den pivotala rollen för pyruvatdehydrogenaskinaser i metabolisk flexibilitet

att upprätthålla en balans mellan energibehov och utbud är avgörande för hälsan. Glukos och lipider (fettsyror och ketonkroppar), som källor till cellulär energi, kan konkurrera och interagera med varandra . Kapaciteten för en organism att anpassa bränsleoxidation till bränsletillgänglighet, det vill säga att företrädesvis utnyttja kolhydrat-och lipidbränslen och att snabbt kunna växla mellan dem kallas metabolisk flexibilitet . Misslyckandet med att matcha bränsleoxidation med förändringar i näringstillgänglighet åtföljs ofta av symtom som insulinresistens, ektopisk lipidackumulering och mitokondriell dysfunktion . Således är metabolisk oflexibilitet tätt relaterad till en serie syndrom såsom typ 2-diabetes (T2D), fetma, hjärt-kärlsjukdom och metaboliskt syndrom.

ett av de viktigaste enzymerna som är ansvariga för metabolisk flexibilitet hos däggdjur är pyruvatdehydrogenas-komplexet (PDC), ett mitokondriellt multienzymkomplex som katalyserar oxidativ dekarboxylering av pyruvat . PDC kontrollerar omvandlingen av pyruvat, koenzym A (CoA) och NAD+ till acetyl-CoA, NADH och CO2 och kopplar därmed fettsyrametabolism, glukosmetabolism och trikarboxylsyracykeln (TCA). Den CoA-aktiverade två-kolenheten som produceras genom katabolism av pyruvat kan kondenseras med oxaloacetat i den första reaktionen av TCA-cykeln eller användas för fettsyra-och kolesterolsyntes . Pyruvat kan också konserveras för glukoneogenes i lever och njure . Således upptar PDC en central position i cellulär energimetabolism (Figur 1).

PDC och PDKs upptar centrala positioner i cellulär energimetabolism. Fettsyra och glukos konkurrerar med varandra för oxidation vid PDC-nivån hos däggdjur. PDC katalyserar oxidativ dekarboxylering av pyruvat för att bilda acetyl-CoA och kopplar därmed glukosmetabolism och fettsyrametabolism. PDC kan fosforyleras av PDKs, som kan regleras av mitokondriell acetyl-CoA, NADH, pyruvat, ATP och nukleära transkriptionsfaktorer. Erra: östrogenrelaterad receptorjätte; Foxo: Forkhead box protein O; NEFA: icke-förestrad fettsyra; PDC: Pyruvatdehydrogenas komplex; PDK: Pyruvatdehydrogenas kinaser; PGC1a: PPARy co-activator 1: Peroxisomproliferatoraktiverade receptorer; TG: triglycerid; TCA: Trikarboxylsyra.

PDC är mer aktiv i det friska och välmatade tillståndet. Undertryckande av PDC är dock avgörande för glukossyntes när glukos är knapp . Inaktiveringen av PDC-aktivitet katalyseras av fyra mycket specifika pyruvatdehydrogenas (PDH) Kinas (PDK) isozymer som kan fosforylera specifika serinrester inom subenheten för E1-enzymet i PDC . Av alla kända isozymer är PDK2 och PDK4 de mest distribuerade och uttrycks starkt i hjärta, lever och njure hos människor och gnagare. PDK4 är också rikligt i pankreatiska öar och i skelettmuskler som har högt glukosutnyttjande och fettsyraoxidationshastigheter. PDK1 och PDK3 har ganska begränsad vävnadsfördelning . PDKS-aktiviteterna kan regleras av olika nivåer av metaboliter såväl som transkriptionsfaktorer under olika förhållanden och i olika vävnader (Figur 2). Således kan PDC hantera utnyttjande och lagring av bränslen för att uppfylla metabolisk flexibilitet som svar på miljön.

