de centrale rol van pyruvaatdehydrogenasekinasen in metabole flexibiliteit

het handhaven van een evenwicht tussen energievraag en-aanbod is van cruciaal belang voor de gezondheid. Glucose en lipiden (vetzuren en ketonlichamen), als bronnen van cellulaire energie, kunnen met elkaar concurreren en interageren . Het vermogen van een organisme om brandstofoxidatie aan te passen aan de beschikbaarheid van brandstof, dat wil zeggen om bij voorkeur koolhydraat-en lipidenbrandstoffen te gebruiken en om snel tussen deze brandstoffen te kunnen schakelen, wordt metabole flexibiliteit genoemd . Het niet afstemmen van brandstofoxidatie op veranderingen in de beschikbaarheid van voedingsstoffen gaat vaak gepaard met symptomen zoals insulineresistentie, ectopische lipidenaccumulatie en mitochondriale disfunctie . Aldus, metabolische inflexibiliteit is strak verwant aan een reeks syndromen zoals type 2 diabetes (T2D), zwaarlijvigheid, hart-en vaatziekten en metabool syndroom.Een van de belangrijkste enzymen die verantwoordelijk zijn voor metabole flexibiliteit bij zoogdieren is het pyruvaatdehydrogenase complex (PDC), een mitochondriaal multi-enzymcomplex dat de oxidatieve decarboxylatie van pyruvaat katalyseert . PDC controleert de omzetting van pyruvaat, Coenzyme A (CoA) en NAD+ in acetyl-CoA, NADH en CO2, en verbindt zo vetzuurmetabolisme, glucosemetabolisme en de cyclus van tricarbonzuur (TCA). De CoA-geactiveerde twee-koolstofeenheid die door het katabolisme van pyruvate wordt geproduceerd kan met oxaloacetate in de eerste reactie van de TCA-cyclus worden gecondenseerd, of voor vetzuur en cholesterolsynthese worden gebruikt . Pyruvaat kan ook worden geconserveerd voor gluconeogenese in lever en nieren . Zo neemt de PDC een centrale positie in in het cellulaire energiemetabolisme (figuur 1).

PDC en PDK ‘ s nemen centrale posities in in het cellulaire energiemetabolisme. Vetzuur en glucose concurreren met elkaar voor oxidatie op het niveau van de PDC bij zoogdieren. PDC katalyseert de oxidatieve decarboxylation van pyruvate om acetyl-CoA te vormen en verbindt zo glucosemetabolisme en vetzuurmetabolisme. PDC kan door PDKS worden phosphorylated, die door mitochondrial acetyl-CoA, NADH, pyruvate, ATP en nucleaire transcriptiefactoren kan worden geregeld. ERRa: oestrogeengerelateerde receptor α; FoxO: Forkhead box protein O; NEFA: niet-veresterd vetzuur; PDC: Pyruvaatdehydrogenase complex; PDK ‘ s: Pyruvaatdehydrogenase kinases; PGC1a: PPARy co-activator 1α; PPARs: Peroxisoom proliferator-geactiveerde receptoren; TG: Triglyceride; TCA: Tricarbonzuur.

PDC is actiever in de gezonde en goed gevoede staat. Nochtans, is de afschaffing van PDC cruciaal voor glucosesynthese wanneer glucose schaars is . De inactivatie van de PDC-activiteit wordt gekatalyseerd door vier zeer specifieke pyruvaatdehydrogenase – (PDH -) kinase – (PDK -) iso-enzymen die specifieke serineresiduen in de α-subeenheid van het E1-enzym in de PDC kunnen fosforyleren . Van alle bekende isozymen, zijn PDK2 en PDK4 het wijdst gedistribueerd en hoogst uitgedrukt in hart, lever en nier in mensen en knaagdieren. PDK4 is ook overvloedig in pancreas eilandjes en in skeletachtige spieren die hoge glucose gebruik en vetzuur oxidatie tarieven hebben. PDK1 en PDK3 hebben vrij beperkte weefseldistributie . De activiteiten van PDKs kunnen door verschillende niveaus van metabolites evenals transcriptiefactoren onder diverse voorwaarden en in verschillende weefsels worden geregeld (Figuur 2). Zo kan de PDC het gebruik en de opslag van brandstoffen beheren om metabolische flexibiliteit te vervullen in reactie op het milieu.

