ГСК-3 - GSK-3

киназа гликогенсинтазы 3 бета
Кристаллографическая структура человеческого GSK-3β (цвет радуги, N-конец = синий, C-конец = красный), связанный со сложным эфиром аденилата фосфоаминофосфоновой кислоты (сферы).
Идентификаторы
Условное обозначение	GSK3B
Ген NCBI	2932
HGNC	4617
OMIM	605004
PDB	1Q3W Больше построек
RefSeq	NM_002093
UniProt	P49841
Прочие данные
Номер ЕС	2.7.11.26
Locus	Chr. 3 кв. 13,33
Ищи Структуры Швейцарская модель Домены ИнтерПро

Киназа гликоген-синтазы 3 ( GSK-3 ) представляет собой серин / треониновую протеинкиназу, которая опосредует присоединение молекул фосфата к аминокислотным остаткам серина и треонина . Впервые обнаруженный в 1980 году как регуляторная киназа для своего тезки, гликогенсинтазы (GS), GSK-3 с тех пор был идентифицирован как протеинкиназа для более чем 100 различных белков, участвующих в различных путях. У млекопитающих, включая человека, GSK-3 существует в двух изоформах, кодируемых двумя паралогическими генами GSK-3α ( GSK3A ) и GSK-3β ( GSK3B ). GSK-3 был предметом многочисленных исследований, так как он был вовлечен в ряд заболеваний, включая диабет 2 типа , болезнь Альцгеймера , воспаление , рак и биполярное расстройство .

GSK-3 представляет собой серин / треонин протеинкиназы , которые фосфорилируют либо треонин или серин , и это фосфорилирование управляет разнообразием биологических активностей, таких как гликоген метаболизма, клеточной сигнализации , клеточного транспорта и других. Ингибирование GS с помощью GSK-3β приводит к снижению синтеза гликогена в печени и мышцах, а также к повышению уровня глюкозы в крови или гипергликемии. Вот почему GSK-3β связан с патогенезом и прогрессированием многих заболеваний, таких как диабет , ожирение , рак и болезнь Альцгеймера. Он активен в покоящихся клетках и ингибируется несколькими гормонами, такими как инсулин , эндотелиальный фактор роста и фактор роста тромбоцитов . Инсулин инактивирует его путем фосфорилирования специфических остатков серина Ser21 и Ser9 в изоформах GSK-3 α и β соответственно. В зависимости от фосфатидилинозитол-3-киназы.

По состоянию на 2019 год GSK-3 является единственным названным и признанным типом киназы гликогенсинтазы . В символы гена для GSK1 и GSK2 были сняты с помощью HUGO Гена Номенклатура комитета (HGNC), и никаких новых имен для этих «генов» , ни были указаны места их.

Механизм

Активный сайт ГСК-3. Три остатка синего цвета связывают затравочный фосфат на субстрате, что демонстрирует лиганд. Остатки D181, D200, K85 и E97.

GSK-3 функционирует путем фосфорилирования остатка серина или треонина на своем субстрате-мишени. Положительно заряженный карман, примыкающий к активному сайту, связывает «затравочную» фосфатную группу, присоединенную к С-концу серина или треонина с четырьмя остатками целевого сайта фосфорилирования. Активный сайт в остатках 181, 200, 97 и 85 связывает концевой фосфат АТФ и переносит его в целевое место на субстрате (см. Рисунок 1).

Гликоген-синтаза

Гликогенсинтаза - это фермент, который отвечает засинтез гликогена . Он активируется глюкозо-6-фосфатом (G6P) и ингибируется киназами гликогенсинтазы ( GSK3 ). Эти два механизма играют важную роль в метаболизме гликогена.

Функция

Фосфорилирование белка GSK-3 обычно подавляет активность его нижерасположенной мишени. GSK-3 активен в ряде центральных внутриклеточных сигнальных путей, включая клеточную пролиферацию, миграцию, регуляцию глюкозы и апоптоз.

