Гликоген синтаза киназа 3: қасиеттері және биологиялық ролі

Кіріспе

Ферменттер класы

Гликоген синтезасы киназасы 3 (GSK 3) – серин/треонин протеинкиназасы, ол серин және треонин аминқышқылдарының қалдықтарына фосфат молекулаларын қосуға қатысады. Алғаш рет 1980 жылы өзінің атауын алған гликоген синтезасының (GS) реттеуші киназасы ретінде табылғаннан бері GSK 3 әртүрлі жолдар арқылы 100-ден астам әртүрлі белоктар үшін протеинкиназа ретінде анықталды. Сүтқоректілерде, оның ішінде адамда, GSK 3 екі гомологты гендермен кодталған екі изоферментте бар: GSK 3α (GSK3A) және GSK 3β (GSK3B). GSK 3 көптеген зерттеулерге тақырып болды, өйткені ол түрлі ауруларға, соның ішінде 2-ші типті қант диабетіне, Альцгеймер ауруына, қабынуға, қатерлі ісікке, тәуелділікке және екіполярлық бұзылысқа қатысты. GSK 3 – серин/треонин протеинкиназасы, ол треонин немесе серинды фосфорлап, осы фосфорлану гликоген метаболизмі, жасушалық сигнализация, жасушалық тасымалдау және басқа да әртүрлі биологиялық белсенділіктерді бақылайды. GSK 3β-ның GS-ті тежеуі бауыр мен бұлшық еттерде гликоген синтезінің төмендеуіне, қандағы глюкоза деңгейінің жоғарылауына немесе гипергликемияға алып келеді. Сондықтан GSK 3β қант диабеті, семіздік, қатерлі ісік және Альцгеймер ауруы сияқты көптеген аурулардың патогенезі мен прогресісімен байланысты. Ол тыныш күйдегі жасушаларда белсенді және инсулин, эндотелиялық өсу факторы және тромбоциттен туындаған өсу факторы сияқты бірнеше гормондармен тежеледі. Инсулин GSK 3 α және β изоформаларындағы Ser21 және Ser9 спецификалық серин қалдықтарын PI3K/Akt жолы арқылы төменгі ағымдағы фосфорлану арқылы GSK 3-ті жанама түрде инактивидейді. 2019 жылға дейін GSK 3 – гликоген синтезасы киназасының аталған және танылған жалғыз түрі болып табылады. GSK1 және GSK2 гендерінің символдары HUGO ген номенклатурасы комитеті (HGNC) тарапынан алынып тасталды және бұл "гендер" үшін жаңа атаулар мен олардың орналасқан жерлері көрсетілмеген.

Механизм

GSK 3 функциясы мақсатты субстратқа серин немесе треонин қалдығын фосфорилирлеу арқылы іске асырылады. Белсенді орынға жақын орналасқан оң зарядталған қуыс, мақсатты фосфорильдеу орнынан C-терминалына қарай төрт қалдық қашықтықта орналасқан серин немесе треонинге қосылған "дайындаушы" фосфат тобын байланыстырады. 181, 200, 97 және 85 қалдықтарындағы белсенді орын АТФ-тың терминалды фосфатын байланыстырып, оны субстраттағы мақсатты жерге ауыстырады (1-суретті қараңыз).

Гликоген синтезасы

Гликоген синтетазасы гликоген синтезіне жауапты фермент. Ол глюкоза-6-фосфат (G6P) арқылы белсендіріледі және гликоген синтетаза киназалары (GSK3) арқылы тежеледі. Бұл екі механизм гликоген метаболизмінде маңызды рөл атқарады.

