O papel fundamental da piruvato desidrogenase cinases na flexibilidade metabólica

Manutenção de um equilíbrio entre a procura e oferta de energia é fundamental para a saúde. A glicose e os lípidos (ácidos gordos e corpos cetónicos), como fontes de energia celular, podem competir e interagir uns com os outros . A capacidade de um organismo para adaptar a oxidação de combustível à disponibilidade de combustível, ou seja, para utilizar preferencialmente combustíveis carboidratos e lipídicos e para ser capaz de rapidamente mudar entre eles é chamada de flexibilidade metabólica . A incapacidade de corresponder a oxidação do combustível a alterações na disponibilidade de nutrientes é muitas vezes acompanhada por sintomas como resistência à insulina, acumulação de lípidos ectópicos e disfunção mitocondrial . Assim, a inflexibilidade metabólica está estreitamente relacionada a uma série de síndromes como diabetes tipo 2 (T2D), obesidade, doenças cardiovasculares e síndrome metabólica.

uma das principais enzimas responsáveis pela flexibilidade metabólica nos mamíferos é o complexo de piruvato desidrogenase (PDC), um complexo mitocondrial multi-enzimático que catalisa a descarboxilação oxidativa do piruvato . A PDC controla a conversão de piruvato, coenzima A (CoA) e NAD+ em acetil-CoA, NADH e CO2, ligando assim o metabolismo dos ácidos gordos, o metabolismo da glucose e o ciclo do ácido tricarboxílico (TCA). A unidade de dois carbonos activada com CoA produzida pelo catabolismo do piruvato pode ser condensada com oxaloacetato na primeira reacção do ciclo TCA, ou utilizada para a síntese de ácidos gordos e colesterol . O piruvato também pode ser conservado para a gluconeogénese no fígado e rim . Assim, o PDC ocupa uma posição central no metabolismo da energia celular (Figura 1).

PDC e PDKs ocupam posições centrais no metabolismo da energia celular. Ácido gordo e glicose competem entre si para a oxidação no nível da PDC em mamíferos. PDC catalisa a descarboxilação oxidativa do piruvato para formar acetil-CoA e assim liga o metabolismo da glicose e do ácido gordo. PDC pode ser fosforilado por PDKs, que pode ser regulado por acetil-CoA mitocondrial, NADH, piruvato, ATP e fatores de transcrição nuclear. ERRa: receptor α relacionado com o estrogénio; FoxO: proteína o de caixa de Forkhead; NEFA: ácido gordo não esterificado; PDC: complexo de piruvato desidrogenase; PDKs: piruvato desidrogenase cinases; PGC1a: PPARy Co-activador 1α; PPARs: Receptores activados pelo proliferador de peroxisomas; TG: triglicéridos; TCA: ácido tricarboxílico.

o PDC é mais ativo no estado saudável e bem alimentado. No entanto, a supressão do PDC é crucial para a síntese da glucose quando a glucose é escassa . A inactivação da actividade PDC é catalisada por quatro isoenzimas altamente específicas da piruvato desidrogenase (PDH) cinase (PDK) que podem fosforilar resíduos específicos de serina dentro da subunidade α da enzima E1 na PDC . De todas as isozimas conhecidas, PDK2 e PDK4 são as mais amplamente distribuídas e são altamente expressas em coração, fígado e rim em seres humanos e roedores. PDK4 também é abundante em ilhéus pancreáticos e músculos esqueléticos que têm alta utilização de glicose e taxas de oxidação de ácidos graxos. As PDK1 e PDK3 têm uma distribuição tecidular bastante limitada . As actividades PDKs podem ser reguladas por diferentes níveis de metabolitos, bem como por factores de transcrição em várias condições e em diferentes tecidos (Figura 2). Assim, o PDC pode gerenciar a utilização e armazenamento de combustíveis para cumprir a flexibilidade metabólica em resposta ao meio ambiente.