GSK-3 был первоначально открыт в контексте его участия в регуляции гликогенсинтазы . После праймирования казеинкиназой 2 (СК2) гликогенсинтаза фосфорилируется по кластеру из трех С-концевых остатков серина, что снижает ее активность. Помимо своей роли в регуляции гликогенсинтазы, GSK-3 участвует в других аспектах гомеостаза глюкозы, включая фосфорилирование рецептора инсулина IRS1 и глюконеогенных ферментов фосфоенолпируваткарбоксикиназы и глюкозо-6-фосфатазы . Однако эти взаимодействия не были подтверждены, поскольку эти пути могут подавляться без повышения регуляции GSK-3.

Было также показано, что GSK-3 регулирует иммунные и миграционные процессы. GSK-3 участвует в ряде сигнальных путей врожденного иммунного ответа, включая выработку провоспалительных цитокинов и интерлейкинов. Инактивация GSK3B различными протеинкиназами также влияет на адаптивный иммунный ответ, индуцируя продукцию и пролиферацию цитокинов в наивных CD4 + Т-клетках и Т-клетках памяти. Сообщалось, что в клеточной миграции, неотъемлемом аспекте воспалительных реакций, ингибирование GSK-3 играет противоречивую роль, поскольку было показано, что локальное ингибирование в конусах роста способствует подвижности, в то время как глобальное ингибирование клеточного GSK-3 ингибирует распространение и миграция клеток.

GSK-3 также неразрывно связан с путями пролиферации клеток и апоптоза. Было показано, что GSK-3 фосфорилирует бета-катенин , таким образом направляя его на деградацию. Таким образом, GSK-3 является частью канонического пути бета-катенин / Wnt , который сигнализирует клетке о делении и пролиферации. GSK-3 также участвует в ряде сигнальных путей апоптоза, фосфорилируя факторы транскрипции, которые регулируют апоптоз . GSK-3 может способствовать апоптозу как за счет активации проапоптотических факторов, таких как р53, так и за счет инактивации факторов, способствующих выживанию, посредством фосфорилирования. Однако роль GSK-3 в регуляции апоптоза является спорной, поскольку некоторые исследования показали, что мыши с нокаутом GSK-3β чрезмерно сенсибилизированы к апоптозу и умирают на эмбриональной стадии, в то время как другие показали, что избыточная экспрессия GSK-3 может вызывать апоптоз. . В целом, GSK-3, по-видимому, как способствует, так и ингибирует апоптоз, и эта регуляция варьируется в зависимости от конкретного молекулярного и клеточного контекста.

Регулирование

Из-за его важности для множества клеточных функций активность GSK-3 строго регулируется.

Скорость и эффективность фосфорилирования GSK-3 регулируется рядом факторов. Фосфорилирование определенных остатков GSK-3 может увеличивать или уменьшать его способность связывать субстрат. Фосфорилирование тирозина-216 в GSK-3β или тирозина-279 в GSK-3α усиливает ферментативную активность GSK-3, тогда как фосфорилирование серина-9 в GSK-3β или серина-21 в GSK-3α значительно снижает доступность активного сайта ( см. рисунок 1). Кроме того, GSK-3 необычен среди киназ тем, что для первого фосфорилирования субстрата ему обычно требуется «прайминговая киназа». Фосфорилированный остаток серина или треонина, расположенный на С-конце четырех аминокислот от целевого сайта фосфорилирования, позволяет субстрату связывать карман с положительным зарядом, образованный остатками аргинина и лизина.

В зависимости от пути, в котором он используется, GSK-3 может дополнительно регулироваться клеточной локализацией или образованием белковых комплексов. Активность GSK-3 намного выше в ядре и митохондриях, чем в цитозоле в кортикальных нейронах, в то время как фосфорилирование бета-катенина GSK-3 опосредуется связыванием обоих белков с Axin , белком каркаса, что позволяет бета-катенину -catenin для доступа к активному сайту GSK-3.

Актуальность болезни

Из-за своего участия в большом количестве сигнальных путей GSK-3 был связан с множеством высокопрофильных заболеваний. В настоящее время ингибиторы GSK-3 проходят испытания на терапевтическое действие при болезни Альцгеймера , сахарном диабете 2 типа (СД2), некоторых формах рака и биполярном расстройстве .

Теперь было показано, что литий , который используется для лечения биполярного расстройства , действует как стабилизатор настроения, избирательно подавляя GSK-3. Механизм, с помощью которого ингибирование GSK-3 стабилизирует настроение, неизвестен, хотя есть подозрения, что ингибирование способности GSK-3 вызывать воспаление способствует терапевтическому эффекту. Ингибирование GSK-3 также дестабилизирует репрессор транскрипции Rev-ErbA альфа, который играет важную роль в циркадных часах. Элементы циркадных часов могут быть связаны с предрасположенностью к биполярному расстройству настроения.

Активность GSK-3 была связана с обоими патологическими особенностями болезни Альцгеймера, а именно с накоплением отложений амилоида-β (Aβ) и образованием нейрофибриллярных клубков . GSK-3 , как полагают, непосредственно стимулировать производство и Ар быть привязанными к процессу в гиперфосфорилированию из тау - белков , что приводит к клубков. Благодаря этой роли GSK-3 в развитии болезни Альцгеймера, ингибиторы GSK-3 могут оказывать положительное терапевтическое действие на пациентов с болезнью Альцгеймера и в настоящее время находятся на ранних стадиях тестирования.

Аналогичным образом целевое ингибирование GSK-3 может оказывать терапевтическое воздействие на определенные виды рака. Хотя было показано, что в некоторых случаях GSK-3 способствует апоптозу , также сообщалось, что он является ключевым фактором онкогенеза при некоторых видах рака. В поддержку этого утверждения было показано, что ингибиторы GSK-3 вызывают апоптоз в клетках глиомы и рака поджелудочной железы.

Ингибиторы GSK-3 также показали себя многообещающими при лечении СД2. Хотя активность GSK-3 в условиях диабета может радикально различаться для разных типов тканей, исследования показали, что введение конкурентных ингибиторов GSK-3 может повысить толерантность к глюкозе у диабетических мышей. Ингибиторы GSK-3 могут также оказывать терапевтическое действие на геморрагическую трансформацию после острого ишемического инсульта. GSK-3 может негативно регулировать путь передачи сигналов инсулина путем ингибирования IRS1 посредством фосфорилирования серина-332, делая рецептор инсулина неспособным активировать IRS1 и дополнительно инициируя канонический путь PI3K / Akt. Роль, которую ингибирование GSK-3 может играть в др. Его сигнальных ролях, еще полностью не изучена.

Ингибирование GSK-3 также опосредует увеличение транскрипции фактора транскрипции Tbet (Tbx21) и ингибирование транскрипции ингибирующего корецептора запрограммированной гибели клеток-1 (PD-1) на Т-клетках. Ингибиторы GSK-3 увеличивали in vivo функцию CTL CD8 (+) OT-I и устранение вирусных инфекций мышиным гамма-герпесвирусом 68 и клоном 13 лимфоцитарного хориоменингита, а также анти-PD-1 в иммунотерапии.

Ингибиторы

Ингибиторы киназы гликогенсинтазы относятся к разным хемотипам и имеют различные механизмы действия; они могут быть катионами из природных источников, синтетическими АТФ и не-АТФ-конкурентными ингибиторами и субстрат-конкурентными ингибиторами. GSK3 представляет собой двухлепестковую архитектуру с N-концом и C-концом , N-конец отвечает за связывание АТФ, а C-конец, который называется петлей активации, опосредует активность киназы, тирозин, расположенный на C-конце, необходим для полная активность GSK3.

Преимущества ингибиторов GSK-3β

При диабете ингибиторы GSK-3β повышают чувствительность к инсулину, синтез гликогена и метаболизм глюкозы в скелетных мышцах и уменьшают ожирение, влияя на процесс адипогенеза . GSK-3β также сверхэкспрессируется при некоторых типах рака, таких как рак прямой кишки , яичников и простаты . Ингибиторы GSK-3β также помогают в лечении болезни Альцгеймера , инсульта и расстройств настроения , включая биполярное расстройство .

