ФДЭ1
Фермент
Фосфодиэстераза I
Идентификаторы
Номер ЕС3.1.4.1
Номер CAS9025-82-5
Базы данных
ИнтЭнзIntEnz вид
БРЕНДАзапись BRENDA
ExPASyNiceZyme вид
КЕГГзапись KEGG
МетаЦикметаболический путь
ПРИАМпрофиль
Структуры PDBRCSB PDB PDBe PDBsum
Поиск
ЧВКстатьи
PubMedстатьи
NCBIбелки

Фосфодиэстераза 1 , PDE1 , EC 3.1.4.1, систематическое название олигонуклеотид 5′ - нуклеотидогидролаза ) — фермент фосфодиэстеразы, также известный как кальций- и кальмодулин -зависимая фосфодиэстераза. Это одно из 11 семейств фосфодиэстераз (PDE1-PDE11). Фосфодиэстераза 1 имеет три подтипа , PDE1A, PDE1B и PDE1C, которые далее делятся на различные изоформы . Различные изоформы проявляют различное сродство к цАМФ и цГМФ . [1] [2]

Открытие

Существование стимулируемой Ca 2+ фосфодиэстеразы 1 было впервые продемонстрировано Чунгом (1970), Какиучи и Ямазаки (1970) в результате их исследований на мозге быка и крысы соответственно. [1] [3] С тех пор было обнаружено, что она широко распространена в различных тканях млекопитающих , а также в других эукариотах . В настоящее время это один из наиболее интенсивно изучаемых членов суперсемейства ферментов PDE , [3] которое сегодня представляет 11 семейств генов , [1] [4] и также наиболее охарактеризованный. [3]

Дальнейшие исследования в этой области наряду с возросшей доступностью моноклональных антител показали, что существуют различные изоферменты фосфодиэстеразы 1 , которые были идентифицированы и очищены. Теперь известно, что фосфодиэстераза 1 существует в виде тканеспецифичных изоферментов. [3]

Структура

Семейство изоферментов фосфодиэстеразы 1 принадлежит к ферментам класса I, [2] [5] , который включает все фосфодиэстеразы позвоночных и некоторые ферменты дрожжей . [5] Все ферменты класса I имеют каталитическое ядро, состоящее не менее чем из 250 аминокислот , тогда как ферменты класса II лишены такой общей черты. [5]

Обычно позвоночные PDEs являются димерами линейных белков 50–150 кДа . [5] Они состоят из трех функциональных доменов : консервативного каталитического ядра, регуляторного N-конца и C-конца [3-5]. Белки являются химерными , и каждый домен связан со своей конкретной функцией. [2]

Регуляторный N -конец существенно отличается в различных типах фосфодиэстеразы. [4] [5] Они фланкированы каталитическим ядром и включают области, которые автоматически ингибируют каталитические домены. Они также нацелены на последовательности, которые контролируют субклеточную локализацию. В фосфодиэстеразе 1 эта область содержит домен связывания кальмодулина. [4]

Каталитические домены фосфодиэстеразы 1 (и других типов фосфодиэстераз) имеют три спиральных субдомена: N-концевую область циклиновой складки, линкерную область и C-концевой спиральный пучок. На границе этих субдоменов образуется глубокий гидрофобный карман. Он состоит из четырех субсайтов . Это: сайт связывания металла (сайт M), карман ядра (карман Q), гидрофобный карман (карман H) и область крышки (регион L). Сайт M расположен на дне гидрофобного кармана с несколькими атомами металла . Атомы металла связываются с остатками, которые полностью сохраняются во всех членах семейства фосфодиэстераз. Идентичность атомов металла неизвестна с абсолютной уверенностью. Однако некоторые данные указывают на то, что по крайней мере один из металлов - цинк , а другой, вероятно, магний . Координационная сфера цинка состоит из трех гистидинов , одного аспартата и двух молекул воды . Координационная сфера магния включает тот же аспартат вместе с пятью молекулами воды, одна из которых делится с молекулой цинка. Предполагаемая роль ионов металла включает стабилизацию структуры, а также активацию гидроксида для опосредования катализа . [4]

Домены разделены «шарнирными» областями, где их можно экспериментально разделить с помощью ограниченного протеолиза. [2]

