kluczowa rola kinaz dehydrogenazy pirogronianowej w elastyczności metabolicznej

utrzymanie równowagi między zapotrzebowaniem na energię a podażą ma kluczowe znaczenie dla zdrowia. Glukoza i lipidy (kwasy tłuszczowe i ciała ketonowe), jako źródła energii komórkowej, mogą konkurować i współdziałać ze sobą . Zdolność organizmu do dostosowania utleniania paliwa do dostępności paliwa, to znaczy do preferencyjnego wykorzystania paliw węglowodanowych i lipidowych oraz do szybkiego przełączania się między nimi jest określana jako elastyczność metaboliczna . Brak dopasowania utleniania paliwa do zmian w dostępności składników odżywczych często towarzyszy takim objawom, jak insulinooporność, pozamaciczne gromadzenie lipidów i dysfunkcja mitochondriów . Tak więc nieelastyczność metaboliczna jest ściśle związana z szeregiem zespołów, takich jak cukrzyca typu 2 (T2D), otyłość, choroby układu krążenia i zespół metaboliczny.

jednym z głównych enzymów odpowiedzialnych za elastyczność metaboliczną u ssaków jest kompleks dehydrogenazy pirogronianowej (PDC), mitochondrialny kompleks wielu enzymów, który katalizuje oksydacyjną dekarboksylację pirogronianu . PDC kontroluje konwersję pirogronianu, koenzymu A (Coa) i NAD+ do acetylo-CoA, NADH i CO2, a zatem łączy metabolizm kwasów tłuszczowych, metabolizm glukozy i cykl kwasu trikarboksylowego (TCA). Aktywowany CoA dwu-węglowy zespół wytwarzany w wyniku katabolizmu pirogronianu może być skondensowany szczawiooctanem w pierwszej reakcji cyklu TCA lub stosowany do syntezy kwasów tłuszczowych i cholesterolu . Pirogronian może być również konserwowany do glukoneogenezy w wątrobie i nerkach . Tak więc PDC zajmuje centralną pozycję w komórkowym metabolizmie energetycznym (Rysunek 1).

PDC i PDK zajmują centralne pozycje w komórkowym metabolizmie energetycznym. Kwas tłuszczowy i glukoza konkurują ze sobą o utlenianie na poziomie PDC u ssaków. PDC katalizuje oksydacyjną dekarboksylację pirogronianu do postaci acetylo-CoA, a tym samym łączy metabolizm glukozy i metabolizm kwasów tłuszczowych. PDC może być fosforylowany przez PDK, które mogą być regulowane przez mitochondrialne acetylo-CoA, NADH, pirogronian, ATP i jądrowe czynniki transkrypcyjne. ERRa: receptor α związany z estrogenem; FoxO: białko pudełkowe o; NEFA: nieestryfikowany kwas tłuszczowy; PDC: kompleks dehydrogenazy pirogronianowej; PDKs: kinazy dehydrogenazy pirogronianowej; PGC1a: Ko-aktywator PPARy 1α; PPARs: Receptory aktywowane przez proliferatory peroksysomów; TG: trójglicerydy; TCA: kwas Trikarboksylowy.

PDC jest bardziej aktywny w stanie zdrowym i dobrze odżywionym. Jednak tłumienie PDC ma kluczowe znaczenie dla syntezy glukozy, gdy glukoza jest ograniczona . Inaktywacja aktywności PDC jest katalizowana przez cztery wysoce specyficzne izoenzymy dehydrogenazy pirogronianowej (PDH) kinazy (PDK), które mogą fosforylować specyficzne reszty serynowe w podjednostce α enzymu E1 w PDC . Spośród wszystkich znanych izoenzymów, PDK2 i PDK4 są najszerzej rozpowszechnione i wykazują dużą ekspresję w sercu, wątrobie i nerkach u ludzi i gryzoni. PDK4 jest również bogaty w wysepki trzustkowe i mięśnie szkieletowe, które mają wysokie wykorzystanie glukozy i szybkości utleniania kwasów tłuszczowych. PDK1 i PDK3 mają raczej ograniczony rozkład tkankowy . Aktywność PDKs może być regulowana przez różne poziomy metabolitów, jak również czynników transkrypcyjnych w różnych warunkach i w różnych tkankach (ryc. 2). W ten sposób PDC może zarządzać wykorzystaniem i magazynowaniem paliw, aby spełnić elastyczność metaboliczną w odpowiedzi na środowisko.

