научная статья по теме AMPK: СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ И УЧАСТИЕ В ПАТОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ (ОБЗОР) Химия

Текст научной статьи на тему «AMPK: СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ И УЧАСТИЕ В ПАТОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ (ОБЗОР)»

БИОХИМИЯ, 2015, том 80, вып. 2, с. 163 - 183

УДК 577.23:57.052.6+615.272.3/.4

AMPK: СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ И УЧАСТИЕ В ПАТОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

ОБЗОР

© 2015 Д.С. Новикова*, А.В. Гарабаджиу, Дж. Мелино, Н.А. Барлев, В.Г. Трибулович

Санкт-Петербургский технологический институт (технический университет), 190013 Санкт-Петербург; факс: +7(812)316-4648, электронная почта: dc.novikova@gmail.com

Поступила в редакцию 05.07.14 После доработки 12.09.14

В последние годы АМФ-активируемая протеинкиназа (АМРК) признана ключевым регулятором энергетического баланса как на клеточном уровне, так и на уровне всего организма. Участие в многочисленных сигнальных каскадах позволяет АМРК эффективно управлять энергопотребляющими и энергопродуцирую-щими процессами для поддержания энергетического гомеостаза в стрессовых условиях. Нарушения активации или экспрессии киназы приводят к целому ряду метаболических расстройств и повышают риск развития раковых заболеваний. В обзоре рассмотрена структура АМРК, приведены механизмы ее активации, а также перечислены мишени, воздействие на которые определяет функции метаболического регулятора. Особое внимание уделено низкомолекулярным соединениям, способным оказывать как активирующее, так и ингибирующее действие на АМРК, а также рассмотрена перспектива терапевтического применения подобных модуляторов активности в ряде социально значимых заболеваний.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: АМФ-активируемая протеинкиназа, энергетический метаболизм, метаболический синдром, диабет 2-го типа, рак, активаторы АМРК, ингибиторы АМРК.

Существование всех живых организмов непосредственно связано с процессами производства и потребления энергии. Выживание этих организмов зависит от эффективного и оперативного контроля энергетического метаболизма во время резкого или продолжительного недостатка питательных веществ, энергетического подкрепления. Недавно было установлено, что АМФ-активируемая протеинкиназа (АМРК) является важным регулятором клеточного энергетического гомеостаза, который координирует многочисленные метаболические пути для того, чтобы привести в соответствие энергетические

ресурсы с энергетическими потребностями в клетках млекопитающих. В ответ на падение внутриклеточного уровня АТФ АМРК активирует энергопродуцирующие пути и ингибирует энергопотребляющие процессы. За счет присутствия как в ядре, так и в цитоплазме АМРК определяет как быстрые изменения (фосфорилиро-вание цитоплазматических белков), так и постепенную корректировку метаболических процессов (изменения в транскрипции генов) для поддержания энергетического гомеостаза. Несмотря на то, что известность АМРК связана с ее метаболическими эффектами, она осуществляет

Принятые сокращения: ACC — ацетил-коА карбоксилаза; CaMKK — киназа Са2+/кальмодулин зависимых проте-инкиназ; CD36 — белок-транспортер жирных кислот; eEF2K — киназа эукариотического фактора элонгации-2; eNOS — эндотелиальная синтаза оксида азота; FOXO3 — белок семейства транскрипционных факторов FOX; GLUT1/GLUT4 — представители семейства белков-транспортеров глюкозы; G6Pase — глюкозо-6-фосфатаза; GPAT — глицерин-3-фосфат ацилтрансфераза; GS — гликогенсинтаза; HDAC5 — гистоновая деацетилаза 5; HIF-1a — гипоксия-индуцибельный фактор 1a; HKII — гексокиназа II; HMGR — 3-гидрокси-3-метилглютарил-коА редуктаза; HSL — гормон-чувствительная липаза; LKB1 — киназа печени B1; MO25 — мышиный белок 25; mTOR — киназа, мишень рапамицина у млекопитающих; mTORCl — комплекс 1 киназы mTOR; NRF — ядерный респираторный фактор; PEPCK — фосфоенолпируват карбокси-киназа; 6PFK2 — 6-фосфофруктокиназа-2; PGC-1a — PPARy коактиватор 1a; PKA — протеинкиназа А; PPAR — рецепторы, активируемые пероксисомными пролифераторами; Raptor — белок-партнер mTOR; Rheb — GTP-связывающий белок; SREBP-1c — белок, связывающий регуляторные элементы стеролов 1c; STRAD — STE20-связанный адапторный белок; ТАК1 — TGF-P-активируемая киназа 1; TBC1D1/TBC1D4 — представители семейства белков, содержащих TBC домен; TSC2 — белок туберозного склероза 2 (туберин). * Адресат для корреспонденции.

много других функций, включая регуляцию клеточного роста, пролиферации, митохондриаль-ного биогенеза. В настоящее время АМРК привлекает интерес как потенциальная мишень терапии заболеваний, связанных с энергетическим метаболизмом, таких как диабет 2-го типа, ожирение, рак.

СТРУКТУРА АМРК

АМРК представляет собой комплекс, состоящий из трех субъединиц (а, в, у) в соотношении 1 : 1 : 1 [1]. а-Субъединица функционирует в качестве каталитической, именно она определяет киназную активность белкового комплекса, благодаря которой АМРК воздействует на метаболические пути на белковом и генном уровне [2]. Субъединицы в и у являются регуля-торными; они так или иначе участвуют в модуляции активности всего киназного комплекса

[3]. Каждая из субъединиц встречается в живых организмах в виде нескольких изоформ (рис. 1), при этом для а и в существует по две изоформы, а у может входить в состав комплекса в виде трех существенно различающихся по длине изоформ

[4]. Комбинируя эти изоформы, можно получить 12 различных вариантов АМРК. Такой разнообразный изоформный состав комплекса подразумевает, прежде всего, различные функциональные свойства, а также тканеспецифичность и внутриклеточную локализацию. Однако истинный смысл подобной вариабельности АМРК еще предстоит выяснить.

Основной функциональной составляющей АМРК является каталитическая а-субъединица (АМРКа) — белок с молекулярной массой 63 кДа [1, 5]. В состав АМРКа входят следующие структурные элементы: серин/треонин киназ-ный домен, автоингибиторный домен и участок, отвечающий за связывание с в-субъединицей. Киназный домен (КБ), определяющий киназ-ную активность комплекса, располагается на ^-конце белка и является консервативным среди киназ [6]. Важной составной частью киназ-ного домена является «активационная петля», на которой располагается основной активаци-онный сайт АМРК — высококонсервативный треониновый остаток, при фосфорилировании которого происходит активация киназного комплекса [7]. Киназные домены практически идентичны для обеих изоформ, и, как было установлено, сходство составляет 94% [8].

В большинстве литературных источников 1Ъг-172 указывается как основной сайт активации, что не совсем правильно. Это связано с тем, что первой была идентифицирована а2-субъеди-

ница (изначально названная а1-субъединицей), для которой действительно на месте 172 располагается треониновый остаток, фосфорилиро-вание которого приводит к увеличению киназ-ной активности AMPK [7]. После идентификации второй изоформы AMPKa, первоначально открытая изоформа была переименована, а вновь открытая получила название а1 изоформы, по-видимому, из-за больших размеров (552 против 559 а.о.) [9]. Но до сих пор, когда речь заходит об AMPK, в качестве основного активаци-онного сайта называется Thr-172, хотя это справедливо только для а2-субъединицы, тогда как для а1-субъединицы сайтом фосфорилирования является Thr-183.

За киназным доменом следует участок, названный автоингибиторным доменом (AID) ввиду того, что а-субъединица, содержащая только киназный и автоингибиторный домены проявляет низкую активность даже в случае фосфори-лирования, в то время как конструкция, содержащая только киназный домен, проявляет активность в полной мере [6]. С-концевой участок АМРКа (а-CTD) образует глобулярный домен, который взаимодействует с С-концевым доменом р-субъединицы, что является необходимым для образования а : в : у комплекса [10]. Различие между двумя изоформами АМРКа главным образом заключается в степени активации при связывании с АМФ и клеточной локализации. Считается, что за счет изоформ а-субъединицы определяется клеточная локализация всего комплекса АМРК: было показано, что а1-субъ-единица способствует локализации во внеядер-ной фракции, тогда как а2-субъединица локализуется как в ядре, так и в цитоплазме [11]. Однако локализация AMPK строго не детерминирована строением, и при различных условиях распределение киназного комплекса между ядром и цитоплазмой может меняться. Так была выявлена С-терминальная гидрофобная аминокислотная последовательность (NES), обуславливающая ядерный экспорт АМРК комплекса [12].

Что касается в-субъединицы, то помимо ре-гуляторной составляющей АМРК, ее можно назвать остовом киназного комплекса [13]. Внутри АМРКв (30 кДа) можно выделить два характеристических участка: гликоген-связыва-ющий домен и участок связывания с а-и у-субъ-единицей. Регуляторная функция заключается в непосредственной вовлеченности АМРКв в углеводный метаболизм. Присутствие гликоген-связывающего домена (GBD) позволяет комплексу АМРК ассоциировать с олигосахаридами и гликогеном с различной аффинностью в зависимости от изоформы [14], помимо этого связы-

вание с олигосахаридами, содержащими только а 1^6 цепочку, ингибирует активацию АМРК комплекса [15]. С-концевой домен АМРКр (Р-СТБ), связывающий а- и у-субъединицу, структурно представляет собой р-листы. Он взаимодействует с а-СТБ и через терминальную короткую последовательность связывает у-субъ-единицу, образуя таким образом основу комплекса [16]. Кроме того, для обеих изоформ АМРКр характерно миристоилирование, сайт которого находится на ^-конце р-субъединицы (С1у-2). Как известно, М-миристоилирование белков обеспечивает связывание с мембраной и мембранную ориентацию, а в случае АМРК также отражается и на активности киназы [17].

Наиболее важной субъединицей АМРК комплекса является у-субъединица, обуславливающая функционирование белка в качестве сенсора уровня АМФ в клетке [18]. В зависимости от изоформы масса АМРКу находится в

пределах 38—63 кДа, при этом разница заключаются в длине .N-концевой последовательности

[19]. Все три изоформы содержат четыре повтора эволюционно консервативной последовательности цистатионин-р-синтазы (CBS). Из-за склонности к димеризации CBS чаще всего встречаются в виде тандемных повторов. Основной их функцией является контроль внутриклеточных метаболитов, а в случае AMPK заключается в связывании адениновых нуклеотидов

[20]. Непосредственно перед первым повтором CBS располагаетс

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»