Transkriptionsregleringsvägar för PDK4 i olika vävnader under olika näringstillstånd. Inaktivering av PDC genom uppreglering av PDK4 kan byta glukoskatabolism till fettsyrautnyttjande. Det finns olika transkriptionsregleringsvägar i skelettmuskel, lever, vit fettvävnad och hjärta under olika näringsbetingelser (energiberövning, hög fetthalt, motion, sjukdomar, droger). Akt / PKB: proteinkinas B; AMPK: 5 ’ – AMP-aktiverat proteinkinas; CD36: kluster av differentiering 36; C/EBP Securities: CCAAT/enhancer-binding protein Securities; eIF4E: eukaryot initieringsfaktor 4E; ERRa: östrogenrelaterad receptor Securities; fett: Fettsyratransportör; FoxO1: Forkhead box protein O1; LXR: lever X-receptor; MAPK: p38 mitogenaktiverat proteinkinas; PDC: Pyruvatdehydrogenas komplex; PDK4: Pyruvatdehydrogenas Kinas 4; PGC1a: PPARy co-aktivator 1 msk; PPARs: peroxisom proliferatoraktiverade receptorer; SHP: liten heterodimerpartner; STAT5: signalomvandlare och aktivator för transkription 5.

denna översyn sammanfattar de senaste studierna om PDKs-nyckelroll vid kontroll av metabolisk flexibilitet, ett nytt koncept i cellulär energimetabolism, under olika näringsbetingelser (energiberövning, hög fetthalt, motion och sjukdom) i olika vävnader (skelettmuskel, lever, vit fettvävnad, hjärta, bukspottkörtelöar och nervsystem), med betoning på den bäst karakteriserade PDK4. Att förstå regleringen av PDKs i olika vävnader och deras roller i energihomeostas kommer att vara fördelaktigt för behandling av olika typer av metaboliska sjukdomar.

PDK och metabolisk flexibilitet i skelettmuskel

som kvantitativt det största organet i kroppen står skelettmuskeln för 30% till 40% av ämnesomsättningen hos vuxna i vilotillstånd. Bidrar till 80% av insulinstimulerat glukosupptag, det är en viktig plats för glukosoxidation och fettsyrametabolism . Skelettmuskeln uppvisar anmärkningsvärd metabolisk flexibilitet i bränsleförbrukningen som svar på olika metaboliska utmaningar som energiberövning och förändringar i dietkompositionen. Hos magra friska individer, under insulinstimulering, kan skelettmuskulaturen växla från övervägande lipidoxidation och höga fettsyraupptag till undertryckande av lipidkatabolism och förhöjt glukosupptag, oxidation och lagring . Emellertid uppvisar överviktiga och T2D-patienter större lipidoxidationshastigheter i skelettmuskulaturen och är relativt insulinresistenta, vilket resulterar i metabolisk oflexibilitet .

energibrist

under energibrist är glukos knapp och långkedjig fettsyraoxidation används för att uppfylla cellulära energikrav. Minskat matintag och sänkta insulinkoncentrationer minskar glukosutnyttjandet för att spara glukos . PDC-aktivitet hos däggdjur undertrycks av PDK: S hyper-fosforylering, vilket begränsar omvandlingen av pyruvat till acetyl-CoA i skelettmuskulaturen . Med mindre acetyl-CoA tillgängligt reduceras syntesen av malonyl-CoA, en hämmare av fettsyraoxidation . Som ett resultat tvingas fettsyraoxidation både och underlättas genom uppreglering av PDK4 . Fyrtioåtta timmars fasta hos råttor (fullständigt uttag av mat) var förknippat med en 3-4-faldig ökning av pdk4-protein och mRNA i gastrocnemius-muskeln, utan effekter på pdk2-uttryck . Fyrtioåtta timmars fasta pdk4 knock-out möss uppvisade sänkt blodglukos , förhöjda serum icke-förestrade fettsyror och större PDC-aktivitet i gastrocnemius muskel, överensstämmer med de lägre hastigheterna för fettsyraoxidation och ökade hastigheter av glukos och pyruvatoxidation. Emellertid ledde energiberövande till en minskning snarare än ökning av pdk2-aktivitet i gastrocnemius-muskeln i pdk4 knock-out-möss . Detta antydde att PDK2 inte kunde kompensera för förlusten av funktion av PDK4 som svar på fasta. Refeeding de fastade vildtypsråttorna för 48 h reducerade pdk4 mRNA till en nivå jämförbar med kontrollgruppen .