transkrypcyjne szlaki regulacji PDK4 w różnych tkankach w różnych stanach odżywczych. Inaktywacja PDC poprzez regulację PDK4 może zmienić katabolizm glukozy na wykorzystanie kwasów tłuszczowych. Istnieją różne ścieżki regulacji transkrypcji w mięśniach szkieletowych, wątrobie, białej tkance tłuszczowej i sercu w różnych warunkach żywieniowych (brak energii, spożywanie diety wysokotłuszczowej, ćwiczenia, choroby, leki). Akt / PKB: kinaza białkowa B; AMPK: kinaza białkowa aktywowana 5 ’ AMP; CD36: Klaster różnicowania 36; C / EBPß: białko wiążące ccaat / wzmacniacz β; EIF4E: eukariotyczny czynnik inicjujący 4E; ERRa: receptor związany z estrogenem α; tłuszcz: transporter kwasów tłuszczowych; FoxO1: białko pudełkowe O1; LXR: receptor wątroby X; MAPK: kinaza białkowa aktywowana mitogenem P38; PDC: Kompleks dehydrogenazy pirogronianowej; PDK4: kinaza dehydrogenazy pirogronianowej 4; PGC1a: Ko-aktywator PPARy 1α; PPAR: receptory aktywowane proliferatorem peroksysomów; SHP: Mały partner heterodimerowy; STAT5: przetwornik sygnału i aktywator transkrypcji 5.

niniejszy przegląd podsumowuje ostatnie badania dotyczące kluczowej roli PDK w kontrolowaniu elastyczności metabolicznej, niedawnej koncepcji w komórkowym metabolizmie energetycznym, w różnych warunkach żywieniowych (brak energii, spożywanie wysokiej zawartości tłuszczu, ćwiczenia i choroby) w różnych tkankach (mięśnie szkieletowe, wątroba, Biała tkanka tłuszczowa, serce, wysepki trzustkowe i układ nerwowy), z naciskiem na najlepiej scharakteryzowane PDK4. Zrozumienie regulacji PDK w różnych tkankach i ich roli w homeostazie energetycznej będzie korzystne w leczeniu różnych rodzajów chorób metabolicznych.

PDK i elastyczność metaboliczna w mięśniach szkieletowych

jako ilościowy największy narząd w organizmie, mięśnie szkieletowe odpowiadają za 30% do 40% tempa metabolizmu u dorosłych w stanie spoczynku. Przyczynia się do 80% wychwytu glukozy stymulowanej insuliną, jest głównym miejscem utleniania glukozy i metabolizmu kwasów tłuszczowych . Mięśnie szkieletowe wykazują niezwykłą elastyczność metaboliczną w zużyciu paliwa w odpowiedzi na różne wyzwania metaboliczne, takie jak brak energii i zmiany w składzie diety. U zdrowych osób chudych, pod wpływem stymulacji insuliną, mięśnie szkieletowe są w stanie przejść z głównie utleniania lipidów i wysokich wskaźników wychwytu kwasów tłuszczowych do tłumienia katabolizmu lipidów i podwyższonego wychwytu glukozy, utleniania i magazynowania . Jednak pacjenci otyli i T2D wykazują większe tempo utleniania lipidów w mięśniach szkieletowych i są stosunkowo odporni na insulinę, co powoduje nieelastyczność metaboliczną .

deprywacja energetyczna

podczas deprywacji energetycznej glukoza jest rzadka, a długołańcuchowe utlenianie kwasów tłuszczowych służy do spełnienia wymagań energetycznych komórek. Zmniejszone spożycie pokarmu i obniżone stężenie insuliny zmniejszają wykorzystanie glukozy w celu oszczędzania glukozy . Aktywność PDC u ssaków jest hamowana przez HIPERFOSFORYLACJĘ PDK, ograniczając konwersję pirogronianu do acetylo-CoA w mięśniach szkieletowych . Przy mniejszej ilości acetylo-CoA zmniejsza się synteza malonylo-Coa, inhibitora utleniania kwasów tłuszczowych . W rezultacie utlenianie kwasów tłuszczowych jest wymuszone i ułatwione przez regulację PDK4 . Czterdzieści osiem godzin postu u szczurów (całkowite odstawienie pokarmu) wiązało się z 3-4-krotnym zwiększeniem białka PDK4 i mRNA w mięśniach żołądka i jelit, bez wpływu na ekspresję PDK2 . Czterdzieści osiem godzin na czczo myszy pdk4 knock-out wykazywały obniżony poziom glukozy we krwi, podwyższony poziom nieestryfikowanych kwasów tłuszczowych w surowicy i większą aktywność PDC w mięśniach gastrocnemiusa , zgodnie z niższym stopniem utleniania kwasów tłuszczowych i zwiększonym stopniem utleniania glukozy i pirogronianu. Jednak brak energii doprowadził do zmniejszenia, a nie zwiększenia aktywności PDK2 w mięśniu gastrocnemius u myszy znokautowanych PDK4 . Sugeruje to, że PDK2 nie był w stanie zrekompensować utraty funkcji PDK4 w odpowiedzi na post. Karmienie szczurów na czczo typu dzikiego przez 48 godzin zmniejszyło mRNA PDK4 do poziomu porównywalnego z grupą kontrolną .

