Фосфоинозитол - 3 - киназа

Фосфоинозитол- 3- киназы (Фосфоинозитид- 3- киназы, или фосфатидилинозитол- 3- киназы, Phosphoinositide 3-kinases, PI 3-kinases, PI3Ks)- семейство ферментов, фосфорилирующих фосфатидилинозитол в положении 3D инозитольного кольца. Существует 3 класса фосфоинозитид- 3- киназ, которые отличаются по структурной организации, субстратной специфичности и функциям в клетке.

Фосфатидилинозит-3-киназа является одним из важнейших регуляторных белков, находящихся на пересечении различных сигнальных путей и контролирующих ключевые функции клетки.
Обнаруженная у PI3K двойная ферментативная активность (липид- и протеинкиназная), как и способность PI3K активировать целый ряд сигнальных белков, включая некоторые онкобелки , определяет принципиальное значение PI3K в регуляции таких функций клетки, как рост и выживаемость, старение, опухолевая трансформация.

Фосфатидилинозитол-3-киназа, главный фермент PI3K пути , катализирует реакции фосфорилирования PI4P и PI4, 5P2. PI3K - цитоплазматический белок, состоящий из двух субъединиц - p85 (регуляторной) и р110 (каталитической). Регуляторная субъединица отвечает за стимуляцию PI3-киназной активности факторами роста . Каталитическая субъединица р110 может взаимодействовать с p21ras.

Центральное место среди эффекторов PI3K занимают митоген-проводящие сигнальные белки: протеинкиназа С , фосфоинозитидзависимые киназы, малые G-белки, MAP киназы, активируемые либо при взаимодействии с липидными продуктами PI3K, либо через РI3К- зависимое белковое фосфорилирование.

Анти - апоптическое действие PI3K реализуется через активацию сигнальных белков другого ряда - протеинкиназы В (РКВ) и РКВ-зависимых ферментов (GSK-3, ILK).

Особую роль играет PI3K в процессе опухолевой трансформации. PI3K не только обладает самостоятельной онкогенной активностью, но и образует комплексы с некоторыми из вирусных и клеточных онкобелков (src, ras ,rac ,alb , Т-антиген), для реализации трансформирующего потенциала которых требуется обязательное присутствие PI3K в клетке.

Предполагается, что в основе трансформирующего действия PI3K лежат комплексные изменения клеточных сигнальных путей: возникновение постоянно генерируемого РI3К-зависимого митогенного сигнала (т.е. сигнала, приводящего к митозу- делению клетки) и активация некоторых протонкогенов (src, ras, гас и др.), стимуляция РI3К/РКВ-пути , приводящая к частичному блоку апоптоза и увеличению выживаемости клеток и реорганизация актинового цитоскелета.

Мембранные фосфолипиды, и в частности фосфатидилинозитол , относят к ключевым соединениям, участвующим в регуляции деления клеток.

В течение многих лет предполагалось, что роль фосфатидилинозитола (PtdIns) и его производных (PtdIns(3)P , PtdIns(3,4)P2 и PtdIns(3,4,5)P3) в передаче митогенного сигнала ограничивается гидролизом этих соединений под действием фосфолипазы С и образованием таких известных медиаторов клеточного деления, как диацилглицерол и инозитолфосфаты .

PI3K возможно играет основную роль в метаболизме инозитол-1,4,5-трифосфата (Ин-1,4,5-Ф3). Этот фермент очень специфичен по отношению к нему и имеет к нему очень высокое сродство.

Активность PI3K повышается при увеличении уровня ионов Са  и эта активация опосредуется кальмодулином. Таким образом, повышение под действием инозитол-1,4,5-трифосфата внутриклеточной концентрации Са способствует его превращению в инозитол-1,3,4,5-тетрафосфат (Ин-1,3,4,5-Ф4). Образование Ин-1,3,4,5-Ф4 и его метаболита Ин-1,3,4-Ф3 действительно регистрируется в клетках при действии гормонов, повышающих Ca.

Значение второго пути метаболизма Ин-1,4,5-Ф3 , который инициируется PI3K, не сводится только к удалению этого вторичного посредника из цитоплазмы и прекращению действия гормонов, вызывающих подъем Ca. С этой реакцией через Ин-1,3,4-Ф3 начинается образование высших фосфатов инозитола, которые, возможно, выполняют важные биологические функции. Сам Ин-1,3,4,5-Ф4 , вероятно, также участвуют в регуляции Ca. По некоторым данным это соединение активирует ток Са из внешней среды внутрь клетки. Было также сообщение о том, что Ин-1,3,4,5-Ф4 активирует закачивание Сa во внутриклеточные депо (Hill et al., 1988).

РI3K вовлечена в передачу сигнала от рецепторов факторов роста.

(Информация предоставлена www.humbio.ru)

Способность PI3K контролировать такие кардинальные клеточные функции, как пролиферация и апоптоз, послужила стимулом для изучения роли PI3K в регуляции другой важнейшей функции клеток - старения.
Известно, что феномен клеточного старения развивается по достижении
клетками предела Хейфлика, т.е. после прохождения определенного
количества делений и перехода клеток в состояние покоя (Hayflick L.
and Moorhead P., 1961). По мнению ряда исследователей, досрочный
переход клеток в состояние покоя и инициацию клеточного старения можно расценивать как одну из защитных программ, сходную с программированной клеточной гибелью (апоптозом) и активируемую при действии на клетки повреждающих агентов (Wenberg R., 1997). Косвенным свидетельством справедливости этого предположения является тот факт, что соединения, участвующие в передаче митогенного сигнала и обладающие апоптическим действием, в частности церамид, способны, в отличие от традиционных митогенов, эффективно влиять на скорость клеточного старения (Venable M. et al, 1995).

Получено несколько экспериментальных доказательств, свидетельствующих об участии PI3K в регуляции старения. Прежде всего следует отметить эксперименты на Caenorhabditis elegans, в которых была показана гомология одного из генов, контролирующих старение, - Agel, с геном, кодирующим каталитическую субъединицу PI3K у млекопитающих, и продемонстрировано участие Agel в регуляции развития С.elegans (Morris J. et al, 1996).

Убедительные доказательства участия PI3K в регуляции клеточного
старения получены в экспериментах на нормальных фибробластах in vitro. Сравнительный анализ действия на фибробласты ингибитора PI3K -
LY2940002 и ингибитора MEK1 (киназы, фосфорилирующей ERK1 и ERK2 ) - PD58029 показал, что оба соединения вызывают торможение пролиферации клеток. При этом только в первом случае (при действии ингибитора PI3K) задержка клеточного роста сопровождается появлением комплекса специфических фенотипических изменений, обычно характерного для стареющих фибробластов: активации галактозидазы, повышения экспрессии гена коллагеназы и подавления экспрессии специфического маркера пролиферирующих фибробластов гена EPC-1 (early population doubling level cDNA 1) (Tresini M. et al, 1998).

Складывается впечатление, что при PI3K-зависимой регуляции клеточного старения наиболее значительны компоненты антиапоптического сигнального пути, контролируемого PI3K , но независимого от RAS/RAF/ERK-каскада. Видимо, именно активация антиапоптического пути (и в первую очередь PKB) во многом определяет участие PI3K в регуляции клеточного старения.

Исследованием PI3K и их роли в развитии возраст-ассоциированных заболеваний, таких как диабет и рак, занимаются в Университете Данди. В 2006 году была запущена обширная международная программа по этой теме под руководством сэра Филипа Коена (Sir Philip Cohen). (Подробнее о коллективе, работающим под его руководством, можно узнать здесь) Она включает исследовательскую работу, конференции, лекции и семинары.
Успех противоопухолевой терапии ДНК- повреждающими средствами и радиотерапии обычно ограничен из-за развития у опухоли сопротивляемости к терапии. По большей части механизмы развития этой сопротивляемости неизвестны. Один из механизмов развития сопротивляемости- блокирование апоптоза. Антиапоптотический механизм в опухолевых клетках регулируется PI3K. В результате в разных типах опухолей инактивируется фосфатаза PTEN, которая является опухолевым супрессором.
Молекулярный механизм действия большинства противоопухолевых препаратов, повреждающих ДНК, заключается в активации апоптоза в клетках опухоли. Физиологическое значение апоптоза заключается именно в элиминации нежелательных клеток для поддержания гомеостаза в организме. Нарушение регуляции апоптоза приводит к неконтролируемому росту клеток и развитию опухоли. Программа самоубийства запускается через каскад каспаз.

Немаловажную роль PI3K играет и в инсулиновом сигналлинге, транспорте глюкозы и развитии диабета.

При диабете 2-го типа развивается инсулинорезистентность, дисфункция бета-клеток поджелудочной железы и увеличение синтеза глюкозы в клетках печени. Помимо внешних причин (питание, образ жизни и т.д.) большую роль играют внутренние, в том числе и генетические. Таким образом, нарушения в каких-либо генах, связанных с передачей инсулинового сигнала в клетке, могут участвовать в развитии диабета. (Схема сигнального пути инсулина представлена на рисунке) Поэтому исследование PI3K и факторов его активации важно для определения терапевтических мишеней при лечении диабета.

Исследованиями роли PI3K в развитии онкологических заболеваний занимаются в Ludwig Institute for Cancer Research Ltd (LICR). Этот исследовательский институт объединяет ученых из ведущих научных центров.
Выше мы вкратце обсудили роль PI3K в развитии рака. Многие из известных опухолевых супрессоров и онкогенов участвуют в сигнальных путях, регулируемых PI3K. Усиление PI3K-сигнала проявляется в увеличении накопления липидных вторичных посредников, усилении сигнала и трансформации клеток (превращение нормальных клеток в раковые).
Нарушение регуляции PI3K происходит двумя путями. Первый- усиление PI3K-сигнала за счет активных мутаций, увеличения числа копий генов и гиперэкспрессии PI3K или рецепторов, активирующих PI3K. Например, мутации, которые активируют рецептор эпидермального фактора роста (EGF), гиперэкспрессия которого обычно наблюдается при раке, повышают уровень липидных продуктов PI3K. PI3Kтакже активируется онкогеном Ras, который мутирует приблизительно в 25% раковых клеток. Показано, что Ras- зависимая активация PI3K важна для некоторых клеточных процессов, приводящих к трансформации клеток.
Потеря опухолевого супрессора, фосфатазы PTEN, наблюдаемая в клетках агрессивных опухолей мозга, матки, рака груди и меланом,- это второй путь. PTEN подавляет рост опухолевых клеток. Потеря PTEN из-за делеции гена или инактивирующей мутации очень распространена в опухолевых клетках.
Эти обширные исследования могут помочь в поиске средств от рака.

PI3K не только играет роль в развитии онкологических процессов, но и участвует в старении иммунной системы. При старении наблюдается парадоксальное явление- хроническое воспаление сопровождается снижением иммунного ответа. Дендритные клетки (ДК)- это антиген-представляющие клетки, способные инициировать иммунный ответ. Функции ДК в процессе старения пока недостаточно изучены. В University of California ученые под руководством Sudhir Gupta и Anshu Agrawal провели работу по сравнению ДК миелоидного происхождения у пожилых и молодых людей (статья). По сравнению с клетками, взятыми у молодых, клетки, взятые у пожилых, демонстрируют следующие особенности:
1) Значительное снижение способности к фагоцитозу
2) Снижение способности к миграции под действием хемокинов MIP-3beta и SDF-1
3) Снижение секреции TNF-alpha и IL-6, индуцированной LPS и ssRNA (одноцепочечной РНК)
Исследования внутриклеточных сигнальных путей показали снижение уровня фосфорилирования протеинкиназы B в ДК с возрастом, что свидетельствует о снижении активации PI3K-пути. PI3K играет роль положительного регулятора процессов миграции и фагоцитоза и отрицательного регулятора сигналлинга  толл-подобных рецепторов через активацию p38 MAPK. Это может служить объяснением отклонений в функционировании врожденного иммунитета у пожилых. С помощью ПЦР в реальном времени и анализа экспрессии белков с помощью проточного цитометра было обнаружено увеличение экспрессии фосфатазы PTEN, который является отрицательным регулятором PI3K, с возрастом. Увеличение уровня фосфатазы и гомолога тензина может приводить к нарушению фосфорилирования протеинкиназы B и отклонениям врожденного иммунитета у пожилых людей.

Как можно повлиять на PI3K? Сейчас в научной литературе широко обсуждается препарат ресвератрол, который используют при терапии многих опухолей. В основном его действие связывается с его действием на сиртуины, но кроме этого ресвератрол является ингибитором PI3K. Ресвератрол- это фитоалексин, полифенол, выделяемый из некоторых растений. Используется в химиотерапии. Увеличивает продолжительность жизни дрожжей и многоклеточных, в том числе и мышей. Для того, чтобы разобраться в том, как это происходит, воспользуемся обзором Shakibaei M, Harikumar KB и Aggarwal BB из мюнхенского Ludwig-Maximilian-University. Ресвератрол регулирует процессы клеточной гибели- некроз, апоптоз и аутофагию. Мишенью для ресвератрола является деацетилаза Sir2/SIRT1- фермент, который обеспечивает сопротивляемость стрессу и способствует старению. Ресвератрол выключает сигнальный путь ИФР, ключевую роль в котором играет PI3K, таким образом увеличивая продолжительность жизни. В то время как большинство работ свидетельствует о том, что ресвератрол убивает опухолевые клетки избирательно, получены доказательства, что он действует и на нормальные клетки (эндотелиальные клетки, лимфоциты, хондроциты (клетки хряща)). Кроме того, ресвератрол действует через все механизмы активации митохондрий, механизмы, в которых задействованы каспазы, через активацию ингибиторов циклин- зависимых киназ, продуктов генов опухолевых супрессоров, цитокинов и цитокиновых рецепторов, или через подавление белков, необходимых для выживания клетки, киназ и транскрипционных факторов. Индукция любого из этого путей ресвератролом приводит к гибели клетки. Таким образом, ресвератрол подавляет воспаления, сердечно-сосудистые заболевания и другие признаки старения.
Согласно данным группы исследователей из Франции ресвератрол является ингибитором PI3K класса IA. Они показали, что in vitro ресвератрол подавляет PI3K класса IA в культуре мышечных клеток в той же концентрации, в какой он активирует сиртуины. Именно с этим могут быть связаны антираковый эффект и эффект увеличения продолжительности жизни (статья).

Фосфоинозитол-3-киназы- это ключевое звено клеточных процессов передачи сигнала, они участвуют в регуляции важнейших клеточных процессов. Поэтому исследования этих киназ совершенно необходимы в поиске средств против старения. Главными задачами исследователей являются
 - поиск разумных способов воздействия на уровень PI3K,
 - поиск мишеней для регуляции процессов внутриклеточной передачи сигнала, связанных с PI3K,
 - применение всех этих методов для лечения различных заболеваний и борьбы с процессом старения

3 января 2009 года