht kompensieren konnte. Die erneute Fütterung der nüchternen Wildtyp-Ratten für 48 h reduzierte die PDK4-mRNA auf ein Niveau, das mit dem der Kontrollgruppe vergleichbar war .

Das durch Fettsäureoxidation erzeugte Acetyl-CoA und NADH stimulierte die PDK-Aktivität im Skelettmuskel . Es gab auch eine selektive Induktion von Forkhead Box O1 (FoxO1) – und Forkhead Box O3 (FoxO3) -Transkripten im Gastrocnemius-Muskel bei Mäusen nach 48 h Nahrungsentzug , was auf die Beteiligung des FoxO an der Hochregulation von PDK4 als Reaktion auf kurzfristige Änderungen des Ernährungszustands hinweist. PDK4 interagiert mit dem Fettsäuretransporter / Differenzierungscluster 36 (FAT / CD36, wichtige Fettsäureaufnahmeproteine im Muskel), dem Peroxisom-Proliferator-aktivierten Rezeptor δ / β (PPARδ / β, Fettsäureaktivierter Kernrezeptor) und FoxO1 und bietet einen Rahmen für die Regulierung der Muskelbrennstoffpräferenz als Reaktion auf das Fasten . Während des Energieentzugs aktiviert der CD36-erleichterte Fettsäurefluss PPARδ / β, was die Expression von foxo1 und PDK4 koordiniert erhöht, um die Glucoseoxidation zu hemmen. Der Fettsäurefluss und die verringerten Insulinkonzentrationen sind mit einer Herunterregulierung der Proteinkinase B (Akt / PKB) verbunden, was zu einer FoxO1-Aktivierung führt . Da FoxO1 auch CD36 zur Plasmamembran rekrutiert und Lipoproteinlipase verursacht, erhöhen alle diese Fettsäurenutzung im Skelettmuskel. Es wurde auch berichtet, dass die neuartige metabolostatische Signalachse des Leber-X-Rezeptors (LXR) -PPARa an der Reaktion auf Muskelenergieentzug beteiligt ist . Die Aktivierung von LXR verstärkte die PPARa-Signalisierung, um die Fasten-induzierte Hochregulation der PDK4-Expression zu erhöhen, wodurch die Fettsäureoxidation verbessert und der Glukosekatabolismus im Skelettmuskel verringert wird .

Langfristiger Verzehr mit hohem Fettgehalt

Der langfristige Verzehr einer Diät mit hohem gesättigten Fettgehalt kann Hyperglykämie, Hyperinsulinämie, Glukoseintoleranz und Fettleibigkeit verursachen. Die Verabreichung einer Diät mit hohem Gehalt an gesättigten Fetten über einen Zeitraum von 4 Wochen an Ratten erhöhte die PDK2- und PDK4-Proteinexpression sowohl in schnell zuckenden weißen Muskelfaser-Subtypen (anteriorer Tibialis) als auch in langsam zuckenden roten Muskelfaser-Subtypen (Soleus) bei Ratten signifikant . Die langsam zuckende rote Muskelfaser ist reich an Mitochondrien und Myoglobin und beruht auf dem aeroben Stoffwechsel von Kohlenhydraten und Lipiden. In Soleus war der relative Anstieg der PDK4-Expression auch mit einer mehr als 7-fachen Erhöhung der Pyruvatkonzentration und einer 50% igen Verringerung der PDC-Aktivität im Vergleich zu der in anteriorer Tibialis verbunden , was auf einen größeren Verlust der PDK-Empfindlichkeit aufgrund der Pyruvathemmung im Fast-Twitch-Muskel im Vergleich zum Slow-Twitch-Muskel hinweist. Der Verzehr einer fettreichen Ernährung führt zur Verwendung von aus Lipiden gewonnenen Kraftstoffen als Atmungssubstrate im Muskel, teilweise moduliert durch die Hochregulierung der PDK-Aktivität. Die erhöhte Fettsäureoxidation nach der Fütterung von fettreichen Diäten in langsam zuckenden Muskeln wird hauptsächlich auf die Hochregulation von PDK4 zurückgeführt. Im schnell zuckenden Muskel wurde jedoch auch eine erhöhte PDK2-mRNA beobachtet , was auf eine mögliche Koordinatenregulation zwischen PDK2 und PDK4 in weißen Muskelfaseruntertypen hindeutet.