acetyl-CoA och NADH som produceras genom fettsyraoxidation stimulerade PDK-aktivitet i skelettmuskulaturen . Det fanns också en selektiv induktion av gaffelhuvudbox O1 (FoxO1) och gaffelhuvudbox O3 (FoxO3) transkript i gastrocnemius muskel hos möss efter 48 timmars matuttag , vilket indikerar Foxos involvering i uppreglering av PDK4 som svar på kortsiktiga förändringar i näringstillstånd. PDK4, som interagerar med fettsyratransportör/kluster av differentiering 36 (fett / CD36, större fettsyreupptagningsproteiner i muskler), peroxisom-proliferatoraktiverad receptor 2/a (ppar 2/a, fettsyraaktiverad kärnreceptor) och FoxO1, ger en ram för reglering av muskelbränslepreferens som svar på fasta . Under energiberövande aktiverar CD36-underlättat fettsyraflöde ppar ASIC/ASIC, vilket samordnat ökar uttrycket av FoxO1 och PDK4 för att hämma glukosoxidation. Fettsyraflödet och minskade insulinkoncentrationer är associerade med nedreglering av proteinkinas B (Akt/PKB), vilket leder till foxo1-aktivering . Eftersom FoxO1 också rekryterar CD36 till plasmamembranet och inducerar lipoproteinlipas, förbättrar alla dessa fettsyrautnyttjande i skelettmuskulaturen . Den nya lever X-receptorn(LXR) – PPARa metabostatisk signaleringsaxel rapporterades också vara involverad i muskelenergiberövningssvaret . Aktiveringen av LXR förstärkt PPARa-signalering för att öka fastande inducerad uppreglering av PDK4-uttryck, vilket förbättrar fettsyraoxidation och minskar glukoskatabolism i skelettmuskulaturen .

långvarig konsumtion av hög fetthalt

långvarig konsumtion av en högmättad fettdiet kan orsaka hyperglykemi, hyperinsulinemi, glukosintolerans och fetma. Administreringen av en diet med mycket mättat fett i 4 veckor till råttor ökade signifikant pdk2-och PDK4-proteinuttryck i både snabba vita muskelfiberundertyper (anterior tibialis) och långsamma röda muskelfiberundertyper (soleus) hos råttor . Den långsamma röda muskelfibrerna är rik på mitokondrier och myoglobin och förlitar sig på aerob metabolism av kolhydrat-och lipidbränslen. I soleus var den relativa ökningen av pdk4-uttryck också kopplad till en mer än 7-faldig ökning av pyruvatkoncentrationen och en 50% minskning av PDC-aktivitet jämfört med den i främre tibialis , vilket indikerar större förlust av PDK-känslighet på grund av pyruvatinhibering i snabb ryckmuskel jämfört med långsam ryckmuskel. Konsumtion av en fettrik diet leder till användning av lipid-härledda bränslen som respiratoriska substrat i muskler, delvis modulerad av uppreglering i PDK-aktivitet. Den förbättrade fettsyraoxidationen efter att ha matat högfettdieter i långsam muskel är huvudsakligen hänförlig till uppreglering av PDK4. Men i snabb ryckningsmuskel observerades också ökat pdk2 mRNA, vilket tyder på en möjlig koordinatreglering mellan PDK2 och PDK4 i vita muskelfiberundertyper.

pdk4-brist leder till hämning av fettsyraoxidation och ökning av glukosoxidation på grund av större PDC-aktivitet, vilket ökar omvandlingen av pyruvat till acetyl-CoA. Med mer acetyl CoA tillgängligt för att syntetisera malonyl-CoA, en hämmare av fettsyraoxidation, minskar fettsyraoxidationshastigheten på grund av en direkt återkopplingsslinga . Att mata dieter med hög fetthalt på lång sikt främjar emellertid inte ytterligare ektopisk fettansamling eller förvärrar insulinresistensen . Efter att ha matat en högmättad fettdiet i 32 veckor i pdk4 knockout-möss utvecklade pdk4-bristande möss också hyperinsulinemi, men mindre fettansamling i skelettmuskulaturen och bättre glukostolerans jämfört med vildtypsmössen . Fettsyrasyntasaktiviteten var också lägre, vilket tyder på att frånvaron av PDK4 kan förändra signalkomponenter som är involverade i reglering av lipidmetabolism .

