El papel fundamental de la piruvato deshidrogenasa quinasas en la flexibilidad metabólica

Mantener un equilibrio entre la demanda y la oferta de energía es crítico para la salud. La glucosa y los lípidos (ácidos grasos y cuerpos cetónicos), como fuentes de energía celular, pueden competir e interactuar entre sí . La capacidad de un organismo para adaptar la oxidación de combustible a la disponibilidad de combustible, es decir, utilizar preferentemente combustibles de carbohidratos y lípidos y ser capaz de cambiar rápidamente entre ellos se denomina flexibilidad metabólica . El hecho de que la oxidación del combustible no coincida con los cambios en la disponibilidad de nutrientes a menudo se acompaña de síntomas como resistencia a la insulina, acumulación ectópica de lípidos y disfunción mitocondrial . Por lo tanto, la inflexibilidad metabólica está estrechamente relacionada con una serie de síndromes como la diabetes tipo 2 (DT2), la obesidad, las enfermedades cardiovasculares y el síndrome metabólico.

Una de las principales enzimas responsables de la flexibilidad metabólica en mamíferos es el complejo piruvato deshidrogenasa (PDC), un complejo multienzimático mitocondrial que cataliza la descarboxilación oxidativa del piruvato . El PDC controla la conversión de piruvato, Coenzima A (CoA) y NAD+ en acetil-CoA, NADH y CO2, y por lo tanto vincula el metabolismo de los ácidos grasos, el metabolismo de la glucosa y el ciclo del ácido tricarboxílico (TCA). La unidad de dos carbonos activada por CoA producida por el catabolismo del piruvato puede condensarse con oxaloacetato en la primera reacción del ciclo de TCA, o usarse para la síntesis de ácidos grasos y colesterol . El piruvato también se puede conservar para la gluconeogénesis en hígado y riñón . Así, el PDC ocupa una posición central en el metabolismo energético celular (Figura 1).

Los PDC y PDK ocupan posiciones centrales en el metabolismo energético celular. Los ácidos grasos y la glucosa compiten entre sí por la oxidación a nivel del PDC en los mamíferos. El PDC cataliza la descarboxilación oxidativa del piruvato para formar acetil-CoA y, por lo tanto, vincula el metabolismo de la glucosa y el metabolismo de los ácidos grasos. La PDC puede ser fosforilada por PDK, que puede ser regulada por acetil-CoA mitocondrial, NADH, piruvato, ATP y factores de transcripción nuclear. ERRa: Receptor relacionado con el estrógeno α; FoxO: Proteína de caja de Forkhead O; NEFA: Ácido graso no esterificado; PDC: Complejo de Piruvato deshidrogenasa; PDKs: Piruvato deshidrogenasa quinasas; PGC1a: coactivador PPARy 1α; PPARs: Receptores activados por proliferadores de peroxisomas; TG: Triglicéridos; TCA: Ácido tricarboxílico.

El PDC es más activo en el estado saludable y bien alimentado. Sin embargo, la supresión de PDC es crucial para la síntesis de glucosa cuando la glucosa es escasa . La inactivación de la actividad de la PDC es catalizada por cuatro isoenzimas piruvato deshidrogenasa (PDH) quinasa (PDK) altamente específicas que pueden fosforilar residuos de serina específicos dentro de la subunidad α de la enzima E1 en la PDC . De todas las isoenzimas conocidas, la PDK2 y la PDK4 son las más ampliamente distribuidas y están altamente expresadas en el corazón, el hígado y los riñones en humanos y roedores. PDK4 también es abundante en los islotes pancreáticos y en los músculos esqueléticos que tienen una alta utilización de glucosa y tasas de oxidación de ácidos grasos. La PDK1 y la PDK3 tienen una distribución tisular bastante limitada . Las actividades de los PDKs pueden ser reguladas por diferentes niveles de metabolitos, así como por factores de transcripción en diversas condiciones y en diferentes tejidos (Figura 2). Por lo tanto, el PDC puede gestionar la utilización y el almacenamiento de combustibles para cumplir con la flexibilidad metabólica en respuesta al medio ambiente.

