GSK -3 - GSK-3

glykogen syntáza kináza 3 beta
Krystalografická struktura lidského GSK-3β (duhově zbarvená, N-konec = modrý, C-konec = červený) navázaný na adenylát ester kyseliny fosfoaminofosfonové (koule).
Identifikátory
Symbol	GSK3B
Gen NCBI	2932
HGNC	4617
OMIM	605004
PDB	1Q3W Více struktur
Ref	NM_002093
UniProt	P49841
Další údaje
Číslo ES	2.7.11.26
Místo	Chr. 3 q13,33
Hledat Struktury Švýcarský model Domény InterPro

Glykogen syntáza kináza 3 ( GSK-3 ) je serin/threonin protein kináza, která zprostředkovává přidání molekul fosfátu na serinové a threoninové aminokyselinové zbytky. GSK-3, který byl poprvé objeven v roce 1980 jako regulační kináza pro jeho jmenovce, glykogen syntázu (GS), byl od té doby identifikován jako protein kináza pro více než 100 různých proteinů v různých různých cestách. U savců, včetně lidí, existuje GSK-3 ve dvou izoformách kódovaných dvěma paralogickými geny GSK-3α ( GSK3A ) a GSK- 3β ( GSK3B ). GSK-3 je předmětem mnoha výzkumů, protože se podílí na řadě onemocnění, včetně diabetu 2. typu , Alzheimerovy choroby , zánětu , rakoviny a bipolární poruchy .

GSK-3 je serin/threonin protein kinasa, která fosforyluje buď threonin nebo serin , a tato fosforylace řídí řadu biologických aktivit, jako je metabolismus glykogenu , buněčná signalizace , buněčný transport a další. Inhibice GS pomocí GSK-3β vede ke snížení syntézy glykogenu v játrech a svalech spolu se zvýšenou hladinou glukózy v krvi nebo hyperglykémií. To je důvod, proč je GSK-3β spojován s patogenezí a progresí mnoha nemocí, jako je diabetes , obezita , rakovina a Alzheimerova choroba. Je aktivní v klidových buňkách a je inhibován několika hormony, jako je inzulín , endoteliální růstový faktor a růstový faktor odvozený z krevních destiček . Inzulín ho deaktivuje fosforylací specifických serinových zbytků Ser21 a Ser9 v GSK-3 izoformách α, respektive p. Způsobem závislým na 3-kináze fosfatidylinositolu.

Od roku 2019 je GSK-3 jediným pojmenovaným a rozpoznaným typem glykogen syntázy kinázy . Tyto genové symboly pro GSK1 a GSK2 byly staženy do výborem HUGO Gene nomenklaturu (HGNC), a žádné nové názvy pro tyto „geny“, ani byly stanoveny jejich umístění.

Mechanismus

Aktivní místo GSK-3. Tyto tři zbytky v modré barvě vážou primární fosfát na substrát, jak ukazuje ligand. Zbytky D181, D200, K85 a E97.

GSK-3 funguje tak, že fosforyluje serinový nebo threoninový zbytek na svém cílovém substrátu. Kladně nabitá kapsa sousedící s aktivním místem váže "primující" fosfátovou skupinu připojenou k serinu nebo threoninu ke čtyřem zbytkům C-konce cílového fosforylačního místa. Aktivní místo ve zbytcích 181, 200, 97 a 85 váže koncový fosfát ATP a přenáší ho do cílového místa na substrátu (viz obrázek 1).

Glykogen syntáza

Glykogen syntáza je enzym, který je zodpovědný zasyntézu glykogenu . Je aktivován glukózo-6-fosfátem (G6P) a inhibován glykogen syntázou kinázami ( GSK3 ). Tyto dva mechanismy hrají důležitou roli v metabolismu glykogenu.

Funkce

Fosforylace proteinu pomocí GSK-3 obvykle inhibuje aktivitu jeho downstream cíle. GSK-3 je aktivní v řadě centrálních intracelulárních signálních cest, včetně buněčné proliferace, migrace, regulace glukózy a apoptózy.