acetylo-CoA i NADH wytwarzane przez utlenianie kwasów tłuszczowych stymulowały aktywność PDK w mięśniach szkieletowych . Stwierdzono również selektywną indukcję transkryptów forkhead box O1 (FoxO1) i forkhead box O3 (FoxO3) w mięśniach gastrocnemiusa u myszy po 48 godzinach odstawienia pokarmu , co wskazuje na udział FoxO w regulacji PDK4 w odpowiedzi na krótkotrwałe zmiany stanu odżywienia. PDK4, oddziałujący z transporterem kwasów tłuszczowych / klastrem różnicowania 36 (tłuszcz / CD36, główne białka wychwytu kwasów tłuszczowych w mięśniach), receptorem aktywowanym przez proliferator peroksysomu δ/β (PPARδ/β, receptor jądrowy aktywowany kwasem tłuszczowym) i foxo1, zapewnia ramy do regulacji preferencji paliwa mięśniowego w odpowiedzi na post . Podczas deprywacji energetycznej, strumień kwasu tłuszczowego wspomagany przez CD36 aktywuje PPARδ / β, co zwiększa ekspresję FoxO1 i PDK4, hamując utlenianie glukozy. Strumień kwasów tłuszczowych i zmniejszone stężenie insuliny są związane z obniżeniem poziomu kinazy białkowej B (Akt / PKB), co prowadzi do aktywacji FoxO1 . Ponieważ FoxO1 rekrutuje również CD36 do błony osocza i indukuje lipazę lipoproteinową, wszystkie te czynniki zwiększają wykorzystanie kwasów tłuszczowych w mięśniach szkieletowych . Wykazano również, że w odpowiedzi na deprywację energetyczną mięśni bierze udział Nowa wątroba x receptor (LXR)-PPARa metabolostatyczna oś sygnałowa . Aktywacja LXR zwiększyła sygnalizację PPARa w celu zwiększenia indukowanej na czczo regulacji ekspresji PDK4, zwiększając w ten sposób utlenianie kwasów tłuszczowych i zmniejszając katabolizm glukozy w mięśniach szkieletowych .

długotrwałe spożywanie diety wysokotłuszczowej

długotrwałe spożywanie diety wysokotłuszczowej może powodować hiperglikemię, hiperinsulinemię, nietolerancję glukozy i otyłość. Podawanie diety bogatej w tłuszcze nasycone przez 4 tygodnie szczurom znacząco zwiększyło ekspresję białka PDK2 i PDK4 zarówno w szybko skurczowych podtypach białych włókien mięśniowych (przedni piszczelowy), jak i wolno skurczowych podtypach czerwonych włókien mięśniowych (soleus) u szczurów . Wolno drgające czerwone włókno mięśniowe jest bogate w mitochondria i mioglobinę i opiera się na tlenowym metabolizmie paliw węglowodanowych i lipidowych. W soleus względny wzrost ekspresji PDK4 był również związany z ponad 7-krotnym wzrostem stężenia pirogronianu i 50% zmniejszeniem aktywności PDC w porównaniu do aktywności przedniego kości piszczelowej, co wskazuje na większą utratę wrażliwości PDK z powodu hamowania pirogronianu w mięśniu szybko-skurczowym w porównaniu z mięśniem wolno-skurczowym. Spożycie diety wysokotłuszczowej prowadzi do wykorzystania paliw pochodzących z lipidów jako substratów oddechowych w mięśniach, częściowo modulowanych przez regulację up w aktywności PDK. Zwiększone utlenianie kwasów tłuszczowych po karmieniu dietami wysokotłuszczowymi w mięśniach o powolnym skurczu przypisuje się głównie regulacji PDK4. Jednak w mięśniach szybko skurczowych zaobserwowano również zwiększone mRNA PDK2, co sugeruje możliwą regulację współrzędnych między PDK2 i PDK4 w podtypach białych włókien mięśniowych.

niedobór PDK4 prowadzi do zahamowania utleniania kwasów tłuszczowych i wzrostu utleniania glukozy z powodu większej aktywności PDC, co zwiększa konwersję pirogronianu do acetylo-CoA. Z większą dostępnością acetylo CoA do syntezy malonylo-Coa, inhibitora utleniania kwasów tłuszczowych, szybkość utleniania kwasów tłuszczowych zmniejsza się z powodu bezpośredniej pętli sprzężenia zwrotnego . Jednak karmienie Diet wysokotłuszczowych w dłuższej perspektywie ani nie promuje dalszej pozamacicznej akumulacji tłuszczu, ani nie pogarsza insulinooporności . Po karmieniu wysokotłuszczową dietą przez 32 tygodnie u myszy z nokautem PDK4, u myszy z niedoborem PDK4 również wystąpiła hiperinsulinemia, ale mniejsze gromadzenie się tłuszczu w mięśniach szkieletowych i lepsza tolerancja glukozy w porównaniu z myszami typu dzikiego . Aktywność syntazy kwasów tłuszczowych była również niższa, co sugeruje, że brak PDK4 może zmieniać składniki sygnałowe biorące udział w regulacji metabolizmu lipidów .

podwyższona Regulacja sierocego receptora jądrowego mRNA α (ERRa) i białka związanego z estrogenem stwierdzono u myszy po przewlekłym spożyciu diety wysokotłuszczowej . Zasugerowano, że koaktywator PPARy 1α (PGC1a) może regulować katabolizm glukozy i mitochondrialne szlaki oksydacyjne poprzez zwiększenie aktywności PDK4 poprzez szlak zależny od PGC1a/ERRa w mięśniach szkieletowych . ERRa może zwerbować PGC1a do połączenia z promotorem PDK4 i regulować transkrypcję PDK4, która jest niezależna od FoxO1 i PPAR . Negatywna regulacja aktywności PDC przez PDK4 hamuje wejście pirogronianu do cyklu TCA, a następnie hamuje utlenianie glukozy komórkowej w odpowiedzi na karmienie wysokotłuszczowe . Tak więc PGC1a / ERRa odgrywa kluczową rolę w wysokotłuszczowej diecie indukowanej przez pdk4 i elastyczność metaboliczną w mięśniach szkieletowych.

ćwiczenie

stwierdzono, że aktywacja PDC podczas skurczu mięśni o niskiej lub umiarkowanej intensywności była ~2 razy większa u myszy z nokautem PDK4 niż u myszy typu dzikiego podczas ćwiczeń, niezależnie od intensywności . MRNA PDK4 był znacznie zwiększony podczas długotrwałego wysiłku fizycznego oraz zarówno po krótkotrwałym wysiłku o wysokiej intensywności, jak i przedłużonym wysiłku o niskiej intensywności w mięśniach szkieletowych u myszy . Inaktywacja PDC w odpowiedzi na powolne i szybkie skurcze mięśni poprzez regulowane w górę PDK4 może ograniczyć wprowadzanie produktów glikolitycznych do mitochondriów w celu utleniania. Okres rekonwalescencji po wysiłku podkreśla również wysoki priorytet metaboliczny uzupełniania glikogenu w celu przywrócenia homeostazy energetycznej w mięśniach szkieletowych . Wysokie spożycie diety tłuszczowej przez 18 tygodni, a następnie 12 godzin ćwiczeń, również zwiększyło ekspresję PDK4 w mięśniach szkieletowych u myszy, prowadząc do zmniejszenia aktywności PDC i mniej utleniania węglowodanów. FoxO1 sugerowano jako możliwy czynnik transkrypcyjny związany z tą zmianą. FoxO1 może wyczuwać zmiany w dostępności wolnych kwasów tłuszczowych i przekazywać tę wiadomość w dół poprzez modulowanie transkrypcji PDK4. Niefosforylowany FoxO1 znajduje się w jądrze, gdzie może aktywować transkrypcję genów zawierających elementy odpowiedzi insulinowej. Fosforylacja FoxO1 drogą Akt / PKB prowadzi do wykluczenia jądrowego i zniszczenia . PGC1a odegrało również znaczącą rolę w mięśniach szkieletowych w odpowiedzi na ćwiczenia, zgodnie z badaniami na koniach . PGC1a reguluje utlenianie glukozy przy jednoczesnym zwiększeniu oddychania mitochondrialnego i utleniania kwasów tłuszczowych podczas regeneracji powysiłkowej u koni czystej krwi .

oprócz ćwiczeń mięśni, podczas ostrego wysiłku wytrzymałościowego w modelu rowerowym z jedną nogą, mięsień spoczynkowy wykazywał również zwiększoną ekspresję PDK4, prawdopodobnie dzięki podwyższeniu krążących wolnych kwasów tłuszczowych, ligandów PPAR i podwyższonej regulacji szlaków PPAR .