PDK4-Mangel führt zu einer Hemmung der Fettsäureoxidation und einer Zunahme der Glucoseoxidation aufgrund einer größeren PDC-Aktivität, die die Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA erhöht. Mit mehr Acetyl-CoA zur Synthese von Malonyl-CoA, einem Inhibitor der Fettsäureoxidation, nimmt die Rate der Fettsäureoxidation aufgrund einer direkten Rückkopplungsschleife ab . Die langfristige Fütterung fettreicher Diäten fördert jedoch weder eine weitere ektopische Fettansammlung noch verschlechtert sie die Insulinresistenz . Nach 32-wöchiger Fütterung einer Diät mit hohem gesättigten Fettgehalt bei PDK4-Knockout-Mäusen entwickelten die PDK4-defizienten Mäuse ebenfalls eine Hyperinsulinämie, jedoch eine geringere Fettansammlung im Skelettmuskel und eine bessere Glukosetoleranz im Vergleich zu den Wildtyp-Mäusen . Die Aktivität der Fettsäuresynthase war ebenfalls geringer, was darauf hindeutet, dass das Fehlen von PDK4 Signalkomponenten verändern kann, die an der Regulation des Fettstoffwechsels beteiligt sind .

Eine Hochregulation des Orphan Nuclear receptor estrogen related Receptor α (ERRa) mRNA und Proteins wurde bei Mäusen nach chronischem Verzehr einer fettreichen Diät gefunden . Es wurde vorgeschlagen, dass der PPARy-Coaktivator 1α (PGC1a) den Glukosekatabolismus und die mitochondrialen Oxidationswege regulieren kann, indem die PDK4-Aktivität über einen PGC1a / ERRa-abhängigen Weg im Skelettmuskel erhöht wird . ERRa kann PGC1A rekrutieren, um sich mit dem PDK4-Promotor zu verbinden und die PDK4-Transkription zu regulieren, die unabhängig von FoxO1 und PPARs ist. Die negative Regulation der PDC-Aktivität durch PDK4 hemmt den Eintritt von Pyruvat in den TCA-Zyklus und stumpft anschließend die zelluläre Glucoseoxidation als Reaktion auf eine fettreiche Fütterung ab . Somit spielt PGC1a / ERRa eine Schlüsselrolle bei der durch fettreiche Ernährung induzierten PDK4-Hochregulation und metabolischen Flexibilität im Skelettmuskel.