Vías de regulación transcripcional de PDK4 en diferentes tejidos bajo diversos estados nutricionales. La inactivación de PDC por la regulación ascendente de PDK4 puede cambiar el catabolismo de glucosa a la utilización de ácidos grasos. Existen diferentes vías de regulación transcripcional en el músculo esquelético, el hígado, el tejido adiposo blanco y el corazón bajo diversas condiciones nutricionales (privación de energía, consumo de dieta alta en grasas, ejercicio, enfermedades, medicamentos). Akt / PKB: proteína quinasa B; AMPK: proteína quinasa activada por 5’AMP; CD36: Grupo de diferenciación 36; C/EBPß: proteína de unión a CCAAT / potenciador β; eIF4E: Factor de iniciación eucariótico 4E; ERRa: Receptor relacionado con el estrógeno α; GRASA: Transportador de ácidos grasos; FoxO1: Proteína O1 de caja de Forkhead; LXR: Receptor X hepático; MAPK: p38 Proteína quinasa activada por mitógenos; PDC: Complejo de piruvato deshidrogenasa; PDK4: Piruvato deshidrogenasa quinasa 4; PGC1a: Coactivador PPARy 1α; PPARs: Receptores activados por proliferadores de peroxisomas; SHP: Socio heterodímero pequeño; STAT5: Transductor de señal y activador de transcripción 5.

Esta revisión resume los estudios recientes sobre el papel fundamental de los PDK en el control de la flexibilidad metabólica, un concepto reciente en el metabolismo energético celular, bajo diversas condiciones nutricionales (privación de energía, consumo de dieta alta en grasas, ejercicio y enfermedad) en diversos tejidos (músculo esquelético, hígado, tejido adiposo blanco, corazón, islotes pancreáticos y sistema nervioso), con énfasis en los PDK4 mejor caracterizados. Comprender la regulación de los PDK en diferentes tejidos y su papel en la homeostasis energética será beneficioso para el tratamiento de diferentes tipos de enfermedades metabólicas.

PDK y flexibilidad metabólica en el músculo esquelético

Como el órgano más grande cuantitativamente del cuerpo, el músculo esquelético representa del 30% al 40% de la tasa metabólica en adultos en estado de reposo. Contribuye al 80% de la absorción de glucosa estimulada por la insulina, es un sitio importante para la oxidación de la glucosa y el metabolismo de los ácidos grasos . El músculo esquelético exhibe una notable flexibilidad metabólica en el uso de combustible en respuesta a varios desafíos metabólicos, como la privación de energía y los cambios en la composición de la dieta. En individuos sanos magros, bajo estimulación de insulina, el músculo esquelético es capaz de cambiar de la oxidación predominantemente lipídica y las altas tasas de absorción de ácidos grasos a la supresión del catabolismo lipídico y la absorción, oxidación y almacenamiento elevados de glucosa . Sin embargo, los pacientes obesos y con DT2 manifiestan mayores tasas de oxidación de lípidos en el músculo esquelético y son relativamente resistentes a la insulina, lo que resulta en inflexibilidad metabólica .

Privación de energía

Durante la privación de energía, la glucosa es escasa y la oxidación de ácidos grasos de cadena larga se utiliza para satisfacer los requisitos de energía celular. La ingesta reducida de alimentos y la disminución de las concentraciones de insulina disminuyen la utilización de glucosa para conservar la glucosa . La actividad de PDC en mamíferos es suprimida por la hiperfosforilación de PDK, limitando la conversión de piruvato a acetil-CoA en el músculo esquelético . Con menos acetil-CoA disponible, se reduce la síntesis de malonil-CoA, un inhibidor de la oxidación de ácidos grasos . Como resultado, la oxidación de ácidos grasos es forzada y facilitada por la regulación ascendente de PDK4 . Cuarenta y ocho horas de ayuno en ratas (abstinencia completa de alimentos) se asoció con un aumento de 3-4 veces de la proteína PDK4 y el ARNm en el músculo gastrocnemio, sin efectos sobre la expresión de PDK2 . Los ratones knock-out PDK4 en ayunas de cuarenta y ocho horas mostraron una disminución de la glucosa en sangre, ácidos grasos no esterificados séricos elevados y una mayor actividad de PDC en el músculo gastrocnemio , consistente con las tasas más bajas de oxidación de ácidos grasos y el aumento de las tasas de oxidación de glucosa y piruvato. Sin embargo, la privación de energía condujo a una disminución en lugar de un aumento de la actividad de PDK2 en el músculo gastrocnemio en ratones knock-out PDK4 . Esto sugiere que la PDK2 no fue capaz de compensar la pérdida de función de la PDK4 en respuesta al ayuno. La realimentación de las ratas silvestres en ayunas durante 48 h redujo el ARNm de PDK4 a un nivel comparable al del grupo de control .

