Абстрактный

Актуальность: Фосфатазы двойной специфичности (DUSP) принадлежат к семейству протеинтирозинфосфатаз, которые дефосфорилируют остатки серина/треонина и тирозина. В последние десятилетия DUSP были вовлечены в различные физиологические и патологические процессы. В дополнение к митоген-активируемым протеинкиназам (MAPK) в качестве основных субстратов другие белковые и небелковые субстраты могут быть дефосфорилированы DUSP. Аберрантная регуляция DUSP была обнаружена при различных заболеваниях, включая рак, неврологические расстройства и заболевания почек, что свидетельствует об участии DUSP в патогенезе заболевания.

Резюме: В этой статье рассматриваются общие характеристики ДВСП и ход исследований в области заболеваний почек, включая диабетическую нефропатию, гипертоническую нефропатию, хроническую болезнь почек, острую почечную недостаточность и волчаночный нефрит. Поскольку основной биохимической функцией DUSP является дефосфорилирование активности MAPK, сниженные DUSP обнаруживаются в моделях заболеваний почек, тогда как принудительная экспрессия DUSP меняет проявления заболевания, что было подтверждено трансгенными или нокаутными моделями.

Ключевые слова: фосфатазы двойной специфичности; дефосфорилировать; митоген-активируемые протеинкиназы; Заболевания почек;Цистанхе добавки

Нажмите здесь, чтобы получитьПочечная добавка-Cistanche трубчатый

Введение

Обратимое фосфорилирование белков, важное средство посттрансляционной модификации, регулирует биологическую активность и участвует в различных физиопатологических процессах у эукариот. Внутриклеточный гомеостаз фосфорилирования белков поддерживается некоторыми протеинкиназами и протеинфосфатазами в зависимости от внутриклеточной и внеклеточной среды. У эукариот есть множество протеинкиназ, функция которых заключается в фосфорилировании белковых субстратов по определенным аминокислотным остаткам. Одной из наиболее известных киназ является каскад митоген-активируемых протеинкиназ (MAPK), состоящий из линейного массива из трех киназ. Кроме того, многие протеинфосфатазы нейтрализуют друг друга с помощью киназ. Основываясь на структурном сходстве и их субстратах, протеинфосфатазы можно классифицировать как серин/треонинфосфатазы (например, PP2A) и протеинфосфатазы Tyr (например, PTP-SL [1]). Среди PTP фосфатазы двойной специфичности (DUSP) привлекли внимание исследователей, и их роль и механизмы в различных моделях заболеваний были широко изучены [2].

DUSP также известны как MAPK-специфические фосфатазы (MKP), а первый член, DUSP1/MKP1, был открыт в 1992 г. [3]. Как следует из названия, DUSP обладают биологической активностью как серин/треонинфосфатаз, так и Tyrфосфатаз. Однако их каталитическая активность в отношении Tyr-фосфатазы значительно выше, чем в случае Ser/Thr-фосфатазы. Поэтому DUSP входит в надсемейство PTP. В последние годы, с развитием исследований DUSP, строгая регулирующая роль клеточного обратимого фосфорилирования получила дальнейшее признание, что дает новые идеи для стратегий развития, прогрессирования и предотвращения таких заболеваний, как рак, заболевания иммунной системы и неврологические заболевания. заболевания [4,5]. В этом обзоре мы сосредоточимся на функциях DUSP при заболеваниях почек.

Классификация и функции DUSP

Структурно каталитический структурный домен DUSP содержит консервативный мотив HCxxGxxR [6]. В зависимости от структуры, каталитической активности и субстрата DUSP можно разделить на следующие подгруппы: (i) MAPK; (ii) атипичные DUSP; (iii) фосфатазы и гомологичные тензину протеинфосфатазы; (iv) фосфатазы 14 цикла клеточного деления (CDC14s); (v) эластинфосфатазы и (vi) фосфатазы регенерирующей печени. Среди этих подгрупп члены первых двух подгрупп обладают двойной специфичностью в отношении функций тирозиновой и треонинфосфатазы. Поэтому эти члены считаются обычными DUSPS (табл. 1) и будут обсуждаться в следующем разделе.

