Фосфоинозитид-3-киназы: Классификация, функции и роль в онкогенезе.

Введение

Класс ферментов

Фосфоинозитидные 3-киназы (PI3K), также называемые фосфатидилинозитол-3-киназами, – это семейство ферментов, участвующих в клеточных функциях, таких как рост клеток, пролиферация, дифференцировка, подвижность, выживание и внутриклеточный транспорт, которые, в свою очередь, вовлечены в развитие рака. PI3K представляют собой семейство родственных внутриклеточных ферментов-трансдукторов сигналов, способных фосфорилировать гидроксильную группу в 3-м положении инозитольного кольца фосфатидилинозитола (PtdIns). Этот сигнальный путь, включающий онкоген PIK3CA и ген-супрессор опухоли PTEN, играет роль в чувствительности раковых опухолей к инсулину и IGF1, а также в эффектах ограничения калорий.

Открытие

Открытие PI3Ks Льюисом Кантли и его коллегами началось с идентификации ранее неизвестной фосфоинозитидкиназы, ассоциированной с средним Т-белком полиомы. Они обнаружили уникальную специфичность к субстрату и хроматографические свойства продуктов липидкиназы, что привело к открытию того, что эта фосфоинозитидкиназа обладает беспрецедентной способностью фосфорилировать фосфоинозитиды в 3'-положении инозитольного кольца. Впоследствии Кантли и его коллеги показали, что in vivo фермент предпочитает PtdIns(4,5)P2 в качестве субстрата, образуя новый фосфоинозитид PtdIns(3,4,5)P3, ранее обнаруженный в нейтрофилах.

Классы

Семейство PI3K подразделяется на четыре различных класса: класс I, класс II, класс III и класс IV. Классификация основана на первичной структуре, механизмах регуляции и специфичности к липидным субстратам, определяемой в условиях in vitro.

Класс I

PI3K класса I катализируют превращение фосфатидилинозитол (4,5)-бисфосфата (PI(4,5)P2) в фосфатидилинозитол (3,4,5)-трисфосфат (PI(3,4,5)P3) in vivo. Хотя in vitro было показано, что они также превращают фосфатидилинозитол (PI) в фосфатидилинозитол-3-фосфат (PI3P) и фосфатидилинозитол-4-фосфат (PI4P) в фосфатидилинозитол (3,4)-бисфосфат (PI(3,4)P2), эти реакции сильно подавлены in vivo. PI3K активируется G-белок-связанными рецепторами и рецепторами тирозинкиназы. Существует пять вариантов регуляторной подчастицы: три варианта сплайсинга p85α, p55α и p50α, p85β и p55γ. Также существует три варианта каталитической подчастицы p110, обозначаемые как p110α, β или δ. Первые три регуляторные подчастицы являются альтернативными вариантами сплайсинга одного и того же гена (Pik3r1), а два других экспрессируются другими генами (Pik3r2 и Pik3r3 для p85β и p55γ соответственно). Наиболее экспрессируемой регуляторной подчастицей является p85α; все три каталитические подчастицы экспрессируются отдельными генами (Pik3ca, Pik3cb и Pik3cd для p110α, p110β и p110δ соответственно). Первые две изоформы p110 (α и β) экспрессируются во всех клетках, но p110δ экспрессируется преимущественно в лейкоцитах, и предполагается, что она эволюционировала параллельно с адаптивной иммунной системой. Регуляторные подчастицы p101 и каталитическая подчастица p110γ составляют PI3K класса IB и кодируются каждым отдельным геном (Pik3cg для p110γ и Pik3r5 для p101). Подчастицы p85 содержат домены SH2 и SH3. Домены SH2 преимущественно связываются с фосфорилированными остатками тирозина в контексте аминокислотной последовательности Y X X M.

Классы II и III

PI3K классов II и III отличаются от PI3K класса I по структуре и функции. Характерной особенностью PI3K класса II является C-терминальный C2 домен. Этот домен лишен критических остатков Asp, необходимых для координации связывания Ca2+, что указывает на то, что PI3K класса II связывают липиды независимо от Ca2+. Класс II состоит из трех каталитических изоформ (C2α, C2β и C2γ), но, в отличие от классов I и III, не содержит регуляторных белков. PI3K класса II катализируют образование PI(3)P из PI и PI(3,4)P2 из PI(4)P; однако мало что известно об их роли в иммунных клетках. Тем не менее, было показано, что PI(3,4)P2 играет роль в фазе инвагинации клатрин-зависимого эндоцитоза. C2α и C2β экспрессируются во всем организме, но экспрессия C2γ ограничена гепатоцитами. Поскольку PtdIns(3,4,5)P3 и PtdIns(3,4)P2 ограничены плазматической мембраной, это приводит к транслокации AKT на плазматическую мембрану. Аналогично, фосфоинозитид-зависимая киназа 1 (PDK1 или, реже, PDPK1) также содержит домен гомологии плекстрина, который непосредственно связывается с PtdIns(3,4,5)P3 и PtdIns(3,4)P2, вызывая ее транслокацию на плазматическую мембрану при активации PI3K. Взаимодействие активированного PDK1 и AKT позволяет AKT быть фосфорилированным PDK1 по треонину 308, что приводит к частичной активации AKT. Полная активация AKT происходит при фосфорилировании серина 473 комплексом TORC2 белковой киназы mTOR. PI3K/AKT путь показан необходимым для чрезвычайно широкого спектра клеточных процессов, в первую очередь клеточной пролиферации и выживания. Например, было показано, что он участвует в защите астроцитов от апоптоза, индуцированного керамидом. Было идентифицировано множество других белков, регулируемых PtdIns(3,4,5)P3, включая тирозинкиназу Брутона (BTK), общий рецептор фосфоинозитидов 1 (GRP1) и O-связанную N-ацетилглюкозамин (O-GlcNAc) трансферазу. PtdIns(3,4,5)P3 также активирует факторы обмена гуанин-нуклеотидов (GEF), которые активируют GTPазу Rac1, что приводит к полимеризации актина и перестройке цитоскелета.

Class II and III PI3Ks are differentiated from the Class I by their structure and function. The distinct feature of Class II PI3Ks is the C terminal C2 domain. This domain lacks critical Asp residues to coordinate binding of Ca2+, which suggests class II PI3Ks bind lipids in a Ca2+ independent manner. Class II comprises three catalytic isoforms (C2α, C2β, and C2γ), but, unlike Classes I and III, no regulatory proteins. Class II catalyse the production of PI(3)P from PI and PI(3,4)P2 from PI(4)P; however, little is known about their role in immune cells. PI(3,4)P2 has, however, been shown to play a role in the invagination phase of clathrin mediated endocytosis. C2α and C2β are expressed through the body, but expression of C2γ is limited to hepatocytes. Class III PI3Ks produce only PI(3)P from PI Since PtdIns(3,4,5)P3 and PtdIns(3,4)P2 are restricted to the plasma membrane, this results in translocation of AKT to the plasma membrane. Likewise, the phosphoinositide dependent kinase 1 (PDK1 or, rarely referred to as PDPK1) also contains a pleckstrin homology domain that binds directly to PtdIns(3,4,5)P3 and PtdIns(3,4)P2, causing it to also translocate to the plasma membrane upon PI3K activation. The interaction of activated PDK1 and AKT allows AKT to become phosphorylated by PDK1 on threonine 308, leading to partial activation of AKT. Full activation of AKT occurs upon phosphorylation of serine 473 by the TORC2 complex of the mTOR protein kinase. The PI3K/AKT pathway has been shown to be required for an extremely diverse array of cellular activities most notably cellular proliferation and survival. For example, it was shown to be involved in the protection of astrocytes from ceramide induced apoptosis. Many other proteins have been identified that are regulated by PtdIns(3,4,5)P3, including Bruton's tyrosine kinase (BTK), General Receptor for Phosphoinositides 1 (GRP1), and the O linked N acetylglucosamine (O GlcNAc) transferase. PtdIns(3,4,5)P3 also activates guanine‐nucleotide exchange factors (GEFs) that activate the GTPase Rac1, leading to actin polymerization and cytoskeletal rearrangement.

Раковые заболевания

PI3K p110α класса IA мутирует при многих видах рака. Многие из этих мутаций приводят к повышению активности киназы. Это наиболее часто мутирующая киназа при глиобластоме – наиболее злокачественной первичной опухоли мозга. Фосфатаза PtdIns(3,4,5)P3 PTEN, которая подавляет сигнализацию PI3K, отсутствует во многих опухолях. Кроме того, рецептор эпидермального фактора роста EGFR, действующий выше по течению от PI3K, мутационно активирован или сверхэкспрессирован при раке. Следовательно, активность PI3K существенно способствует клеточной трансформации и развитию рака. Показано, что злокачественные B-клетки поддерживают "тоническую" активность оси PI3K/Akt посредством повышения уровня адапторного белка GAB1, что также позволяет B-клеткам выживать при таргетной терапии ингибиторами BCR.

Умение учиться и запоминать

PI3K также были вовлечены в долговременную потенциацию (LTP). Вопрос о том, необходимы ли они для экспрессии или индукции LTP, остается предметом дискуссий. В нейронах CA1 гиппокампа мыши определенные PI3K образуют комплексы с AMPA-рецепторами и локализуются в постсинаптической плотности глутаматергических синапсов. PI3K фосфорилируются при активации CaMKII, зависимой от NMDA-рецепторов, что затем облегчает внедрение субъединиц GluR1 AMPA-рецепторов в плазматическую мембрану. Это указывает на то, что PI3K необходимы для экспрессии LTP. Более того, ингибиторы PI3K блокируют экспрессию LTP в CA1 гиппокампа крысы, но не влияют на ее индукцию. Важно отметить, что зависимость экспрессии поздней фазы LTP от PI3K, по-видимому, со временем снижается. Однако другое исследование показало, что ингибиторы PI3K подавляют индукцию, но не экспрессию LTP в CA1 гиппокампа мыши. PI3K-путь также рекрутирует множество других белков ниже по течению, включая mTOR, GSK3β и PSD 95, что дополнительно указывает на то, что PI3K необходимы для фазы синтеза белка при индукции LTP. PI3K взаимодействуют с субстратом инсулинового рецептора (IRS) для регуляции поглощения глюкозы посредством каскада фосфорилирования.

ПИ-3-киназы как белковые киназы

Многие PI3K проявляют активность серин/треонинкиназы в пробирке (in vitro); однако неясно, имеет ли это какое-либо значение в живом организме (in vivo).

Ингибирование

Все PI3K ингибируются препаратами вортманнин и LY294002, хотя некоторые представители семейства PI3K класса II проявляют пониженную чувствительность. Вортманнин демонстрирует более высокую эффективность, чем LY294002, в отношении мутаций в ключевых позициях (GLU542, GLU545 и HIS1047).

Ингибиторы PI3K в терапевтических целях

Поскольку вартманнин и LY294002 являются ингибиторами PI3K и ряда не связанных с ними белков при более высоких концентрациях, они слишком токсичны для использования в качестве терапевтических средств. В связи с этим ряд фармацевтических компаний разработали ингибиторы, специфичные к изоформам PI3K. По состоянию на январь 2019 года FDA одобрило три ингибитора PI3K для рутинного клинического применения у людей: ингибитор PIK3CD иделализиб (июль 2014 года, NDA 206545), двойной ингибитор PIK3CA и PIK3CD копанлизиб (сентябрь 2017 года, NDA 209936) и двойной ингибитор PIK3CD и PIK3CG дувелизиб (сентябрь 2018 года, NDA 211155). Комбинированное нацеленное ингибирование этого пути с другими путями, такими как MAPK или PIM, было отмечено как перспективная противораковая терапевтическая стратегия, которая может оказаться более эффективной, чем монотерапия, за счет обхода компенсаторной сигнализации, замедления развития резистентности и потенциального снижения дозировки.