Übung

Es wurde festgestellt, dass die PDC-Aktivierung während einer Muskelkontraktion niedriger bis mittlerer Intensität bei PDK4-Knockout-Mäusen unabhängig von der Intensität ~ 2-fach höher war als bei Wildtyp-Mäusen während des Trainings . Die PDK4-mRNA war bei längerem Training und sowohl nach kurzfristigem Training mit hoher Intensität als auch nach längerem Training mit niedriger Intensität im Skelettmuskel bei Mäusen deutlich erhöht . Die Inaktivierung von PDC als Reaktion sowohl auf langsam zuckende als auch auf schnell zuckende Muskelkontraktionen durch hochreguliertes PDK4 kann den Eintritt glykolytischer Produkte in die Mitochondrien zur Oxidation begrenzen. Die Erholungsphase nach dem Training unterstreicht auch die hohe metabolische Priorität der Glykogenauffüllung zur Wiederherstellung der Energiehomöostase im Skelettmuskel . Der Verzehr von fettreicher Ernährung über 18 Wochen, gefolgt von 12 Stunden Bewegung, erhöhte auch die PDK4-Expression im Skelettmuskel von Mäusen , was zu einer verringerten PDC-Aktivität und einer geringeren Kohlenhydratoxidation führte. FoxO1 wurde als möglicher Transkriptionsfaktor im Zusammenhang mit dieser Veränderung vorgeschlagen. FoxO1 kann Veränderungen in der Verfügbarkeit von freien Fettsäuren wahrnehmen und diese Nachricht stromabwärts weiterleiten, indem es die Transkription von PDK4 moduliert. Un-phosphoryliertes FoxO1 befindet sich im Zellkern, wo es die Transkription von Genen aktivieren kann, die Insulinreaktionselemente enthalten. Die Phosphorylierung von FoxO1 über den Akt / PKB-Weg führt zum nuklearen Ausschluss und zur Zerstörung . PGC1a spielte auch eine bedeutende Rolle in der Skelettmuskulatur als Reaktion auf körperliche Betätigung, so die Forschung an Pferden . PGC1a regulierte die Glukoseoxidation und erhöhte gleichzeitig die mitochondriale Atmung und die Fettsäureoxidation während der Erholung nach dem Training bei Vollblutpferden.

Zusätzlich zum Muskeltraining zeigte der Ruhemuskel während des akuten Ausdauertrainings im einbeinigen Fahrradmodell auch eine erhöhte PDK4-Expression, die wahrscheinlich durch eine Erhöhung der zirkulierenden freien Fettsäuren, der Liganden von PPARs und einer Hochregulierung der PPAR-Signalwege vermittelt wurde .

Insulinresistenz und Diabetes

Insulinresistenz wird meist als begrenzte Reaktion auf den stimulierten Glukosestoffwechsel im Skelettmuskel charakterisiert. Auch die Resistenz gegen die Unterdrückung der Lipidverwertung unter Insulinresistenz beeinträchtigte die Fähigkeit, zwischen den Brennstoffen zu wechseln, was zu metabolischer Inflexibilität führte . Dies ist sehr häufig bei adipösen und T2D-Patienten im Insulinresistenzzustand. Kim et. al induzierte eine akute Insulinresistenz durch konstante Infusion von Intralipid (einer Fettemulsion) und Lactat für 5 h bei Ratten, was zu einer 2- bis 3-fach höheren PDK4-Expression im Muskel nach Insulininfusion führte , was auf die beeinträchtigte Fähigkeit von Insulin hinweist, PDK4 zu unterdrücken. Die Intralipid- und Laktatinfusion verringerte auch die Phosphorylierung von Akt / PKB und FoxO1, was die beeinträchtigte Insulinsignalisierung veranschaulicht . Eine neuere klinische Forschungsstudie zeigte, dass Wachstumshormon (GH) die Lipolyse fördern und die Insulinsensitivität beim Menschen verringern kann. Dies war mit einer Hochregulierung der PDK4-mRNA und einer verminderten aktiven PDC verbunden, ähnlich wie beim Fasten . Die Forschung an T2D-Patienten Muskelbiopsien zeigten, dass sowohl PDK2- als auch PDK4-mRNA im Vergleich zu gesunden Probanden nach nächtlichem Fasten erhöht waren , was mit der Insulinresistenz und metabolischen Inflexibilität von T2D-Patienten übereinstimmte. Darüber hinaus wurde der Methylierungsstatus von Cytosinen in der +160- und +446-Region des PDK4-Promotors bei T2D-Patienten reduziert, was darauf hindeutet, dass die epigenetische Modifikation mitochondrialer Gene an der Regulierung des Substratwechsels beteiligt ist . Als einer der Transkriptionsfaktoren, der die Expression von PDK4 reguliert, wurde jedoch berichtet, dass der PGC1a-Promotor im Skelettmuskel von T2D-Probanden und nach Überfütterung von Fett an Personen mit niedrigem Geburtsgewicht hypermethyliert ist , was darauf hindeutet, dass veränderte Methylierungsmuster im Zusammenhang mit Stoffwechselerkrankungen promotorspezifisch sein können .

