Abstraktní

Pozadí: Duálně specifické fosfatázy (DUSP) patří do rodiny proteinových tyrosin fosfatáz, které defosforylují serin/threonin a tyrosinové zbytky. V posledních desetiletích byly DUSP zapojeny do různých fyziologických a patologických aktivit. Kromě mitogenem aktivovaných proteinkináz (MAPK) jako hlavních substrátů mohou být DUSP defosforylovány další proteinové a neproteinové substráty. Aberantní regulace DUSP byla nalezena u řady onemocnění včetně rakoviny, neurologických poruch a ledvinových onemocnění, což naznačuje zapojení DUSP do patogeneze onemocnění.

Souhrn: Tento článek shrnuje obecnou charakteristiku DUSP a pokrok ve výzkumu v oblasti renálních onemocnění, včetně diabetické nefropatie, hypertenzní nefropatie, chronického onemocnění ledvin, akutního poškození ledvin a lupusové nefritidy. Vzhledem k tomu, že hlavní biochemickou funkcí DUSP je defosforylovat aktivitu MAPK, redukované DUSP se nacházejí v modelech onemocnění ledvin, zatímco nucená exprese DUSP zvrací projevy onemocnění, což bylo potvrzeno transgenními nebo knockout modely.

Klíčová slova: Dual-specificity phosphatases ; defosforylát; mitogenem aktivované proteinkinázy; Onemocnění ledvin;Doplňky Cistanche

Pro získání klikněte semLedvinový doplněk-Cistanche trubkovitý

Úvod

Reverzibilní fosforylace proteinu, důležitý prostředek posttranslační modifikace, reguluje biologickou aktivitu a účastní se různých fyziopatologických procesů v eukaryotech. Intracelulární homeostáza proteinové fosforylace je udržována určitými proteinkinázami a proteinfosfatázami v závislosti na intracelulárním a extracelulárním prostředí. Eukaryota mají řadu proteinkináz, jejichž funkcí je fosforylovat proteinové substráty na specifických aminokyselinových zbytcích. Jednou z nejznámějších kináz je kaskáda mitogenem aktivovaných proteinkináz (MAPK), která se skládá z lineárního pole tří kináz. Kromě toho se mnoho proteinových fosfatáz navzájem neutralizuje pomocí kináz. Na základě strukturních podobností a jejich substrátů lze proteinové fosfatázy klasifikovat jako serin/threonin fosfatázy (např. PP2A) a proteinové Tyr fosfatázy (např. PTP-SL [1]). Mezi PTP upoutaly pozornost výzkumníků duální specifické fosfatázy (DUSP) a jejich role a mechanismy v různých modelech onemocnění byly rozsáhle prozkoumány [2].

DUSP jsou také známé jako MAPK-specifické fosfatázy (MKP) a první člen, DUSP1/MKP1, byl objeven v roce 1992 [3]. Jak název napovídá, DUSP mají biologickou aktivitu jak serin/threonin fosfatáz, tak Tyr fosfatáz. Jejich katalytická aktivita pro Tyr fosfatázu je však mnohem silnější než u Ser/Thr fosfatázy. Proto je DUSP zahrnut do nadrodiny PTP. V posledních letech, s pokrokem ve výzkumu DUSP, byla dále uznávána přísná regulační úloha buněčné reverzibilní fosforylace, což poskytuje nové nápady pro vývoj, progresi a strategie prevence nemocí, jako je rakovina, onemocnění imunitního systému a neurologická onemocnění. onemocnění [4,5]. V tomto přehledu se zaměříme na funkce DUSP u onemocnění ledvin.

Klasifikace a funkce DUSP

Strukturně obsahuje katalytická strukturální doména DUSP konzervovaný motiv HCxxGxxR [6]. Na základě struktury, katalytické aktivity a substrátu lze DUSP rozdělit do následujících podskupin: (i) MAPK; (ii) atypické DUSP; (iii) fosfatázy a protein fosfatázy homologní s tensinem; (iv) fosfatázy cyklu 14 buněčného dělení (CDC14s); (v) elastin fosfatázy a (vi) fosfatázy regenerujících se jater. Mezi těmito podskupinami mají členové prvních 2 podskupin dvojí specificitu pro funkce tyrosin a threonin fosfatázy. Proto jsou tyto členy považovány za konvenční DUSPS (tabulka 1) a budou diskutovány v další části

Mitogenem aktivovaná proteinkináza

Dráha MAPK reguluje mnoho buněčných procesů, včetně buněčné proliferace, diferenciace, migrace, přežití a apoptózy. Aberantní MAPK signalizace je spojena s mnoha lidskými nemocemi [7,8]. dráha MAPK může být aktivována řadou stimulů, kináz a dalších enzymů. Signalizace MAPK obsahuje 3-stupňovou kaskádu zahrnující MAP kinázu), MAP kinázu a MAPK. existují tři hlavní dráhy MAPK, extracelulárně regulované kinázy 1 a 2 (ERK1/2) a c-Jun - N-terminální kinázy (dráha MAPK je negativně regulována MKP, které defosforylují aktivní substráty MAPK. K dnešnímu dni neexistují žádné klinické studie inhibitorů MAPK nebo příbuzných léků pro léčbu lidských onemocnění kvůli nejistotě účinnosti nebo přítomnosti potenciálních nežádoucích účinků. Na základě výsledků současných studií inhibitorů MAPK je klinická léčba cílená na molekuly proti směru dráhy MAPK mnohem lepší než Proto mají MPK potenciální aplikace v translační medicíně.

Rodina MPK má 10 členů. Každý člen se skládá z n-terminální MAPK-vazebné (MKB) strukturální domény a c-terminální konzervované DUSP katalytické domény. motiv kinázové interakce strukturní domény MKB určuje enzymatickou specificitu prostřednictvím dokovacích interakcí s MAPK [9]. Je pozoruhodné, že jak fosforylované, tak nefosforylované MAPK se mohou vázat na MPK [10]. Po navázání na MAPK je konformace proteinu MPK změněna, což zvyšuje katalytickou aktivitu MKP.

Podle buněčné distribuce členů MPK je lze rozdělit do tří podskupin: (1) jaderné MPK, včetně DUSP1/MKP1, DUSP2, DUSP4/MKP2 a DUSP5; (2) cytoplazmatické MPK, včetně DUSP6/MKP3, DUSP7, DUSP9/MKP4; (3) jaderné a cytoplazmatické MPK, včetně DUSP8, DUSP10/MKP5 a DUSP16/MKP7. ačkoli bylo hlášeno, že tyto MPK defosforylují MAPK, substráty MPK nebyly přesně definovány. substrátová preference MPK souvisí s povahou vazebného místa a typem buňky, stejně jako s lešením proteinů MAPK [11].

Bylinná cistanche

Atypické DUSP

Atypický DUSP je konstrukčně podobný MPK. Tyto proteiny jsou obvykle menší než MPK. Atypické DUSP obsahují DSP katalytickou doménu, ale postrádají n-terminální MKB strukturální doménu. Kromě toho některé členy obsahují strukturní domény CH2, strukturní domény vázající sacharidy a oblasti bohaté na arginin nebo na prolin. V savčích tkáních je přibližně 20 členů DUSP3, DUSP11, DUSP12, DUSP13, DUSP14, DUSP15, DUSP18, DUSP19, DUSP21, DUSP22, DUSP23, DUSP26, DUSP27, proteinotransferáza RNA fosfatáza DUSP288. a 5'-fosfatáza, serin/threonin/tyrosin interagující proteiny. Podle fylogenetické analýzy [12] jsou však tyto atypické DUSP odvozeny od společného předka.

Protože atypické DUSP postrádají specifickou MKB strukturální doménu MKP, jejich přesné substráty zůstávají nejisté. Mezi těmito atypickými členy DUSP se uvádí, že DUSP14/MKP6 a DUSP26/MKP8 se vážou na MAPK a regulují signální dráhy. Kromě MAKP mohou atypické DUSP působit také na jiné fosforylované proteinové substráty. Kromě toho mohou defosforylovat neproteinové substráty, jako je RNA nebo lipidy. Například DUSP11 má vnitřní fosfatázovou aktivitu a jeho mRNA trifosfatázová aktivita je vyšší než u proteinových fosfatáz [13]. Kromě toho mohou atypické DUSP působit jako scaffolding proteiny a usnadňovat interakci signálních proteinů [14]. Atypické DUSP tedy mají široký rozsah substrátové specifity a více fyziologických funkcí.

Exprese a regulace DUSP v ledvinách

Mezi hlavní buněčné složky ledvin patří tubulární epiteliální buňky, tylakoidní buňky, podocyty a intersticiální buňky, které jsou nejčastěji studovány na modelech renálního onemocnění. V glomerulu jsou hlavní složkou tylakoidní buňky, které tvoří asi 30 - 40 procent z celkového počtu buněk [15]. DUSP jsou exprimovány na různých úrovních v různých typech renálních buněk. Renální tubulární epiteliální buňky jsou nejhojnějším buněčným typem v ledvinách a bylo hlášeno, že tyto geny, včetně DUSP1/MKP1, DUSP4/MKP2 a DUSP7, jsou exprimovány v tubulárních buňkách in vivo v rámci různých modelů onemocnění ledvin nebo v imortalizovaných buněčných liniích. jako je HK-2. Kromě toho jsou DUSP1/MKP1 a DUSP10/MKP5 exprimovány v renálních tylakoidních buňkách a DUSP4/MKP2 a DUSP6/MKP3 jsou exprimovány v podocytech [16,17]. Kromě toho vaskulární buňky v ledvinách, jako jsou buňky hladkého svalstva cév (VSMC), také exprimují DUSP.

Uvádí se, že DUSP1/MKP1 a DUSP5 jsou exprimovány ve VSMC a mohou hrát roli při onemocnění ledvin souvisejícím s hypertenzí. Zejména rezidentní imunitní buňky v ledvinách, jako jsou t buňky, b buňky a monocyty, mohou exprimovat DUSP [18,19]. Ačkoli exprese některých členů DUSP byla odhalena a porovnána v rámci těchto modelů onemocnění, genová exprese většiny členů je neznámá. Navíc přesné hladiny exprese DUSP nejsou známy. Jednobuněčné sekvenování v poslední době nabízí možnost srovnání úrovní exprese jednotlivých genů. Na základě dat Human Protein Atlas lze úrovně exprese DUSP libovolně klasifikovat do čtyř skupin. dUSP23 patří do skupiny s vysokou expresí, DUSP1/MKP1, DUSP6/MKP3, DUSP3, DUSP11, DUSP15, DUSP24/serin/threonin/tyrosin interagující protein 11, protein tyrosin fosfatáza mitochondriální 1 patří do skupiny se střední expresí. DUSP13, DUSP21 a DUSP27 nejsou exprimovány v ledvinách a členové nalevo patří do skupiny s nízkou expresí. Proto je třeba dále zkoumat genovou expresi DUSP, zejména na modelech onemocnění.

Standardizované Cistanche

Genová exprese a fosfatázová aktivita DUSP může být regulována genovou transkripcí, translační regulací, modifikací proteinu nebo stabilitou proteinu. Aberantní exprese DUSP byla nalezena v různých modelech, ve kterých může nastat regulace DUSP na transkripční úrovni. Například hladiny proteinu DUSP1/MKP1 a mRNA byly downregulovány v tkáni diabetické ledviny [20]. Podobně diabetes a vysoká expozice glukózy snížily expresi DUSP4/MKP2 na transkripční úrovni v kultivovaných buňkách nohou a glomerulech, což vedlo ke zvýšené aktivitě p38 a JNK.

Jak se očekávalo, transkripce DUSP může být regulována epigenetickými prostředky, jako je methylace DNA, kromě dalších důležitých transkripčních faktorů. V současné době metylace DNA obvykle představuje epigenetický marker, který potlačuje genovou expresi. hypermethylace promotorové oblasti DUSP vede ke snížené expresi, která byla prokázána u mnoha typů buněk. Bylo zjištěno, že významně snížená exprese DUSP1/MKP1 v buněčných liniích rakoviny prsu a invazivních nádorech prsu je spojena s metylací DNA pomocí metylačně specifické PCR analýzy a metylace promotoru DUSP1/MKP1 může být potenciálním biomarkerem rakoviny prsu pro malignity prsu [21]. . Podobně Tögel et al [22] zjistili, že DUSP5 byl methylován u kolorektálních karcinomů s vysokou CMP, ačkoli tato epigenetická změna sama o sobě nemohla vysvětlit sníženou expresi DUSP5 v rakovinných buňkách. Kromě methylace DNA se na regulaci DUSP podílejí také modifikace histonů. Modifikace zahrnují acetylaci histonů, methylaci a fosforylaci a účinek na genovou expresi závisí na povaze modifikací histonů. Nedávno Hofmann et al. [23] prokázali, že CREM může regulovat expresi DUSP4 v efektorových T buňkách prostřednictvím p300-indukované acetylace histonů na promotoru DUSP4. V modelu onemocnění ledvin Coit et al. [19] analyzovali změny metylace DNA v celém genomu v naivních CD4 plus T buňkách od pacientů s lupusem s nebo bez postižení ledvin a zdravých kontrol a zjistili hypermetylaci DUSP5. Demetylace DUSP5 může vést k defektním signálním drahám ERK v T buňkách s lupusem. Nedávné studie o epigenetické regulaci DUSP u onemocnění ledvin jsou relativně málo rozvinuté. Této oblasti výzkumu by měla být věnována větší pozornost.

Kromě toho může být exprese DUSP regulována na post-transkripční nebo translační úrovni. Nekódující RNA hrají důležitou roli v regulaci DUSP. Tyto RNA, jako jsou miRNA a nekódující RNA s dlouhým řetězcem (lncRNA), mohou působit přímo nebo nepřímo. Obvykle mohou miRNA působit přímým zacílením mRNA DUSP, například se ukázalo, že miR-107 cílí na 3' UTR DUSP7 v endoteliálních buňkách [24] a DUSP4 je následným cílem miR-122-5 p [25]. Tyto miRNA mají za následek sníženou translaci DUSP proteinů. Na rozdíl od miRNA může lncRNA působit nepřímo vazbou na miRNA nebo náborem jiných proteinů. Nedávno bylo zjištěno, že lncRNA AZIN1 downreguluje miR- 513b-5p tím, že miR- 513b-5p zpracuje houbou, což zase cílí na DUSP11 v nádorových tkáních. zajímavější je, že další studie ukázala, že lncRNA CASC9 může získávat histon methyltransferázu EZH2 k epigenetické regulaci exprese DUSP1 / MKP1. Tyto studie odhalily mechanismy translační regulace DUSP.

Konečně, regulace DUSP může také nastat na proteinové úrovni. DUSP proteiny mohou být acetylovány, fosforylovány, methylovány nebo ubikvitinovány. Tyto modifikace mohou ovlivnit jejich biologickou aktivitu nebo stabilitu proteinu. podrobnou regulaci DUSP na proteinové úrovni lze nalézt v jiných přehledech [28].

Extrakt z doplňku Cistanche

DUSP při onemocnění ledvin

Úloha DUSP byla studována na modelech onemocnění ledvin, jako je diabetická nefropatie (DN), hypertenzní nefropatie, chronické onemocnění ledvin (CKD), akutní poškození ledvin (AKI) a lupusová nefritida (LN) se zaměřením na DUSP. Protože hlavní biochemickou funkcí DUSP je defosforylovat aktivitu MAPK, byly v modelech onemocnění ledvin nalezeny snížené DUSP, zatímco nucená exprese DUSP zvrátila projevy onemocnění. Na molekulární úrovni se většina studií zaměřila na regulaci MAPK pomocí DUSP. Nedávné pokroky odhalily klinický překlad takových renálních onemocnění na základě DUSP.

REFERENCE

1. Salazar C, Höfer T. Vícemístná fosforylace proteinů--od molekulárních mechanismů ke kinetickým modelům. FEBS J. 2009 Jun;276(12): 3177–98.

2. Owens DM, Keyse SM. Diferenciální regulace signalizace MAP kinázy proteinovými fosfatázami s duální specifitou. Onkogen. 14. května 2007;26(22):3203–13.

3. Charles CH, Abler AS, Lau LF. cDNA sekvence bezprostředně raného genu indukovatelného růstovým faktorem a charakterizace jeho kódovaného proteinu. Onkogen. 1992 leden;7(1):187– 90.

4. An N, Bassil K, Al Jowf GI, Steinbusch HWM, Rothermel M, de Nijs L, et al. Duálně specifické fosfatázy u duševních a neurologických poruch. Prog Neurobiol. březen 2021; 198: 101906.

5. Mutlak M, Kehat I. Duální specifické fosfatázy (DUSP) u srdeční hypertrofie a selhání. Cell Signál. Srpen 2021;84:110033.

6. Alonso A, Pulido R. Rozšířený lidský PTPome: rostoucí rodina tyrosin fosfatázy. FEBS J. 2016 Apr;283(8):1404–29.

7. Kim EK, Choi EJ. Ohrožená signalizace MAPK u lidských nemocí: aktualizace. Arch Toxicol. června 2015;89(6):867–82.

8. Kurtzeborn K, Kwon HN, Kuure S. MAPK/ERK signalizace v regulaci renální diferenciace. Int J Mol Sci. 10. dubna 2019; 20(7).

9. Kondoh K, Nishida E. Regulace MAP kináz pomocí MAP kinázových fosfatáz. Biochim Biophys Acta. Srpen 2007;1773(8):1227–37.

10. Kidger AM, Keyse SM. Regulace onkogenní signalizace Ras/ERK pomocí mitogenem aktivovaných proteinkinázových fosfatáz (MKP) s duální specificitou. Semin Cell Dev Biol. únor 2016; 50:125–32.

11. Patterson KI, Brummer T, O'Brien PM, Daly RJ. Duální specifické fosfatázy: kritické regulátory s různými buněčnými cíli. Biochem J. 15. března 2009;418(3):475–89.

12. Huang CY, Tan TH. DUSP, k MAP kinázám a dále. Cell Biosci. 9. července 2012; 2(1): 24.

13. Kincaid RP, Lam VL, Chirayil RP, Randall G, Sullivan CS. RNA trifosfatáza DUSP11 umožňuje exonukleázou XRN-zprostředkovanou restrikci viru hepatitidy C. Proč Natl Acad Sci USA A. 2018 Aug 7;115(32):8197–202.

14. Armstrong SP, Caunt CJ, McArdle CA. Signalizace hormonu uvolňujícího gonadotropin a proteinkinázy C do ERK: časoprostorová regulace ERK pomocí dokovacích domén a fosfatáz s duální specifitou. Mol Endocrinol. 23. dubna 2009 (4): 510–9.

15. Asi ON. Biologie mesangiálních buněk. Exp Cell Res. 15. května 2012;318(9):979–85.

16. Denhez B, Rousseau M, Dancosst DA, Lizotte F, Guay A, Auger-Messier M, et al. Diabetesem indukovaná redukce DUSP4 podporuje dysfunkci podocytů a progresi diabetické nefropatie. Diabetes. květen 2019;68(5): 1026–39.

17. Chen L, Wang Y, Luan H, Ma G, Zhang H, Chen G. DUSP6 chrání myší podocyty před vysokou hladinou glukózy: indukovaným zánětem a apoptózou. Mol Med Rep. 2020 Září; 22 (3): 2273–82.

18. Li JP, Yang CY, Chuang HC, Lan JL, Chen DY, Chen YM a kol. Fosfatáza JKAP/DUSP22 inhibuje signalizaci receptoru T-buněk a autoimunitu inaktivací Lck. Nat Commun. 9. dubna 2014; 5:3618.

19. Coit P, Renauer P, Jeffries MA, Merrill JT, McCune WJ, Maksimowicz-McKinnon K, et al. Postižení ledvin u lupusu je charakterizováno jedinečnými změnami metylace DNA v naivních CD4 plus T buňkách. J Autoimmun. července 2015; 61:29–35.

20. Zhang Y, Feng J, Wang Q, Zhao S, Yang S, Tian L a kol. Poškození ledvin vyvolané hyperglykemickým stresem je způsobeno rozsáhlou mitochondriální fragmentací, oslabenou signalizací MKP1 a aktivovanou biologickou osou JNK-CaMKII-Fis1. Cell Physiol Biochem. 2018;51(4): 1778–98.

21. Chen FM, Chang HW, Yang SF, Huang YF, Nien PY, Yeh YT a kol. Gen mitogenem aktivovaná proteinkináza fosfatáza-1 (MKP-1) je potenciálním methylačním biomarkerem malignity rakoviny prsu. Exp Mol Med. 31. května 2012;44(5):356–62.

22. Tögel L, Nightingale R, Wu R, Chüeh AC, AlObaidi S, Luk I, et al. DUSP5 je methylován u kolorektálního karcinomu s vysokým obsahem CIMP, ale není hlavním regulátorem proliferace střevních buněk a tumorigeneze. Sci Rep. 2018 Jan 29;8(1): 1767.

23. Hofmann SR, Mäbert K, Kapplusch F, Russ S, Northey S, Beresford MW, et al. Modulátor elementu odpovědi cAMP indukuje duální specificitu protein fosfatázy 4 k podpoře efektorových T buněk u lupusu s juvenilním nástupem. J Immunol. 1. prosince 2019;203(11):2807–16.

24. Wang S, Zhang Z, Wang J, Miao H. MiR-107 indukuje sekreci TNF v endoteliálních buňkách a způsobuje poškození tubulárních buněk u pacientů se septickým akutním poškozením ledvin. Biochem Biophys Res Commun. 29. ledna 2017;483(1):45–51.

25. Hu N, Tian Y, Song Y, Zang L. miR1225p potlačuje onkogenezi PTC inhibicí exprese DUSP4. Mol Med Rep. květen 2021; 23(5):368.

26. Cai Y, Wu Q, Liu Y, Wang J. AZIN1-AS1, nová onkogenní lncRNA, podporuje progresi nemalobuněčného karcinomu plic regulací MiR-513b{{5} }pa DUSP11. Onco Targets Ther. 2020;13:9667–78.

27. Chen Z, Chen Q, Cheng Z, Gu J, Feng W, Lei T a kol. Dlouhá nekódující RNA CASC9 podporuje rezistenci na gefitinib u NSCLC epigenetickou represí DUSP1. Cell Death Dis. 14. října 2020; 11 (10): 858.

28. Chen HF, Chuang HC, Tan TH. Regulace ubikvitinace fosfatázy duální specifičnosti (DUSP) a stability proteinu. Int J Mol Sci. 30. května 2019; 20 (11): 2668.

Z Haiyang Li; Jiachuan Xiong; Yu Du; Yinghui Huang; Jinghong Zhao.

Nefrologická klinika, Klíčová laboratoř pro prevenci a léčbu chronického onemocnění ledvin v Chongqingu, Centrum klinického výzkumu ledvinových a urologických nemocí v Čchung-čchingu, nemocnice Xinqiao, Army Medical University (Třetí vojenská lékařská univerzita), Chongqing, PR Čína