energian kysynnän ja tarjonnan välisen tasapainon ylläpitäminen on terveyden kannalta ratkaisevan tärkeää. Glukoosi ja lipidit (rasvahapot ja ketonirungot) voivat soluenergian lähteinä kilpailla ja olla vuorovaikutuksessa keskenään . Eliön kykyä sopeuttaa polttoaineen hapettuminen polttoaineiden saatavuuteen, toisin sanoen käyttää ensisijaisesti hiilihydraatti-ja lipidipolttoaineita ja pystyä nopeasti vaihtamaan niiden välillä, kutsutaan metaboliseksi joustavuudeksi . Polttoaineen hapettumisen ja ravinteiden saatavuuden muutosten yhteensopimattomuuteen liittyy usein oireita, kuten insuliiniresistenssiä, kohdunulkoista lipidien kertymistä ja mitokondrioiden toimintahäiriöitä . Näin ollen metabolinen joustamattomuus liittyy tiukasti erilaisiin oireyhtymiin, kuten tyypin 2 diabetekseen (T2D), lihavuuteen, sydän-ja verisuonitauteihin ja metaboliseen oireyhtymään.
yksi tärkeimmistä nisäkkäiden metabolisesta joustavuudesta vastaavista entsyymeistä on pyruvaattidehydrogenaasikompleksi (PDC), joka on mitokondriaalinen monientsyymikompleksi, joka katalysoi pyruvaatin oksidatiivista dekarboksylaatiota . PDC kontrolloi pyruvaatin, koentsyymi A: n (CoA) ja NAD+: n muuntumista asetyyli-CoA: ksi, NADH: ksi ja CO2: ksi ja siten yhdistää rasvahappojen metabolian, glukoosiaineenvaihdunnan ja trikarboksyylihapposyklin (TCA). Pyruvaatin katabolian tuottama KOA-aktivoitu kahden hiilen yksikkö voidaan kondensoida oksaloasetaatin kanssa TCA-syklin ensimmäisessä reaktiossa tai sitä voidaan käyttää rasvahappo-ja kolesterolisynteesissä . Pyruvaatti voi säilyä myös maksan ja munuaisten glukoneogeneesissä . Näin ollen PDC: llä on keskeinen asema solujen energia-aineenvaihdunnassa (Kuva 1).
PDC ja PDK ovat keskeisessä asemassa solujen energia-aineenvaihdunnassa. Rasvahappo ja glukoosi kilpailevat keskenään hapettumisesta nisäkkäiden PDC-tasolla. PDC katalysoi pyruvaatin oksidatiivista dekarboksylaatiota asetyyli-CoA: ksi ja siten yhdistää glukoosiaineenvaihdunnan ja rasvahappometabolian. PDC: tä voidaan fosforyloida PDKs: llä, jota voidaan säädellä mitokondrioiden asetyyli-CoA: lla, NADH: lla, pyruvaatilla, ATP: llä ja ydinvoiman transkriptiotekijöillä. ERRa: estrogeenireseptori α; FoxO: Forkhead box protein O; NEFA: esteröimätön rasvahappo; PDC: Pyruvaattidehydrogenaasikompleksi; PDK: Pyruvaattidehydrogenaasikinaasit; Pgc1a: PPARy co-activator 1α; PPARs: Peroksisome proliferator-aktivoidut reseptorit; TG: triglyseridi; TCA: Trikarboksyylihappo.
PDC on aktiivisempi terveessä ja hyvin ruokitussa tilassa. PDC: n suppeneminen on kuitenkin tärkeää glukoosisynteesin kannalta, kun glukoosia on niukasti . PDC-aktiivisuuden inaktivoitumista katalysoivat neljä erittäin spesifistä pyruvaattidehydrogenaasi (PDH) – kinaasi (PDK) – isoentsyymiä, jotka voivat fosforyloida spesifisiä seriinijäämiä PDC-entsyymin α-alayksikössä . Kaikista tunnetuista isoentsyymeistä PDK2 ja PDK4 ovat laajimmin levinneitä, ja niitä esiintyy voimakkaasti sydämessä, maksassa ja munuaisissa ihmisillä ja jyrsijöillä. PDK4: ää esiintyy runsaasti myös haimasaarilla ja luustolihaksissa, joilla on korkea glukoosin käyttöaste ja rasvahappojen hapettumisnopeus. Pdk1: llä ja PDK3: lla on melko rajallinen kudosjakautuminen . PDKs: n toimintaa voidaan säädellä metaboliittien eri tasoilla sekä transkriptiotekijöillä eri olosuhteissa ja eri kudoksissa (kuva 2). Näin PDC voi hallita polttoaineiden hyödyntämistä ja varastointia, jotta se pystyy reagoimaan metabolisesti ympäristöön.