Therapeutische Interventionen wurden verwendet, um die PDK4-Expression bei Diabetes zu reduzieren. Neben Insulin wurden mehrere PDK4-Inhibitoren verwendet, um die Glukoseentsorgung in Tiermodellen zu fördern. Erste Studien zeigten ermutigende Ergebnisse bei oraler Verabreichung von Dichloracetat (DCA), aber diese Verbindung ist ein schwacher PDK-Inhibitor und toxisch . In jüngerer Zeit umfassen die potenten oral verabreichten Arzneimittel wie PDK-Inhibitoren, die von Novartis und AstraZeneca hergestellt werden, üblicherweise Amide der Trifluor-2-hydroxy-2-methylpropionsäure . Alle diese Inhibitoren, einschließlich des PDK2-Inhibitors Nov3r und AZD7545, binden an die Lipoylgruppenbindungsstelle von PDK und erhöhen effektiv die PDC-Aktivität . Viele Medikamente zielen auf die PDK-Aktivität in den meisten peripheren Geweben, wie DCA , aber einige Medikamente haben eine bessere Wirksamkeit in bestimmten Geweben. Beispielsweise erhöhte AZD7545 die PDC-Aktivität in der Leber wirksamer als im Skelettmuskel und im Herzen und mit dem Verlust der Wirksamkeit im Skelettmuskel von nüchternen Tieren .

PDK und metabolische Flexibilität in der Leber

Eine der Hauptfunktionen der Leber besteht darin, die Zufuhr von Glukose und anderen metabolischen Brennstoffen zu regulieren, um andere Gewebe mit Energie zu versorgen . Der Körper kann den Blutzuckerspiegel ausgleichen, indem er die Glukoseproduktion und -speicherung in Leber und Niere ausgleicht und seine Verwendung in peripheren Geweben reguliert. Unter nüchternen Bedingungen liefert die Leber zunächst Glukose aus der Glykogenolyse, dem Abbau von Leberglykogenspeichern. Bei längerem Energieentzug ist die primäre Glukosequelle die Glukoneogenese, die Synthese von Glukose aus Nicht-Kohlenhydrat-Vorläufern wie Glycerin, Lactat und der Aminosäure Alanin . Die Inaktivierung von PDC durch PDKs kann die Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA hemmen, was zu einer Verschiebung von Pyruvat in den TCA-Zyklus oder zur Fettsäuresynthese in Richtung Gluconeogenese führt .

Fasten für 48 h veränderte die PDC-Aktivität in der Leber von PDK4-Knockout-Mäusen nicht, aber Zwischenprodukte des glukoneogenen Weges (Glucose-6-phosphat, Fructose-1,6-bisphosphat, Pyruvat, Lactat und Citrat) waren niedriger , was auf eine verringerte Glukoneogenese- und Glykolyserate hinweist. Wachstumshormon (GH) kann die hepatische PDK4-Expression in der Leber bei Wildtyp-Mäusen während des Fastens durch die Aktivierung des Signalwandlers und Aktivators der Transkription 5 (STAT5) erhöhen, was zu einer Hemmung der PDC-Aktivität führt und Substrate für die Glukoneogenese konserviert . Metformin, ein häufig verschriebenes Medikament für T2D, kann die GH-induzierte PDK4-Expression über einen 5′-AMP-aktivierten Proteinkinase-SmallHeterodimer Partner (AMPK-SHP) -abhängigen Signalweg hemmen, um die Kombination von STAT5 mit dem PDK4-Promotor zu hemmen .

