La PDE1 ( fosfodiesterasa tipo 1 ) es una enzima fosfodiesterasa también conocida como fosfodiesterasa dependiente de calcio y calmodulina . Es una de las 11 familias de fosfodiesterasas (PDE1-PDE11). PDE1 tiene tres subtipos , PDE1A, PDE1B y PDE1C que se dividen en varias isoformas . Las diversas isoformas exhiben diferentes afinidades por cAMP y cGMP . [1] [2]
Fosfodiesterasa I | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Identificadores | ||||||||
CE no. | 3.1.4.1 | |||||||
No CAS. | 9025-82-5 | |||||||
Bases de datos | ||||||||
IntEnz | Vista IntEnz | |||||||
BRENDA | Entrada BRENDA | |||||||
FÁCIL | NiceZyme vista | |||||||
KEGG | Entrada KEGG | |||||||
MetaCyc | camino metabólico | |||||||
PRIAM | perfil | |||||||
Estructuras PDB | RCSB PDB PDBe PDBsum | |||||||
|
Descubrimiento
La existencia de la PDE1 estimulada con Ca 2+ fue demostrada por primera vez por Cheung (1970), Kakiuchi y Yamazaki (1970) como resultado de sus investigaciones sobre cerebro bovino y cerebro de rata, respectivamente. [1] [3] Desde entonces, se ha encontrado que se distribuye ampliamente en varios tejidos de mamíferos , así como en otros eucariotas . Ahora es uno de los miembros más estudiados de la superfamilia de enzimas PDE , [3] que hoy representa 11 familias de genes , [1] [4] y la mejor caracterizada también. [3]
Investigaciones adicionales en el campo, junto con una mayor disponibilidad de anticuerpos monoclonales, han demostrado que existen y se han identificado y purificado varias isoenzimas PDE1 . Ahora se sabe que la PDE1 existe como isoenzimas específicas de tejido. [3]
Estructura
La familia de isoenzimas PDE1 pertenece a una clase de enzimas I, [2] [5] que incluye todas las PDE de vertebrados y algunas enzimas de levadura . [5] Todas las enzimas de clase I tienen un núcleo catalítico de al menos 250 aminoácidos, mientras que las enzimas de clase II carecen de esta característica común. [5]
Por lo general, las PDE de vertebrados son dímeros de proteínas lineales de 50 a 150 kDa . [5] Consisten en tres dominios funcionales ; un núcleo catalítico conservado, un terminal N regulador y un terminal C [3-5]. Las proteínas son quiméricas y cada dominio está asociado con su función particular. [2]
El terminal N regulador es sustancialmente diferente en varios tipos de PDE. [4] [5] Están flanqueados por el núcleo catalítico e incluyen regiones que autoinhiben los dominios catalíticos. También se dirigen a secuencias que controlan la localización subcelular . En PDE1, esta región contiene un dominio de unión a calmodulina. [4]
Los dominios catalíticos de PDE1 (y otros tipos de PDE) tienen tres subdominios helicoidales : una región N-terminal de pliegues de ciclina, una región enlazadora y un haz helicoidal C-terminal. Se forma una bolsa hidrófoba profunda en la interfaz de estos subdominios. Está compuesto por cuatro subsitios . Estos son: un sitio de unión de metal (sitio M), un bolsillo central (bolsillo Q), un bolsillo hidrofóbico (bolsillo H) y la región del párpado (región L). El sitio M se coloca en la parte inferior del bolsillo hidrofóbico con varios átomos de metal . Los átomos de metal se unen a residuos que están completamente conservados en todos los miembros de la familia PDE. La identidad de los átomos de metal no se conoce con absoluta certeza. Sin embargo, alguna evidencia indica que al menos uno de los metales es zinc y es probable que el otro sea magnesio . El zinc esfera de coordinación se compone de tres histidinas , uno aspartato y dos de agua moléculas . La esfera de coordinación de magnesio involucra el mismo aspartato junto con cinco moléculas de agua, una de las cuales se comparte con la molécula de zinc. El papel conocido de los iones metálicos incluye la estabilización de la estructura, así como la activación del hidróxido para mediar la catálisis . [4]
Los dominios están separados por regiones "bisagra" donde pueden separarse experimentalmente mediante proteólisis limitada. [2]
La familia de isoenzimas PDE1 (junto con la familia PDE4) es la más diversa e incluye numerosas isoformas de PDE1 variantes de empalme. Tiene tres subtipos, PDE1A, PDE1B y PDE1C, que se dividen en varias isoformas. [1] [2]
Localización
La localización de las isoformas de PDE1 en diferentes tejidos / células y su ubicación dentro de las células es la siguiente:
Isoforma | Localización tisular / celular | Localización intracelular |
---|---|---|
PDE1A ( PDE1A ) | Músculo liso, corazón, pulmón, cerebro, esperma [2] | Predominantemente citosólico [2] |
PDE1A1 | Corazón, pulmón [2] | Predominantemente citosólico [2] |
PDE1A2 | Cerebro [2] | Predominantemente citosólico [2] |
PDE1B1 ( PDE1B ) | Neuronas, linfocitos, músculo liso [2] cerebro, corazón, músculo esquelético [1] | Citosólico [2] |
PDE1B2 | Macrófagos, linfocitos [2] | Citosólico [2] |
PDE1C ( PDE1C ) | Cerebro, músculo liso humano en proliferación, espermátidas [2] | Citosólico [2] |
PDE1C1 | Cerebro, corazón, testículos [6] | - |
PDE1C2 | Epitelio olfatorio [2] | Citosólico [2] |
PDE1C4 / 5 | El ARNm está presente en los testículos [6] | - |
Tabla 1. Ubicación de varias PDE1 en tejidos y dentro de las células.
Se informa que la mayoría de las isoformas de PDE1 son citosólicas . Sin embargo, existen casos de PDE1 que se localizan en regiones subcelulares, pero se sabe poco acerca de los mecanismos moleculares responsables de dicha localización. Se cree que es probable que las regiones N-terminales o C-terminales únicas de las diversas isoformas permitan que las diferentes proteínas se dirijan a dominios subcelulares específicos. [2]
Rol funcional
PDE1 cataliza la siguiente reacción química : [7]
- Hidrolíticamente elimina 5'- nucleótidos sucesivamente desde el extremo 3 ' hidroxi terminales de 3'-terminados en hidroxi oligonucleótidos
Hidroliza tanto los ribonucleótidos como los desoxirribonucleótidos . Tiene baja actividad frente a polinucleótidos .
Los segundos mensajeros intracelulares, como el cGMP y el cAMP, experimentan cambios rápidos de concentración en respuesta a una amplia variedad de estímulos específicos de las células. La concentración de estos segundos mensajeros está determinada en gran medida por la actividad sintética relativa de la adenilato ciclasa y la actividad degradativa del nucleótido cíclico PDE. [3] La función de las enzimas PDE1 es degradar tanto el cGMP como el cAMP. [8]
Las diversas isoformas exhiben diferentes afinidades por cAMP y cGMP. PDE1A y PDE1B hidrolizan preferentemente cGMP, mientras que PDE1C degrada tanto cAMP como cGMP con alta afinidad. Por ejemplo, en los músculos lisos de las vías respiratorias de humanos y otras especies, la PDE1 genérica representa más del 50% de la actividad hidrolítica de los nucleótidos cíclicos. [9] Se ha demostrado que la deleción y sobreexpresión de PDE1 produce fuertes efectos sobre la señalización de AMPc inducida por agonistas, pero tiene poco efecto sobre el nivel basal de AMPc. [10]
Farmacología
Debido a la regulación in vitro por Ca 2+ / calmodulina, se cree que las PDE1 funcionan como un mecanismo para integrar vías de señalización celular mediadas por cGMP y cAMP con vías que regulan los niveles de calcio intracelular. [2] La función precisa de las isoenzimas PDE1 en varios procesos fisiopatológicos no está clara porque la mayoría de los estudios se han llevado a cabo in vitro. Por tanto, es fundamental dirigir la investigación adicional a estudios in vivo. [3]
Se ha implicado que la PDE1 desempeña un papel en una serie de procesos fisiológicos y patológicos :
- Lo más probable es que la PDE1A sirva para regular la concentración de músculo liso vascular y se ha encontrado que está regulada por incremento en la aorta de rata en respuesta al tratamiento crónico con nitroglicerina . También es posible que desempeñe un papel en la función de los espermatozoides . [8]
- Los ratones knockout para PDE1B han aumentado la actividad locomotora y, en algunos paradigmas, la memoria y las capacidades de aprendizaje disminuidas. La PDE1B también participa en la señalización dopaminérgica y se induce en varios tipos de células inmunitarias activadas . [8] El ARNm de PDE1B se induce en linfocitos T humanos activados con PHA o anti-CD3 / CD28 y participa en la regulación de IL-13 implicada en enfermedades alérgicas . [1]
- Se ha demostrado que la PDE1C es un importante regulador de la proliferación del músculo liso, al menos en el músculo liso humano. Las células de músculo liso no proliferantes (SMC) exhiben sólo niveles bajos de expresión de PDE1C , pero se expresa en gran medida en las SMC en proliferación. Por lo tanto, se puede especular que la inhibición de PDE1C podría producir efectos beneficiosos debido a su supuesta inhibición de la proliferación de SMC, un evento que contribuye de manera importante a la fisiopatología de la aterosclerosis . [8] Otro papel probable de PDE1C es en el olfato [4], para regular la función de los espermatozoides y la señalización neuronal . [8]
Regulación
La característica distintiva de PDE1 como familia es su regulación por calcio (Ca 2+ ) y calmodulina (CaM). [11] Se ha demostrado que la calcodulina activa la PDE de nucleótidos cíclicos de una manera dependiente del calcio y se requiere la unión cooperativa de cuatro Ca 2+ a la calmodulina para activar completamente la PDE1 [2]. La unión de un complejo Ca 2+ / CaM por monómero a los sitios de unión cerca del extremo N estimula la hidrólisis de nucleótidos cíclicos. En células intactas, la PDE1 es activada casi exclusivamente por el Ca 2+ que ingresa a la célula desde el espacio extracelular . La regulación de PDE1 por Ca 2+ y CaM se ha estudiado in vitro y estos estudios han demostrado que se requieren ocho residuos de metionina dentro de las hendiduras hidrofóbicas de Ca 2+ -CaM para la unión y activación de PDE1. Las mutaciones en el lóbulo N-terminal de CaM afectan su capacidad para activar PDE1, por lo que se cree que el lóbulo C-terminal de CaM sirve para dirigir CaM a PDE1, mientras que el lóbulo N-terminal activa la enzima. La presencia de un residuo aromático , normalmente un triptófano , en la región de unión a CaM de las proteínas reguladas por Ca 2+ -CaM también puede ser necesaria para la unión a PDE1. [11]
Entre las diferentes isoenzimas de PDE1 existe una diferencia significativa en la afinidad por Ca 2 + / CaM. En general, las enzimas PDE1 tienen una alta afinidad por el complejo, pero la afinidad puede verse afectada por la fosforilación. La fosforilación de PDE1A1 y PDE1A2 por la proteína quinasa A y de PDE1B1 por la CaM Quinasa II disminuye su sensibilidad a la activación de calmodulina. [1] Esta fosforilación puede revertirse mediante la fosfatasa, calcineurina. [2] La fosforilación de las isoenzimas va acompañada de una disminución de la afinidad de las isoenzimas hacia CaM, así como un aumento de las concentraciones de Ca 2+ necesarias para la activación de las isoenzimas por CaM. [3]
Inhibidores y su función
Las PDE se han perseguido como dianas terapéuticas debido al principio farmacológico básico de que la regulación de la degradación de cualquier ligando o segundo mensajero a menudo puede producir un cambio porcentual más rápido y mayor en la concentración que las tasas de síntesis comparables . Otra razón es que las PDE no tienen que competir con niveles muy altos de sustrato endógeno para ser efectivas, ya que los niveles de cAMP y cGMP en la mayoría de las células están típicamente en el rango micromolar . [2]
La disponibilidad de estructuras cristalinas de alta resolución de los dominios catalíticos de las PDE hace posible el desarrollo de inhibidores específicos y muy potentes . [6]
Muchos compuestos notificados como inhibidores de PDE1 no interactúan directamente con el sitio catalítico de PDE1, pero interactúan durante la activación, ya sea a nivel de los sitios de unión de calmodulina como el compuesto KS505a o directamente sobre Ca 2+ / calmodulina como bepril , flunarizina y amiodarona . [1]
Los inhibidores que interactúan con el sitio catalítico ocupan parte del sitio activo, principalmente alrededor del bolsillo Q y ocasionalmente cerca del bolsillo M. [12] Un punto importante de interacción es un bolsillo hidrofóbico conservado que participa en la orientación del anillo de purina del sustrato para la interacción con un residuo de glutamina que es crucial para el mecanismo catalítico de las PDE. [6]
