Гликогенсинтазная киназа 3: структура, функции и роль в патогенезе заболеваний.

Введение

Класс ферментов

Гликогенсинтазная киназа 3 (GSK 3) — это серин/треонин-белковая киназа, которая катализирует присоединение фосфатных молекул к аминокислотным остаткам серина и треонина. Впервые обнаруженная в 1980 году как регуляторная киназа для своего тезки, гликогенсинтазы (GS), GSK 3 с тех пор была идентифицирована как белковая киназа для более чем 100 различных белков в разнообразных сигнальных путях. У млекопитающих, включая человека, GSK 3 существует в двух изоферментах, кодируемых двумя гомологичными генами GSK 3α (GSK3A) и GSK 3β (GSK3B). GSK 3 стала объектом многочисленных исследований, поскольку ее связывают с рядом заболеваний, включая диабет 2 типа, болезнь Альцгеймера, воспаление, рак, зависимость и биполярное расстройство. GSK 3 является серин/треонин-белковой киназой, которая фосфорилирует треонин или серин, и это фосфорилирование контролирует различные биологические процессы, такие как метаболизм гликогена, клеточная сигнализация, клеточный транспорт и другие. Ингибирование GS GSK 3β приводит к снижению синтеза гликогена в печени и мышцах, а также к повышению уровня глюкозы в крови или гипергликемии. Именно поэтому GSK 3β связана с патогенезом и прогрессированием многих заболеваний, таких как диабет, ожирение, рак и болезнь Альцгеймера. Она активна в покоящихся клетках и ингибируется несколькими гормонами, такими как инсулин, эндотелиальный фактор роста и фактор роста тромбоцитов. Инсулин косвенно инактивирует GSK3 посредством нисходящего фосфорилирования специфических сериновых остатков Ser21 и Ser9 в изоформах GSK3 α и β соответственно, через путь PI3K/Akt. По состоянию на 2019 год GSK 3 является единственным типом гликогенсинтазокиназы, получившим название и признание. Генетические символы GSK1 и GSK2 были отозваны Комитетом по номенклатуре генов HUGO (HGNC), и новые названия для этих "генов" или их локализации не были установлены.

Механизм

GSK 3 функционирует, фосфорилируя серин или треонин в целевом субстрате. Положительно заряженный карман, расположенный рядом с активным центром, связывает "инициальную" фосфатную группу, присоединенную к серину или треонину, находящимся на четырех аминокислотных остатках C-концево от места целевого фосфорилирования. Активный центр, включающий остатки 181, 200, 97 и 85, связывает концевой фосфат АТФ и переносит его в целевое место субстрата (см. рисунок 1).

Гликогенсинтаза

Гликогенсинтаза — это фермент, ответственный за синтез гликогена. Он активируется глюкозо-6-фосфатом (G6P) и ингибируется гликогенсинтаза-киназами (GSK3). Эти два механизма играют важную роль в метаболизме гликогена.