Die hepatische Expression von PDK4 und PDK2 sowie die PDC-Aktivität wurden bei Wildtyp-Mäusen, die 18 Wochen lang mit einer fettreichen Diät gefüttert wurden, nicht beeinflusst. . Fettreiche Ernährung induzierte Lebersteatose, ein Zustand, der auftritt, wenn die Fettansammlung die Oxidationsrate überschreitet . Diese Situation wurde bei PDK4-Knockout-Mäusen verhindert, die 32 Wochen lang eine Diät mit hohem gesättigten Fettgehalt zu sich nahmen . Dies kann zum Teil durch die veränderte PGC1a-Aktivität in der Leber erklärt werden. PGC1a steuert die Expression von glukoneogenen Enzymen wie Phosphoenolpyruvatcarboxykinase (PEPCK). Das Ausschlagen von PDK4 könnte zu höheren PGC1a-Spiegeln führen, was mit einer höheren Aktivität von PEPCK und einer geringeren Kapazität für die De-Novo-Fettsäuresynthese übereinstimmt . PPARa zeigte auch eine koordinierte Regulation mit PGC1a bei Lebersteatose, was durch die verstärkten vorteilhaften Wirkungen von Clofibrinsäure, einem PPARa-Agonisten, auf die Fettsäureakkumulation in PDK4-Knockout-Mäusen gezeigt wurde . Im Gegensatz zum Skelettmuskel waren FAT / CD36, Schlüsselenzyme für den Fettsäuretransport, nicht an der reduzierten Fettansammlung in der Leber beteiligt .

Unter diabetischen Bedingungen ist die Expression der PDK-Gene, insbesondere PDK4, in der Leber signifikant erhöht, was die erhöhten Glukoneogeneseraten und die vorteilhaften Wirkungen von Metformin erklären könnte. Untersuchungen am diabetischen Mäusemodell mit einem Mangel an hepatischen Insulinrezeptorsubstraten 1 und 2 (IRS 1/2) zeigten, dass sowohl der Knockdown als auch der Knockout des PDK4-Gens zu einer Verbesserung der Blutzuckerkontrolle und der Glukosetoleranz führten. PDK4 war effizienter bei der Regulierung der metabolischen Flexibilität als PDK2 in der Leber . In Kombination mit den Ergebnissen der anderen Studien scheint es, dass PDK2 hauptsächlich die Glukoseverwertung reguliert, während PDK4 sowohl am systemischen Glukosestoffwechsel als auch an der hepatischen Glukoneogenese beteiligt sein kann.

Schilddrüsenhormon (T3) steuert mehrere Aspekte der hepatischen Energiestoffwechselprozesse, wie Fettsäureoxidation, Lipogenese und Glukoseoxidation. Experimentelle Hyperthyreose kann die PDK4-Expression in Leber, Skelettmuskulatur und Herz induzieren , was zu einer Hemmung der PDC-Aktivität führt. Im Promotor des Ratten-PDK4-Gens wurden zwei Bindungsstellen für den Schilddrüsenhormonrezeptor β identifiziert . Neben der Funktion als T3-Coaktivator kann PGC1a auch die T3-Induktion der hepatischen PDK4-Expression bei Ratten verstärken . Das CCAAT / Enhancer-bindende Protein β (C / EBPß) stimuliert als Transkriptionsfaktor für Gene, die für glukoneogene Enzyme wie PEPCK kodieren, auch die hepatische PDK4-Expression bei Ratten durch zwei C / EBPß-Antwortelemente im PDK4-Promotor und beteiligt sich auch an der T3-Induktion der PDK4-Transkription .

PDK4 und metabolische Flexibilität im weißen Fettgewebe

Im Vergleich zu Skelettmuskulatur und Leber wird relativ wenig über die metabolische Flexibilität im weißen Fettgewebe (WAT) berichtet. Es ist ein wichtiges Organ für einen Fettsäure-Stoffwechsel als Adipozyten-Glyceroneogenese bezeichnet. Dieser Weg verwendet Pyruvat, Alanin, Glutamin oder andere Substanzen aus dem TCA-Zyklus als Vorläufer zur Synthese von Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) und schließlich zur Herstellung von Glycerin-3-Phosphat (G3P) für die Triacylglycerin (TAG) -Synthese . PDC ist mit diesem Prozess verbunden und die Unterdrückung von PDC ermöglicht eine verstärkte Verwendung von Lactat und Pyruvat für die Glyceroneogenese .