Митоген-активируемая протеинкиназа

Путь МАРК регулирует многие клеточные процессы, включая клеточную пролиферацию, дифференцировку, миграцию, выживание и апоптоз. Аберрантная передача сигналов MAPK связана со многими заболеваниями человека [7,8]. путь MAPK может быть активирован различными стимулами, киназами и другими ферментами. Передача сигналов MAPK содержит каскад 3-уровня, включающий MAP-киназу), MAP-киназу и MAPK. существует три основных пути МАРК, внеклеточно регулируемые киназы 1 и 2 (ERK1/2) и c-Jun-N-концевые киназы (Путь МАРК отрицательно регулируется MKP, которые дефосфорилируют активные субстраты МАРК. На сегодняшний день нет клинические испытания ингибиторов MAPK или родственных препаратов для лечения заболеваний человека из-за неопределенности эффективности или наличия потенциальных побочных эффектов.Основываясь на результатах текущих исследований ингибиторов MAPK, клиническое лечение, направленное на молекулы, расположенные выше по течению пути пути MAPK, намного лучше, чем те, которые нацелены на нижестоящие молекулы.Поэтому MPK имеют потенциальное применение в трансляционной медицине.

Семья MPK насчитывает 10 членов. Каждый член состоит из n-концевого МАРК-связывающего (МКВ) структурного домена и с-концевого консервативного каталитического домена DUSP. мотив киназного взаимодействия структурного домена MKB определяет специфичность фермента посредством стыковочных взаимодействий с MAPK [9]. Примечательно, что как фосфорилированные, так и нефосфорилированные МАРК могут связываться с МПК [10]. При связывании с MAPK изменяется конформация белка MPK, что увеличивает каталитическую активность MKP.

По клеточному распределению членов МПК их можно разделить на три подгруппы: (1) ядерные МПК, включающие DUSP1/MKP1, DUSP2, DUSP4/MKP2 и DUSP5; (2) цитоплазматические МПК, включая DUSP6/MKP3, DUSP7, DUSP9/MKP4; (3) ядерные и цитоплазматические МПК, включая DUSP8, DUSP10/MKP5 и DUSP16/MKP7. хотя сообщалось, что эти MPK дефосфорилируют MAPK, субстраты MPK точно не определены. предпочтение субстрата для MPK связано с природой сайта связывания и типа клеток, а также с каркасными белками MAPK [11].

Травяной Цистанхе

Атипичные DUSP

Атипичный ДЮСП структурно похож на МПК. Эти белки обычно меньше, чем MPK. Атипичные DUSP содержат каталитический домен DSP, но не имеют n-концевого структурного домена MKB. Кроме того, некоторые члены содержат структурные домены CH2, структурные домены, связывающие углеводы, и области, богатые аргинином или пролином. В тканях млекопитающих насчитывается около 20 представителей DUSP3, DUSP11, DUSP12, DUSP13, DUSP14, DUSP15, DUSP18, DUSP19, DUSP21, DUSP22, DUSP23, DUSP26, DUSP27, DUSP28, EPM2A декстранфосфатаза, протеинтирозинфосфатаза 1,лиохондриалтрансферолаза, митохондриальная РНК. и белки, взаимодействующие с 5'-фосфатазой, серином/треонином/тирозином. Однако, согласно филогенетическому анализу [12], эти атипичные ДЮСП произошли от общего предка.

Поскольку атипичные DUSP лишены специфического структурного домена MKB, характерного для MKP, их точные субстраты остаются неопределенными. Сообщалось, что среди этих атипичных членов DUSP DUSP14/MKP6 и DUSP26/MKP8 связываются с MAPK и регулируют сигнальные пути. Помимо MAKP, атипичные DUSP могут также действовать на другие фосфорилированные белковые субстраты. Кроме того, они могут дефосфорилировать небелковые субстраты, такие как РНК или липиды. Например, DUSP11 обладает внутренней фосфатазной активностью, а его мРНК-трифосфатазная активность выше, чем у протеинфосфатаз [13]. Кроме того, атипичные DUSP могут выступать в качестве каркасных белков и облегчать взаимодействие сигнальных белков [14]. Таким образом, атипичные DUSP обладают широким спектром субстратной специфичности и множественными физиологическими функциями.

Экспрессия и регуляция DUSP в почках

Основные клеточные компоненты почки включают эпителиальные клетки канальцев, тилакоидные клетки, подоциты и интерстициальные клетки, которые наиболее часто изучаются в моделях почечной недостаточности. В клубочках основным компонентом являются тилакоиды, на долю которых приходится около 30 - 40 процентов от общего числа клеток [15]. DUSP экспрессируются на разных уровнях в разных типах почечных клеток. Эпителиальные клетки почечных канальцев являются наиболее распространенным типом клеток в почках, и эти гены, включая DUSP1/MKP1, DUSP4/MKP2 и DUSP7, экспрессируются в канальцевых клетках in vivo на различных моделях почечных заболеваний или в иммортализованных клеточных линиях. например, HK-2. Кроме того, DUSP1/MKP1 и DUSP10/MKP5 экспрессируются в почечных тилакоидных клетках, а DUSP4/MKP2 и DUSP6/MKP3 экспрессируются в подоцитах [16,17]. Кроме того, сосудистые клетки в почках, такие как гладкомышечные клетки сосудов (VSMC), также экспрессируют DUSP.

Сообщалось, что DUSP1/MKP1 и DUSP5 экспрессируются в VSMC и могут играть роль в заболеваниях почек, связанных с гипертензией. Примечательно, что резидентные иммунные клетки в почках, такие как Т-клетки, В-клетки и моноциты, могут экспрессировать DUSP [18,19]. Хотя экспрессия некоторых членов DUSPs была выявлена ​​и сравнена на этих моделях заболеваний, экспрессия генов большинства членов неизвестна. Кроме того, точные уровни экспрессии DUSPs неизвестны. Недавно секвенирование отдельных клеток дало возможность сравнить уровни экспрессии отдельных генов. На основании данных Human Protein Atlas уровни экспрессии DUSP можно условно разделить на четыре группы. dUSP23 принадлежит к группе с высокой экспрессией, DUSP1/MKP1, DUSP6/MKP3, DUSP3, DUSP11, DUSP15, DUSP24/серин/треонин/тирозин взаимодействующий белок l1, протеинтирозинфосфатаза митохондриальная 1 относятся к группе с умеренной экспрессией. DUSP13, DUSP21 и DUSP27 не экспрессируются в почках, а члены слева принадлежат к группе с низкой экспрессией. Следовательно, необходимо дальнейшее исследование экспрессии генов DUSP, особенно на моделях заболеваний.

Стандартизированный цистанхе

Экспрессия генов и фосфатазная активность DUSP могут регулироваться транскрипцией генов, регуляцией трансляции, модификацией белка или стабильностью белка. Аберрантная экспрессия DUSP была обнаружена в различных моделях, в которых регуляция DUSP может происходить на уровне транскрипции. Например, уровни белка DUSP1/MKP1 и мРНК были снижены в диабетической почечной ткани [20]. Точно так же диабет и высокое воздействие глюкозы снижали экспрессию DUSP4/MKP2 на уровне транскрипции в культивируемых клетках стопы и клубочках, что приводило к усилению активности p38 и JNK.

Как и ожидалось, транскрипция DUSPs может регулироваться эпигенетическими средствами, такими как метилирование ДНК, в дополнение к другим важным факторам транскрипции. В настоящее время метилирование ДНК обычно представляет собой эпигенетический маркер, подавляющий экспрессию генов. гиперметилирование промоторной области DUSP приводит к снижению экспрессии, что было продемонстрировано во многих типах клеток. Было обнаружено, что значительно сниженная экспрессия DUSP1/MKP1 в клеточных линиях рака молочной железы и инвазивных опухолях молочной железы связана с метилированием ДНК с помощью ПЦР-анализа, специфичного для метилирования, а метилирование промотора DUSP1/MKP1 может быть потенциальным биомаркером рака молочной железы для злокачественных новообразований молочной железы [21]. . Точно так же Tögel et al [22] обнаружили, что DUSP5 метилируется при колоректальном раке с высоким уровнем CMP, хотя это эпигенетическое изменение само по себе не может объяснить сниженную экспрессию DUSP5 в раковых клетках. Помимо метилирования ДНК, в регуляции DUSP участвуют также модификации гистонов. Модификации включают ацетилирование, метилирование и фосфорилирование гистонов, а влияние на экспрессию генов зависит от природы модификаций гистонов. Недавно Хофманн и соавт. [23] продемонстрировали, что CREM может регулировать экспрессию DUSP4 в эффекторных Т-клетках посредством p300-индуцированного ацетилирования гистонов на промоторе DUSP4. В модели заболевания почек Coit et al. [19] проанализировали изменения метилирования ДНК по всему геному в наивных CD4 плюс Т-клетках у пациентов с волчанкой с поражением почек или без него и у здоровых людей и обнаружили гиперметилирование DUSP5. Деметилирование DUSP5 может привести к дефектным сигнальным путям ERK в Т-клетках волчанки. Недавние исследования эпигенетической регуляции DUSP при заболеваниях почек относительно слабо развиты. Этому направлению исследований следует уделить больше внимания.

Кроме того, экспрессия DUSP может регулироваться на посттранскрипционном или трансляционном уровне. Некодирующие РНК играют важную роль в регуляции DUSP. Эти РНК, такие как микроРНК и длинноцепочечные некодирующие РНК (днРНК), могут действовать прямо или косвенно. Обычно микроРНК могут действовать путем прямого нацеливания на мРНК DUSP, например, было показано, что miR-107 нацеливается на 3'-UTR DUSP7 в эндотелиальных клетках [24], а DUSP4 является нижестоящей мишенью miR-122-5. стр. [25]. Эти микроРНК приводят к снижению трансляции белков DUSP. В отличие от miRNAs, lncRNA могут действовать косвенно, связываясь с miRNAs или рекрутируя другие белки. Недавно было обнаружено, что lncRNA AZIN1 подавляет miR- 513b-5p за счет губчатой ​​miR- 513b-5p, которая, в свою очередь, нацеливается на DUSP11 в опухолевых тканях. что более интересно, другое исследование показало, что lncRNA CASC9 может рекрутировать гистоновую метилтрансферазу EZH2 для эпигенетической регуляции экспрессии DUSP1/MKP1. Эти исследования выявили механизмы трансляционной регуляции DUSP.

Наконец, регуляция DUSP также может происходить на белковом уровне. Белки DUSP могут быть ацетилированы, фосфорилированы, метилированы или убиквитинированы. Эти модификации могут повлиять на их биологическую активность или стабильность белка. подробная регуляция DUSPs на белковом уровне может быть найдена в других обзорах [28].

Экстракт цистанхе

ДВСП при заболеваниях почек

Роль DUSP изучалась на моделях заболеваний почек, таких как диабетическая нефропатия (DN), гипертоническая нефропатия, хроническая болезнь почек (CKD), острая почечная недостаточность (AKI) и волчаночный нефрит (LN), с акцентом на DUSP. Поскольку основная биохимическая функция DUSP заключается в дефосфорилировании активности MAPK, сниженные DUSP были обнаружены в моделях заболеваний почек, тогда как форсированная экспрессия DUSP обращала проявления заболевания. На молекулярном уровне большинство исследований было сосредоточено на регуляции МАРК с помощью DUSP. Недавние достижения выявили клиническую трансформацию таких почечных заболеваний на основе DUSP.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Салазар С., Хёфер Т. Многосайтовое фосфорилирование белков--от молекулярных механизмов до кинетических моделей. FEBS J. 2009 Jun; 276 (12): 3177–98.

2. Оуэнс Д.М., Кейс С.М. Дифференциальная регуляция передачи сигналов киназы MAP протеинфосфатазами двойной специфичности. Онкоген. 2007 г., 14 мая; 26 (22): 3203–13.

3. Чарльз Ч., Аблер А.С., Лау Л.Ф. Последовательность кДНК гена, индуцируемого фактором роста, непосредственно раннего гена и характеристика кодируемого им белка. Онкоген. 1992, янв; 7 (1): 187–90.

4. Ан Н., Бассил К., Эл Джоуф Г.И., Стейнбуш Х.В.М., Ротермель М., де Нийс Л. и соавт. Фосфатазы двойной специфичности при психических и неврологических расстройствах. Прог Нейробиол. 2021 март; 198: 101906.

5. Мутлак М., Кехат И. Двойные специфические фосфатазы (DUSP) при сердечной гипертрофии и сердечной недостаточности. Сотовый сигнал. 2021 авг;84:110033.

6. Алонсо А., Пулидо Р. Расширенный PTPome человека: растущее семейство тирозинфосфатаз. FEBS J. 2016 Apr; 283 (8): 1404–29.

7. Ким Э.К., Чой Э.Дж. Скомпрометированная передача сигналов MAPK при заболеваниях человека: обновление. Арх Токсикол. 2015 г., июнь; 89 (6): 867–82.

8. Kurtzeborn K, Kwon HN, Kuure S. Передача сигналов MAPK/ERK в регуляции дифференцировки почек. Int J Mol Sci. 2019 10 апреля; 20 (7).

9. Kondoh K, Nishida E. Регуляция MAP-киназ с помощью MAP-киназ-фосфатаз. Биохим Биофиз Акта. 2007 г., август; 1773 (8): 1227–37.

10. Кидгер А.М., Кейс С.М. Регуляция онкогенной передачи сигналов Ras / ERK с помощью митоген-активируемых протеинкиназ-фосфатаз (MKP) с двойной специфичностью. Semin Cell Dev Biol. 2016 февраль; 50:125–32.

11. Паттерсон К.И., Браммер Т., О'Брайен П.М., Дейли Р.Дж. Фосфатазы двойной специфичности: важные регуляторы с разнообразными клеточными мишенями. Biochem J. 15 марта 2009 г .; 418 (3): 475–89.

12. Хуан С.И., Тан Т.Х. DUSP, к MAP-киназам и т. д. Клетка Биоски. 2012 9 июля; 2(1): 24.

13. Кинкейд Р.П., Лам В.Л., Чираил Р.П., Рэндалл Г., Салливан С.С. РНК-трифосфатаза DUSP11 обеспечивает опосредованную экзонуклеазой XRN рестрикцию вируса гепатита С. Proc Natl Acad Sci US A. 7 августа 2018 г .; 115 (32): 8197–202.

14. Армстронг С.П., Каунт С.Дж., Макардл К.А. Гонадотропин-высвобождающий гормон и протеинкиназа C передают сигналы ERK: пространственно-временная регуляция ERK с помощью стыковочных доменов и фосфатаз двойной специфичности. Мол Эндокринол. 2009 апр; 23 (4): 510–9.

15. Аббуд Х.Е. Биология мезангиальной клетки. Разрешение ячейки опыта. 2012 г., 15 мая; 318 (9): 979–85.

16. Denhez B, Rousseau M, Dancosst DA, Lizotte F, Guay A, Auger-Messier M, et al. Индуцированное диабетом снижение уровня DUSP4 способствует дисфункции подоцитов и прогрессированию диабетической нефропатии. Диабет. 2019 май; 68 (5): 1026–39.

17. Chen L, Wang Y, Luan H, Ma G, Zhang H, Chen G. DUSP6 защищает мышиные подоциты от высокого уровня глюкозы: индуцированное воспаление и апоптоз. Mol Med Rep. 2020 Sep; 22 (3): 2273–82.

18. Li JP, Yang CY, Chuang HC, Lan JL, Chen DY, Chen YM, et al. Фосфатаза JKAP/DUSP22 ингибирует передачу сигналов Т-клеточного рецептора и аутоиммунитет путем инактивации Lck. Нац коммун. 2014 9 апреля; 5:3618.

19. Coit P, Renauer P, Jeffries MA, Merrill JT, McCune WJ, Maksimowicz-McKinnon K, et al. Поражение почек при волчанке характеризуется уникальными изменениями метилирования ДНК в наивных CD4 плюс Т-клетках. J Аутоиммун. 2015 июль; 61:29–35.

20. Zhang Y, Feng J, Wang Q, Zhao S, Yang S, Tian L, et al. Индуцированное гипергликемией повреждение почек вызвано обширной митохондриальной фрагментацией, ослаблением передачи сигналов MKP1 и активированной биологической осью JNK-CaMKII-Fis1. Cell Physiol Biochem. 2018;51(4): 1778–98.

21. Chen FM, Chang HW, Yang SF, Huang YF, Nien PY, Yeh YT и другие. Ген митоген-активируемой протеинкиназы фосфатазы -1 (MKP-1) является потенциальным биомаркером метилирования злокачественности рака молочной железы. Эксп Мол Мед. 2012 г. 31 мая; 44 (5): 356–62.

22. Тогель Л., Найтингейл Р., Ву Р., Чюэ А.С., Аль-Обайди С., Лук И. и другие. DUSP5 метилируется при колоректальном раке с высоким уровнем CIMP, но не является основным регулятором пролиферации кишечных клеток и онкогенеза. Научный представитель 2018 г., 29 января; 8 (1): 1767.

23. Хофманн С.Р., Мэберт К., Капплюш Ф., Расс С., Норти С., Бересфорд М.В. и соавт. Модулятор ответного элемента цАМФ индуцирует протеинфосфатазу 4 двойной специфичности для стимулирования эффекторных Т-клеток при ювенильной волчанке. Дж Иммунол. 2019 1 декабря; 203 (11): 2807–16.

24. Wang S, Zhang Z, Wang J, Miao H. MiR-107 индуцирует секрецию TNF- в эндотелиальных клетках, вызывая повреждение канальцевых клеток у пациентов с септическим острым повреждением почек. Biochem Biophys Res Commun. 2017 29 января; 483 (1): 45–51.

25. Hu N, Tian Y, Song Y, Zang L. miR1225p подавляет онкогенез PTC путем ингибирования экспрессии DUSP4. Mol Med Rep. 2021 Май; 23(5):368.

26. Cai Y, Wu Q, Liu Y, Wang J. AZIN1-AS1, новая онкогенная днРНК, способствует прогрессированию немелкоклеточного рака легкого, регулируя MiR-513b{{5}. }p и DUSP11. Onco нацеливается на Ther. 2020;13:9667–78.

27. Chen Z, Chen Q, Cheng Z, Gu J, Feng W, Lei T и другие. Длинная некодирующая РНК CASC9 способствует устойчивости к гефитинибу при НМРЛ путем эпигенетической репрессии DUSP1. Клеточная смерть Дис. 2020 14 октября; 11 (10): 858.

28. Чен Х.Ф., Чуанг Х.К., Тан Т.Х. Регуляция убиквитинирования фосфатазы двойной специфичности (DUSP) и стабильности белка. Int J Mol Sci. 2019 30 мая; 20 (11): 2668.

От Хайян Ли; Цзячуань Сюн; Ю Ду; Инхуэй Хуан; Цзинхун Чжао.

Отделение нефрологии, Ключевая лаборатория профилактики и лечения хронической болезни почек Чунцина, Чунцинский клинический исследовательский центр болезней почек и урологии, больница Синьцяо, Армейский медицинский университет (Третий военно-медицинский университет), Чунцин, КНР