rolul pivot al piruvat dehidrogenazei kinazelor în flexibilitatea metabolică

menținerea unui echilibru între cererea și oferta de energie este esențială pentru sănătate. Glucoza și lipidele (acizii grași și corpurile cetonice), ca surse de energie celulară, pot concura și interacționa între ele . Capacitatea unui organism de a adapta oxidarea combustibilului la disponibilitatea combustibilului, adică de a utiliza în mod preferențial combustibilii carbohidrați și lipidici și de a putea comuta rapid între ei se numește flexibilitate metabolică . Eșecul de a potrivi oxidarea combustibilului cu modificările disponibilității nutrienților este adesea însoțit de simptome precum rezistența la insulină, acumularea ectopică de lipide și disfuncția mitocondrială . Astfel, inflexibilitatea metabolică este strâns legată de o serie de sindroame precum diabetul de tip 2 (T2D), obezitatea, bolile cardiovasculare și sindromul metabolic.

una dintre enzimele majore responsabile de flexibilitatea metabolică la mamifere este complexul piruvat dehidrogenază (PDC), un complex mitocondrial multi-enzimatic care catalizează decarboxilarea oxidativă a piruvatului . PDC controlează conversia piruvatului, coenzimei A (CoA) și NAD+ în acetil-CoA, NADH și CO2 și astfel leagă metabolismul acizilor grași, metabolismul glucozei și ciclul acidului tricarboxilic (TCA). Unitatea cu doi atomi de carbon activată de CoA produsă de catabolismul piruvatului poate fi condensată cu oxaloacetat în prima reacție a ciclului TCA sau utilizată pentru sinteza acizilor grași și a colesterolului . Piruvatul poate fi, de asemenea, conservat pentru gluconeogeneză în ficat și rinichi . Astfel, PDC ocupă o poziție centrală în metabolismul energetic celular (Figura 1).

PDC și PDK ocupă poziții centrale în metabolismul energetic celular. Acidul gras și glucoza concurează între ele pentru oxidare la nivelul PDC la mamifere. PDC catalizează decarboxilarea oxidativă a piruvatului pentru a forma acetil-CoA și astfel leagă metabolismul glucozei și metabolismul acizilor grași. PDC poate fi fosforilat de PDKs, care poate fi reglat de acetil-CoA mitocondrial, NADH, piruvat, ATP și factori de transcripție nucleară. ERRa: receptor asociat estrogenului (XC); FoxO: Proteina din cutia de furcă O; NEFA: acid gras neesterificat; PDC: complex de piruvat dehidrogenază; PDKs: piruvat dehidrogenază kinaze; PGC1a: co-activator PPARy (1); PPAR (PPAR); PDC (PDC): complex de piruvat dehidrogenază (PDC); PDKS: piruvat dehidrogenază kinaze; pgc1a: co-activator PPARy (PPARy co-activator) 1: Receptori activați de proliferatorul peroxizomului; TG: trigliceridă; TCA: acid tricarboxilic.

PDC este mai activ în starea sănătoasă și bine hrănită. Cu toate acestea, suprimarea PDC este crucială pentru sinteza glucozei atunci când glucoza este rară . Inactivarea activității PDC este catalizată de patru izoenzime de piruvat dehidrogenază (PDH) kinază (PDK) foarte specifice care pot fosforila reziduurile de serină specifice din subunitatea VIII a enzimei E1 din PDC . Dintre toate izozimele cunoscute, PDK2 și PDK4 sunt cele mai răspândite și sunt foarte exprimate în inimă, ficat și rinichi la om și rozătoare. PDK4 este, de asemenea, abundent în insulele pancreatice și în mușchii scheletici care au o utilizare ridicată a glucozei și rate de oxidare a acizilor grași. PDK1 și PDK3 au o distribuție destul de limitată a țesuturilor . Activitățile PDKs pot fi reglate de diferite niveluri de metaboliți, precum și de factori de transcripție în diferite condiții și în diferite țesuturi (Figura 2). Astfel, PDC poate gestiona utilizarea și stocarea combustibililor pentru a îndeplini flexibilitatea metabolică ca răspuns la mediu.

căi de reglare transcripțională a PDK4 în diferite țesuturi sub diferite stări nutriționale. Inactivarea PDC prin reglarea în sus a PDK4 poate comuta catabolismul glucozei la utilizarea acizilor grași. Există diferite căi de reglare transcripțională în mușchii scheletici, ficat, țesut adipos alb și inimă în diferite condiții nutriționale (privarea de energie, consumul ridicat de grăsimi, exerciții fizice, boli, medicamente). Akt/ PKB: protein kinază B; AMPK: 5 ‘ – protein kinază activată de AMP; CD36: grup de diferențiere 36; C/EBP XV: ccaat/Protein de legare a potențatorului (enhancer-binding protein); eif4e: factor de inițiere eucariotă 4E; ERRa: receptor asociat estrogenului (Estrogen related receptor); grăsime: transportor de acizi grași; FoxO1: cutie de proteine O1; LXR: receptor hepatic X; MAPK: P38 protein kinază activată de mitogen; PDC: Complex de piruvat dehidrogenază; PDK4: piruvat dehidrogenază kinază 4; PGC1a: co-activator PPARy 1 XV; PPAR: receptori activați de proliferatorul Peroxizomului; SHP: partener heterodimer mic; STAT5: Traductor de semnal și activator al transcripției 5.

această revizuire rezumă studiile recente privind rolul esențial al PDKs în controlul flexibilității metabolice, un concept recent în metabolismul energetic celular, în diferite condiții nutriționale (privarea de energie, consumul ridicat de grăsimi, exerciții fizice și boli) în diverse țesuturi (mușchi scheletic, ficat, țesut adipos alb, inimă, insule pancreatice și sistem nervos), cu accent pe PDK4 cel mai bine caracterizat. Înțelegerea reglementării PDK-urilor în diferite țesuturi și a rolurilor lor în homeostazia energetică va fi benefică pentru tratamentul diferitelor tipuri de boli metabolice.

PDK și flexibilitatea metabolică a mușchilor scheletici

fiind cantitativ cel mai mare organ din organism, mușchiul scheletic reprezintă 30% până la 40% din rata metabolică la adulții aflați în stare de repaus. Contribuind la 80% din absorbția de glucoză stimulată de insulină, este un sit major pentru oxidarea glucozei și metabolizarea acizilor grași . Mușchiul scheletic prezintă o flexibilitate metabolică remarcabilă în consumul de combustibil ca răspuns la diferite provocări metabolice, cum ar fi privarea de energie și modificările compoziției dietei. La persoanele sănătoase slabe, sub stimularea insulinei, mușchiul scheletic este capabil să treacă de la oxidarea predominant lipidică și rate ridicate de absorbție a acizilor grași la suprimarea catabolismului lipidic și a absorbției, oxidării și depozitării crescute a glucozei . Cu toate acestea, pacienții obezi și T2D manifestă rate mai mari de oxidare a lipidelor în mușchii scheletici și sunt relativ rezistenți la insulină, ducând la inflexibilitate metabolică .

privarea de energie

în timpul deprivării de energie, glucoza este rară și oxidarea acizilor grași cu lanț lung este utilizată pentru a satisface cerințele de energie celulară. Consumul redus de alimente și concentrațiile scăzute de insulină scad utilizarea glucozei pentru conservarea glucozei . Activitatea PDC la mamifere este suprimată de hiper-fosforilarea PDK, limitând conversia piruvatului în acetil-CoA în mușchiul scheletic . Cu mai puțin acetil-CoA disponibil, sinteza malonil-CoA, un inhibitor al oxidării acizilor grași, este redusă . Ca urmare, oxidarea acizilor grași este atât forțată, cât și facilitată de reglarea în sus a PDK4 . Patruzeci și opt de ore de post la șobolani (retragerea completă a alimentelor) au fost asociate cu o creștere de 3-4 ori a proteinei PDK4 și a ARNm în mușchiul gastrocnemius, fără efecte asupra expresiei PDK2 . Patruzeci și opt de ore de șoareci pdk4 knock-out au prezentat scăderea glicemiei , creșterea acizilor grași serici neesterificați și o activitate mai mare a PDC în mușchiul gastrocnemius, în concordanță cu ratele mai mici de oxidare a acizilor grași și ratele crescute de oxidare a glucozei și piruvatului. Cu toate acestea, privarea de energie a dus la o scădere mai degrabă decât la creșterea activității PDK2 în mușchiul gastrocnemius la șoarecii knock-out PDK4 . Acest lucru a sugerat că PDK2 nu a fost în măsură să compenseze pierderea funcției PDK4 ca răspuns la post. Realimentarea șobolanilor de tip sălbatic în post timp de 48 de ore a redus ARNm PDK4 la un nivel comparabil cu grupul de control .

acetil-CoA și NADH produse de oxidarea acizilor grași au stimulat activitatea PDK în mușchii scheletici . A existat , de asemenea, o inducție selectivă a transcrierilor forkhead box O1 (FoxO1) și forkhead box O3 (FoxO3) în mușchiul gastrocnemius la șoareci după 48 de ore de retragere a alimentelor, indicând implicarea FoxO în reglarea PDK4 ca răspuns la modificările pe termen scurt ale stării nutriționale. PDK4, interacționând cu transportorul de acizi grași / grupul de diferențiere 36 (grăsime/CD36, proteine majore de absorbție a acizilor grași în mușchi), receptorul activat de peroxizom-proliferator (PPAR, receptorul nuclear activat de acizi grași) și FoxO1, oferă un cadru pentru reglarea preferinței combustibilului muscular ca răspuns la post . În timpul deprivării de energie, fluxul de acizi grași facilitat de CD36 activează PPAR XV / XV, ceea ce crește în mod coordonat expresia FoxO1 și PDK4 pentru a inhiba oxidarea glucozei. Fluxul de acizi grași și scăderea concentrațiilor de insulină sunt asociate cu reglarea în jos a protein kinazei B (Akt/PKB), ceea ce duce la activarea FoxO1 . Deoarece FoxO1 recrutează, de asemenea, CD36 la membrana plasmatică și induce lipoprotein lipaza, toate acestea sporesc utilizarea acizilor grași în mușchii scheletici . Noua axă de semnalizare metabolostatică a receptorului hepatic x (LXR)-PPARa a fost, de asemenea, raportată a fi implicată în răspunsul de privare a energiei musculare . Activarea semnalizării ppara LXR a crescut pentru a crește reglarea în sus a expresiei pdk4 indusă de post, sporind astfel oxidarea acizilor grași și scăzând catabolismul glucozei în mușchiul scheletic .

consumul de dietă bogată în grăsimi pe termen lung

consumul pe termen lung al unei diete bogate în grăsimi saturate poate provoca hiperglicemie, hiperinsulinemie, intoleranță la glucoză și obezitate. Administrarea unei diete bogate în grăsimi saturate timp de 4 săptămâni la șobolani a crescut semnificativ expresia proteinelor PDK2 și PDK4 atât la subtipurile de fibre musculare albe cu mișcare rapidă (tibialis anterior), cât și la subtipurile de fibre musculare roșii cu mișcare lentă (soleus) la șobolani . Fibra musculară roșie cu mișcare lentă este bogată în mitocondrii și mioglobină și se bazează pe metabolismul aerob al combustibililor carbohidrați și lipidici. La soleus, creșterea relativă a expresiei PDK4 a fost , de asemenea, legată de o creștere de peste 7 ori a concentrației de piruvat și o reducere de 50% a activității PDC comparativ cu cea a tibialului anterior, indicând o pierdere mai mare a sensibilității PDK datorită inhibării piruvatului în mușchiul cu mișcare rapidă, comparativ cu mușchiul cu mișcare lentă. Consumul unei diete bogate în grăsimi duce la utilizarea combustibililor derivați din lipide ca substraturi respiratorii în mușchi, parțial modulate de reglarea în sus a activității PDK. Oxidarea îmbunătățită a acizilor grași după hrănirea dietelor bogate în grăsimi în mușchiul cu mișcare lentă este atribuită în principal reglării în sus a PDK4. Cu toate acestea, în mușchiul cu mișcare rapidă , a fost observată și creșterea ARNm PDK2, sugerând o posibilă reglare a coordonatelor între PDK2 și PDK4 în subtipurile de fibre musculare albe.

deficitul de PDK4 duce la inhibarea oxidării acizilor grași și la creșterea oxidării glucozei datorită activității PDC mai mari, ceea ce crește conversia piruvatului în acetil-CoA. Cu mai mult acetil CoA disponibil pentru a sintetiza malonil-CoA, un inhibitor al oxidării acizilor grași, rata oxidării acizilor grași scade datorită unei bucle de feedback direct . Cu toate acestea, hrănirea dietelor bogate în grăsimi pe termen lung nu promovează acumularea suplimentară de grăsimi ectopice și nici nu agravează rezistența la insulină . După ce au hrănit o dietă bogată în grăsimi saturate timp de 32 de săptămâni la șoarecii knock-out PDK4, șoarecii cu deficit de PDK4 au dezvoltat, de asemenea, hiperinsulinemie, dar mai puțină acumulare de grăsime în mușchii scheletici și o toleranță mai bună la glucoză în comparație cu șoarecii de tip sălbatic . Activitatea sintazei acizilor grași a fost, de asemenea, mai mică, sugerând că absența PDK4 poate modifica componentele de semnalizare implicate în reglarea metabolismului lipidic .

