a piruvát-dehidrogenáz-kinázok kulcsszerepe a metabolikus rugalmasságban

az energiaigény és-kínálat egyensúlyának fenntartása kritikus fontosságú az egészség szempontjából. A glükóz és a lipidek (zsírsavak és ketontestek), mint a sejtek energiaforrásai, versenyezhetnek és kölcsönhatásba léphetnek egymással . A szervezet azon képességét, hogy az üzemanyag oxidációját az üzemanyag rendelkezésre állásához igazítsa, Vagyis előnyben részesítse a szénhidrát-és lipidüzemanyagokat, és képes legyen gyorsan váltani közöttük, metabolikus rugalmasságnak nevezzük . Az üzemanyag-oxidáció és a tápanyag-rendelkezésre állás változásainak nem egyeztetése gyakran olyan tünetekkel jár, mint az inzulinrezisztencia, a méhen kívüli lipidfelhalmozódás és a mitokondriális diszfunkció . Így a metabolikus rugalmatlanság szorosan kapcsolódik egy sor szindrómához, mint például a 2-es típusú cukorbetegség (T2D), az elhízás, a szív-és érrendszeri betegségek és a metabolikus szindróma.

az emlősök metabolikus rugalmasságáért felelős egyik fő enzim a piruvát-dehidrogenáz komplex (PDC), egy mitokondriális multi-enzim komplex, amely katalizálja a piruvát oxidatív dekarboxilezését . A PDC szabályozza a piruvát, a koenzim A (CoA) és a NAD+ acetil-CoA-Vá, NADH-vá és CO2-vá történő átalakulását, és így összekapcsolja a zsírsav-metabolizmust, a glükóz-metabolizmust és a trikarbonsav (TCA) ciklust . A piruvát katabolizmusával előállított CoA-aktivált két szénatomos egység a TCA ciklus első reakciójában oxaloacetáttal kondenzálható, vagy zsírsav-és koleszterinszintézishez használható . A piruvát a máj és a vese glükoneogenezisében is konzerválható . Így a PDC központi helyet foglal el a sejtenergia-anyagcserében (1.ábra).

a PDC és a PDK központi szerepet tölt be a sejtenergia-anyagcserében. A zsírsav és a glükóz versenyeznek egymással az oxidációért a PDC szintjén emlősökben. A PDC katalizálja a piruvát oxidatív dekarboxilezését, hogy acetil-CoA-t képezzen, és így összekapcsolja a glükóz-és a zsírsav-anyagcserét. A PDC foszforilálható PDK-kkal, amelyeket mitokondriális acetil-CoA, NADH, piruvát, ATP és nukleáris transzkripciós faktorok szabályozhatnak. ERRa: ösztrogénreceptor-related (ösztrogénreceptor) 6; FoxO: Forkhead box protein o; NEFA: nem észterezett zsírsav; PDC: piruvát-dehidrogenáz komplex; PDK-K: piruvát-dehidrogenáz-kinázok; PGC1a: PPARy-koaktivátor 1 6. szám; PPAR-ok: Peroxiszóma proliferátor által aktivált receptorok; TG: triglicerid; TCA: trikarbonsav.

a PDC aktívabb az egészséges és jól táplált állapotban. A PDC elnyomása azonban kulcsfontosságú a glükózszintézis szempontjából, ha a glükóz kevés . A PDC-aktivitás inaktiválását négy nagyon specifikus piruvát-dehidrogenáz (PDH) kináz (PDK) izoenzim katalizálja, amelyek képesek foszforilezni specifikus szerinmaradványokat a PDC-ben lévő E1 enzim KB alegységén belül . Az összes ismert izoenzim közül a PDK2 és a PDK4 a legelterjedtebb, és erősen expresszálódik a szívben, a májban és a vesében emberekben és rágcsálókban. A pdk4 bőséges a hasnyálmirigy-szigeteken és a vázizmokban is, amelyek magas glükózfelhasználással és zsírsav-oxidációs sebességgel rendelkeznek. A PDK1 és a PDK3 szöveti eloszlása meglehetősen korlátozott . A PDK-aktivitás szabályozható a metabolitok különböző szintjeivel, valamint a transzkripciós faktorokkal különböző körülmények között és különböző szövetekben (2.ábra). Így a PDC képes kezelni az üzemanyagok felhasználását és tárolását, hogy teljesítse az anyagcsere rugalmasságát a környezetre reagálva.

a PDK4 transzkripciós szabályozási útjai különböző szövetekben, különböző táplálkozási állapotok alatt. A PDC inaktiválása a PDK4 up-szabályozásával a glükóz katabolizmust zsírsav-hasznosításra válthatja. Különböző transzkripciós szabályozási utak vannak a vázizomban, a májban, a fehér zsírszövetben és a szívben különböző táplálkozási körülmények között (energia nélkülözés, magas zsírtartalmú étrend-fogyasztás, testmozgás, betegségek, gyógyszerek). Akt / PKB: protein-kináz B; AMPK: 5 ‘ – AMP-aktivált protein-kináz; CD36: differenciálódási klaszter 36; C/EBP^: CCAAT/enhancer-binding protein^; eif4e: eukarióta iniciációs faktor 4E; ERRa: ösztrogénhez kapcsolódó receptor^; zsír: zsírsav transzporter; FoxO1: Forkhead box protein O1; LXR: máj X receptor; MAPK: p38 mitogén-aktivált protein-kináz; PDC: Piruvát-dehidrogenáz komplex; PDK4: piruvát-dehidrogenáz-kináz 4; PGC1a: PPARy-Ko-aktivátor 1 db-On, PPAR-ok: peroxiszóma-proliferátor által aktivált receptorok; SHP: kis heterodimer partner; STAT5: jelátalakító és transzkripció aktivátor 5.

ez az áttekintés összefoglalja a PDK-k kulcsfontosságú szerepét az anyagcsere rugalmasságának szabályozásában, amely a celluláris energia metabolizmusának legújabb koncepciója, különböző táplálkozási körülmények között (energia nélkülözés, magas zsírtartalmú étrend-fogyasztás, testmozgás és betegség) a különböző szövetekben (vázizom, máj, fehér zsírszövet, szív, hasnyálmirigy-szigetek és idegrendszer), hangsúlyt fektetve a legjobban jellemzett PDK4-re. A különböző szövetekben lévő PDK-k szabályozásának megértése és az energia homeosztázisban betöltött szerepük hasznos lesz a különböző típusú anyagcsere-betegségek kezelésében.

PDK és metabolikus rugalmasság a vázizomban

mint mennyiségileg a test legnagyobb szerve, a vázizom a nyugalmi állapotban lévő felnőttek anyagcseréjének 30-40% – át teszi ki. Hozzájárul az inzulin által stimulált glükózfelvétel 80%-ához, a glükóz oxidációjának és a zsírsav metabolizmusának fő helyszíne . A vázizom figyelemre méltó metabolikus rugalmasságot mutat az üzemanyag-használat során, válaszul a különböző anyagcsere-kihívásokra, mint például az energiahiány és az étrend összetételének változásai. Sovány, egészséges egyénekben az inzulin stimuláció alatt a vázizom képes átállni a túlnyomórészt lipid oxidációról és a zsírsav felvételének magas arányáról a lipid katabolizmus elnyomására és a megnövekedett glükózfelvételre, oxidációra és tárolásra . Azonban az elhízott és a T2D betegek nagyobb lipid oxidációs arányt mutatnak a vázizomban, és viszonylag inzulinrezisztensek, ami metabolikus rugalmatlanságot eredményez .

energia nélkülözés

az energia nélkülözés során a glükóz kevés, és a hosszú láncú zsírsav-oxidációt használják a sejtek energiaigényének kielégítésére. A csökkent táplálékfelvétel és az alacsonyabb inzulinkoncentráció csökkenti a glükózfelhasználást a glükóz megőrzése érdekében . Az emlősök PDC aktivitását elnyomja a PDK hiper-foszforilezése, korlátozva a piruvát acetil-CoA-Vá történő átalakulását a vázizomban . Kevesebb acetil-CoA rendelkezésre állásával csökken a malonil-CoA szintézise, amely a zsírsav-oxidáció inhibitora . Ennek eredményeként a zsírsav oxidációját mind a pdk4 up-szabályozása kényszeríti, mind megkönnyíti . Negyvennyolc órás éhezés patkányokban (teljes táplálékmegvonás) a gastrocnemius izom PDK4 proteinjének és mRNS-ének 3-4-szeres emelkedésével járt, a PDK2 expressziójára gyakorolt hatás nélkül . Negyvennyolc órás éhgyomri pdk4 kiütéses egerek csökkent vércukorszintet, emelkedett szérum nem észterezett zsírsavakat és nagyobb PDC aktivitást mutattak a gastrocnemius izomban, összhangban a zsírsav-oxidáció alacsonyabb arányával, valamint a glükóz-és piruvát-oxidáció fokozott arányával. Az energiahiány azonban a pdk2 aktivitásának csökkenéséhez, nem pedig növekedéséhez vezetett gastrocnemius izom PDK4 kiütéses egerekben . Ez arra utalt, hogy a PDK2 nem volt képes kompenzálni a pdk4 funkcióvesztését az éhgyomorra adott válaszként. Az éhgyomri vad típusú patkányok 48 órán át történő etetése a pdk4 mRNS-t a kontrollcsoporthoz hasonló szintre csökkentette .