GSK-3 byl původně objeven v kontextu svého zapojení do regulace glykogen syntázy . Poté, co byla aktivována kasein kinázou 2 (CK2), dojde k fosforylaci glykogen syntázy na shluku tří C-koncových serinových zbytků, což snižuje její aktivitu. Kromě své role v regulaci glykogen syntázy se GSK-3 podílí na dalších aspektech homeostázy glukózy, včetně fosforylace inzulínového receptoru IRS1 a glukoneogenních enzymů fosfoenolpyruvát karboxykinázy a glukóza 6 fosfatázy . Tyto interakce však nebyly potvrzeny, protože tyto dráhy lze inhibovat bez up-regulace GSK-3.

Bylo také prokázáno, že GSK-3 reguluje imunitní a migrační procesy. GSK-3 se účastní řady signálních cest vrozené imunitní odpovědi, včetně prozánětlivé produkce cytokinů a interleukinů. Inaktivace GSK3B různými proteinovými kinázami také ovlivňuje adaptivní imunitní odpověď indukcí produkce a proliferace cytokinů v naivních a paměťových CD4+ T buňkách. V buněčné migraci, integrálním aspektu zánětlivých reakcí, bylo uvedeno, že inhibice GSK-3 hraje konfliktní role, protože lokální inhibice na růstových čípcích podporuje pohyblivost, zatímco globální inhibice buněčného GSK-3 inhibuje šíření buněk a migrace.

GSK-3 je také integrálně vázán na cesty buněčné proliferace a apoptózy. Ukázalo se, že GSK-3 fosforyluje beta-katenin , a tak jej zaměřuje na degradaci. GSK-3 je proto součástí kanonické dráhy beta-katenin / Wnt , která signalizuje buňce, aby se dělila a množila. GSK-3 se také účastní řady apoptotických signálních cest fosforylací transkripčních faktorů, které apoptózu regulují . GSK-3 může podporovat apoptózu jak aktivací proapoptotických faktorů, jako je p53, tak deaktivací faktorů podporujících přežití pomocí fosforylace. Role GSK-3 při regulaci apoptózy je kontroverzní, nicméně některé studie ukázaly, že knockoutované myši GSK-3p jsou příliš citlivé na apoptózu a hynou v embryonálním stádiu, zatímco jiné ukázaly, že nadměrná exprese GSK-3 může indukovat apoptózu. . Celkově se zdá, že GSK-3 podporuje i inhibuje apoptózu a tato regulace se liší v závislosti na konkrétním molekulárním a buněčném kontextu.

Nařízení

Vzhledem ke svému významu v mnoha buněčných funkcích podléhá aktivita GSK-3 přísné regulaci.

Rychlost a účinnost fosforylace GSK-3 je regulována řadou faktorů. Fosforylace určitých zbytků GSK-3 může zvýšit nebo snížit jeho schopnost vázat substrát. Fosforylace na tyrosinu-216 v GSK-3p nebo tyrosinu-279 v GSK-3a zvyšuje enzymatickou aktivitu GSK-3, zatímco fosforylace serinu-9 v GSK-3p nebo serinu-21 v GSK-3a významně snižuje dostupnost aktivního místa ( viz obrázek 1). Kromě toho je GSK-3 mezi kinázami neobvyklý v tom, že obvykle vyžaduje "primární kinázu" k první fosforylaci substrátu. Fosforylovaný serinový nebo threoninový zbytek umístěný na C-konci čtyř aminokyselin k cílovému místu fosforylace umožňuje substrátu vázat kapsu kladného náboje tvořenou zbytky argininu a lysinu.

V závislosti na dráze, ve které se používá, může být GSK-3 dále regulován buněčnou lokalizací nebo tvorbou proteinových komplexů. Aktivita GSK-3 je mnohem větší v jádru a mitochondriích než v cytosolu v kortikálních neuronech, zatímco fosforylace Beta-kateninu GSK-3 je zprostředkována vazbou obou proteinů na Axin , protein lešení, který umožňuje Beta -catenin pro přístup k aktivnímu místu GSK-3.

Relevance nemoci

Díky svému zapojení do velkého počtu signálních cest je GSK-3 spojován s řadou vysoce známých onemocnění. Inhibitory GSK-3 jsou v současné době testovány na terapeutické účinky u Alzheimerovy choroby , diabetes mellitus 2. typu (T2DM), některých forem rakoviny a bipolární poruchy .

Nyní bylo ukázáno, že lithium , které se používá jako léčba bipolární poruchy , působí jako stabilizátor nálady selektivní inhibicí GSK-3. Mechanismus, kterým inhibice GSK-3 stabilizuje náladu, není znám, ačkoli existuje podezření, že inhibice schopnosti GSK-3 podporovat zánět přispívá k terapeutickému účinku. Inhibice GSK-3 také destabilizuje transkripční represor Rev-ErbA alfa, který má významnou roli v cirkadiánních hodinách. Prvky cirkadiánních hodin mohou být spojeny s predispozicí k bipolární poruchou nálady.

Aktivita GSK-3 je spojována s oběma patologickými rysy Alzheimerovy choroby, konkrétně s tvorbou depozit amyloidu-β (Aβ) a tvorbou neurofibrilárních spletenců . GSK-3 se předpokládá, že se přímo podporovat produkci Ap, a být vázána na procesu hyperfosforylaci z tau proteinů , což vede ke zmatku. Vzhledem k těmto rolím GSK-3 při podpoře Alzheimerovy choroby mohou mít inhibitory GSK-3 pozitivní terapeutické účinky na pacienty s Alzheimerovou chorobou a v současné době jsou v raných fázích testování.

Podobným způsobem může mít cílená inhibice GSK-3 terapeutické účinky na určité druhy rakoviny. Ačkoli bylo v některých případech prokázáno, že GSK-3 podporuje apoptózu , bylo také hlášeno, že je klíčovým faktorem tumorigeneze u některých rakovin. Na podporu tohoto tvrzení bylo ukázáno, že inhibitory GSK-3 indukují apoptózu v buňkách gliomu a rakoviny slinivky břišní.

Inhibitory GSK-3 se také ukázaly jako slibné při léčbě T2DM. Ačkoli se aktivita GSK-3 za diabetických podmínek může v různých typech tkání radikálně lišit, studie ukázaly, že zavedení kompetitivních inhibitorů GSK-3 může zvýšit toleranci glukózy u diabetických myší. Inhibitory GSK-3 mohou mít také terapeutické účinky na hemoragickou transformaci po akutní ischemické mrtvici. GSK-3 může negativně regulovat inzulínovou signální cestu inhibicí IRS1 prostřednictvím fosforylace serinu-332, což činí inzulinový receptor neschopným aktivovat IRS1 a dále iniciovat kanonickou dráhu PI3K/Akt. Role, kterou by inhibice GSK-3 mohla hrát v ostatních signálních rolích, není dosud zcela objasněna.

Inhibice GSK-3 také zprostředkovává zvýšení transkripce transkripčního faktoru Tbet (Tbx21) a inhibici transkripce inhibiční ko-receptorem programované buněčné smrti-1 (PD-1) na T-buňkách. Inhibitory GSK-3 zvyšovaly in vivo funkci CD8 (+) OT-I CTL a odstraňování virových infekcí myším gama-herpesvirem 68 a klonem 13 lymfocytické choriomeningitidy a také anti-PD-1 v imunoterapii.

Inhibitory

Inhibitory kinázy glykogen syntázy jsou různé chemotypy a mají variabilní mechanismy účinku; mohou to být kationty , z přírodních zdrojů, syntetické ATP a non-ATP kompetitivní inhibitory a substrátové kompetitivní inhibitory. GSK3 je dvoubarevná architektura s N-koncem a C-koncem , N-konec je zodpovědný za vazbu ATP a C-konec, který se nazývá jako aktivační smyčka zprostředkovává aktivitu kinázy, tyrosin umístěný na C-konci je nezbytný pro plná aktivita GSK3.

Výhody inhibitorů GSK-3β

U diabetu zvyšují inhibitory GSK-3β citlivost na inzulín, syntézu glykogenu a metabolismus glukózy v kosterních svalech a snižují obezitu ovlivněním procesu adipogeneze . GSK-3β je také nadměrně exprimován v několika typech rakoviny, jako je kolorektální , ovariální a prostatický karcinom . Inhibitory GSK-3p také pomáhají při léčbě Alzheimerovy choroby , mrtvice a poruch nálady , včetně bipolární poruchy .