Функция

GSK 3 белдеуінің фосфорилирленуі әдетте оның төменгі бағытындағы нысанасының белсенділігін тежейді. GSK 3 клеткалық пролиферация, миграция, глюкозаның реттелуі және апоптоз сияқты бірқатар орталық клеткаішілік сигнализация жолдарында белсенді. GSK 3 бастапқыда гликоген синтезасын реттеуге қатысы бар екендігі анықталған. Гликоген синтезасын реттеудегі рөлінен басқа, GSK 3 глюкоза гомеостазының басқа да аспектілеріне, соның ішінде инсулин рецепторы IRS1 және глюконеогендік ферменттер фосфоенолпируват карбоксикиназасы мен глюкоза-6 фосфатазасының фосфорилирлеуіне қатысы бар. Алайда, бұл өзара әрекеттесулер расталмаған, себебі бұл жолдарды GSK 3 деңгейінің жоғарылауысыз тежеуге болады. Әртүрлі протеинкиназалардың GSK3B-ны инактивациялауы цитокиндердің өндірісін және наив және жад CD4+ Т-клеткаларының көбеюін индукциялау арқылы адаптивті иммундық жауапқа әсер етеді. GSK 3 – бұл бета-катенин/Wnt жолының бір бөлігі, ол жасушаның бөлінуіне және көбеюіне сигнал береді. GSK 3 циклиндер D және E-ні фосфорилирлейді, олар G1 фазасынан S фазасына өту үшін маңызды және олардың ыдырауына себепші болады. c myc және c fos транскрипциялық факторлары (сонымен қатар S фазасының промоторлары), негізінен қос спецификалық тирозин фосфорилирлеуі реттелетін киназамен фосфорилирленеді, сондай-ақ GSK3 фосфорилирлейді, олардың ыдырауына себепші болады. GSK 3 сонымен қатар апоптозды реттейтін фосфорилирлеуші транскрипциялық факторлар арқылы бірқатар апоптоздық сигнализация жолдарына қатысады және фосфорилирлеу арқылы тіршілікті қолдаушы факторларды инактивациялайды. Алайда, GSK 3-тің апоптозды реттеудегі рөлі күмәнді, өйткені кейбір зерттеулер GSK 3β нокаут егешқұйрықтарының апоптозға аса сезімтал екенін және эмбриональды кезеңде өлетінін көрсетті, ал басқалары GSK 3-тің шамадан тыс экспрессиясы апоптозды тудырады. Жалпы алғанда, GSK 3 апоптозды ынталандырады және тежейді, ал бұл реттеу молекулалық және жасушалық контекстке байланысты өзгереді. GSK 3 сонымен қатар ядролық транскрипциялық активатор kappa B (NFκB) сигнализация жолы, Hedgehog сигнализация жолы, Notch сигнализация жолы және эпителий-мезенхималық өтуге қатысады. GSK 3 қолданылатын жолға байланысты клеткалық локализация немесе белок кешендерінің қалыптасуы арқылы одан әрі реттелуі мүмкін. GSK 3 белсенділігі кортикальды нейрондардың цитозолындағыдан гөрі ядро мен митохондрияда әлдеқайда жоғары, ал GSK 3 арқылы бета-катениннің фосфорилирленуі екі белоктың да Axin-ге, эшафолд белгісіне байланысуы арқылы жүзеге асырылады, бұл бета-катенинге GSK 3-тің белсенді орнына кіруге мүмкіндік береді. Қазір биполярлық бұзылысқа емдеу үшін қолданылатын литийдің GSK 3-ті таңдамалы түрде тежеу арқылы көңіл-күйді тұрақтандыратыны дәлелденді. GSK 3 ингибициясының көңіл-күйді тұрақтандыру механизмі белгісіз, бірақ GSK 3 ингибициясының қабынуды ынталандыру қабілетін тежеуі терапиялық әсерге ықпал етеді деп күтілуде. Циркадтық сағаттың элементтері биполярлық көңіл-күй бұзылуына бейімделумен байланысты болуы мүмкін. GSK 3 белсенділігі Альцгеймер ауруының екі патологиялық белгісімен байланысты, атап айтқанда β (Aβ) амилоидты жинақталумен және нейрофибрилляциялық түйіндердің пайда болуымен. GSK 3 тікелей Aβ өндірісін ынталандырады және тау ақуыздарының гиперфосфорилирлеу процесімен байланысты, бұл түйіндерге әкеледі. Сол сияқты, GSK 3-ті мақсатты түрде тежеудің кейбір қатерлі ісіктерге терапиялық әсері болуы мүмкін. GSK 3 кейбір жағдайларда апоптозды ынталандыратыны анықталса да, кейбір қатерлі ісіктердің ісіктерінің пайда болуының негізгі факторы болып табылады. Бұл пікірді растау үшін GSK 3 ингибиторлары глиома және панкреатикалық қатерлі ісік жасушаларында апоптозды тудырады. GSK 3 сонымен қатар балалардағы жіті лимфобласты лейкоз және панкреатикалық қатерлі ісік жасушаларында NFκB аберрантты белсенділігіне жауапты болып көрінеді. Бүйрек қатерлі ісігі жасушаларында GSK 3 ингибиторлары жасуша циклының тоқтауына, қатерлі жасушалардың дифференциациялануына және аутофагияға әкеледі. Жоғарыда аталған жаңа түрлерге қарағанда, тері, ауыз қуысы және өкпе қатерлі ісіктерінде белсенді емес pGSK3β S9 жоғары экспрессиясы байқалады, бұл осы қатерлі ісіктерде ферменттің ісікті басу әсерін көрсетеді. Меланома кезінде микРНК miR 769 ісіктің даму процесінде GSK 3 белсенділігін тежеп, сонымен қатар GSK3-тің ісікті басу әсерін көрсетеді. GSK 3 инсулинді сигналды жолды серин 332 фосфорилдануы арқылы IRS1 ингибиру арқылы теріс реттей алады, GSK 3 ингибиторлары in vivo CD8(+) OT I CTL функциясын және егешқұйрық гамма герпес вирусы 68 және лимфоциттік хориоменингит клоны 13 арқылы вирус инфекцияларын жоюды, сондай-ақ иммунотерапиядағы PD 1-ге қарсы әрекетті күшейтеді.

Phosphorylation of a protein by GSK 3 usually inhibits the activity of its downstream target. GSK 3 is active in a number of central intracellular signaling pathways, including cellular proliferation, migration, glucose regulation, and apoptosis. GSK 3 was originally discovered in the context of its involvement in regulating glycogen synthase. In addition to its role in regulating glycogen synthase, GSK 3 has been implicated in other aspects of glucose homeostasis, including the phosphorylation of insulin receptor IRS1 and of the gluconeogenic enzymes phosphoenolpyruvate carboxykinase and glucose 6 phosphatase. However, these interactions have not been confirmed, as these pathways can be inhibited without the up regulation of GSK 3. The inactivation of GSK3B by various protein kinases also affects the adaptive immune response by inducing cytokine production and proliferation in naïve and memory CD4+ T cells. GSK 3 is therefore a part of the canonical Beta catenin/Wnt pathway, which signals the cell to divide and proliferate. GSK 3 phosphorylates cyclins D and E, which are important for the transition from G1 to S phase, and causes their degradation. The transcription factors c myc and c fos (also S phase promoters ), which are primarily phosphorylated by the dual specificity tyrosine phosphorylation regulated kinase, are also phosphorylated by GSK3, causing them to be degraded. GSK 3 also participates in a number of apoptotic signaling pathways by phosphorylating transcription factors that regulate apoptosis. and inactivating survival promoting factors through phosphorylation. The role of GSK 3 in regulating apoptosis is controversial, however, as some studies have shown that GSK 3β knockout mice are overly sensitized to apoptosis and die in the embryonic stage, while others have shown that overexpression of GSK 3 can induce apoptosis. Overall, GSK 3 appears to both promote and inhibit apoptosis, and this regulation varies depending on the specific molecular and cellular context. GSK 3 is also involved in nuclear transcriptional activator kappa B (NFκB) signaling pathway, Hedgehog signaling pathway, Notch signaling pathway, and epithelial mesenchymal transition. Depending on the pathway in which it is being utilized, GSK 3 may be further regulated by cellular localization or the formation of protein complexes. The activity of GSK 3 is far greater in the nucleus and mitochondria than in the cytosol in cortical neurons, while the phosphorylation of Beta catenin by GSK 3 is mediated by the binding of both proteins to Axin, a scaffold protein, allowing Beta catenin to access the active site of GSK 3. It has now been shown that lithium, which is used as a treatment for bipolar disorder, acts as a mood stabilizer by selectively inhibiting GSK 3. The mechanism through which GSK 3 inhibition stabilizes mood is not known, though it is suspected that the inhibition of GSK 3's ability to promote inflammation contributes to the therapeutic effect. Elements of the circadian clock may be connected with predisposition to bipolar mood disorder. GSK 3 activity has been associated with both pathological features of Alzheimer's disease, namely the buildup of amyloid β (Aβ) deposits and the formation of neurofibrillary tangles. GSK 3 is thought to directly promote Aβ production and to be tied to the process of the hyperphosphorylation of tau proteins, which leads to the tangles. In a similar fashion, targeted inhibition of GSK 3 may have therapeutic effects on certain kinds of cancer. Though GSK 3 has been shown to promote apoptosis in some cases, it has also been reported to be a key factor in tumorigenesis in some cancers. Supporting this claim, GSK 3 inhibitors have been shown to induce apoptosis in glioma and pancreatic cancer cells. GSK 3 also seems to be responsible for NFκB aberrant activity in pediatric acute lymphoblastic leukemia and pancreatic cancer cells. In renal cancer cells, GSK 3 inhibitors induce cell cycle arrest, differentiation of the malignant cells, and autophagy. In contrast to the above neoplasms, high expression of inactive pGSK3β S9 is found in skin, oral, and lung cancers, suggesting tumor suppressive effects of the enzyme in these cancers. In melanoma, the microRNA miR 769 inhibits GSK 3 activity during the tumor development process, also indicating tumor suppressive effects of GSK3. GSK 3 can negatively regulate the insulin signaling pathway by inhibiting IRS1 via phosphorylation of serine 332, GSK 3 inhibitors increased in vivo CD8(+) OT I CTL function and the clearance of viral infections by murine gamma herpesvirus 68 and lymphocytic choriomeningitis clone 13 as well as anti PD 1 in immunotherapy.

