Фосфоинозитид-3-киназы ( PI3K ), также называемые фосфатидилинозитол-3-киназами , представляют собой семейство ферментов, участвующих в таких клеточных функциях, как рост клеток, пролиферация, дифференцировка, подвижность, выживание и внутриклеточный транспорт, которые, в свою очередь, участвуют в развитии рака.
PI3Ks представляют собой семейство родственных внутриклеточных сигнальных ферментов, способных фосфорилировать гидроксильную группу в 3-м положении инозитольного кольца фосфатидилинозитола (PtdIns). [2] Путь с онкогеном PIK3CA и геном-супрессором опухолей PTEN участвует в чувствительности раковых опухолей к инсулину и IGF1 , а также в ограничении калорий . [3] [4]
Открытие PI3K Льюисом Кэнтли и коллегами началось с идентификации ранее неизвестной фосфоинозитидкиназы, связанной с полиомным средним белком T. [5] Они наблюдали уникальную субстратную специфичность и хроматографические свойства продуктов липидной киназы, что привело к открытию того, что эта фосфоинозитидкиназа обладает беспрецедентной способностью фосфорилировать фосфоинозитиды в 3'-положении инозитольного кольца. [6] Впоследствии Кэнтли и коллеги продемонстрировали, что in vivo фермент предпочитает PtdIns(4,5)P2 в качестве субстрата, производя новый фосфоинозитид PtdIns(3,4,5)P3 [7], ранее идентифицированный в нейтрофилах. [8]
Семейство PI3K делится на четыре различных класса: Класс I , Класс II , Класс III и Класс IV. Классификации основаны на первичной структуре, регуляции и in vitro специфичности липидного субстрата. [9]
Класс I PI3K катализирует превращение фосфатидилинозитола (4,5)-бисфосфата (PI(4,5)P 2 ) в фосфатидилинозитол (3,4,5)-трифосфат (PI(3,4,5)P 3 ) in vivo. Хотя in vitro они также, как было показано, превращают фосфатидилинозитол (PI) в фосфатидилинозитол-3-фосфат (PI3P) и фосфатидилинозитол-4-фосфат (PI4P) в фосфатидилинозитол (3,4)-бисфосфат (PI(3,4)P 2 ), эти реакции сильно неблагоприятны in vivo. [10] [11] [12] [13] PI3K активируется рецепторами, связанными с G-белком , и рецепторами тирозинкиназы . [9]
Класс I PI3Ks представляет собой гетеродимерные молекулы, состоящие из регуляторной и каталитической субъединиц ; они далее делятся на подмножества IA и IB по сходству последовательностей. Класс IA PI3Ks состоит из гетеродимера между каталитической субъединицей p110 и более короткой регуляторной субъединицей (часто p85). [14] Существует пять вариантов регуляторной субъединицы: три варианта сплайсинга p85α, p55α и p50α , p85β и p55γ . Существует также три варианта каталитической субъединицы p110, обозначенные как каталитическая субъединица p110α, β или δ. Первые три регуляторные субъединицы являются вариантами сплайсинга одного и того же гена ( Pik3r1 ), остальные две экспрессируются другими генами (Pik3r2 и Pik3r3, p85β и p55γ соответственно). Наиболее высоко экспрессируемая регуляторная субъединица — p85α; все три каталитические субъединицы 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 в основном в лейкоцитах , и было высказано предположение, что она развивалась параллельно с адаптивной иммунной системой. Регуляторная субъединица p101 и каталитическая субъединица p110γ составляют класс IB PI3K и кодируются одним геном каждая ( Pik3cg для p110γ и Pik3r5 для p101).
Субъединицы p85 содержат домены SH2 и SH3 ( Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM): 171833). Домены SH2 связываются преимущественно с фосфорилированными остатками тирозина в контексте аминокислотной последовательности YXXM. [15] [16]
Классы II и III PI3K отличаются от класса I своей структурой и функцией. Отличительной чертой класса II PI3K является C-концевой домен C2. В этом домене отсутствуют критические остатки Asp для координации связывания Ca 2+ , что предполагает, что класс II PI3K связывает липиды Ca 2+ -независимым образом.
Класс II включает три каталитические изоформы (C2α, C2β и C2γ), но, в отличие от классов I и III, не содержит регуляторных белков. Класс II катализирует выработку PI(3)P из PI и PI(3,4)P 2 из PI(4)P; однако мало что известно об их роли в иммунных клетках. Однако было показано, что PI(3,4)P 2 играет роль в фазе инвагинации эндоцитоза, опосредованного клатрином. [17] C2α и C2β экспрессируются во всем организме, но экспрессия C2γ ограничивается гепатоцитами .
Класс III PI3Ks производит только PI(3)P из PI [9], но по структуре больше похож на класс I, поскольку существует как гетеродимеры каталитической ( Vps34 ) и регуляторной (Vps15/p150) субъединиц. Класс III, по-видимому, в первую очередь участвует в транспортировке белков и везикул. Однако есть данные, показывающие, что они способны вносить вклад в эффективность нескольких процессов, важных для иммунных клеток, не в последнюю очередь фагоцитоза .
Группа более отдаленно связанных ферментов иногда называется классом IV PI3K. Она состоит из атаксии-телеангиэктазии мутированной (ATM), атаксии-телеангиэктазии и Rad3-родственной (ATR), ДНК-зависимой протеинкиназы (DNA-PK) и мишени рапамицина млекопитающих (mTOR). Это протеиновые серин/треониновые киназы.
Различные 3-фосфорилированные фосфоинозитиды , которые продуцируются PI3K ( PtdIns3P , PtdIns(3,4)P2 , PtdIns(3,5)P2 и PtdIns(3,4,5)P3 ), функционируют в механизме, посредством которого различная группа сигнальных белков, содержащих домены PX , домены гомологии плекстрина (домены PH), домены FYVE или другие домены, связывающие фосфоинозитиды, привлекаются к различным клеточным мембранам.
PI3K связаны с чрезвычайно разнообразной группой клеточных функций, включая рост клеток, пролиферацию, дифференциацию, подвижность, выживание и внутриклеточный транспорт. Многие из этих функций связаны со способностью класса I PI3K активировать протеинкиназу B (PKB, также известную как Akt), как в пути PI3K/AKT/mTOR . Изоформы p110δ и p110γ регулируют различные аспекты иммунных реакций. PI3K также являются ключевым компонентом сигнального пути инсулина . Следовательно, существует большой интерес к роли сигнализации PI3K при сахарном диабете . PI3K также участвует в сигнализации интерлейкина (IL4) [ необходима цитата ]
Домен гомологии плекстрина AKT напрямую связывается с PtdIns(3,4,5)P3 и PtdIns(3,4)P2 , которые продуцируются активированными PI3K. [18] Поскольку PtdIns(3,4,5)P3 и PtdIns(3,4)P2 ограничены плазматической мембраной, это приводит к транслокации AKT в плазматическую мембрану. Аналогично, фосфоинозитид -зависимая киназа-1 (PDK1 или, редко называемая PDPK1) также содержит домен гомологии плекстрина, который напрямую связывается с PtdIns(3,4,5)P3 и PtdIns(3,4)P2, заставляя его также транслокироваться в плазматическую мембрану при активации PI3K. Взаимодействие активированных PDK1 и AKT позволяет AKT фосфорилироваться PDK1 по треонину 308, что приводит к частичной активации AKT. Полная активация AKT происходит при фосфорилировании серина 473 комплексом TORC2 протеинкиназы mTOR .
Было показано, что путь PI3K/AKT необходим для чрезвычайно разнообразного спектра клеточной активности - в первую очередь для клеточной пролиферации и выживания. Например, было показано, что он участвует в защите астроцитов от апоптоза, вызванного церамидом. [ 19 ]
Было идентифицировано много других белков, которые регулируются PtdIns(3,4,5)P3, включая тирозинкиназу Брутона (BTK), общий рецептор фосфоинозитидов-1 (GRP1) и O-связанную N-ацетилглюкозаминовую (O-GlcNAc) трансферазу .
PtdIns(3,4,5)P3 также активирует факторы обмена гуанин-нуклеотидов (GEF), которые активируют ГТФазу Rac1, [20] что приводит к полимеризации актина и перестройке цитоскелета. [21]
Класс IA PI3K p110α мутирует во многих видах рака. Многие из этих мутаций приводят к тому, что киназа становится более активной. Это единственная наиболее мутировавшая киназа в глиобластоме , самой злокачественной первичной опухоли мозга. [22] PtdIns(3,4,5) P 3 фосфатаза PTEN , которая противодействует сигналу PI3K, отсутствует во многих опухолях. Кроме того, рецептор эпидермального фактора роста EGFR , который функционирует выше PI3K, мутационно активирован или сверхэкспрессирован при раке. [22] [23] Следовательно, активность PI3K вносит значительный вклад в клеточную трансформацию и развитие рака . Было показано, что злокачественные В-клетки поддерживают «тоническую» активность оси PI3K/Akt посредством повышения регуляции адаптерного белка GAB1, и это также позволяет В-клеткам выживать при таргетной терапии ингибиторами BCR. [ необходима цитата ]
PI3K также вовлечены в долгосрочную потенциацию (LTP). Вопрос о том, требуются ли они для экспрессии или индукции LTP, все еще обсуждается. В нейронах гиппокампа мыши CA1 определенные PI3K образуют комплекс с рецепторами AMPA и компартментализируются в постсинаптической плотности глутаматергических синапсов. [24] PI3K фосфорилируются при зависимой от рецептора NMDA активности CaMKII , [25] и затем облегчают вставку субъединиц AMPA -R GluR1 в плазматическую мембрану. Это говорит о том, что PI3K необходимы для экспрессии LTP. Кроме того, ингибиторы PI3K отменили экспрессию LTP в гиппокампе крысы CA1, но не повлияли на ее индукцию. [26] Примечательно, что зависимость экспрессии LTP поздней фазы от PI3K, по-видимому, со временем уменьшается. [27]
Однако другое исследование показало, что ингибиторы PI3K подавляют индукцию, но не экспрессию LTP в мышином гиппокампе CA1. [28] Путь PI3K также вовлекает множество других белков ниже по течению, включая mTOR , [29] GSK3β , [30] и PSD-95 . [29] Путь PI3K-mTOR приводит к фосфорилированию p70S6K , киназы, которая облегчает трансляционную активность, [31] [32] что дополнительно предполагает, что PI3K необходимы для фазы синтеза белка индукции LTP.
PI3K взаимодействуют с субстратом инсулинового рецептора (IRS), регулируя поглощение глюкозы посредством серии событий фосфорилирования.
Многие PI3K, по-видимому, обладают серин/треониновой киназной активностью in vitro ; однако неясно, играет ли это какую-либо роль in vivo . [ необходима цитата ]
Все PI3K ингибируются препаратами вортманнином и LY294002 , хотя некоторые члены семейства PI3K класса II показывают пониженную чувствительность. Вортманнин показывает лучшую эффективность, чем LY294002, на позициях мутации hotspot (GLU542, GLU545 и HIS1047) [33] [34]
Поскольку вортманнин и LY294002 являются ингибиторами широкого спектра PI3K и ряда неродственных белков в более высоких концентрациях, они слишком токсичны для использования в качестве терапевтических средств. [ необходима цитата ] Таким образом, ряд фармацевтических компаний разработали ингибиторы, специфичные к изоформе PI3K. По состоянию на январь 2019 года три ингибитора PI3K одобрены FDA для рутинного клинического применения у людей: ингибитор PIK3CD иделалисиб (июль 2014 г., NDA 206545), двойной ингибитор PIK3CA и PIK3CD копанлисиб (сентябрь 2017 г., NDA 209936) и двойной ингибитор PIK3CD и PIK3CG дувелисиб (сентябрь 2018 г., NDA 211155). Совместное ингибирование пути с другими путями, такими как MAPK или PIM, было выделено как многообещающая стратегия противораковой терапии, которая может дать преимущество по сравнению с монотерапевтическим подходом за счет обхода компенсаторной сигнализации, замедления развития резистентности и потенциального снижения дозировки. [35] [36] [37] [38] [39]
{{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь )