Phosphoinositid-3-Kinase - Phosphoinositide 3-kinase

Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat-3-kinase
PI3kinase.png
PIK-93-Inhibitor (gelb) gebunden an die PI3K 110-gamma-Untereinheit.
Bezeichner
Symbol PI3K
Pfam PF00454
InterPro IPR000403
CLEVER SM00146
PROSITE PDOC00710
SCOP2 3gmm / UMFANG / SUPFAM
OPM-Superfamilie 265
OPM-Protein 3ml9
Phosphoinositid-3-Kinase
Bezeichner
EG-Nr. 2.7.1.137
CAS-Nr. 115926-52-8
Datenbanken
IntEnz IntEnz-Ansicht
BRENDA BRENDA-Eintrag
ExPASy NiceZyme-Ansicht
KEGG KEGG-Eintrag
MetaCyc Stoffwechselweg
PRIAM Profil
PDB- Strukturen RCSB PDB PDBe PDBsum

Phosphoinositid-3-Kinasen ( PI3Ks ), auch Phosphatidylinositol-3-Kinasen genannt , sind eine Familie von Enzymen, die an zellulären Funktionen wie Zellwachstum, Proliferation, Differenzierung, Motilität, Überleben und intrazellulärem Transport beteiligt sind, die wiederum an Krebs beteiligt sind.

PI3Ks sind eine Familie verwandter intrazellulärer Signalwandlerenzyme, die in der Lage sind, die Hydroxylgruppe in Position 3 des Inositolrings von Phosphatidylinositol (PtdIns) zu phosphorylieren. Der Weg mit dem Onkogen PIK3CA und dem Tumorsuppressorgen PTEN ist an der Empfindlichkeit von Krebstumoren gegenüber Insulin und IGF1 sowie an der Kalorienrestriktion beteiligt .

Entdeckung

Die Entdeckung von PI3Ks durch Lewis Cantley und Kollegen begann mit ihrer Identifizierung einer bisher unbekannten Phosphoinositid-Kinase, die mit dem mittleren T-Protein von Polyoma assoziiert ist . Sie beobachteten eine einzigartige Substratspezifität und chromatographische Eigenschaften der Produkte der Lipidkinase, was zu der Entdeckung führte, dass diese Phosphoinositidkinase die beispiellose Fähigkeit besitzt, Phosphoinositide an der 3'-Position des Inositolrings zu phosphorylieren. Anschließend zeigten Cantley und Kollegen, dass das Enzym in vivo PtdIns(4,5)P2 als Substrat bevorzugt und das neuartige Phosphoinositid PtdIns(3,4,5)P3 produziert, das zuvor in Neutrophilen identifiziert wurde.

Klassen

Die PI3K-Familie ist in vier verschiedene Klassen unterteilt: Klasse I , Klasse II , Klasse III und Klasse IV. Die Klassifikationen basieren auf Primärstruktur, Regulation und In-vitro- Lipidsubstratspezifität.

Klasse I

PI3Ks der Klasse I katalysieren die Umwandlung von Phosphatidylinositol (4,5)-bisphosphat (PI(4,5)P 2 ) in Phosphatidylinositol (3,4,5)-trisphosphat (PI(3,4,5)P 3 ) in vivo . In vitro wurde auch gezeigt, dass sie Phosphatidylinositol (PI) in Phosphatidylinositol-3-Phosphat (PI3P) und Phosphatidylinositol-4-Phosphat (PI4P) in Phosphatidylinositol (3,4)-Bisphosphat (PI(3,4)P 2 ) umwandeln. , sind diese Reaktionen in vivo stark benachteiligt. Der PI3K wird durch G-Protein-gekoppelte Rezeptoren und Tyrosinkinase-Rezeptoren aktiviert .