Функция

Фосфорилирование белка GSK 3 обычно ингибирует активность его нижестоящей мишени. GSK 3 активно участвует в ряде ключевых внутриклеточных сигнальных путей, включая клеточную пролиферацию, миграцию, регуляцию глюкозы и апоптоз. GSK 3 был впервые обнаружен в связи с его участием в регуляции гликогенсинтазы. Помимо своей роли в регуляции гликогенсинтазы, GSK 3 вовлечен в другие аспекты гомеостаза глюкозы, включая фосфорилирование инсулинового рецептора IRS1 и глюконеогенных ферментов фосфоенолпируваткарбоксикиназы и глюкозо-6-фосфатазы. Однако эти взаимодействия не были окончательно подтверждены, поскольку эти пути могут быть ингибированы и без повышения регуляции GSK 3. Инактивация GSK3B различными протеинкиназами также влияет на адаптивный иммунный ответ, индуцируя продукцию цитокинов и пролиферацию наивных и клеток памяти CD4+ Т-лимфоцитов. Таким образом, GSK 3 является частью канонического пути β-катенина/Wnt, который сигнализирует клетке о делении и пролиферации. GSK 3 фосфорилирует циклины D и E, важные для перехода из фазы G1 в фазу S, и вызывает их деградацию. Транскрипционные факторы c-Myc и c-Fos (также промоторы фазы S), которые преимущественно фосфорилируются дуальной специфичностью тирозинкиназой, регулируемой фосфорилированием, также фосфорилируются GSK3, что приводит к их деградации. GSK 3 также участвует в ряде апоптотических сигнальных путей, фосфорилируя факторы транскрипции, регулирующие апоптоз, и инактивируя факторы, способствующие выживанию, посредством фосфорилирования. Однако роль GSK 3 в регуляции апоптоза остается спорной, поскольку некоторые исследования показали, что мыши с нокаутом GSK 3β чрезмерно чувствительны к апоптозу и погибают на эмбриональной стадии, в то время как другие показали, что сверхэкспрессия GSK 3 может индуцировать 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. GSK 3 также участвует в сигнальном пути ядерного транскрипционного активатора каппа B (NFκB), сигнальном пути Hedgehog, сигнальном пути Notch и эпителиально-мезенхимальном переходе. В зависимости от пути, в котором он используется, GSK 3 может дополнительно регулироваться клеточной локализацией или образованием белковых комплексов. Активность GSK 3 значительно выше в ядре и митохондриях, чем в цитозоле корковых нейронов, в то время как фосфорилирование β-катенина GSK 3 опосредуется связыванием обоих белков с аксином, эшафотным белком, что позволяет β-катенину получить доступ к активному центру GSK 3. Показано, что литий, используемый для лечения биполярного расстройства, действует как стабилизатор настроения, селективно ингибируя GSK 3. Механизм, посредством которого ингибирование GSK 3 стабилизирует настроение, неизвестен, хотя предполагается, что ингибирование способности GSK 3 стимулировать воспаление способствует терапевтическому эффекту. Элементы циркадных часов могут быть связаны с предрасположенностью к биполярному расстройству настроения. Активность GSK 3 связана с обеими патологическими особенностями болезни Альцгеймера, а именно с накоплением амилоидных бляшек (Aβ) и образованием нейрофибриллярных клубков. Считается, что GSK 3 непосредственно способствует продукции Aβ и связан с процессом гиперфосфорилирования тау-белков, что приводит к образованию клубков. Аналогичным образом, направленное ингибирование GSK 3 может оказывать терапевтический эффект при некоторых видах рака. Хотя GSK 3 показано, что он способствует апоптозу в некоторых случаях, также сообщалось, что он является ключевым фактором в опухолеобразовании при некоторых видах рака. В подтверждение этого утверждения было показано, что ингибиторы GSK 3 индуцируют апоптоз в клетках глиомы и рака поджелудочной железы. GSK 3 также, по-видимому, отвечает за аберрантную активность NFκB при детской острой лимфобластной лейкемии и раке поджелудочной железы. В клетках рака почек ингибиторы GSK 3 индуцируют остановку клеточного цикла, дифференцировку злокачественных клеток и аутофагию. В отличие от вышеупомянутых новообразований, высокая экспрессия неактивного pGSK3β S9 обнаружена в раковых опухолях кожи, полости рта и легких, что указывает на опухолеподавляющий эффект фермента при этих видах рака. При меланоме микроРНК miR-769 ингибирует активность GSK 3 в процессе развития опухоли, что также указывает на опухолеподавляющий эффект GSK3. GSK 3 может негативно регулировать инсулиновый сигнальный путь, ингибируя IRS1 посредством фосфорилирования серина 332. Ингибиторы GSK 3 повышают in vivo функцию CD8+ OT I цитотоксических Т-лимфоцитов и элиминацию вирусных инфекций, вызванных гамма-герпесвирусом мышей 68 и лимфоцитарным хориоменингитом клона 13, а также анти-PD-1 в иммунотерапии.

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.

Ингибиторы

Ингибиторы гликогенсинтазокиназы представляют собой различные химиотипы и обладают разнообразными механизмами действия; они могут быть катионами, получены из природных источников, синтетическими конкурентными ингибиторами АТФ и не-АТФ, а также конкурентными ингибиторами по отношению к субстрату. GSK3 имеет двухлопастную архитектуру с N-концевым и C-концевым доменами, N-конец отвечает за связывание АТФ, а C-конец, называемый петлей активации, опосредует активность киназы. Тирозин, расположенный в C-конце, необходим для полной активности GSK3.

Преимущества ингибиторов GSK-3β

При диабете ингибиторы GSK 3β повышают чувствительность к инсулину, синтез гликогена и метаболизм глюкозы в скелетных мышцах, а также снижают ожирение, воздействуя на процесс адипогенеза, и эффективны при расстройствах настроения, включая биполярное расстройство.