a zsírsav-oxidáció által termelt acetil-CoA és NADH stimulálta a vázizomzat PDK aktivitását . Az O1 (FoxO1) és a forkhead box O3 (FoxO3) transzkriptumok szelektív indukciója is volt a gastrocnemius izomban egerekben 48 órás élelmiszer-elvonás után , jelezve a FoxO részvételét a pdk4 up-szabályozásában a táplálkozási állapot rövid távú változásaira adott válaszként. A PDK4, amely kölcsönhatásba lép a 36-os differenciálódás zsírsav transzporter/klaszterével (FAT/CD36, az izom fő zsírsav-felvevő fehérjéi), a peroxiszóma-proliferátor aktivált receptorral (PPAR) és a FoxO1, keretet biztosít az izom üzemanyag-preferenciájának szabályozására az éhgyomorra adott válaszként . Az energiahiány során a CD36 által elősegített zsírsav fluxus aktiválja a PPAR-t (PPAR), ami koordináltan növeli a FoxO1 és a PDK4 expresszióját, hogy gátolja a glükóz oxidációját. A zsírsav fluxus és a csökkent inzulin koncentráció a protein-kináz B (Akt/PKB) lefelé történő szabályozásával jár, ami FoxO1 aktiválódáshoz vezet . Mivel a FoxO1 a CD36-ot is felveszi a plazmamembránba, és lipoprotein lipázt indukál, ezek mindegyike fokozza a zsírsav felhasználását a vázizomban . Az új máj X receptor (LXR)-PPARa metabolosztatikus jelátviteli tengelyről is beszámoltak arról, hogy részt vesz az izomenergia-deprivációs válaszban . Az LXR aktiválása fokozta a PPARa jelátvitelt, hogy fokozza a pdk4 expresszió éhgyomri indukálta up-szabályozását, ezáltal fokozva a zsírsav oxidációját és csökkentve a glükóz katabolizmust a vázizomban .

hosszú távú magas zsírtartalmú étrend fogyasztása

a magas telített zsírtartalmú étrend hosszú távú fogyasztása hiperglikémiát, hiperinsulinémiát, glükóz intoleranciát és elhízást okozhat. A magas telített zsírtartalmú étrend 4 héten át patkányoknak történő beadása jelentősen növelte a PDK2 és a PDK4 fehérje expresszióját mind a gyors rángatózó fehér izomrost altípusokban (elülső tibialis), mind a lassú rángatózó vörös izomrost altípusokban (soleus) patkányokban . A lassan rángatózó vörös izomrost gazdag mitokondriumokban és mioglobinban, és a szénhidrát és lipid üzemanyagok aerob anyagcseréjére támaszkodik. A soleus-ban a pdk4 expresszió relatív növekedése a piruvát koncentráció több mint 7-szeres növekedésével és a PDC aktivitás 50%-os csökkenésével is összefüggött az elülső tibialis-hoz képest , ami a PDK érzékenység nagyobb csökkenését jelzi a piruvát gátlás miatt a gyors rángatózó izomban, mint a lassú rángatózó izom. A magas zsírtartalmú étrend fogyasztása lipid eredetű üzemanyagok légzőszervi szubsztrátként történő felhasználásához vezet az izomban, részben a PDK aktivitás up-szabályozása modulálja. A fokozott zsírsav-oxidáció a magas zsírtartalmú étrend lassú rángatózó izomban történő etetése után elsősorban a PDK4 felfelé történő szabályozásának tulajdonítható. Ugyanakkor a gyors izomrángásban megnövekedett PDK2 mRNS-t is megfigyeltek, ami a pdk2 és a PDK4 közötti lehetséges koordináta-szabályozásra utal a fehér izomrost altípusokban.

a PDK4-hiány a zsírsav-oxidáció gátlásához és a glükóz-oxidáció fokozódásához vezet a nagyobb PDC-aktivitás miatt, ami fokozza a piruvát acetil-CoA-Vá történő átalakulását. Ha több acetil-CoA áll rendelkezésre a malonil-CoA szintetizálására, amely a zsírsav-oxidáció inhibitora, a zsírsav-oxidáció sebessége a közvetlen visszacsatolási hurok miatt csökken . A magas zsírtartalmú étrend hosszú távú táplálása azonban sem elősegíti a méhen kívüli zsír felhalmozódását, sem rontja az inzulinrezisztenciát . Miután a pdk4 knockout egerekben 32 héten át magas telített zsírtartalmú étrendet tápláltak, a PDK4 hiányos egerekben hyperinsulinaemia is kialakult, de a vázizomban kevesebb zsír halmozódott fel, és jobb glükóz tolerancia alakult ki a vad típusú egerekhez képest . A zsírsav-szintáz aktivitás szintén alacsonyabb volt, ami arra utal, hogy a PDK4 hiánya megváltoztathatja a lipid metabolizmus szabályozásában részt vevő jelátviteli komponenseket .

az orphan magreceptor ösztrogénhez kapcsolódó receptor (ERRa) mRNS-jének és fehérjéjének Up-regulációját egerekben találták magas zsírtartalmú étrend krónikus fogyasztása után . Felvetődött, hogy a PPARy coactivator 1 (pgc1a) képes szabályozni a glükóz katabolizmust és a mitokondriális oxidatív útvonalakat azáltal, hogy növeli a pdk4 aktivitást egy pgc1a/ERRa függő útvonalon keresztül a vázizomban . Az ERRa toborozhatja a PGC1a-t a PDK4 promoterhez való kombináláshoz és szabályozhatja a Pdk4 transzkripciót, amely független a FoxO1-től és a PPAR-tól . A PDC-aktivitás pdk4 általi negatív szabályozása gátolja a piruvát belépését a TCA-ciklusba, majd a magas zsírtartalmú táplálásra reagálva tompítja a sejtek glükóz-oxidációját . Így a PGC1a/ERRa kulcsszerepet játszik a magas zsírtartalmú étrend által kiváltott PDK4 up-regulációban és a vázizomzat metabolikus rugalmasságában.

gyakorlat

azt találtuk, hogy a PDC aktiválása az alacsony vagy közepes intenzitású izomösszehúzódás során ~2-szer nagyobb volt a PDK4 kiütéses egerekben, mint a vad típusú egerekben edzés közben, függetlenül az intenzitástól . A PDK4 mRNS jelentősen emelkedett a hosszan tartó testmozgás során, valamint mind a rövid távú nagy intenzitású, mind a hosszan tartó alacsony intenzitású testmozgás után a vázizomban egerekben . A PDC inaktiválása mind a lassú, mind a gyors izomösszehúzódásra válaszul a felfelé szabályozott PDK4 révén korlátozhatja a glikolitikus termékek oxidáció céljából a mitokondriumokba való bejutását. Az edzés utáni gyógyulási időszak kiemeli a glikogén feltöltésének magas metabolikus prioritását az energia homeosztázis helyreállítása érdekében a vázizomban . A magas zsírtartalmú étrend fogyasztása 18 hétig, majd 12 órás testmozgás szintén növelte a pdk4 expressziót az egerek vázizomzatában, ami csökkentette a PDC aktivitást és kevesebb szénhidrát oxidációt eredményezett. A FoxO1-et javasolták ennek a változásnak a lehetséges transzkripciós faktorának. A FoxO1 képes érzékelni a szabad zsírsavak elérhetőségének változásait,és továbbítani ezt az üzenetet a pdk4 transzkripciójának modulálásával. A nem foszforilált FoxO1 a magban található, ahol aktiválhatja az inzulinválasz elemeket tartalmazó gének transzkripcióját. A FoxO1 foszforilezése az Akt/PKB útvonalon nukleáris kizáráshoz és pusztuláshoz vezet . A lovakkal végzett kutatások szerint a pgc1a jelentős szerepet játszott a vázizomban is a testmozgásra adott válaszként . A PGC1a szabályozta a glükóz oxidációját, miközben fokozta a mitokondriális légzést és a zsírsav oxidációt az edzés utáni helyreállítás során telivér lovaknál .

az izom gyakorlása mellett az egylábú kerékpáros modell akut állóképességi gyakorlása során a nyugalmi izom megnövekedett PDK4 expressziót is mutatott, amelyet valószínűleg a keringő szabad zsírsavak emelkedése, a PPAR-k ligandumai és a PPAR-utak felfelé történő szabályozása közvetít .

inzulinrezisztencia és cukorbetegség

az inzulinrezisztencia leginkább a vázizomzat stimulált glükóz metabolizmusára adott korlátozott válaszként jellemezhető. Az inzulinrezisztencia alatti lipidfelhasználás elnyomásával szembeni rezisztencia rontotta az üzemanyagok közötti váltási képességet, ami metabolikus rugalmatlansághoz vezetett . Ez nagyon gyakori az elhízott és a T2D betegeknél az inzulin szimulált állapotban. Kim et. az Intralipid (zsíremulzió) és Laktát 5 órán át tartó állandó infúziója patkányokban akut inzulinrezisztenciát indukált, ami az inzulin infúziót követően 2-3-szor nagyobb PDK4 expressziót eredményezett az izmokban , ami az inzulin csökkent pdk4 elnyomó képességére utal. Az Intralipid és Laktát infúzió szintén csökkentette az Akt/PKB és a FoxO1 foszforilációját, ami az inzulin jelátvitel romlását mutatja . Egy újabb klinikai kutatási tanulmány kimutatta, hogy a növekedési hormon (GH) elősegítheti a lipolízist és csökkentheti az inzulinérzékenységet az emberekben. Ez összefüggésbe hozható a pdk4 mRNS emelkedésével és az aktív PDC csökkenésével, hasonlóan ahhoz, amit az éhgyomorra figyeltek meg . A T2D betegek izombiopsziáin végzett kutatások azt mutatták, hogy mind a PDK2 , mind a PDK4 mRNS emelkedett az egészséges önkéntesekhez képest az éjszakai éhezés után, ami összhangban volt a T2D betegek inzulinrezisztenciájával és metabolikus rugalmatlanságával. Továbbá a citozinok metilációs státusza a pdk4 promoter +160 és +446 régiójában csökkent a T2D betegeknél, ami arra utal, hogy a mitokondriális gének epigenetikus módosulása szerepet játszik a szubsztrátváltás szabályozásában . A pdk4 expresszióját szabályozó transzkripciós faktorok egyikeként azonban a PGC1a promoterről beszámoltak arról , hogy a T2D alanyok vázizomzatában hiper-metilezett volt, és a zsír túladagolása után alacsony születési súlyú egyéneknek, jelezve, hogy a metabolikus betegséggel összefüggő megváltozott metilációs minták promoter specifikusak lehetnek .

terápiás beavatkozásokat alkalmaztak a cukorbetegség pdk4 expressziójának csökkentésére. Az inzulinon túl számos PDK4 inhibitort alkalmaztak a glükóz ártalmatlanításának elősegítésére állati modellekben. A kezdeti vizsgálatok biztató eredményeket mutattak a diklór-acetát (DCA) orális adagolásával, de ez a vegyület gyenge PDK-gátló és mérgező . Újabban, a hatásos orálisan beadott gyógyszerek, mint például a PDK inhibitorok által termelt Novartis és AstraZeneca általában tartalmaznak amidok trifluor-2-hidroxi-2-metil-propionsav . Mindezek az inhibitorok, beleértve a Pdk2 inhibitort, a Nov3r-t és azd7545-et, a PDK lipoil-csoportkötési helyén kötődnek, és hatékonyan növelik a PDC aktivitását . Számos gyógyszer a PDK aktivitását célozza meg a legtöbb perifériás szövetben, például a DCA-ban, de egyes gyógyszerek hatásosabbak bizonyos szövetekben. Például az AZD7545 hatékonyabban növelte a PDC aktivitást a májban, mint a vázizomban és a szívben, és az éhgyomri állatok vázizomzatában a hatékonyság csökkenésével .

PDK és metabolikus rugalmasság a májban

a máj egyik elsődleges funkciója a glükóz és más anyagcsere-üzemanyagok ellátásának szabályozása, hogy energiát biztosítson más szöveteknek . A szervezet képes egyensúlyba hozni a vércukorszintet a máj és a vese glükóztermelésének és tárolásának kiegyensúlyozásával, valamint a perifériás szövetekben történő felhasználásának szabályozásával. Éhgyomri körülmények között a máj kezdetben glükózt biztosít a glikogenolízisből, a máj glikogénraktárainak lebontásából. Hosszan tartó energiahiány esetén az elsődleges glükózforrás a glükoneogenezis, a glükóz szintézise nem szénhidrát prekurzorokból, például glicerinből, laktátból és alanin aminosavból . A PDC PDK-k általi inaktiválása gátolhatja a piruvát acetil-CoA-vá történő átalakulását, ami a piruvát eltolódását eredményezi a TCA ciklusra vagy a zsírsavszintézisre a glükoneogenezis felé .

a 48 órás éhezés nem változtatta meg a pdk4 knockout egerek májában a PDC aktivitását, de a glükoneogén útvonal intermedierek (glükóz-6-foszfát, fruktóz-1,6-biszfoszfát, piruvát, laktát és citrát) alacsonyabbak voltak , ami a glükoneogenezis és a glikolízis csökkent arányára utal. A növekedési hormon (GH) fokozhatja a máj pdk4 expresszióját vad típusú egerekben éhgyomorra a jelátalakító és a transzkripció 5 (STAT5) aktivátorának aktiválásával, ami a PDC aktivitás gátlásához vezet, megőrizve a szubsztrátokat a glükoneogenezis számára . A Metformin, a T2D-re általánosan felírt gyógyszer, gátolhatja a GH-indukált PDK4 expressziót egy 5 ‘ -AMP – aktivált protein-kináz-kis heterodimer partner (AMPK-SHP) függő úton, hogy gátolja a STAT5 kombinációját a PDK4 promoterhez .

a Pdk4 és PDK2 máj expressziója, valamint a PDC aktivitás nem volt hatással a 18 héten át magas zsírtartalmú étrenden táplált vad típusú egerekre. . A magas zsírtartalmú étrend okozta máj steatosis, olyan állapot, amely akkor fordul elő, amikor a zsír felhalmozódása meghaladja az oxidációs sebességet . Ezt a helyzetet megakadályozták a PDK4 knockout egerekben, amelyek 32 hétig magas telített zsírtartalmú étrendet fogyasztottak . Ez részben a máj megváltozott PGC1a aktivitásával magyarázható. A pgc1a szabályozza a glükoneogén enzimek, például a foszfoenolpiruvát-karboxikináz (PEPCK) expresszióját. A PDK4 kiütése a PGC1A magasabb szintjéhez vezethet, ami összhangban van a PEPCK nagyobb aktivitásával és a de novo zsírsav szintézis alacsonyabb kapacitásával . A PPARa összehangolt szabályozást mutatott a pgc1a-val a máj steatosisában is, amelyet a Clofibrinsav, a PPARa agonista fokozott jótékony hatása mutatott ki a zsírsav felhalmozódására a PDK4 knockout egerekben . A vázizomzattal ellentétben a zsír/CD36, a zsírsav transzportjának kulcsfontosságú enzimei nem vettek részt a csökkent zsírfelhalmozódásban a májban .

diabéteszes körülmények között a PDK gének, különösen a PDK4 expressziója jelentősen megemelkedett a májban, ami segíthet megmagyarázni a glükoneogenezis megnövekedett arányát és a metformin jótékony hatásait. Az 1-es és 2-es máj inzulinreceptor szubsztrátokban (IRS 1/2) hiányos diabéteszes egerek modelljén végzett kutatások azt mutatták, hogy a PDK4 gén leütése és kiütése a glikémiás kontroll és a glükóz tolerancia javulásához vezetett. A pdk4 hatékonyabb volt a metabolikus rugalmasság szabályozásában, mint a pdk2 a májban . A többi vizsgálat eredményeivel kombinálva úgy tűnik, hogy a PDK2 elsősorban szabályozza a glükóz felhasználását, míg a PDK4 részt vehet mind a rendszer glükóz metabolizmusában, mind a máj glükoneogenezisében.

a pajzsmirigyhormon (T3) a máj energia metabolikus folyamatainak több aspektusát szabályozza, mint például a zsírsav oxidációját, a lipogenezist és a glükóz oxidációját. A kísérleti hyperthyreosis pdk4 expressziót indukálhat a májban , a vázizomban és a szívben , ami a PDC aktivitásának gátlásához vezet. A patkány PDK4 gén promoterében két kötőhelyet azonosítottak a pajzsmirigyhormon-receptor számára . Amellett, hogy T3 koaktivátorként működik, a PGC1a fokozhatja a máj Pdk4 expressziójának T3 indukcióját patkányokban . A CCAAT / enhancer-kötő fehérje (C/EBP), mint a glükoneogén enzimeket, például a PEPCK-t kódoló gének transzkripciós faktora, szintén stimulálja a máj PDK4 expresszióját patkányokban a pdk4 promoter két C/EBP-re reagáló elemén keresztül, valamint részt vesz a PDK4 transzkripció T3 indukciójában .

PDK4 és metabolikus rugalmasság a fehér zsírszövetben

a vázizomzathoz és a májhoz képest viszonylag kevés kutatást jelentettek a fehér zsírszövetek metabolikus rugalmasságáról (Wat). A WAT kulcsfontosságú szerv a zsírsav-anyagcsere-folyamathoz, amelyet adipocita gliceroneogenezisnek neveznek. Ez az út piruvátot, alanint, glutamint vagy a TCA ciklus bármely anyagát prekurzorként használja a dihidroxi-aceton-foszfát (DHAP) szintéziséhez, végül glicerin-3-foszfát (G3P) előállításához a triacil-glicerin (TAG) szintéziséhez . A PDC kapcsolódik ehhez a folyamathoz, és a PDC elnyomása lehetővé teszi a laktát és a piruvát fokozott használatát a gliceroneogenezishez .

a gliceroneogenezis aktivátoraként a tiazolidindionok (TZD) fokozták a pdk4 mRNS expresszióját fa/fa Zucker patkányok szubkután, periepididymális és retroperitoneális WAT raktáraiban, ami egy genetikai elhízott, inzulinrezisztens modell, míg a PDK2 mRNS nem volt hatással, jelezve a pdk4 létfontosságú szerepét a gliceroneogenezisben. A TZD által kiváltott PDK4 expresszió szövetspecifikus volt, mivel a máj és az izom nem reagált az ilyen kezelésre . Hasonló eredményeket figyeltek meg 3 T3-F442A adipocytánál in vitro, pdk4 inhibitorok, DCA és leelamin, valamint PDK4 siRNS alkalmazásával. Mind az 500 6mol / L DCA, mind az 50 millió mol/l leelamin gátolta a piruvát beépülését a trigliceridekbe. A piruvát lipidekbe történő beépülése 40% – kal csökkent az adipociták pdk4 siRNS-sel történő transzfekciója után . A PPARy egy nukleáris receptor, amelyet az inzulinszenzibilizáló TZDs szabályoz. A PDK4 a PPARy közvetett célpontja. Így a pdk4 szabályozása a TZD által a WAT-Ban szorosan kapcsolódik a PPARy-hoz .

a TZD-n kívül az akut epinefrin kezelés növelte a PDK4 mRNS-t a p38 mitogén-aktivált protein kináz (MAPK) és AMPK útvonalakon keresztül a tenyésztett adipocitákban és az epididymalis WAT raktárakban elhízott, inzulinrezisztens patkánymodellekben, amelyeket magas zsírtartalmú étrend váltott ki . A PDK2 mRNS továbbra sem volt hatással. Két órás úszás hasonló eredményeket hozott, mint az epinefrin kezelés a Wat-ban mind sovány, mind elhízott patkányokban . A PEPCK-n keresztüli fokozott G3P szintézissel kombinálva a gliceroneogenezis lehetővé teszi a nem észterezett zsírsavak fokozott újraészterezését TAG-be a lipolízisből, míg ezekben az adipocitákban csökken a glükóz oxidációja . A glükóz clearance-ben és a zsírszintézisben/ – tárolásban jelentős szerepet játszik, a pdk4 edzés közbeni szabályozása, az epinefrin és a TZD kezelés, amely PDC gátláshoz vezet, elősegíti az energiatárolást a WAT – Ban. További munkára van szükség a pdk4 up-szabályozásában részt vevő transzkripciós utak tisztázásához a WAT-Ban .

PDK4 és metabolikus rugalmasság a szívben

a metabolikus rugalmatlanság mindig kíséri a kardiomiopátiát, különösen ischaemia alatt, és akár szívelégtelenséget is okozhat . Az energiaigény kielégítéséhez elegendő szénhidrát oxidálásának elmulasztása a szív hatékonyságának fontos oka. Ezt a pdk4 szívspecifikus túlzott expressziójával lehet kimutatni, amely elegendő a metabolikus rugalmasság elvesztéséhez és a cardiomyopathia súlyosbodásához . A pdk4 túlzott expressziója a szívben egy transzgenikus egér modellnél a glükóz katabolizmus csökkenésével és ennek megfelelően a zsírsav-oxidáció növekedésével járt. Ez a transzgenikus modell a foszfatáz kalcineurin konstitutívan aktív formáját is kifejezte, és így hipertrófiát okozott a cardiomyocyta fibrosisban és a mortalitás feltűnő növekedését .

azoknál az egereknél, amelyeket 10 napig magas zsírtartalmú étrenddel etettek, a szív szénhidrát oxidációja jelentősen csökkent, a PDK4 aktivitás felfelé szabályozásával. A magas zsírtartalmú étrend szív metabolikus változásokat váltott ki az eukarióta iniciációs faktor 4E (eIF4E)/ciklin D1/E2F1/PDK4 útvonalon keresztül .

közepesen súlyos ischaemia során a szabad zsírsavak a mitokondriális oxidáció elsődleges üzemanyagai . Míg a glikolízis még aktív, és a glükózt a laktát termelésére használják az ATP előállításához, függetlenül az oxigéntől, a PDC inaktiválása megkönnyíti a zsírsav használatát. Az ischaemia miatt a piruvát laktáttá alakul, ezáltal növelve a szívizom savasodását . Így a PDK aktivitás DCA általi gátlása létfontosságú az ATP termelés, valamint a Ca2+ felvétel növeléséhez, és a glükóz-inzulin-K+ vagy a zsírsav oxidációs inhibitorok kombinációjának alkalmazása szintén előnyös .

az angiotenzin II (Ang II), a renin angiotenzin rendszer fő effektorja szívelégtelenségben, jelentős kardiális inzulinrezisztenciát indukálhat, ami a kardiális metabolikus átálláshoz vezet a glükózról a zsírsav oxidációjára, metabolikus rugalmatlanságot és kardiális hatástalanságot okozva . A PDK4 erősen expresszálódik ebben az Ang II indukált hipertrófia modellben, és a pdk4 deléciója megakadályozza az ang II indukált glükóz oxidáció csökkenését és megakadályozza a diasztolés diszfunkciót . A PDK4 aktivitás gátlása új terápiás stratégiává vált a szívbetegségek ellen .

PDK és metabolikus rugalmasság a központi idegrendszerben

az agy is kihasználja a glükóz oxidációját, mint elsődleges energiaforrást. A tenyésztett asztrociták több PDK2-t és PDK4-et expresszáltak a neuronokhoz képest, ami összhangban van a tenyésztett asztrociták alacsonyabb PDH aktivitásával és magasabb laktáttermelésével . Halmozódó bizonyítékok vannak arra, hogy a PDKs aktivitásának változásai számos neurológiai rendellenesség kialakulásához kapcsolódnak. Például az Alzheimer-kór a PDH aktivitás és a glükóz metabolizmus diszfunkciójával társult . Az agy öregedése a kisagyban a pdk1 és a PDK2 mRNS csökkenésével, a hippocampusban és az agykéregben a pdk2 mRNS emelkedésével jár , és a pdk2 mRNS up-regulációja szerepet játszott a glioblastomában .

a hipotalamusz neuronok érzékenyek a táplálkozási jelekre, és képesek szabályozni az energiaegyensúlyt és a glükóz homeosztázist. Az alapul szolgáló összetett mechanizmusok azonban még mindig nem teljesen ismertek. A 48 órán át éheztetett egereken végzett legújabb vizsgálatok kimutatták a hypothalamus génexpressziós profilját, amely összhangban van a csökkent glükózfelhasználással és a megnövekedett lipid oxidációval, beleértve az emelkedett PDK4 mRNS-t, összhangban a vázizom, a máj, a szív és a vese eredményeivel . A pdk4 up-szabályozását a hipotalamuszban is megfigyelték újszülött patkány éhgyomorra 6 órán át, tükrözve az energiamegtakarítás kísérletét az újszülöttkori táplálékhiány során . Ez azt is jelzi, hogy az újszülött agyat nem kímélik a glükózkorlátozástól az energiaválság idején, hanem az újszülött agy a zsírsav-anyagcseréből származó ketonokat használhatja fő energiaforrásként . A PDK hipotalamusz energiamérlegre gyakorolt hatásáról azonban csak korlátozott tanulmányokról számoltak be. További kutatások várhatók.

PDK és metabolikus rugalmasság más szövetekben

pancreas-szigetek

egér pancreas-sejtekben a magas zsírsav-és magas glükóz-kezelés fokozta a PDK-aktivitást és csökkentette a PDH-aktivitást. A palmitát up-szabályozta a PDK1, PDK2 és PDK4 mRNS expresszióját, míg a magas glükózszint növelte a PDK1, PDK2 mRNS-t , de csökkentette a PDK4 mRNS-t, ami különböző transzkripciós szabályozásra utal. Így a PDK expressziójának mind a glükóz, mind a zsír általi indukciója kíséri a hanyatlást a sejtek metabolizmusának rugalmassága az elhízástól a T2D-ig történő progresszió során .

a hyperglykaemiás állapotoknak való krónikus kitettség glükotoxicitást eredményez a sejtekben. A glükotoxicitás rontja a glükóz szimulált inzulinszekréciót (GSIS), hozzájárulva a T2D kialakulásához. A magas glükóz (25 mM 20 óra) expozíciót követően a sejtek metabolomikus analízise a glükózszint emelkedését és a zsírsavak csökkenését mutatta a GSIS során, de a PDK2 fehérjében nem történt jelentős változás . Hasonló kutatások inzulinóma E (INS-1e) a sejtvonalak a PDC E1A alegység foszforilációjának növekedését mutatták magas glükózkezelés során (50 mM 48 óra). A PDK1 és a PDK3 leütése a PDC inaktivációjának jelentős csökkenéséhez vezetett. A PDC inaktiválása azonban nem társult megváltozott GSIS-vel . Lehetséges, hogy a PDC aktivitása az INS-1e-ben a sejtek meghaladják, ezért aktivitásának csökkentése kevés következménnyel jár. A prolaktin GSIS-t is indukálhat az INS-1e sejtvonalakban a PDK-k elnyomásával és a megnövekedett PDC aktivitással, ami a laktogének új szerepére utal a cukorbetegség kezelésében . A T2D patogenezisében részt vevő legfontosabb szervként további kutatásokra van szükség a hasnyálmirigy-sejtek metabolikus rugalmasságáról.

rákos sejtek

a rákos sejtek egyedülálló módon szereznek energiát, amelyet Warburg-effektusnak neveznek. Fokozott glikolízist alkalmaznak, és elnyomják a mitokondriális glükóz oxidációt, hogy energiát biztosítsanak proliferatív előnnyel, elősegítve az apoptózis rezisztenciát, sőt fokozott angiogenezist . Alacsony tápanyag-körülmények között a Warburg – hatás fokozódott egy olyan mechanizmus révén, amely magában foglalja a reaktív oxigénfajokat (ROS)/a PDK AMPK-függő aktiválását . A Pdk1 és a Pdk3 a Warburg-effektus fő izoformái . Így a PDK gátlása akár kis interferáló RNS-ekkel, akár ritka betegségek gyógyszereivel, mint például a DCA, megváltoztathatja a rákos sejtek metabolizmusát a glikolízisről a glükóz oxidációjára, és hatékony megközelítést nyújthat a rák kezelésében .