PI3Ks der Klasse I sind heterodimere Moleküle, die aus einer regulatorischen und einer katalytischen Untereinheit bestehen ; sie werden weiter in IA- und IB-Untergruppen hinsichtlich der Sequenzähnlichkeit unterteilt. PI3Ks der Klasse IA bestehen aus einem Heterodimer zwischen einer katalytischen Untereinheit von p110 und einer regulatorischen Untereinheit von p85. Es gibt fünf Varianten der regulatorischen Untereinheit von p85, die als p85α , p55α , p50α , p85β und p55γ bezeichnet werden . Es gibt auch drei Varianten der katalytischen Untereinheit von p110, die als katalytische Untereinheit p110α, β oder δ bezeichnet werden. Die ersten drei regulatorischen Untereinheiten sind alle Spleißvarianten desselben Gens ( Pik3r1 ), die anderen beiden werden von anderen Genen exprimiert (Pik3r2 und Pik3r3, p85β bzw. p55γ). Die am stärksten exprimierte regulatorische Untereinheit ist p85α; alle drei katalytischen Untereinheiten werden durch separate Gene exprimiert ( Pik3ca , Pik3cb und Pik3cd für p110α , p110β bzw. p110δ ). Die ersten beiden p110-Isoformen (α und β) werden in allen Zellen exprimiert, aber p110δ wird hauptsächlich in Leukozyten exprimiert , und es wurde vermutet, dass es sich parallel mit dem adaptiven Immunsystem entwickelt hat. Die regulatorischen p101- und katalytischen p110γ- Untereinheiten umfassen die Klasse IB PI3Ks und werden jeweils von einem einzelnen Gen kodiert ( Pik3cg für p110γ und Pik3r5 für p101).

Die p85 - Untereinheiten enthalten SH2 und SH3 - Domänen ( Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM): 171.833 ). Die SH2-Domänen binden bevorzugt an phosphorylierte Tyrosinreste im Aminosäuresequenzkontext YXXM.

Klassen II und III

Übersicht über die an der Apoptose beteiligten Signaltransduktionswege .

PI3Ks der Klasse II und III unterscheiden sich von der Klasse I durch ihre Struktur und Funktion. Das charakteristische Merkmal von Klasse-II-PI3Ks ist die C-terminale C2-Domäne. Dieser Domäne fehlen kritische Asp- Reste, um die Bindung von Ca 2+ zu koordinieren , was darauf hindeutet, dass PI3Ks der Klasse II Lipide in einer Ca 2+ -unabhängigen Weise binden .

Klasse II umfasst drei katalytische Isoformen (C2α, C2β und C2γ), aber im Gegensatz zu den Klassen I und III keine regulatorischen Proteine. Klasse II katalysiert die Produktion von PI(3)P aus PI und PI(3,4)P 2 aus PI(4)P; über ihre Rolle in Immunzellen ist jedoch wenig bekannt. Es wurde jedoch gezeigt, dass PI(3,4)P 2 in der Invaginationsphase der Clathrin-vermittelten Endozytose eine Rolle spielt. C2α und C2β werden durch den Körper exprimiert, aber die Expression von C2γ ist auf Hepatozyten beschränkt .

PI3Ks der Klasse III produzieren nur PI(3)P aus PI, sind aber in der Struktur der Klasse I ähnlicher, da sie als Heterodimere einer katalytischen ( Vps34 ) und einer regulatorischen (Vps15/p150) Untereinheit existieren. Klasse III scheint hauptsächlich am Transport von Proteinen und Vesikeln beteiligt zu sein. Es gibt jedoch Hinweise darauf, dass sie in der Lage sind, zur Wirksamkeit mehrerer für Immunzellen wichtige Prozesse, nicht zuletzt der Phagozytose , beizutragen .

Klasse IV

Eine Gruppe weiter entfernt verwandter Enzyme wird manchmal als PI3Ks der Klasse IV bezeichnet. Es besteht aus mutierter Ataxia teleangiectasia (ATM), Ataxia teleangiectasia and Rad3 related (ATR), DNA-abhängiger Proteinkinase (DNA-PK) und Säugetier-Target von Rapamycin (mTOR). Sie sind Protein-Serin/Threonin-Kinasen.

Menschliche Gene

Gruppe Gen Protein Decknamen EG-Nummer
Katalysator der Klasse 1 PIK3CA PI3K, katalytisch, Alpha-Polypeptid p110-α 2.7.1.153
PIK3CB PI3K, katalytisch, Beta-Polypeptid p110-β
PIK3CG PI3K, katalytisch, Gamma-Polypeptid p110-γ
PIK3CD PI3K, katalytisch, Delta-Polypeptid p110-δ
Klasse 1 regulatorisch PIK3R1 PI3K, regulatorische Untereinheit 1 (alpha) p85-α N / A
PIK3R2 PI3K, regulatorische Untereinheit 2 (Beta) p85-β
PIK3R3 PI3K, regulatorische Untereinheit 3 ​​(Gamma) p55-γ
PIK3R4 PI3K, regulatorische Untereinheit 4 p150
PIK3R5 PI3K, regulatorische Untereinheit 5 p101
PIK3R6 PI3K, regulatorische Untereinheit 6 p87
Klasse 2 PIK3C2A PI3K, Klasse 2, Alpha-Polypeptid PI3K-C2α 2.7.1.154
PIK3C2B PI3K, Klasse 2, Beta-Polypeptid PI3K-C2β
PIK3C2G PI3K, Klasse 2, Gamma-Polypeptid PI3K-C2γ
Klasse 3 PIK3C3 PI3K, Klasse 3 Vps34 2.7.1.137

Mechanismus

Die verschiedenen 3-phosphorylierten Phosphoinositide , die von PI3Ks produziert werden ( PtdIns3P , PtdIns(3,4)P2 , PtdIns(3,5)P2 und PtdIns(3,4,5)P3 ) funktionieren nach einem Mechanismus, durch den eine sortierte Gruppe von Signalproteinen, die PX-Domänen , Pleckstrin-Homologiedomänen (PH-Domänen), FYVE-Domänen oder andere Phosphoinositid-bindende Domänen enthalten, werden an verschiedene Zellmembranen rekrutiert.

Funktion

PI3Ks wurden mit einer außergewöhnlich vielfältigen Gruppe von Zellfunktionen in Verbindung gebracht, darunter Zellwachstum, Proliferation, Differenzierung, Motilität, Überleben und intrazellulärer Transport. Viele dieser Funktionen beziehen sich auf die Fähigkeit von Klasse-I-PI3Ks, die Proteinkinase B (PKB, auch bekannt als Akt) wie im PI3K/AKT/mTOR-Weg zu aktivieren . Die Isoformen p110δ und p110γ regulieren verschiedene Aspekte von Immunantworten. PI3Ks sind auch eine Schlüsselkomponente des Insulin-Signalwegs . Daher besteht großes Interesse an der Rolle des PI3K-Signalwegs bei Diabetes mellitus .

Mechanismus

Die Pleckstrin-Homologiedomäne von AKT bindet direkt an PtdIns(3,4,5)P3 und PtdIns(3,4)P2 , die von aktivierten PI3Ks produziert werden. Da PtdIns(3,4,5)P3 und PtdIns(3,4)P2 auf die Plasmamembran beschränkt sind, führt dies zu einer Translokation von AKT zur Plasmamembran. Ebenso enthält die Phosphoinositid-abhängige Kinase-1 (PDK1 oder selten als PDPK1 bezeichnet) eine Pleckstrin-Homologiedomäne, die direkt an PtdIns(3,4,5)P3 und PtdIns(3,4)P2 bindet, wodurch es zu auch nach PI3K-Aktivierung zur Plasmamembran translozieren. Die Interaktion von aktiviertem PDK1 und AKT ermöglicht es, dass AKT durch PDK1 auf Threonin 308 phosphoryliert wird, was zu einer teilweisen Aktivierung von AKT führt. Die vollständige Aktivierung von AKT erfolgt nach Phosphorylierung von Serin 473 durch den TORC2-Komplex der mTOR- Proteinkinase.

Es hat sich gezeigt, dass der PI3K/AKT-Signalweg für eine äußerst vielfältige Reihe von zellulären Aktivitäten erforderlich ist – insbesondere für die Zellproliferation und das Überleben. Es wurde beispielsweise gezeigt, dass es am Schutz von Astrozyten vor Ceramid-induzierter Apoptose beteiligt ist.

Viele andere Proteine ​​wurden identifiziert, die durch PtdIns(3,4,5)P3 reguliert werden, darunter Brutons Tyrosinkinase (BTK), General Receptor for Phosphoinositides-1 (GRP1) und das O-gebundene N-Acetylglucosamin (O-GlcNAc ) Transferase .

PtdIns(3,4,5)P3 aktiviert auch Guanin‐Nukleotid‐Austauschfaktoren (GEFs), die die GTPase Rac1 aktivieren, was zur Aktinpolymerisation und Zytoskelett‐Umlagerung führt.