Transcrição regulamento vias de PDK4 em diferentes tecidos em vários estados nutricionais. A inactivação da PDC Por regulação do PDK4 pode mudar o catabolismo da glucose para a utilização de ácidos gordos. Existem diferentes vias de regulação transcritional no músculo esquelético, fígado, tecido adiposo branco e coração em várias condições nutricionais (privação de energia, Consumo de alta gordura dieta, exercício, doenças, drogas). Akt/PKB: proteína quinase B; AMPK: 5′-AMP-activated protein kinase; CD36: Cluster de diferenciação 36; C/EBPß: CCAAT/enhancer-proteína de ligação β; eIF4E: Eucarióticas iniciação fator 4E; ERRa: relacionados com Estrogênio receptor α; GORDURA: os Ácidos ácido transportador; FoxO1: Forkhead box proteína O1; LXR: Fígado X receptor; MAPK: p38 agente mitogénico-activated protein kinase; PDC: Complexo de piruvato desidrogenase; PDK4: piruvato desidrogenase cinase 4; PGC1a: PPARy Co-activator 1α; PPARs: receptores activados pelo proliferador de Peroxisoma; SHP: small heterodimer partner; STAT5: Transdutor de sinal e activador da transcrição 5.

Esta revisão resume os estudos recentes sobre PDKs papel fundamental no controle da flexibilidade metabólica, um conceito recente no metabolismo energético celular, sob diferentes condições nutricionais (energia privação, alto teor de gordura, consumo de dieta, exercício e doença) em diversos tecidos (músculo esquelético, fígado, tecido adiposo branco, coração, ilhotas do pâncreas e do sistema nervoso), com ênfase na melhor caracterizada PDK4. Compreender a regulação dos PDKs em diferentes tecidos e o seu papel na homeostase energética será benéfico para o tratamento de diferentes tipos de doenças metabólicas.

PDK e flexibilidade metabólica no músculo esquelético

Como quantitativamente o maior órgão do corpo, o músculo esquelético representa de 30% a 40% da taxa metabólica em adultos no estado de repouso. Contribuindo para 80% da captação de glucose estimulada pela insulina, é um dos principais locais de oxidação da glucose e metabolismo dos ácidos gordos . O músculo esquelético exibe notável flexibilidade metabólica no uso de combustível em resposta a vários desafios metabólicos, tais como privação de energia e mudanças na composição da dieta. Em indivíduos magros e saudáveis, sob estimulação da insulina, o músculo esquelético é capaz de passar da oxidação predominantemente lipídica e de elevadas taxas de captação de ácidos gordos para a supressão do catabolismo lipídico e da elevada captação, oxidação e armazenamento de glucose . No entanto, pacientes obesos e T2D manifestam maiores taxas de oxidação lipídica no músculo esquelético e são relativamente resistentes à insulina, resultando em inflexibilidade metabólica .

privação de energia

durante a privação de energia, a glucose é escassa e a oxidação de ácidos gordos de cadeia longa é utilizada para satisfazer as necessidades de energia celular. A redução da ingestão de alimentos e a redução das concentrações de insulina reduzem a utilização da glucose para conservar a glucose . A actividade PDC em mamíferos é suprimida pela hiper-fosforilação do PDK, limitando a conversão do piruvato em acetil-CoA no músculo esquelético . Com menos acetil-CoA disponível, a síntese de malonil-CoA, um inibidor da oxidação de ácidos gordos, é reduzida . Como resultado, a oxidação de ácidos graxos é forçada e facilitada pela regulação do PDK4 . Quarenta e oito horas de jejum em ratos (retirada completa dos alimentos) foi associado a um aumento de 3-4 vezes na proteína PDK4 e mRNA no músculo gastrocnemius, sem efeitos na expressão PDK2 . Quarenta e oito horas de jejum PDK4 ratos nocauteados exibiram níveis baixos de glucose sanguínea, níveis elevados de ácidos gordos não esterificados séricos e maior actividade PDC no músculo gastrocnemius , consistentes com as taxas mais baixas de oxidação de ácidos gordos e taxas mais elevadas de oxidação de glucose e piruvato. No entanto, a privação de energia levou a uma diminuição em vez de aumento da actividade PDK2 no músculo gastrocnemius em ratos nocauteantes PDK4 . Isto sugere que o PDK2 não foi capaz de compensar a perda de função do PDK4 em resposta ao jejum. A recaptação dos ratos selvagens em jejum durante 48 h reduziu o mRNA PDK4 para um nível comparável ao do grupo de controlo .