Семейство изоферментов фосфодиэстеразы 1 (наряду с семейством фосфодиэстеразы 4) является наиболее разнообразным и включает многочисленные изоформы сплайс-вариантов PDE1. Оно имеет три подтипа: PDE1A, PDE1B и PDE1C, которые далее делятся на различные изоформы. [1] [2]

Локализация

Локализация изоформ ФДЭ1 в различных тканях/клетках и их расположение внутри клеток следующее:

ИзоформаТканевая/клеточная локализацияВнутриклеточная локализация
ПДЕ1А ( ПДЕ1А )Гладкие мышцы, сердце, легкие, мозг, сперма [2]Преимущественно цитозольный [2]
ПДЕ1А1Сердце, легкие [2]Преимущественно цитозольный [2]
ПДЕ1А2Мозг [2]Преимущественно цитозольный [2]
ПДЕ1Б1 ( ПДЕ1Б )Нейроны, лимфоциты, гладкие мышцы [2] мозг, сердце, скелетные мышцы [1]Цитозольный [2]
ПДЕ1Б2Макрофаги, лимфоциты [2]Цитозольный [2]
ПДЕ1С ( ПДЕ1С )Мозг, пролиферирующие гладкие мышцы человека, сперматиды [2]Цитозольный [2]
ПДЕ1С1Мозг, сердце, яички [6]-
ПДЕ1С2Обонятельный эпителий [2]Цитозольный [2]
ПДЕ1С4/5мРНК присутствует в яичках [6]-

Таблица 1. Различное расположение PDE1 в тканях и внутри клеток.

Большинство изоформ PDE1, как сообщается, являются цитозольными . Однако есть случаи, когда PDE1 локализуются в субклеточных областях, но мало что известно о молекулярных механизмах, ответственных за такую ​​локализацию. Считается вероятным, что уникальные N-концевые или C-концевые области различных изоформ позволяют различным белкам быть нацеленными на определенные субклеточные домены. [2]

Функциональная роль

Фосфодиэстераза1 катализирует следующую химическую реакцию : [7]

Гидролитически удаляет 5′ - нуклеотиды последовательно с 3′ - гидроксиконцов 3′ - гидроксиконцевых олигонуклеотидов

Он гидролизует как рибонуклеотиды , так и дезоксирибонуклеотиды , но имеет низкую активность в отношении полинуклеотидов .

Внутриклеточные вторичные мессенджеры, такие как цГМФ и цАМФ, претерпевают быстрые изменения концентрации в ответ на широкий спектр специфических для клеток стимулов. Концентрация этих вторичных мессенджеров в значительной степени определяется относительной синтетической активностью циклазы и деградационной активностью циклического нуклеотида ФДЭ. [3] ФДЭ1 деградирует как цГМФ, так и цАМФ. [8]

Связывание PDE с цГМФ и цАМФ соответственно

Различные изоформы проявляют различное сродство к цАМФ и цГМФ. PDE1A и PDE1B преимущественно гидролизуют цГМФ, тогда как PDE1C разрушает как цАМФ, так и цГМФ с высоким сродством. Например, в гладких мышцах дыхательных путей человека и других видов общий PDE1 отвечает за более чем 50% гидролитической активности циклических нуклеотидов. [9] Было показано, что делеция и сверхэкспрессия PDE1 оказывает сильное влияние на агонист -индуцированную сигнализацию цАМФ, но мало влияет на базальный уровень цАМФ. [10] При кортикальных и таламических входах в полосатое тело активность PDE1 регулирует высвобождение нейротрансмиттера через цГМФ. [11]

Фармакология

Из-за регуляции in vitro Ca 2+ /кальмодулином, PDE1, как полагают, функционируют как механизм для интеграции клеточных сигнальных путей, опосредованных цГМФ и цАМФ, с путями, которые регулируют внутриклеточные уровни кальция. [2] Точная функция изоферментов PDE1 в различных патофизиологических процессах не ясна, поскольку большинство исследований проводились in vitro. Поэтому важно направить дальнейшие исследования на исследования in vivo. [3]

Предполагается, что PDE1 участвует в ряде физиологических и патологических процессов:

  • PDE1A, скорее всего, служит для регуляции концентрации гладких мышц сосудов и, как было обнаружено, повышается в аорте крысы в ​​ответ на хроническое лечение нитроглицерином . Также возможно, что он играет роль в функции спермы . [8]
  • У мышей с нокаутом PDE1B наблюдается повышенная двигательная активность, а в некоторых парадигмах — снижение памяти и способности к обучению. PDE1B также участвует в дофаминергической сигнализации и индуцируется в нескольких типах активированных иммунных клеток. [8] мРНК PDE1B индуцируется в PHA или анти-CD3/CD28-активированных человеческих Т-лимфоцитах и ​​участвует в регуляции IL-13, связанной с аллергическими заболеваниями. [1]
  • Было показано, что PDE1C является основным регулятором пролиферации гладких мышц, по крайней мере, в гладких мышцах человека. Непролиферирующие гладкомышечные клетки (SMC) демонстрируют только низкие уровни экспрессии PDE1C , но она высоко экспрессируется в пролиферирующих SMC. Поэтому можно предположить, что ингибирование PDE1C может оказывать благоприятное воздействие из-за его предполагаемого ингибирования пролиферации SMC, события, которое вносит важный вклад в патофизиологию атеросклероза . [ 8] Другая вероятная роль PDE1C заключается в обонянии [4], регулировании функции спермы и нейронной сигнализации. [8]

Регулирование

Отличительной чертой PDE1 как семейства является их регуляция кальцием (Ca 2+ ) и кальмодулином (CaM). [12] Было показано, что кальмодулин активирует циклический нуклеотид PDE зависимым от кальция образом, и для полной активации PDE1 требуется кооперативное связывание четырех Ca 2+ с кальмодулином [2]. Связывание одного комплекса Ca 2+ /CaM на мономер с сайтами связывания вблизи N-конца стимулирует гидролиз циклических нуклеотидов. В интактных клетках PDE1 активируется почти исключительно Ca 2+, поступающим в клетку из внеклеточного пространства. Регуляция PDE1 Ca 2+ и CaM изучалась in vitro, и эти исследования показали, что восемь остатков метионина внутри гидрофобных щелей Ca 2+ -CaM необходимы для связывания и активации PDE1. Мутации в N-концевой доле CaM влияют на его способность активировать PDE1, поэтому считается, что C-концевая доля CaM служит для нацеливания CaM на PDE1, в то время как N-концевая доля активирует фермент. Наличие ароматического остатка, обычно триптофана , в области связывания CaM белков, регулируемых Ca 2+ -CaM, также может быть необходимо для связывания с PDE1. [12]

Между различными изоферментами PDE1 существует значительная разница в сродстве к Ca 2+ /CaM. В целом, ферменты PDE1 имеют высокое сродство к комплексу, но на сродство может влиять фосфорилирование. Фосфорилирование PDE1A1 и PDE1A2 протеинкиназой A и PDE1B1 CaM-киназой II снижает их чувствительность к активации кальмодулина. [1] Это фосфорилирование может быть обращено вспять фосфатазой, кальциневрином. [2] Фосфорилирование изоферментов сопровождается снижением сродства изоферментов к CaM, а также увеличением концентраций Ca 2+, необходимых для активации CaM изоферментов. [3]

Ингибиторы и их функция

PDEs рассматривались как терапевтические цели из-за основного фармакологического принципа, что регуляция деградации любого лиганда или вторичного мессенджера часто может производить более быстрое и большее процентное изменение концентрации, чем сопоставимые скорости синтеза . Другая причина заключается в том, что PDEs не должны конкурировать с очень высокими уровнями эндогенного субстрата, чтобы быть эффективными, поскольку уровни цАМФ и цГМФ в большинстве клеток обычно находятся в микромолярном диапазоне. [2]

Наличие кристаллических структур высокого разрешения каталитических доменов PDE делает возможной разработку высокоэффективных и специфических ингибиторов . [6]

Многие соединения, которые считаются ингибиторами ФДЭ1, не взаимодействуют напрямую с каталитическим участком ФДЭ1, но взаимодействуют во время активации либо на уровне участков связывания кальмодулина, как, например, соединение KS505a, либо непосредственно на Ca 2+ /кальмодулине, как, например, беприл, флунаризин и амиодарон . [1]

Те ингибиторы, которые взаимодействуют с каталитическим сайтом, занимают часть активного сайта, в основном вокруг кармана Q и иногда близко к карману M. [13] Основной точкой взаимодействия является консервативный гидрофобный карман, который участвует в ориентации пуринового кольца субстрата для взаимодействия с остатком глутамина, что имеет решающее значение для каталитического механизма PDEs. [6]

