Il ruolo fondamentale delle chinasi piruvato deidrogenasi nella flessibilità metabolica

Mantenere un equilibrio tra domanda e offerta di energia è fondamentale per la salute. Glucosio e lipidi (acidi grassi e corpi chetonici), come fonti di energia cellulare, possono competere e interagire tra loro . La capacità di un organismo di adattare l’ossidazione del combustibile alla disponibilità di combustibile, cioè di utilizzare preferenzialmente combustibili a base di carboidrati e lipidi e di essere in grado di passare rapidamente da uno all’altro è definita flessibilità metabolica . La mancata corrispondenza dell’ossidazione del carburante ai cambiamenti nella disponibilità dei nutrienti è spesso accompagnata da sintomi come la resistenza all’insulina, l’accumulo di lipidi ectopici e la disfunzione mitocondriale . Pertanto, l’inflessibilità metabolica è strettamente correlata a una serie di sindromi come il diabete di tipo 2 (T2D), l’obesità, le malattie cardiovascolari e la sindrome metabolica.

Uno dei principali enzimi responsabili della flessibilità metabolica nei mammiferi è il complesso piruvato deidrogenasi (PDC), un complesso multienzimatico mitocondriale che catalizza la decarbossilazione ossidativa del piruvato . PDC controlla la conversione di piruvato, Coenzima A (CoA) e NAD+ in acetil-CoA, NADH e CO2, e quindi collega il metabolismo degli acidi grassi, il metabolismo del glucosio e il ciclo dell’acido tricarbossilico (TCA). L’unità a due carboni attivata dal CoA prodotta dal catabolismo del piruvato può essere condensata con ossaloacetato nella prima reazione del ciclo TCA o utilizzata per la sintesi di acidi grassi e colesterolo . Il piruvato può anche essere conservato per la gluconeogenesi nel fegato e nei reni . Pertanto, il PDC occupa una posizione centrale nel metabolismo energetico cellulare (Figura 1).

PDC e PDKS occupano posizioni centrali nel metabolismo energetico cellulare. L’acido grasso e il glucosio competono tra loro per l’ossidazione a livello del PDC nei mammiferi. PDC catalizza la decarbossilazione ossidativa del piruvato per formare acetil-CoA e quindi collega il metabolismo del glucosio e il metabolismo degli acidi grassi. PDC può essere fosforilato da PDKS, che può essere regolato da acetil-CoA mitocondriale, NADH, piruvato, ATP e fattori di trascrizione nucleare. ERRa: Recettore correlato agli estrogeni α; FoxO: Forkhead box protein O; NEFA: acido grasso non esterificato; PDC: complesso piruvato deidrogenasi; PDKs: Piruvato deidrogenasi chinasi; PGC1a: co-attivatore PPARy 1α; PPARs: Recettori attivati dal proliferatore del perossisoma; TG: Trigliceridi; TCA: Acido tricarbossilico.

PDC è più attivo nello stato sano e ben nutrito. Tuttavia, la soppressione di PDC è cruciale per la sintesi del glucosio quando il glucosio è scarso . L’inattivazione dell’attività del PDC è catalizzata da quattro isozimi altamente specifici della chinasi del piruvato deidrogenasi (PDH) (PDK) che possono fosforilare i residui specifici della serina all’interno della subunità α dell’enzima E1 nel PDC . Di tutti gli isoenzimi noti, PDK2 e PDK4 sono i più diffusi e sono altamente espressi nel cuore, nel fegato e nei reni negli esseri umani e nei roditori. PDK4 è anche abbondante nelle isole pancreatiche e nei muscoli scheletrici che hanno alti tassi di utilizzo del glucosio e di ossidazione degli acidi grassi. PDK1 e PDK3 hanno una distribuzione tissutale piuttosto limitata . Le attività del PDKs possono essere regolate da diversi livelli di metaboliti e fattori di trascrizione in varie condizioni e in diversi tessuti (Figura 2). Così il PDC può dirigere l’utilizzazione e lo stoccaggio dei combustibili per compiere la flessibilità metabolica in risposta all’ambiente.

Percorsi di regolazione trascrizionale di PDK4 in diversi tessuti sotto vari stati nutrizionali. L’inattivazione della PDC mediante l’up-regulation di PDK4 può passare il catabolismo del glucosio all’utilizzo di acidi grassi. Esistono diversi percorsi di regolazione trascrizionale nel muscolo scheletrico, nel fegato, nel tessuto adiposo bianco e nel cuore in varie condizioni nutrizionali (privazione di energia, consumo di dieta ad alto contenuto di grassi, esercizio fisico, malattie, farmaci). Akt / PKB: protein chinasi B; AMPK: 5 ‘ -AMP-activated protein chinasi; CD36: Cluster di differenziazione 36; C / EBPß: CCAAT / enhancer-binding protein β; eIF4E: fattore di iniziazione eucariotico 4E; ERRa: Estrogeno correlato recettore α; FAT: Trasportatore di acidi grassi; FoxO1: Forkhead box protein O1; LXR: Fegato X recettore; MAPK: p38 mitogen-activated protein chinasi; PDC: Complesso piruvato deidrogenasi; PDK4: Piruvato deidrogenasi chinasi 4; PGC1a: co-attivatore PPARy 1α; PPARs: Recettori attivati dal proliferatore perossisoma; SHP: Piccolo partner eterodimero; STAT5: Trasduttore di segnale e attivatore di trascrizione 5.

Questa recensione riassume i recenti studi sulla PDKs ruolo fondamentale nel controllo di flessibilità metabolica, di un concetto nuovo nel metabolismo energetico cellulare, sotto diverse condizioni nutrizionali (privazione di energia, ad alto contenuto di grassi dieta consumo, l’esercizio fisico e la malattia) in diversi tessuti (muscolo scheletrico, il fegato, il tessuto adiposo bianco, cuore, isole pancreatiche e del sistema nervoso), con l’accento sulla i migliori caratterizzato PDK4. Comprendere la regolazione delle PDK in diversi tessuti e il loro ruolo nell’omeostasi energetica sarà utile per il trattamento di diversi tipi di malattie metaboliche.

PDK e flessibilità metabolica nel muscolo scheletrico

Essendo quantitativamente l’organo più grande del corpo, il muscolo scheletrico rappresenta dal 30% al 40% del tasso metabolico negli adulti in stato di riposo. Contribuendo all ‘ 80% dell’assorbimento di glucosio stimolato dall’insulina, è un sito importante per l’ossidazione del glucosio e il metabolismo degli acidi grassi . Il muscolo scheletrico esibisce la flessibilità metabolica notevole nell’uso del combustibile in risposta alle varie sfide metaboliche quali la privazione di energia ed i cambiamenti nella composizione di dieta. In individui sani magri, sotto la stimolazione dell’insulina, il muscolo scheletrico è in grado di passare dall’ossidazione prevalentemente lipidica e da alti tassi di assorbimento degli acidi grassi alla soppressione del catabolismo lipidico e dell’elevato assorbimento, ossidazione e stoccaggio del glucosio . Tuttavia, i pazienti obesi e T2D manifestano maggiori tassi di ossidazione lipidica nel muscolo scheletrico e sono relativamente resistenti all’insulina, con conseguente inflessibilità metabolica .

Deprivazione energetica

Durante la privazione energetica, il glucosio è scarso e l’ossidazione degli acidi grassi a catena lunga viene utilizzata per soddisfare i requisiti energetici cellulari. L’assunzione di cibo ridotta e le concentrazioni di insulina abbassate riducono l’utilizzo del glucosio per conservare il glucosio . L’attività dei mammiferi PDC è soppressa dall’iper-fosforilazione di PDK, limitando la conversione del piruvato in acetil-CoA nel muscolo scheletrico . Con meno acetil-CoA disponibile, la sintesi di malonil-CoA, un inibitore dell’ossidazione degli acidi grassi, è ridotta . Di conseguenza, l’ossidazione degli acidi grassi è forzata e facilitata dall’up-regulation di PDK4 . Quarantotto ore di digiuno nei ratti (ritiro completo del cibo) sono state associate ad un aumento di 3-4 volte della proteina PDK4 e dell’mRNA nel muscolo gastrocnemio, senza effetti sull’espressione di PDK2 . Quarantotto topi knock-out PDK4 a digiuno di ore hanno mostrato un abbassamento della glicemia , un aumento degli acidi grassi non esterificati nel siero e una maggiore attività PDC nel muscolo gastrocnemio, in linea con i tassi più bassi di ossidazione degli acidi grassi e l’aumento dei tassi di glucosio e ossidazione del piruvato. Tuttavia, la privazione di energia ha portato ad una diminuzione piuttosto che ad un aumento dell’attività PDK2 nel muscolo gastrocnemio nei topi knock-out PDK4 . Ciò ha suggerito che PDK2 non era in grado di compensare la perdita di funzione di PDK4 in risposta al digiuno. La nuova alimentazione dei ratti wild-type a digiuno per 48 h ha ridotto l’mRNA PDK4 a un livello paragonabile al gruppo di controllo .

L’acetil-CoA e il NADH prodotti dall’ossidazione degli acidi grassi hanno stimolato l’attività PDK nel muscolo scheletrico . C’è stata anche un’induzione selettiva dei trascritti forkhead box O1 (FoxO1) e forkhead box O3 (FoxO3) nel muscolo gastrocnemio nei topi dopo 48 ore di sospensione del cibo , indicando il coinvolgimento del FoxO nella up-regulation di PDK4 in risposta a cambiamenti a breve termine nello stato nutrizionale. PDK4, interagendo con il trasportatore/gruppo dell’acido grasso di differenziazione 36 (GRASSO / CD36, proteine principali di assorbimento dell’acido grasso nel muscolo), il recettore δ/β attivato perossisoma-proliferatore (PPARδ/β, recettore nucleare attivato acido grasso) e FoxO1, fornisce una struttura per la regolazione della preferenza del combustibile muscolare in risposta al digiuno . Durante la privazione energetica, il flusso di acidi grassi facilitato da CD36 attiva PPARδ / β, che aumenta in modo coordinato l’espressione di FoxO1 e PDK4 per inibire l’ossidazione del glucosio. Il flusso di acidi grassi e la diminuzione delle concentrazioni di insulina sono associati alla down-regolazione della protein chinasi B (Akt/PKB), portando all’attivazione di FoxO1 . Poiché FoxO1 recluta anche CD36 nella membrana plasmatica e induce la lipoproteina lipasi, tutti questi migliorano l’utilizzo degli acidi grassi nel muscolo scheletrico . Il nuovo asse metabolostatico di segnalazione del recettore X del fegato (LXR)-PPARa è stato anche segnalato per essere coinvolto nella risposta alla privazione dell’energia muscolare . L’attivazione di LXR ha aumentato la segnalazione PPARa per aumentare la up-regolazione indotta dal digiuno dell’espressione PDK4, migliorando così l’ossidazione degli acidi grassi e diminuendo il catabolismo del glucosio nel muscolo scheletrico .

Consumo a lungo termine di una dieta ricca di grassi

Il consumo a lungo termine di una dieta ricca di grassi saturi può causare iperglicemia, iperinsulinemia, intolleranza al glucosio e obesità. La somministrazione di una dieta ricca di grassi saturi per 4 settimane ai ratti ha aumentato significativamente l’espressione della proteina PDK2 e PDK4 sia nei sottotipi di fibre muscolari bianche a contrazione rapida (tibiale anteriore) che nei sottotipi di fibre muscolari rosse a contrazione lenta (soleo) nei ratti . La fibra muscolare rossa a contrazione lenta è ricca di mitocondri e mioglobina e si basa sul metabolismo aerobico di carboidrati e lipidi. Nel soleo , l’aumento relativo dell’espressione di PDK4 è stato anche collegato ad un aumento di oltre 7 volte della concentrazione del piruvato e ad una riduzione del 50% dell’attività del PDC rispetto a quella della tibiale anteriore, indicando una maggiore perdita di sensibilità del PDK dovuta all’inibizione del piruvato nel muscolo a contrazione rapida rispetto al muscolo a contrazione lenta. Il consumo di una dieta ricca di grassi porta all’uso di combustibili derivati dai lipidi come substrati respiratori nel muscolo, in parte modulati dall’up-regulation nell’attività PDK. L’ossidazione potenziata degli acidi grassi dopo aver alimentato diete ad alto contenuto di grassi nel muscolo a contrazione lenta è principalmente attribuita alla regolazione up di PDK4. Tuttavia, nel muscolo a contrazione rapida, è stato osservato anche un aumento dell’mRNA PDK2, indicativo di una possibile regolazione delle coordinate tra PDK2 e PDK4 nei sottotipi di fibre muscolari bianche.

La carenza di PDK4 porta all’inibizione dell’ossidazione degli acidi grassi e aumenta l’ossidazione del glucosio a causa della maggiore attività PDC, che aumenta la conversione del piruvato in acetil-CoA. Con più acetil CoA disponibile per sintetizzare il malonil-CoA, un inibitore dell’ossidazione degli acidi grassi, il tasso di ossidazione degli acidi grassi diminuisce a causa di un ciclo di feedback diretto . Tuttavia, l’alimentazione di diete ad alto contenuto di grassi a lungo termine non favorisce un ulteriore accumulo di grasso ectopico né peggiora la resistenza all’insulina . Dopo aver nutrito una dieta ricca di grassi saturi per 32 settimane in topi PDK4 knockout, i topi PDK4 carenti hanno anche sviluppato iperinsulinemia, ma meno accumulo di grasso nel muscolo scheletrico e migliore tolleranza al glucosio rispetto ai topi wild-type . Anche l’attività degli acidi grassi sintasi era inferiore, suggerendo che l’assenza di PDK4 può alterare i componenti di segnalazione coinvolti nella regolazione del metabolismo lipidico .

Up-regulation del recettore nucleare orfano recettore α correlato agli estrogeni (ERRa) mRNA e proteine è stato trovato nei topi dopo il consumo cronico di una dieta ricca di grassi . È stato suggerito che PPARy coactivator 1α (PGC1a) può regolare il catabolismo del glucosio e le vie ossidative mitocondriali aumentando l’attività PDK4 tramite una via dipendente da PGC1A/ERRa nel muscolo scheletrico . ERRa può reclutare PGC1a da combinare con il promotore PDK4 e regolare la trascrizione PDK4, che è indipendente da FoxO1 e PPARs . La regolazione negativa dell’attività PDC da parte di PDK4 inibisce l’ingresso del piruvato nel ciclo TCA e successivamente attenua l’ossidazione cellulare del glucosio in risposta all’alimentazione ad alto contenuto di grassi . Così PGC1a / ERRa ha un ruolo chiave nella dieta ricca di grassi indotta PDK4 up-regolazione e flessibilità metabolica nel muscolo scheletrico.

Esercizio

È stato riscontrato che l’attivazione del PDC durante la contrazione muscolare da bassa a moderata intensità era ~2 volte superiore nei topi knockout PDK4 rispetto ai topi wild-type durante l’esercizio, indipendentemente dall’intensità . L’mRNA PDK4 è stato notevolmente aumentato durante l’esercizio prolungato e dopo sia l’esercizio ad alta intensità a breve termine che l’esercizio prolungato a bassa intensità nel muscolo scheletrico nei topi . L’inattivazione del PDC in risposta alla contrazione muscolare sia a contrazione lenta che a contrazione rapida attraverso PDK4 up-regolato può limitare l’ingresso di prodotti glicolitici nei mitocondri per l’ossidazione. Il periodo di recupero dopo l’esercizio evidenzia anche l’elevata priorità metabolica del reintegro del glicogeno per ristabilire l’omeostasi energetica nel muscolo scheletrico . Il consumo di dieta ad alto contenuto di grassi per 18 settimane seguite da 12 ore di esercizio ha anche aumentato l’espressione di PDK4 nel muscolo scheletrico nei topi, portando a una ridotta attività PDC e meno ossidazione dei carboidrati. FoxO1 è stato suggerito come un possibile fattore di trascrizione correlato a questo cambiamento. FoxO1 può rilevare i cambiamenti nella disponibilità di acidi grassi liberi e trasmettere questo messaggio a valle modulando la trascrizione di PDK4. FoxO1 non fosforilato risiede nel nucleo dove può attivare la trascrizione di geni che contengono elementi di risposta insulinica. La fosforilazione di FoxO1 attraverso la via Akt/PKB porta all’esclusione e alla distruzione nucleare . PGC1a ha anche svolto ruoli significativi nel muscolo scheletrico in risposta all’esercizio fisico secondo la ricerca sui cavalli . PGC1A ha regolato l’ossidazione del glucosio mentre aumenta la respirazione mitocondriale e l’ossidazione dell’acido grasso durante il recupero post-esercizio in cavalli purosangue .

Oltre all’esercizio muscolare, durante l’esercizio di resistenza acuta nel modello di ciclismo a una gamba, il muscolo a riposo ha anche mostrato un aumento dell’espressione PDK4, probabilmente mediata dall’elevazione degli acidi grassi liberi circolanti, dei ligandi di PPAR e dell’up-regulation dei percorsi PPAR .

Insulino-resistenza e diabete

La resistenza all’insulina è principalmente caratterizzata come una risposta limitata al metabolismo del glucosio stimolato nel muscolo scheletrico. Anche la resistenza alla soppressione dell’utilizzo lipidico sotto insulino-resistenza ha compromesso la capacità di passare da un combustibile all’altro, portando a un’inflessibilità metabolica . Ciò è molto comune per i pazienti obesi e T2D nella circostanza simulata insulina. Kim et. al indotta insulino-resistenza acuta mediante infusione costante di Intralipid (un’emulsione grassa) e lattato per 5 ore nei ratti, con conseguente espressione di PDK4 da 2 a 3 volte superiore nel muscolo dopo infusione di insulina , indicando la ridotta capacità dell’insulina di sopprimere PDK4. L’infusione intralipidica e lattata ha anche ridotto la fosforilazione di Akt / PKB e FoxO1, illustrando la segnalazione alterata dell’insulina . Uno studio di ricerca clinica più recente ha dimostrato che l’ormone della crescita (GH) può promuovere la lipolisi e ridurre la sensibilità all’insulina nei soggetti umani. Ciò è stato associato all’aumento della regolazione dell’mRNA PDK4 e alla diminuzione della PDC attiva, simile a quanto osservato durante il digiuno . La ricerca sulle biopsie muscolari dei pazienti con T2D ha mostrato che sia l’mRNA PDK2 che PDK4 erano aumentati rispetto ai volontari sani dopo il digiuno notturno, il che era coerente con la resistenza all’insulina e l’inflessibilità metabolica dei pazienti con T2D. Inoltre, lo stato di metilazione delle citosine nella regione +160 e + 446 del promotore PDK4 è stato ridotto nei pazienti con T2D, suggerendo che la modificazione epigenetica dei geni mitocondriali è coinvolta nella regolazione della commutazione del substrato . Tuttavia, come uno dei fattori di trascrizione che regola l’espressione di PDK4 , il promotore PGC1a è stato segnalato per essere iper-metilato nel muscolo scheletrico dei soggetti T2D e dopo aver sovralimentato il grasso a individui a basso peso alla nascita, indicando che i modelli di metilazione alterati associati alla malattia metabolica possono essere specifici del promotore .

Gli interventi terapeutici sono stati utilizzati per ridurre l’espressione di PDK4 nel diabete. Oltre all’insulina, sono stati utilizzati diversi inibitori PDK4 per promuovere lo smaltimento del glucosio nei modelli animali. Studi iniziali hanno mostrato risultati incoraggianti con somministrazione orale di dicloroacetato (DCA), ma questo composto è un inibitore debole PDK e tossico . Più recentemente, i potenti farmaci somministrati per via orale come gli inibitori PDK prodotti da Novartis e AstraZeneca di solito includono ammidi di acido trifluoro-2-idrossi-2-metilpropionico . Tutti questi inibitori, compreso l’inibitore Nov3r e AZD7545 di PDK2, legano al sito obbligatorio del gruppo di lipoyl di PDK ed efficacemente aumentano l’attività di PDC . Molti farmaci mirano all’attività del PDK nella maggior parte dei tessuti periferici, come il DCA , ma alcuni farmaci hanno una migliore efficacia in tessuti specifici. Ad esempio, AZD7545 ha aumentato l’attività PDC in modo più efficace nel fegato rispetto al muscolo scheletrico e al cuore e con la perdita di efficacia nel muscolo scheletrico degli animali a digiuno .

PDK e flessibilità metabolica nel fegato

Una delle funzioni primarie del fegato è quella di regolare l’apporto di glucosio e altri combustibili metabolici per fornire energia ad altri tessuti . Il corpo può bilanciare i livelli di glucosio nel sangue attraverso il bilanciamento della produzione e dello stoccaggio di glucosio nel fegato e nei reni e regolando il suo utilizzo nei tessuti periferici. In condizioni di digiuno, il fegato inizialmente fornisce glucosio dalla glicogenolisi, la rottura delle riserve di glicogeno epatico. Con una prolungata privazione di energia, la fonte primaria di glucosio è la gluconeogenesi, la sintesi del glucosio da precursori non carboidrati come glicerolo, lattato e l’amminoacido alanina . L’inattivazione di PDC da parte di PDKs può inibire la conversione del piruvato in acetil-CoA, determinando uno spostamento del piruvato nel ciclo TCA o nella sintesi degli acidi grassi verso la gluconeogenesi .

Il digiuno per 48 h non ha alterato l’attività della PDC nel fegato dei topi knockout PDK4, ma gli intermedi della via gluconeogenica (glucosio-6-fosfato, fruttosio-1,6-bisfosfato, piruvato, lattato e citrato) erano inferiori , indicando un tasso ridotto di gluconeogenesi e glicolisi. L’ormone della crescita (GH) può aumentare l’espressione epatica PDK4 nel fegato nei topi wild-type durante il digiuno attraverso l’attivazione del trasduttore di segnale e dell’attivatore della trascrizione 5 (STAT5), portando all’inibizione dell’attività PDC, conservando i substrati per la gluconeogenesi . La metformina, un farmaco comunemente prescritto per T2D, può inibire l’espressione PDK4 indotta da GH tramite una via dipendente da 5 ‘ -AMP-activated protein chinasi-small heterodimer partner (AMPK-SHP) per inibire la combinazione di STAT5 al promotore PDK4 .

L’espressione epatica del PDK4 e del PDK2 e l’attività del PDC non sono state influenzate nei topi wild-type alimentati con una dieta ricca di grassi per 18 settimane. . Dieta ricca di grassi alimentazione steatosi epatica indotta, una condizione che si verifica quando l’accumulo di grasso supera il tasso di ossidazione . Questa situazione è stata prevenuta nei topi knockout PDK4 che hanno consumato una dieta ricca di grassi saturi per 32 settimane . Ciò può essere spiegato in parte dall’attività alterata di PGC1a nel fegato. PGC1a controlla l’espressione di enzimi gluconeogenici come la fosfoenolpiruvato carbossichinasi (PEPCK). L’eliminazione di PDK4 potrebbe portare a livelli più elevati di PGC1a, coerenti con una maggiore attività di PEPCK e una minore capacità di sintesi degli acidi grassi de novo . PPARa ha anche mostrato una regolazione coordinata con PGC1a nella steatosi epatica, che è stata dimostrata dagli effetti benefici potenziati dell’acido clofibrico, un agonista PPARa, sull’accumulo di acidi grassi nei topi knockout PDK4 . A differenza del muscolo scheletrico, il GRASSO / CD36, enzimi chiave per il trasporto degli acidi grassi, non sono stati coinvolti nel ridotto accumulo di grasso nel fegato .

In condizioni diabetiche, l’espressione dei geni PDK, in particolare PDK4, è significativamente elevata nel fegato , il che potrebbe aiutare a spiegare l’aumento dei tassi di gluconeogenesi e gli effetti benefici della metformina. La ricerca sul modello diabetico dei topi che è carente nei substrati epatici 1 e 2 del ricevitore dell’insulina (IRS 1/2) ha rivelato che sia il knockdown che knockout del gene PDK4 hanno condotto al miglioramento del controllo glicemico e della tolleranza al glucosio. PDK4 era più efficiente nella regolazione della flessibilità metabolica rispetto PDK2 nel fegato . Combinato con i risultati degli altri studi, sembra che PDK2 regoli principalmente l’utilizzo del glucosio mentre PDK4 può essere coinvolto sia nel metabolismo del glucosio del sistema che nella gluconeogenesi epatica.

L’ormone tiroideo (T3) controlla molteplici aspetti dei processi metabolici dell’energia epatica, come l’ossidazione degli acidi grassi, la lipogenesi e l’ossidazione del glucosio. L’ipertiroidismo sperimentale può indurre l’espressione di PDK4 nel fegato , nel muscolo scheletrico e nel cuore, portando all’inibizione dell’attività PDC. Nel promotore del gene PDK4 del ratto sono stati identificati due siti di legame per il recettore β dell’ormone tiroideo . Oltre a funzionare come co-attivatore T3, PGC1a può anche migliorare l’induzione T3 dell’espressione PDK4 epatica nei ratti . La CCAAT / enhancer-binding protein β (C/EBPß), come fattore di trascrizione per geni che codificano enzimi gluconeogenici come PEPCK, stimola anche l’espressione epatica PDK4 nei ratti attraverso due elementi di risposta C/EBPß nel promotore PDK4 e partecipa anche all’induzione T3 della trascrizione PDK4 .

PDK4 e flessibilità metabolica nel tessuto adiposo bianco

Rispetto al muscolo scheletrico e al fegato, relativamente poca ricerca è riportata sulla flessibilità metabolica nei tessuti adiposi bianchi (WAT). WAT è un organo cruciale per un processo metabolico degli acidi grassi denominato gliceroneogenesi adipocitaria. Questa via utilizza piruvato, alanina, glutammina o qualsiasi sostanza del ciclo TCA come precursori per sintetizzare il fosfato diidrossiacetone (DHAP) e infine per produrre glicerolo-3-fosfato (G3P) per la sintesi di triacilglicerolo (TAG). La PDC è legata a questo processo e la soppressione della PDC consente un maggiore uso di lattato e piruvato per la gliceroneogenesi .

Come attivatore della gliceroneogenesi, i tiazolidinedioni (TZD) hanno aumentato l’espressione dell’mRNA PDK4 nei depositi WAT sottocutanei, periepididimali e retroperitoneali nei ratti fa/fa Zucker, un modello genetico obeso e insulino-resistente, mentre l’mRNA PDK2 non è stato influenzato, indicando il ruolo vitale del PDK4 nella gliceroneogenesi. L’espressione PDK4 indotta da TZD era specifica per il tessuto perché fegato e muscoli non rispondevano a tale trattamento . Risultati simili sono stati osservati per 3 adipociti T3-F442A in vitro, utilizzando inibitori PDK4, DCA e leelamina e PDK4 siRNA. Sia 500 µmol / L DCA che 50 µmol/L leelamina hanno inibito l’incorporazione del piruvato nei trigliceridi. L’incorporazione del piruvato nei lipidi è stata ridotta del 40% dopo la trasfezione di adipociti con PDK4 siRNA . PPARy è un recettore nucleare regolato dai TZD insulino-sensibilizzanti. PDK4 è un obiettivo indiretto di PPARy. Quindi la regolazione di PDK4 da parte di TZD in WAT si riferisce strettamente a PPARy .

Oltre alla TZD, il trattamento con epinefrina acuta ha anche aumentato l’mRNA PDK4 attraverso la chinasi proteica attivata dal mitogeno p38 (MAPK) e le vie AMPK negli adipociti coltivati e nei depositi WAT epididimali in modelli di ratti obesi e insulino-resistenti indotti da diete ad alto contenuto di grassi . L’mRNA PDK2 era ancora inalterato. Due ore di nuoto hanno prodotto risultati simili al trattamento con epinefrina in WAT in ratti magri e obesi . Combinato con la sintesi aumentata di G3P via PEPCK, più glyceroneogenesis permette la riesterificazione aumentata degli acidi grassi non esterificati nell’ETICHETTA dalla lipolisi, mentre l’ossidazione del glucosio è ridotta in questi adipocytes . Con un ruolo importante nella clearance del glucosio e nella sintesi/stoccaggio del grasso, l’up-regulation di PDK4 durante l’esercizio, l’epinefrina e il trattamento TZD che portano all’inibizione della PDC, promuove lo stoccaggio di energia in WAT. È necessario più lavoro per chiarire i percorsi trascrizionali coinvolti nella regolazione up-PDK4 in WAT .

PDK4 e flessibilità metabolica nel cuore

L’inflessibilità metabolica accompagna sempre la cardiomiopatia, in particolare durante l’ischemia, e può anche causare insufficienza cardiaca . La mancata ossidazione di carboidrati sufficienti per soddisfare le esigenze energetiche è una ragione importante per l’inefficienza cardiaca. Ciò può essere dimostrato dalla sovraespressione cardiaca specifica di PDK4, che è sufficiente a causare una perdita di flessibilità metabolica e ad esacerbare la cardiomiopatia . La sovraespressione di PDK4 nel cuore con un modello di topi transgenici è stata associata a una diminuzione del catabolismo del glucosio e ad un corrispondente aumento dell’ossidazione degli acidi grassi. Questo modello transgenico ha anche espresso una forma costitutivamente attiva della calcineurina della fosfatasi, e quindi ha causato ipertrofia nella fibrosi dei cardiomiociti e un notevole aumento della mortalità .

Nei topi che sono stati alimentati con una dieta ricca di grassi per 10 giorni, l’ossidazione dei carboidrati cardiaci è notevolmente diminuita, con una regolazione dell’attività PDK4. La dieta ricca di grassi ha indotto alterazioni metaboliche cardiache attraverso la via del fattore di iniziazione eucariotico 4E (eIF4E)/ciclina D1/E2F1/PDK4 .

Durante l’ischemia moderatamente grave, gli acidi grassi liberi sono il combustibile primario nell’ossidazione mitocondriale . Mentre la glicolisi è ancora attiva e il glucosio viene utilizzato per la produzione di lattato per produrre ATP, indipendente dall’ossigeno, l’inattivazione del PDC facilita l’uso di acidi grassi. L’ischemia causa la conversione del piruvato in lattato, aumentando così l’acidificazione all’interno del miocardio . Quindi l’inibizione dell’attività PDK da parte di DCA è vitale per aumentare la produzione di ATP e l’assorbimento di Ca2+ e l’uso della combinazione di glucosio-insulina-K+ o inibitori dell’ossidazione degli acidi grassi sono anche utili .

L’angiotensina II (Ang II), l’effettore principale nel sistema renina angiotensina nell’insufficienza cardiaca, può indurre una marcata insulino-resistenza cardiaca, portando al passaggio metabolico cardiaco dal glucosio all’ossidazione degli acidi grassi, producendo inflessibilità metabolica e inefficienza cardiaca . PDK4 è altamente espresso in questo modello di ipertrofia indotta da Ang II e la cancellazione di PDK4 impedisce la riduzione indotta da Ang II nell’ossidazione del glucosio e previene la disfunzione diastolica . L’inibizione dell’attività PDK4 è diventata una nuova strategia terapeutica contro le malattie cardiache .

PDK e flessibilità metabolica nel sistema nervoso centrale

Il cervello sfrutta anche l’ossidazione del glucosio come fonte di energia primaria. Gli astrociti in coltura hanno espresso più PDK2 e PDK4 rispetto ai neuroni, in linea con la minore attività PDH e una maggiore produzione di lattato visualizzata dagli astrociti in coltura . Ci sono prove accumulanti che le alterazioni nell’attività del PDKs sono legate allo sviluppo di diversi disturbi neurologici. Ad esempio, la malattia di Alzheimer è stata associata a disfunzione nell’attività della PDH e nel metabolismo del glucosio . L’invecchiamento cerebrale è associato a mRNA PDK1 e PDK2 ridotti nel cervelletto e ad un aumento dell’mRNA PDK2 nell’ippocampo e nella corteccia cerebrale e l’up-regulation dell’mRNA PDK2 è stato coinvolto nel glioblastoma .

I neuroni ipotalamici sono sensibili ai segnali nutrizionali e possono regolare l’equilibrio energetico e l’omeostasi del glucosio. Tuttavia, i meccanismi complessi sottostanti non sono ancora completamente compresi. Recenti studi su topi digiunati per 48 h hanno rivelato un profilo di espressione genica nell’ipotalamo coerente con una ridotta utilizzazione del glucosio e una maggiore ossidazione lipidica, incluso un elevato mRNA PDK4, coerente con i risultati nel muscolo scheletrico, nel fegato, nel cuore e nei reni . La up-regolazione di PDK4 è stata osservata anche nell’ipotalamo durante il digiuno neonatale del ratto per 6 h, riflettendo un tentativo di conservare l’energia durante la privazione alimentare neonatale . Ciò indica anche che il cervello neonatale non è risparmiato dalla restrizione del glucosio durante la crisi energetica, ma invece il cervello neonatale può utilizzare chetoni derivati dal metabolismo degli acidi grassi come la principale fonte di energia . Tuttavia, solo studi limitati sono riportati per l’effetto di PDK sul bilancio energetico ipotalamico. Sono previste ulteriori ricerche.

PDK e flessibilità metabolica in altri tessuti

Isole pancreatiche

Nelle cellule β pancreatiche murine, sia il trattamento con acidi grassi elevati che con glucosio elevato ha aumentato l’attività del PDK e diminuito l’attività del PDH. Palmitate up-regulated mRNA espressione di PDK1, PDK2 e PDK4, mentre ad alto glucosio aumentato PDK1, PDK2 mRNA ma ridotto PDK4 mRNA, suggestivo di diversa regolazione trascrizionale. Così l’induzione dell’espressione di PDK sia dal glucosio che dal grasso accompagna il declino nella flessibilità del metabolismo delle cellule β durante la progressione dall’obesità a T2D .

L’esposizione cronica a condizioni iperglicemiche provoca glucotossicità nelle cellule β. La glucotossicità altera la secrezione di insulina simulata dal glucosio (GSI), contribuendo allo sviluppo di T2D. L’analisi metabolomica delle cellule β dopo l’esposizione ad alto glucosio (25 mM per 20 h) ha rivelato un aumento del glucosio e una diminuzione degli acidi grassi durante GSI, ma nessun cambiamento significativo nella proteina PDK2 . Ricerche simili sulle linee cellulari β dell’insulinoma E (INS-1E) hanno mostrato un aumento della fosforilazione della subunità PDC E1a durante il trattamento con glucosio elevato (50 mm per 48 h). L’abbattimento di PDK1 e PDK3 ha portato a una marcata riduzione dell’inattivazione del PDC. Tuttavia, l’inattivazione della PDC non è stata associata ad alterazioni del GSIS . È possibile che l’attività della PDC nelle cellule β INS-1E sia in eccesso e quindi abbassare la sua attività è di scarsa conseguenza. La prolattina può anche indurre GSIS nelle linee cellulari INS-1E sopprimendo la PDKS e aumentando l’attività della PDC, suggerendo un nuovo ruolo per i lattogeni nel trattamento del diabete . Essendo l’organo più importante coinvolto nella patogenesi del T2D, sono necessarie ulteriori ricerche sulla flessibilità metabolica nelle cellule β pancreatiche.

Cellule tumorali

Le cellule tumorali hanno un modo unico per acquisire energia, chiamato effetto Warburg. Utilizzano la glicolisi aumentata e sopprimono l’ossidazione mitocondriale del glucosio per fornire all’energia un vantaggio proliferativo, favorevole alla resistenza di apoptosi e perfino all’angiogenesi aumentata . In condizioni di bassi nutrienti, l’effetto Warburg è stato migliorato attraverso un meccanismo che coinvolge l’attivazione reattiva delle specie di ossigeno (ROS)/AMPK – dipendente di PDK . PDK1 e PDK3 sono le principali isoforme legate all’effetto Warburg . Così l’inibizione di PDK con i piccoli RNA interferenti o le droghe orfane, quale DCA, può spostare il metabolismo delle cellule tumorali dalla glicolisi all’ossidazione del glucosio e può fornire un approccio potente per trattare il cancro .