Pdk4: n Transkriptionaaliset säätelyreitit eri kudoksissa eri ravitsemustiloissa. PDC: n inaktivointi lisäämällä pdk4: n säätelyä voi vaihtaa glukoosikatabolian rasvahappojen käyttöön. Luustolihaksissa, maksassa, valkoisessa rasvakudoksessa ja sydämessä on erilaisia transkriptionaalisia säätelyreittejä erilaisissa ravitsemuksellisissa olosuhteissa (energiavaje, runsas rasvaisen ruokavalion kulutus, liikunta, sairaudet, lääkkeet). Akt/PKB: proteiinikinaasi B; AMPK: 5 ’ – AMP-aktivoitu proteiinikinaasi; CD36: differentiaatioryhmä 36; C/EBPß: CCAAT/enhancer-sitova proteiini β; eIF4E: eukaryoottinen initiaatiokerroin 4E; ERRa: estrogeenireseptori α; rasva: rasvahappojen kuljettajaproteiini; FoxO1: Forkhead box protein O1; LXR: maksa X-reseptori; MAPK: P38 mitogeeniaktivoitu proteiinikinaasi; PDC: Pyruvaattidehydrogenaasikompleksi; PDK4: Pyruvaattidehydrogenaasikinaasi 4; PGC1a: PPARy-co-activator 1α; PPARs: Peroksisomiproliferaattoriaktivoidut reseptorit; SHP: pieni heterodimeerikumppani; STAT5: Signaalianturi ja transkription aktivaattori 5.
tässä katsauksessa on yhteenveto pdks: n viimeaikaisista tutkimuksista, jotka ovat keskeinen rooli metabolisen joustavuuden hallinnassa, äskettäinen käsite solujen energia-aineenvaihdunnassa erilaisissa ravitsemuksellisissa olosuhteissa (energiavaje, runsas rasvan kulutus, liikunta ja sairaus) erilaisissa kudoksissa (luurankolihas, maksa, valkoinen rasvakudos, sydän, haiman saaret ja hermosto), painottaen parhaiten ominaista PDK4: ää. Pdks: n säätelyn ymmärtäminen eri kudoksissa ja niiden rooli energian homeostaasissa on hyödyllistä erilaisten aineenvaihduntasairauksien hoidossa.
- PDK ja luustolihasten metabolinen joustavuus
- energiavaje
- pitkäaikainen runsasrasvainen ruokavalio
- liikunta
- insuliiniresistenssi ja diabetes
- PDK ja metabolinen joustavuus maksassa
- PDK4 ja metabolinen joustavuus valkoisessa rasvakudoksessa
- pdk4 ja metabolinen joustavuus sydämessä
- PDK ja metabolinen joustavuus keskushermostossa
- PDK ja metabolinen joustavuus muissa kudoksissa
- Haimasaarekkeet
- syöpäsoluilla
PDK ja luustolihasten metabolinen joustavuus
kvantitatiivisesti kehon suurimpana elimenä luustolihasten osuus on 30-40% lepäävissä oloissa olevien aikuisten metabolianopeudesta. Se edistää 80%: a insuliinin stimuloimasta glukoosin soluunotosta ja on tärkeä glukoosin hapettumiskohta ja rasvahappojen aineenvaihdunta. Luustolihas osoittaa huomattavaa metabolista joustavuutta polttoaineen käytössä vastauksena erilaisiin metabolisiin haasteisiin, kuten energiavajeeseen ja ruokavalion koostumuksen muutoksiin. Vähärasvaisissa terveissä yksilöissä luurankolihas pystyy insuliinin stimulaation aikana siirtymään pääasiassa lipidien hapettumisesta ja suurista rasvahappojen kertymisnopeuksista lipidikatabolian estämiseen ja kohonneeseen glukoosin ottoon, hapettumiseen ja varastointiin . Lihavilla ja T2D-potilailla esiintyy kuitenkin enemmän lipidien hapettumista luurankolihaksissa ja he ovat suhteellisen insuliiniresistenttejä, mikä johtaa aineenvaihdunnan joustamattomuuteen .
energiavaje
energiavajeen aikana glukoosia on niukasti ja pitkäketjuista rasvahappojen hapettumista käytetään solujen energiantarpeen tyydyttämiseen. Vähentynyt ruokailu ja pienentyneet insuliinipitoisuudet vähentävät glukoosin käyttöä glukoosin säilyttämiseksi. Nisäkkäiden PDC-aktiivisuutta tukahduttaa PDK: n hyper-fosforylaatio, joka rajoittaa pyruvaatin muuntumista asetyyli-CoA: ksi luurankolihaksissa . Kun asetyyli-CoA: ta on saatavilla vähemmän, rasvahappojen hapettumista estävän malonyyli-CoA: n synteesi vähenee . Tämän seurauksena rasvahappojen hapettumista sekä pakottaa että helpottaa pdk4: n ylös-säätely . 48 tunnin paastoaminen rotilla (täydellinen ruoan vieroitusaika) liittyi pdk4-proteiinin ja mRNA: n 3-4-kertaiseen kasvuun gastrocnemius-lihaksessa, eikä se vaikuttanut PDK2: n ilmentymiseen . Neljäkymmentäkahdeksan tunnin paastonneet pdk4 knock-out-hiiret osoittivat alentunutta verensokeria , kohonneita seerumin esteröimättömiä rasvahappoja ja suurempaa PDC-aktiivisuutta gastrocnemius-lihaksessa, mikä oli sopusoinnussa rasvahappojen alhaisempien hapettumisnopeuksien ja glukoosin ja pyruvaatin hapettumisnopeuksien kanssa. Energiavaje johti kuitenkin pikemminkin gastrocnemius-lihaksen pdk2-aktiivisuuden vähenemiseen kuin lisääntymiseen PDK4 knock-out-hiirillä . Tämä viittasi siihen, että PDK2 ei kyennyt korvaamaan pdk4: n toimintakyvyn menetystä paaston seurauksena. Paastonneiden villin tyypin rottien ruokkiminen 48 tunnin ajan vähensi pdk4 mRNA-arvoa verrokkiryhmään verrattavalle tasolle .
rasvahappojen oksidaation tuottamat asetyyli-CoA ja NADH kiihdyttivät PDK-aktiivisuutta luurankolihaksissa . Myös forkhead box O1: n (FoxO1) ja forkhead box O3: n (FoxO3) transkriptien selektiivinen indusointi gastrocnemius-lihaksessa hiirillä 48 tunnin ruokavieroituksen jälkeen , mikä viittaa FoxO: n osallistumiseen pdk4: n säätelyyn lyhytaikaisten ravitsemustilan muutosten vuoksi. PDK4, joka vaikuttaa rasvahappojen kuljettajaan / differentiaatioryhmään 36 (FAT/CD36, tärkeimmät rasvahappojen kertymisproteiinit lihaksessa), peroksisomiproliferaattorin aktivoimaan reseptoriin δ/β (PPARδ/β, rasvahappojen aktivoimaan ydinreseptoriin) ja FoxO1: een, tarjoaa puitteet säädellä lihasten polttoaineen mieltymystä paaston jälkeen . Energiavajeen aikana CD36-fasilitoitu rasvahappovuo aktivoi PPARδ/β: n, mikä lisää koordinoidusti FoxO1: n ja PDK4: n ilmentymistä glukoosin hapettumisen estämiseksi. Rasvahappovuo ja insuliinipitoisuuden pieneneminen liittyvät proteiinikinaasi B: n (Akt/PKB) säätelyyn, mikä johtaa FoxO1-aktivaatioon . Koska FoxO1 värvää myös cd36: n plasmakalvoon ja indusoi lipoproteiinilipaasia, kaikki nämä tehostavat rasvahappojen käyttöä luurankolihaksissa . Uuden maksan X-reseptorin (LXR) – PPARa-metabolostaattisen signalointiakselin on myös raportoitu osallistuvan lihasenergiavajeen vasteeseen . LXR-lisätyn PPARa-signaloinnin aktivointi pdk4-ekspression paaston aiheuttaman ylös-säätelyn lisäämiseksi, mikä tehostaa rasvahappojen hapettumista ja vähentää glukoosin kataboliaa luurankolihaksissa .
pitkäaikainen runsasrasvainen ruokavalio
runsasrasvaisen ruokavalion pitkäaikainen käyttö voi aiheuttaa hyperglykemiaa, hyperinsulinemiaa, glukoosi-intoleranssia ja lihavuutta. Runsaasti tyydyttyneitä rasvoja sisältäneen ruokavalion antaminen rotille 4 viikon ajan lisäsi merkittävästi pdk2-ja PDK4-proteiinin ilmentymistä sekä nopeasti nykivissä valkoisissa lihassyyn alatyypeissä (anterior tibialis) että hitaasti nykivissä punaisissa lihassyyn alatyypeissä (soleus) rotilla . Hitaasti nykivä punainen lihassyy sisältää runsaasti mitokondrioita ja myoglobiinia ja luottaa hiilihydraatti-ja lipidipolttoaineiden aerobiseen aineenvaihduntaan. Soleuksessa pdk4: n suhteellinen lisääntyminen liittyi myös pyruvaattipitoisuuden yli 7-kertaiseen kasvuun ja PDC: n aktiivisuuden 50%: n vähenemiseen anteriorisessa säärilihaksessa , mikä viittaa suurempaan PDK: n herkkyyden menetykseen pyruvaatin eston vuoksi nopeasti nykivässä lihaksessa verrattuna hitaasti nykivään lihakseen. Runsasrasvaisen ruokavalion nauttiminen johtaa lipideistä johdettujen polttoaineiden käyttöön hengityselinalustoina lihaksissa, osittain PDK: n aktiivisuuden säätelyn mukaisena. Lisääntynyt rasvahappojen hapettuminen runsasrasvaisen ruokavalion ruokinnan jälkeen hitaasti nykivässä lihaksessa johtuu pääasiassa pdk4: n ylös-säätelystä. Nopeasti nykivissä lihaksissa havaittiin kuitenkin myös pdk2: n mRNA: n lisääntymistä , mikä viittasi mahdolliseen koordinaatiston säätelyyn pdk2: n ja pdk4: n välillä valkoisissa lihassyyn alatyypeissä.
PDK4-puutos johtaa rasvahappojen hapettumisen estymiseen ja glukoosin hapettumisen lisääntymiseen suuremman PDC-aktiivisuuden vuoksi, mikä lisää pyruvaatin muuntumista asetyyli-CoA: ksi. Kun enemmän asetyyli-CoA on saatavilla syntetisoimaan malonyyli-CoA, rasvahappojen hapettumisen estäjä, rasvahappojen hapettumisnopeus pienenee suoran takaisinkytkentäsilmukan vuoksi . Runsasrasvaisen ruokavalion noudattaminen pitkällä aikavälillä ei kuitenkaan edistä kohdunulkoisen rasvan kertymistä eikä huononna insuliiniresistenssiä . Kun pdk4 knockout-hiirille syötettiin runsaasti tyydyttynyttä rasvaa sisältävää ruokavaliota 32 viikon ajan, PDK4-puutoksesta kärsiville hiirille kehittyi myös hyperinsulinemia, mutta vähemmän rasvaa kertyi luurankolihaksiin ja parempi glukoosinsietokyky verrattuna villityyppisiin hiiriin . Rasvahapposyntaasin aktiivisuus oli myös alhaisempi, mikä viittaa siihen, että pdk4: n puuttuminen saattaa muuttaa lipidimetabolian säätelyyn osallistuvia signalointikomponentteja .
