pyruvatdehydrogenasekinasers sentrale rolle i metabolsk fleksibilitet

Å Opprettholde en balanse mellom energibehov og forsyning Er kritisk for helsen. Glukose og lipider (fettsyrer og ketonlegemer), som kilder til cellulær energi, kan konkurrere og samhandle med hverandre . Kapasiteten for en organisme til å tilpasse brenseloksydasjon til drivstofftilgjengelighet, det vil si å foretrekke å utnytte karbohydrat – og lipidbrensel og å kunne raskt bytte mellom dem, kalles metabolsk fleksibilitet . Mangelen på å matche brenseloksydasjon til endringer i næringsstofftilgjengelighet er ofte ledsaget av symptomer som insulinresistens, ektopisk lipidakkumulering og mitokondriell dysfunksjon . Dermed er metabolsk ufleksibilitet tett relatert til en rekke syndromer som type 2 diabetes (T2D), fedme, kardiovaskulær sykdom og metabolsk syndrom.

et av de viktigste enzymene som er ansvarlige for metabolsk fleksibilitet hos pattedyr er pyruvatdehydrogenasekomplekset (PDC), et mitokondrielt multienzymkompleks som katalyserer oksidativ dekarboksylering av pyruvat . PDC styrer omdannelsen av pyruvat, Koenzym A (CoA) og NAD+ til acetyl-CoA, NADH OG CO2, og forbinder dermed fettsyremetabolismen, glukosemetabolismen og trikarboksylsyre (TCA) syklusen . Den CoA-aktiverte to-karbon-enheten produsert av katabolismen av pyruvat kan kondenseres med oksaloacetat i den første reaksjonen AV tca-syklusen, eller brukes til fettsyre-og kolesterolsyntese . Pyruvat kan også konserveres for glukoneogenese i lever og nyre . DERMED HAR PDC en sentral posisjon i cellulær energi metabolisme (Figur 1).

PDC og Pdk opptar sentrale posisjoner i cellulær energi metabolisme. Fettsyre og glukose konkurrerer med hverandre for oksidasjon på NIVÅET AV PDC i pattedyr. PDC katalyserer oksidativ dekarboksylering av pyruvat for å danne acetyl-CoA og forbinder dermed glukosemetabolismen og fettsyremetabolismen. PDC kan fosforyleres Av PDKs, som kan reguleres av mitokondriell acetyl-CoA, NADH, pyruvat, ATP og nukleare transkripsjonsfaktorer. Erra: Østrogenrelatert reseptor α; FoxO: Forkhead box protein o; NEFA: ikke-forestret fettsyre; PDC: Pyruvat dehydrogenasekompleks; PDKs: Pyruvat dehydrogenase kinaser; PGC1a: PPARy koaktivator 1α: Peroksisomproliferatoraktiverte reseptorer; TG: Triglyserid; TCA: Trikarboksylsyre.

PDC er mer aktiv i sunn og godt matet tilstand. Imidlertid er undertrykkelse AV PDC avgjørende for glukosesyntese når glukose er knappe . INAKTIVERING AV PDC-aktivitet katalyseres av fire svært spesifikke pyruvatdehydrogenase (PDH) kinase (PDK) isozymer som kan fosforylere spesifikke serinrester innenfor den α underenheten Av e1-enzymet I PDC . AV alle de kjente isozymene ER PDK2 OG PDK4 de mest distribuerte og er svært uttrykt i hjerte, lever og nyre hos mennesker og gnagere. PDK4 er også rikelig i bukspyttkjerteløyer og i skjelettmuskler som har høy glukoseutnyttelse og fettsyreoksydasjonshastigheter. PDK1 og PDK3 har ganske begrenset vevsfordeling . PDKs-aktivitetene kan reguleres av ulike nivåer av metabolitter samt transkripsjonsfaktorer under ulike forhold og i forskjellige vev (Figur 2). DERMED KAN PDC håndtere utnyttelse og lagring av drivstoff for å oppfylle metabolsk fleksibilitet som svar på miljøet.