uppreglering av den orphan nuclear receptor estrogen related receptor Macau (ERRa) mRNA och protein hittades hos möss efter kronisk konsumtion av en fettrik diet . Det har föreslagits att PPARy-koaktivator 1 kg (pgc1a) kan reglera glukoskatabolism och mitokondriella oxidativa vägar genom att öka pdk4-aktiviteten via en pgc1a/ERRa-beroende väg i skelettmuskel . ERRa kan rekrytera PGC1a för att kombinera med pdk4-promotorn och reglera pdk4-transkription, som är oberoende av FoxO1 och ppar . Den negativa regleringen av PDC-aktivitet av PDK4 hämmar inträdet av pyruvat i TCA-cykeln och dämpar därefter cellulär glukosoxidation som svar på utfodring med hög fetthalt . Således har PGC1a/ERRa en nyckelroll i högfettdiet inducerad PDK4 uppreglering och metabolisk flexibilitet i skelettmuskulaturen.

övning

det visade sig att PDC-aktivering under låg till måttlig intensitet muskelkontraktion var ~2 gånger högre i pdk4 knockout-möss än hos vildtypsmöss under träning, oavsett intensitet . Pdk4 mRNA ökade markant under långvarig träning och efter både kortvarig högintensiv och långvarig lågintensiv träning i skelettmuskel hos möss . Inaktiveringen av PDC som svar på både långsam ryckning och snabb ryckning av muskelkontraktion genom uppreglerad PDK4 kan begränsa inträdet av glykolytiska produkter i mitokondrier för oxidation. Återhämtningsperioden efter träning belyser också den höga metaboliska prioriteringen av glykogenpåfyllning för att återupprätta energihomeostasen i skelettmuskeln . Hög fetthalt diet konsumtion för 18 veckor följt av 12 h motion också förhöjd PDK4 uttryck i skelettmuskel hos möss , vilket leder till minskad PDC aktivitet och mindre kolhydrater oxidation. FoxO1 föreslogs vara en möjlig transkriptionsfaktor relaterad till denna förändring. FoxO1 kan känna av förändringar i tillgången på fria fettsyror och vidarebefordra detta meddelande nedströms genom att modulera transkription av PDK4. Ofosforylerad FoxO1 finns i kärnan där den kan aktivera transkription av gener som innehåller insulinresponselement. Fosforylering av FoxO1 genom Akt / PKB-vägen leder till nukleär uteslutning och förstörelse . PGC1a spelade också betydande roller i skelettmuskulaturen som svar på träning enligt forskning på hästar . PGC1a reglerade glukosoxidation samtidigt som mitokondriell andning och fettsyraoxidation ökade under återhämtning efter träning hos fullblodshästar .

förutom att träna muskler, under akut uthållighetsträning i cykelmodellen med ett ben, visade vilande muskler också ökat pdk4-uttryck, sannolikt medierat av höjning av cirkulerande fria fettsyror, ligander av ppar och uppreglering av PPAR-vägar .

insulinresistens och diabetes

insulinresistens karakteriseras mestadels som ett begränsat svar på stimulerad glukosmetabolism i skelettmuskulaturen. Även motståndet mot undertryckande av lipidutnyttjande under insulinresistens försämrade förmågan att växla mellan bränslen, vilket ledde till metabolisk oflexibilitet . Detta är mycket vanligt för överviktiga och T2D-patienter i insulinsimulerat tillstånd. Kim et. al inducerade akut insulinresistens genom konstant infusion av Intralipid (en fettemulsion) och laktat i 5 timmar hos råttor, vilket resulterade i 2 till 3 gånger högre pdk4-uttryck i muskler efter insulininfusion , vilket indikerar insulins försämrade förmåga att undertrycka PDK4. Intralipid-och laktatinfusionen minskade också fosforyleringen av Akt / PKB och FoxO1, vilket illustrerar den försämrade insulinsignaleringen . En nyare klinisk forskningsstudie visade att tillväxthormon (GH) kan främja lipolys och minska insulinkänsligheten hos människor. Detta var förknippat med uppreglering av pdk4 mRNA och minskad aktiv PDC, liknande vad som observeras under fasta . Forskningen på T2D-patienter muskelbiopsier visade att både pdk2 och pdk4 mRNA ökades jämfört med friska frivilliga efter fasta över natten , vilket överensstämde med insulinresistensen och metabolisk oflexibilitet hos T2D-patienter. Vidare reducerades metyleringsstatus för cytosiner i +160 och +446-regionen i pdk4-promotorn hos T2D-patienter, vilket tyder på att epigenetisk modifiering av mitokondriella gener är involverade i reglering av substratbyte . Som en av transkriptionsfaktorerna som reglerar uttryck av PDK4 rapporterades emellertid pgc1a-promotorn vara hypermetyliserad i skelettmuskel hos T2D-personer och efter övermatning av fett till individer med låg födelsevikt, vilket indikerar att förändrade metyleringsmönster associerade med metabolisk sjukdom kan vara promotorspecifik .

terapeutiska ingrepp har använts för att minska pdk4-uttrycket vid diabetes. Utöver insulin användes flera pdk4-hämmare för att främja glukosavfall i djurmodeller. Initiala studier visade uppmuntrande resultat med oral administrering av dikloracetat (DCA), men denna förening är en svag PDK-hämmare och giftig . På senare tid innehåller de potenta oralt administrerade läkemedlen såsom PDK-hämmare som produceras av Novartis och AstraZeneca vanligtvis amider av trifluoro-2-hydroxi-2-metylpropionsyra . Alla dessa hämmare, inklusive pdk2-hämmaren Nov3r och AZD7545, binder vid lipoylgruppens bindningsställe för PDK och ökar effektivt PDC-aktiviteten . Många läkemedel riktar sig mot PDK-aktiviteten i de flesta perifera vävnader, som DCA , men vissa läkemedel har bättre effekt i specifika vävnader. Till exempel ökade AZD7545 PDC-aktivitet mer effektivt i levern än i skelettmuskel och hjärta och med förlust av effekt i skelettmuskel hos fastade djur .

PDK och metabolisk flexibilitet i levern

en av de primära funktionerna i levern är att reglera tillförseln av glukos och andra metaboliska bränslen för att ge energi till andra vävnader . Kroppen kan balansera blodsockernivån genom att balansera glukosproduktion och lagring i lever och njure och reglera dess användning i perifera vävnader. Under fasta förhållanden ger levern initialt glukos från glykogenolys, nedbrytningen av leverglykogenbutiker. Med långvarig energiberövning är den primära glukoskällan glukoneogenes, syntesen av glukos från icke-kolhydratprekursorer såsom glycerol, laktat och aminosyran alanin . Inaktivering av PDC med PDKs kan hämma omvandling av pyruvat till acetyl-CoA, vilket resulterar i en förskjutning av pyruvat till TCA-cykeln eller fettsyrasyntes mot glukoneogenes .

fasta under 48 timmar förändrade inte PDC-aktivitet i levern hos pdk4 knockout-möss, men intermediärer av den glukoneogena vägen (glukos-6-fosfat, fruktos-1,6-bisfosfat, pyruvat, laktat och citrat) var lägre , vilket indikerar en reducerad hastighet av glukoneogenes och glykolys. Tillväxthormon (GH) kan öka hepatiskt pdk4-uttryck i lever i vildtypsmöss under fasta genom aktivering av signalomvandlare och aktivator för transkription 5 (STAT5), vilket leder till hämning av PDC-aktivitet, vilket bevarar substrat för glukoneogenes . Metformin, ett vanligt förskrivet läkemedel för T2D, kan hämma GH-inducerat PDK4-uttryck via en 5′-AMP – aktiverad proteinkinas-liten heterodimerpartner (AMPK-SHP) beroende väg för att hämma kombinationen av STAT5 till pdk4-promotorn .