insulinooporność i cukrzyca

insulinooporność charakteryzuje się głównie ograniczoną odpowiedzią na stymulowany metabolizm glukozy w mięśniach szkieletowych. Również odporność na tłumienie wykorzystania lipidów pod insulinooporność osłabiała zdolność do przełączania się między paliwami, prowadząc do nieelastyczności metabolicznej . Jest to bardzo częste u pacjentów otyłych i T2D w Warunkach symulacji insuliny. Kim et. al powodowała ostrą insulinooporność przez ciągłą infuzję Intralipidu (emulsji tłuszczowej) i mleczanu przez 5 godzin u szczurów, powodując 2 do 3 razy większą ekspresję PDK4 w mięśniach po infuzji insuliny , co wskazuje na upośledzoną zdolność insuliny do hamowania PDK4. Infuzja Intralipidowa i mleczanowa również zmniejszała fosforylację Akt / PKB i FoxO1, co ilustruje zaburzenia sygnalizacji insuliny . Nowsze badania kliniczne wykazały, że hormon wzrostu (GH) może promować lipolizę i zmniejszać wrażliwość na insulinę u ludzi. Wiązało się to z podwyższoną regulacją mRNA PDK4 i zmniejszeniem aktywnego PDC, podobnie jak to obserwuje się podczas postu . Badania nad biopsjami mięśniowymi pacjentów z T2D wykazały , że zarówno PDK2, jak i PDK4 mRNA były zwiększone w porównaniu do zdrowych ochotników po nocnym czczo, co było zgodne z insulinoopornością i nieelastycznością metaboliczną pacjentów z T2D. Ponadto, status metylacji cytozyn w regionie +160 i +446 promotora PDK4 został zmniejszony u pacjentów z T2D, co sugeruje, że epigenetyczna modyfikacja genów mitochondrialnych jest zaangażowana w regulację przełączania substratów . Jednakże, jako jeden z czynników transkrypcyjnych regulujących ekspresję PDK4, promotor PGC1a został zgłoszony jako hiper-metylowany w mięśniach szkieletowych osób T2D i po przekarmieniu tłuszczu osobom o niskiej masie urodzeniowej, co wskazuje, że zmienione wzorce metylacji związane z chorobą metaboliczną mogą być specyficzne dla promotora .

zastosowano interwencje terapeutyczne w celu zmniejszenia ekspresji PDK4 w cukrzycy. Oprócz insuliny stosowano kilka inhibitorów PDK4 w celu promowania usuwania glukozy w modelach zwierzęcych. Wstępne badania wykazały zachęcające wyniki przy doustnym podawaniu dichlorooctanu (DCA), ale związek ten jest słabym inhibitorem PDK i toksycznym. Ostatnio silne leki podawane doustnie, takie jak inhibitory PDK produkowane przez Novartis i AstraZeneca, zwykle zawierają amidy kwasu trifluoro-2-hydroksy-2-metylopropionowego . Wszystkie te inhibitory, w tym inhibitor PDK2 Nov3r i AZD7545, wiążą się w miejscu wiązania grupy lipoilowej PDK i skutecznie zwiększają aktywność PDC . Wiele leków jest ukierunkowanych na aktywność PDK w większości tkanek obwodowych, takich jak DCA, ale niektóre leki mają lepszą skuteczność w określonych tkankach. Na przykład, AZD7545 zwiększył aktywność PDC skuteczniej w wątrobie niż w mięśniach szkieletowych i sercu oraz z utratą skuteczności w mięśniach szkieletowych zwierząt na czczo .

PDK i elastyczność metaboliczna w wątrobie

jedną z podstawowych funkcji wątroby jest regulowanie podaży glukozy i innych paliw metabolicznych w celu dostarczenia energii do innych tkanek . Organizm może zrównoważyć poziom glukozy we krwi poprzez równoważenie produkcji i przechowywania glukozy w wątrobie i nerkach oraz regulowanie jej wykorzystania w tkankach obwodowych. W Warunkach postu wątroba początkowo dostarcza glukozę z glikogenolizy, rozkładu zapasów glikogenu wątrobowego. Przy długotrwałej deprywacji energetycznej podstawowym źródłem glukozy jest glukoneogeneza, czyli synteza glukozy z prekursorów nie-węglowodanowych, takich jak glicerol, mleczan i aminokwas alanina . Inaktywacja PDC przez PDK może hamować konwersję pirogronianu do acetylo-CoA, powodując przejście pirogronianu do cyklu TCA lub syntezę kwasów tłuszczowych w kierunku glukoneogenezy .

post przez 48 godzin nie zmieniał aktywności PDC w wątrobie myszy nokautujących PDK4, ale półprodukty szlaku glukoneogennego (glukozo-6-fosforan, fruktozo-1,6-bisfosforan, pirogronian, mleczan i cytrynian) były niższe , co wskazuje na zmniejszoną szybkość glukoneogenezy i glikolizy. Hormon wzrostu (GH) może zwiększać ekspresję wątrobowego PDK4 w wątrobie u myszy typu dzikiego podczas postu poprzez aktywację przetwornika sygnału i aktywatora transkrypcji 5 (STAT5), co prowadzi do hamowania aktywności PDC, zachowując substraty do glukoneogenezy . Metformina, powszechnie przepisywany lek na T2D, może hamować indukowaną GH ekspresję PDK4 poprzez szlak zależny od kinazy białkowej aktywowanej 5 ’ AMP-mały partner heterodimerowy (AMPK-SHP), aby hamować połączenie STAT5 z promotorem PDK4 .

wątrobowa ekspresja PDK4 i PDK2 oraz aktywność PDC nie miały wpływu na myszy typu dzikiego karmione dietą wysokotłuszczową przez 18 tygodni. . Dieta wysokotłuszczowa karmienie wywołane stłuszczenie wątroby, stan, który występuje, gdy nagromadzenie tłuszczu przekracza szybkość utleniania . Sytuacji tej zapobiegano u myszy znokautowanych PDK4, które spożywały dietę o wysokiej zawartości tłuszczów nasyconych przez 32 tygodnie . Można to częściowo wyjaśnić zmienioną aktywnością PGC1a w wątrobie. PGC1a kontroluje ekspresję enzymów glukoneogennych, takich jak karboksykinaza fosfoenolopirogronianowa (PEPCK). Wyeliminowanie PDK4 może prowadzić do wyższych poziomów PGC1a, co jest zgodne z większą aktywnością PEPCK i mniejszą zdolnością do syntezy de novo kwasów tłuszczowych . PPARa wykazała również skoordynowaną regulację z PGC1a w stłuszczeniu wątroby, co wykazano przez wzmocniony korzystny wpływ kwasu klofibrynowego, agonisty PPARa, na akumulację kwasów tłuszczowych u myszy znokautowanych PDK4 . W przeciwieństwie do mięśni szkieletowych, tłuszcz / CD36, kluczowe enzymy transportu kwasów tłuszczowych, nie były zaangażowane w zmniejszone gromadzenie się tłuszczu w wątrobie .

w przypadku cukrzycy ekspresja genów PDK, w szczególności PDK4, jest znacząco zwiększona w wątrobie, co może pomóc w wyjaśnieniu zwiększonego tempa glukoneogenezy i korzystnego działania metforminy. Badania nad mysim modelem cukrzycowym z niedoborem substratów wątrobowego receptora insulinowego 1 i 2 (IRS 1/2) wykazały, że zarówno knockdown, jak i knockout genu PDK4 doprowadziły do poprawy kontroli glikemii i tolerancji glukozy. PDK4 był skuteczniejszy w regulacji elastyczności metabolicznej niż PDK2 w wątrobie . W połączeniu z wynikami innych badań wydaje się, że PDK2 reguluje głównie wykorzystanie glukozy, podczas gdy PDK4 może być zaangażowany zarówno w układowy metabolizm glukozy, jak i glukoneogenezę wątroby.

hormon tarczycy (T3) kontroluje wiele aspektów procesów metabolicznych energii wątrobowej, takich jak utlenianie kwasów tłuszczowych, lipogeneza i utlenianie glukozy. Eksperymentalna nadczynność tarczycy może wywoływać ekspresję PDK4 w wątrobie , mięśniach szkieletowych i sercu, prowadząc do zahamowania aktywności PDC. W promotorze szczurzego genu PDK4 zidentyfikowano dwa miejsca wiązania receptora β hormonu tarczycy. Oprócz działania jako koaktywator T3, PGC1a może również zwiększać indukcję T3 wątrobowej ekspresji PDK4 u szczurów . Białko wiążące ccaat / enhancer β (C / EBPß), jako czynnik transkrypcyjny genów kodujących enzymy glukoneogenne, takie jak PEPCK, stymuluje ekspresję wątrobowego PDK4 u szczurów poprzez dwa elementy odpowiedzi c/EBPß w promotorze PDK4, a także uczestniczy w indukcji T3 transkrypcji PDK4 .

PDK4 i elastyczność metaboliczna w białej tkance tłuszczowej

w porównaniu z mięśniami szkieletowymi i wątrobą, relatywnie niewiele badań odnotowano na temat elastyczności metabolicznej w białej tkance tłuszczowej (WAT). WAT jest kluczowym organem w procesie metabolizmu kwasów tłuszczowych określanym jako gliceroneogeneza adipocytów. Szlak ten wykorzystuje pirogronian, alaninę, glutaminę lub jakiekolwiek substancje z cyklu TCA jako prekursory do syntezy fosforanu dihydroksyacetonu (DHAP) i wreszcie do produkcji glicerolu-3-fosforanu (G3P) do syntezy triacyloglicerolu (TAG). PDC jest związany z tym procesem, a supresja PDC pozwala na zwiększone wykorzystanie mleczanów i pirogronianów do gliceronogenezy .

jako aktywator gliceroneogenezy, tiazolidynodiony (TZD) zwiększały ekspresję mRNA PDK4 w podskórnych, okopididymalnych i zaotrzewnowych magazynach WAT u szczurów Fa/Fa Zucker, genetycznego otyłego, odpornego na insulinę modelu, podczas gdy mRNA PDK2 nie miało wpływu, co wskazuje na istotną rolę PDK4 w gliceroneogenezie. Indukowana TZD ekspresja PDK4 była specyficzna dla tkanek, ponieważ wątroba i mięśnie nie reagowały na takie leczenie . Podobne wyniki obserwowano dla 3 adipocytów T3-F442A in vitro, stosując inhibitory PDK4, DCA i leelaminę oraz siRNA PDK4. Zarówno 500 µmol/L DCA, jak i 50 µmol/l leelamina hamowały wbudowywanie pirogronianu do trójglicerydów. Włączenie pirogronianu do lipidów zmniejszyło się o 40% po transfekcji adipocytów siRNA PDK4 . PPARy jest receptorem jądrowym regulowanym przez TZDs uczulające na insulinę. PDK4 jest pośrednim celem PPARy. Tak więc regulacja PDK4 przez TZD w WAT ściśle odnosi się do PPARy .

oprócz TZD, ostre leczenie epinefryną zwiększyło również mRNA PDK4 poprzez P38 aktywowaną mitogenem kinazę białkową (MAPK) i ścieżki AMPK w hodowanych adipocytach i najądrzach magazynów Wat w otyłych, insulinoopornych modelach szczurów, które były indukowane przez dietę o wysokiej zawartości tłuszczu . PDK2 mRNA nadal nie było naruszone. Dwie godziny pływania przyniosły podobne wyniki jak leczenie epinefryną w WAT zarówno u szczurków chudych, jak i otyłych . W połączeniu ze zwiększoną syntezą G3P poprzez PEPCK, większa gliceronogeneza pozwala na zwiększoną reestryfikację nieestryfikowanych kwasów tłuszczowych do znacznika z lipolizy, podczas gdy utlenianie glukozy zmniejsza się w tych adipocytach . Z główną rolą w klirensie glukozy i syntezie/magazynowaniu tłuszczu, regulacja w górę PDK4 podczas ćwiczeń, leczenie epinefryną i TZD prowadzące do hamowania PDC, Promuje magazynowanie energii w WAT. Potrzeba więcej pracy w celu wyjaśnienia ścieżek transkrypcyjnych związanych z regulacją PDK4 w górę Wat .

PDK4 i elastyczność metaboliczna w sercu

nieelastyczność metaboliczna zawsze towarzyszy kardiomiopatii, szczególnie podczas niedokrwienia, a nawet może powodować niewydolność serca . Brak utleniania wystarczającej ilości węglowodanów, aby zaspokoić zapotrzebowanie energetyczne, jest ważną przyczyną niewydolności serca. Można to wykazać poprzez swoistą dla serca nadekspresję PDK4, która jest wystarczająca, aby spowodować utratę elastyczności metabolicznej i zaostrzyć kardiomiopatię . Nadekspresja PDK4 w sercu z transgenicznym modelem myszy była związana ze zmniejszeniem katabolizmu glukozy i odpowiednim wzrostem utleniania kwasów tłuszczowych. Ten transgeniczny model również wyrażał konstytutywnie aktywną formę fosfatazy kalcyneuryny, a tym samym powodował przerost zwłóknienia kardiomiocytów i uderzający wzrost śmiertelności .

u myszy karmionych dietą wysokotłuszczową przez 10 dni utlenianie węglowodanów w sercu znacznie się zmniejszyło, z podwyższoną regulacją aktywności PDK4. Dieta wysokotłuszczowa powodowała zmiany metaboliczne serca poprzez eukariotyczny czynnik inicjacji 4E (eIF4E)/cyklinę D1/E2F1/PDK4 .

podczas umiarkowanie ciężkiego niedokrwienia wolne kwasy tłuszczowe są głównym paliwem w mitochondrialnym utlenianiu . Podczas gdy glikoliza jest nadal aktywna i glukoza jest wykorzystywana do produkcji mleczanów, aby uzyskać ATP, niezależnie od tlenu, inaktywacja PDC ułatwia stosowanie kwasów tłuszczowych. Niedokrwienie powoduje, że pirogronian przekształca się w mleczan, zwiększając w ten sposób zakwaszenie w obrębie mięśnia sercowego . Tak więc hamowanie aktywności PDK przez DCA jest niezbędne do zwiększenia produkcji ATP, jak również wychwytu Ca2+, a zastosowanie kombinacji glukozy-insuliny-K+ lub inhibitorów utleniania kwasów tłuszczowych jest również korzystne .

angiotensyna II (Ang II), główny efektor układu reniny angiotensyny w niewydolności serca, może wywoływać znaczną oporność na insulinę w sercu, prowadząc do przemiany materii w sercu z glukozy do utleniania kwasów tłuszczowych, powodując nieelastyczność metaboliczną i niewydolność serca . PDK4 jest silnie wyrażony w tym modelu hipertrofii indukowanej Ang II, a delecja PDK4 zapobiega indukowanej ANG II redukcji utleniania glukozy i zapobiega dysfunkcji rozkurczowej . Hamowanie aktywności PDK4 stało się nową strategią terapeutyczną przeciwko chorobom serca .