Transkripsjonelle reguleringsveier AV PDK4 i forskjellige vev under ulike næringstilstander. Inaktivering AV PDC ved oppregulering AV PDK4 kan bytte glukosekatabolisme til fettsyreutnyttelse. Det er forskjellige transkripsjonelle reguleringsveier i skjelettmuskulatur, lever, hvitt fettvev og hjerte under ulike ernæringsmessige forhold (energimangel, høyt fett diettforbruk, mosjon, sykdommer, narkotika). Akt / PKB: proteinkinase B; AMPK: 5 ‘ – AMP-aktivert proteinkinase; CD36: Klynge av differensiering 36; C/EBPß: CCAAT / enhancer-bindende protein β; eIF4E: Eukaryotisk initieringsfaktor 4E; ERRa: Østrogenrelatert reseptor α; FETT: Fettsyretransportør; FoxO1: Forkhead box protein O1; LXR: Lever X-reseptor; MAPK: p38 mitogenaktivert proteinkinase; PDC: Pyruvat dehydrogenasekompleks; PDK4: Pyruvat dehydrogenasekinase 4; PGC1a: PPARy koaktivator 1α; PPARs: peroksisomproliferatoraktiverte reseptorer; SHP: Liten heterodimerpartner; STAT5: Signaltransduser og aktivator av transkripsjon 5.

Denne gjennomgangen oppsummerer de siste studiene På PDKs sentral rolle i å kontrollere metabolsk fleksibilitet, et nylig konsept i cellulær energi metabolisme, under ulike ernæringsmessige forhold (energi deprivasjon, høyt fett diett forbruk, mosjon og sykdom) i ulike vev (skjelettmuskulatur, lever, hvitt fettvev, hjerte, bukspyttkjertel holmer og nervesystemet), med vekt på DEN best karakteriserte PDK4. Forstå regulering Av PDKs i ulike vev og deres roller i energi homeostase vil være gunstig for behandling av ulike typer metabolske sykdommer.

PDK og metabolsk fleksibilitet i skjelettmuskulatur

som kvantitativt det største organet i kroppen står skjelettmuskulatur for 30% til 40% av metabolismen hos voksne i hvilemodus. Bidrar til 80% av insulinstimulert glukoseopptak, er det et viktig sted for glukoseoksidasjon og fettsyremetabolisme . Skjelettmuskulaturen utviser bemerkelsesverdig metabolsk fleksibilitet i drivstofforbruket som svar på ulike metabolske utfordringer som energimangel og endringer i kostholdssammensetning. I magre friske individer, under insulinstimulering, er skjelettmuskulatur i stand til å bytte fra overveiende lipidoksidasjon og høye nivåer av fettsyreopptak til undertrykkelse av lipidkatabolisme og forhøyet glukoseopptak, oksidasjon og lagring . Imidlertid viser overvektige og T2D-pasienter større forekomst av lipidoksidasjon i skjelettmuskulatur og er relativt insulinresistente, noe som resulterer i metabolsk ufleksibilitet .

energimangel

under energimangel er glukose knappe og langkjedet fettsyreoksidasjon brukes til å oppfylle cellulære energibehov. Redusert matinntak og reduserte insulinkonsentrasjoner reduserer glukoseutnyttelsen for å spare glukose . Pattedyrs PDC-aktivitet undertrykkes av PDKS hyperfosforylering, og begrenser omdannelsen av pyruvat til acetyl-CoA i skjelettmuskulatur . Med mindre acetyl-CoA tilgjengelig, reduseres syntesen av malonyl-CoA, en inhibitor av fettsyreoksydasjon . Som et resultat blir fettsyreoksydasjon både tvunget og tilrettelagt ved oppregulering AV PDK4 . Førtiåtte timers faste hos rotter (fullstendig matabstinens) var assosiert med en 3-4 ganger økning I PDK4-protein og mRNA i gastrocnemius-muskel, uten effekt på PDK2-ekspresjon . Førtiåtte timers fastende PDK4 knock-out mus viste senket blodsukker, forhøyede serum ikke-forestrede fettsyrer og større PDC-aktivitet i gastrocnemius muskel , i samsvar med lavere nivåer av fettsyreoksydasjon og økte mengder glukose og pyruvatoksidasjon. Energimangel førte imidlertid til en reduksjon i STEDET for økning I PDK2-aktivitet i gastrocnemius muskel i PDK4 knock-out mus . DETTE antydet AT PDK2 ikke var i stand til å kompensere for TAP av FUNKSJON AV PDK4 som svar på fasting. Refeeding fastet vill-type rotter for 48 h redusert PDK4 mRNA til et nivå sammenlignbart med kontrollgruppen .