Leveruttryck av pdk4 och PDK2, och PDC-aktivitet påverkades inte hos möss av vildtyp som matades med en fettrik diet under 18 veckor. . Mat med hög fetthalt inducerad leverstatos, ett tillstånd som uppstår när fettansamling överstiger oxidationshastigheten . Denna situation förhindrades i pdk4 knockout-möss som konsumerade en högmättad fettdiet i 32 veckor . Detta kan delvis förklaras av den förändrade pgc1a-aktiviteten i levern. PGC1a kontrollerar expression av glukoneogena enzymer såsom fosfoenolpyruvatkarboxykinas (PEPCK). Att slå ut PDK4 kan leda till högre nivåer av PGC1a, i överensstämmelse med större aktivitet av PEPCK och en lägre kapacitet för de novo fettsyrasyntes . PPARa visade också samordnad reglering med PGC1a vid leverstatos, vilket demonstrerades av de förbättrade fördelaktiga effekterna av clofibric acid, En PPARa-agonist, på fettsyraackumulering i pdk4 knockout-möss . Till skillnad från skelettmuskulaturen var fett/CD36, viktiga enzymer för fettsyratransport, inte involverade i den minskade fettansamlingen i levern .

under diabetiska förhållanden är uttryck av PDK-generna, särskilt PDK4, signifikant förhöjda i levern, vilket kan hjälpa till att förklara de ökade nivåerna av glukoneogenes och de positiva effekterna av metformin. Forskning på den diabetiska mössmodellen som är bristfällig i hepatiska insulinreceptorsubstrat 1 och 2 (IRS 1/2) avslöjade att både knockdown och knockout av pdk4-genen ledde till förbättring av glykemisk kontroll och glukostolerans. PDK4 var effektivare för att reglera metabolisk flexibilitet än PDK2 i levern . Kombinerat med resultaten från de andra studierna verkar det som om PDK2 huvudsakligen reglerar glukosutnyttjande medan PDK4 kan vara involverad i både systemglukosmetabolism och leverglukoneogenes.

sköldkörtelhormon (T3) kontrollerar flera aspekter av metaboliska processer i leverenergi, såsom fettsyraoxidation, lipogenes och glukosoxidation. Experimentell hypertyreoidism kan inducera pdk4-uttryck i levern , skelettmuskeln och hjärtat , vilket leder till hämning av PDC-aktivitet. Två bindningsställen för tyroidhormonreceptoraxi identifierades i promotorn av pdk4-genen på råtta . Förutom att fungera som en T3-koaktivator kan PGC1a också förbättra T3-induktionen av hepatiskt PDK4-uttryck hos råttor . Ccaat / enhancer-binding protein (C / EBP), som en transkriptionsfaktor för gener som kodar för glukoneogena enzymer såsom PEPCK, stimulerar också hepatiskt Pdk4-uttryck hos råttor genom två C/EBP-Svarselement i Pdk4-promotorn och deltar också i T3-induktionen av pdk4-transkription .

PDK4 och metabolisk flexibilitet i vit fettvävnad

jämfört med skelettmuskulaturen och levern rapporteras relativt lite forskning om metabolisk flexibilitet i vita fettvävnader (WAT). WAT är ett viktigt organ för en fettsyrametabolisk process som kallas adipocytglyceroneogenes. Denna väg använder pyruvat, alanin, glutamin eller några ämnen från TCA-cykeln som prekursorer för att syntetisera dihydroxiacetonfosfat (DHAP) och slutligen producera glycerol-3-fosfat (G3P) för triacylglycerol (TAG) syntes . PDC är kopplat till denna process och undertryckande av PDC möjliggör ökad användning av laktat och pyruvat för glyceroneogenes .

som en aktivator för glyceroneogenes ökade tiazolidindioner (TZD) pdk4 mRNA-uttryck i subkutan, periepididymal och retroperitoneal Wat-depåer i fa/fa Zucker-råttor, en genetisk fetma, insulinresistent modell, medan PDK2 mRNA inte påverkades, vilket indikerar pdk4: s vitala roll i glyceroneogenes. TZD-inducerat pdk4-uttryck var vävnadsspecifikt eftersom lever och muskler inte svarade på en sådan behandling . Liknande resultat observerades för 3 T3-F442A adipocyter in vitro, med användning av PDK4-hämmare, DCA och leelaminoch PDK4 siRNA. Både 500 okt / l DCA och 50 okt / l leelamin inhiberade pyruvatinkorporering i triglycerider. Införlivandet av pyruvat i lipider reducerades 40% efter transfektion av adipocyter med PDK4 siRNA . PPARy är en nukleär receptor som regleras av de insulinsensibiliserande TZD: erna. PDK4 är ett indirekt mål för PPARy. Således hänför sig regleringen av PDK4 av TZD i WAT tätt till PPARy .

förutom TZD ökade akut epinefrinbehandling också PDK4 mRNA genom P38 mitogenaktiverat proteinkinas (MAPK) och AMPK-vägar i odlade adipocyter och i epididymal Wat-depåer i feta, insulinresistenta råttmodeller som inducerades av dieter med hög fetthalt . Pdk2 mRNA var fortfarande opåverkad. Två timmars simning gav liknande resultat som epinefrinbehandling i WAT hos både magra och feta råttor . Kombinerat med ökad G3P-syntes via PEPCK möjliggör mer glyceroneogenes ökad omförestring av icke-förestrade fettsyror till tagg från lipolys, medan glukosoxidation reduceras i dessa adipocyter . Med en viktig roll i glukosclearance och fettsyntes/Lagring, uppreglering av PDK4 under träning, epinefrin och TZD-behandling som leder till PDC-hämning, främjar energilagring i WAT. Mer arbete behövs för att belysa de transkriptionsvägar som är involverade i pdk4-uppreglering i WAT .

PDK4 och metabolisk flexibilitet i hjärtat

metabolisk oflexibilitet följer alltid kardiomyopati, särskilt under ischemi, och kan till och med orsaka hjärtsvikt . Underlåtenhet att oxidera tillräckligt med kolhydrater för att möta energibehovet är en viktig orsak till hjärteffektivitet. Detta kan demonstreras genom hjärtspecifikt överuttryck av PDK4, vilket är tillräckligt för att orsaka förlust av metabolisk flexibilitet och förvärra kardiomyopati . Överuttryck av pdk4 i hjärtat med en transgen mössmodell var associerad med en minskning av glukoskatabolism och en motsvarande ökning av fettsyraoxidation. Denna transgena modell uttryckte också en konstitutivt aktiv form av fosfataskalcineurin och orsakade därmed hypertrofi i kardiomyocytfibros och en slående ökning av dödligheten .

hos möss som matades med en fettrik diet i 10 dagar minskade hjärtkolhydratoxidationen markant, med uppreglering av pdk4-aktivitet. Den höga fettdieten inducerade hjärtmetaboliska förändringar genom den eukaryota initieringsfaktorn 4E (eIF4E)/cyklin D1/E2F1/PDK4-vägen .

under måttligt svår ischemi är fria fettsyror det primära bränslet vid mitokondriell oxidation . Medan glykolys fortfarande är aktiv och glukos används för laktatproduktion för att ge ATP, oberoende av syre, underlättar inaktiveringen av PDC fettsyraanvändning. Ischemi orsakar att pyruvat omvandlas till laktat, vilket ökar försurningen i myokardiet . Således är hämning av PDK-aktivitet av DCA avgörande för att öka ATP-produktionen såväl som Ca2+ – upptaget, och användning av kombinationen av glukos-insulin-K+ eller fettsyraoxidationshämmare är också fördelaktiga .

Angiotensin II (Ang II), huvudeffektorn i renin-angiotensinsystemet vid hjärtsvikt, kan inducera markant hjärtinsulinresistens, vilket leder till hjärtmetabolisk övergång från glukos till fettsyraoxidation, vilket ger metabolisk oflexibilitet och hjärteffektivitet . PDK4 uttrycks starkt i denna Ang II-inducerad hypertrofi-modell och deletion av PDK4 förhindrar Ang II-inducerad reduktion i glukosoxidation och förhindrar diastolisk dysfunktion . Hämning av pdk4-aktivitet har blivit en ny terapeutisk strategi mot hjärtsjukdomar .

PDK och metabolisk flexibilitet i centrala nervsystemet

hjärnan utnyttjar också glukosoxidation som primär energikälla. Odlade astrocyter uttryckte mer PDK2 och PDK4 jämfört med neuroner, i överensstämmelse med den lägre PDH-aktiviteten och högre laktatproduktion som visas av odlade astrocyter . Det finns ackumulerande bevis för att förändringar i PDKs-aktivitet är kopplade till utvecklingen av flera neurologiska störningar. Till exempel var Alzheimers sjukdom associerad med dysfunktion i PDH-aktivitet och glukosmetabolism . Hjärnåldring är förknippad med minskad pdk1 och PDK2 mRNA i cerebellum och förhöjd PDK2 mRNA i hippocampus och hjärnbarken , och pdk2 mRNA-uppreglering var inblandad i glioblastom .

hypotalamiska neuroner är känsliga för näringssignaler och kan reglera energibalans och glukoshomeostas. De underliggande komplexa mekanismerna är emellertid fortfarande inte helt förstådda. Nya studier på möss fastade i 48 timmar avslöjade en genuttrycksprofil i hypotalamus som överensstämde med minskat glukosutnyttjande och ökad lipidoxidation, inklusive förhöjd pdk4 mRNA, i överensstämmelse med resultaten i skelettmuskel, lever, hjärta och njure . Uppregleringen av PDK4 observerades också i hypotalamus under neonatal råtta fasta i 6 timmar, vilket återspeglar ett försök att spara energi under neonatal matbrist . Detta indikerar också att den neonatala hjärnan inte skonas från glukosbegränsning under energikrisen, utan istället kan den neonatala hjärnan använda ketoner härledda från fettsyrametabolism som den viktigaste energikällan . Emellertid rapporteras endast begränsade studier för PDK: s effekt på hypotalamisk energibalans. Mer forskning förväntas.

PDK och metabolisk flexibilitet i andra vävnader

pankreasöar

i murina bukspottkörtelceller i bukspottkörteln ökade både hög fettsyra och hög glukosbehandling PDK-aktivitet och minskad PDH-aktivitet. Palmitera uppreglerat mRNA-uttryck av PDK1, PDK2 och PDK4, medan hög glukos ökade PDK1 , PDK2 mRNA men minskade PDK4 mRNA, vilket tyder på olika transkriptionsreglering. Således följer induktionen av PDK-uttryck av både glukos och fett minskningen av flexibiliteten i cellmetabolism i celler i celler under progressionen från fetma till T2D .

kronisk exponering för hyperglykemiska tillstånd resulterar i glukotoxicitet i cellerna i bukspottkörteln. Glukotoxicitet försämrar glukossimulerad insulinsekretion (GSIS), vilket bidrar till utvecklingen av T2D. Metabolomisk analys av celler i cellerna efter exponering för hög glukos (25 mM för 20 h) visade en ökning av glukos och minskning av fettsyror under GSIS, men inga signifikanta förändringar i pdk2-protein . Liknande forskning om insulinom e (ins-1e) av celler i celler visade en ökning av PDC E1A-subenhetens fosforylering under hög glukosbehandling (50 mM i 48 timmar). Knockdown av PDK1 och PDK3 ledde till en markant minskning av PDC-inaktivering. PDC-inaktiveringen var dock inte associerad med förändrad GSIS . Det är möjligt att PDC-aktivitet i ins-1e-celler i ins-1E är i överskott och därför sänker dess aktivitet är av liten konsekvens. Prolactin kan också inducera GSIS i ins-1e-cellinjer genom undertryckande av PDK och ökad PDC-aktivitet, vilket tyder på en ny roll för laktogener vid diabetesbehandling . Som det viktigaste organet som är involverat i patogenesen av T2D behövs mer forskning om metabolisk flexibilitet i bukspottskörtelceller i bukspottkörteln.

cancerceller

cancerceller har ett unikt sätt att förvärva energi, benämnd Warburg-effekten. De utnyttjar ökad glykolys och undertrycker mitokondriell glukosoxidation för att ge energi med en proliferativ fördel, vilket bidrar till apoptosresistens och till och med ökad angiogenes . Vid låga näringsförhållanden förbättrades Warburg-effekten genom en mekanism som involverade reaktiva syrearter (ROS)/AMPK – beroende aktivering av PDK . PDK1 och PDK3 är de viktigaste isoformerna relaterade till Warburg-effekten . Således kan hämning av PDK med antingen små störande RNA eller särläkemedel, såsom DCA, flytta metabolismen av cancerceller från glykolys till glukosoxidation och kan ge ett kraftfullt tillvägagångssätt för att behandla cancer .