orvon ydinreseptorin estrogeenireseptorin α (ERRa) mRNA: n ja proteiinin säätely havaittiin hiirillä runsasrasvaisen ruokavalion pitkäaikaisen käytön jälkeen . On ehdotettu, että PPARy-koaktivaattori 1α (PGC1a) voi säädellä glukoosin kataboliaa ja mitokondrion oksidatiivisia reittejä lisäämällä pdk4-aktiivisuutta pgc1a/ERRa-riippuvaisen reitin kautta luurankolihaksissa . ERRa voi rekrytoida PGC1a: n yhdistymään Pdk4-promoottoriin ja säätelemään PDK4-transkriptiota, joka on riippumaton FoxO1: stä ja PPARs: stä . PDC-aktiivisuuden negatiivinen säätely PDK4: llä estää pyruvaatin pääsyn TCA-sykliin ja sen jälkeen sumentaa solujen glukoosin hapettumista vastauksena runsasrasvaiseen ruokintaan . Siten PGC1a / ERRa: lla on keskeinen rooli runsasrasvaisen ruokavalion aikaansaamassa pdk4: n säätelyssä ja aineenvaihdunnan joustavuudessa luurankolihaksissa.
liikunta
havaittiin, että PDC-aktivaatio matalan tai keskivaikean lihassupistuksen aikana oli pdk4 knockout-hiirillä ~2 kertaa suurempi kuin villityyppisillä hiirillä harjoituksen aikana, intensiteetistä riippumatta . Pdk4 mRNA-arvo suureni huomattavasti pitkäkestoisen rasituksen aikana ja sekä lyhytkestoisen korkean intensiteetin että pitkäkestoisen matalan intensiteetin rasituksen jälkeen hiirten luurankolihaksissa . PDC: n inaktivointi vastauksena sekä hitaasti nykivään että nopeasti nykivään lihassupistukseen ylös säädellyn PDK4: n kautta voi rajoittaa glykolyyttisten tuotteiden pääsyä mitokondrioihin hapettumista varten. Palautumisaika harjoituksen jälkeen korostaa myös glykogeenin täydentämisen korkeaa metabolista prioriteettia luustolihaksen energian homeostaasin palauttamiseksi . Runsasrasvainen ruokavalio 18 viikon ajan, jota seurasi 12 tunnin liikunta, kohotti myös pdk4: n ilmentymistä hiirten luurankolihaksissa , mikä johti PDC: n aktiivisuuden vähenemiseen ja hiilihydraattien hapettumiseen vähemmän. FoxO1: tä on ehdotettu mahdolliseksi transkriptiotekijäksi, joka liittyy tähän muutokseen. FoxO1 voi aistia vapaiden rasvahappojen saatavuuden muutoksia ja välittää tämän viestin eteenpäin moduloimalla pdk4: n transkriptiota. Fosforyloimaton FoxO1 sijaitsee tumassa, jossa se voi aktivoida insuliinivasteelementtejä sisältävien geenien transkriptiota. Foxo1: n fosforylaatio Akt/PKB-reitin kautta johtaa ydinsulkeutumiseen ja tuhoutumiseen . Pgc1a: lla oli hevosilla tehtyjen tutkimusten mukaan myös merkittävä rooli luustolihaksissa vasteena liikunnalle . Pgc1a sääteli glukoosin hapettumista ja lisäsi samalla mitokondrioiden hengitystä ja rasvahappojen hapettumista harjoituksen jälkeisen palautumisen aikana Täysiverisillä hevosilla .
lihaskuntoharjoittelun lisäksi akuutin kestävyysharjoituksen aikana yhden jalan pyöräilymallissa lepolihas osoitti myös lisääntynyttä pdk4-ekspressiota, joka todennäköisesti johtui verenkierrossa olevien vapaiden rasvahappojen noususta, PPAR-reseptorien ligandeista ja PPAR-reittien noususäätelystä .