Als Aktivator der Glyceroneogenese erhöhten Thiazolidindione (TZD) die PDK4-mRNA-Expression in subkutanen, periepididymalen und retroperitonealen Zelldepots in Fa / fa-Zuckerratten, einem genetischen adipösen, insulinresistenten Modell, während die PDK2-mRNA nicht betroffen war, was auf die lebenswichtige Rolle von PDK4 bei der Glyceroneogenese hinweist. Die TZD-induzierte PDK4-Expression war gewebespezifisch, da Leber und Muskel auf eine solche Behandlung nicht ansprachen . Ähnliche Ergebnisse wurden für 3 T3-F442A-Adipozyten in vitro unter Verwendung von PDK4-Inhibitoren, DCA und Leelamin sowie PDK4-siRNA beobachtet. Sowohl 500 µmol / l DCA als auch 50 µmol / l Leelamin hemmten den Einbau von Pyruvat in Triglyceride. Der Einbau von Pyruvat in Lipide war nach Transfektion von Adipozyten mit PDK4-siRNA um 40% reduziert . PPARy ist ein Kernrezeptor, der durch die insulinsensibilisierenden TZDs reguliert wird. PDK4 ist ein indirektes Ziel von PPARy. Somit bezieht sich die Regulation von PDK4 durch TZD in WATT eng auf PPARy .

Abgesehen von TZD erhöhte die akute Epinephrin-Behandlung auch die PDK4-mRNA durch p38-mitogenaktivierte Proteinkinase (MAPK) und AMPK-Signalwege in kultivierten Adipozyten und in epididymalen Zelldepots in adipösen, insulinresistenten Rattenmodellen, die durch fettreiche Diäten induziert wurden . Die PDK2-mRNA war nicht betroffen. Zwei Stunden Schwimmen führten zu ähnlichen Ergebnissen wie die Epinephrin-Behandlung bei WAT bei mageren und adipösen Ratten . In Kombination mit einer erhöhten G3P-Synthese über PEPCK ermöglicht eine stärkere Glyceroneogenese eine erhöhte Umesterung nicht veresterter Fettsäuren zu TAG aus der Lipolyse, während die Glucoseoxidation in diesen Adipozyten reduziert wird . Mit einer wichtigen Rolle bei der Glucose-Clearance und der Fettsynthese / -speicherung, der Hochregulation von PDK4 während des Trainings, der Epinephrin- und TZD-Behandlung, die zu einer PDC-Hemmung führt, fördert die Energiespeicherung in WAT. Weitere Arbeiten sind erforderlich, um die Transkriptionswege aufzuklären, die an der PDK4-Hochregulation in WAT beteiligt sind .

PDK4 und metabolische Flexibilität im Herzen

Metabolische Inflexibilität geht immer mit einer Kardiomyopathie einher, insbesondere während einer Ischämie, und kann sogar zu Herzinsuffizienz führen . Das Versäumnis, genügend Kohlenhydrate zu oxidieren, um den Energiebedarf zu decken, ist ein wichtiger Grund für die Ineffizienz des Herzens. Dies kann durch eine herzspezifische Überexpression von PDK4 nachgewiesen werden, die ausreicht, um einen Verlust der metabolischen Flexibilität zu verursachen und die Kardiomyopathie zu verschlimmern . Die Überexpression von PDK4 im Vergleich zu einem transgenen Mäusemodell war mit einer Abnahme des Glukosekatabolismus und einer entsprechenden Zunahme der Fettsäureoxidation verbunden. Dieses transgene Modell exprimierte auch eine konstitutionell aktive Form der Phosphatase Calcineurin und verursachte somit Hypertrophie bei Kardiomyozytenfibrose und einen auffallenden Anstieg der Mortalität .

Bei Mäusen, die 10 Tage lang mit einer fettreichen Diät gefüttert wurden, nahm die kardiale Kohlenhydratoxidation deutlich ab, wobei die PDK4-Aktivität hochreguliert wurde. Die fettreiche Ernährung induzierte kardiale Stoffwechselveränderungen durch den eukaryotischen Initiationsfaktor 4E (eIF4E) / Cyclin D1 / E2F1 / PDK4-Signalweg .

Bei mittelschwerer Ischämie sind freie Fettsäuren der primäre Brennstoff bei der mitochondrialen Oxidation . Während die Glykolyse noch aktiv ist und Glukose zur Laktatproduktion verwendet wird, um unabhängig von Sauerstoff ATP zu erhalten, erleichtert die Inaktivierung von PDC die Verwendung von Fettsäuren. Ischämie bewirkt, dass Pyruvat in Laktat umgewandelt wird, wodurch die Ansäuerung im Myokard erhöht wird . Daher ist die Hemmung der PDK-Aktivität durch DCA von entscheidender Bedeutung, um die ATP-Produktion sowie die Ca2 + -Aufnahme zu erhöhen, und die Verwendung der Kombination von Glucose-Insulin-K + – oder Fettsäureoxidationsinhibitoren ist ebenfalls vorteilhaft .

Angiotensin II (Ang II), der Haupteffektor im Renin-Angiotensin-System bei Herzinsuffizienz, kann eine ausgeprägte kardiale Insulinresistenz induzieren, was zu einem metabolischen Wechsel des Herzens von Glukose zu Fettsäureoxidation führt, was zu metabolischer Inflexibilität und kardialer Ineffizienz führt . PDK4 ist in diesem Ang II-induzierten Hypertrophiemodell stark exprimiert, und die Deletion von PDK4 verhindert die Ang II-induzierte Reduktion der Glucoseoxidation und verhindert diastolische Dysfunktion . Die Hemmung der PDK4-Aktivität ist zu einer neuen therapeutischen Strategie gegen Herzerkrankungen geworden .

PDK und metabolische Flexibilität im Zentralnervensystem

Das Gehirn nutzt auch die Glukoseoxidation als primäre Energiequelle. Kultivierte Astrozyten exprimierten im Vergleich zu Neuronen mehr PDK2 und PDK4, was mit der geringeren PDH-Aktivität und der höheren Laktatproduktion von kultivierten Astrozyten übereinstimmt . Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass Veränderungen der PDKs-Aktivität mit der Entwicklung mehrerer neurologischer Störungen zusammenhängen. Zum Beispiel war die Alzheimer-Krankheit mit einer Funktionsstörung der PDH-Aktivität und des Glukosestoffwechsels verbunden . Die Alterung des Gehirns ist mit einer reduzierten PDK1- und PDK2-mRNA im Kleinhirn und einer erhöhten PDK2-mRNA im Hippocampus und in der Großhirnrinde verbunden , und die PDK2-mRNA-Hochregulation war am Glioblastom beteiligt .

Hypothalamische Neuronen reagieren empfindlich auf Ernährungssignale und können den Energiehaushalt und die Glukosehomöostase regulieren. Die zugrundeliegenden komplexen Mechanismen sind jedoch noch nicht vollständig verstanden. Jüngste Studien an Mäusen, die 48 Stunden gefastet hatten, zeigten ein Genexpressionsprofil im Hypothalamus, das mit einer verringerten Glukoseverwertung und einer erhöhten Lipidoxidation, einschließlich einer erhöhten PDK4-mRNA, im Einklang mit den Ergebnissen in Skelettmuskulatur, Leber, Herz und Niere stand . Die Hochregulation von PDK4 wurde auch im Hypothalamus während des 6-stündigen Fastens von neugeborenen Ratten beobachtet, was einen Versuch widerspiegelt, Energie während des Nahrungsentzugs von Neugeborenen zu sparen . Dies deutet auch darauf hin, dass das neonatale Gehirn während der Energiekrise nicht von einer Glukoserestriktion verschont bleibt, sondern dass das neonatale Gehirn Ketone aus dem Fettsäurestoffwechsel als Hauptenergiequelle verwenden kann . Es werden jedoch nur begrenzte Studien zur Wirkung von PDK auf die hypothalamische Energiebilanz berichtet. Mehr Forschung wird erwartet.