o acetil-CoA e o NADH produzidos pela oxidação de ácidos gordos estimularam a actividade PDK no músculo esquelético . Houve, também, uma seletiva de indução de forkhead box O1 (FoxO1) e forkhead box O3 (FoxO3) transcrições, no músculo gastrocnêmio de ratos após 48 h de alimentos retirada , indicando o envolvimento da FoxO no regulamento de PDK4 em resposta a alterações de curto prazo no estado nutricional. PDK4, interagindo com ácido graxo transportador/cluster de diferenciação 36 (FAT/CD36, os principais ácidos graxos de absorção de proteínas no músculo), peroxissoma-proliferator activated receptor δ/β (PPARδ/β, ácidos graxos ativado nuclear receptor) e FoxO1, fornece uma estrutura para a regulamentação combustível muscular de preferência em resposta ao jejum . Durante a privação de energia, o fluxo de ácidos gordos facilitado pelo CD36 activa o PPARδ / β, o que aumenta de forma coordenada a expressão de FoxO1 e PDK4 para inibir a oxidação da glucose. O fluxo de ácidos gordos e a diminuição das concentrações de insulina estão associados à regulação da proteína cinase B (Akt/PKB), conduzindo à activação da FoxO1 . Uma vez que a FoxO1 também recruta CD36 para a membrana plasmática e induz lipoproteína lipase, todos estes aumentam a utilização de ácidos graxos no músculo esquelético . Foi também referido que o novo receptor x hepático (LXR)-eixo sinalizador metabolostático ppara está envolvido na resposta à privação de energia muscular . A activação da PPARa aumentada pelo LXR para aumentar a regulação da expressão PDK4 em jejum, aumentando assim a oxidação dos ácidos gordos e diminuindo o catabolismo da glucose no músculo esquelético .

consumo elevado de gordura a longo prazo

consumo a longo prazo de uma dieta de gordura saturada pode causar hiperglicemia, hiperinsulinemia, intolerância à glucose e obesidade. A administração de uma dieta rica em gorduras saturadas durante 4 semanas a ratos aumentou significativamente a expressão proteica PDK2 e PDK4 em ambos os sub-tipos de fibras musculares brancas de contração rápida (tibialis anterior) e fibras musculares vermelhas de contração lenta (soleus) em ratos . A fibra muscular vermelha é rica em mitocôndrias e mioglobina e baseia-se no metabolismo aeróbico de hidratos de carbono e combustíveis lipídicos. No soleus , o aumento relativo da expressão PDK4 também foi associado a um aumento superior a 7 vezes na concentração de piruvato e a uma redução de 50% na actividade da PDC em comparação com a da tibialis anterior, indicando uma maior perda de sensibilidade à PDK devido à inibição do piruvato no músculo da contracção rápida em comparação com o músculo da contracção lenta. O consumo de uma dieta rica em gorduras conduz à utilização de combustíveis derivados de lípidos como substratos respiratórios do músculo, em parte modulada pela regulação ascendente da actividade PDK. A oxidação reforçada dos ácidos gordos após a alimentação de dietas com elevado teor de gordura no músculo com contracções musculares é atribuída principalmente à regulação da PDK4. No entanto, no músculo de contracções rápidas , observou-se também um aumento do mRNA PDK2, sugestivo de uma possível regulação das coordenadas entre PDK2 e PDK4 em subtipos de fibras musculares brancas.

a deficiência em PDK4 conduz à inibição da oxidação de ácidos gordos e ao aumento da oxidação da glucose devido a uma maior actividade PDC, o que aumenta a conversão de piruvato em acetil-CoA. Com mais acetil CoA disponível para sintetizar malonil-CoA, um inibidor da oxidação de ácidos graxos, a taxa de oxidação de ácidos graxos diminui devido a um ciclo de feedback direto . No entanto, alimentar dietas com elevado teor de gordura a longo prazo não promove uma maior acumulação de gordura ectópica nem agrava a resistência à insulina . Após alimentar uma dieta rica em gorduras saturadas durante 32 semanas em ratinhos nocaute PDK4, os ratinhos com deficiência em PDK4 também desenvolveram hiperinsulinemia, mas menor acumulação de gordura no músculo esquelético e maior tolerância à glucose em comparação com os ratinhos de tipo selvagem . A actividade da sintetase de ácidos gordos também foi mais baixa, sugerindo que a ausência de PDK4 pode alterar os componentes sinalizadores envolvidos na regulação do metabolismo lipídico .