Взаимодействия ингибиторов можно разделить на три основных типа: взаимодействия с ионами металлов, опосредованные водой, взаимодействия водородных связей с остатками белка, участвующими в распознавании нуклеотидов, и, что наиболее важно, взаимодействие с гидрофобными остатками, выстилающими полость активного центра. Все известные ингибиторы, по-видимому, используют эти три типа взаимодействий, и, следовательно, эти взаимодействия должны направлять разработку новых типов ингибиторов. [13]

Первоначально ингибиторы PDE1 были заявлены как эффективные сосудистые релаксанты. Однако с появлением очищенных клонированных ферментов теперь известно, что такие ингибиторы на самом деле в равной степени активны против PDE5. [4] Эти ингибиторы включают, например, запринаст , 8-метоксиметил IPMX и SCH 51866. [1]

Все терапевтически эффективные ингибиторы ФДЭ должны быть включены в клетку, поскольку все ФДЭ локализованы в цитоплазме и/или на внутриклеточных мембранах. [8]

На сегодняшний день не существует реального и эффективного специфического ингибитора ФДЭ1, который можно было бы использовать для оценки функциональной роли ФДЭ1 в тканях. [1]

Распространенные ингибиторы

Химическая структура нимодипина
Химическая структура винпоцетина

Нимодипин — дигидропиридин , который специфически антагонизирует/блокирует L-тип Ca 2+ -канал, и был впервые описан как ингибитор PDE1. Этот эффект не связан с его свойством антагониста кальция, поскольку он ингибирует в микромолярном диапазоне базальный и стимулированный кальмодулином очищенный PDE1. Поскольку нимодипин в более низких концентрациях блокирует L-тип кальциевый канал, его можно использовать только для оценки участия PDE1 в тканевых и клеточных гомогенатах. [1]

Винпоцетин был описан как специфический ингибитор базальной и кальмодулин-активируемой PDE1. Этот эффект приводит к увеличению цАМФ по сравнению с цГМФ. [1] [14] Он в основном используется как фармакологический инструмент для выявления PDE1. Винпоцетин по-разному ингибирует различные подтипы PDE1 (IC 50 от 8 до 50 мкм), а также способен ингибировать PDE7B. Его нельзя использовать как специфический инструмент для исследования функциональной роли PDE1 из-за его прямого активаторного воздействия на каналы BK (Ca). [1] Винпоцетин проникает через гематоэнцефалический барьер и поглощается мозговой тканью. Была выдвинута гипотеза, что винпоцетин может влиять на потенциалзависимые кальциевые каналы. [14]

IC224 ингибирует PDE1 (IC 50 = 0,08 мкМ) с селективным отношением 127 (отношение значения IC 50 для следующего наиболее чувствительного PDE и для значения IC 50 для PDE1). Он был разработан корпорацией ICOS. Если IC224 аналогичным образом ингибирует базальные и активируемые кальмодулином подтипы PDE1, это соединение может быть очень полезным для характеристики активности PDE1 и для четкого исследования различных ролей PDE1 в патофизиологии. [1]

Ингибиторы при заболеваниях

Почти все фосфодиэстеразы экспрессируются в ЦНС, что делает это семейство генов привлекательным источником новых мишеней для лечения психиатрических и нейродегенеративных расстройств. [6]

PDE1A2 играет потенциальную роль в нейродегенеративных заболеваниях, включая: [4]

PDE1C может играть роль в регуляции высвобождения инсулина [5] и может воздействовать на пролиферирующие гладкомышечные клетки в атеросклеротических поражениях или во время рестеноза . [4] [15]

