Povzetek

Ozadje: Fosfataze dvojne specifičnosti (DUSP) spadajo v družino proteinskih tirozin fosfataz, ki defosforilirajo ostanke serina/treonina in tirozina. V zadnjih desetletjih so bili DUSP vpleteni v različne fiziološke in patološke dejavnosti. Poleg mitogen-aktiviranih protein kinaz (MAPK) kot glavnih substratov lahko druge beljakovinske in neproteinske substrate defosforilirajo DUSP. Aberantna regulacija DUSP je bila ugotovljena pri različnih boleznih, vključno z rakom, nevrološkimi motnjami in boleznimi ledvic, kar kaže na vpletenost DUSP v patogenezo bolezni.

Povzetek: Ta članek prikazuje splošne značilnosti DUSP in napredek raziskav na področju ledvičnih bolezni, vključno z diabetično nefropatijo, hipertenzivno nefropatijo, kronično ledvično boleznijo, akutno ledvično poškodbo in lupusnim nefritisom. Ker je glavna biokemična funkcija DUSP-jev defosforilacija aktivnosti MAPK, so zmanjšani DUSP-ji najdeni v modelih ledvične bolezni, medtem ko prisilna ekspresija DUSP-jev obrne manifestacije bolezni, kar je bilo potrjeno s transgeničnimi ali knockout modeli.

Ključne besede: fosfataze z dvojno specifičnostjo; defosforilirati; Mitogen-aktivirane protein kinaze ; Bolezni ledvic;Cistanche dodatki

Kliknite tukaj za pridobitevLedvični dodatek - Cistanche cevasto

Uvod

Reverzibilna fosforilacija beljakovin, pomembno sredstvo posttranslacijske modifikacije, uravnava biološko aktivnost in je vključena v različne fiziopatološke procese pri evkariontih. Znotrajcelično homeostazo proteinske fosforilacije vzdržujejo določene proteinske kinaze in proteinske fosfataze, odvisno od znotrajceličnega in zunajceličnega okolja. Evkarionti imajo različne protein kinaze, katerih funkcija je fosforilacija proteinskih substratov na specifičnih aminokislinskih ostankih. Ena najbolj znanih kinaz je kaskada protein kinaze, aktivirane z mitogenom (MAPK), ki je sestavljena iz linearnega niza treh kinaz. Poleg tega se številne proteinske fosfataze medsebojno nevtralizirajo s kinazami. Na podlagi strukturnih podobnosti in njihovih substratov lahko proteinske fosfataze razvrstimo kot serin/treonin fosfataze (npr. PP2A) in proteinske Tyr fosfataze (npr. PTP-SL [1]). Med PTP so pozornost raziskovalcev pritegnile fosfataze z dvojno specifičnostjo (DUSP), njihove vloge in mehanizmi v različnih modelih bolezni pa so bili obsežno raziskani [2].

DUSP so znani tudi kot MAPK-specifične fosfataze (MKP), prvi član, DUSP1/MKP1, pa je bil odkrit leta 1992 [3]. Kot pove že ime, imajo DUSP biološko aktivnost tako serin/treonin fosfataze kot Tyr fosfataze. Vendar je njihova katalitična aktivnost za Tyr fosfatazo veliko močnejša od aktivnosti Ser/Thr fosfataze. Zato je DUSP vključen v naddružino PTP. V zadnjih letih je bila z napredkom raziskav o DUSP nadalje priznana stroga regulativna vloga celične reverzibilne fosforilacije, ki zagotavlja nove zamisli za razvoj, napredovanje in strategije preprečevanja bolezni, kot so rak, bolezni imunskega sistema in nevrološke bolezni [4,5]. V tem pregledu se bomo osredotočili na funkcije DUSP pri boleznih ledvic.