El acetil-CoA y el NADH producidos por la oxidación de ácidos grasos estimularon la actividad de la PDK en el músculo esquelético . También hubo una inducción selectiva de transcripciones de caja de horquilla O1 (FoxO1) y caja de horquilla O3 (FoxO3) en músculo gastrocnemio en ratones después de 48 h de abstinencia de alimentos , lo que indica la participación del FoxO en la regulación ascendente de PDK4 en respuesta a cambios a corto plazo en el estado nutricional. PDK4, que interactúa con el transportador de ácidos grasos/grupo de diferenciación 36 (GRASA / CD36, proteínas de absorción de ácidos grasos principales en el músculo), el receptor activado por proliferador de peroxisomas δ/β (PPARδ/β, receptor nuclear activado por ácidos grasos) y FoxO1, proporciona un marco para regular la preferencia de combustible muscular en respuesta al ayuno . Durante la privación de energía, el flujo de ácidos grasos facilitado por CD36 activa PPARδ / β, que aumenta coordinadamente la expresión de FOXO1 y PDK4 para inhibir la oxidación de glucosa. El flujo de ácidos grasos y la disminución de las concentraciones de insulina están asociados con la regulación a la baja de la proteína quinasa B (Akt/PKB), lo que lleva a la activación de FoxO1 . Dado que FoxO1 también recluta CD36 a la membrana plasmática e induce la lipoproteína lipasa, todo esto mejora la utilización de ácidos grasos en el músculo esquelético . También se informó que el nuevo eje de señalización metabolostático del receptor X hepático (LXR)-PPARa estaba involucrado en la respuesta de privación de energía muscular . La activación de LXR aumentó la señalización de PPARa para aumentar la regulación ascendente inducida por el ayuno de la expresión de PDK4, mejorando así la oxidación de ácidos grasos y disminuyendo el catabolismo de glucosa en el músculo esquelético .

Consumo de dieta alta en grasas a largo plazo

El consumo a largo plazo de una dieta alta en grasas saturadas puede causar hiperglucemia, hiperinsulinemia, intolerancia a la glucosa y obesidad. La administración de una dieta alta en grasas saturadas durante 4 semanas a ratas aumentó significativamente la expresión de proteínas PDK2 y PDK4 tanto en subtipos de fibra de músculo blanco de contracción rápida (tibial anterior) como en subtipos de fibra de músculo rojo de contracción lenta (sóleo) en ratas . La fibra muscular roja de contracción lenta es rica en mitocondrias y mioglobina y depende del metabolismo aeróbico de los carbohidratos y los combustibles lipídicos. En sóleo, el aumento relativo en la expresión de PDK4 también se relacionó con un aumento de más de 7 veces en la concentración de piruvato y una reducción del 50% en la actividad de la PDC en comparación con la del tibial anterior , lo que indica una mayor pérdida de sensibilidad a la PDK debido a la inhibición del piruvato en el músculo de contracción rápida en comparación con el músculo de contracción lenta. El consumo de una dieta alta en grasas conduce al uso de combustibles derivados de lípidos como sustratos respiratorios en el músculo, en parte modulados por la regulación ascendente en la actividad de la PDK. La oxidación mejorada de ácidos grasos después de alimentar dietas altas en grasas en músculos de contracción lenta se atribuye principalmente a la regulación ascendente de PDK4. Sin embargo, en el músculo de contracción rápida , también se observó un aumento del ARNm de PDK2, lo que sugiere una posible regulación de coordenadas entre PDK2 y PDK4 en subtipos de fibra de músculo blanco.

La deficiencia de PDK4 conduce a la inhibición de la oxidación de ácidos grasos y aumenta la oxidación de glucosa debido a una mayor actividad de PDC, que aumenta la conversión de piruvato en acetil-CoA. Con más acetil CoA disponible para sintetizar malonil-CoA, un inhibidor de la oxidación de ácidos grasos, la tasa de oxidación de ácidos grasos disminuye debido a un bucle de retroalimentación directa . Sin embargo, la alimentación con dietas ricas en grasas a largo plazo no promueve una mayor acumulación de grasa ectópica ni empeora la resistencia a la insulina . Después de alimentarse con una dieta alta en grasas saturadas durante 32 semanas en ratones knockout PDK4, los ratones deficientes en PDK4 también desarrollaron hiperinsulinemia, pero menos acumulación de grasa en el músculo esquelético y mejor tolerancia a la glucosa en comparación con los ratones de tipo salvaje . La actividad de la sintasa de ácidos grasos también fue menor, lo que sugiere que la ausencia de PDK4 puede alterar los componentes de señalización involucrados en la regulación del metabolismo lipídico .

Se encontró una regulación ascendente del ARNm y la proteína del receptor nuclear huérfano relacionado con el estrógeno del receptor α (ERRa) en ratones después del consumo crónico de una dieta alta en grasas . Se ha sugerido que el coactivador PPARy 1α (PGC1a) puede regular el catabolismo de la glucosa y las vías oxidativas mitocondriales al aumentar la actividad de PDK4 a través de una vía dependiente de PGC1a/ERRa en el músculo esquelético . ERRa puede reclutar PGC1a para combinarlo con el promotor PDK4 y regular la transcripción PDK4, que es independiente de FoxO1 y PPAR . La regulación negativa de la actividad de PDC por PDK4 inhibe la entrada de piruvato en el ciclo de TCA y, posteriormente, embota la oxidación celular de la glucosa en respuesta a la alimentación con alto contenido de grasa . Por lo tanto, PGC1a/ERRa tiene un papel clave en la regulación ascendente de PDK4 inducida por una dieta alta en grasas y en la flexibilidad metabólica en el músculo esquelético.

Ejercicio

Se encontró que la activación de PDC durante la contracción muscular de intensidad baja a moderada fue ~2 veces mayor en ratones knockout PDK4 que en ratones de tipo salvaje durante el ejercicio, independientemente de la intensidad . El ARNm de PDK4 aumentó notablemente durante el ejercicio prolongado y después del ejercicio de alta intensidad a corto plazo y el ejercicio prolongado de baja intensidad en el músculo esquelético en ratones . La inactivación de PDC en respuesta a la contracción muscular de contracción lenta y contracción rápida a través de PDK4 regulado al alza puede limitar la entrada de productos glicolíticos en las mitocondrias para la oxidación. El período de recuperación después del ejercicio también destaca la alta prioridad metabólica de la reposición de glucógeno para restablecer la homeostasis energética en el músculo esquelético . El consumo de dieta alta en grasas durante 18 semanas seguido de 12 horas de ejercicio también elevó la expresión de PDK4 en el músculo esquelético en ratones , lo que llevó a una menor actividad de PDC y menos oxidación de carbohidratos. Se sugirió que FoxO1 era un posible factor de transcripción relacionado con este cambio. FoxO1 puede detectar cambios en la disponibilidad de ácidos grasos libres y transmitir este mensaje río abajo modulando la transcripción de PDK4. FoxO1 no fosforilado reside en el núcleo, donde puede activar la transcripción de genes que contienen elementos de respuesta a la insulina. La fosforilación de FoxO1 a través de la vía Akt/PKB conduce a la exclusión y destrucción nuclear . El PGC1a también desempeñó un papel importante en el músculo esquelético en respuesta al ejercicio, según investigaciones realizadas en caballos . El PGC1a regulaba la oxidación de la glucosa al tiempo que aumentaba la respiración mitocondrial y la oxidación de ácidos grasos durante la recuperación posterior al ejercicio en caballos pura sangre .

Además de ejercitar el músculo, durante el ejercicio de resistencia aguda en el modelo de ciclo de una pierna, el músculo en reposo también mostró una mayor expresión de PDK4, probablemente mediada por la elevación de los ácidos grasos libres circulantes, los ligandos de los PPAR y la regulación ascendente de las vías de PPAR .

Resistencia a la insulina y diabetes

La resistencia a la insulina se caracteriza principalmente como una respuesta limitada al metabolismo estimulado de la glucosa en el músculo esquelético. También la resistencia a la supresión de la utilización de lípidos bajo resistencia a la insulina afectó la capacidad de cambiar entre combustibles, lo que llevó a la inflexibilidad metabólica . Esto es muy común para los pacientes obesos y con DT2 en la condición simulada de insulina. Kim et. la al indujo resistencia a la insulina aguda mediante perfusión constante de Intralípido (una emulsión de grasa) y lactato durante 5 h en ratas, lo que dio lugar a una expresión de PDK4 2 a 3 veces mayor en el músculo después de la perfusión de insulina , lo que indica que la insulina tiene una capacidad alterada para suprimir la PDK4. La infusión de intralípido y lactato también disminuyó la fosforilación de Akt / PKB y FoxO1, lo que ilustra el deterioro de la señalización de la insulina . Un estudio de investigación clínica más reciente mostró que la hormona del crecimiento (GH) puede promover la lipólisis y reducir la sensibilidad a la insulina en seres humanos. Esto se asoció con la regulación ascendente del ARNm PDK4 y la disminución de la PDC activa, similar a lo que se observa durante el ayuno . La investigación en biopsias musculares de pacientes con DT2 mostró que tanto el ARNm PDK2 como el PDK4 aumentaron en comparación con voluntarios sanos después de ayunar durante la noche , lo que fue consistente con la resistencia a la insulina y la inflexibilidad metabólica de los pacientes con DT2. Además, el estado de metilación de las citosinas en las regiones +160 y +446 del promotor PDK4 se redujo en pacientes con DT2, lo que sugiere que la modificación epigenética de los genes mitocondriales está involucrada en la regulación del cambio de sustrato . Sin embargo, como uno de los factores de transcripción que regula la expresión de PDK4 , se informó que el promotor de PGC1a estaba hipermetilado en el músculo esquelético de sujetos con DT2 y después de sobrealimentar grasa a individuos con bajo peso al nacer, lo que indica que los patrones de metilación alterados asociados con la enfermedad metabólica pueden ser específicos del promotor .

Se han utilizado intervenciones terapéuticas para reducir la expresión de PDK4 en la diabetes. Más allá de la insulina, se utilizaron varios inhibidores de PDK4 para promover la eliminación de glucosa en modelos animales. Los estudios iniciales mostraron resultados alentadores con la administración oral de dicloroacetato (DCA), pero este compuesto es un inhibidor débil de la PDK y tóxico . Más recientemente, los potentes fármacos administrados por vía oral, como los inhibidores de PDK producidos por Novartis y AstraZeneca, generalmente incluyen amidas de ácido trifluoro-2-hidroxi-2-metilpropionico . Todos estos inhibidores, incluidos el inhibidor de PDK2 Nov3r y AZD7545, se unen al sitio de unión del grupo lipoil de la PDK y aumentan efectivamente la actividad de la PDC . Muchos medicamentos se dirigen a la actividad de la PDK en la mayoría de los tejidos periféricos, como el DCA , pero algunos medicamentos tienen mejor eficacia en tejidos específicos. Por ejemplo, AZD7545 elevó la actividad de PDC de manera más efectiva en el hígado que en el músculo esquelético y el corazón y con la pérdida de eficacia en el músculo esquelético de animales en ayunas .

PDK y flexibilidad metabólica en el hígado

Una de las funciones principales del hígado es regular el suministro de glucosa y otros combustibles metabólicos para proporcionar energía a otros tejidos . El cuerpo puede equilibrar los niveles de glucosa en sangre equilibrando la producción y el almacenamiento de glucosa en el hígado y en los riñones, y regulando su utilización en los tejidos periféricos. En condiciones de ayuno, el hígado proporciona inicialmente glucosa a partir de la glucogenólisis, la descomposición de las reservas de glucógeno hepático. Con una privación de energía prolongada, la principal fuente de glucosa es la gluconeogénesis, la síntesis de glucosa a partir de precursores no carbohidratos como el glicerol, el lactato y el aminoácido alanina . La inactivación de PDC por PDK puede inhibir la conversión del piruvato a acetil-CoA, lo que resulta en un cambio del piruvato al ciclo de TCA o la síntesis de ácidos grasos hacia la gluconeogénesis .

El ayuno durante 48 h no alteró la actividad de la PDC en el hígado de ratones knockout PDK4, pero los intermedios de la vía gluconeogénica (glucosa-6-fosfato, fructosa-1,6-bisfosfato, piruvato, lactato y citrato) fueron más bajos , lo que indica una tasa reducida de gluconeogénesis y glucólisis. La hormona de crecimiento (GH) puede aumentar la expresión hepática de PDK4 en el hígado en ratones de tipo salvaje durante el ayuno a través de la activación del transductor de señal y el activador de la transcripción 5 (STAT5), lo que conduce a la inhibición de la actividad de la PDC, conservando sustratos para la gluconeogénesis . La metformina, un medicamento comúnmente prescrito para la DT2, puede inhibir la expresión de PDK4 inducida por GH a través de una vía dependiente de la proteína quinasa-heterodímero pequeño activada por 5’amperios (AMPK-SHP) para inhibir la combinación de STAT5 con el promotor de PDK4 .