a regulação adicional do receptor Nuclear órfão de estrogénio α (ERRa) mRNA e proteína foi encontrada em ratinhos após o consumo crónico de uma dieta rica em gorduras . Tem sido sugerido que o co-activador do PPARy 1α (PGC1a) pode regular o catabolismo da glucose e as vias oxidativas mitocondriais através do aumento da actividade do PDK4 através de uma via dependente do PGC1a/ERRa no músculo esquelético . ERRa pode recrutar PGC1a para combinar com o promotor PDK4 e regular a transcrição PDK4, que é independente de FoxO1 e PPARs . A regulação negativa da actividade PDC pelo PDK4 inibe a entrada do piruvato no ciclo TCA e, subsequentemente, bloqueia a oxidação da glucose celular em resposta à alimentação com elevado teor de gordura . Assim, o PGC1a / ERRa tem um papel fundamental na regulação do PDK4 induzido pela dieta rica em gorduras e na flexibilidade metabólica no músculo esquelético.

exercício

verificou-se que a activação da PDC durante a contracção muscular de baixa a moderada foi ~2 vezes mais elevada em ratinhos nocaute PDK4 do que em ratinhos de tipo selvagem durante o exercício, independentemente da intensidade . O ARNm PDK4 foi significativamente aumentado durante o exercício prolongado e após tanto o exercício de alta intensidade de curto prazo como o exercício de baixa intensidade prolongado no músculo esquelético em ratinhos . A inactivação da PDC em resposta a contração muscular lenta e rápida através de PDK4 up-regulated pode limitar a entrada de produtos glicolíticos na mitocôndria para oxidação. O período de recuperação após o exercício também destaca a alta prioridade metabólica da reposição de glicogênio para restabelecer a homeostase de energia no músculo esquelético . Consumo elevado de gordura durante 18 semanas , seguido de exercício de 12 h, também expressão elevada de PDK4 no músculo esquelético do Ratinho, levando a uma actividade PDC reduzida e a uma menor oxidação de hidratos de carbono. FoxO1 foi sugerido ser um possível fator de transcrição relacionado a esta mudança. FoxO1 pode sentir mudanças na disponibilidade de ácidos graxos livres, e transmitir esta mensagem a jusante, modulando a transcrição de PDK4. A FoxO1 não fosforilada reside no núcleo onde pode ativar a transcrição de genes que contêm elementos de resposta à insulina. A fosforilação da FoxO1 através da Via Akt / PKB leva à exclusão nuclear e destruição . PGC1a também desempenhou papéis significativos no músculo esquelético em resposta ao exercício de acordo com a pesquisa em cavalos . A PGC1a regulou a oxidação da glucose enquanto aumentava a respiração mitocondrial e a oxidação de ácidos gordos durante a recuperação pós-exercício em cavalos Thoroughbred .

para além de exercitar o músculo, durante o exercício agudo de resistência no modelo de ciclo de uma perna, o músculo em repouso também mostrou um aumento da expressão PDK4, provavelmente mediada pela elevação dos ácidos gordos livres circulantes, ligantes de PPARs e regulação ascendente das vias de PPAR .