Specifičtí agenti

Mezi inhibitory GSK-3 patří:

Lithium

Lithium, které se používá při léčbě bipolární poruchy, bylo prvním objeveným přírodním inhibitorem GSK-3. Inhibuje GSK-3 přímo kompeticí s ionty hořčíku a nepřímo fosforylací a autoregulací serinu. Bylo zjištěno, že lithium má účinky podobné inzulinu na metabolismus glukózy, včetně stimulace syntézy glykogenu v tukových buňkách, kůži a svalech, zvýšení příjmu glukózy a aktivaci aktivity GS. Kromě inhibice GSK-3 také inhibuje další enzymy podílející se na regulaci metabolismu glukózy, například myo-inositol-1-monofosfatázu a 1,6 bisfosfatázu. Rovněž prokázal terapeutický přínos u Alzheimerovy choroby a dalších neurodegenerativních onemocnění, jako je epileptická neurodegenerace.

Naproxen a Cromolyn

Naproxen je nesteroidní protizánětlivé léčivo, zatímco cromolyn je antialergické činidlo, které působí jako stabilizátor žírných buněk . Oba léky prokázaly protinádorový účinek navíc k hypoglykemickému účinku v důsledku inhibice glykogen syntázy kinázy-3β (GSK-3β).

K ověření hypotézy anti-GSK-3β naproxenu a kromolynu bylo provedeno ukotvení obou struktur proti vazebné kapse GSK-3β a srovnání jejich spojení se známým inhibitorem GSK-3β ARA014418, kromě měření hladiny glukózy v séru, inzulinu v séru, sérový C-peptid, kolísání hmotnosti a hladiny jaterního glykogenu u modelů normálního a diabetického půstu pro hodnocení jejich hypoglykemických účinků in vitro.

Naproxen a kromolyn byly úspěšně ukotveny do vazebného místa GSK-3p (oba byly vloženy do jeho vazebné kapsy). Vykazovaly elektrostatické, hydrofobní a vodíkové vazby s klíčovými aminokyselinami ve vazebné kapse s vazebnými interakčními profily podobnými AR-A014418 (známý inhibitor). Záporné náboje skupin karboxylových kyselin u obou léčiv elektrostaticky interagují s kladně nabitou guanidinovou skupinou Arg141. Kromě toho interakce vodíkových vazeb mezi skupinami karboxylových kyselin kromolynu a amoniovými skupinami Lys183 a Lys60, kromě n-stohování naftalenového kruhového systému naproxenu s fenolickým kruhem Tyr134.

Antidiabetické účinky naproxenu a kromolynu: V normálních zvířecích modelech vykazovaly oba léky snížení hladiny glukózy v krvi závislé na dávce a zvýšení hladiny glykogenu. V chronickém diabetickém modelu typu II byly také sníženy hladiny glukózy a hladiny glykogenu a inzulínu byly zvýšeny způsobem závislým na dávce se snížením plazmatické glukózy.

Účinky naproxenu a kromolynu proti obezitě: Oba léky vykazovaly významné účinky proti obezitě, protože v závislosti na dávce snižují tělesnou hmotnost, rezistin a hladinu glukózy. Bylo také zjištěno, že zvyšují hladiny adiponektinu , inzulínu a C-peptidu způsobem závislým na dávce.

Famotidin

Famotidin je specifický, dlouhodobě působící H2 antagonista, který snižuje sekreci žaludeční kyseliny. Používá se k léčbě vředové choroby, GERD a patologických hypersekrečních stavů, jako je Zollinger -Ellisonův syndrom. (14,15) Antagonisté H2-receptorů ovlivňují hormonální metabolismus, ale jejich účinek na metabolismus glukózy není dobře prokázán. (16) Studie odhalila účinek famotidinu na snižování glukózy. Nedávno bylo provedeno molekulární dokování jako předběžný screeningový test in-silico ke studiu vazby famotidinu na aktivní místo GSK-3p.

Studie vazby famotidinu na enzym ukázala, že famotidin může být ukotven ve vazebné kapse GSK-3p, což vytváří významné interakce s klíčovými body uvnitř vazebné kapsy GSK-3p. Silné interakce vodíkových vazeb s klíčovými aminokyselinami PRO-136 a VAL -135 a potenciální hydrofobní interakce s LEU-188 byly podobné interakcím nalezeným ve vazbě ligandu na enzym (AR-A014418).

Famotidin dále vykazoval vysokou vazebnou afinitu a inhibiční aktivitu ke GSK-3p v důsledku interakcí, které stabilizují komplex, konkrétně vodíkové vazby guanidinové skupiny v famotidinu se sulfahydrylovou skupinou v CYS-199; a elektrostatické interakce mezi stejnou guanidinovou skupinou s karboxylovou skupinou v ASP-200, vodíková vazba mezi koncovou skupinou NH2, OH TYR-143 a hydrofobní interakce atomu síry v thioetheru s ILE-62. Studie in vitro ukázaly, že famotidin inhibuje aktivitu GSK-3β a zvyšuje rezervy jaterního glykogenu způsobem závislým na dávce. Bylo pozorováno čtyřnásobné zvýšení hladiny jaterního glykogenu při použití nejvyšší dávky famotidinu (4,4 mg/kg). Bylo také prokázáno, že famotidin snižuje hladiny glukózy v séru 30 a 60 minut po orální zátěži glukózy u zdravých jedinců.

Kurkumin

Kurkumin, který je součástí koření kurkumy , má aromatické a barvicí vlastnosti. Má dvě symetrické formy: enol (nejhojnější formy) a keton.

Kurkumin má široké farmakologické aktivity: protizánětlivé, antimikrobiální, hypoglykemické, antioxidační a hojivé účinky. Na zvířecích modelech s Alzheimerovou chorobou má anti-destruktivní účinek beta amyloidu v mozku a v poslední době vykazuje anti-malarickou aktivitu.

Kurkumin má také chemicky preventivní a protirakovinné účinky a bylo prokázáno, že zmírňuje oxidační stres a renální dysfunkci u diabetických zvířat s chronickým používáním.

Mechanismus účinku kurkuminu je protizánětlivý; inhibuje nukleární transkripční aktivátor kappa B ( NF-KB ), který je aktivován vždy, když dojde k zánětlivé reakci.

NF-kB má dva regulační faktory, IkB a GSK-3, což naznačuje, že kurkumin přímo váže a inhibuje GSK-3B. Studie in vitro potvrdila inhibici GSK-3B simulací molekulárního dokování pomocí techniky dokování silikonem. Koncentrace, při které by bylo kurkuminem inhibováno 50% GK-3B, je 66,3 nM.

Mezi jeho dvěma formami experimentální a teoretické studie ukazují, že enolová forma je oblíbenou formou díky intra-molekulární vodíkové vazbě, a NMR experiment ukazuje, že enolová forma existuje v různých rozpouštědlech.

Olanzapin

Antipsychotika se stále častěji používají při schizofrenii , bipolární poruše, úzkosti a dalších psychiatrických stavech. Atypická antipsychotika se používají častěji než antipsychotika první generace, protože snižují riziko extrapyramidových symptomů, jako je tardivní dyskineze , a mají lepší účinnost.

Olanzapin a atypická antipsychotika navozují přibývání na váze zvyšováním tělesného tuku. Ovlivňuje také metabolismus glukózy a několik studií ukazuje, že může zhoršit cukrovku.

Nedávná studie ukazuje, že olanzapin inhibuje aktivitu GSK3, což naznačuje, že olanzapin umožňuje syntézu glykogenu. Studie účinku olanzapinu na hladinu glukózy a glykogenu v krvi myší ukázala významný pokles hladiny glukózy v krvi a zvýšení hladiny glykogenu u myší a IC50% olanzapinu bylo 91,0 nm, což je považováno za silný inhibitor. Studie také ukazuje, že subchronické používání olanzapinu vede k silné inhibici GSK3.

Deriváty pyrimidinu

Analogy pyrimidinu jsou antimetabolity, které interferují se syntézou nukleových kyselin. Některé z nich se ukázaly jako vhodné pro kapsu GSK-3β vázající ATP ke snížení hladiny glukózy v krvi a zlepšení některých neuronálních onemocnění.

Viz také

• Ketamin
• Tau-protein kináza

Reference

externí odkazy

• Glycogen Synthase Kinase 3 at the US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)