transcriptionele regulatieroutes van PDK4 in verschillende weefsels onder verschillende voedingstoestanden. Inactivatie van PDC door up-regulatie van PDK4 kan glucosekatabolisme omschakelen naar vetzuurgebruik. Er zijn verschillende transcriptional regulatiewegen in skeletachtige spier, lever, wit vetweefsel en hart onder diverse voedingsvoorwaarden (energiegebrek, vetrijke dieetconsumptie, oefening, ziekten, drugs). Akt / PKB: eiwitkinase B; AMPK: 5 ‘ -AMP-geactiveerd eiwitkinase; CD36: cluster van differentiatie 36; C / EBPß: ccaat / enhancer-bindend eiwit β; eIF4E: eukaryotische initiatiefactor 4E; ERRa: oestrogeengerelateerde receptor α; vet: Vetzuurtransporter; FoxO1: Forkhead box eiwit O1; LXR: lever x receptor; MAPK: P38 mitogen-geactiveerd eiwitkinase; PDC: Pyruvaat dehydrogenase complex; PDK4: pyruvaat dehydrogenase kinase 4; PGC1a: PPARy co-activator 1α; PPARs: Peroxisome proliferator-geactiveerde receptoren; SHP: kleine heterodimer partner; STAT5: Signaaltransducer en activator van transcriptie 5.

dit overzicht geeft een samenvatting van de recente studies over PDK ‘ s centrale rol in het beheersen van metabole flexibiliteit, een recent concept in cellulaire energiemetabolisme, onder verschillende voedingsomstandigheden (energiegebrek, vetrijke dieet consumptie, lichaamsbeweging en ziekte) in diverse weefsels (skeletspieren, lever, wit vetweefsel, hart, pancreas eilandjes en zenuwstelsel), met de nadruk op de best gekarakteriseerde PDK4. Het begrijpen van de verordening van PDKs in verschillende weefsels en hun rollen in energiehomeostase zal voordelig voor behandeling van verschillende soorten metabolische ziekten zijn.

PDK en metabole flexibiliteit in skeletspieren

als kwantitatief het grootste orgaan in het lichaam, zijn skeletspieren verantwoordelijk voor 30% tot 40% van de metabole snelheid bij volwassenen in rusttoestand. Het draagt bij aan 80% van de door insuline gestimuleerde glucoseopname en is een belangrijke plaats voor glucose-oxidatie en vetzuurmetabolisme . De skeletspier vertoont opmerkelijke metabolische flexibiliteit in brandstofgebruik als reactie op verschillende metabolische uitdagingen zoals energiegebrek en veranderingen in de voedingssamenstelling. Bij gezonde, magere personen is de skeletspier onder insulinestimulatie in staat om over te schakelen van overwegend lipidenoxidatie en een hoge mate van vetzuuropname naar onderdrukking van lipidenkatabolisme en verhoogde glucoseopname, oxidatie en opslag . Nochtans, manifesteren de zwaarlijvige en T2D patiënten hogere tarieven van lipidenoxidatie in skeletachtige spier en zijn vrij insuline bestand, resulterend in metabolische inflexibiliteit .

energiegebrek

tijdens energiegebrek is glucose schaars en wordt lange-ketenoxydatie van vetzuren gebruikt om te voldoen aan de energiebehoefte van cellen. De verminderde voedselinname en de verlaagde insulineconcentraties verminderen glucosegebruik om glucose te bewaren . PDC-activiteit van zoogdieren wordt onderdrukt door PDK ‘ S hyper-fosforylatie, waardoor de omzetting van pyruvaat in acetyl-CoA in skeletspieren wordt beperkt . Met minder acetyl-CoA beschikbaar, wordt de synthese van malonyl-CoA, een remmer van vetzuuroxidatie, verminderd . Als gevolg hiervan wordt vetzuuroxidatie zowel geforceerd als vergemakkelijkt door up-regulatie van PDK4 . Achtenveertig uur vasten bij ratten (volledige onttrekking van voedsel) werd geassocieerd met een 3-4-voudige toename van pdk4-eiwit en mRNA in gastrocnemius-spieren, zonder effecten op de expressie van PDK2 . Achtenveertig uur nuchtere pdk4 knock-out muizen vertoonden verlaagde bloedglucose, verhoogde serum niet-veresterde vetzuren en grotere PDC-activiteit in gastrocnemius spier , consistent met de lagere percentages van vetzuuroxidatie en verhoogde percentages van glucose en pyruvaatoxidatie. Bij pdk4 knock-out muizen leidde een tekort aan energie echter eerder tot een afname dan tot een toename van de pdk2-activiteit in de gastrocnemius-spier . Dit suggereerde dat PDK2 niet in staat was om het verlies van functie van PDK4 als reactie op vasten te compenseren. Het gedurende 48 uur bijvoegen van de gevast wild-type ratten verlaagde pdk4 mRNA tot een niveau dat vergelijkbaar is met dat van de controlegroep .

acetyl-CoA en NADH geproduceerd door vetzuuroxidatie stimuleerden de PDK-activiteit in skeletspieren . Er was ook een selectieve inductie van forkhead box O1 (FoxO1) en forkhead box O3 (FoxO3) transcripten in gastrocnemius spier bij muizen na 48 uur van voedselonttrekking , wat wijst op de betrokkenheid van de FoxO in up-regulatie van PDK4 als reactie op korte termijn veranderingen in de voedingstoestand. PDK4, interactie met vetzuurtransporter/cluster van differentiatie 36 (vet/CD36, belangrijke vetzuuropname eiwitten in spier), peroxisoom-proliferator geactiveerde receptor δ/β (PPARδ/β, vetzuur geactiveerde nucleaire receptor) en FoxO1, biedt een kader voor het reguleren van spierbrandstofvoorkeur in reactie op vasten . Tijdens energiegebrek activeert de CD36-gefaciliteerde vetzuurflux PPARδ / β, die de uitdrukking van FoxO1 en PDK4 coördineert om glucoseoxidatie te remmen. De vetzuurflux en verlaagde insulineconcentraties worden geassocieerd met downregulatie van eiwitkinase B (Akt/PKB), wat leidt tot FoxO1-activering . Aangezien FoxO1 ook CD36 aan het plasmamembraan rekruteert en lipoproteïnelipase induceert, verbeteren al deze het vetzuurgebruik in skeletachtige spier . De nieuwe lever x-receptor (LXR) – PPARa metabolostatische signalerende as werd ook gemeld om betrokken te zijn bij de spierenergietekortrespons . De activering van LXR verhoogde PPARa-signalering om de vasten-geïnduceerde up-regulatie van pdk4-expressie te verhogen, waardoor de vetzuuroxidatie wordt verbeterd en het glucosekatabolisme in skeletspieren wordt verminderd .

langdurig gebruik van een vetrijk dieet

langdurig gebruik van een vetrijk dieet kan hyperglycemie, hyperinsulinemie, glucose-intolerantie en obesitas veroorzaken. De toediening van een dieet hoog in verzadigde vetten gedurende 4 weken aan ratten verhoogde significant pdk2 en pdk4 eiwitexpressie in zowel snel-twitch witte spiervezel subtypes (anterior tibialis) en langzaam-twitch rode spiervezel subtypes (soleus) in ratten . De slow-twitch rode spiervezel is rijk aan mitochondriën en myoglobine en vertrouwt op aërobe metabolisme van koolhydraten en lipide brandstoffen. In soleus was de relatieve toename van pdk4-expressie ook gekoppeld aan een meer dan 7-voudige toename van de pyruvaatconcentratie en een 50% afname van de PDC-activiteit in vergelijking met die in anterior tibialis , wat wijst op een groter verlies van PDK-gevoeligheid als gevolg van pyruvaatremming in sneltrekkende spieren in vergelijking met langzaamtrekkende spieren. Consumptie van een vetrijk dieet leidt tot het gebruik van lipide-afgeleide brandstoffen als respiratoire substraten in spieren, gedeeltelijk gemoduleerd door de up-regulatie in PDK activiteit. De verbeterde vetzuuroxidatie na het voeden van vetrijke diëten in langzame spiertrekkingen wordt voornamelijk toegeschreven aan de up-regulatie van PDK4. Echter, in sneltrekkende spieren werd ook een verhoogd mRNA van PDK2 waargenomen, wat wijst op een mogelijke coördinaatregulatie tussen PDK2 en PDK4 in witte spiervezel-subtypes.

pdk4-deficiëntie leidt tot remming van vetzuuroxidatie en toename van glucose-oxidatie als gevolg van een grotere PDC-activiteit, waardoor de omzetting van pyruvaat in acetyl-CoA toeneemt. Met meer acetyl CoA beschikbaar om malonyl-CoA, een inhibitor van vetzuuroxidatie samen te stellen, vermindert het tarief van vetzuuroxidatie toe te schrijven aan een directe terugkoppellijn . Echter, het voeden van vetrijke diëten op de lange termijn bevordert noch verdere ectopische vetophoping noch verergert insulineresistentie . Na het voeden van een hoog verzadigd vet dieet gedurende 32 weken bij pdk4 knockout muizen, ontwikkelden de pdk4 deficiënte muizen ook hyperinsulinemie, maar minder vetophoping in skeletspieren en een betere glucosetolerantie in vergelijking met de wild-type muizen . De vetzuursynthase-activiteit was ook lager, wat erop wijst dat de afwezigheid van PDK4 signaalcomponenten kan veranderen die betrokken zijn bij de regulatie van het lipidenmetabolisme .