Специфические агенты

К ингибиторам ГСК-3 относятся:

Литий

Литий, который используется при лечении биполярного расстройства, был первым обнаруженным природным ингибитором GSK-3. Он ингибирует GSK-3 напрямую, конкурируя с ионами магния, и косвенно, путем фосфорилирования и саморегуляции серина. Было обнаружено, что литий оказывает инсулиноподобное действие на метаболизм глюкозы, включая стимуляцию синтеза гликогена в жировых клетках, коже и мышцах, увеличение поглощения глюкозы и активацию активности GS. Помимо ингибирования GSK-3, он также ингибирует другие ферменты, участвующие в регуляции метаболизма глюкозы, такие как мио-инозитол-1-монофосфатаза и 1,6-бисфосфатаза. Кроме того, он показал терапевтический эффект при болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваниях, таких как эпилептическая нейродегенерация.

Напроксен и Кромолин

Напроксен - нестероидное противовоспалительное средство, а кромолин - противоаллергический агент, который действует как стабилизатор тучных клеток . Оба препарата продемонстрировали противоопухолевый эффект в дополнение к гипогликемическому эффекту за счет ингибирования киназы-3β гликогенсинтазы (GSK-3β).

Для подтверждения гипотезы напроксена и кромолина об анти-GSK-3β, в дополнение к измерению сывороточной глюкозы, сывороточного инсулина, было выполнено стыковка двух структур с карманом связывания GSK-3β и сравнение их соответствия с известным ингибитором GSK-3β ARA014418. сывороточный С-пептид, изменение веса и уровни гликогена в печени для нормальных и диабетических моделей животных натощак для оценки их гипогликемических эффектов in vitro.

Напроксен и кромолин были успешно прикреплены к сайту связывания GSK-3β (оба были помещены в его карман связывания). Они проявляли электростатические, гидрофобные и связывающие водород взаимодействия с ключевыми аминокислотами в кармане связывания с профилями взаимодействия связывания, подобными AR-A014418 (известному ингибитору). Отрицательные заряды групп карбоновой кислоты в обоих лекарствах электростатически взаимодействуют с положительно заряженной гуанидиновой группой Arg141. Более того, взаимодействия водородных связей между остатками карбоновых кислот кромолина и аммониевыми группами Lys183 и Lys60, в дополнение к π-укладке нафталиновой кольцевой системы напроксена с фенольным кольцом Tyr134.

Противодиабетические эффекты напроксена и кромолина: в моделях на нормальных животных оба препарата показали дозозависимое снижение уровня глюкозы в крови и повышение уровня гликогена. В модели хронического диабета II типа уровни глюкозы также снижались, а уровень гликогена и уровни инсулина повышались дозозависимым образом с уменьшением глюкозы в плазме.

Эффекты напроксена и кромолина против ожирения: оба препарата показали значительные эффекты против ожирения, поскольку они снижают массу тела, уровни резистина и глюкозы в зависимости от дозы. Было также обнаружено, что они повышают уровни адипонектина , инсулина и С-пептида в зависимости от дозы.

Фамотидин

Фамотидин - это специфический антагонист H2 длительного действия, который снижает секрецию желудочного сока. Он используется при лечении язвенной болезни, ГЭРБ и патологических гиперсекреторных состояний, таких как синдром Золлингера – Эллисона. (14,15) Антагонисты Н2-рецепторов влияют на метаболизм гормонов, но их влияние на метаболизм глюкозы точно не установлено. (16) Исследование показало, что фамотидин снижает уровень глюкозы. Недавно был проведен молекулярный докинг в качестве предварительного скринингового теста in-silico для изучения связывания фамотидина с активным сайтом GSK-3β.

Изучение связывания фамотидина с ферментом показало, что фамотидин может быть закреплен в кармане связывания GSK-3β, обеспечивая значительные взаимодействия с ключевыми точками внутри кармана связывания GSK-3β. Взаимодействия сильной водородной связи с ключевыми аминокислотами PRO-136 и VAL-135 и потенциальное гидрофобное взаимодействие с LEU-188 были аналогичны тем, которые обнаружены при связывании лиганда с ферментом (AR-A014418).

Кроме того, фамотидин показал высокую аффинность связывания GSK-3β и ингибирующую активность из-за взаимодействий, которые стабилизируют комплекс, а именно водородной связи гуанидиновой группы в фамотидине с сульфагидрильной частью в CYS-199; и электростатические взаимодействия между той же группой гуанидина с карбоксильной группой в ASP-200, водородная связь между концевой группой NH2, ОН в TYR-143 и гидрофобное взаимодействие атома серы в тиоэфире с ILE-62. Исследования in vitro показали, что фамотидин подавляет активность GSK-3β и увеличивает запасы гликогена в печени в зависимости от дозы. Наблюдалось четырехкратное повышение уровня гликогена в печени при применении максимальной дозы фамотидина (4,4 мг / кг). Также было показано, что фамотидин снижает уровень глюкозы в сыворотке через 30 и 60 минут после пероральной глюкозной нагрузки у здоровых людей.

Куркумин

Куркумин, входящий в состав специи куркумы , обладает вкусовыми и окрашивающими свойствами. Он имеет две симметричные формы: енол (наиболее распространенные формы) и кетон.

Куркумин обладает широким фармакологическим действием: противовоспалительным, антимикробным, гипогликемическим, антиоксидантным и ранозаживляющим действием. В моделях на животных с болезнью Альцгеймера он обладает анти-деструктивным действием бета-амилоида в головном мозге, а в последнее время проявляет антималярийную активность.

Куркумин также обладает химиопрофилактическим и противораковым действием, и было показано, что он снижает окислительный стресс и почечную дисфункцию у животных с диабетом при хроническом употреблении.

Куркумин обладает противовоспалительным действием; он ингибирует ядерный активатор транскрипции каппа B ( NF-KB ), который активируется всякий раз, когда возникает воспалительная реакция.

NF-kB имеет два регуляторных фактора, IkB и GSK-3, что предполагает, что куркумин напрямую связывает и ингибирует GSK-3B. Исследование in vitro подтвердило ингибирование GSK-3B путем моделирования молекулярного стыковки с использованием технологии силикатного стыковки. Концентрация, при которой куркумин ингибирует 50% GK-3B, составляет 66,3 нМ.

Среди его двух форм экспериментальные и теоретические исследования показывают, что енольная форма является предпочтительной формой из-за ее внутримолекулярных водородных связей, а эксперимент ЯМР показывает, что енольная форма существует в различных растворителях.

Оланзапин

Антипсихотические препараты все чаще используются при шизофрении , биполярном расстройстве, тревоге и других психических состояниях. Атипичные нейролептики используются чаще, чем нейролептики первого поколения, поскольку они снижают риск экстрапирамидных симптомов, таких как поздняя дискинезия , и обладают большей эффективностью.

Оланзапин и атипичные нейролептики вызывают увеличение веса за счет увеличения жировых отложений. Он также влияет на метаболизм глюкозы, и несколько исследований показывают, что он может усугубить диабет.

Недавнее исследование показывает, что оланзапин подавляет активность GSK3, предполагая, что оланзапин способствует синтезу гликогена. Исследование влияния оланзапина на уровни глюкозы и гликогена в крови мышей показало значительное снижение уровня глюкозы в крови и повышение уровня гликогена у мышей, а IC50% оланзапина составляла 91,0 нМ, который считается сильным ингибитором. Исследование также показывает, что субхроническое употребление оланзапина приводит к сильному ингибированию GSK3.

Производные пиримидина

Аналоги пиримидина представляют собой антиметаболиты, которые препятствуют синтезу нуклеиновых кислот. Было показано, что некоторые из них подходят для АТФ-связывающего кармана GSK-3β для снижения уровня глюкозы в крови и лечения некоторых нейрональных заболеваний.

Смотрите также

• Кетамин
• Тау-протеинкиназа

использованная литература

внешние ссылки

• Гликоген-синтаза-киназа 3 в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)