Алоизины

IC50=0,5–1,5 мкМ:

Из морских организмов

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

Галометилкетоны

HMK 32 (IC50=1,5 мкМ)

Литий

Литий, используемый для лечения биполярного расстройства, был первым обнаруженным природным ингибитором GSK 3. Он напрямую ингибирует GSK 3, конкурируя с ионами магния, и косвенно – посредством фосфорилирования и ауторегуляции серина. Было установлено, что литий оказывает инсулиноподобное действие на метаболизм глюкозы, включая стимуляцию синтеза гликогена в жировых клетках, коже и мышцах, усиление поглощения глюкозы и активацию активности GS. Помимо ингибирования GSK 3, он также ингибирует другие ферменты, участвующие в регуляции метаболизма глюкозы, такие как миоинозитол-1-монофосфатаза и 1,6-бисфосфатаза. Кроме того, он продемонстрировал терапевтическую эффективность при болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваниях, таких как нейродегенерация, вызванная эпилепсией.

Фамотидин

Фамотидин является специфическим, пролонгированным антагонистом H2-рецепторов, снижающим секрецию желудочной кислоты. Он используется для лечения язвенной болезни, гастроэзофагеальной рефлюксной болезни (ГЭРБ) и патологических гиперсекреторных состояний, таких как синдром Золлингера-Эллисона (14, 15). Антагонисты H2-рецепторов влияют на гормональный метаболизм, однако их влияние на метаболизм глюкозы изучено недостаточно (16). Исследование выявило глюкозоснижающий эффект фамотидина. Изучение связывания фамотидина с ферментом показало, что фамотидин способен встраиваться в связывающий карман GSK 3β, образуя значимые взаимодействия с ключевыми точками в этом кармане. Сильные водородные связи с ключевыми аминокислотами PRO 136 и VAL 135, а также потенциальное гидрофобное взаимодействие с LEU 188 были аналогичны тем, что наблюдались при связывании лиганда с ферментом (AR A014418). Кроме того, фамотидин продемонстрировал высокую аффинность к GSK 3β и ингибирующую активность благодаря взаимодействиям, стабилизирующим комплекс, а именно: водородное связывание гуанидиновой группы фамотидина с сульфгидрильной группой CYS 199; электростатические взаимодействия между той же гуанидиновой группой и карбоксильной группой ASP 200; водородная связь между терминальной группой NH2, OH-группой TYR 143 и гидрофобное взаимодействие атома серы в тиоэфире с ILE 62. Исследования in vitro показали, что фамотидин ингибирует активность GSK 3β и увеличивает запасы гликогена в печени в зависимости от дозы. При использовании максимальной дозы фамотидина (4,4 мг/кг) наблюдалось четырехкратное увеличение уровня гликогена печени. Также было показано, что фамотидин снижает уровень глюкозы в сыворотке крови через 30 и 60 минут после пероральной нагрузки глюкозой у здоровых людей.

Куркумин

Куркумин, являющийся составной частью специи куркумы, обладает вкусоароматическими и красящими свойствами. Он существует в двух симметричных формах: энол (наиболее распространенная форма) и кетон. Куркумин проявляет широкий спектр фармакологической активности: противовоспалительное, антимикробное, гипогликемическое, антиоксидантное и ранозаживляющее действие. В моделях животных с болезнью Альцгеймера он оказывает антидегенеративное действие на бета-амилоид в мозге, а в последнее время демонстрирует противомалярийную активность. Куркумин также обладает химиопрофилактическим и противораковым действием, и было показано, что он ослабляет окислительный стресс и почечную дисфункцию у диабетических животных при хроническом применении. Механизм действия куркумина – противовоспалительный; он ингибирует ядерный транскрипционный активатор каппа B (NF-κB), который активируется при воспалительном ответе. NF-κB имеет два регуляторных фактора, IkB и GSK 3, что позволяет предположить, что куркумин напрямую связывается и ингибирует GSK 3B. In vitro исследование подтвердило ингибирование GSK 3B путем моделирования молекулярного докинга с использованием метода компьютерного докинга. Концентрация, при которой 50% GSK 3B ингибируется куркумином, составляет 66,3 нМ. Атипичные антипсихотики используются чаще, чем антипсихотики первого поколения, поскольку они снижают риск развития экстрапирамидных симптомов, таких как поздняя дискинезия, и обладают большей эффективностью. Оланзапин и атипичные антипсихотики вызывают увеличение массы тела за счет увеличения жировой ткани. Они также влияют на метаболизм глюкозы, и ряд исследований показывают, что они могут усугубить течение диабета. Недавнее исследование показало, что оланзапин ингибирует активность GSK3, что позволяет предположить, что он 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 составил 91,0 нМ, что считается показателем мощного ингибитора. Исследование также продемонстрировало, что субхроническое применение оланзапина приводит к выраженному ингибированию GSK3. Некоторые из этих веществ способны связываться с ATP-связывающим карманом GSK 3β, снижая уровень глюкозы в крови и улучшая течение некоторых нейродегенеративных заболеваний.

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.