Up-regulatie van de orphan nuclear receptor oestrogeengerelateerde receptor α (erra) mRNA en eiwit werd gevonden bij muizen na chronische consumptie van een vetrijk dieet . Er is gesuggereerd dat PPARy-coactivator 1α (PGC1a) glucosekatabolisme en mitochondriale oxidatieve routes kan reguleren door de pdk4-activiteit te verhogen via een pgc1a/ERRa-afhankelijke route in skeletspieren . ERRa kan pgc1a rekruteren om te combineren met de pdk4-promotor en pdk4-transcriptie regelen, die onafhankelijk is van FoxO1 en PPARs . De negatieve regulering van de PDC-activiteit door PDK4 remt de binnenkomst van pyruvaat in de TCA-cyclus en botst vervolgens de cellulaire glucose-oxidatie als reactie op vetrijke voeding . Aldus heeft PGC1a / ERRa een belangrijke rol in vetrijke dieetgeïnduceerde pdk4 up-regulatie en metabolische flexibiliteit in skeletachtige spier.

oefening

er werd vastgesteld dat PDC-activering tijdens spiercontractie met een lage tot matige intensiteit ~2 maal hoger was bij pdk4 knockout muizen dan bij wild-type muizen tijdens inspanning, ongeacht de intensiteit . Pdk4 mRNA was duidelijk verhoogd tijdens langdurige inspanning en na zowel kortdurende hoge intensiteit als langdurige lage intensiteit inspanning in skeletspieren bij muizen . De inactivatie van PDC in reactie op zowel langzaam-twitch en snel-twitch spiercontractie door up-gereguleerde PDK4 kan de binnenkomst van glycolytische producten in de mitochondriën voor oxidatie beperken. De herstelperiode na oefening benadrukt ook de hoge metabolische prioriteit van glycogeen die wordt aangevuld om de energiehomeostase in skeletspieren te herstellen . De hoge vette dieetconsumptie gedurende 18 weken gevolgd door 12 h oefening verhoogde ook pdk4 uitdrukking in skeletachtige spier in muizen , leidend tot verminderde PDC activiteit en minder koolhydraat oxidatie. FoxO1 werd voorgesteld om een mogelijke transcriptiefactor met betrekking tot deze verandering te zijn. FoxO1 kan veranderingen in beschikbaarheid van vrije vetzuren waarnemen, en deze boodschap stroomafwaarts doorgeven door transcriptie van PDK4 te moduleren. Un-phosphorylated FoxO1 verblijft in de kern waar het transcriptie van genen kan activeren die insulineresponselementen bevatten. Phosphorylation van FoxO1 door de weg AKT / PKB leidt tot nucleaire uitsluiting en vernietiging . PGC1a speelde ook een belangrijke rol in skeletspieren als reactie op lichaamsbeweging volgens onderzoek op paarden . PGC1a gereguleerd glucose oxidatie terwijl het verhogen van mitochondriale ademhaling en vetzuur oxidatie tijdens post-oefening herstel in volbloed paarden .

naast het trainen van de spier, vertoonde de rustspier tijdens acute uithoudingsvermogen in het één-been cycling model ook een verhoogde pdk4 expressie, waarschijnlijk gemedieerd door verhoging van circulerende vrije vetzuren, liganden van PPAR ‘ s en up-regulatie van PPAR routes .

insulineresistentie en diabetes

insulineresistentie wordt meestal gekarakteriseerd als een beperkte respons op het gestimuleerde glucosemetabolisme in skeletspieren. Ook de weerstand tegen onderdrukking van lipidegebruik onder insulineresistentie verminderde de capaciteit om tussen brandstoffen te schakelen, leidend tot metabolische inflexibiliteit . Dit is zeer gemeenschappelijk voor zwaarlijvige en T2D patiënten in de insuline gesimuleerde voorwaarde. Kim et. al induceerde acute insulineresistentie door constante infusie van Intralipid (een vetemulsie) en lactaat gedurende 5 uur bij ratten, resulterend in 2 tot 3 maal hogere pdk4-expressie in spieren na insuline-infusie , wat wijst op het verminderde vermogen van insuline om PDK4 te onderdrukken. De Intralipide en lactaatinfusie verminderden ook de fosforylering van Akt/PKB en FoxO1, wat de verstoorde insulinesignaal illustreert . Een recentere klinische studie toonde aan dat de groeihormoon (GH) lipolyse kan bevorderen en insulinegevoeligheid in menselijke onderwerpen kan verminderen. Dit werd geassocieerd met up-regulatie van pdk4 mRNA en verminderde actieve PDC, vergelijkbaar met wat wordt waargenomen tijdens vasten . Het onderzoek naar T2D patiënten spierbiopten toonde aan dat zowel pdk2 als pdk4 mRNA werden verhoogd in vergelijking met gezonde vrijwilligers na nacht vasten, wat consistent was met de insulineresistentie en metabole inflexibiliteit van T2D patiënten. Voorts werd de methylationstatus van cytosines in het gebied +160 en +446 van de promotor pdk4 verminderd in patiënten T2D, die suggereren dat de epigenetische wijziging van mitochondrial genen betrokken zijn bij het regelen van substraatomschakeling . Echter, als een van de transcriptiefactoren die de expressie van PDK4 reguleert, werd gemeld dat de pgc1a-promotor hyper-geméthyleerd was in skeletspieren van T2D-proefpersonen en na overvoeding van vet aan personen met een laag geboortegewicht , wat erop wijst dat veranderde methylatiepatronen geassocieerd met metabole ziekte promotorspecifiek kunnen zijn .

therapeutische interventies zijn gebruikt om de expressie van PDK4 bij diabetes te verminderen. Voorbij insuline, werden verscheidene pdk4 inhibitors gebruikt om glucoseafvoer in dierlijke modellen te bevorderen. De eerste studies toonden bemoedigende resultaten met mondeling beleid van dichloroacetate (DCA), maar deze samenstelling is een zwakke PDK inhibitor en giftig . Meer recent, omvatten de machtige mondeling beheerde drugs zoals PDK-inhibitors die door Novartis en AstraZeneca worden geproduceerd gewoonlijk amiden van trifluoro-2-hydroxy-2-methylpropionic zuur . Al deze remmers, waaronder de Pdk2-remmer Nov3r en AZD7545, binden zich op de bindingsplaats van de lipoylgroep van PDK en verhogen effectief de PDC-activiteit . Veel geneesmiddelen richten zich op de PDK-activiteit in de meeste perifere weefsels, zoals DCA, maar sommige geneesmiddelen hebben een betere werkzaamheid in specifieke weefsels. Bijvoorbeeld, verhoogde AZD7545 PDC-activiteit effectiever in lever dan in skeletachtige spier en hart en met het verlies van doeltreffendheid in skeletachtige spier van gevast dieren .

PDK en metabole flexibiliteit in de lever

een van de primaire functies van de lever is het reguleren van de toevoer van glucose en andere metabole brandstoffen om energie te leveren aan andere weefsels . Het lichaam kan de bloedsuikerspiegel in evenwicht brengen door het in evenwicht brengen van glucose productie en opslag in de lever en in de nieren, en het reguleren van het gebruik ervan in perifere weefsels. Onder nuchtere omstandigheden biedt de lever aanvankelijk glucose uit glycogenolyse, de afbraak van de leverglycogeenopslag. Bij langdurig energiegebrek is de primaire glucosebron gluconeogenese, de synthese van glucose uit niet-koolhydraatprecursoren zoals glycerol, lactaat en het aminozuur alanine . De inactivatie van PDC door PDK ‘ s kan omzetting van pyruvaat in acetyl-CoA remmen, resulterend in een verschuiving van pyruvaat naar de TCA-cyclus of vetzuursynthese naar gluconeogenese .

48 uur nuchter veranderde de PDC-activiteit in de lever van pdk4-knockoutmuizen niet, maar de tussenproducten van de gluconeogene route (glucose-6-fosfaat, fructose-1,6-bisfosfaat, pyruvaat, lactaat en citraat) waren lager , wat wijst op een verminderde mate van gluconeogenese en glycolyse. Groeihormoon (GH) kan de hepatische pdk4-expressie in de lever bij wild-type muizen tijdens het vasten verhogen door de activering van signaaltransducer en activator van transcriptie 5 (STAT5), wat leidt tot remming van de PDC-activiteit, waardoor substraten worden behouden voor gluconeogenese . Metformine, een algemeen voorgeschreven drug voor T2D, kan GH-veroorzaakte pdk4 uitdrukking via een 5′-AMP-geactiveerde eiwitkinase – kleine heterodimer partner (AMPK-SHP) afhankelijke weg remmen om de combinatie van STAT5 aan de promotor PDK4 te remmen .

de leverexpressie van de PDK4 en PDK2 en de PDC-activiteit werden niet beïnvloed bij wild-type muizen die gedurende 18 weken een vetrijk dieet kregen. . Vetrijke voeding veroorzaakte hepatische steatose, een aandoening die optreedt wanneer de vetophoping de oxidatiesnelheid overschrijdt . Deze situatie werd voorkomen in pdk4 knockout muizen die een hoog-verzadigd vet dieet verbruikt 32 weken . Dit kan gedeeltelijk worden verklaard door de veranderde pgc1a-activiteit in de lever. PGC1a controleert de expressie van gluconeogene enzymen zoals fosfoenolpyruvaat carboxykinase (PEPCK). Het uitschakelen van PDK4 kan leiden tot hogere niveaus van PGC1a, consistent met grotere activiteit van PEPCK en een lagere capaciteit voor de novo vetzuursynthese . PPARa toonde ook gecoördineerde regulering met PGC1a bij hepatische steatose, wat werd aangetoond door de versterkte gunstige effecten van clofibrinezuur, een PPARa-agonist, op vetzuuraccumulatie bij pdk4 knockout muizen . In tegenstelling tot skeletspieren waren vet/CD36, sleutelenzymen voor vetzuurtransport, niet betrokken bij de verminderde vetophoping in de lever .

bij diabetici zijn de expressie van de PDK-genen, met name PDK4, significant verhoogd in de lever, wat kan helpen de verhoogde mate van gluconeogenese en de gunstige effecten van metformine te verklaren. Het onderzoek naar het diabetische muizenmodel dat in leverinsulinereceptorsubstraten 1 en 2 (IRS 1/2) ontoereikend is onthulde dat zowel neerhalend als knockout van het gen pdk4 tot verbetering van glycemic controle en glucosetolerantie leidde. PDK4 was efficiënter in het reguleren van metabole flexibiliteit dan pdk2 in de lever . In combinatie met de resultaten van de andere studies lijkt het erop dat PDK2 voornamelijk glucosegebruik reguleert, terwijl PDK4 betrokken kan zijn bij zowel het glucosemetabolisme van het systeem als bij de hepatische gluconeogenese.

schildklierhormoon (T3) reguleert meerdere aspecten van metabole leverenergieprocessen, zoals vetzuuroxidatie, lipogenese en glucose-oxidatie. Experimentele hyperthyreoïdie kan pdk4-expressie induceren in de lever , skeletspieren en het hart , wat leidt tot remming van de PDC-activiteit. In de promotor van het pdk4-gen bij de rat werden twee bindingsplaatsen voor schildklierhormoonreceptor β geïdentificeerd . Naast het functioneren als een T3 co-activator, kan PGC1a ook de T3 inductie van lever pdk4 expressie in ratten verbeteren . Het ccaat / enhancer-binding protein β (C/EBPß), als transcriptiefactor voor genen die coderen voor gluconeogene enzymen zoals PEPCK, stimuleert ook de hepatische pdk4-expressie bij ratten via twee C / EBPß-responselementen in de pdk4-promotor en neemt ook deel aan de T3-inductie van pdk4-transcriptie .

PDK4 en metabole flexibiliteit in wit vetweefsel

vergeleken met skeletspieren en lever is er relatief weinig onderzoek gedaan naar metabole flexibiliteit in wit vetweefsel (WAT). WAT is een cruciaal orgaan voor een vetzuur metabolisme bekend als adipocyte glyceroneogenese. Deze weg gebruikt pyruvate, alanine, glutamine of om het even welke substanties van de TCA cyclus als voorlopers om dihydroxyacetonfosfaat (DHAP) samen te stellen en tenslotte glycerol-3-fosfaat (G3P) voor de synthese van triacylglycerol (markering) te produceren . PDC is verbonden met dit proces en de afschaffing van PDC staat verhoogd gebruik van lactaat en pyruvate voor glyceroneogenesis toe .

als activator van de glyceroneogenese verhoogden thiazolidinedionen (TZD) de expressie van pdk4 mRNA in subcutane, periepididymale en retroperitoneale wat depots in fa/fa zuckerratten, een genetisch obese, insulineresistent model, terwijl pdk2 mRNA niet werd beïnvloed, wat wijst op de vitale rol van PDK4 in de glyceroneogenese. TZD-geïnduceerde pdk4 expressie was weefselspecifiek omdat lever en spier niet reageerden op een dergelijke behandeling . Vergelijkbare resultaten werden waargenomen voor 3 T3-F442A adipocyten in vitro, gebruikend pdk4 inhibitors, DCA en leelamine, en pdk4 siRNA. Zowel 500 µmol / l DCA als 50 µmol / l leelamine remde de inbouw van pyruvaat in triglyceriden. De opname van pyruvaat in lipiden werd verminderd 40% na transfectie van adipocytes met pdk4 siRNA . PPARy is een nucleaire receptor gereguleerd door de insuline-sensibiliserende TZDs. PDK4 is een indirect doel van PPARy. Zo heeft de regulering van PDK4 door TZD in WAT nauw verband met PPARy .

