Фосфоинозитид-3-киназы ( PI3K ), также называемые фосфатидилинозитол-3-киназами , представляют собой семейство ферментов , участвующих в клеточных функциях, таких как рост клеток, пролиферация, дифференцировка, подвижность, выживание и внутриклеточный транспорт, которые, в свою очередь, участвуют в развитии рака.
Открытие PI3K Льюисом Кантли и его коллегами началось с идентификации ранее неизвестной фосфоинозитидкиназы, связанной со средним Т-белком полиомы . [5] Они наблюдали уникальную субстратную специфичность и хроматографические свойства продуктов липидкиназы, что привело к открытию того, что эта фосфоинозитидкиназа обладает беспрецедентной способностью фосфорилировать фосфоинозитиды в 3'-положении инозитольного кольца. [6] Впоследствии Кэнтли и его коллеги продемонстрировали, что in vivo фермент предпочитает PtdIns(4,5)P2 в качестве субстрата, продуцируя новый фосфоинозитид PtdIns(3,4,5)P3 [7], ранее идентифицированный в нейтрофилах. [8]
Классы
Семейство PI3K разделено на четыре различных класса: Класс I , Класс II , Класс III и Класс IV. Классификации основаны на первичной структуре, регуляции и специфичности липидного субстрата in vitro . [9]
PI3K класса I представляют собой гетеродимерные молекулы, состоящие из регуляторной и каталитической субъединиц ; далее они делятся на подмножества IA и IB по сходству последовательностей. PI3K класса IA состоят 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, обозначаемой каталитической субъединицей p110α, β или δ. Все первые три регуляторные субъединицы представляют собой сплайсинговые варианты одного и того же гена ( Pik3r1 ), а две другие экспрессируются другими генами (Pik3r2 и Pik3r3, p85β и p55γ соответственно). Наиболее экспрессируемой регуляторной субъединицей является 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 преимущественно в лейкоцитах , и было высказано предположение, что он развивался параллельно с адаптивной иммунной системой. Регуляторные субъединицы p101 и каталитические p110γ составляют PI3K класса IB и кодируются каждый одним геном ( Pik3cg для p110γ и Pik3r5 для p101).
Субъединицы р85 содержат домены SH2 и SH3 ( Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM): 171833). Домены SH2 преимущественно связываются с фосфорилированными остатками тирозина в контексте аминокислотной последовательности YXXM. [15] [16]
Классы II и III
PI3K классов II и III отличаются от класса I по своей структуре и функциям. Отличительной особенностью PI3K класса II является C-концевой домен C2. В этом домене отсутствуют важные остатки Asp для координации связывания Ca 2+ , что позволяет предположить, что PI3K класса II связывают липиды Ca 2+ -независимым способом.
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 образование ПИ(3)П из ПИ и ПИ(3,4)П2 из ПИ(4)П; однако мало что известно об их роли в иммунных клетках. Однако было показано, что PI(3,4)P 2 играет роль в фазе инвагинации клатрин-опосредованного эндоцитоза. [17] C2α и C2β экспрессируются в организме, но экспрессия C2γ ограничена гепатоцитами .
PI3K класса III производят только PI(3)P из PI [9] , но по структуре больше похожи на класс I, поскольку существуют в виде гетеродимеров 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 способствовать эффективности некоторых процессов, важных для иммунных клеток, не в последнюю очередь фагоцитоза .
PI3K связаны с чрезвычайно разнообразной группой клеточных функций, включая рост клеток, пролиферацию, дифференцировку, подвижность, выживание и внутриклеточный транспорт. Многие из этих функций связаны со способностью PI3K класса I активировать протеинкиназу B (PKB, также известную как Akt), как в пути PI3K/AKT/mTOR . Изоформы p110δ и p110γ регулируют различные аспекты иммунного ответа. PI3K также являются ключевым компонентом сигнального пути инсулина . Следовательно, существует большой интерес к роли передачи сигналов PI3K при сахарном диабете . PI3K также участвует в передаче сигналов интерлейкина ( IL4 ) .
Механизм
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 АКТ на плазматическую мембрану. Аналогичным образом, фосфоинозитид-зависимая киназа-1 (PDK1 или, редко называемая PDPK1) также содержит гомологичный домен плекстрина, который напрямую связывается с PtdIns(3,4,5)P3 и PtdIns(3,4)P2, вызывая его также перемещаются на плазматическую мембрану при активации PI3K. Взаимодействие активированных PDK1 и AKT позволяет AKT фосфорилироваться с помощью PDK1 по треонину 308, что приводит к частичной активации AKT. Полная активация АКТ 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 церамидами. [19]
PtdIns(3,4,5)P3 также активирует факторы обмена гуанин-нуклеотидов (GEF), которые активируют GTPase Rac1, [20], что приводит к полимеризации актина и перестройке цитоскелета. [21]
Рак
Класс IA PI3K p110α мутирует при многих видах рака. Многие из этих мутаций приводят к повышению активности киназы. Это единственная наиболее мутированная киназа при глиобластоме , самой злокачественной первичной опухоли головного мозга. [22] PtdIns(3,4,5) P 3 фосфатаза PTEN , которая противодействует передаче сигналов PI3K, отсутствует во многих опухолях. Кроме того, рецептор эпидермального фактора роста EGFR , который действует выше PI3K, мутационно активируется или сверхэкспрессируется 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 за счет активации адаптерного белка GAB1, и это также позволяет В-клеткам выживать при таргетной терапии ингибиторами BCR. [ нужна цитата ]
Обучение и память
PI3K также участвуют в долговременном потенциировании (LTP). До сих пор ведутся споры о том, необходимы ли они для экспрессии или индукции LTP. В нейронах CA1 гиппокампа мыши некоторые PI3K образуют комплексы с АМРА - рецепторами и компартментализируются в постсинаптической плотности глутаматергических синапсов. [24] PI3K фосфорилируются под действием NMDA-рецептор -зависимой активности CaMKII , [25] и это затем облегчает вставку субъединиц AMPA-R GluR1 в плазматическую мембрану. Это предполагает, что PI3K необходимы для экспрессии LTP. Кроме того, ингибиторы PI3K подавляли экспрессию LTP в СА1 гиппокампа крыс, но не влияли на ее индукцию. [26] Примечательно, что зависимость экспрессии поздней фазы LTP от PI3K, по-видимому, со временем уменьшается. [27]
Однако другое исследование показало, что ингибиторы PI3K подавляют индукцию, но не экспрессию LTP в СА1 гиппокампа мыши. [28] Путь PI3K также рекрутирует многие другие белки ниже по ходу процесса, включая mTOR , [29] GSK3β , [30] и PSD-95 . [29] Путь PI3K-mTOR приводит к фосфорилированию p70S6K , киназы, которая способствует трансляционной активности, [31] [32] дополнительно предполагая, что вместо этого PI3Ks необходимы для фазы синтеза белка при индукции LTP.
PI3K взаимодействуют с субстратом инсулинового рецептора (IRS), регулируя поглощение глюкозы посредством серии событий фосфорилирования.
PI 3-киназы как протеинкиназы
Многие PI3K, по-видимому, обладают серин/треониновой киназной активностью in vitro ; однако неясно, имеет ли это какую-либо роль in vivo . [ нужна цитата ]
Торможение
Все PI3K ингибируются препаратами вортманнин и LY294002 , хотя некоторые представители семейства PI3K класса II демонстрируют пониженную чувствительность. Вортманнин показывает лучшую эффективность, чем LY294002, в отношении позиций мутаций «горячих точек» (GLU542, GLU545 и HIS1047) [33] [34]
Ингибиторы PI3K как терапевтические средства
Поскольку вортманнин и LY294002 являются ингибиторами широкого спектра PI3K и ряда несвязанных белков в более высоких концентрациях, они слишком токсичны, чтобы их можно было использовать в качестве терапевтических средств. Таким образом , ряд фармацевтических компаний разработали ингибиторы, специфичные для изоформы 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 PI3K. Ингибитор PIK3CD и PIK3CG дувелисиб (сентябрь 2018 г., NDA 211155). Совместное ингибирование этого пути с другими путями, такими как MAPK или PIM, было отмечено как многообещающая стратегия противораковой терапии, которая может предложить преимущество по сравнению с монотерапевтическим подходом, обходя компенсаторную передачу сигналов, замедляя развитие резистентности и потенциально позволяя снизить дозирование. [35] [36] [37] [38] [39]
^ PDB : 2chz ; Найт З.А., Гонсалес Б., Фельдман М.Е., Цундер Э.Р., Гольденберг Д.Д., Уильямс О. и др. (май 2006 г.). «Фармакологическая карта семейства PI3-K определяет роль p110alpha в передаче сигналов инсулина». Клетка . 125 (4): 733–47. дои : 10.1016/j.cell.2006.03.035. ПМК 2946820 . ПМИД 16647110.
^ «мио-инозитол». Архивировано из оригинала 6 августа 2011 г. Проверено 28 января 2006 г.
^ Гизе Н. (2009). «Перегрузка клеток предотвращает реакцию рака на ограничения в питании». PhysOrg.com . Проверено 22 апреля 2009 г.
^ Калаани, штат Нью-Йорк, Сабатини DM (апрель 2009 г.). «Опухоли с активацией PI3K устойчивы к диетическим ограничениям». Природа . 458 (7239): 725–31. Бибкод : 2009Natur.458..725K. дои : 10.1038/nature07782. ПМК 2692085 . ПМИД 19279572.
^ Уитмен М., Каплан Д.Р., Шаффхаузен Б., Кантли Л., Робертс Т.М. (1985). «Связь активности фосфатидилинозитолкиназы с полиомой среднего-Т, способной к трансформации». Природа . 315 (6016): 239–42. Бибкод : 1985Natur.315..239W. дои : 10.1038/315239a0. PMID 2987699. S2CID 4337999.
^ Уитмен М., Даунс С.П., Киллер М., Келлер Т., Кэнтли Л. (апрель 1988 г.). «Фосфатидилинозитолкиназа I типа создает новый инозитолфосфолипид, фосфатидилинозитол-3-фосфат». Природа . 332 (6165): 644–6. Бибкод : 1988Natur.332..644W. дои : 10.1038/332644a0. PMID 2833705. S2CID 4326568.
^ Джин С., Кигер А.А. (март 2014 г.). «Краткий обзор классов фосфоинозитид-3-киназ». Журнал клеточной науки . 127 (Часть 5): 923–8. дои : 10.1242/jcs.093773. ПМЦ 3937771 . ПМИД 24587488.
^ Ванхезебрук Б., Стивенс Л., Хокинс П. (февраль 2012 г.). «Сигнализация PI3K: путь к открытию и пониманию». Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 13 (3): 195–203. дои : 10.1038/nrm3290. PMID 22358332. S2CID 6999833.
^ Оккенхауг К. (январь 2013 г.). «Передача сигналов семейством фосфоинозитид-3-киназ в иммунных клетках». Ежегодный обзор иммунологии . 31 (2): 675–704. doi : 10.1146/annurev-immunol-032712-095946. ПМК 4516760 . ПМИД 23330955.
^ Карпентер CL, Дакворт BC, Огер КР, Коэн Б., Шаффхаузен BS, Кэнтли LC (ноябрь 1990 г.). «Очистка и характеристика фосфоинозитид-3-киназы из печени крыс». Журнал биологической химии . 265 (32): 19704–11. дои : 10.1016/S0021-9258(17)45429-9 . ПМИД 2174051.
^ Сонгян З., Шолсон С.Е., Чаудхури М., Гиш Г., Поусон Т., Хазер В.Г. и др. (март 1993 г.). «Домены SH2 распознают специфические последовательности фосфопептидов». Клетка . 72 (5): 767–78. дои : 10.1016/0092-8674(93)90404-E . ПМИД 7680959.
^ Йоаким М, Хоу В, Сунъян З, Лю Ю, Кэнтли Л, Шаффхаузен Б (сентябрь 1994 г.). «Генетический анализ домена SH2 фосфатидилинозитол-3-киназы выявляет детерминанты специфичности». Молекулярная и клеточная биология . 14 (9): 5929–38. дои : 10.1128/MCB.14.9.5929. ПМЦ 359119 . ПМИД 8065326.
^ Посор Ю., Эйххорн-Грюниг М., Хауке В. (июнь 2015 г.). «Фосфоинозитиды в эндоцитозе». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Молекулярная и клеточная биология липидов . 1851 (6): 794–804. дои : 10.1016/j.bbalip.2014.09.014. ПМИД 25264171.
^ Франке Т.Ф., Каплан Д.Р., Кэнтли Л.К., Токер А. (январь 1997 г.). «Прямая регуляция протоонкогенного продукта Akt с помощью фосфатидилинозитол-3,4-бисфосфата». Наука . 275 (5300): 665–8. дои : 10.1126/science.275.5300.665. PMID 9005852. S2CID 31186873.
^ Гомес Дель Пулгар Т., Де Себальос М.Л., Гусман М., Веласко Г. (сентябрь 2002 г.). «Каннабиноиды защищают астроциты от апоптоза, вызванного церамидами, посредством пути фосфатидилинозитол-3-киназы/протеинкиназы B». Журнал биологической химии . 277 (39): 36527–33. дои : 10.1074/jbc.M205797200 . ПМИД 12133838.
^ Jaffe AB, зал A (2005). «Rho GTPases: биохимия и биология». Ежегодный обзор клеточной биологии и биологии развития . 21 : 247–69. doi : 10.1146/annurev.cellbio.21.020604.150721. ПМИД 16212495.
^ аб Бликер Ф.Е., Ламба С., Занон С., Моленаар Р.Дж., Хулсебос Т.Дж., Трост Д. и др. (сентябрь 2014 г.). «Мутационный профиль киназ при глиобластоме». БМК Рак . 14 :718. дои : 10.1186/1471-2407-14-718 . ПМЦ 4192443 . ПМИД 25256166.
^ Бликер Ф.Е., Моленаар Р.Дж., Леенстра С. (май 2012 г.). «Последние достижения в молекулярном понимании глиобластомы». Журнал нейроонкологии . 108 (1): 11–27. дои : 10.1007/s11060-011-0793-0. ПМЦ 3337398 . ПМИД 22270850.
^ Ман Х.И., Ван Q, Лу WY, Джу В., Ахмадиан Г., Лю Л. и др. (май 2003 г.). «Активация PI3-киназы необходима для внедрения рецептора AMPA во время LTP мЭПСК в культивируемых нейронах гиппокампа». Нейрон . 38 (4): 611–24. дои : 10.1016/S0896-6273(03)00228-9 . ПМИД 12765612.
^ Джоял Дж.Л., Беркс DJ, Pons S, Matter WF, Влахос CJ, White MF, Sacks DB (ноябрь 1997 г.). «Кальмодулин активирует фосфатидилинозитол-3-киназу». Журнал биологической химии . 272 (45): 28183–6. дои : 10.1074/jbc.272.45.28183 . ПМИД 9353264.
^ Санна П.П., Каммаллери М., Бертон Ф., Симпсон С., Лютьенс Р., Блум Ф.Е., Франческони В. (май 2002 г.). «Фосфатидилинозит-3-киназа необходима для экспрессии, но не для индукции или поддержания долгосрочной потенциации в области CA1 гиппокампа». Журнал неврологии . 22 (9): 3359–65. doi :10.1523/JNEUROSCI.22-09-03359.2002. ПМЦ 6758361 . ПМИД 11978812.
^ Карпова А, Санна П.П., Бениш Т. (февраль 2006 г.). «Участие множественных фосфатидилинозитол-3-киназ-зависимых путей в сохранении поздней фазы долговременной экспрессии потенциации». Нейронаука . 137 (3): 833–41. doi :10.1016/j.neuroscience.2005.10.012. PMID 16326012. S2CID 38232127.
^ Опазо П., Ватабе AM, Грант С.Г., О'Делл TJ (май 2003 г.). «Фосфатидилинозит-3-киназа регулирует индукцию долговременной потенциации посредством независимых киназных механизмов, связанных с внеклеточными сигналами». Журнал неврологии . 23 (9): 3679–88. doi : 10.1523/JNEUROSCI.23-09-03679.2003. ПМК 6742185 . ПМИД 12736339.
^ Ab Yang PC, Yang CH, Huang CC, Hsu KS (февраль 2008 г.). «Активация фосфатидилинозитол-3-киназы необходима для вызванной стрессовым протоколом модификации синаптической пластичности гиппокампа». Журнал биологической химии . 283 (5): 2631–43. дои : 10.1074/jbc.M706954200 . ПМИД 18057005.
^ Пейно С., Тагибиглоу С., Брэдли С., Вонг Т.П., Лю Л., Лу Дж. и др. (март 2007 г.). «LTP ингибирует LTD в гиппокампе посредством регуляции GSK3beta». Нейрон . 53 (5): 703–17. дои : 10.1016/j.neuron.2007.01.029 . PMID 17329210. S2CID 6903401.
^ Каммаллери М., Лютьенс Р., Бертон Ф., Кинг А.Р., Симпсон С., Франческони В., Санна П.П. (ноябрь 2003 г.). «Ограниченная по времени роль дендритной активации пути mTOR-p70S6K в индукции поздней фазы долгосрочной потенциации в CA1». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (24): 14368–73. Бибкод : 2003PNAS..10014368C. дои : 10.1073/pnas.2336098100 . ПМК 283598 . ПМИД 14623952.
^ Кумар Д.Т., Досс К.Г. (1 января 2016 г.). Исследование ингибирующего эффекта вортманнина при мутации «горячей точки» в кодоне 1047 киназного домена PIK3CA: подход молекулярной стыковки и молекулярной динамики . Том. 102. С. 267–97. doi :10.1016/bs.apcsb.2015.09.008. ISBN9780128047958. ПМИД 26827608. {{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )
^ Судхакар Н., Прия Досс К.Г., Тирумал Кумар Д., Чакраборти С., Ананд К., Суреш М. (2 января 2016 г.). «Расшифровка влияния соматических мутаций в экзоне 20 и экзоне 9 гена PIK3CA на опухоли молочной железы у индийских женщин с помощью метода молекулярной динамики». Журнал биомолекулярной структуры и динамики . 34 (1): 29–41. дои : 10.1080/07391102.2015.1007483. PMID 25679319. S2CID 205575161.
^ Мэлоун Т., Шефер Л., Саймон Н., Хиви С., Кафф С., Финн С. и др. (март 2020 г.). «Текущие перспективы использования киназ PIM для преодоления механизмов лекарственной устойчивости и уклонения от иммунитета при раке» (PDF) . Фармакология и терапия . 207 : 107454. doi : 10.1016/j.pharmthera.2019.107454. PMID 31836451. S2CID 209357486.
^ Хиви С., Даулинг П., Мур Г., Барр М.П., Келли Н., Махер С.Г. и др. (январь 2018 г.). «Разработка и характеристика панели фосфатидилинозитид-3-киназы - мишени млекопитающих для линий клеток рака легких, устойчивых к ингибитору рапамицина». Научные отчеты . 8 (1): 1652. Бибкод : 2018NatSR...8.1652H. дои : 10.1038/s41598-018-19688-1. ПМЦ 5786033 . ПМИД 29374181.
^ Хиви С., Годвин П., Бэрд А.М., Барр М.П., Умезава К., Кафф С. и др. (октябрь 2014 г.). «Стратегическое нацеливание оси PI3K-NFκB при цисплатин-резистентном НМРЛ». Биология и терапия рака . 15 (10): 1367–77. дои : 10.4161/cbt.29841. ПМК 4130730 . ПМИД 25025901.
^ Хиви С., О'Бирн К.Дж., Гейтли К. (апрель 2014 г.). «Стратегии совместного воздействия на путь PI3K/AKT/mTOR при НМРЛ». Обзоры лечения рака . 40 (3): 445–56. дои : 10.1016/j.ctrv.2013.08.006. ПМИД 24055012.
дальнейшее чтение
Ванхезебрук Б., Ливерс С.Дж., Ахмади К., Тиммс Дж., Катсо Р., Дрисколл П.С. и др. (2001). «Синтез и функция 3-фосфорилированных инозитоллипидов». Ежегодный обзор биохимии . 70 : 535–602. doi :10.1146/annurev.biochem.70.1.535. ПМИД 11395417.[1]
Шильд С., Вирт М., Райхерт М., Шмид Р.М., Саур Д., Шнайдер Г. (декабрь 2009 г.). «Передача сигналов PI3K поддерживает экспрессию c-myc для регулирования транскрипции E2F1 в клетках рака поджелудочной железы». Молекулярный канцерогенез . 48 (12): 1149–58. дои : 10.1002/mc.20569. PMID 19603422. S2CID 41545085.
Уильямс Р., Берндт А., Миллер С., Хон В.К., Чжан Икс (август 2009 г.). «Форма и гибкость фосфоинозитид-3-киназ». Труды Биохимического общества . 37 (Часть 4): 615–26. дои : 10.1042/BST0370615. ПМИД 19614567.
Куарежма А.Дж., Сиверт Р., Никерсон Дж.А. (апрель 2013 г.). «Регуляция экспорта мРНК с помощью пути передачи сигнала киназы PI3/AKT». Молекулярная биология клетки . 24 (8): 1208–21. doi :10.1091/mbc.E12-06-0450. ПМЦ 3623641 . ПМИД 23427269.