Ингибиторлар

Гликоген синтезасының кинеза ингибиторлары әртүрлі химиотиптерден тұрады және әрекет ету механизмдері әрқалай; олар катиондар, табиғи көздерден алынған заттар, синтетикалық АТФ-ге және АТФ-ге бағытталмаған бәсекелестік ингибиторлар, сондай-ақ субстратқа бәсекелестік ингибиторлар болуы мүмкін. GSK3 екі бөліктен тұратын архитектураға ие, оның N-терминалы және C-терминалы бар. N-терминалы АТФ байланысуына жауапты, ал C-терминалы, белсендіру циклы деп аталатын бөлігі, киназа активтілігін реттейді. C-терминалында орналасқан тирозин толық GSK3 активтілігі үшін қажет.

GSK-3β ингибиторларының пайдасы

Диабет кезінде GSK 3β ингибиторлары инсулинге сезімталдықты, гликоген синтезін және қаңқа бұлшықеттеріндегі глюкоза метаболизмін күшейтеді, сондай-ақ адипогенез процесіне әсер ету арқылы семіздікті азайтады. Бұған қоса, олар көңіл-күйдің бұзылуына, оның ішінде екіполярлық бұзылысқа да әсер етеді.

Алоизиндер

IC50=0,5 1,5μM:

Теңіз организмдерінен алынған

Манзамин А (IC50=1,5μM)
Палинурин (IC50=4,5μM)
Трикантин (IC50=7,5μM)

Галометилкетондар

HMK 32 (IC50=1,5μM)

Литий

Биполярлы бұзылысты емдеуде қолданылатын литий, алғаш табиғи GSK 3 ингибиторы ретінде табылды. Ол GSK 3-ті тікелей магний иондарымен бәсекелесу арқылы, ал жанама түрде сериннің фосфорилирленуі және авторегуляциясы арқылы тежейді. Литийдің глюкоза метаболизміне инсулинге ұқсас әсер ететіні анықталды, оның ішінде май клеткалары, тері және бұлшық еттерде гликоген синтезін күшейту, глюкоза сіңіруді арттыру және GS активтілігін жандандыру. GSK 3-ті тежеуден басқа, ол мио-инозитол 1-монофосфатаза және 1,6-бисфосфатаза сияқты глюкоза метаболизмін реттеуге қатысатын басқа ферменттерді де тежейді. Сонымен қатар, ол Альцгеймер және эпилепсиялық нейродегенерация сияқты басқа да нейродегенеративті ауруларда емдік тиімділігін көрсетті.

Фамотидин

Фамотидин – асқазан қышқылының секрециясын азайтатын, ұзақ әрекет ететін H2 антагонисті. Ол пептикалық жара ауруын, асқазан-өңішек рефлюкс ауруын (ГЭРБ) және Золлингер-Эллисон синдромы сияқты патологиялық гиперсекреторлық жағдайларды емдеуде қолданылады (14, 15). H2 рецепторларының антагонисттері гормондар метаболизміне әсер етеді, бірақ олардың глюкоза метаболизміне тигізетін әсері толыққанды зерттелмеген (16). Бір зерттеуде фамотидиннің қандағы глюкоза деңгейін төмендететін әсері анықталды. Фамотидиннің ферментке байланысуын зерттеу, фамотидиннің GSK 3β ферментінің байланысу ошағына орналасып, GSK 3β байланысу ошағындағы маңызды нүктелермен маңызды өзара әрекеттесетін екенін көрсетті. PRO 136 және VAL 135 негізгі аминқышқылдарымен күшті сутекті байланыстар, сондай-ақ LEU 188-мен гидрофобтық өзара әрекеттесу, ферментке байланысатын лигандпен (AR A014418) кездесетінге ұқсас болды. Бұдан әрі, фамотидин GSK 3β ферментімен жоғары байланысу қабілетіне және тежеуші белсенділікке ие болды, бұл фамотидиндегі гуанидин тобының CYS 199-дағы сульфагидрил тобымен сутекті байланыс жасауы, ASP 200-дағы карбоксил тобымен сол гуанидин тобының электростатикалық өзара әрекеттесуі, терминал NH2 тобының TYR 143 OH тобымен сутекті байланысы және тиоэтердегі күкірт атомының ILE 62-мен гидрофобтық өзара әрекеттесуі арқасында комплексті тұрақтандыруға байланысты. In vitro зерттеулер фамотидин GSK 3β ферментінің белсенділігін тежейтінін және дозаға байланысты бауырдағы гликоген қорын арттыратынын көрсетті. Фамотидиннің ең жоғары дозасын (4,4 мг/кг) қолданған кезде бауырдағы гликоген деңгейінің төрт есеге көбеюі байқалды. Сондай-ақ, фамотидин сау адамдарда ауыз арқылы қабылданған глюкозадан кейін 30 және 60 минуттан соң қандағы глюкоза деңгейін төмендететіні көрсетілді.

Куркумин

Күркібіндік дәмдеуіштегі құрамында бар куркуминнің дәмдеу және бояу қасиеттері бар. Оның екі симметриялық түрі бар: энол (ең көп таралған түрі) және кетон. Куркуминнің кең фармакологиялық әсерлері бар: қабынуға қарсы, микробқа қарсы, гипогликемияға қарсы, антиоксиданттық және жараны жазу әсерлері. Альцгеймер ауруы бар жануарлар моделінде мидағы бета-амилоидты бұзылудан қорғайтын әсері бар, және соңғы кезде ол құртқа қарсы белсенділігін көрсетті. Куркуминнің сонымен қатар химиялық алдын алу және қатерлі ісікке қарсы әсерлері бар. Куркуминнің әрекет ету механизмі қабынуға қарсы; ол қабыну жауабы кезінде белсендірілетін ядролық транскрипциялық активатор kappa B (NF-κB) құрамын тежейді. NF-κB-де екі реттеуші фактор бар: IkB және GSK 3, бұл куркуминнің GSK 3B-ге тікелей байланысып, оны тежейтінін көрсетеді. In vitro зерттеулер молекулалық байланыстыруды модельдеу арқылы silico байланыстыру техникасын қолдану арқылы GSK 3B-нің тежелуін растады. Куркуминнің GSK 3B-нің 50%-ын тежеуі үшін қажетті концентрациясы 66.3 нМ құрайды. Атипикалық антипсихотикалық препараттар бірінші буын антипсихотикалық препараттарға қарағанда көбірек қолданылады, себебі олар тартивті дискинезия сияқты экстрапирамидалық симптомдар қаупін азайтады және тиімділігі жоғары. Оланзапин және атипикалық антипсихотикалық препараттар дене майының артуы арқылы салмақ алуға себеп болады. Ол сондай-ақ глюкоза метаболизміне әсер етеді, және бірнеше зерттеулер оның диабетті нашарлататынын көрсетеді. Жақындағы зерттеулер оланзапиннің GSK3 активтілігін тежейтінін көрсетті, бұл оланзапин гликоген синтезін ынталандырады дегенді білдіреді. Оланзапиннің егеуқұйрықтардың қандағы глюкоза және гликоген деңгейіне тигізетін әсерін зерттеуде қандағы глюкоза деңгейінің айтарлықтай төмендеуі және гликоген деңгейінің жоғарылауы байқалды, ал оланзапиннің IC50% 91.0 нМ құрады, бұл оны қуатты тежегіш деп есептеуге болады. Зерттеу сондай-ақ оланзапиннің созылмалы қолданылуы GSK3 активтілігін күшті түрде тежейтінін көрсетті. Олардың кейбіреулері GSK 3β-нің АТФ байланысу қалтасына сәйкес келетіндігі көрсетілді, бұл қандағы глюкоза деңгейін төмендетуге және кейбір нейрондық ауруларды жақсартуға көмектеседі.

Curcumin, which Is a constituent of turmeric spice, has flavoring and coloring properties. It has two symmetrical forms: enol (the most abundant forms) and ketone. Curcumin has wide pharmacological activities: anti inflammatory, anti microbial, hypoglycemic, anti oxidant, and wound healing effects. In animal models with Alzheimer disease, it has anti destructive effect of beta amyloid in the brain, and recently it shows anti malarial activity. Curcumin also has chemo preventative and anti cancer effects., and it has been shown to attenuate oxidative stress and renal dysfunction in diabetic animals with chronic use. Curcumin's mechanism of action is anti inflammatory; it inhibits the nuclear transcriptional activator kappa B (NF KB) that is activated whenever there is inflammatory response. NF kB has two regulatory factors, IkB and GSK 3, which suggests curcumin directly binds and inhibits GSK 3B. An in vitro study confirmed GSK 3B inhibition by simulating molecular docking using a silico docking technique. The concentration at which 50% of GK 3B would be inhibited by curcumin is 66.3 nM. Atypical antipsychotics are more commonly used than first generation antipsychotics because they decrease the risk of extrapyramidal symptoms, such as tardive dyskinesia, and have better efficacy. Olanzapine and atypical antipsychotics induce weight gain through increasing body fat. It also affects glucose metabolism, and several studies shows that it may worsen diabetes. A recent study shows that olanzapine inhibits GSK3 activity, suggesting olanzapine permits glycogen synthesis. A study of the effect of olanzapine on mouse blood glucose and glycogen levels showed a significant decrease in blood glucose level and elevation of glycogen level in mice, and the IC50% of olanzapine were 91.0 nm, which is considered a potent inhibitor. The study also illustrates that sub chronic use of olanzapine results in potent inhibition of GSK3. Some of them have been shown to fit the ATP binding pocket of GSK 3β to lower blood glucose levels and improve some neuronal diseases.