afgezien van TZD, verhoogde acute epinefrinebehandeling ook pdk4 mRNA via P38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) en AMPK routes in gekweekte adipocyten en in epididymale wat depots in obese, insuline resistente rat modellen die werden geïnduceerd door vetrijke diëten . Pdk2 mRNA was nog steeds onaangetast. Twee uren van het zwemmen produceerde gelijkaardige resultaten als epinefrinebehandeling in WAT in zowel magere als zwaarlijvige ratten . Gecombineerd met verhoogde G3P synthese via PEPCK, staat meer glyceroneogenesis verhoogde re-esterification van niet-esterified vetzuren in markering van lipolyse toe, terwijl de glucoseoxidatie in deze adipocytes wordt verminderd . Met een belangrijke rol in glucose klaring en vet synthese/opslag, bevordert up-regulatie van PDK4 tijdens inspanning, adrenaline en TZD behandeling die leiden tot PDC remming, energieopslag in WAT. Er is meer werk nodig voor het ophelderen van de transcriptionele trajecten die betrokken zijn bij pdk4 up-regulatie in WAT .

PDK4 en metabole flexibiliteit in het hart

metabole inflexibiliteit gaat altijd gepaard met cardiomyopathie, vooral tijdens ischemie, en kan zelfs hartfalen veroorzaken . Het niet oxideren van voldoende koolhydraten om aan de energiebehoefte te voldoen is een belangrijke reden voor cardiale inefficiëntie. Dit kan worden aangetoond door cardiale specifieke overexpressie van PDK4, wat voldoende is om een verlies van metabole flexibiliteit te veroorzaken en cardiomyopathie te verergeren . Overexpressie van PDK4 in het hart met een transgene muizen model werd geassocieerd met een afname van glucosekatabolisme en een overeenkomstige toename van vetzuuroxidatie. Dit transgene model toonde ook een constitutief actieve vorm van de fosfatase calcineurine, en veroorzaakte zo hypertrofie in cardiomyocyt fibrose en een opvallende toename in mortaliteit .

bij muizen die gedurende 10 dagen een vetrijk dieet kregen, nam de cardiale koolhydraat-oxidatie aanzienlijk af, met up-regulatie van de pdk4-activiteit. Het vetrijke dieet veroorzaakte cardiale metabolische veranderingen door de eukaryotic initiatiefactor 4E (eIF4E)/cyclin D1/E2F1/pdk4 weg .

tijdens matig ernstige ischemie zijn vrije vetzuren de primaire brandstof bij mitochondriale oxidatie . Terwijl de glycolyse nog actief is en de glucose voor lactaatproductie wordt gebruikt om ATP op te leveren, onafhankelijk van zuurstof, vergemakkelijkt de inactivatie van PDC het gebruik van vetzuren. Ischemie veroorzaakt pyruvate om in lactaat worden omgezet, waardoor de verzuring binnen het myocardium wordt verhoogd . Zo remming van PDK activiteit door DCA is essentieel om de ATP productie evenals de Ca2+ opname te verhogen, en het gebruik van de combinatie van glucose-insuline-K+ of vetzuuroxidatieremmers zijn ook voordelig .Angiotensine II (Ang II), de belangrijkste effector in het renine angiotensinesysteem bij hartfalen, kan een uitgesproken insulineresistentie van het hart induceren, wat leidt tot de cardiale metabole omschakeling van glucose naar vetzuuroxidatie, wat metabole inflexibiliteit en cardiale inefficiëntie veroorzaakt . PDK4 wordt sterk uitgedrukt in dit ang II geïnduceerde hypertrofie model en verwijdering van PDK4 voorkomt de ang II geïnduceerde vermindering van glucose oxidatie en voorkomt diastolische disfunctie . Remming van pdk4-activiteit is een nieuwe therapeutische strategie tegen hartziekten geworden .