PDK i elastyczność metaboliczna w ośrodkowym układzie nerwowym

mózg wykorzystuje również utlenianie glukozy jako pierwotne źródło energii. Hodowane astrocyty wyrażały więcej PDK2 i PDK4 w porównaniu do neuronów, zgodnie z niższą aktywnością PDH i wyższą produkcją mleczanów wykazywaną przez hodowane astrocyty . Istnieją gromadzące się dowody na to, że zmiany w aktywności PDK są związane z rozwojem kilku zaburzeń neurologicznych. Na przykład choroba Alzheimera była związana z dysfunkcją aktywności PDH i metabolizmem glukozy . Starzenie się mózgu wiąże się ze zmniejszeniem mRNA PDK1 i PDK2 w móżdżku i zwiększeniem mRNA PDK2 w hipokampie i korze mózgowej, a Regulacja mRNA pdk2 w górę była zaangażowana w glejaka .

neurony podwzgórza są wrażliwe na sygnały żywieniowe i mogą regulować równowagę energetyczną i homeostazę glukozy. Jednak leżące u podstaw złożone mechanizmy nadal nie są w pełni zrozumiałe. Ostatnie badania na myszach na czczo przez 48 godzin ujawniły profil ekspresji genów w podwzgórzu zgodny ze zmniejszonym wykorzystaniem glukozy i zwiększonym utlenianiem lipidów, w tym podwyższonym mRNA PDK4, zgodnym z wynikami w mięśniach szkieletowych, wątrobie, sercu i nerkach . Podwyższona Regulacja PDK4 zaobserwowano również w podwzgórzu podczas postu noworodków szczurów przez 6 godzin, co odzwierciedla próbę oszczędzania energii podczas niedostatku pokarmu noworodków . Oznacza to również, że mózg noworodka nie jest oszczędzony przed ograniczeniem glukozy podczas kryzysu energetycznego, ale zamiast tego mózg noworodka może wykorzystywać Ketony pochodzące z metabolizmu kwasów tłuszczowych jako główne źródło energii . Jednak tylko ograniczone badania są zgłaszane dla wpływu PDK na podwzgórze bilans energetyczny. Oczekuje się dalszych badań.

PDK i elastyczność metaboliczna w innych tkankach

wysepki trzustkowe

w mysich komórkach β trzustki, zarówno leczenie wysokimi kwasami tłuszczowymi, jak i wysokimi glukozami zwiększało aktywność PDK i zmniejszało aktywność PDH. Palmitynian w górę reguluje ekspresję mRNA PDK1, PDK2 i PDK4, podczas gdy wysoki poziom glukozy zwiększa mRNA PDK1, PDK2, ale zmniejsza mRNA PDK4, co sugeruje inną regulację transkrypcji. Tak więc indukcja ekspresji PDK zarówno przez glukozę, jak i tłuszcz towarzyszy spadkowi elastyczności metabolizmu komórek β podczas przechodzenia od otyłości do T2D .

przewlekła ekspozycja na warunki hiperglikemiczne powoduje glukootoksyczność w komórkach β. Glukotoksyczność upośledza wydzielanie insuliny za pomocą symulacji glukozy (GSIS), przyczyniając się do rozwoju T2D. Metabolomic analiza β komórki po wystawienie wysoki glukoza (25 mM dla 20 h) ujawniać wzrost w glukoza i spadek w tłuszcz kwas podczas GSIS, ale żadny znaczący zmiany w PDK2 proteina . Podobne badania nad liniami komórek β insulinoma E (INS-1E) wykazały wzrost fosforylacji podjednostek PDC E1A podczas leczenia wysokim stężeniem glukozy (50 mM przez 48 godzin). Knockdown PDK1 i PDK3 doprowadziły do znacznego zmniejszenia inaktywacji PDC. Jednak inaktywacja PDC nie była związana ze zmienionym GSIS . Jest możliwe, że aktywność PDC w komórkach β ins-1E jest nadmierna i dlatego obniżenie jej aktywności ma niewielkie konsekwencje. Prolaktyna może również indukować GSIS w liniach komórkowych INS – 1e poprzez supresję PDK i zwiększoną aktywność PDC, co sugeruje nową rolę laktogenów w leczeniu cukrzycy . Jako najważniejszy organ biorący udział w patogenezie T2D, potrzebne są dalsze badania nad elastycznością metaboliczną w komórkach β trzustki.

komórki nowotworowe

komórki nowotworowe mają unikalny sposób pozyskiwania energii, zwany efektem Warburga. Wykorzystują zwiększoną glikolizę i hamują mitochondrialne utlenianie glukozy, aby zapewnić energię z przewagą proliferacyjną, sprzyjającą odporności na apoptozę, a nawet zwiększonej angiogenezie . W warunkach niskiej zawartości składników odżywczych efekt Warburga został wzmocniony poprzez mechanizm aktywacji PDK zależnej od reaktywnych form tlenu (ROS) / AMPK . PDK1 i PDK3 są głównymi izoformami związanymi z efektem Warburga . Tak więc hamowanie PDK za pomocą małych interferujących RNA lub leków sierocych, takich jak DCA, może zmienić metabolizm komórek nowotworowych z glikolizy na utlenianie glukozy i może zapewnić skuteczne podejście do leczenia raka .