reglarea în sus a receptorului nuclear orfan receptorul legat de estrogen (ERRa) ARNm și proteine a fost găsit la șoareci după consumul cronic al unei diete bogate în grăsimi . S-a sugerat că PPARy coactivator 1 inkt (PGC1a) poate regla catabolismul glucozei și căile oxidative mitocondriale prin creșterea activității PDK4 printr-o cale dependentă de Pgc1a/ERRa în mușchiul scheletic . ERRa poate recruta PGC1a pentru a se combina cu promotorul PDK4 și pentru a regla transcrierea PDK4, care este independentă de FoxO1 și PPAR . Reglarea negativă a activității PDC de către PDK4 inhibă intrarea piruvatului în ciclul TCA și, ulterior, blochează oxidarea celulară a glucozei ca răspuns la hrănirea bogată în grăsimi . Astfel, PGC1a / ERRa are un rol cheie în dieta bogată în grăsimi indusă de reglarea PDK4 și flexibilitatea metabolică a mușchilor scheletici.

exercițiu

s-a constatat că activarea PDC în timpul contracției musculare de intensitate mică până la moderată a fost de ~2 ori mai mare la șoarecii knockout PDK4 decât la șoarecii de tip sălbatic în timpul exercițiului, indiferent de intensitate . ARNm PDK4 a fost semnificativ crescut în timpul exercițiilor fizice prelungite și după exerciții fizice de intensitate ridicată pe termen scurt și prelungite de intensitate scăzută în mușchii scheletici la șoareci . Inactivarea PDC ca răspuns atât la contracția musculară lentă, cât și la contracția musculară rapidă prin pdk4 reglată în sus poate limita intrarea produselor glicolitice în mitocondrii pentru oxidare. Perioada de recuperare după exercițiu evidențiază, de asemenea, prioritatea metabolică ridicată a reumplerii glicogenului pentru restabilirea homeostaziei energetice în mușchiul scheletic . Consumul de dietă bogată în grăsimi timp de 18 săptămâni , urmat de exerciții de 12 ore, a crescut, de asemenea, expresia PDK4 în mușchii scheletici la șoareci, ducând la reducerea activității PDC și la o oxidare mai mică a carbohidraților. FoxO1 a fost sugerat a fi un posibil factor de transcripție legat de această modificare. FoxO1 poate simți modificările disponibilității acizilor grași liberi și transmite acest mesaj în aval prin modularea transcrierii PDK4. Foxo1 ne-fosforilat se află în nucleu unde poate activa transcrierea genelor care conțin elemente de răspuns la insulină. Fosforilarea FoxO1 prin calea Akt/PKB duce la excluderea și distrugerea nucleară . PGC1a a jucat, de asemenea, roluri semnificative în mușchii scheletici ca răspuns la exerciții fizice, conform cercetărilor efectuate pe cai . Pgc1a a reglat oxidarea glucozei în timp ce crește respirația mitocondrială și oxidarea acizilor grași în timpul recuperării post-exercițiu la caii de rasă pură .

în plus față de exercițiul muscular, în timpul exercițiului de anduranță acută în modelul de ciclism cu un picior, mușchiul de repaus a arătat, de asemenea, o expresie pdk4 crescută, probabil mediată de creșterea acizilor grași liberi circulanți, liganzi ai PPAR și reglarea în sus a căilor PPAR .

rezistența la insulină și diabetul

rezistența la insulină este caracterizată în cea mai mare parte ca un răspuns limitat la metabolizarea stimulată a glucozei în mușchii scheletici. De asemenea, rezistența la suprimarea utilizării lipidelor sub rezistența la insulină a afectat capacitatea de a comuta între combustibili, ducând la inflexibilitate metabolică . Acest lucru este foarte frecvent pentru pacienții obezi și T2D în starea simulată de insulină. Kim et. al a indus rezistență acută la insulină prin perfuzie constantă de Intralipid (o emulsie grasă) și lactat timp de 5 ore la șobolani, rezultând o expresie pdk4 de 2 până la 3 ori mai mare în mușchi după perfuzia cu insulină , indicând capacitatea afectată a insulinei de a suprima PDK4. Infuzia de Intralipid și lactat a scăzut, de asemenea, fosforilarea Akt/PKB și FoxO1, ilustrând semnalizarea insulinei afectate . Un studiu clinic mai recent a arătat că hormonul de creștere (GH) poate promova lipoliza și reduce sensibilitatea la insulină la subiecții umani. Acest lucru a fost asociat cu reglarea în sus a ARNm PDK4 și scăderea PDC activă, similar cu ceea ce se observă în timpul postului . Cercetările asupra biopsiilor musculare ale pacienților cu T2D au arătat că atât ARNm PDK2 , cât și PDK4 au fost crescute în comparație cu voluntarii sănătoși după postul de noapte, ceea ce a fost în concordanță cu rezistența la insulină și inflexibilitatea metabolică a pacienților cu T2D. Mai mult, starea de metilare a citozinelor în regiunea +160 și + 446 a promotorului PDK4 a fost redusă la pacienții cu T2D, sugerând că modificarea epigenetică a genelor mitocondriale este implicată în reglarea comutării substratului . Cu toate acestea, ca unul dintre factorii de transcripție care reglează expresia PDK4 , promotorul PGC1a a fost raportat a fi hiper-metilat în mușchiul scheletic al subiecților T2D și după supraalimentarea grăsimilor la persoanele cu greutate mică la naștere, indicând faptul că modelele de metilare modificate asociate cu boala metabolică pot fi specifice promotorului .

intervențiile terapeutice au fost utilizate pentru a reduce expresia PDK4 în diabet. Dincolo de insulină, mai mulți inhibitori PDK4 au fost utilizați pentru a promova eliminarea glucozei la modelele animale. Studiile inițiale au arătat rezultate încurajatoare cu administrarea orală de dicloracetat (DCA), dar acest compus este un inhibitor slab al PDK și toxic . Mai recent, medicamentele potente administrate oral, cum ar fi inhibitorii PDK produși de Novartis și AstraZeneca, includ de obicei amide ale acidului trifluoro-2-hidroxi-2-metilpropionic . Toți acești inhibitori, inclusiv inhibitorii Pdk2 Nov3r și AZD7545, se leagă la locul de legare al grupului lipoil de PDK și cresc efectiv activitatea PDC . Multe medicamente vizează activitatea PDK în majoritatea țesuturilor periferice, cum ar fi DCA , dar unele medicamente au o eficacitate mai bună în țesuturile specifice. De exemplu, AZD7545 a crescut activitatea PDC mai eficient la nivelul ficatului decât la nivelul mușchilor scheletici și inimii și cu pierderea eficacității la nivelul mușchilor scheletici ai animalelor în condiții de repaus alimentar .

PDK și flexibilitatea metabolică în ficat

una dintre funcțiile principale ale ficatului este de a regla furnizarea de glucoză și alți combustibili metabolici pentru a furniza energie altor țesuturi . Organismul poate echilibra nivelurile de glucoză din sânge prin echilibrarea producției și depozitării glucozei în ficat și rinichi și reglarea utilizării acesteia în țesuturile periferice. În condiții de repaus alimentar, ficatul furnizează inițial glucoză din glicogenoliză, defalcarea depozitelor de glicogen hepatic. Cu privarea prelungită de energie, sursa primară de glucoză este gluconeogeneza, sinteza glucozei din precursorii non-carbohidrați, cum ar fi glicerolul, lactatul și aminoacidul alanină . Inactivarea PDC de către PDKs poate inhiba conversia piruvatului în acetil-CoA, rezultând o schimbare a piruvatului în ciclul TCA sau sinteza acizilor grași spre gluconeogeneză .

postul timp de 48 de ore nu a modificat activitatea PDC în ficatul șoarecilor knockout PDK4, dar intermediarii căii gluconeogene (glucoză-6-fosfat, fructoză-1,6-bifosfat, piruvat, lactat și citrat) au fost mai mici , indicând o rată redusă de gluconeogeneză și glicoliză. Hormonul de creștere (GH) poate crește expresia hepatică pdk4 în ficat la șoarecii de tip sălbatic în timpul postului prin activarea traductorului de semnal și a activatorului transcripției 5 (STAT5), ducând la inhibarea activității PDC, conservând substraturile pentru gluconeogeneză . Metformina, un medicament prescris în mod obișnuit pentru T2D, poate inhiba expresia pdk4 indusă de GH printr-o cale dependentă de 5′-amp-activat protein kinază – partener heterodimer mic (AMPK-SHP) pentru a inhiba combinația STAT5 cu promotorul PDK4 .

expresia hepatică a PDK4 și PDK2 și activitatea PDC nu au fost afectate la șoarecii de tip sălbatic hrăniți cu o dietă bogată în grăsimi timp de 18 săptămâni. . Hrănirea cu dietă bogată în grăsimi a indus steatoza hepatică, o afecțiune care apare atunci când acumularea de grăsimi depășește rata de oxidare . Această situație a fost prevenită la șoarecii knockout PDK4 care au consumat o dietă bogată în grăsimi saturate timp de 32 de săptămâni . Acest lucru poate fi explicat parțial prin modificarea activității PGC1a în ficat. PGC1a controlează expresia enzimelor gluconeogene, cum ar fi fosfoenolpiruvat carboxikinaza (PEPCK). Eliminarea PDK4 ar putea duce la niveluri mai ridicate de PGC1a, în concordanță cu o activitate mai mare a PEPCK și o capacitate mai mică de sinteză a acizilor grași de novo . PPARa a arătat, de asemenea, o reglare coordonată cu PGC1a în steatoza hepatică, ceea ce a fost demonstrat de efectele benefice sporite ale acidului clofibric, un agonist PPARa, asupra acumulării de acizi grași la șoarecii knock-out PDK4 . Spre deosebire de mușchii scheletici, grăsimile/CD36, enzime cheie pentru transportul acizilor grași, nu au fost implicate în acumularea redusă de grăsimi în ficat .

în condiții diabetice, expresia genelor PDK, în special PDK4, sunt semnificativ crescute în ficat, ceea ce ar putea ajuta la explicarea ratelor crescute de gluconeogeneză și a efectelor benefice ale metforminei. Cercetările asupra modelului șoarecilor diabetici care este deficitar în substraturile receptorilor de insulină hepatică 1 și 2 (IRS 1/2) au arătat că atât eliminarea, cât și eliminarea genei PDK4 au dus la îmbunătățirea controlului glicemic și a toleranței la glucoză. PDK4 a fost mai eficient în reglarea flexibilității metabolice decât PDK2 în ficat . Combinat cu rezultatele celorlalte studii, se pare că PDK2 reglează în principal utilizarea glucozei, în timp ce PDK4 poate fi implicat atât în metabolismul glucozei din sistem, cât și în gluconeogeneza hepatică.

hormonul tiroidian (T3) controlează multiple aspecte ale proceselor metabolice ale energiei hepatice, cum ar fi oxidarea acizilor grași, lipogeneza și oxidarea glucozei. Hipertiroidismul Experimental poate induce expresia PDK4 în ficat , mușchi scheletici și inimă, ducând la inhibarea activității PDC. La promotorul genei pdk4 de șobolan au fost identificate două situsuri de legare a receptorului hormonului tiroidian (XT). Pe lângă funcționarea ca co-activator T3, PGC1a poate îmbunătăți, de asemenea, inducerea T3 a expresiei hepatice pdk4 la șobolani . Proteina CCAAT / enhancer-binding protein (C / EBP XV), ca factor de transcripție pentru genele care codifică enzimele gluconeogene, cum ar fi PEPCK, stimulează, de asemenea, expresia hepatică PDK4 la șobolani prin intermediul a două elemente de răspuns c/EBP XV în promotorul PDK4 și participă, de asemenea, la inducerea T3 a transcripției PDK4 .

PDK4 și flexibilitatea metabolică în țesutul adipos alb

comparativ cu mușchiul scheletic și ficatul, sunt raportate relativ puține cercetări privind flexibilitatea metabolică în țesuturile adipoase albe (WAT). WAT este un organ esențial pentru un proces metabolic de acizi grași denumit gliceroneogeneza adipocitelor. Această cale folosește piruvat, alanină, glutamină sau orice substanțe din ciclul TCA ca precursori pentru a sintetiza fosfat de dihidroxiacetonă (DHAP) și, în final, pentru a produce glicerol-3-fosfat (G3P) pentru sinteza triacilglicerolului (TAG). PDC este legat de acest proces și suprimarea PDC permite utilizarea crescută a lactatului și piruvatului pentru gliceroneogeneză .

ca activator al gliceroneogenezei, tiazolidindionele (TZD) au crescut expresia ARNm PDK4 în depozitele wat subcutanate, periepididimale și retroperitoneale la șobolanii fa/fa Zucker, un model obez genetic, rezistent la insulină, în timp ce ARNm PDK2 nu a fost afectat, indicând rolul vital al PDK4 în gliceroneogeneză. Expresia pdk4 indusă de TZD a fost specifică țesutului, deoarece ficatul și mușchiul nu au răspuns la un astfel de tratament . Rezultate similare au fost observate pentru 3 adipocite T3-F442A in vitro, utilizând inhibitori PDK4, DCA și leelamină și siRNA PDK4. Atât 500 MMC/l DCA, cât și 50 MMC/L leelamină au inhibat încorporarea piruvatului în trigliceride. Încorporarea piruvatului în lipide a fost redusă cu 40% după transfecția adipocitelor cu siRNA PDK4 . PPARy este un receptor nuclear reglat de TZD-urile sensibilizante la insulină. PDK4 este o țintă indirectă a PPARy. Astfel, reglementarea PDK4 de către TZD în WAT se referă strâns la PPARy .

în afară de TZD, tratamentul acut cu epinefrină a crescut, de asemenea, ARNm PDK4 prin P38 mitogen-activat protein kinază (MAPK) și AMPK căi în adipocite cultivate și în depozitele wat epididimale la obezi, modele de șobolan rezistente la insulină care au fost induse de dietele bogate în grăsimi . ARNm PDK2 nu a fost încă afectat. Două ore de înot au produs rezultate similare cu tratamentul cu epinefrină la WAT atât la șobolanii slabi, cât și la cei obezi . Combinat cu sinteza crescută a G3P prin PEPCK, mai multă gliceroneogeneză permite re-esterificarea crescută a acizilor grași neesterificați în TAG din lipoliză, în timp ce oxidarea glucozei este redusă în aceste adipocite . Cu un rol major în clearance-ul glucozei și sinteza/stocarea grăsimilor, reglarea în sus a PDK4 în timpul exercițiilor fizice, tratamentul cu epinefrină și TZD care duce la inhibarea PDC, promovează stocarea energiei în WAT. Este nevoie de mai multă muncă pentru elucidarea căilor transcripționale implicate în reglarea PDK4 în WAT .

PDK4 și flexibilitatea metabolică în inimă

inflexibilitatea metabolică însoțește întotdeauna cardiomiopatia, în special în timpul ischemiei, și poate provoca chiar insuficiență cardiacă . Eșecul de a oxida suficient carbohidrați pentru a satisface cerințele energetice este un motiv important pentru ineficiența cardiacă. Acest lucru poate fi demonstrat prin supraexprimarea specifică cardiacă a PDK4, care este suficientă pentru a provoca o pierdere a flexibilității metabolice și pentru a exacerba cardiomiopatia . Supraexprimarea PDK4 în inimă cu un model de șoareci transgenici a fost asociată cu o scădere a catabolismului glucozei și o creștere corespunzătoare a oxidării acizilor grași. Acest model transgenic a exprimat, de asemenea, o formă constitutivă activă a calcineurinei fosfatazei și, astfel, a provocat hipertrofie în fibroza cardiomiocitelor și o creștere izbitoare a mortalității .

la șoarecii care au fost hrăniți cu o dietă bogată în grăsimi timp de 10 zile, oxidarea cardiacă a carbohidraților a scăzut semnificativ, cu reglarea în sus a activității PDK4. Dieta bogată în grăsimi a indus modificări metabolice cardiace prin calea factorului de inițiere eucariotă 4E (eIF4E)/ciclinei D1/E2F1/PDK4 .

în timpul ischemiei moderat severe, acizii grași liberi sunt combustibilul principal în oxidarea mitocondrială . În timp ce glicoliza este încă activă și glucoza este utilizată pentru producția de lactat pentru a produce ATP, independent de oxigen, inactivarea PDC facilitează utilizarea acizilor grași. Ischemia determină transformarea piruvatului în lactat, crescând astfel acidificarea în miocard . Astfel, inhibarea activității PDK de către DCA este vitală pentru creșterea producției de ATP, precum și a absorbției de Ca2+, iar utilizarea combinației de glucoză-insulină-K+ sau inhibitori de oxidare a acizilor grași sunt, de asemenea, benefice .

angiotensina II (Ang II), principalul efector al sistemului reninei angiotensinei în insuficiența cardiacă, poate induce o rezistență cardiacă marcată la insulină, ducând la trecerea metabolică cardiacă de la oxidarea glucozei la acizii grași, producând inflexibilitate metabolică și ineficiență cardiacă . PDK4 este foarte exprimat în acest model de hipertrofie indusă de Ang II și ștergerea PDK4 previne reducerea indusă de Ang II a oxidării glucozei și previne disfuncția diastolică . Inhibarea activității PDK4 a devenit o nouă strategie terapeutică împotriva bolilor de inimă .

PDK și flexibilitatea metabolică în sistemul nervos central

creierul profită, de asemenea, de oxidarea glucozei ca sursă primară de energie. Astrocitele cultivate au exprimat mai mult PDK2 și PDK4 în comparație cu neuronii, în concordanță cu activitatea PDH mai mică și producția mai mare de lactat afișată de astrocitele cultivate . Există dovezi acumulate că modificările activității PDKs sunt legate de dezvoltarea mai multor tulburări neurologice. De exemplu, boala Alzheimer a fost asociată cu disfuncții în activitatea PDH și metabolismul glucozei . Îmbătrânirea creierului este asociată cu ARNm pdk1 și PDK2 redus în cerebel și ARNm pdk2 crescut în hipocampus și cortexul cerebral , iar reglarea up a ARNm PDK2 a fost implicată în glioblastom .

neuronii hipotalamici sunt sensibili la semnalele nutriționale și pot regla echilibrul energetic și homeostazia glucozei. Cu toate acestea, mecanismele complexe care stau la baza nu sunt încă pe deplin înțelese. Studii recente efectuate pe șoareci care au postit timp de 48 de ore au relevat un profil de expresie a genelor în hipotalamus în concordanță cu utilizarea redusă a glucozei și oxidarea crescută a lipidelor, inclusiv ARNm PDK4 crescut, în concordanță cu rezultatele în mușchii scheletici, ficat, inimă și rinichi . Reglarea în sus a PDK4 a fost observată și în hipotalamus în timpul postului de șobolan neonatal timp de 6 ore, reflectând o încercare de conservare a energiei în timpul privării alimentare neonatale . Acest lucru indică, de asemenea, că creierul neonatal nu este scutit de restricția glucozei în timpul crizei energetice, dar în schimb creierul neonatal poate folosi cetonele derivate din metabolismul acizilor grași ca sursă majoră de energie . Cu toate acestea, sunt raportate doar studii limitate pentru efectul PDK asupra echilibrului energetic hipotalamic. Se așteaptă mai multe cercetări.

PDK și flexibilitatea metabolică în alte țesuturi

insulele pancreatice

în celulele pancreatice murine, atât tratamentul cu acizi grași, cât și tratamentul cu glucoză au crescut activitatea PDK și au scăzut activitatea PDH. Palmitat up-reglementate Expresie ARNm de PDK1, PDK2 și PDK4, în timp ce glucoza mare a crescut PDK1 , pdk2 ARNm, dar a redus PDK4 ARNm, sugestiv pentru reglarea transcripțională diferită. Astfel, inducerea expresiei PDK atât de glucoză, cât și de grăsime însoțește scăderea flexibilității metabolismului celular în timpul progresiei de la obezitate la T2D .

expunerea cronică la afecțiuni hiperglicemice determină glucotoxicitate în celulele inquu. Glucotoxicitatea afectează secreția de insulină simulată de glucoză (GSIS), contribuind la dezvoltarea T2D. Analiza metabolomică a celulelor centi după expunerea la glucoză ridicată (25 mM timp de 20 h) a evidențiat o creștere a glucozei și o scădere a acizilor grași în timpul GSIS, dar nu există modificări semnificative ale proteinei PDK2 . Cercetări similare privind liniile celulare insulinoma e (INS-1e) au arătat o creștere a fosforilării subunității PDC E1a în timpul tratamentului cu glucoză mare (50 mM timp de 48 de ore). Eliminarea PDK1 și PDK3 a dus la o reducere semnificativă a inactivării PDC. Cu toate acestea, inactivarea PDC nu a fost asociată cu GSIS modificat . Este posibil ca activitatea PDC în celulele Ins-1E să fie în exces și, prin urmare, scăderea activității sale este de mică importanță. Prolactina poate induce, de asemenea, GSIS în liniile celulare INS-1e prin suprimarea PDKs și creșterea activității PDC, sugerând un rol nou pentru lactogeni în tratamentul diabetului . Fiind cel mai important organ implicat în patogeneza T2D, sunt necesare mai multe cercetări privind flexibilitatea metabolică în celulele pancreatice.

celulele canceroase

celulele canceroase au un mod unic de a dobândi energie, numit efectul Warburg. Ei folosesc glicoliza crescută și suprimă oxidarea mitocondrială a glucozei pentru a oferi energie cu un avantaj proliferativ, propice rezistenței la apoptoză și chiar angiogenezei crescute . În condiții cu conținut scăzut de nutrienți, efectul Warburg a fost îmbunătățit printr – un mecanism care implică activarea PDK dependentă de speciile reactive de oxigen (ROS)/AMPK . PDK1 și PDK3 sunt principalele izoforme legate de efectul Warburg . Astfel, inhibarea PDK fie cu ARN-uri mici interferente, fie cu medicamente orfane, cum ar fi DCA, poate schimba metabolismul celulelor canceroase de la glicoliză la oxidarea glucozei și poate oferi o abordare puternică pentru tratarea cancerului .