PDK en metabole flexibiliteit in het centrale zenuwstelsel

de hersenen maken ook gebruik van glucose-oxidatie als primaire energiebron. Gekweekte astrocyten vertoonden meer PDK2 en PDK4 in vergelijking met neuronen, consistent met de lagere PDH-activiteit en hogere lactaatproductie die wordt weergegeven door gekweekte astrocyten . Er is accumulerend bewijs dat veranderingen in PDK ‘ s activiteit verbonden zijn met de ontwikkeling van verschillende neurologische aandoeningen. Bijvoorbeeld, werd de ziekte van Alzheimer geassocieerd met dysfunctie in PDH activiteit en glucosemetabolisme . Het verouderen van de hersenen wordt geassocieerd met verminderde pdk1 en pdk2 mRNA in het cerebellum en verhoogde pdk2 mRNA in de hippocampus en de hersenschors , en de up-regulatie van pdk2 mRNA was betrokken bij glioblastoom .Hypothalamische neuronen zijn gevoelig voor voedingssignalen en kunnen de energiebalans en de glucosehomeostase reguleren. De onderliggende complexe mechanismen zijn echter nog niet volledig begrepen. Recente studies bij muizen die 48 uur nuchter waren, toonden een genexpressieprofiel aan in de hypothalamus dat overeenstemt met een verminderd glucosegebruik en een verhoogde lipidenoxidatie, waaronder verhoogd pdk4 mRNA, dat overeenkomt met de resultaten in skeletspieren, lever, hart en nieren . De up-regulatie van PDK4 werd ook waargenomen in de hypothalamus tijdens het vasten van de neonatale rat gedurende 6 uur, als gevolg van een poging om energie te besparen tijdens neonatale voedselgebrek . Dit wijst er ook op dat de neonatale hersenen niet worden gespaard van glucose beperking tijdens energiecrisis, maar in plaats daarvan de neonatale hersenen kunnen ketonen afgeleid uit vetzuurmetabolisme gebruiken als de belangrijkste bron van energie . Er zijn echter slechts beperkte studies gerapporteerd over het effect van PDK op de hypothalamische energiebalans. Er wordt meer onderzoek verwacht.

PDK en metabole flexibiliteit in andere weefsels

pancreaseilandjes

in muriene β-cellen in de pancreas verhoogde zowel behandeling met hoge vetzuren als met hoge glucose de PDK-activiteit en verminderde de PDH-activiteit. Palmitaat up-gereguleerde mRNA-expressie van PDK1, PDK2 en PDK4, terwijl hoge glucose pdk1 , pdk2 mRNA verhoogde maar pdk4 mRNA verminderde, wat wijst op verschillende transcriptionele Regulatie. Aldus begeleidt de inductie van PDK-uitdrukking door zowel glucose als vet de daling van de flexibiliteit van het β-celmetabolisme tijdens de vooruitgang van zwaarlijvigheid aan T2D .Chronische blootstelling aan hyperglycemie resulteert in glucotoxiciteit in β-cellen. Glucotoxiciteit schaadt glucose gesimuleerde insulinesecretie (GSIS), wat bijdraagt aan de ontwikkeling van T2D. Metabolomic analyse van cellen β na blootstelling aan hoge glucose (25 mM 20 h) openbaarde een verhoging van glucose en daling van vetzuren tijdens GSIS, maar geen significante veranderingen in pdk2 proteã ne . Vergelijkbaar onderzoek naar insulinoom e (INS-1E) β cellijnen toonde een toename van PDC E1A subeenheid fosforylatie tijdens hoge glucose behandeling (50 mM gedurende 48 uur). Neerhalen van PDK1 en PDK3 leidde tot een duidelijke vermindering van de PDC-inactivatie. De PDC-inactivatie ging echter niet gepaard met veranderde GSIS . Het is mogelijk dat de PDC-activiteit in de ins-1E β-cellen te hoog is en daarom is het verlagen van de activiteit van weinig belang. Prolactine kan ook GSIS in ins-1E cellijnen induceren door onderdrukking van PDK ‘ s en verhoogde PDC-activiteit, wat wijst op een nieuwe rol voor lactogenen in diabetesbehandeling . Als belangrijkste orgaan betrokken bij de pathogenese van T2D, is meer onderzoek naar metabolische flexibiliteit in pancreatische β-cellen nodig.Kankercellen

kankercellen

kankercellen hebben een unieke manier om energie te verkrijgen, het Warburg-effect genoemd. Zij gebruiken verhoogde glycolyse en onderdrukken mitochondrial glucose oxidatie om energie te voorzien van een proliferative voordeel, bevorderlijk voor apoptose weerstand en zelfs verhoogde angiogenese . In omstandigheden met lage voedingsstoffen werd het Warburg-effect versterkt door een mechanisme waarbij reactieve zuurstofspecies (ROS)/AMPK – afhankelijke activering van PDK betrokken was . PDK1 en PDK3 zijn de belangrijkste isovormen gerelateerd aan het Warburg-effect . Aldus kan de remming van PDK met of kleine interfererende RNAs of weesgeneesmiddelen, zoals DCA, het metabolisme van kankercellen van glycolyse aan glucoseoxidatie verschuiven, en kan een krachtige benadering verstrekken om kanker te behandelen .