acetyl-CoA og NADH produsert av fettsyreoksidasjon stimulerte PDK-aktivitet i skjelettmuskulatur . Det var også en selektiv induksjon Av forkhead boks O1 (FoxO1) og forkhead boks O3 (FoxO3) transkripsjoner i gastrocnemius muskel i mus etter 48 timer med matabstinens , noe som indikerer involvering Av FoxO i opp-regulering AV PDK4 som respons på kortsiktige endringer i ernæringstilstand. PDK4, som interagerer med fettsyretransportør/klynge av differensiering 36 (FETT/CD36, store fettsyreopptaksproteiner i muskel), peroksisom-proliferatoraktivert reseptor δ/β (PPARδ/β, fettsyreaktivert nukleær reseptor) og FoxO1, gir et rammeverk for regulering av muskelbrenselpreferanse som respons på fasting . UNDER energimangel aktiverer CD36-tilrettelagt fettsyrefluks PPARδ/β, noe som koordinert øker Uttrykket For FoxO1 og PDK4 for å hemme glukoseoksidasjon. Fettsyrefluxen og reduserte insulinkonsentrasjoner er forbundet med nedregulering av proteinkinase B (Akt/PKB), noe som fører Til FoxO1-aktivering . Siden FoxO1 også rekrutterer CD36 til plasmamembranen og induserer lipoprotein lipase, øker alle disse fettsyreutnyttelsen i skjelettmuskulatur . Den nye leveren X reseptoren(LXR) – ppara metabolostatic signalaksen ble også rapportert å være involvert i muskel energi deprivasjon respons . Aktivering AV LXR forsterket PPARa-signalering for å øke fastende indusert oppregulering AV PDK4-uttrykk, og dermed øke fettsyreoksydasjon og redusere glukosekatabolisme i skjelettmuskulatur .

langsiktig høyt fett diettforbruk

Langsiktig forbruk av et høyt mettet fett diett kan forårsake hyperglykemi, hyperinsulinemi, glukoseintoleranse og fedme. Administrasjonen av en diett høy i mettet fett i 4 uker til rotter økte SIGNIFIKANT PDK2 og PDK4 proteinuttrykk i både raske hvite muskelfiberundertyper (anterior tibialis) og langsomme røde muskelfiberundertyper (soleus) hos rotter . Den langsomme røde muskelfiberen er rik på mitokondrier og myoglobin og er avhengig av aerob metabolisme av karbohydrat og lipidbrensel. I soleus var den relative økningen I PDK4-ekspresjon også knyttet til en mer enn 7 ganger økning i pyruvatkonsentrasjon og en 50% reduksjon i PDC-aktivitet sammenlignet med den i fremre tibialis, noe som indikerer større tap AV PDK-følsomhet på grunn av pyruvathemming i hurtigtrekkende muskler sammenlignet med slowtrekkende muskler. Forbruk av en høy fett diett fører til bruk av lipid-avledet brensel som respiratoriske substrater i muskel, delvis modulert av opp-regulering I PDK aktivitet. Den forbedrede fettsyreoksydasjonen etter å ha matet høyt fettdietter i slow-twitch muskel er hovedsakelig tilskrevet oppreguleringen AV PDK4. Imidlertid ble det også observert økt PDK2 mRNA i raske muskler , noe som tyder på en mulig koordinatregulering mellom PDK2 og PDK4 i hvite muskelfiberundertyper.

PDK4-mangel fører til hemming av fettsyreoksydasjon og økning i glukoseoksydasjon på grunn av større PDC-aktivitet, noe som øker omdannelsen av pyruvat til acetyl-CoA. Med mer acetyl CoA tilgjengelig for å syntetisere malonyl-CoA, en hemmer av fettsyreoksydasjon, reduseres hastigheten av fettsyreoksydasjon på grunn av en direkte tilbakemeldingssløyfe . Men å mate fettfattige dietter på lang sikt fremmer heller ikke ytterligere ektopisk fettakkumulering eller forverrer insulinresistens . ETTER å ha matet et høyt mettet fett diett i 32 uker i PDK4 knockout-mus, utviklet PDK4-mangelfulle mus også hyperinsulinemi, men mindre fettakkumulering i skjelettmuskulatur og bedre glukosetoleranse sammenlignet med villtype-musene . Fettsyresyntaseaktiviteten var også lavere, noe som tyder på at fraværet AV PDK4 kan endre signalkomponenter involvert i regulering av lipidmetabolisme .

Opp-regulering av foreldreløse nukleær reseptor østrogen relatert reseptor α (erra) mRNA og protein ble funnet i mus etter kronisk inntak av en høy-fett diett . Det er foreslått At ppary coactivator 1α (PGC1a) kan regulere glukosekatabolisme og mitokondrielle oksidative mekanismer ved å øke PDK4-aktiviteten via en pgc1a / ERRa-avhengig bane i skjelettmuskulatur . ERRa kan rekruttere PGC1a å kombinere TIL PDK4 promoter og regulere PDK4 transkripsjon, som er uavhengig Av FoxO1 Og PPARs . DEN negative reguleringen AV PDC-aktivitet ved PDK4 hemmer innføringen av pyruvat i tca-syklusen og demper deretter cellulær glukoseoksidasjon som respons på fettfattig mating . Dermed Har PGC1a / ERRa en nøkkelrolle i HØYT fett diett indusert PDK4 opp-regulering og metabolsk fleksibilitet i skjelettmuskulatur.

Trening

DET ble funnet AT PDC-aktivering under muskelkontraksjon med lav til moderat intensitet var ~2 ganger høyere i PDK4 knockout-mus enn i villtype-mus under trening, uavhengig av intensiteten . PDK4 mRNA ble markert økt under langvarig trening og etter både kortsiktig høy intensitet og langvarig lav intensitet trening i skjelettmuskulatur hos mus . Inaktivering AV PDC som respons på både langsom og rask muskelkontraksjon gjennom up-regulert PDK4 kan begrense innføringen av glykolytiske produkter i mitokondriene for oksidasjon. Gjenopprettingsperioden etter trening fremhever også den høye metabolske prioriteten av glykogen som etterfyller for å gjenopprette energihomeostasen i skjelettmuskulatur . Høyt fett diettforbruk i 18 uker etterfulgt av 12 h trening økte OGSÅ PDK4-uttrykk i skjelettmuskulatur hos mus, noe som førte til redusert PDC-aktivitet og mindre karbohydratoksidasjon. FoxO1 ble foreslått å være en mulig transkripsjonsfaktor relatert til denne endringen. FoxO1 kan fornemme endringer i tilgjengeligheten av frie fettsyrer, og videresende denne meldingen nedstrøms ved å modulere transkripsjon AV PDK4. Un-fosforylert FoxO1 ligger i kjernen hvor den kan aktivere transkripsjon av gener som inneholder insulinresponselementer. Fosforylering Av FoxO1 gjennom akt / PKB-banen fører til kjernefysisk utelukkelse og ødeleggelse . PGC1a spilte også betydelige roller i skjelettmuskulatur som svar på trening i henhold til forskning på hester . PGC1a regulerte glukoseoksidasjon mens den økte mitokondriell respirasjon og fettsyreoksidasjon under gjenoppretting etter trening hos Fullblodshester .

i tillegg til å trene muskler, under akutt utholdenhetstrening i en-ben-syklusmodellen, viste hvilemuskelen også økt PDK4-uttrykk, sannsynligvis mediert av høyde i sirkulerende frie fettsyrer, ligander Av PPARs og oppregulering av PPAR-veier .

Insulinresistens og diabetes

Insulinresistens karakteriseres hovedsakelig som en begrenset respons på stimulert glukosemetabolisme i skjelettmuskulatur. Også motstanden mot undertrykkelse av lipidutnyttelse under insulinresistens svekket evnen til å bytte mellom drivstoff, noe som førte til metabolsk ufleksibilitet . Dette er svært vanlig for overvektige og T2D-pasienter i insulinsimulert tilstand. Kim et. al induserte akutt insulinresistens ved konstant infusjon Av Intralipid (en fettemulsjon) og laktat i 5 timer hos rotter, noe som resulterte i 2 til 3 ganger høyere PDK4-ekspresjon i muskel etter insulininfusjon, noe som indikerer nedsatt evne til insulin til å undertrykke PDK4. Intralipid-og laktatinfusjonen reduserte også fosforyleringen Av Akt / PKB og FoxO1, noe som illustrerer nedsatt insulinsignalering . En nyere klinisk studie viste at veksthormon (GH) kan fremme lipolyse og redusere insulinfølsomhet hos mennesker. Dette var forbundet med opp-regulering AV PDK4 mRNA og redusert aktiv PDC, ligner på hva som er observert under fasting . Forskningen på T2D-pasienter muskelbiopsier viste at BÅDE PDK2 og PDK4 mRNA var økt i forhold til friske frivillige etter over natten fasting , noe som var i samsvar med insulinresistens OG metabolsk ufleksibilitet HOS T2D-pasienter. Videre ble metyleringsstatus for cytosiner i REGIONEN +160 og +446 I PDK4 promoter redusert hos t2d-pasienter, noe som tyder på at epigenetisk modifikasjon av mitokondrielle gener er involvert i regulering av substitusjonsbytte . Som en av transkripsjonsfaktorene som regulerer EKSPRESJON AV PDK4, ble PGC1a-promotoren rapportert å være hypermetylert i skjelettmuskulatur hos T2D-individer og etter overforing av fett til personer med lav fødselsvekt, noe som indikerer at endrede metyleringsmønstre assosiert med metabolsk sykdom kan være promotorspesifikke .

Terapeutiske intervensjoner har blitt brukt til å redusere PDK4-uttrykk i diabetes. Utover insulin ble flere PDK4-hemmere benyttet for å fremme glukoseavhending i dyremodeller. Innledende studier viste oppmuntrende resultater med oral administrering av dikloracetat (DCA), men denne forbindelsen er en svak PDK-hemmer og giftig . Mer nylig inneholder de potente oralt administrerte legemidlene som PDK-hemmere produsert Av Novartis og AstraZeneca vanligvis amider av trifluoro-2-hydroksy-2-metylpropionsyre . Alle disse inhibitorene, INKLUDERT PDK2-inhibitoren Nov3r Og AZD7545, binder SEG VED BINDINGSSTEDET TIL LIPOYLGRUPPEN FOR PDK og øker EFFEKTIVT PDC-aktiviteten . MANGE stoffer retter SEG mot PDK-aktiviteten i de fleste perifere vev , som DCA, men noen stoffer har bedre effekt i bestemte vev. FOR EKSEMPEL økte AZD7545 PDC-aktiviteten mer effektivt i lever enn i skjelettmuskulatur og hjerte og med tap av effekt i skjelettmuskulatur hos fastende dyr .

PDK og metabolsk fleksibilitet i leveren

En av de primære funksjonene til leveren er å regulere tilførsel av glukose og andre metabolske brensel for å gi energi til andre vev . Kroppen kan balansere blodsukkernivået gjennom å balansere glukoseproduksjon og lagring i lever og nyre, og regulere utnyttelsen i perifert vev. Under faste forhold gir leveren i utgangspunktet glukose fra glykogenolyse, nedbrytning av leverglykogenbutikker. Ved langvarig energideprivasjon er den primære glukosekilden glukoneogenese, syntese av glukose fra ikke-karbohydratforløpere som glyserol, laktat og aminosyrealanin . Inaktivering AV PDC Ved PDKs kan hemme konvertering av pyruvat til acetyl-CoA, noe som resulterer i et skifte av pyruvat TIL tca-syklusen eller fettsyresyntese mot glukoneogenese .

Fastende i 48 timer endret IKKE PDC-aktivitet i leveren HOS PDK4-knockout-mus, men mellomprodukter av den glukoneogene vei (glukose-6-fosfat, fruktose-1,6-bisfosfat, pyruvat, laktat og citrat) var lavere , noe som indikerer redusert hastighet av glukoneogenese og glykolyse. Veksthormon (GH) kan øke hepatisk PDK4-ekspresjon i leveren hos villtype mus under fasting ved aktivering av signaltransduser og aktivator av transkripsjon 5 (STAT5), noe som fører til hemming AV PDC-aktivitet, og sparer substrater for glukoneogenese . Metformin, et vanlig forskrevet legemiddel for T2D, kan hemme GH-indusert PDK4-ekspresjon via EN 5 ‘ -AMP – aktivert proteinkinase-liten heterodimer partner (AMPK-SHP) avhengig vei for å hemme kombinasjonen AV STAT5 TIL PDK4-promotoren .

hepatisk ekspresjon AV PDK4 og PDK2, OG PDC-aktiviteten ble ikke påvirket i villtype mus som hadde et fettrikt kosthold i 18 uker. . Høy-fett diett mating indusert hepatisk steatose, en tilstand som oppstår når fett opphopning overstiger oksidasjonshastigheten . DENNE situasjonen ble forhindret I PDK4 knockout-mus som forbrukte et høyt mettet fett diett i 32 uker . Dette kan delvis forklares av den endrede pgc1a-aktiviteten i leveren. PGC1a kontrollerer ekspresjon av glukoneogene enzymer som fosfoenolpyruvatkarboksykinase (PEPCK). Å slå UT PDK4 kan føre til høyere nivåer Av PGC1a, i samsvar med større AKTIVITET AV PEPCK og lavere kapasitet for de novo fettsyresyntese . PPARa viste også koordinert regulering med PGC1a i hepatisk steatose, som ble demonstrert av de forbedrede gunstige effektene av klofibrsyre, En PPARa-agonist, på fettsyreakkumulering i PDK4 knockout-mus . I motsetning til skjelettmuskulatur var IKKE FETT/CD36, nøkkelenzymer for fettsyretransport, involvert i redusert fettakkumulering i leveren .

under diabetiske forhold er ekspresjon av PDK-gener, spesielt PDK4, signifikant forhøyet i leveren, noe som kan bidra til å forklare de økte nivåene av glukoneogenese og de gunstige effektene av metformin. Forskning på diabetisk musemodell som er mangelfull i leverinsulinreseptorsubstrater 1 og 2 (IRS 1/2) viste at både knockdown og knockout AV PDK4-genet førte til forbedring av glykemisk kontroll og glukosetoleranse. PDK4 var mer effektiv i å regulere metabolsk fleksibilitet enn PDK2 i leveren . KOMBINERT med resultatene fra de andre studiene ser DET ut TIL AT PDK2 hovedsakelig regulerer glukoseutnyttelsen, MENS PDK4 kan være involvert i både glukosemetabolismen og hepatisk glukoneogenese.

Thyroid hormon (T3) styrer flere aspekter av hepatisk energi metabolske prosesser, som fatty acid oksidasjon, lipogenese og glukose oksidasjon. Eksperimentell hypertyreose kan indusere PDK4-ekspresjon i lever, skjelettmuskulatur og hjerte, noe som fører til hemming AV PDC-aktivitet. To bindingssteder for thyreoideahormonreseptor β ble identifisert i promotoren av pdk4-genet hos rotter . I tillegg til å fungere Som en t3-koaktivator, Kan PGC1a også forbedre t3-induksjonen av HEPATISK PDK4-ekspresjon hos rotter . CCAAT / enhancer-bindende protein β (C/EBPß), som transkripsjonsfaktor for gener som koder for glukoneogene enzymer som PEPCK, stimulerer også hepatisk PDK4-ekspresjon hos rotter gjennom to c / EBPß-responselementer I PDK4-promotoren og deltar også I t3-induksjonen AV PDK4-transkripsjon .

PDK4 og metabolsk fleksibilitet i hvitt fettvev

Sammenlignet med skjelettmuskulatur og lever er det rapportert relativt lite forskning på metabolsk fleksibilitet i hvitt fettvev (WAT). WAT er et viktig organ for en fettsyre metabolske prosessen kalt adipocyte glyceroneogenesis. Denne banen bruker pyruvat, alanin, glutamin eller noen stoffer FRA tca-syklusen som forløpere for å syntetisere dihydroksyacetonfosfat (DHAP) og til slutt å produsere glyserol-3-fosfat (G3P) for triacylglycerol (TAG) syntese . PDC er knyttet til denne prosessen og undertrykkelse av PDC tillater økt bruk av laktat og pyruvat for glyceroneogenese .

som aktivator av glyseroneogenese økte tiazolidindioner (TZD) PDK4 mRNA-ekspresjon i subkutane, periepididymale og retroperitoneale wat-depoter i fa / fa Zucker-rotter, en genetisk overvektig, insulinresistent modell, MENS PDK2 mRNA ikke ble påvirket, noe som indikerer DEN vitale rollen PDK4 spiller i glyseroneogenese. TZD-indusert PDK4-uttrykk var vevsspesifikt fordi lever og muskler ikke responderte på en slik behandling . Lignende resultater ble observert for 3 T3-F442A adipocytter in vitro ved BRUK AV PDK4-hemmere, dca og leelamin og PDK4 siRNA. Både 500@mol / L DCA og 50 µ leelamin hemmet pyruvat inkorporering i triglyserider. Inkorporering av pyruvat i lipider ble redusert med 40% etter transfeksjon av adipocytter MED PDK4 siRNA . PPARy er en nukleær reseptor regulert av insulin-sensibiliserende TZDs. PDK4 er et indirekte mål For PPARy. Dermed er reguleringen AV PDK4 AV TZD i WAT tett knyttet Til PPARy .

bortsett FRA TZD økte akutt epinefrinbehandling OGSÅ PDK4 mRNA gjennom P38 mitogenaktivert proteinkinase (MAPK) og AMPK-veier i dyrkede adipocytter og i epididymale wat-depoter i overvektige, insulinresistente rottemodeller som ble indusert av høyt fettdietter . PDK2 mRNA var fortsatt upåvirket. To timers svømming ga lignende resultater som epinefrinbehandling i WAT i både magre og overvektige rotter . Kombinert med økt g3p-syntese via PEPCK, gir mer glyceroneogenese økt reesterifisering av ikke-forestrede fettsyrer i TAG fra lipolyse, mens glukoseoksidasjon reduseres i disse adipocytene . Med en viktig rolle i glukose clearance og fett syntese/lagring, up-regulering AV PDK4 under trening, adrenalin og TZD behandling fører TIL PDC hemming, fremmer energilagring I WAT. Mer arbeid er nødvendig for å belyse transkripsjonsbanene som er involvert I PDK4-oppregulering i WAT .

PDK4 og metabolsk fleksibilitet i hjertet

Metabolsk ufleksibilitet følger alltid kardiomyopati, spesielt under iskemi, og kan til og med forårsake hjertesvikt . Unnlatelse av å oksidere nok karbohydrater for å møte energibehovet er en viktig årsak til hjertesvikt. Dette kan påvises ved hjertespesifikk overuttrykk AV PDK4, som er tilstrekkelig til å forårsake tap av metabolsk fleksibilitet og forverre kardiomyopati . OVEREKSPRESJON AV PDK4 i hjerte med en transgen musemodell var assosiert med en reduksjon i glukosekatabolisme og en tilsvarende økning i fettsyreoksydasjon. Denne transgene modellen uttrykte også en konstitutivt aktiv form av fosfatase kalsineurin, og forårsaket dermed hypertrofi i kardiomyocyttfibrose og en slående økning i dødelighet .

hos mus som ble matet et høyt fett diett i 10 dager, reduserte kardialkarbohydratoksydasjonen markant, med oppregulering AV PDK4-aktivitet. Den fettrike dietten induserte metabolske forandringer i hjertet gjennom den eukaryotiske initieringsfaktoren 4e (eIF4E) / cyclin D1 / E2F1 / PDK4.

under moderat alvorlig iskemi er frie fettsyrer det primære drivstoffet i mitokondriell oksidasjon . Mens glykolyse fortsatt er aktiv og glukose brukes til laktatproduksjon for å gi ATP, uavhengig av oksygen, letter INAKTIVERING AV PDC bruk av fettsyrer. Iskemi forårsaker at pyruvat omdannes til laktat, og øker dermed surgjøringen i myokardiet . Dermed er inhibering AV PDK-aktivitet ved DCA viktig for å øke ATP-produksjonen samt Ca2 + opptaket, og bruk av kombinasjonen av glukose-insulin-K+ eller fettsyreoksidasjonshemmere er også gunstig .

Angiotensin II (Ang II), den viktigste effektor i renin angiotensin-systemet i hjertesvikt, kan indusere markert hjerte insulinresistens, som fører til hjerte metabolske bryteren fra glukose til fettsyre oksidasjon, produsere metabolsk ufleksibilitet og hjerte ineffektivitet . PDK4 er sterkt uttrykt i denne ang II-induserte hypertrofi-modellen, og sletting AV PDK4 forhindrer Ang II-indusert reduksjon i glukoseoksidasjon og forhindrer diastolisk dysfunksjon . Inhibering AV PDK4-aktivitet har blitt en ny terapeutisk strategi mot hjertesykdom .

PDK og metabolsk fleksibilitet i sentralnervesystemet

hjernen utnytter også glukoseoksidasjon som primær energikilde. Kultiverte astrocytter uttrykte MER PDK2 og PDK4 sammenlignet med nevroner, i samsvar med lavere PDH-aktivitet og høyere laktatproduksjon vist av kultiverte astrocytter . Det er akkumulerende bevis på at endringer I PDKs-aktivitet er knyttet til utviklingen av flere nevrologiske lidelser. For Eksempel Var Alzheimers sykdom forbundet med dysfunksjon I PDH-aktivitet og glukosemetabolisme . Hjernens aldring er assosiert med redusert PDK1 OG PDK2 mRNA i cerebellum og forhøyet PDK2 mRNA i hippocampus og cerebral cortex , OG PDK2 mRNA opp-regulering var involvert i glioblastom .

Hypotalamiske nevroner er følsomme for ernæringsmessige signaler og kan regulere energibalanse og glukose homeostase. Imidlertid er de underliggende komplekse mekanismene fortsatt ikke helt forstått. Nylige studier på mus fastet i 48 h viste en genuttrykksprofil i hypothalamus i samsvar med redusert glukoseutnyttelse og økt lipidoksidasjon, inkludert forhøyet PDK4 mRNA, i samsvar med resultatene i skjelettmuskulatur, lever, hjerte og nyre . Oppreguleringen AV PDK4 ble også observert i hypothalamus under neonatal rotte fastende i 6 timer, noe som gjenspeiler et forsøk på å spare energi under neonatal matmangel . Dette indikerer også at den nyfødte hjernen ikke er spart fra glukosebegrensning under energikrise, men i stedet kan den nyfødte hjernen bruke ketoner avledet fra fettsyremetabolismen som den viktigste energikilden . DET rapporteres imidlertid kun begrensede studier for PDKS effekt på hypotalamisk energibalanse. Mer forskning er forventet.

PDK og metabolsk fleksibilitet i andre vev

Pankreatiske holmer

i murine pankreatiske hryvnias celler økte BÅDE høy fettsyre-og høy glukosebehandling PDK-aktivitet og redusert PDH-aktivitet. Palmitate up-regulert mRNA uttrykk FOR PDK1, PDK2 OG PDK4, mens høy glukose økt PDK1, PDK2 mRNA men redusert PDK4 mRNA, tyder på ulike transkripsjonelle regulering. Induksjon av PDK-ekspresjon av både glukose og fett er således en følge av en reduksjon av fleksibiliteten i β cellemetabolisme under progresjonen fra fedme til T2D .

Kronisk eksponering for hyperglykemiske tilstander resulterer i glukotoksisitet i β celler. Glukotoksisitet svekker glukosesimulert insulinsekresjon( GSIS), noe som bidrar til utviklingen AV T2D. Metabolomisk analyse av β celler etter eksponering for høy glukose (25 mM for 20 timer) viste en økning i glukose og reduksjon i fettsyrer under GSIS, men ingen signifikante endringer I PDK2 protein . Tilsvarende forskning på insulinoma E (INS-1E) β cellelinjer viste en økning I PDC E1a underenhet fosforylering under høy glukosebehandling (50 mM i 48 timer). Knockdown AV PDK1 og PDK3 førte til en markert reduksjon I PDC inaktivering. PDC-inaktiveringen var imidlertid ikke forbundet med endret GSIS . DET er mulig AT PDC-aktivitet i INS-1E β celler er i overkant, og derfor er senking av aktiviteten liten. Prolaktin kan også indusere GSIS I INS-1e cellelinjer ved undertrykkelse Av PDKs og økt PDC-aktivitet, noe som tyder på en ny rolle for laktogener i diabetesbehandling . Som det viktigste organet som er involvert I patogenesen AV T2D, er det behov for mer forskning på metabolsk fleksibilitet i pankreatiske β.

Kreftceller

Kreftceller har en unik måte å skaffe seg energi på, kalt warburg-effekten. De bruker økt glykolyse og undertrykker mitokondriell glukoseoksydasjon for å gi energi med en proliferativ fordel, som bidrar til apoptosebestandighet og til og med økt angiogenese . Under lave næringsforhold ble warburg-effekten forbedret gjennom en mekanisme som involverte reaktive oksygenarter (ROS) / AMPK – avhengig aktivering av PDK . PDK1 OG PDK3 er de viktigste isoformene knyttet Til warburg-effekten . Dermed hemming AV PDK med enten små forstyrrende Rna eller foreldreløse legemidler, slik SOM DCA, kan skifte metabolismen av kreftceller fra glykolyse til glukose oksidasjon, og kan gi en kraftig tilnærming til å behandle kreft .