PDE4D

cAMP-specific 3',5'-cyclic phosphodiesterase 4D (PDE4D) je član porodice enzima fosfodiesteraze 4 i igra ključnu ulogu u regulaciji unutarstaničnih signalnih putova. Njegova primarna funkcija je hidroliza cikličkog adenozin monofosfata (cAMP), ključnog sekundarnog glasnika, u neaktivni oblik 5'-AMP. Kontroliranjem razine cAMP-a, PDE4D regulira brojne signalne putove u središnjem živčanom sustavu i imunološkom sustavu. PDE4D utječe na širok raspon fizioloških procesa, uključujući učenje, pamćenje, sinaptičku plastičnost, kogniciju i upalne odgovore, što ga čini važnom terapijskom metom za neurodegenerativne i upalne bolesti. Uz PDE4D u porodicu PDE4 ubrajaju se i PDE4A, PDE4B i PDE4C.

Otkriće strukture Struktura PDE4D detaljno je proučavana korištenjem rendgenske kristalografije s drugim eksperimentalnim i računalnim tehnikama. Proces započinje prekomjernom ekspresijom ostataka PDE4D2 u Escherichia coli, nakon čega slijedi rigorozno pročišćavanje proteina. Ti pročišćeni proteini su zatim kristalizirani metodom difuzije pare. Dobiveni podaci rendgenske difrakcije visoke rezolucije (HRXRD) zatim su analizirani korištenjem molekularne zamjene (engl. molecular replacement) na temelju prethodno riješenih PDE struktura, što je znanstvenicima omogućilo identificiranje ključnih strukturnih značajki i potvrdu položaja esencijalnih metalnih iona poput cinka i magnezija unutar aktivnog mjesta. Računalno usavršavanje (engl. computational refinement) dodatno je poboljšalo atomske modele, pružajući strukturni okvir koji se široko koristi u otkrivanju lijekova i dizajnu inhibitora. Novija istraživanja pokazala su da PDE4D nije „krut“ protein, već je vrlo dinamičan i fleksibilan. Tehnike poput krioelektronske mikroskopije, SAXS-a, NMR spektroskopije i HDX-MS-a otkrile su kako PDE4D mijenja oblik i stupa u interakciju s inhibitorima u otopini.

Struktura PDE4D mini|Struktura proteina PDE4D na temelju PyMOL renderiranja PDB 1mkd Strukturno, PDE4D sadrži varijabilnu N-terminalnu regiju, regulatorne UCR1 i UCR2 domene te visoko konzerviranu C-terminalnu katalitičku domenu. UCR2 regija može djelomično blokirati aktivno mjesto, dok konformacijske promjene, poput PKA fosforilacije UCR1, mogu ublažiti ovu inhibiciju i omogućiti PDE4D da postane potpuno aktivan. Ova strukturna fleksibilnost i postojanje više izoformi ključni su za funkciju PDE4D i za razvoj selektivnih terapijskih inhibitora.

Distribucija

U tkivima PDE4D je široko izražen u ljudskim tkivima, ali je posebno prisutan u:

mozgu, osobito u: hipokampusu, kori velikog mozga, talamusu; imunološkim stanicama, uključujući: monocite, makrofage, neutrofile; kardiovaskularnim tkivima.

Njegova široka distribucija odražava njegovu ključnu ulogu u neuronskoj signalizaciji, upali i regulaciji kardiovaskularnog sustava.

U stanici Unutar stanice, PDE4D je raspoređen u više odjeljaka, uključujući:

citoplazmu i citosol, centrosom, citoskelet, plazmatsku membranu, nuklearnu membranu, komplekse naponom kontroliranih kalcijevih kanala, Golgijev aparat.

Na centrosomu PDE4D često surađuje s protein kinazom A (PKA), stvarajući lokalizirana signalna središta. Lokalizacija u Golgijevom aparatu posredovana je interakcijom sa nosačem proteina (engl. scaffold  protein) miomegalinom.

Ova kompartmentalizacija omogućuje PDE4D stvaranje strogo reguliranih cAMP mikrodomena, gdje se unutarstanične koncentracije cAMP-a mogu kontrolirati s velikom prostornom preciznošću.

Interakcije Proteina i Sidrenje

AKAP Proteini PDE4D se usmjerava na specifične stanične lokacije putem interakcija sa scaffold proteinima, osobito A-kinase anchoring proteinima (AKAPs).

AKAP proteini organiziraju signalne komplekse koji sadrže:

PKA, PDE4D, dodatne signalne molekule.

Jedan važan primjer je mAKAP, koji lokalizira PDE4D na centrosomu i omogućuje brzu lokalnu povratnu regulaciju cAMP signalizacije.

β-arrestini β-arrestini regrutiraju PDE4D na aktivirane receptore spregnute s G-proteinom (GPCR), poput β2-adrenergičkog receptora.

Ova regrutacija omogućuje PDE4D da razgrađuje cAMP izravno na mjestu receptora, čime brzo prekida signalni odgovor.

RACK1 Scaffold protein RACK1 specifično interagira s izoformom PDE4D5.

Ta interakcija usmjerava PDE4D5 prema citoskeletu i povezana je s:

migracijom stanica, remodeliranjem citoskeleta, invazijom tumorskih stanica.

Miomegalin Miomegalin veže PDE4D na Golgi-centrosomski kompleks. Ova interakcija doprinosi prostornoj organizaciji cAMP signalnih puteva oko centrosoma.

Regulacija PDE4D

Regulacija putem PKA Aktivnost PDE4D regulirana je negativnom povratnom spregom koja uključuje cAMP i PKA.

Kada se razina unutarstaničnog cAMP-a poveća:

cAMP aktivira PKA; PKA fosforilira PDE4D na UCR1 domeni; aktivnost PDE4D se povećava; razgradnja cAMP-a se ubrzava.

Ovaj mehanizam sprječava prekomjerno nakupljanje cAMP-a i održava signalnu homeostazu.

Regulacija putem ERK PDE4D je također reguliran putem ERK kinaznog puta. Fosforilacija putem ERK inhibira duge izoforme PDE4D, čime produljuje unutarstaničnu cAMP signalizaciju kada je potrebno dugotrajnije signaliziranje.

Povezanost enzima PDE4D s bolestima Enzim PDE4D može pridonijeti razvoju bolesti narušavanjem unutarstanične cAMP signalizacije čime utječe na ključne stanične procese poput proliferacije, diferencijacije i apoptoze.

Postoji više bolesti u čiju je patologiju uključen ovaj enzim, a neki od najvažnijih primjera su:

Akrodiozostoza tipa II Akrodiozostoza je vrlo rijedak genetički poremećaj karakteriziran brahidaktilijom, nazalnom hipoplazijom, zastojem u razvoju i potencijalnom mentalnom retardacijom. Molekularni uzrok akrodiozostoze tipa II su mutacije gubitka funkcije PDE4D gena (najčešće Gly673Asp i Ile678Thr) koje dovode do smanjene aktivnosti enzima PDE4D. Kao kompenzacija, u stanicama dolazi do pojačane aktivacije drugih izoformi PDE4 enzima koje onda pojačano degradiraju cAMP i posljedično dovode do disregulacije cAMP signalnih puteva. Disregulacija staničnih puteva uzrokuje smanjeni stanični odgovor na hormone važne za razvoj kostiju i hrskavica, što uzrokuje navedene razvojne abnormalnosti.

Ishemijski moždani udar Ishemijski moždani udar je hitno stanje organizma karakterizirano začepljenjem krvne žile u mozgu ugruškom, zbog čega dolazi do prekida cirkulacije u pogođenim dijelovima mozga i odumiranja neurona. Polimorfizmi jednog nukleotida (eng. single-nucleotide polymorphism – SNP) PDE4D gena povezani su s povećanim rizikom od pojave ishemijskog moždanog udara. Naime, zbog poremećaja u aktivnosti enzima PDE4D dolazi do smanjenja koncentracije cAMP-a u stanici, zbog čega dolazi do pojačane aktivacije imunoloških stanica, posebice monocita i makrofaga. Produljena pojačana aktivnost imunoloških stanica dovodi do kroničnih upala stijenke arterija i posljedičnog razvoja ateroskleroze. Ateroskleroza je karakterizirana razvojem ateroskleroznih plakova koji mogu progredirati u ugruške i začepiti krvne žile u mozgu.

Izvori

Kategorija:Bjelančevine