La expresión hepática de la PDK4 y la PDK2, y la actividad de la PDC no se vieron afectadas en ratones silvestres alimentados con una dieta alta en grasas durante 18 semanas. . La alimentación con dieta alta en grasas indujo esteatosis hepática, una afección que ocurre cuando la acumulación de grasa excede la tasa de oxidación . Esta situación se previno en ratones knockout PDK4 que consumieron una dieta alta en grasas saturadas durante 32 semanas . Esto se puede explicar en parte por la actividad alterada de PGC1a en el hígado. PGC1a controla la expresión de enzimas gluconeogénicas como la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa (PEPCK). La eliminación de PDK4 podría conducir a niveles más altos de PGC1a, consistente con una mayor actividad de PEPCK y una menor capacidad para la síntesis de ácidos grasos de novo . PPARa también mostró una regulación coordinada con PGC1a en esteatosis hepática, lo que se demostró por los efectos beneficiosos mejorados del ácido clofíbrico, un agonista de PPARa, sobre la acumulación de ácidos grasos en ratones knockout PDK4 . A diferencia del músculo esquelético, la GRASA/CD36, enzimas clave para el transporte de ácidos grasos, no participaron en la reducción de la acumulación de grasa en el hígado .

En condiciones diabéticas, la expresión de los genes PDK, particularmente PDK4, está significativamente elevada en el hígado , lo que podría ayudar a explicar el aumento de las tasas de gluconeogénesis y los efectos beneficiosos de la metformina. La investigación en el modelo de ratones diabéticos que es deficiente en los sustratos 1 y 2 del receptor de insulina hepática (IRS 1/2) reveló que tanto la reducción como la eliminación del gen PDK4 llevaron a una mejora del control glucémico y la tolerancia a la glucosa. La PDK4 fue más eficiente en la regulación de la flexibilidad metabólica que la PDK2 en el hígado . Combinado con los resultados de los otros estudios, parece que PDK2 regula principalmente la utilización de glucosa, mientras que PDK4 puede estar involucrado tanto en el metabolismo de la glucosa del sistema como en la gluconeogénesis hepática.

La hormona tiroidea (T3) controla múltiples aspectos de los procesos metabólicos energéticos hepáticos, como la oxidación de ácidos grasos, la lipogénesis y la oxidación de glucosa. El hipertiroidismo experimental puede inducir la expresión de PDK4 en el hígado, el músculo esquelético y el corazón , lo que conduce a la inhibición de la actividad de la PDC. Se identificaron dos sitios de unión para el receptor β de la hormona tiroidea en el promotor del gen PDK4 de rata . Además de funcionar como coactivador de T3, el PGC1a también puede mejorar la inducción de T3 de la expresión hepática de PDK4 en ratas . La proteína β de unión al CCAAT/potenciador (C / EBPß), como factor de transcripción para genes que codifican enzimas gluconeogénicas como PEPCK, también estimula la expresión hepática de PDK4 en ratas a través de dos elementos de respuesta a C/EBPß en el promotor de PDK4 y también participa en la inducción T3 de la transcripción de PDK4 .

PDK4 y flexibilidad metabólica en tejido adiposo blanco

En comparación con el músculo esquelético y el hígado, se informa relativamente poca investigación sobre la flexibilidad metabólica en tejidos adiposos blancos (WAT). WAT es un órgano crucial para un proceso metabólico de ácidos grasos conocido como gliceroneogénesis de adipocitos. Esta vía utiliza piruvato, alanina, glutamina o cualquier sustancia del ciclo de TCA como precursores para sintetizar fosfato de dihidroxiacetona (DHAP) y, finalmente, para producir glicerol-3-fosfato (G3P) para la síntesis de triacilglicerol (TAG). La PDC está vinculada a este proceso y la supresión de la PDC permite un mayor uso de lactato y piruvato para la gliceroneogénesis .

Como activador de la gliceroneogénesis, las tiazolidindionas (TZD) aumentaron la expresión del ARNm de PDK4 en depósitos de WAT subcutáneos, periepididimales y retroperitoneales en ratas Zucker fa/fa, un modelo genético obeso y resistente a la insulina, mientras que el ARNm de PDK2 no se vio afectado, lo que indica el papel vital de PDK4 en la gliceroneogénesis. La expresión de PDK4 inducida por TZD fue específica del tejido porque el hígado y el músculo no respondieron a dicho tratamiento . Se observaron resultados similares para 3 adipocitos T3-F442A in vitro, utilizando inhibidores de PDK4, DCA y leelamina, y ARNip PDK4. Tanto 500 µmol/L DCA como 50 µmol/L leelamina inhibieron la incorporación de piruvato a los triglicéridos. La incorporación de piruvato a los lípidos se redujo un 40% tras la transfección de adipocitos con ARNip PDK4 . PPARy es un receptor nuclear regulado por los TZD sensibilizantes a la insulina. PDK4 es un objetivo indirecto de PPARy. Por lo tanto, la regulación de PDK4 por TZD en WAT se relaciona estrechamente con PPARy .

Aparte de TZD, el tratamiento agudo con epinefrina también aumentó el ARNm PDK4 a través de las vías de proteína quinasa activada por mitógenos (MAPK) y AMPK p38 en adipocitos cultivados y depósitos de WAT epidídimo en modelos de ratas obesas resistentes a la insulina inducidos por dietas altas en grasas . El ARNm PDK2 aún no se vio afectado. Dos horas de natación produjeron resultados similares a los del tratamiento con epinefrina en WAT en ratas delgadas y obesas . Combinado con el aumento de la síntesis de G3P a través de PEPCK, más gliceroneogénesis permite una mayor reesterificación de ácidos grasos no esterificados en TAG a partir de la lipólisis, mientras que la oxidación de glucosa se reduce en estos adipocitos . Con un papel importante en el aclaramiento de glucosa y la síntesis/almacenamiento de grasa, la regulación ascendente de PDK4 durante el ejercicio, el tratamiento con epinefrina y TZD que conduce a la inhibición de PDC, promueve el almacenamiento de energía en WAT. Se necesita más trabajo para dilucidar las vías transcripcionales involucradas en la regulación ascendente de PDK4 en WAT .

PDK4 y flexibilidad metabólica en el corazón

La inflexibilidad metabólica siempre acompaña a la miocardiopatía, particularmente durante la isquemia, e incluso puede causar insuficiencia cardíaca . La incapacidad de oxidar suficientes carbohidratos para satisfacer las demandas de energía es una razón importante para la ineficiencia cardíaca. Esto se puede demostrar mediante la sobreexpresión específica cardíaca de PDK4, que es suficiente para causar una pérdida de flexibilidad metabólica y exacerbar la miocardiopatía . La sobreexpresión de PDK4 en el corazón con un modelo de ratones transgénicos se asoció con una disminución en el catabolismo de glucosa y un aumento correspondiente en la oxidación de ácidos grasos. Este modelo transgénico también expresó una forma constitutivamente activa de la fosfatasa calcineurina, y por lo tanto causó hipertrofia en la fibrosis cardiomiocítica y un aumento sorprendente de la mortalidad .

En ratones que fueron alimentados con una dieta alta en grasas durante 10 días, la oxidación de carbohidratos cardíacos disminuyó notablemente, con una mayor regulación de la actividad de PDK4. La dieta rica en grasas indujo alteraciones metabólicas cardíacas a través de la vía del factor de iniciación eucariótico 4E (eIF4E)/ciclina D1/E2F1/PDK4 .

Durante la isquemia moderadamente severa, los ácidos grasos libres son el combustible principal en la oxidación mitocondrial . Mientras que la glucólisis sigue activa y la glucosa se utiliza para la producción de lactato para producir ATP, independiente del oxígeno, la inactivación del PDC facilita el uso de ácidos grasos. La isquemia hace que el piruvato se convierta en lactato, aumentando así la acidificación dentro del miocardio . Por lo tanto, la inhibición de la actividad de PDK por DCA es vital para aumentar la producción de ATP, así como la absorción de Ca2+, y el uso de la combinación de glucosa-insulina-K+ o inhibidores de oxidación de ácidos grasos también son beneficiosos .

La angiotensina II (Ang II), el principal efector del sistema renina angiotensina en la insuficiencia cardíaca, puede inducir una marcada resistencia a la insulina cardíaca, lo que lleva al cambio metabólico cardíaco de la oxidación de glucosa a la de ácidos grasos, produciendo inflexibilidad metabólica e ineficiencia cardíaca . PDK4 está altamente expresado en este modelo de hipertrofia inducida por Ang II y la deleción de PDK4 previene la reducción inducida por Ang II en la oxidación de glucosa y previene la disfunción diastólica . La inhibición de la actividad de PDK4 se ha convertido en una nueva estrategia terapéutica contra las enfermedades cardíacas .

PDK y flexibilidad metabólica en el sistema nervioso central

El cerebro también aprovecha la oxidación de la glucosa como fuente de energía primaria. Los astrocitos cultivados expresaron más PDK2 y PDK4 en comparación con las neuronas, lo que concuerda con la menor actividad de PDH y la mayor producción de lactato mostrada por los astrocitos cultivados . Hay evidencia acumulada de que las alteraciones en la actividad de los PDK están relacionadas con el desarrollo de varios trastornos neurológicos. Por ejemplo, la enfermedad de Alzheimer se asoció con disfunción en la actividad de la PDH y el metabolismo de la glucosa . El envejecimiento cerebral se relaciona con una reducción del ARNm de PDK1 y PDK2 en el cerebelo y un ARNm de PDK2 elevado en el hipocampo y la corteza cerebral , y la regulación ascendente del ARNm de PDK2 estuvo involucrada en el glioblastoma .

Las neuronas hipotalámicas son sensibles a las señales nutricionales y pueden regular el equilibrio energético y la homeostasis de la glucosa. Sin embargo, los complejos mecanismos subyacentes aún no se comprenden del todo. Estudios recientes en ratones en ayunas durante 48 h revelaron un perfil de expresión génica en el hipotálamo consistente con una utilización reducida de glucosa y un aumento de la oxidación de lípidos, incluido un ARNm de PDK4 elevado, consistente con los resultados en músculo esquelético, hígado, corazón y riñón . La regulación ascendente de PDK4 también se observó en el hipotálamo durante el ayuno de ratas neonatales durante 6 h, lo que refleja un intento de conservar energía durante la privación de alimentos neonatales . Esto también indica que el cerebro neonatal no está exento de la restricción de glucosa durante la crisis energética, sino que el cerebro neonatal puede usar cetonas derivadas del metabolismo de ácidos grasos como la principal fuente de energía . Sin embargo, solo se reportan estudios limitados para el efecto de PDK en el balance energético hipotalámico. Se espera más investigación.

PDK y flexibilidad metabólica en otros tejidos

Islotes pancreáticos

En células β pancreáticas murinas, el tratamiento con altos niveles de ácidos grasos y altos niveles de glucosa aumentó la actividad de PDK y disminuyó la actividad de PDH. Expresión de ARNm regulada por palmitato de PDK1, PDK2 y PDK4, mientras que la glucosa alta aumentó el ARNm PDK1, PDK2 pero redujo el ARNm PDK4, sugiriendo una regulación transcripcional diferente. Por lo tanto, la inducción de la expresión de PDK tanto por la glucosa como por la grasa acompaña la disminución de la flexibilidad del metabolismo de las células β durante la progresión de la obesidad a la DT2 .

La exposición crónica a condiciones hiperglucémicas produce glucotoxicidad en las células β. La glucotoxicidad afecta la secreción de insulina simulada de glucosa (GSIS), contribuyendo al desarrollo de la DT2. El análisis metabolómico de las células β después de la exposición a glucosa alta (25 mm durante 20 h) reveló un aumento de glucosa y una disminución de ácidos grasos durante el GSIS, pero no cambios significativos en la proteína PDK2 . Investigaciones similares sobre líneas celulares β de insulinoma E (INS-1E) mostraron un aumento en la fosforilación de la subunidad PDC E1a durante el tratamiento con glucosa alta (50 mm durante 48 h). El derribo de PDK1 y PDK3 llevó a una marcada reducción en la inactivación de PDC. Sin embargo, la inactivación de la CPD no se asoció con alteraciones de la ICG . Es posible que la actividad de PDC en las células β INS-1E sea excesiva y, por lo tanto, reducir su actividad es de poca consecuencia. La prolactina también puede inducir GSIS en líneas celulares INS-1E mediante la supresión de PDK y el aumento de la actividad de PDC, lo que sugiere un nuevo papel de los lactógenos en el tratamiento de la diabetes . Como el órgano más importante involucrado en la patogénesis de la DT2, se necesita más investigación sobre la flexibilidad metabólica en las células β pancreáticas.

Células cancerosas

Las células cancerosas tienen una forma única de adquirir energía, denominada efecto Warburg. Utilizan una mayor glucólisis y suprimen la oxidación de la glucosa mitocondrial para proporcionar energía con una ventaja proliferativa, propicia para la resistencia a la apoptosis e incluso un aumento de la angiogénesis . En condiciones de bajos nutrientes, el efecto Warburg se mejoró a través de un mecanismo que involucraba la activación de la PDK dependiente de especies reactivas de oxígeno (ROS)/AMPK . PDK1 y PDK3 son las principales isoformas relacionadas con el efecto Warburg . Por lo tanto, la inhibición de la PDK con ARN pequeños interferentes o medicamentos huérfanos, como el DCA, puede cambiar el metabolismo de las células cancerosas de la glucólisis a la oxidación de la glucosa, y puede proporcionar un enfoque poderoso para tratar el cáncer .