resistência à insulina e diabetes

a resistência à insulina é principalmente caracterizada como uma resposta limitada ao metabolismo estimulado da glucose no músculo esquelético. Também a resistência à supressão da utilização de lípidos sob a resistência à insulina prejudicou a capacidade de alternar entre combustíveis, levando à inflexibilidade metabólica . Isto é muito comum para pacientes obesos e T2D na condição de insulina simulada. Kim et. al induziu uma resistência aguda à insulina por perfusão constante de Intralipid (uma emulsão de gordura) e lactato durante 5 h em ratos, resultando numa expressão muscular 2 a 3 vezes mais elevada do PDK4 após perfusão de insulina , indicando a incapacidade da insulina para suprimir o PDK4. A perfusão de Intralipid e lactato também diminuiu a fosforilação de Akt/PKB e FoxO1, ilustrando a alteração da sinalização da insulina . Um estudo de investigação clínica mais recente mostrou que a hormona do crescimento (GH) pode promover a lipólise e reduzir a sensibilidade à insulina em seres humanos. Isto foi associado à regulação do mRNA PDK4 e à diminuição do PDC activo, semelhante ao observado durante o jejum . As pesquisas sobre os pacientes T2D biopsias musculares mostraram que tanto PDK2 quanto PDK4 mRNA foram aumentados em comparação com voluntários saudáveis após o jejum noturno , o que foi consistente com a resistência à insulina e inflexibilidade metabólica dos pacientes T2D. Além disso, o estado de metilação das citosina na região +160 e +446 do promotor PDK4 foi reduzido em doentes com T2D, sugerindo que a modificação epigenética dos genes mitocondriais está envolvida na regulação da comutação do substrato . No entanto, como um dos factores de transcrição que regula a expressão do PDK4 , o promotor do PGC1a foi declarado hiper-metilado no músculo esquelético de indivíduos T2D e, após alimentação excessiva de gordura a indivíduos com baixo peso à nascença, indicando que os padrões de metilação alterados associados a doenças metabólicas podem ser específicos do promotor .Foram utilizadas intervenções terapêuticas para reduzir a expressão PDK4 na diabetes. Além da insulina, vários inibidores PDK4 foram utilizados para promover a eliminação de glicose em modelos animais. Os estudos iniciais mostraram resultados encorajadores com a administração oral de dicloroacetato (DCA), mas este composto é um fraco inibidor da PDK e tóxico . Mais recentemente, os medicamentos potentes administrados oralmente, tais como inibidores PDK produzidos pela Novartis e AstraZeneca, geralmente incluem amidas do ácido trifluoro-2-hidroxi-2-metilpropiónico . Todos estes inibidores, incluindo o inibidor da PDK2 Nov3r e AZD7545, ligam-se no local de ligação do grupo lipoílo da PDK e aumentam efectivamente a actividade da PDC . Muitos medicamentos visam a atividade PDK na maioria dos tecidos periféricos, como o DCA , mas alguns medicamentos têm melhor eficácia em tecidos específicos. Por exemplo, AZD7545 elevada actividade PDC mais eficazmente no fígado do que no músculo esquelético e no coração e com a perda de eficácia no músculo esquelético de animais em jejum .

PDK e flexibilidade metabólica no fígado

uma das principais funções do fígado é regular o fornecimento de glucose e outros combustíveis metabólicos para fornecer energia a outros tecidos . O corpo pode equilibrar os níveis de Glicose no sangue através do equilíbrio da produção de glicose e armazenamento no fígado e no rim, e regular a sua utilização nos tecidos periféricos. Em condições de jejum, o fígado fornece inicialmente glicose a partir de glicogenólise, o colapso das reservas de glicogênio hepático. Com privação de energia prolongada, a principal fonte de glucose é a gluconeogénese, a síntese de glucose de precursores não carboidratos, tais como glicerol, lactato e o aminoácido alanina . A inactivação da PDC Por PDKs pode inibir a conversão do piruvato em acetil-CoA, resultando numa mudança do piruvato para o ciclo TCA ou síntese de ácidos gordos para a gluconeogénese .

o jejum de 48 h não alterou a actividade PDC no fígado de ratinhos knockout PDK4, mas os intermédios da via gluconeogénica (glucose-6-fosfato, frutose-1,6-bifosfato, piruvato, lactato e citrato) foram mais baixos , indicando uma taxa reduzida de gluconeogénese e glicólise. A hormona do crescimento (GH) pode aumentar a expressão hepática PDK4 em ratinhos de tipo selvagem durante o jejum através da activação do transdutor de sinal e activador da transcrição 5 (STAT5), conduzindo à inibição da actividade PDC, conservando substratos para a gluconeogénese . A metformina, um medicamento habitualmente prescrito para o T2D, pode inibir a expressão PDK4 induzida pela GH através de uma via dependente da proteína cinase-pequeno parceiro heterodímero (AMPK-SHP) activada pela proteína 5′-AMP – activada para inibir a associação do STAT5 ao promotor PDK4 .

a expressão hepática do PDK4 e PDK2, e a actividade PDC não foram afectadas em ratinhos de tipo selvagem alimentados com uma dieta rica em gorduras durante 18 semanas. . Alimentação com elevado teor de gordura induziu esteatose hepática, uma condição que ocorre quando a acumulação de gordura excede a taxa de oxidação . Esta situação foi evitada em ratos nocaute PDK4 que consumiram uma dieta de gordura saturada durante 32 semanas . Isto pode ser explicado em parte pela alteração da actividade PGC1a no fígado. A PGC1a controla a expressão de enzimas gluconeogénicas tais como a carboxikinase do fosfoenolpiruvato (PEPC). Eliminar o PDK4 pode levar a níveis mais elevados de PGC1a, consistentes com uma maior actividade do PEPC e uma menor capacidade para síntese de ácidos gordos de novo . A PPARa também mostrou uma regulação coordenada com a PGC1a na esteatose hepática, o que foi demonstrado pelos efeitos benéficos potenciados do ácido clofibrico, um agonista da PPARa, na acumulação de ácidos gordos em ratinhos nocaute PDK4 . Em contraste com o músculo esquelético, o tecido adiposo/CD36, enzimas chave para o transporte de ácidos gordos, não estiveram envolvidos na redução da acumulação de gordura no fígado .

em condições diabéticas, a expressão dos genes PDK, particularmente PDK4, está significativamente elevada no fígado , o que pode ajudar a explicar o aumento das taxas de gluconeogénese e os efeitos benéficos da metformina. A investigação sobre o modelo de ratinhos diabéticos com deficiência em substratos do receptor de insulina hepática 1 e 2 (IRS 1/2) revelou que tanto o knockdown como o knockdown do gene PDK4 levaram à melhoria do controlo glicémico e à tolerância à glucose. PDK4 foi mais eficiente na regulação da flexibilidade metabólica do que PDK2 no fígado . Combinado com os resultados dos outros estudos, parece que o PDK2 regula principalmente a utilização da glucose enquanto que o PDK4 pode estar envolvido tanto no metabolismo da glucose do sistema como na gluconeogénese hepática.

a hormona tiroideia (T3) controla vários aspectos dos processos metabólicos da energia hepática, tais como oxidação de ácidos gordos, lipogénese e oxidação da glucose. O hipertiroidismo Experimental pode induzir a expressão PDK4 no fígado , no músculo esquelético e no coração, conduzindo à inibição da actividade PDC. Dois locais de ligação para o receptor β da hormona tiroideia foram identificados no promotor do gene PDK4 do rato . Para além de funcionar como co-activador T3, O PGC1a também pode aumentar a indução T3 da expressão hepática PDK4 em ratos . A proteína β (c/EBPß) da ligação do CCAAT/potenciador, como factor de transcrição para genes que codificam enzimas gluconeogénicas como o PEPC, estimula também a expressão hepática do PDK4 no rato através de dois elementos de resposta C/EBPß no promotor PDK4 e participa também na indução T3 da transcrição do PDK4 .

PDK4 e flexibilidade metabólica no tecido adiposo branco

em comparação com o músculo esquelético e o fígado, é relatada relativamente pouca investigação sobre a flexibilidade metabólica nos tecidos adiposos brancos (WAT). WAT é um órgão crucial para um processo metabólico de ácidos graxos chamado gliceroneogênese adipocitária. Esta via utiliza o piruvato, a alanina, a glutamina ou quaisquer substâncias do ciclo TCA como precursores para sintetizar o fosfato de dihidroxiacetona (DHAP) e, finalmente, produzir glicerol-3-fosfato (G3P) para a síntese de triacilglicerol (TAG). A PDC está ligada a este processo e a supressão da PDC permite uma maior utilização de lactato e piruvato para a gliceroneogénese .

como activador da gliceroneogénese, as tiazolidinedionas (TZD) aumentaram a expressão do mRNA PDK4 na distribuição subcutânea, periepididimal e retroperitoneal em ratos fa/fa Zucker, um modelo genético obeso, resistente à insulina, enquanto o mRNA PDK2 não foi afectado, indicando o papel vital do PDK4 na gliceroneogénese. A expressão PDK4 induzida por TZD foi específica ao tecido porque fígado e músculo não responderam a tal tratamento . Observaram-se resultados semelhantes para 3 adipócitos T3-F442A in vitro, utilizando inibidores da PDK4, DCA e leelamina e siRNA PDK4. Tanto 500 µmol/L DCA como 50 µmol / L A leelamina inibiu a incorporação de piruvato em triglicéridos. A incorporação de piruvato em lípidos foi reduzida 40% após transfecção de adipócitos com pdk4 siRNA . O PPARy é um receptor nuclear regulado pelos TZDs sensibilizantes da insulina. O PDK4 é um alvo indireto do PPARy. Assim, a regulação de PDK4 por TZD in WAT relaciona-se estreitamente com o PPARy .

para além do TZD, o tratamento agudo com epinefrina também aumentou o mRNA PDK4 através da proteína cinase activada pelo P38 mitogénio (MAPK) e das vias AMPK nos adipócitos cultivados e nos depósitos de WAT epididimais em modelos de ratos obesos, resistentes à insulina, induzidos por dietas com elevado teor de gordura . O mRNA PDK2 ainda não foi afectado. Duas horas de natação produziram resultados semelhantes ao tratamento com epinefrina em WAT em ratos magros e obesos . Combinado com o aumento da síntese de G3P via PEPC, mais gliceroneogénese permite uma reesterificação aumentada de ácidos gordos não esterificados para o TAG a partir da lipólise, enquanto a oxidação da glucose é reduzida nestes adipócitos . Com um papel importante na depuração da glucose e síntese/armazenamento de gordura, a regulação da PDK4 durante o exercício, o tratamento com epinefrina e TZD, que conduz à inibição da PDC, promove o armazenamento de energia na WAT. É necessário mais trabalho para elucidar os percursos transcritionais envolvidos na regulação do PDK4 na WAT .

PDK4 e flexibilidade metabólica no coração

Metabólica inflexibilidade sempre acompanha a cardiomiopatia, particularmente durante a isquemia, e pode até causar insuficiência cardíaca . A incapacidade de oxidar hidratos de carbono suficientes para satisfazer as necessidades energéticas é uma razão importante para a ineficiência cardíaca. Isto pode ser demonstrado pela sobre-expressão cardíaca específica da PDK4, que é suficiente para causar uma perda de flexibilidade metabólica e exacerbar a cardiomiopatia . A sobreexpressão do PDK4 no coração com um modelo de ratinho transgénico foi associada a uma diminuição no catabolismo da glucose e a um aumento correspondente na oxidação de ácidos gordos. Este modelo transgénico também expressou uma forma constitutivamente activa da calcineurina fosfatase, causando assim hipertrofia na fibrose cardiomiocitária e um aumento impressionante na mortalidade .

em ratinhos aos quais foi administrada uma dieta rica em gorduras durante 10 dias, a oxidação cardíaca dos hidratos de carbono diminuiu acentuadamente, com a regulação da actividade PDK4. A dieta rica em gorduras induziu alterações metabólicas cardíacas através da via de iniciação eucariótica 4e (eIF4E)/ciclina D1/E2F1/PDK4 .

durante isquemia moderadamente grave, ácidos gordos livres são o principal combustível na oxidação mitocondrial . Enquanto a glicólise ainda está ativa e a glicose é usada para a produção de lactato para produzir ATP, independente do oxigênio, a inactivação de PDC facilita o uso de ácidos graxos. A isquemia faz com que o piruvato seja convertido em lactato, aumentando assim a acidificação no miocárdio . Assim, a inibição da actividade PDK pela DCA é vital para aumentar a produção de ATP, bem como a captação de Ca2+, e a utilização da combinação de inibidores de oxidação da glucose-insulina-K+ ou de ácidos gordos também são benéficas .

Angiotensina II (Ang II), o principal efetor no sistema renina angiotensina na insuficiência cardíaca, pode induzir marcado cardíaco, resistência à insulina, levando ao cardíaca metabólica mudar de glicose a oxidação dos ácidos gordos, produzindo metabólica inflexibilidade e cardíaca ineficiência . O PDK4 é altamente expresso neste modelo de hipertrofia induzida pelo Ang II e a eliminação do PDK4 previne a redução induzida pelo Ang II na oxidação da glucose e previne a disfunção diastólica . A inibição da actividade PDK4 tornou-se uma nova estratégia terapêutica contra a doença cardíaca .