insuliiniresistenssi ja diabetes
insuliiniresistenssiä on useimmiten luonnehdittu rajoittuneeksi vasteeksi stimuloituun glukoosiaineenvaihduntaan luurankolihaksissa. Myös lipidien käytön tukahduttaminen insuliiniresistenssillä heikensi kykyä vaihtaa polttoaineita, mikä johti aineenvaihdunnan joustamattomuuteen . Tämä on hyvin yleistä ylipainoisilla ja T2D-potilailla, joilla on insuliininsimulaatiotila. Kim et. al aiheutti rotilla akuuttia insuliiniresistenssiä jatkuvalla Intralipid-infuusiolla (rasvaemulsio) ja laktaatilla 5 tunnin ajan, mikä johti 2-3 kertaa suurempaan pdk4: n ilmentymiseen lihaksissa insuliini-infuusion jälkeen , mikä viittaa insuliinin heikentyneeseen kykyyn tukahduttaa pdk4: ää. Intralipidi-ja laktaatti-infuusio vähensi myös Akt/PKB: n ja FoxO1: n fosforylaatiota, mikä osoittaa heikentynyttä insuliinin signalointia . Tuoreempi kliininen tutkimus osoitti, että kasvuhormoni (GH) voi edistää lipolyysiä ja vähentää insuliiniherkkyyttä ihmisillä. Tämä liittyi pdk4: n mRNA: n säätelyyn ja aktiivisen PDC: n vähenemiseen, joka on samanlainen kuin paaston aikana . Tutkimus T2D-potilaiden lihasbiopsioista osoitti , että sekä pdk2 että pdk4 mRNA lisääntyivät terveillä vapaaehtoisilla yön yli kestäneen paaston jälkeen, mikä vastasi T2D-potilaiden insuliiniresistenssiä ja metabolista joustamattomuutta. Lisäksi pdk4-promoottorin +160-ja +446-alueen sytosiinien metylaatiotila väheni T2D-potilailla, mikä viittaa siihen, että mitokondrion geenien epigeneettiset muutokset osallistuvat substraattikytkentöjen säätelyyn . Kuitenkin yhtenä pdk4: n ilmentymistä säätelevistä transkriptiotekijöistä pgc1a-promoottorin ilmoitettiin olevan hyper-metyloitunut T2D-potilaiden luustolihaksissa ja sen jälkeen, kun rasvaa oli syötetty liikaa alhaiselle syntymäpainolle , mikä viittaa siihen, että metaboliseen sairauteen liittyvät muutokset metylaatiomalleissa voivat olla promoottorispesifisiä .
terapeuttisia interventioita on käytetty PDK4: n ilmentymisen vähentämiseen diabeteksessa. Insuliinin lisäksi useita PDK4-estäjiä käytettiin edistämään glukoosin hävittämistä eläinmalleissa. Alustavat tutkimukset osoittivat rohkaisevia tuloksia diklooriasetaatin (DCA) oraalisella antamisella, mutta tämä yhdiste on heikko PDK-inhibiittori ja myrkyllinen . Viime aikoina Novartisin ja AstraZeneca: n tuottamiin voimakkaisiin suun kautta annettaviin lääkkeisiin, kuten PDK-estäjiin, sisältyy yleensä trifluori-2-hydroksi-2-metyylipropionihapon amideja . Kaikki nämä estäjät, mukaan lukien Pdk2-estäjä Nov3r ja AZD7545, sitoutuvat PDK: n lipoyyliryhmään sitoutumiskohtaan ja lisäävät tehokkaasti PDC-aktiivisuutta . Monet lääkkeet kohdistuvat PDK-aktiivisuuteen useimmissa perifeerisissä kudoksissa, kuten DCA , mutta joillakin lääkkeillä on parempi teho tietyissä kudoksissa. Esimerkiksi AZD7545 suurensi PDC-aktiivisuutta tehokkaammin maksassa kuin luustolihaksissa ja sydämessä, ja paastonneiden eläinten luustolihaksissa teho heikkeni .
PDK ja metabolinen joustavuus maksassa
yksi maksan ensisijaisista tehtävistä on säädellä glukoosin ja muiden metabolisten polttoaineiden saantia energian tuottamiseksi muihin kudoksiin . Keho voi tasapainottaa veren glukoosipitoisuutta tasapainottamalla glukoosin tuotantoa ja varastointia maksassa ja munuaisissa sekä säätelemällä sen käyttöä perifeerisissä kudoksissa. Paastotilanteessa maksa tuottaa aluksi glukoosia glykogenolyysistä eli maksan glykogeenivarastojen hajoamisesta. Pitkittyneessä energiavajeessa ensisijainen glukoosin lähde on glukoneogeneesi, glukoosin synteesi ei-hiilihydraattien lähtöaineista kuten glyserolista, laktaatista ja aminohappo alaniinista . PDC: n inaktivointi PDKs: n avulla voi estää pyruvaatin muuntumista asetyyli-CoA: ksi, jolloin pyruvaatti siirtyy TCA-sykliin tai rasvahappojen synteesiin kohti glukoneogeneesiä .
48 tunnin paastoaminen ei muuttanut PDC-aktiivisuutta pdk4-knockout-hiirten maksassa, mutta glukoneogeenisen reitin välituotteet (glukoosi-6-fosfaatti, fruktoosi-1,6-bisfosfaatti, pyruvaatti, laktaatti ja sitraatti) olivat vähäisempiä , mikä viittaa glukoneogeneesin ja glykolyysin hidastumiseen. Kasvuhormoni (GH) voi lisätä maksan pdk4: n ilmentymistä maksassa villityypin hiirillä paaston aikana aktivoimalla signaalianturia ja transkriptio 5: n (STAT5) aktivaattoria, mikä johtaa PDC: n aktiivisuuden estymiseen ja säilyttää substraatteja glukoneogeneesille . Metformiini, yleisesti määrätty lääke T2D: lle, voi estää GH: n indusoimaa PDK4: n ilmentymistä 5′-AMP-aktivoidun proteiinikinaasin ja pienen heterodimeerikumppanin (AMPK – SHP) riippuvaisen reitin kautta estäen STAT5: n yhdistämisen PDK4: n promoottoriin .