PDK und metabolische Flexibilität in anderen Geweben

Pankreasinseln

In murinen Pankreas-β-Zellen erhöhten sowohl eine Behandlung mit hoher Fettsäure als auch mit hoher Glucose die PDK-Aktivität und verringerten die PDH-Aktivität. Palmitat hochregulierte die mRNA-Expression von PDK1, PDK2 und PDK4, während hohe Glucose die PDK1, PDK2-mRNA erhöhte, aber die PDK4-mRNA reduzierte , was auf eine unterschiedliche Transkriptionsregulation hindeutet. Somit begleitet die Induktion der PDK-Expression sowohl durch Glukose als auch durch Fett die Abnahme der Flexibilität des β-Zellstoffwechsels während des Fortschreitens von Fettleibigkeit zu T2D .

Chronische Exposition gegenüber hyperglykämischen Zuständen führt zu Glukotoxizität in β-Zellen. Glukotoxizität beeinträchtigt die Glukose- und Insulinsekretion (GSIS) und trägt zur Entwicklung von T2D bei. Die metabolomische Analyse von β-Zellen nach Exposition gegenüber hoher Glucose (25 mM für 20 h) ergab einen Anstieg der Glucose und eine Abnahme der Fettsäuren während der GSIS, jedoch keine signifikanten Veränderungen des PDK2-Proteins . Ähnliche Untersuchungen an Insulinoma E (INS-1E) β-Zelllinien zeigten eine Zunahme der Phosphorylierung der PDC E1a-Untereinheit während einer Behandlung mit hoher Glucose (50 mm für 48 h). Knockdown von PDK1 und PDK3 führte zu einer deutlichen Reduktion der PDC-Inaktivierung. Die PDC-Inaktivierung war jedoch nicht mit einer veränderten GSIS assoziiert . Es ist möglich, dass die PDC-Aktivität in INS-1E-β-Zellen im Übermaß ist und daher eine Verringerung ihrer Aktivität von geringer Bedeutung ist. Prolaktin kann auch GSIS in INS-1E-Zelllinien durch Unterdrückung von PDKs und erhöhte PDC-Aktivität induzieren, was auf eine neuartige Rolle von Laktogenen bei der Diabetesbehandlung hindeutet . Als wichtigstes Organ, das an der Pathogenese von T2D beteiligt ist, ist mehr Forschung zur metabolischen Flexibilität in pankreatischen β-Zellen erforderlich.

Krebszellen

Krebszellen haben eine einzigartige Möglichkeit, Energie zu gewinnen, den sogenannten Warburg-Effekt. Sie nutzen eine erhöhte Glykolyse und unterdrücken die mitochondriale Glukoseoxidation, um Energie mit einem proliferativen Vorteil bereitzustellen, der der Apoptoseresistenz und sogar der erhöhten Angiogenese förderlich ist . Unter nährstoffarmen Bedingungen wurde der Warburg-Effekt durch einen Mechanismus verstärkt, an dem reaktive Sauerstoffspezies (ROS) / AMPK-abhängige Aktivierung von PDK beteiligt waren . PDK1 und PDK3 sind die Hauptisoformen im Zusammenhang mit dem Warburg-Effekt . Daher kann die Hemmung von PDK entweder mit kleinen interferierenden RNAs oder Orphan Drugs wie DCA den Stoffwechsel von Krebszellen von der Glykolyse zur Glukoseoxidation verlagern und einen wirksamen Ansatz zur Behandlung von Krebs bieten .