PDK e flexibilidade metabólica no sistema nervoso central

o cérebro também aproveita a oxidação da glicose como fonte de energia primária. Astrocitos cultivados expressaram mais PDK2 e PDK4 em comparação com neurônios, consistente com a menor atividade PDH e maior produção de lactato exibida por astrocitos cultivados . Há evidências acumuladas de que alterações na atividade PDKs estão ligadas ao desenvolvimento de vários distúrbios neurológicos. Por exemplo, a doença de Alzheimer foi associada a disfunção na actividade da PDH e metabolismo da glucose . O envelhecimento do cérebro está associado a uma redução do mRNA PDK1 e PDK2 no cerebelo e a um aumento do mRNA PDK2 no hipocampo e no córtex cerebral , e a regulação do mRNA PDK2 esteve envolvida no glioblastoma .Os neurónios hipotalâmicos são sensíveis aos sinais nutricionais e podem regular o equilíbrio energético e a homeostase da glucose. No entanto, os mecanismos complexos subjacentes ainda não são totalmente compreendidos. Estudos recentes em ratinhos em jejum durante 48 horas revelaram um perfil de expressão genética no hipotálamo consistente com a redução da utilização de glucose e aumento da oxidação lipídica, incluindo mRNA PDK4 elevado, consistente com os resultados no músculo esquelético, fígado, coração e rim . A regulação do PDK4 também foi observada em hipotálamo durante o jejum neonatal de ratos durante 6 horas, refletindo uma tentativa de conservar energia durante a privação alimentar neonatal . Isto também indica que o cérebro neonatal não é poupado da restrição de glicose durante a crise de energia, mas em vez disso o cérebro neonatal pode usar cetonas derivadas do metabolismo de ácidos graxos como a principal fonte de energia . No entanto, apenas estudos limitados são relatados para o efeito de PDK no balanço energético hipotalâmico. Espera-se mais investigação.

PDK e flexibilidade metabólica noutros tecidos

ilhéus pancreáticos

nas células β pancreáticas murinas, tanto o tratamento com ácidos gordos elevados como o tratamento com glucose elevada aumentaram a actividade PDK e diminuíram a actividade PDH. A expressão do mRNA do palmitato regulado para PDK1, PDK2 e PDK4, enquanto que a glucose elevada aumentou o mRNA PDK1 , PDK2, mas reduziu o mRNA do PDK4, sugestivo de uma regulação transcritiva diferente. Assim, a indução da expressão PDK tanto pela glucose como pela gordura acompanha o declínio da flexibilidade do metabolismo das células β durante a progressão da obesidade para a T2D .

a exposição crónica a situações hiperglicémicas resulta em glucotoxicidade nas células β. A glucotoxicidade prejudica a secreção de insulina simulada pela glucose (GSIS), contribuindo para o desenvolvimento do T2D. A análise Metabolómica das células β após exposição a níveis elevados de glucose (25 mM durante 20 h) revelou um aumento da glucose e uma diminuição dos ácidos gordos durante a GSIS, mas não houve alterações significativas na proteína PDK2 . Estudos semelhantes sobre as linhas celulares insulinoma e (INS-1E) β mostraram um aumento na fosforilação da subunidade PDC E1a durante o tratamento com glucose elevada (50 mM durante 48 h). O Knockdown do PDK1 e PDK3 levou a uma redução acentuada na inactivação do PDC. No entanto, a inactivação do PDC não foi associada a uma alteração da GSIS . É possível que a actividade PDC nas células ins-1E β seja excessiva e, por conseguinte, reduzir a sua actividade seja de pouca importância. A prolactina também pode induzir a tosse convulsa em linhas celulares INS-1E pela supressão de PDKs e aumento da actividade PDC, sugerindo um novo papel para os lactogénios no tratamento da diabetes . Como o órgão mais importante envolvido na patogenese do T2D, é necessária mais investigação sobre a flexibilidade metabólica nas células β pancreáticas.

as células cancerígenas

as células cancerígenas têm uma forma única de adquirir energia, denominada o efeito Warburg. Eles utilizam o aumento da glicólise e suprimem a oxidação da glicose mitocondrial para fornecer energia com uma vantagem proliferativa, conducente à resistência à apoptose e até mesmo aumento da angiogênese . Em condições baixas de nutrientes, o efeito de Warburg foi melhorado através de um mecanismo envolvendo espécies reativas de oxigênio (ROS)/AMPK – dependente ativação de PDK . PDK1 e PDK3 são as principais isoformas relacionadas com o efeito Warburg . Assim, a inibição da PDK com pequenas RNAs interferentes ou medicamentos órfãos, tais como DCA, pode mudar o metabolismo das células cancerígenas da glicólise para oxidação da glucose, e pode fornecer uma abordagem poderosa para o tratamento do cancro .