Krebse

Die Klasse IA PI3K p110α ist bei vielen Krebsarten mutiert. Viele dieser Mutationen bewirken, dass die Kinase aktiver ist. Es ist die am meisten mutierte Kinase im Glioblastom, dem bösartigsten primären Hirntumor. Die PtdIns (3,4,5) P 3 Phosphatase PTEN daß antagonisiert PI3K Signalisierung fehlt bei vielen Tumoren. Darüber hinaus wird der epidermale Wachstumsfaktorrezeptor EGFR , der stromaufwärts von PI3K wirkt , bei Krebs mutiert oder überexprimiert. Daher trägt die PI3K-Aktivität wesentlich zur zellulären Transformation und zur Krebsentstehung bei . Es konnte gezeigt werden, dass bösartige B-Zellen über die Hochregulation eines Adapterproteins GAB1 eine „tonische“ Aktivität der PI3K/Akt-Achse aufrechterhalten, was auch B-Zellen ermöglicht, eine gezielte Therapie mit BCR-Inhibitoren zu überleben.

Lernen und Gedächtnis

PI3Ks sind auch an der Langzeitpotenzierung (LTP) beteiligt. Ob sie für die Expression oder die Induktion von LTP erforderlich sind, wird noch diskutiert. In hippocampalen CA1-Neuronen von Mäusen werden bestimmte PI3Ks mit AMPA-Rezeptoren komplexiert und an der postsynaptischen Dichte glutamaterger Synapsen unterteilt. PI3Ks werden nach NMDA-Rezeptor- abhängiger CaMKII-Aktivität phosphoryliert und erleichtern dann die Insertion von AMPA-R GluR1-Untereinheiten in die Plasmamembran. Dies legt nahe, dass PI3Ks für die Expression von LTP erforderlich sind. Darüber hinaus verhinderten PI3K-Inhibitoren die Expression von LTP im Hippocampus-CA1 der Ratte, beeinflussen jedoch nicht seine Induktion. Bemerkenswerterweise scheint die Abhängigkeit der LTP-Expression in der späten Phase von PI3Ks mit der Zeit abzunehmen.

Eine andere Studie ergab jedoch, dass PI3K-Inhibitoren die Induktion, aber nicht die Expression von LTP im Hippocampus CA1 der Maus unterdrückten. Der PI3K-Weg rekrutiert auch viele andere stromabwärts gelegene Proteine, einschließlich mTOR , GSK3β und PSD-95 . Der PI3K-mTOR-Weg führt zur Phosphorylierung von p70S6K , einer Kinase, die die Translationsaktivität erleichtert, was weiter darauf hindeutet, dass stattdessen PI3Ks für die Proteinsynthesephase der LTP-Induktion benötigt werden.

PI3Ks interagieren mit dem Insulinrezeptorsubstrat (IRS), um die Glukoseaufnahme durch eine Reihe von Phosphorylierungsereignissen zu regulieren.

PI 3-Kinasen als Proteinkinasen

Viele PI3Ks scheinen in vitro eine Serin/Threonin-Kinase-Aktivität zu haben ; es ist jedoch unklar, ob dies in vivo eine Rolle spielt .

Hemmung

Alle PI3Ks werden durch die Wirkstoffe Wortmannin und LY294002 gehemmt , obwohl bestimmte Mitglieder der Klasse-II-PI3K-Familie eine verminderte Sensitivität zeigen. Wortmannin zeigt eine bessere Effizienz als LY294002 an den Hotspot-Mutationspositionen (GLU542, GLU545 und HIS1047)

PI3K-Inhibitoren als Therapeutika

Da Wortmannin und LY294002 in höheren Konzentrationen Breitband- Inhibitoren von PI3Ks und einer Reihe nicht verwandter Proteine ​​sind, sind sie zu toxisch, um als Therapeutikum verwendet zu werden. Eine Reihe von Pharmaunternehmen haben daher PI3K-Isoform-spezifische Inhibitoren entwickelt. Seit Januar 2019 sind drei PI3K-Inhibitoren von der FDA für den klinischen Routineeinsatz beim Menschen zugelassen: der PIK3CD-Inhibitor Idelalisib (Juli 2014, NDA 206545 ), der duale PIK3CA- und PIK3CD-Inhibitor Copanlisib (September 2017, NDA 209936 ) und der duale PIK3CD- und PIK3CG-Inhibitor Duvelisib (September 2018, NDA 211155 ). Die gleichzeitige Hemmung des Signalwegs mit anderen Signalwegen wie MAPK oder PIM wurde als vielversprechende therapeutische Strategie zur Krebsbekämpfung hervorgehoben, die gegenüber dem monotherapeutischen Ansatz Vorteile bieten könnte, indem sie kompensatorische Signale umgeht, die Entwicklung von Resistenzen verlangsamt und möglicherweise eine Reduzierung von Dosierung.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links