Las interacciones de los inhibidores se pueden dividir en tres tipos principales: interacciones con los iones metálicos mediadas a través del agua, interacciones del enlace H con los residuos proteicos implicados en el reconocimiento de nucleótidos y, lo que es más importante, la interacción con los residuos hidrófobos que recubren la cavidad del sitio activo. Todos los inhibidores conocidos parecen explotar estos tres tipos de interacciones y, por tanto, estas interacciones deberían guiar el diseño de nuevos tipos de inhibidores. [12]
Inicialmente, se afirmó que los inhibidores de la PDE1 eran relajantes vasculares eficaces. Sin embargo, con la disponibilidad de enzimas clonadas purificadas, ahora se sabe que tales inhibidores son de hecho igualmente activos contra la PDE5. [4] Estos inhibidores incluyen, por ejemplo , zaprinast , 8-metoximetil IPMX y SCH 51866 . [1]
Todos los inhibidores de PDE terapéuticamente eficaces deben incorporarse a la célula porque todas las PDE están localizadas en el citoplasma y / o en las membranas intracelulares. [8]
En la actualidad, no existe un inhibidor de PDE1 específico real y eficaz que pueda utilizarse para evaluar el papel funcional de PDE1 en los tejidos. [1]
Inhibidores comunes
La nimodipina es una dihidropiridina que antagoniza / bloquea específicamente el canal de Ca 2+ de tipo L , y se describió por primera vez como un inhibidor de la PDE1. Este efecto no está relacionado con su propiedad de antagonista del calcio ya que inhibe, en rango micromolar, la PDE1 purificada basal y estimulada por calmodulina. Dado que la nimodipina en concentraciones más bajas bloquea el canal de calcio de tipo L, solo se puede usar para estimar la participación de PDE1 en homogeneizados de tejidos y células. [1]
La vinpocetina se describió como un inhibidor específico de la PDE1 basal y activada por calmodulina. Este efecto conduce a un aumento de cAMP sobre cGMP. [1] [13] Se utiliza principalmente como una herramienta farmacológica para implicar a PDE1. La vinpocetina inhibe de forma diferente los diversos subtipos de PDE1 (CI 50 de 8 a 50 μm) y también es capaz de inhibir PDE7B. No se puede utilizar como una herramienta específica para investigar el papel funcional de PDE1 debido a sus efectos activadores directos sobre los canales BK (Ca). [1] La vinpocetina atraviesa la barrera hematoencefálica y es captada por el tejido cerebral. Se ha planteado la hipótesis de que la vinpocetina puede afectar los canales de calcio dependientes del voltaje. [13]
IC224 inhibe PDE1 (IC 50 = 0,08 μM) con una relación selectiva de 127 (relación del valor de IC 50 para la siguiente PDE más sensible y para el valor de IC 50 para PDE1). Fue desarrollado por la corporación ICOS. Si IC224 inhibe de manera similar los subtipos de PDE1 activados por calmodulina y basal, este compuesto podría ser muy útil para caracterizar la actividad de PDE1 e investigar claramente las diversas funciones de PDE1 en la fisiopatología. [1]
Inhibidores en enfermedades
Casi todas las fosfodiesterasas se expresan en el SNC, lo que convierte a esta familia de genes en una fuente atractiva de nuevos objetivos para el tratamiento de trastornos psiquiátricos y neurodegenerativos . [6]
PDE1A2 tiene un papel potencial en las enfermedades neurodegenerativas, que incluyen: [4]
- enfermedad de Parkinson
- Degradación del neurofilamento axonal
- Degradación motoneuronal
- Isquemia neuronal
- Enfermedad de Alzheimer
- Epilepsia
La PDE1C podría tener un papel en la regulación de la liberación de insulina [5] y puede apuntar a las células del músculo liso en proliferación en las lesiones ateroscleróticas o durante la reestenosis . [4] [14]
Referencias
- ^ a b c d e f g h i j k l m n Lugnier C (marzo de 2006). "Superfamilia de fosfodiesterasas de nucleótidos cíclicos (PDE): una nueva diana para el desarrollo de agentes terapéuticos específicos". Pharmacol. Ther . 109 (3): 366–98. doi : 10.1016 / j.pharmthera.2005.07.003 . PMID 16102838 .
- ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w Bender AT, Beavo JA (septiembre de 2006). "Fosfodiesterasas de nucleótidos cíclicos: regulación molecular para uso clínico". Pharmacol. Rev . 58 (3): 488–520. doi : 10.1124 / pr.58.3.5 . PMID 16968949 .
- ^ a b c d e f g Kakkar R, Raju RV, Sharma RK (julio de 1999). "Fosfodiesterasa de nucleótido cíclico dependiente de calcodulina (PDE1)" . Célula. Mol. Life Sci . 55 (8–9): 1164–86. doi : 10.1007 / s000180050364 . PMID 10442095 .[ enlace muerto permanente ]
- ^ a b c d e f g Jeon YH, Heo YS, Kim CM y col. (Junio de 2005). "Fosfodiesterasa: descripción general de las estructuras de proteínas, posibles aplicaciones terapéuticas y avances recientes en el desarrollo de fármacos". Célula. Mol. Life Sci . 62 (11): 1198–220. doi : 10.1007 / s00018-005-4533-5 . PMID 15798894 .
- ^ a b c d e f Dousa TP (enero de 1999). "Isoenzimas de fosfodiesterasa cíclica-3 ', 5'-nucleótido en biología celular y fisiopatología del riñón" . Riñón Int . 55 (1): 29–62. doi : 10.1046 / j.1523-1755.1999.00233.x . PMID 9893113 .
- ^ a b c d e Menniti FS, Faraci WS, Schmidt CJ (agosto de 2006). "Fosfodiesterasas en el SNC: objetivos para el desarrollo de fármacos". Nat Rev Drug Discov . 5 (8): 660–70. doi : 10.1038 / nrd2058 . PMID 16883304 .
- ^ Khorana GH (1961). "Fosfodiesterasas". En Boyer PD, Lardy H, Myrbäck K (eds.). Las enzimas . 5 (2ª ed.). Nueva York: Academic Press. págs. 79–94.
- ^ a b c d e f Bischoff E (junio de 2004). "Potencia, selectividad y consecuencias de la no selectividad de la inhibición de PDE" . En t. J. Impot. Res . 16 (Supl. 1): S11–4. doi : 10.1038 / sj.ijir.3901208 . PMID 15224129 .
- ^ Giembycz MA (junio de 2005). "Vida después de PDE4: superación de eventos adversos con inhibidores de la fosfodiesterasa de doble especificidad". Curr Opin Pharmacol . 5 (3): 238–44. doi : 10.1016 / j.coph.2005.04.001 . PMID 15907909 .
- ^ Thevelein JM, de Winde JH (septiembre de 1999). "Mecanismos de detección novedosos y dianas para la vía cAMP-proteína quinasa A en la levadura Saccharomyces cerevisiae" . Mol. Microbiol . 33 (5): 904-18. doi : 10.1046 / j.1365-2958.1999.01538.x . PMID 10476026 .
- ^ a b Goraya TA, Cooper DM (julio de 2005). "Ca2 +-fosfodiesterasa dependiente de calmodulina (PDE1): perspectivas actuales". Célula. Señal . 17 (7): 789–97. doi : 10.1016 / j.cellsig.2004.12.017 . PMID 15763421 .
- ^ a b Card GL, England BP, Suzuki Y, et al. (Diciembre de 2004). "Base estructural de la actividad de los fármacos inhibidores de las fosfodiesterasas" . Estructura . 12 (12): 2233–47. doi : 10.1016 / j.str.2004.10.004 . PMID 15576036 .
- ^ a b "Vinpocetina. Monografía". Altern Med Rev . 7 (3): 240–3. Junio de 2002. PMID 12126465 .
- ^ Matsumoto T, Kobayashi T, Kamata K (agosto de 2003). "Fosfodiesterasas en el sistema vascular" . J Músculo liso Res . 39 (4): 67–86. doi : 10.1540 / jsmr.39.67 . PMID 14692693 .
enlaces externos
- Fosfodiesterasa + I en los encabezados de temas médicos (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .