МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2015, том 49, № 4, с. 555-560
= ОБЗОРЫ =
УДК 577.17
ГЛЮКОКИНАЗА И БЕЛОК-РЕГУЛЯТОР ГЛЮКОКИНАЗЫ КАК МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МИШЕНИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НОВЫХ ПРОТИВОДИАБЕТИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТОВ
© 2015 г. П. М. Рубцов1, 2*, Е. Л. Игудин1, 2, А. Н. Тюльпаков3
Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наук, Москва, 119991 2Московский физико-технический институт (государственный университет) (МФТИ), Долгопрудный, Московская обл., 141700 3Эндокринологический научный центр Министерства здравоохранения Российской Федерации, Москва, 117036
Поступила в редакцию 25.12.2014 г. Принята к печати 13.01.2015 г.
Нарушение гомеостаза глюкозы в организме человека ведет к развитию гипергликемии и сахарного диабета типа 2. В регуляции гомеостаза глюкозы ключевая роль принадлежит глюкокиназе, которая катализирует превращение глюкозы в глюкозо-6-фосфат в р-клетках поджелудочной железы, гепатоцитах печени, специфических нейронах гипоталамуса и энтероцитах кишечника. В гепатоцитах глюкокиназа регулирует поглощение глюкозы и синтез гликогена и подавляет продукцию глюкозы через путь глюконеогенеза. В гепатоци-тах синтезируется белок-регулятор глюкокиназы (GKRP, glucokinase regulatory protein), который представляет собой эндогенный ингибитор глюкокиназы. В условиях голодания этот белок связывается с глюкокиназой, инактивирует ее и перемещает в ядро, выводя тем самым из углеводного обмена гепатоциты. В начале 2000-х годов внимание исследователей было сфокусировано на разработке и испытании низкомолекулярных активаторов глюкокиназы как потенциальных противодиабетических сахароснижающих препаратов. Применение таких соединений приводит, однако, к повышению риска развития гипогликемии, поэтому в последние годы доклинические и клинические испытания большинства искусственных низкомолекулярных активаторов глюкокиназы были приостановлены или прекращены. На смену активаторам приходят аллостерические ингибиторы взаимодействия глюкокиназы с ее белком-регулятором как альтернативные средства повышения активности глюкокиназы. В настоящем обзоре рассмотрено современное состояние разработки потенциальных противодиабетических препаратов, действие которых направлено на глюкокиназу как на ключевой регулятор гомеостаза глюкозы в организме.
Ключевые слова: cахарный диабет типа 2, диабет MODY, глюкокиназа, белок-регулятор глюкокиназы, аллостерические регуляторы, активаторы глюкокиназы, противодиабетические препараты.
GLUCOKINASE AND GLUCOKINASE REGULATORY PROTEINS AS MOLECULAR TARGETS FOR NOVEL ANTIDIABETIC DRUGS, by P. M. Rubtsov12*, E. L. Igudin12, A. N. Tmlpakov3 (1Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences, Moscow, 119991 Russia; *e-mail: rubtsov@eimb.ru; 2Moscow Institute of Physics and Technology (State University), Dolgoprudny, Moscow Region, 141700 Russia; Endocrinological Research Center, Ministry of Health of the Russian Federation, Moscow, 117036 Russia). The impairment of glucose homeostasis leads to hyperglycemia and type 2 diabetes mellitus. Glucokinase (GK), an enzyme catalyzing the conversion of glucose to glucose-6-phosphate in pancreatic p-cells, liver hepatocytes, specific hypothalamic neurons and intestine enterocytes, is a key regulator of glucose homeostasis. In hepatocytes GK controls the glucose uptake and glycogen synthesis and inhibits the glucose synthesis via gluconeogenesis pathway. Glucokinase regulatory protein (GKRP) synthesized in hepatocytes acts as an endogenous inhibitor of GK. In fasting GKRP binds, inactivates and transmits GK to the cell nucleus thus isolating it from hepatocyte carbohydrate metabolism. In the beginning of 21 century the research were focused on development and testing the small molecule GK activators as potential antidiabetic sugar-lowering drugs. The use of such substances, however, increased the risk of hypoglycemia, and clinical studies of majority of synthetic GK activators are currently discontinued. Allosteric inhibitors of GK-GKRP interaction are coming as alternative agents increasing the GK activity that can substitute GKA. Here we review the recent advances and current state of development of potential antidiabetic drugs targeted to GK as a key regulator of glucose homeostasis.
Keywords: type 2 diabetes mellitus, MODY, glucokinase, glucokinase regulatory protein, allosteric regulators, glucokinase activators, antidiabetic drugs.
DOI: 10.7868/S002689841504014X
* Эл. почта: rubtsov@eimb.ru
Сахарный диабет типа 2 и его осложнения относятся к числу наиболее важных проблем здравоохранения 21-го века. По оценкам ВОЗ число больных сахарным диабетом в мире достигает 347 млн, смертность от него в ближайшие 10 лет вырастет более чем на 50%, и к 2030 году диабет станет седьмым по числу летальных исходов заболеванием [1]. Для сахарного диабета типа 2 характерно повышение уровня глюкозы натощак, инсулинорези-стентность, нарушение регуляции уровня глюкозы и стимулируемой глюкозой секреции инсулина. Повышение уровня глюкозы в крови приводит к развитию множества микро- и макрососудистых осложнений, а применяемые при сахарном диабете препараты во многих случаях не обеспечивают эффективного, надежного и продолжительного контроля уровня глюкозы, поэтому поиск новых сахароснижающих препаратов остается важнейшей задачей.
НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ АКТИВАТОРЫ ГЛЮКОКИНАЗЫ
Глюкокиназа (GK) [КФ 2.7.1.2] — фермент, занимающий центральное место в гомеостазе глюкозы, рассматривается как одна из потенциальных мишеней противодиабетических препаратов. Мутации, инактивирующие ген GK (GCK), в гетерозиготном состоянии ведут к развитию одной из форм так называемого сахарного диабета взрослого типа у молодых (MODY, от английского "Maturity Onset Diabetes of Young) - MODY2 (OMIM #125851), а в гомозиготном — к перманентному неонатальному диабету (OMIM #606176) [2—5].
O \\
о" \
Рис. 1. Соединение RO-28-1675 - прототип GKA [12].
R
R,
Рис. 2. Схема фармакофоров GKA. * — Хиральный углерод вр3 или ароматическое кольцо, — ароматическое или ^содержащее кольцо, — алифатическое или ароматическое кольцо, Из — гетероциклический ^ациламин или амин, способный к взаимодействию с акцептором водородных связей [14].
В гене GCK обнаружены также активирующие мутации, вызывающие гиперинсулинемическую гипогликемию (OMIM #602485) [6]. Активирующие мутации повышают сродство GK к глюкозе и усиливают секрецию инсулина при низких уровнях глюкозы в крови [7].
Большинство замен аминокислот, вызванных такими мутациями, как, например, S64Y, T65I, G68V, W99R, W99L, Y214C, V452L, V455M и A456V, локализованы в участке белковой глобулы, удаленном на ~20 Â от сайта связывания субстрата - в аллостерическом сайте активации [6, 8-11]. В 2003 г. впервые сообщили об успешном применении низкомолекулярного активатора GK (GKA) для снижения уровня глюкозы в животных моделях сахарного диабета типа 2 [12]. Скрининг 120000 соединений позволил идентифицировать соединение, обладающее свойствами аллостери-ческого активатора GK. Активный R-энантиомер этого соединения, RO-28-1675, (рис. 1) повышал ферментативную активность GK, при перораль-ном введении снижал уровень глюкозы в крови мышей дикого типа и в моделях диабета, ускорял метаболизм глюкозы в печени и индуцируемую глюкозой секрецию инсулина в изолированных островках поджелудочной железы крысы [12].
Поиск и характеристика других низкомолекулярных GKA стали одним из главных направлений в разработке противодиабетических препаратов в течение следующего десятилетия. К созданию и испытанию таких соединений подключились крупные фармацевтические компании, в том числе "Array Biopharm Inc.", "Astra Zeneca plc, Merck & Co.", "OSI Pharmaceuticals Inc./Eli Lilly", "Pfizer Inc.", "Roche", "Daiichi-Sankyio", "Takeda", TransTech Pharma Inc ./Forest Laboratories Inc./Novo Nordisk A/S", "Advinus", "Hua Medicine". К 2008 году получено уже более 90 патентов на низкомолекулярные аллостерические GKA [13]. Большая часть этих соединений основана на фармакофо-ре, схема которого представлена на рис. 2. В период c 2008 по 2014 год было выдано еще 100 патентов на низкомолекулярные GKA [14-16]. Большинство этих соединений эффективно снижали уровень глюкозы в крови в разных животных моделях диабета. Более 20 потенциальных сахароснижающих препаратов этого класса были допущены до клинических испытаний, однако в большинстве случаев испытания были приостановлены или прекращены на стадии I или II [16]. Главной причиной прекращения испытаний стал повышенный риск развития гипогликемии [17]. В настоящее время продолжаются клинические испытания лишь пяти препаратов. Это GKM-001 индийской фармацевтической компании "Advinus Therapeutics Ltd." (фаза II), DS-7309 японской компании "Daiichi-Sankyo" (фаза I), HMS5552 китайской компании "Hua Medicine" (фаза I), PF-04937319 компании "Pfizer" (фаза II)
ГЛЮКОКИНАЗА И БЕЛОК-РЕГУЛЯТОР ГЛЮКОКИНАЗЫ
557
и TTP 399 (GK1-399) компаний "TransTech Pharma Inc./Forest Laboratories Inc./Novo Nordisk A/S" (фаза II) [16]. Дальнейшие перспективы использования низкомолекулярных аллостерических GKA связывают с возможностью создания гепатоселек-тивных препаратов с низким риском развития гипогликемии [17, 18].
НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, НАРУШАЮЩИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ GK-GKRP, КАК ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ
ПРОТИВОДИАБЕТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
Альтернативой низкомолекулярным аллосте-рическим GKA могут стать соединения, нарушающие взаимодействие GK с ее природным партнером — белком-регулятором GK (GKRP). GKRP состоит из 626 аминокислотных остатков, имеет молекулярную массу 68 кДа, синтезируется в гепатоцитах и ингибирует GK [19, 20]. Связывание с GKRP препятствует взаимодействию GK с глюкозой [20, 21]. При низких концентрациях глюкозы GK в комплексе с GKRP перемещается в ядро [22].При повышении концентрации глюкозы комплекс GK-GKRP диссоциирует, что приводит к экспорту фермента из ядра в цитоплазму [23]. Фруктозо-6-фосфат, связываясь с GKRP, способствует ассоциации GKRP-GK, в то время как фруктозо-1-фосфат нарушает это взаимодействие [19, 24]. GK не имеет сигнала ядерной локализации, и G
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.