Pdk4: n ja PDK2: n maksaekspressio ja PDC: n aktiivisuus eivät vaikuttaneet luonnonvaraisten hiirten runsasrasvaiseen ruokavalioon 18 viikon ajan. . Runsasrasvainen ruokavalio ruokinta aiheutti rasvamaksan, tila, joka tapahtuu, kun rasvan kertyminen ylittää hapettumisnopeuden . Tilanne estettiin pdk4 knockout-hiirillä, jotka söivät runsaasti tyydyttynyttä rasvaa sisältävää ruokavaliota 32 viikon ajan . Tämä selittyy osittain maksan muuttuneella pgc1a-aktiivisuudella. PGC1a kontrolloi glukoneogeenisten entsyymien kuten fosfoenolipyruvaattikarboksikinaasin (PEPCK) ilmentymistä. Pdk4: n tyrmääminen voisi johtaa korkeampiin pgc1a-pitoisuuksiin, mikä olisi sopusoinnussa PEPCK: n suuremman aktiivisuuden ja de novo-rasvahapposynteesin alhaisemman kapasiteetin kanssa . PPARa osoitti myös koordinoitua säätelyä pgc1a: n kanssa rasvamaksassa, mikä osoitettiin Klofibrihapon, PPARa-agonistin, parantuneen suotuisan vaikutuksen kautta rasvahappojen kertymiseen pdk4-knockout-hiirillä . Toisin kuin luurankolihaksilla, rasvahappojen kuljetukseen keskeisillä entsyymeillä FAT/CD36 ei ollut osuutta rasvan vähenemiseen maksassa .
diabeetikoilla PDK-geenien, erityisesti PDK4: n, ilmentyminen maksassa on merkitsevästi koholla, mikä voi osaltaan selittää glukoneogeneesin lisääntymistä ja metformiinin suotuisia vaikutuksia. Tutkimukset diabeettisen hiirimallin, joka on puutteellinen maksan insuliinireseptorisubstraateissa 1 ja 2 (IRS 1/2), osoittivat, että sekä pdk4-geenin knockdown että knockout johtivat glykeemisen kontrollin ja glukoosinsietokyvyn paranemiseen. Pdk4 oli tehokkaampi aineenvaihdunnan joustavuuden säätelyssä kuin pdk2 maksassa . Yhdessä muiden tutkimusten tulosten kanssa näyttää siltä, että PDK2 säätelee pääasiassa glukoosin käyttöä, kun taas PDK4 voi osallistua sekä järjestelmän glukoosiaineenvaihduntaan että maksan glukoneogeneesiin.
kilpirauhashormoni (T3) kontrolloi useita maksan energian metabolisia prosesseja, kuten rasvahappojen hapettumista, lipogeneesiä ja glukoosin hapettumista. Kokeellinen kilpirauhasen liikatoiminta voi aiheuttaa pdc4: n ilmentymistä maksassa , luurankolihaksissa ja sydämessä , mikä johtaa PDC: n aktiivisuuden estymiseen. Rotan pdk4-geenin promoottorissa havaittiin kaksi kilpirauhashormonireseptorin β sitoutumiskohtaa . Sen lisäksi, että PGC1a toimii T3: n apuaktivaattorina, se voi myös parantaa maksan PDK4: n ilmentymisen T3-induktiota rotilla . CCAAT / enhancer-sitova proteiini β (C/EBPß), joka on transkriptiotekijä glukoneogeenisia entsyymejä, kuten PEPCK, koodaaville geeneille, stimuloi myös maksan pdk4-ilmentymistä rotilla pdk4-promoottorin kahden C / EBPß-vasteelementin kautta ja osallistuu myös PDK4-transkription T3-induktioon .
PDK4 ja metabolinen joustavuus valkoisessa rasvakudoksessa
verrattuna luustolihaksiin ja maksaan on raportoitu suhteellisen vähän metabolista joustavuutta valkoisissa rasvakudoksissa (WAT). WAT on ratkaiseva elin rasvahappojen aineenvaihduntaa kutsutaan rasvasolujen glyseroneogeneesi. Tämä reitti käyttää lähtöaineina pyruvaattia, alaniinia, glutamiinia tai mitä tahansa TCA-syklin aineita syntetisoidakseen dihydroksiasetonifosfaattia (DHAP) ja lopuksi tuottaakseen glyseroli-3-fosfaattia (G3P) triasyyliglyserolin (TAG) synteesiä varten . PDC liittyy tähän prosessiin ja PDC: n tukahduttaminen mahdollistaa laktaatin ja pyruvaatin lisääntyneen käytön glyseroneogeneesissä .
glyseroneogeneesin aktivaattorina tiatsolidiinidionit (TZD) lisäsivät pdk4 mRNA: n ilmentymistä ihonalaisissa, periepidymaalisissa ja retroperitoneaalisissa WAT-varastoissa fa/fa Zucker-rotilla, jotka ovat geneettisiä lihavia ja insuliiniresistenttejä, kun taas pdk2 mRNA: lla ei ollut vaikutusta, mikä viittaa pdk4: n tärkeään rooliin glyseroneogeneesissä. TZD: n indusoima PDK4-ilmentymä oli kudoskohtainen, koska maksa ja lihas eivät reagoineet tällaiseen hoitoon . Samanlaisia tuloksia saatiin 3 T3-F442A-adiposyyteillä in vitro käyttäen PDK4-estäjiä, DCA: ta ja leelamiinia sekä pdk4 siRNA: ta. Sekä 500 µmol/L DCA että 50 µmol/L leelamiini estivät pyruvaatin liittymistä triglyserideihin. Pyruvaatin sisällyttäminen lipideihin väheni 40% adiposyyttien siirron jälkeen pdk4 siRNA: lla . PPARy on insuliinille herkistyvien TZDs-reseptorien säätelemä ydinreseptori. PDK4 on ppary: n epäsuora kohde. Näin ollen pdk4: n sääntely WAT: ssä liittyy tiukasti PPARy: ään .
TZD: n lisäksi akuutti epinefriinihoito lisäsi myös pdk4 mRNA: ta P38 mitogeeni-aktivoidun proteiinikinaasin (MAPK) ja AMPK: n kautta viljellyissä adiposyyteissä ja lisäkivesvarastoissa lihavilla, insuliiniresistenteillä rotilla, joita runsasrasvainen ruokavalio indusoi . PDK2 mRNA säilyi ennallaan. Kahden tunnin uinti tuotti samanlaisia tuloksia kuin adrenaliinihoito WAT: ssa sekä laihoilla että lihavilla rotilla . Yhdessä lisääntyneen G3P-synteesin kanssa PEPCK: n kautta, enemmän glyseroneogeneesiä mahdollistaa esteröimättömien rasvahappojen lisääntyneen uudelleen esteröinnin LIPOLYYSIIN, kun taas glukoosin hapettuminen vähenee näissä adiposyyteissä . Tärkeä rooli glukoosin puhdistumassa ja rasvan synteesissä/varastoinnissa, pdk4: n säätely harjoituksen aikana, epinefriini-ja TZD-hoito, joka johtaa PDC-estoon, edistää energian varastointia WAT: ssä. Lisää työtä tarvitaan pdk4: n up-sääntelyyn liittyvien transkriptiopolkujen selventämiseksi WAT: ssä .
pdk4 ja metabolinen joustavuus sydämessä
metabolinen joustamattomuus liittyy aina kardiomyopatiaan, erityisesti iskemian aikana, ja voi jopa aiheuttaa sydämen vajaatoimintaa . Se, ettei hapeta tarpeeksi hiilihydraatteja energiantarpeen tyydyttämiseksi, on tärkeä syy sydämen tehottomuuteen. Tämä voidaan osoittaa sydänkohtaisella pdk4: n yliekspressiolla, joka riittää aiheuttamaan metabolisen joustavuuden menetyksen ja pahentamaan kardiomyopatiaa . Pdk4: n yliekspressio sydämessä siirtogeenisellä hiirimallilla liittyi glukoosikatabolian vähenemiseen ja vastaavasti rasvahappojen hapettumisen lisääntymiseen. Tämä transgeeninen malli ilmaisi myös fosfataasi-kalsineuriinin konstitutiivisesti aktiivista muotoa ja aiheutti siten kardiomyosyyttifibroosin hypertrofiaa ja kuolleisuuden huomattavaa kasvua .
hiirillä, joita ruokittiin runsasrasvaisella ruokavaliolla 10 päivän ajan, sydämen hiilihydraattien hapettuminen väheni selvästi ja PDK4: n aktiivisuus sääteli sitä. Runsasrasvainen ruokavalio aiheutti sydämen metabolisia muutoksia eukaryoottisen aloitustekijän 4E (eIF4E)/sykliini D1/E2F1 / PDK4 kautta .
kohtalaisen vaikean iskemian aikana vapaat rasvahapot ovat ensisijainen polttoaine mitokondrion hapettumisessa . Vaikka glykolyysi on edelleen aktiivista ja glukoosia käytetään laktaattituotannossa tuottamaan hapesta riippumatonta ATP: tä, PDC: n inaktivointi helpottaa rasvahappojen käyttöä. Iskemia aiheuttaa pyruvaatin muuttumisen laktaatiksi, mikä lisää sydänlihaksen happamoitumista . Näin ollen PDK: n toiminnan estäminen DCA: lla on tärkeää lisätä ATP: n tuotantoa sekä Ca2+: n sisäänottoa, ja myös glukoosi-insuliini-K+: n tai rasvahappojen hapettumisen estäjien yhdistelmä on hyödyllinen .
angiotensiini II (Ang II), reniini-angiotensiinijärjestelmän pääasiallinen efektori sydämen vajaatoiminnassa, voi aiheuttaa merkittävää sydämen insuliiniresistenssiä, mikä johtaa sydämen metabolian siirtymiseen glukoosista rasvahappojen hapettumiseen, mikä aiheuttaa metabolisen joustamattomuuden ja sydämen tehottomuuden . PDK4 ilmenee voimakkaasti tässä Ang II: n indusoimassa hypertrofiamallissa ja pdk4: n deleetio estää ang II: n indusoiman glukoosin hapettumisen vähenemisen ja estää diastolisen toimintahäiriön . Pdk4: n aktiivisuuden estämisestä on tullut uusi terapeuttinen strategia sydänsairauksia vastaan .
PDK ja metabolinen joustavuus keskushermostossa
aivot hyödyntävät myös glukoosin hapettumista primäärienergian lähteenä. Viljellyt astrosyytit ilmaisivat enemmän pdk2: ta ja PDK4: ää verrattuna neuroneihin, mikä oli yhdenmukaista viljeltyjen astrosyyttien osoittaman alhaisemman PDH-aktiivisuuden ja suuremman laktaattituotannon kanssa . On kertynyt näyttöä siitä, että pdks: n toiminnan muutokset ovat yhteydessä useiden neurologisten häiriöiden kehittymiseen. Esimerkiksi Alzheimerin tautiin liittyi PDH-aktiivisuuden ja glukoosiaineenvaihdunnan häiriöitä . Aivojen vanheneminen on yhteydessä pieneneviin pdk1-ja PDK2-mRNA-arvoihin pikkuaivoissa ja kohonneisiin pdk2-mRNA-arvoihin hippokampuksessa ja aivokuoressa , ja pdk2-mRNA-arvon nousu liittyi glioblastoomaan .
hypotalamuksen neuronit ovat herkkiä ravitsemussignaaleille ja voivat säädellä energiatasapainoa ja glukoosin homeostaasia. Taustalla olevia monimutkaisia mekanismeja ei kuitenkaan vielä täysin ymmärretä. Viimeaikaiset tutkimukset hiirillä, jotka paastosivat 48 tuntia, paljastivat hypotalamuksen geenin ilmentymisprofiilin, joka on yhdenmukainen glukoosin vähentyneen käytön ja lisääntyneen lipidien hapettumisen kanssa, mukaan lukien kohonnut pdk4 mRNA, joka on sopusoinnussa luurankolihasten, maksan, sydämen ja munuaisten tulosten kanssa . Pdk4: n noususäätely havaittiin myös hypotalamuksessa vastasyntyneen rotan paastotessa 6 tuntia, mikä kuvastaa pyrkimystä säästää energiaa vastasyntyneen ruokapulan aikana . Tämä osoittaa myös, että vastasyntyneen aivot eivät säästy glukoosirajoitukselta energiakriisin aikana, vaan vastasyntyneen aivot voivat käyttää rasvahappoaineenvaihdunnasta saatuja ketoneja tärkeimpänä energianlähteenä . PDK: n vaikutuksesta hypotalamuksen energiatasapainoon on kuitenkin raportoitu vain vähän tutkimuksia. Lisää tutkimuksia odotetaan.
PDK ja metabolinen joustavuus muissa kudoksissa
Haimasaarekkeet
hiiren haiman β-soluissa sekä korkea rasvahappo-että glukoosihoito lisäsi PDK-aktiivisuutta ja vähensi PDH-aktiivisuutta. Palmitate jopa säännelty mRNA ilmentymä PDK1, PDK2 ja PDK4, kun taas korkea glukoosi lisäsi PDK1, PDK2 mRNA mutta vähensi PDK4 mRNA , mikä viittaa eri transkription sääntelyä. Siten sekä glukoosin että rasvan aiheuttama PDK: n ilmentymisen induktio seuraa β-solujen aineenvaihdunnan joustavuuden heikkenemistä edettäessä lihavuudesta T2D: hen .
krooninen altistuminen hyperglykemialle aiheuttaa glukotoksisuutta β-soluissa. Glukotoksisuus heikentää glukoosin simuloitua insuliinineritystä (GSIS) ja edistää T2D: n kehittymistä. Β-solujen metabolomianalyysi suuren glukoosialtistuksen (25 mM 20 tuntia) jälkeen osoitti glukoosin lisääntymistä ja rasvahappojen vähenemistä GSIS: n aikana, mutta pdk2-proteiinissa ei havaittu merkittäviä muutoksia . Samankaltainen tutkimus insulinoma E: n (INS-1e) β-solulinjoilla osoitti PDC E1a-alayksikön fosforylaation lisääntyneen korkean glukoosihoidon aikana (50 mM 48 tunnissa). Pdk1: n ja PDK3: n kaataminen johti PDC: n inaktivaation huomattavaan vähenemiseen. PDC-inaktivaatioon ei kuitenkaan liittynyt muutoksia GSIS: ssä . On mahdollista, että PDC-aktiivisuus ins-1e β-soluissa on liiallista, joten sen aktiivisuuden alentamisella ei ole juurikaan merkitystä. Prolaktiini voi myös indusoida GSIS: ää INS-1e-solulinjoissa tukahduttamalla PDK: ta ja lisäämällä PDC-aktiivisuutta, mikä viittaa laktogeenien uuteen rooliin diabeteksen hoidossa . Tärkeimpänä elimenä T2D: n patogeneesissä tarvitaan lisää tutkimusta haiman β-solujen metabolisesta joustavuudesta.
syöpäsoluilla
syöpäsoluilla on ainutlaatuinen tapa hankkia energiaa, jota kutsutaan Warburgin ilmiöksi. He käyttävät lisääntynyttä glykolyysiä ja tukahduttavat mitokondrion glukoosin hapettumista energian tuottamiseksi proliferatiivisella edulla, mikä edistää apoptoosin vastustuskykyä ja jopa lisääntynyttä angiogeneesiä . Vähäravinteisissa olosuhteissa Warburg-vaikutusta tehostettiin mekanismilla, jossa PDK: n aktivointi on reaktiivisten happilajien (Ros)/AMPK – riippuvaista . Pdk1 ja PDK3 ovat tärkeimmät Warburg-ilmiöön liittyvät isoformit . Siten PDK: n esto joko pienillä häiritsevillä RNA: lla tai harvinaislääkkeillä, kuten DCA: lla, voi siirtää syöpäsolujen metaboliaa glykolyysistä glukoosin hapettumiseen, ja se voi tarjota tehokkaan lähestymistavan syövän hoitoon .