Ссылки

  1. ^ abcdefghijklmn Lugnier C (март 2006). «Суперсемейство циклических нуклеотидфосфодиэстеразы (PDE): новая цель для разработки специфических терапевтических агентов». Pharmacol. Ther . 109 (3): 366–98 . doi :10.1016/j.pharmthera.2005.07.003. PMID  16102838.
  2. ^ abcdefghijklmnopqrstu vw Bender AT, Beavo JA (сентябрь 2006 г.). «Циклические нуклеотидфосфодиэстеразы: молекулярная регуляция для клинического использования». Pharmacol. Rev. 58 ( 3): 488– 520. doi :10.1124/pr.58.3.5. PMID  16968949. S2CID  7397281.
  3. ^ abcdefg Kakkar R, Raju RV, Sharma RK (июль 1999). "Кальмодулин-зависимая циклическая нуклеотидфосфодиэстераза (PDE1)".  Cell . Mol. Life Sci . 55 ( 8– 9): 1164– 86. doi :10.1007/s000180050364. PMC 11146777. PMID 10442095. S2CID  23724340. [ постоянная мертвая ссылка ‍ ]
  4. ^ abcdefg Jeon YH, Heo YS, Kim CM и др. (июнь 2005 г.). «Фосфодиэстераза: обзор структур белков, потенциальное терапевтическое применение и недавний прогресс в разработке лекарств». Cell. Mol. Life Sci . 62 (11): 1198– 220. doi :10.1007/s00018-005-4533-5. PMC 11139162. PMID 15798894.  S2CID 9806864  . 
  5. ^ abcdef Dousa TP (январь 1999). "Циклические-3′,5′-нуклеотидные изоферменты фосфодиэстеразы в клеточной биологии и патофизиологии почек". Kidney Int . 55 (1): 29– 62. doi : 10.1046/j.1523-1755.1999.00233.x . PMID  9893113.
  6. ^ abcde Menniti FS, Faraci WS, Schmidt CJ (август 2006 г.). «Фосфодиэстеразы в ЦНС: цели для разработки лекарств». Nat Rev Drug Discov . 5 (8): 660–70 . doi :10.1038/nrd2058. PMID  16883304. S2CID  419810.
  7. ^ Khorana GH (1961). «Фосфодиэстеразы». В Boyer PD, Lardy H, Myrbäck K (ред.). Ферменты . Т. 5 (2-е изд.). Нью-Йорк: Academic Press. С.  79–94 .
  8. ^ abcdef Bischoff E (июнь 2004 г.). «Мощность, селективность и последствия неселективности ингибирования PDE». Int. J. Impot. Res . 16 (Suppl 1): S11–4. doi : 10.1038/sj.ijir.3901208 . PMID  15224129.
  9. ^ Giembycz MA (июнь 2005 г.). «Жизнь после PDE4: преодоление неблагоприятных событий с помощью ингибиторов фосфодиэстеразы двойной специфичности». Curr Opin Pharmacol . 5 (3): 238– 44. doi : 10.1016/j.coph.2005.04.001. PMID  15907909.
  10. ^ Thevelein JM, de Winde JH (сентябрь 1999 г.). «Новые механизмы восприятия и цели для пути цАМФ-протеинкиназы A в дрожжах Saccharomyces cerevisiae». Mol. Microbiol . 33 (5): 904–18 . doi : 10.1046/j.1365-2958.1999.01538.x . PMID  10476026.
  11. ^ Фиблингер, Тим; Перес-Альварес, Альберто; Ламот-Молина, Пол Дж.; Джи, Кристин Э.; Эртнер, Томас Г. (2022-08-03). «Пресинаптический цГМФ устанавливает синаптическую силу в полосатом теле и важен для двигательного обучения». EMBO Reports . 23 (8): e54361. doi :10.15252/embr.202154361. ISSN  1469-221X. PMC 9346481. PMID 35735260  . 
  12. ^ ab Goraya TA, Cooper DM (июль 2005 г.). "Ca 2+ -кальмодулин-зависимая фосфодиэстераза (PDE1): текущие перспективы". Cell. Signal . 17 (7): 789– 97. doi :10.1016/j.cellsig.2004.12.017. PMID  15763421.
  13. ^ ab Card GL, England BP, Suzuki Y, et al. (декабрь 2004 г.). «Структурная основа активности препаратов, ингибирующих фосфодиэстеразы». Structure . 12 (12): 2233– 47. doi : 10.1016/j.str.2004.10.004 . PMID  15576036.
  14. ^ ab "Винпоцетин. Монография". Altern Med Rev. 7 ( 3): 240– 3. Июнь 2002. PMID  12126465.
  15. ^ Мацумото Т, Кобаяши Т, Камата К (август 2003 г.). «Фосфодиэстеразы в сосудистой системе». J Smooth Muscle Res . 39 (4): 67–86 . doi : 10.1540/jsmr.39.67 . PMID  14692693.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=PDE1&oldid=1228945060"