PKM2

PKM
Tillgängliga strukturer
PDB	Ortologisk sökning:
Lista över PDB-id-koder
Identifierare
	, CTHBP, HEL-S-30, OIP3, PK3, PKM2, TCB, THBP1, pyruvatkinas, muskel, pyruvatkinas M1/2, p58
Externa ID :n
Genplacering ( Human )
Chr.
Slutet
Genplacering ( Mus )
Chr.
Slutet
RNA uttrycksmönster
Genontologi
Molekylär funktion
Cellkomponent
Biologisk process
	Källor: Amigo / QuickGO
Ortologer
	Wikidata
Visa/redigera människa	Visa/redigera mus

Pyruvatkinasisozymer M1/M2 (PKM1/M2), även känd som pyruvatkinasmuskelisozym (PKM), pyruvatkinas typ K , cytosoliskt sköldkörtelhormonbindande protein (CTHBP), sköldkörtelhormonbindande protein 1 (THBP1) eller opa -interagerande protein 3 (OIP3), är ett enzym som hos människor kodas av PKM2 -genen .

PKM2 är ett isoenzym av det glykolytiska enzymet pyruvatkinas . Beroende på vävnadernas olika metaboliska funktioner, uttrycks olika isoenzymer av pyruvatkinas. PKM2 uttrycks i vissa differentierade vävnader, såsom lunga , fettvävnad , retina och pankreasöar , såväl som i alla celler med en hög hastighet av nukleinsyrasyntes, såsom normala prolifererande celler, embryonala celler och speciellt tumörceller .

Strukturera

Två isozymer kodas av PKM -genen: PKM1 och PKM2. M-genen består av 12 exoner och 11 introner . PKM1 och PKM2 är olika splitsningsprodukter av M-genen (exon 9 för PKM1 och exon 10 för PKM2) och skiljer sig endast i 23 aminosyror inom en sträcka på 56 aminosyror (aa 378–434) vid deras karboxiterminal .

Fungera

Pyruvatkinas katalyserar det sista steget inom glykolysen , defosforyleringen av fosfoenolpyruvat till pyruvat , och är ansvarig för nettoproduktion av ATP inom den glykolytiska sekvensen. I motsats till mitokondriell andning är energiregenerering av pyruvatkinas oberoende av syretillförseln och tillåter överlevnad av organen under hypoxiska förhållanden som ofta finns i solida tumörer.

Inblandningen av detta enzym i en mängd olika vägar , protein-protein-interaktioner och nukleär transport antyder dess potential att utföra flera icke-glykolytiska funktioner med olika implikationer, även om multidimensionell roll för detta protein ännu inte är helt utforskad. Emellertid har en funktionell roll i angiogenes den så kallade processen för blodkärlsbildning genom interaktion och reglering av Jmjd8 visats.

Lokalisering

Vävnad

PKM1-isozymet uttrycks i organ som är starkt beroende av en hög hastighet av energiregenerering, såsom muskler och hjärna .

Cellulär

PKM2 är enzymet pyruvatkinas M2 (PKM2) och en transkriptionell koaktivator av STAT1 som ansvarar för induktionen av proteinet PDL-1- uttryck och dess reglering i tumör- och immunceller. I laktatproduktionen krävs det uppreglerade PKM2 och det leder till dess bidrag till inflammatorisk respons, organskada och septisk död. Som en konsekvens av detta, avlägsnande av PKM2 i myeloidceller, administrering av anti-PD-L1 eller tillskott med rekombinant interleukin - 1 (IL-7) underlättar det mikrobiella clearance, hämmar T-cellapoptos, minskar multipel organdysfunktion och minskar septisk död hos möss med Bmal1-brist.

Subcellulär

PKM2 är ett cytosoliskt enzym som är associerat med andra glykolytiska enzymer, dvs hexokinas , glyceraldehyd 3-P dehydrogenas , fosfoglyceratkinas , fosfoglyceromutas , enolas och laktatdehydrogenas i ett så kallat glykolytiskt enzymkomplex.