Razvrstitev in funkcije DUSP

Strukturno katalitična strukturna domena DUSP vsebuje ohranjen motiv HCxxGxxR [6]. Glede na strukturo, katalitično aktivnost in substrat lahko DUSP razdelimo v naslednje podskupine: (i) MAPK; (ii) atipični DUSP; (iii) fosfataze in tenzinu homologne proteinske fosfataze; (iv) fosfataze celičnega cikla delitve 14 (CDC14); (v) elastinske fosfataze in (vi) fosfataze obnavljajočih se jeter. Med temi podskupinami imajo člani prvih dveh podskupin dvojno specifičnost za funkcije tirozin in treonin fosfataze. Zato se ti člani štejejo za običajne DUSPS (tabela 1) in bodo obravnavani v naslednjem razdelku

Mitogen-aktivirana protein kinaza

Pot MAPK uravnava številne celične procese, vključno s celično proliferacijo, diferenciacijo, migracijo, preživetjem in apoptozo. Aberantno signaliziranje MAPK je povezano s številnimi človeškimi boleznimi [7,8]. pot MAPK lahko aktivirajo različni dražljaji, kinaze in drugi encimi. Signalizacija MAPK vsebuje 3-nivojsko kaskado, vključno s kinazo MAP), kinazo MAP in MAPK. obstajajo tri glavne poti MAPK, zunajcelične regulirane kinaze 1 in 2 (ERK1/2) in c-Jun - N-terminalne kinaze (Pot MAPK negativno regulirajo MKP, ki defosforilirajo aktivne substrate MAPK. Do danes ni klinična preskušanja zaviralcev MAPK ali sorodnih zdravil za zdravljenje človeških bolezni zaradi negotovosti glede učinkovitosti ali prisotnosti morebitnih neželenih učinkov.Na podlagi rezultatov trenutnih študij zaviralcev MAPK so klinična zdravljenja, ki ciljajo na zgornje molekule poti MAPK, veliko boljša od tiste, ki ciljajo na spodnje molekule, zato imajo MPK potencialno uporabo v translacijski medicini.

Družina MPK šteje 10 članov. Vsak član je sestavljen iz n-terminalne MAPK-vezavne (MKB) strukturne domene in c-terminalne ohranjene katalitične domene DUSP. motiv kinazne interakcije strukturne domene MKB določa encimsko specifičnost prek priklopnih interakcij z MAPK [9]. Predvsem tako fosforilirane kot nefosforilirane MAPK se lahko vežejo na MPK [10]. Po vezavi na MAPK se konformacija proteina MPKs spremeni, kar poveča katalitično aktivnost MKP.

Glede na celično porazdelitev članov MPK jih lahko razdelimo v tri podskupine: (1) jedrske MPK, vključno z DUSP1/MKP1, DUSP2, DUSP4/MKP2 in DUSP5; (2) citoplazemske MPK, vključno z DUSP6/MKP3, DUSP7, DUSP9/MKP4; (3) jedrske in citoplazemske MPK, vključno z DUSP8, DUSP10/MKP5 in DUSP16/MKP7. čeprav so poročali, da te MPK defosforilirajo MAPK, substrati MPK niso bili natančno definirani. preferenčni substrat MPK je povezan z naravo vezavnega mesta in tipom celice ter z nosilnimi proteini MAPK [11].

Zeliščna cistanča

Atipični DUSP

Atipični DUSP je strukturno podoben MPK. Ti proteini so običajno manjši od MPK. Atipični DUSP vsebujejo katalitično domeno DSP, vendar nimajo n-terminalne strukturne domene MKB. Poleg tega nekateri člani vsebujejo strukturne domene CH2, strukturne domene, ki vežejo ogljikove hidrate, in regije, bogate z argininom ali prolinom. V tkivih sesalcev je približno 20 članov DUSP3, DUSP11, DUSP12, DUSP13, DUSP14, DUSP15, DUSP18, DUSP19, DUSP21, DUSP22, DUSP23, DUSP26, DUSP27, DUSP28, EPM2A dekstran fosfataza, protein tirozin RNA fosfataza mitranstohondrijska 1 in 5'-fosfataza, serin/treonin/tirozin interakcijski proteini. Vendar pa glede na filogenetsko analizo [12] ti atipični DUSP izhajajo iz skupnega prednika.

Ker atipični DUSP nimajo specifične MKB strukturne domene MKP, njihovi natančni substrati ostajajo negotova. Med temi atipičnimi člani DUSP so poročali, da se DUSP14/MKP6 in DUSP26/MKP8 vežeta na MAPK in uravnavata signalne poti. Poleg MAKP lahko atipični DUSP delujejo tudi na druge fosforilirane proteinske substrate. Poleg tega lahko defosforilirajo neproteinske substrate, kot so RNA ali lipidi. Na primer, DUSP11 ima intrinzično aktivnost fosfataze in njegova aktivnost mRNA trifosfataze je večja od aktivnosti proteinskih fosfataz [13]. Poleg tega lahko atipični DUSP delujejo kot gradbeni proteini in olajšajo interakcijo signalnih proteinov [14]. Tako imajo atipični DUSP širok razpon specifičnosti substrata in več fizioloških funkcij.

Izražanje in uravnavanje DUSP v ledvicah

Glavne celične komponente ledvic vključujejo tubularne epitelijske celice, tilakoidne celice, podocite in intersticijske celice, ki jih najpogosteje proučujemo v modelih ledvične bolezni. V glomerulu so glavna komponenta tilakoidne celice, ki predstavljajo približno 30 - 40 odstotkov vseh celic [15]. DUSP so izraženi na različnih ravneh v različnih vrstah ledvičnih celic. Epitelijske celice ledvičnih tubulov so najpogostejši tip celic v ledvicah in ti geni, vključno z DUSP1/MKP1, DUSP4/MKP2 in DUSP7, naj bi bili izraženi v tubularnih celicah in vivo pod različnimi modeli bolezni ledvic ali v ovekovečenih celičnih linijah kot je HK-2. Poleg tega sta DUSP1/MKP1 in DUSP10/MKP5 izražena v ledvičnih tilakoidnih celicah, DUSP4/MKP2 in DUSP6/MKP3 pa sta izražena v podocitih [16,17]. Poleg tega vaskularne celice v ledvicah, kot so vaskularne gladke mišične celice (VSMC), prav tako izražajo DUSP.

Poročali so, da se DUSP1/MKP1 in DUSP5 izražata v VSMC in lahko igrata vlogo pri bolezni ledvic, povezani s hipertenzijo. Predvsem rezidenčne imunske celice v ledvicah, kot so t-celice, b-celice in monociti, lahko izražajo DUSP [18, 19]. Čeprav je bilo izražanje nekaterih članov DUSP razkrito in primerjano v okviru teh modelov bolezni, izražanje genov večine članov ni znano. Poleg tega natančne ravni izražanja DUSP niso znane. Nedavno je enocelično sekvenciranje ponudilo možnost primerjave ravni izražanja posameznih genov. Na podlagi podatkov atlasa človeških beljakovin lahko ravni izražanja DUSP poljubno razvrstimo v štiri skupine. dUSP23 spada v visoko ekspresijsko skupino, DUSP1/MKP1, DUSP6/MKP3, DUSP3, DUSP11, DUSP15, DUSP24/serin/treonin/tirozin interakcijski protein l1, protein tirozin fosfataza mitohondrijska 1 spadajo v zmerno ekspresijsko skupino. DUSP13, DUSP21 in DUSP27 se ne izražajo v ledvicah, člani na levi pa pripadajo skupini z nizko ekspresijo. Zato je treba gensko izražanje DUSP nadalje raziskati, zlasti pri modelih bolezni.

Standardizirana Cistanche

Ekspresijo genov in aktivnost fosfataze DUSP je mogoče uravnavati z gensko transkripcijo, translacijsko regulacijo, modifikacijo beljakovin ali stabilnostjo beljakovin. Aberantno izražanje DUSP-jev je bilo ugotovljeno v različnih modelih, v katerih se lahko regulacija DUSP-jev pojavi na transkripcijski ravni. Na primer, ravni beljakovin DUSP1/MKP1 in mRNA so bile znižane v diabetičnem ledvičnem tkivu [20]. Podobno sta sladkorna bolezen in visoka izpostavljenost glukozi zmanjšala izražanje DUSP4/MKP2 na transkripcijski ravni v gojenih celicah stopala in glomerulih, kar je povzročilo povečano aktivnost p38 in JNK.

Kot je bilo pričakovano, lahko transkripcijo DUSP reguliramo z epigenetskimi sredstvi, kot je metilacija DNA, poleg drugih pomembnih transkripcijskih faktorjev. Trenutno metilacija DNA običajno predstavlja epigenetski marker, ki zavira izražanje genov. hipermetilacija promotorske regije DUSP vodi do zmanjšane ekspresije, kar je bilo dokazano pri številnih vrstah celic. Ugotovljeno je bilo, da je znatno zmanjšano izražanje DUSP1/MKP1 v celičnih linijah raka dojke in invazivnih tumorjih dojke povezano z metilacijo DNA z analizo PCR, specifično za metilacijo, in metilacija promotorja DUSP1/MKP1 je lahko potencialni biomarker raka dojke za maligne bolezni dojke [21] . Podobno so Tögel et al [22] ugotovili, da je bil DUSP5 metiliran pri raku debelega črevesa in danke z visokim CMP, čeprav ta epigenetska sprememba sama po sebi ne more pojasniti zmanjšane ekspresije DUSP5 v rakavih celicah. Poleg metilacije DNA so v regulacijo DUSP vključene tudi histonske modifikacije. Modifikacije vključujejo acetilacijo, metilacijo in fosforilacijo histona, učinek na izražanje genov pa je odvisen od narave modifikacij histona. Pred kratkim so Hofmann et al. [23] je dokazal, da lahko CREM uravnava ekspresijo DUSP4 v efektorskih T celicah s p300-inducirano acetilacijo histona na promotorju DUSP4. V modelu ledvične bolezni so Coit et al. [19] so analizirali spremembe metilacije DNA v celotnem genomu v naivnih celicah CD4 plus T pri bolnikih z lupusom z ali brez prizadetosti ledvic in zdravih kontrolnih osebah ter odkrili hipermetilacijo DUSP5. Demetilacija DUSP5 lahko vodi do okvarjenih signalnih poti ERK v celicah T lupusa. Nedavne študije o epigenetski regulaciji DUSP pri boleznih ledvic so razmeroma premalo razvite. Temu raziskovalnemu področju je treba posvetiti več pozornosti.

Poleg tega se lahko izražanje DUSP regulira na posttranskripcijski ali translacijski ravni. Nekodirajoče RNA igrajo pomembno vlogo pri regulaciji DUSP. Te RNA, kot so miRNA in dolgoverižne nekodirajoče RNA (lncRNA), lahko delujejo neposredno ali posredno. Običajno lahko miRNA delujejo tako, da neposredno ciljajo na mRNA DUSP, na primer za miR-107 je bilo dokazano, da cilja na 3' UTR DUSP7 v endotelijskih celicah [24], DUSP4 pa je nižja tarča miR-122-5 str [25]. Te miRNA povzročijo zmanjšano prevajanje proteinov DUSP. Za razliko od miRNA lahko lncRNA deluje posredno z vezavo na miRNA ali rekrutiranjem drugih proteinov. Pred kratkim je bilo ugotovljeno, da lncRNA AZIN1 zniža regulacijo miR- 513b-5p tako, da vpije miR- 513b-5p, ki nato cilja na DUSP11 v tumorskih tkivih. bolj zanimivo je, da je druga študija pokazala, da lahko lncRNA CASC9 rekrutira histon metiltransferazo EZH2 za epigenetsko uravnavanje izražanja DUSP1/MKP1. Te študije so razkrile mehanizme translacijske regulacije DUSP.

Nazadnje, regulacija DUSP-jev se lahko pojavi tudi na ravni beljakovin. DUSP-proteini so lahko acetilirani, fosforilirani, metilirani ali ubikvitinirani. Te spremembe lahko vplivajo na njihovo biološko aktivnost ali stabilnost beljakovin. podrobno regulacijo DUSP na ravni beljakovin najdete v drugih pregledih [28].

Izvleček dodatka Cistanche

DUSP pri boleznih ledvic

Vlogo DUSP so proučevali pri modelih ledvične bolezni, kot so diabetična nefropatija (DN), hipertenzivna nefropatija, kronična ledvična bolezen (CKD), akutna ledvična poškodba (AKI) in lupusni nefritis (LN) s poudarkom na DUSP. Ker je glavna biokemična funkcija DUSP defosforilacija aktivnosti MAPK, so bili zmanjšani DUSP odkriti v modelih ledvične bolezni, medtem ko je prisilna ekspresija DUSP obrnila manifestacije bolezni. Na molekularni ravni se je večina študij osredotočila na regulacijo MAPK z DUSP. Nedavni napredek je razkril klinični prevod takšnih ledvičnih bolezni na podlagi DUSP.

REFERENCE

1. Salazar C, Höfer T. Fosforilacija beljakovin na več mestih--od molekularnih mehanizmov do kinetičnih modelov. FEBS J. 2009, junij; 276 (12): 3177–98.

2. Owens DM, Keyse SM. Diferencialna regulacija signalizacije kinaze MAP s proteinskimi fosfatazami z dvojno specifičnostjo. Onkogen. 2007 14. maj; 26 (22): 3203–13.

3. Charles CH, Abler AS, Lau LF. cDNA zaporedje takoj zgodnjega gena, inducibilnega z rastnim faktorjem, in karakterizacija njegovega kodiranega proteina. Onkogen. 1992 Jan;7(1):187–90.

4. An N, Bassil K, Al Jowf GI, Steinbusch HWM, Rothermel M, de Nijs L, et al. Fosfataze z dvojno specifičnostjo pri duševnih in nevroloških motnjah. Prog Neurobiol. 2021 Mar; 198: 101906.

5. Mutlak M, Kehat I. Dvojne specifične fosfataze (DUSP) pri srčni hipertrofiji in odpovedi. Celični signal. 2021 avgust;84:110033.

6. Alonso A, Pulido R. Razširjeni človeški PTPome: rastoča družina tirozin fosfataze. FEBS J. 2016, april; 283 (8): 1404–29.

7. Kim EK, Choi EJ. Ogroženo signaliziranje MAPK pri človeških boleznih: posodobitev. Arch Toxicol. Junij 2015;89(6):867–82.

8. Kurtzeborn K, Kwon HN, Kuure S. MAPK/ERK signalizacija pri regulaciji ledvične diferenciacije. Int J Mol Sci. 10. april 2019; 20 (7).

9. Kondoh K, Nishida E. Regulacija MAP kinaz s fosfatazami MAP kinaze. Biochim Biophys Acta. 2007 avgust;1773(8):1227–37.

10. Kidger AM, Keyse SM. Regulacija onkogenega signaliziranja Ras/ERK z dvojno specifičnostjo mitogen-aktiviranih protein kinaznih fosfataz (MKP). Semin Cell Dev Biol. februar 2016; 50: 125–32.

11. Patterson KI, Brummer T, O'Brien PM, Daly RJ. Fosfataze z dvojno specifičnostjo: kritični regulatorji z različnimi celičnimi tarčami. Biochem J. 2009, 15. marec; 418 (3): 475–89.

12. Huang CY, Tan TH. DUSP, do MAP kinaz in naprej. Cell Biosci. 9. julij 2012; 2 (1): 24.

13. Kincaid RP, Lam VL, Chirayil RP, Randall G, Sullivan CS. RNA trifosfataza DUSP11 omogoča omejevanje virusa hepatitisa C, posredovano z eksonukleazo XRN. Proc Natl Acad Sci US A. 2018, 7. avgust; 115 (32): 8197–202.

14. Armstrong SP, Caunt CJ, McArdle CA. Gonadotropin-sproščujoči hormon in protein kinaza C signalizirata ERK: prostorsko-časovna regulacija ERK s priklopnimi domenami in fosfatazami z dvojno specifičnostjo. Mol Endocrinol. 2009 Apr;23(4):510–9.

15. Abboud HE. Biologija mezangialnih celic. Exp Cell Res. 2012 15. maj; 318 (9): 979–85.

16. Denhez B, Rousseau M, Dancosst DA, Lizotte F, Guay A, Auger-Messier M, et al. Zmanjšanje DUSP4, ki ga povzroča sladkorna bolezen, spodbuja disfunkcijo podocitov in napredovanje diabetične nefropatije. Sladkorna bolezen. 2019 maj; 68 (5): 1026–39.

17. Chen L, Wang Y, Luan H, Ma G, Zhang H, Chen G. DUSP6 ščiti mišje podocite pred visoko glukozo: inducirano vnetje in apoptozo. Mol Med Rep. 2020 Sep; 22 (3): 2273–82.

18. Li JP, Yang CY, Chuang HC, Lan JL, Chen DY, Chen YM, et al. Fosfataza JKAP/DUSP22 zavira signalizacijo T-celičnega receptorja in avtoimunost z inaktivacijo Lck. Nat Commun. 9. april 2014; 5:3618.

19. Coit P, Renauer P, Jeffries MA, Merrill JT, McCune WJ, Maksimowicz-McKinnon K, et al. Za prizadetost ledvic pri lupusu so značilne edinstvene spremembe metilacije DNA v naivnih celicah CD4 plus T. J Avtoimunska. 2015 julij; 61: 29–35.

20. Zhang Y, Feng J, Wang Q, Zhao S, Yang S, Tian L, et al. Poškodbo ledvic, ki jo povzroča hiperglikemija, povzroči obsežna mitohondrijska fragmentacija, oslabljeno signaliziranje MKP1 in aktivirana biološka os JNK-CaMKII-Fis1. Cell Physiol Biochem. 2018; 51 (4): 1778–98.

21. Chen FM, Chang HW, Yang SF, Huang YF, Nien PY, Yeh YT, et al. Gen z mitogenom aktivirane proteinske kinaze fosfataze-1 (MKP-1) je potencialni metilacijski biomarker za malignost raka dojke. Exp Mol Med. 2012 31. maj; 44 (5): 356–62.

22. Tögel L, Nightingale R, Wu R, Chüeh AC, AlObaidi S, Luk I, et al. DUSP5 je metiliran pri kolorektalnem raku z visoko stopnjo CIMP, vendar ni glavni regulator proliferacije črevesnih celic in tumorigeneze. Sci Rep. 2018, 29. januar; 8 (1): 1767.

23. Hofmann SR, Mäbert K, Kapplusch F, Russ S, Northey S, Beresford MW, et al. Modulator odzivnega elementa cAMP inducira proteinsko fosfatazo 4 z dvojno specifičnostjo za spodbujanje efektorskih celic T pri juvenilnem lupusu. J Immunol. 1. december 2019; 203 (11): 2807–16.

24. Wang S, Zhang Z, Wang J, Miao H. MiR-107 inducira izločanje TNF v endotelijskih celicah, kar povzroči poškodbo tubularnih celic pri bolnikih s septično akutno poškodbo ledvic. Biochem Biophys Res Commun. 2017 29. januar; 483 (1): 45–51.

25. Hu N, Tian Y, Song Y, Zang L. miR1225p zavira onkogenezo PTC z zaviranjem izražanja DUSP4. Mol Med Rep. 2021 maj; 23(5):368.

26. Cai Y, Wu Q, Liu Y, Wang J. AZIN1-AS1, nova onkogena lncRNA, spodbuja napredovanje nedrobnoceličnega pljučnega raka z uravnavanjem MiR-513b{{5} }p in DUSP11. Onco Targets Ther. 2020; 13: 9667–78.

27. Chen Z, Chen Q, Cheng Z, Gu J, Feng W, Lei T, et al. Dolga nekodirajoča RNA CASC9 spodbuja odpornost na gefitinib pri NSCLC z epigenetsko represijo DUSP1. Cell Death Dis. 14. oktober 2020;11(10):858.

28. Chen HF, Chuang HC, Tan TH. Regulacija vseprisotnosti fosfataze z dvojno specifičnostjo (DUSP) in stabilnost beljakovin. Int J Mol Sci. 30. maj 2019;20(11):2668.

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

Oddelek za nefrologijo, ključni laboratorij za preprečevanje in zdravljenje kronične ledvične bolezni Chongqing, Chongqing Clinical Research Center of Kidney and Urology Diseases, bolnišnica Xinqiao, Army Medical University (Tretja vojaška medicinska univerza), Chongqing, PR Kitajska