Emellertid innehåller PKM2 en inducerbar nukleär lokaliseringssignal i sin C-terminala domän. Rollen för PKM2 inom kärnan är komplex, eftersom pro-proliferativa men även pro- apoptotiska stimuli har beskrivits. Å ena sidan befanns nukleär PKM2 delta i fosforyleringen av histon 1 genom direkt fosfatöverföring från PEP till histon 1. Å andra sidan nukleär translokation av PKM2 inducerad av en somatostatinanalog , H ₂ O ₂ , eller UV-ljus har kopplats till kaspasoberoende programmerad celldöd.

Klinisk signifikans

Bifunktionell roll inom tumörer

PKM2 uttrycks i de flesta mänskliga tumörer. Inledningsvis diskuterades en byte från PKM1 till PKM2-uttryck under tumörbildning . Dessa slutsatser var emellertid resultatet av feltolkningar av westernblottar som hade använt PKM1-uttryckande musmuskel som den enda icke-cancervävnaden. I kliniska cancerprover kunde endast en uppreglering av PKM2, men ingen cancerspecificitet, bekräftas.

I motsats till den nära homologa PKM1, som alltid förekommer i en högaktiv tetramer form och som inte är allosteriskt reglerad, kan PKM2 förekomma i en tetramer form men även i en dimer form. Den tetramera formen av PKM2 har hög affinitet till sitt substrat fosfoenolpyruvat (PEP) och är mycket aktiv vid fysiologiska PEP-koncentrationer. När PKM2 huvudsakligen är i den högaktiva tetrameriska formen, vilket är fallet i differentierade vävnader och de flesta normala prolifererande celler, omvandlas glukos till pyruvat under energiproduktion. Samtidigt kännetecknas den dimera formen av PKM2 av en låg affinitet till dess substrat PEP och är nästan inaktiv vid fysiologiska PEP-koncentrationer. När PKM2 huvudsakligen är i den mindre aktiva dimera formen, vilket är fallet i tumörceller, ackumuleras alla glykolytiska intermediärer ovanför pyruvatkinas och kanaliseras till syntetiska processer, som förgrenar sig från glykolytiska intermediärer som nukleinsyra-, fosfolipid- och aminosyror. syrasyntes. Nukleinsyror , fosfolipider och aminosyror är viktiga cellbyggstenar, som i hög grad behövs av starkt prolifererande celler, såsom tumörceller.

På grund av nyckelpositionen för pyruvatkinas inom glykolys, bestämmer tetramer:dimer-förhållandet för PKM2 huruvida glukoskol omvandlas till pyruvat och laktat under produktion av energi (tetramer form) eller kanaliseras till syntetiska processer (dimer form). Men även om PKM2-aktiviteten är låg, vilket leder till avledning av uppströms intermediärer till syntetiska processer, kommer pyruvat och laktat fortfarande att tillverkas med hjälp av kolatomer från glukos och andra metaboliter genom 86 vägar som går förbi pyruvatkinas . Dessa pyruvatkinas-bypassvägar skiljer sig från de som deltar i glukoneogenesen . Intressant nog använder många av pyruvatkinas-bypassvägarna metaboliter som passerar genom mitokondrier , vilket understryker vikten av mitokondrier i cancermetabolism oavsett oxidativ fosforylering .

I tumörceller är PKM2 huvudsakligen i dimer form och har därför benämnts tumör M2-PK . Kvantifieringen av tumör M2-PK i plasma och avföring är ett verktyg för tidig upptäckt av tumörer och uppföljningsstudier under terapi. Dimeriseringen av PKM2 i tumörceller induceras av direkt interaktion av PKM2 med olika onkoproteiner (pp60v-src, HPV-16 E7 och A-Raf). Den fysiologiska funktionen av interaktionen mellan PKM2 och HERC1 såväl som mellan PKM2 och PKCdelta är okänd). På grund av den väsentliga rollen av PKM2 i aerob glykolys (Warburg-effekten) som är en dominerande metabolisk väg som används av cancerceller. Dess övervunnit på denna väg i makrofager kan leda till bättre resultat vid experimentell sepsis. Således är PKM2 en regulator av LPS- och tumörinducerat PD-L1- uttryck på makrofager och dendritiska celler såväl som tumörceller.

Emellertid är tetramer:dimer-förhållandet för PKM2 inte ett stationärt värde. Höga nivåer av den glykolytiska mellanprodukten fruktos 1,6-bisfosfat inducerar återassociering av den dimera formen av PKM2 till den tetramera formen. Som en konsekvens omvandlas glukos till pyruvat och laktat med produktion av energi tills fruktos-1,6-bisfosfatnivåerna faller under ett kritiskt värde för att tillåta dissociation till den dimera formen. Denna förordning kallas metaboliskt budgetsystem . En annan aktivator av PKM2 är aminosyran serin . Sköldkörtelhormonet 3,3´,5-triiodi-L-tyronin ( T3 ) binder till den monomera formen av PKM2 och förhindrar dess association till den tetramera formen.

I tumörceller kallas den ökade hastigheten av laktatproduktion i närvaro av syre för Warburg-effekten . Genetisk manipulation av cancerceller så att de producerar vuxen PKM1 istället för PKM2 vänder Warburg-effekten och minskar tillväxthastigheten för dessa modifierade cancerceller. Följaktligen reducerade samtransfektion av NIH 3T3-celler med gag-A-Raf och en kinasdöd mutant av PKM2 kolonin medan samtransfektion med gag-A-Raf och vildtyp PKM2 ledde till en fördubbling av fokusbildning.

Den dimera formen av PKM2 har observerats ha proteinkinasaktivitet i tumörceller. Det kan binda till och fosforylera histon H3 av kromatin i cancerceller, och har därigenom en roll i regleringen av genuttryck. Denna modifiering av histon H3 och det resulterande engagemanget i genuttrycksreglering kan vara en orsak till tumörcellsproliferation.

Pyruvatkinasaktiviteten hos PKM2 kan främjas av SAICAR (succinylaminoimidazolkarboxamid ribos-5'-fosfat), en mellanprodukt i purinbiosyntes. I cancerceller leder glukossvält till en ökning av SAICAR-nivåerna och den efterföljande stimuleringen av pyruvatkinasaktiviteten hos PKM2. Detta möjliggör fullbordandet av den glykolytiska vägen för att producera pyruvat och därmed överlevnad under glukosbrist. Dessutom kan ett överflöd av SAICAR modifiera glukosabsorption och laktatproduktion i cancerceller. Det har emellertid visats att SAICAR-bindning också tillräckligt stimulerar proteinkinasaktiviteten hos PKM2 i tumörceller. I sin tur kan SAICAR-PKM2-komplexet potentiellt fosforylera ett antal andra proteinkinaser med PEP som fosfatdonator. Många av dessa proteiner bidrar till regleringen av cancercellsproliferation. Specifikt kan PKM2 vara en komponent i mitogenaktiverat proteinkinas (MAPK) signalering, vilket är associerat med ökad cellproliferation om den fungerar felaktigt. Detta ger en potentiell koppling mellan SAICAR-aktiverad PKM2 och cancercelltillväxt.

Naturliga mutationer och karcinogenes

Två missense-mutationer , H391Y och K422R, av PKM2 hittades i celler från Bloom-syndrompatienter som är benägna att utveckla cancer. Resultaten visar att, trots närvaron av mutationer i kontaktdomänen mellan subenheter, bibehöll K422R- och H391Y-mutantproteinerna sin homotetramera struktur, liknande vildtypsproteinet, men visade en aktivitetsförlust på 75 respektive 20 %. H391Y visade en 6-faldig ökning av affinitet för dess substrat fosfoenolpyruvat och betedde sig som ett icke-allosteriskt protein med kompromitterad kooperativ bindning. Emellertid förlorades affiniteten för fosfoenolpyruvat signifikant i K422R. Till skillnad från K422R visade H391Y förbättrad termisk stabilitet, stabilitet över ett intervall av pH -värden, en mindre effekt av den allosteriska hämmaren Phe och motstånd mot strukturförändringar vid bindning av aktivatorn (fruktos 1,6-bisfosfat) och hämmaren (Phe). Båda mutanterna visade en liten förändring i pH-optimum från 7,4 till 7,0. Samuttrycket av homotetramerisk vildtyp och mutant PKM2 i den cellulära miljön vilket resulterade i interaktionen mellan de två på monomernivån underbyggdes ytterligare av in vitro-experiment. Korsmonomerinteraktionen förändrade signifikant det oligomera tillståndet för PKM2 genom att gynna dimerisering och heterotetramerisering. In silico studie gav ett extra stöd för att visa att hetero-oligomerisering var energetiskt gynnsam. De hetero-oligomera populationerna av PKM2 visade förändrad aktivitet och affinitet, och deras uttryck resulterade i en ökad tillväxthastighet av Escherichia coli såväl som däggdjursceller, tillsammans med en ökad hastighet av polyploidi . Dessa egenskaper är kända för att vara väsentliga för tumörprogression.

Vidare bedömdes celler som stabilt uttrycker exogent vild- eller mutant-PKM2 (K422R eller H391Y) eller samuttrycker både vild och mutant (PKM2-K422R eller PKM2-H391Y), för cancermetabolism och tumörframkallande potential. Celler som samtidigt uttrycker PKM2 och mutant (K422R eller H391Y) visade signifikant aggressiv cancermetabolism, jämfört med celler som uttryckte antingen vild eller mutant PKM2 oberoende. En liknande trend observerades för oxidativ uthållighet, tumörframkallande potential, cellulär proliferation och tumörtillväxt. Dessa observationer anger den dominerande negativa naturen hos dessa mutationer. Anmärkningsvärt nog visade PKM2-H391Y samuttryckta celler en maximal effekt på alla studerade parametrar. En sådan dominant negativ försämrad funktion av PKM2 vid tumörutveckling är inte känd; visar också för första gången den möjliga predispositionen hos BS-patienter med nedsatt PKM2-aktivitet för cancer, och vikten av att studera genetiska variationer i PKM2 i framtiden för att förstå deras relevans för cancer i allmänhet.

Regulatoriska kretsar

Cancerceller kännetecknas av en omprogrammering av energiomsättningen. Under det senaste decenniet har förståelsen för de metabola förändringar som sker i cancer ökat dramatiskt, och det finns ett stort intresse för att rikta ämnesomsättningen för cancerterapi. PKM2 spelar en nyckelroll i att modulera glukosmetabolismen för att stödja cellproliferation. PKM2, liksom andra PK-isoformer, katalyserar det sista energigenererande steget i glykolysen, men är unik i sin förmåga att regleras. PKM2 regleras på flera cellulära nivåer, inklusive genuttryck, alternativ splitsning och posttranslationell modifiering . Dessutom regleras PKM2 av viktiga metaboliska intermediärer och interagerar med mer än tjugo olika proteiner. Därför är detta isoenzym en viktig regulator av glykolys och ytterligare funktioner i andra nya roller som nyligen har dykt upp. Nya bevis tyder på att ingripande i det komplexa regulatoriska nätverket av PKM2 har allvarliga konsekvenser på tumörcellsproliferation, vilket indikerar potentialen för detta enzym som ett mål för tumörterapi.

Bakteriell patogenes

Med jästens tvåhybridsystem visade sig gonokock-Opa-proteiner interagera med PKM2. Resultaten tyder på att direkt molekylär interaktion med värdens metaboliska enzym PKM2 krävs för förvärvet av pyruvat och för gonokocktillväxt och överlevnad.

Interaktiv vägkarta

Klicka på gener, proteiner och metaboliter nedan för att länka till respektive artiklar.

[[Fil:

[[ ]]

|alt=Glykolys och glukoneogenes redigera ]]

Glykolys och glukoneogenes redigera

Se även

externa länkar

Pyruvat+kinas vid US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
Erich Eigenbrodt; Sybille Mazurek. "Pyruvatkinasisoenzym typ M2 (M2-PK)" . Tumörmetabolomdatabas . Hämtad 2008-03-22 .
Översikt över all strukturell information tillgänglig i PDB för UniProt : P14618 (Pyruvatkinas PKM) på PDBe-KB .