Abstract

Pozadina: Fosfataze dvostruke specifičnosti (DUSP) pripadaju porodici protein tirozin fosfataza koje defosforiliraju serin/treonin i ostatke tirozina. Poslednjih decenija, DUSP-i su bili umešani u različite fiziološke i patološke aktivnosti. Osim protein kinaza aktiviranih mitogenom (MAPK) kao glavnih supstrata, drugi proteinski i neproteinski supstrati mogu biti defosforilirani pomoću DUSP-a. Aberantna regulacija DUSP-a pronađena je u raznim bolestima uključujući rak, neurološke poremećaje i bubrežne bolesti, što ukazuje na uključenost DUSP-a u patogenezu bolesti.

Sažetak: Ovaj članak daje pregled općih karakteristika DUSP-a i napretka istraživanja u području bubrežnih bolesti, uključujući dijabetičku nefropatiju, hipertenzivnu nefropatiju, kroničnu bolest bubrega, akutnu ozljedu bubrega i lupus nefritis. Budući da je glavna biohemijska funkcija DUSP-a defosforilacija MAPK aktivnosti, smanjeni DUSP-ovi se nalaze u modelima bubrežne bolesti, dok prisilna ekspresija DUSP-a preokreće manifestacije bolesti, što je potvrđeno transgenim ili nokaut modelima.

Ključne riječi: fosfataze dvostruke specifičnosti ; Dephosphorylate; Proteinske kinaze aktivirane mitogenom; Bolesti bubrega;Cistanche suplementi

Kliknite ovdje da dobijeteDodatak za bubrege-Cistanche tubulous

Uvod

Reverzibilna fosforilacija proteina, važno sredstvo posttranslacijske modifikacije, reguliše biološku aktivnost i uključena je u različite fiziopatološke procese kod eukariota. Intracelularnu homeostazu fosforilacije proteina održavaju određene protein kinaze i protein fosfataze, ovisno o unutarćelijskom i ekstracelularnom okruženju. Eukarioti imaju niz protein kinaza čija je funkcija fosforilacija proteinskih supstrata na specifičnim aminokiselinskim ostacima. Jedna od najpoznatijih kinaza je kaskada protein kinaze aktivirane mitogenom (MAPK), koja se sastoji od linearnog niza od tri kinaze. Osim toga, mnoge proteinske fosfataze međusobno se neutraliziraju kinazama. Na osnovu strukturnih sličnosti i njihovih supstrata, proteinske fosfataze se mogu klasifikovati kao serin/treonin fosfataze (npr. PP2A) i proteinske Tyr fosfataze (npr. PTP-SL [1]). Među PTP, fosfataze dvostruke specifičnosti (DUSP) privukle su pažnju istraživača, a njihove uloge i mehanizmi u različitim modelima bolesti su opsežno istraženi [2].

DUSP-ovi su poznati i kao MAPK-specifične fosfataze (MKP), a prvi član, DUSP1/MKP1, otkriven je 1992. godine [3]. Kao što naziv implicira, DUSP posjeduju biološku aktivnost i serin/treonin fosfataza i Tyr fosfataza. Međutim, njihova katalitička aktivnost za Tyr fosfatazu je mnogo jača od Ser/Thr fosfataze. Stoga je DUSP uključen u superfamiliju PTP-a. Posljednjih godina, s napretkom istraživanja DUSP-a, striktna regulatorna uloga ćelijske reverzibilne fosforilacije dodatno je prepoznata, što daje nove ideje za razvoj, napredovanje i strategije prevencije bolesti kao što su rak, bolesti imunološkog sistema i neurološke bolesti [4,5]. U ovom pregledu ćemo se fokusirati na funkcije DUSP-a u bolestima bubrega.

Klasifikacija i funkcije DUSP-ova

Strukturno, katalitička strukturna domena DUSP-ova sadrži konzervirani motiv HCxxGxxR [6]. Na osnovu strukture, katalitičke aktivnosti i supstrata, DUSP-ovi se mogu podijeliti u sljedeće podgrupe: (i) MAPK; (ii) atipične DUSP-ove; (iii) fosfataze i tenzinske homologne protein fosfataze; (iv) fosfataze ciklusa ćelijske diobe 14 (CDC14s); (v) elastin fosfataze i (vi) fosfataze jetre koja se regeneriše. Među ovim podgrupama, članovi prve 2 podgrupe imaju dvostruku specifičnost za funkcije tirozin i treonin fosfataze. Stoga se ovi članovi smatraju konvencionalnim DUSPS-om (Tabela 1) i o njima će biti riječi u sljedećem odjeljku

Protein kinaza aktivirana mitogenom

MAPK put regulira mnoge ćelijske procese, uključujući proliferaciju stanica, diferencijaciju, migraciju, preživljavanje i apoptozu. Aberantna MAPK signalizacija povezana je s mnogim ljudskim bolestima [7,8]. MAPK put se može aktivirati raznim stimulusima, kinazama i drugim enzimima. MAPK signalizacija sadrži 3-kaskadu nivoa uključujući MAP kinazu), MAP kinazu i MAPK. postoje tri glavna MAPK puta, ekstracelularno regulirane kinaze 1 i 2 (ERK1/2) i c-Jun - N-terminalne kinaze (MAPK put je negativno reguliran MKP-ima, koji defosforiliraju aktivne MAPK supstrate. Do danas ne postoje klinička ispitivanja MAPK inhibitora ili srodnih lijekova za liječenje ljudskih bolesti zbog nesigurnosti efikasnosti ili prisustva potencijalnih štetnih efekata. Na osnovu rezultata trenutnih studija inhibitora MAPK, klinički tretmani usmjereni na uzvodne molekule MAPK puta su mnogo bolji od oni koji ciljaju na nizvodne molekule. Stoga, MPK-ovi imaju potencijalnu primjenu u translacijskoj medicini.

Porodica MPK broji 10 članova. Svaki član se sastoji od n-terminalnog MAPK-vezujućeg (MKB) strukturnog domena i c-terminalnog konzerviranog DUSP katalitičkog domena. motiv interakcije kinaze strukturnog domena MKB određuje specifičnost enzima kroz interakcije spajanja sa MAPK [9]. Značajno je da se i fosforilirani i nefosforilirani MAPK mogu vezati za MPK [10]. Nakon vezivanja za MAPK, konformacija MPKs proteina se mijenja, što povećava katalitičku aktivnost MKPs.

Prema ćelijskoj distribuciji članova MPK-a, oni se mogu podijeliti u tri podgrupe: (1) nuklearni MPK-ovi, uključujući DUSP1/MKP1, DUSP2, DUSP4/MKP2 i DUSP5; (2) citoplazmatski MPK, uključujući DUSP6/ MKP3, DUSP7, DUSP9/MKP4; (3) nuklearni i citoplazmatski MPK, uključujući DUSP8, DUSP10/MKP5 i DUSP16/MKP7. iako je prijavljeno da ovi MPK defosforiliraju MAPK, supstrati MPK-a nisu precizno definirani. preferencija supstrata za MPK povezana je sa prirodom mesta vezivanja i tipom ćelije, kao i proteinima skele MAPK [11].

Herbal Cistanche

Atipični DUSP-ovi

Atipični DUSP je strukturno sličan MPK. Ovi proteini su obično manji od MPK. Atipični DUSP-ovi sadrže DSP katalitičku domenu, ali nemaju n-terminalni MKB strukturni domen. Osim toga, neki članovi sadrže CH2 strukturne domene, strukturne domene koje se vezuju za ugljikohidrate i regije bogate argininom ili prolinom. U sisarima se nalazi otprilike 20 članova Dusp3, Dusp13, Dusp14, Dusp19, Dusp21, Dusp22, DUSP23, DUSP28, EPM2A Dekstrana fosfataza, proteinski tirozin fosfataza mitohondrial 1, RNA Guanylyltransferaza i 5'-fosfataza, serin/treonin/tirozin u interakciji proteina. Međutim, prema filogenetskoj analizi [12], ovi atipični DUSP-ovi potiču od zajedničkog pretka.

Kako atipičnim DUSP-ovima nedostaje specifičan MKB strukturni domen MKP-a, njihovi tačni supstrati ostaju neizvjesni. Među ovim atipičnim članovima DUSP-a, prijavljeno je da se DUSP14/MKP6 i DUSP26/MKP8 vezuju za MAPK i regulišu signalne puteve. Pored MAKP-a, atipični DUSP-ovi mogu djelovati i na druge fosforilirane proteinske supstrate. Osim toga, mogu defosforilirati neproteinske supstrate, kao što su RNK ili lipidi. Na primjer, DUSP11 ima intrinzičnu aktivnost fosfataze, a njegova aktivnost mRNA trifosfataze je veća od aktivnosti proteinskih fosfataza [13]. Osim toga, atipični DUSP-ovi mogu djelovati kao skele proteina i olakšati interakciju signalnih proteina [14]. Stoga, atipični DUSP-ovi imaju širok raspon specifičnosti supstrata i višestruke fiziološke funkcije.

Ekspresija i regulacija DUSP-a u bubrezima

Glavne ćelijske komponente bubrega uključuju tubularne epitelne ćelije, tilakoidne ćelije, podocite i intersticijske ćelije, koje se najčešće proučavaju na modelima bubrežne bolesti. U glomerulu, glavna komponenta su tilakoidne ćelije, koje čine oko 30 - 40 posto ukupnih ćelija [15].DUSP-ovi su eksprimirani na različitim nivoima u različitim tipovima bubrežnih ćelija. Bubrežne tubularne epitelne ćelije su najzastupljeniji tip ćelija u bubrezima i ovi geni, uključujući DUSP1/MKP1, DUSP4/MKP2 i DUSP7, navodno su eksprimirani u tubularnim ćelijama in vivo pod različitim modelima bubrežne bolesti ili u besmrtnim ćelijskim linijama. kao što je HK-2. Pored toga, DUSP1/MKP1 i DUSP10/MKP5 su eksprimirani u bubrežnim tilakoidnim ćelijama, a DUSP4/MKP2 i DUSP6/MKP3 su eksprimirani u podocitima [16,17]. Osim toga, vaskularne stanice u bubrezima, kao što su vaskularne glatke mišićne ćelije (VSMC), također eksprimiraju DUSP.

Prijavljeno je da su DUSP1/MKP1 i DUSP5 eksprimirani u VSMC i da mogu igrati ulogu u bolesti bubrega povezanih s hipertenzijom. Posebno, rezidentne imune ćelije u bubregu, kao što su t ćelije, b ćelije i monociti, mogu da eksprimiraju DUSP [18,19]. Iako je ekspresija nekih članova DUSP-a otkrivena i upoređena pod ovim modelima bolesti, ekspresija gena većine članova nije poznata. Štaviše, tačni nivoi ekspresije DUSP-a nisu poznati. Nedavno je jednoćelijsko sekvenciranje ponudilo mogućnost da se uporede nivoi ekspresije pojedinačnih gena. Na osnovu podataka Atlasa ljudskih proteina, nivoi ekspresije DUSP-a mogu se proizvoljno klasifikovati u četiri grupe. dUSP23 pripada grupi visoke ekspresije, DUSP1/MKP1, DUSP6/MKP3, DUSP3, DUSP11, DUSP15, DUSP24/serin/treonin/tirozin interagujući protein l1, protein tirozin fosfataza mitohondrijalni 1 pripadaju grupi umjerene ekspresije. DUSP13, DUSP21 i DUSP27 nisu eksprimirani u bubrezima, a članovi lijevo pripadaju grupi sa niskom ekspresijom. Stoga, ekspresiju gena DUSP-a treba dalje istražiti, posebno u modelima bolesti.

Standardized Cistanche

Ekspresija gena i aktivnost fosfataze DUSP-a mogu se regulisati transkripcijom gena, regulacijom translacije, modifikacijom proteina ili stabilnošću proteina. Aberantna ekspresija DUSP-ova pronađena je u različitim modelima u kojima se regulacija DUSP-a može javiti na nivou transkripcije. Na primjer, i nivoi DUSP1/MKP1 proteina i mRNA bili su smanjeni u dijabetičkom bubrežnom tkivu [20]. Slično, dijabetes i visoka izloženost glukozi smanjili su ekspresiju DUSP4/MKP2 na nivou transkripcije u kultivisanim ćelijama stopala i glomerulima, što je rezultiralo pojačanom aktivnošću p38 i JNK.

Kao što se i očekivalo, transkripcija DUSP-a može se regulisati epigenetskim sredstvima kao što je metilacija DNK, pored drugih važnih faktora transkripcije. Trenutno, metilacija DNK obično predstavlja epigenetski marker koji potiskuje ekspresiju gena. hipermetilacija promotorskog regiona DUSP-a dovodi do smanjene ekspresije, što je pokazano u mnogim tipovima ćelija. Utvrđeno je da je značajno smanjena ekspresija DUSP1/MKP1 u ćelijskim linijama raka dojke i invazivnim tumorima dojke povezana s metilacijom DNK PCR analizom specifičnom za metilaciju, a metilacija promotora DUSP1/MKP1 može biti potencijalni biomarker raka dojke za maligne tumore dojke [21] . Slično, Tögel i saradnici [22] su otkrili da je DUSP5 metiliran u kolorektalnim karcinomima s visokim CMP, iako ova epigenetska promjena sama po sebi ne može objasniti smanjenu ekspresiju DUSP5 u stanicama raka. Osim metilacije DNK, modifikacije histona također su uključene u regulaciju DUSP-a. Modifikacije uključuju acetilaciju histona, metilaciju i fosforilaciju, a učinak na ekspresiju gena ovisi o prirodi modifikacija histona. Nedavno su Hofmann et al. [23] su pokazali da CREM može regulisati ekspresiju DUSP4 u efektorskim T ćelijama kroz p300-indukovanu acetilaciju histona na DUSP4 promotoru. U modelu bubrežne bolesti, Coit et al. [19] analizirali su promjene metilacije DNK u cijelom genomu u naivnim CD4 plus T stanicama pacijenata s lupusom sa ili bez zahvaćenosti bubrega i zdravih kontrola i otkrili DUSP5 hipermetilaciju. DUSP5 demetilacija može dovesti do defektnih ERK signalnih puteva u T stanicama lupusa. Nedavne studije o epigenetskoj regulaciji DUSP-a kod bolesti bubrega su relativno nedovoljno razvijene. Ovoj oblasti istraživanja treba posvetiti više pažnje.

Pored toga, ekspresija DUSP-a može se regulisati na post-transkripcionom ili translacionom nivou. Nekodirajuće RNA igraju važnu ulogu u regulaciji DUSP-ova. Ove RNK, kao što su miRNA i dugolančane nekodirajuće RNK (lncRNA), mogu djelovati direktno ili indirektno. Obično miRNA mogu djelovati direktnim ciljanjem DUSP mRNA, na primjer, pokazalo se da miR-107 cilja na 3' UTR DUSP7 u endotelnim ćelijama [24], a DUSP4 je nizvodni cilj miR-122-5 p [25]. Ove miRNA rezultiraju smanjenom translacijom DUSP proteina. Za razliku od miRNA, lncRNA može djelovati indirektno vezivanjem za miRNA ili regrutacijom drugih proteina. Nedavno je otkriveno da lncRNA AZIN1 smanjuje regulaciju miR- 513b-5p sunđerom miR- 513b-5p, što zauzvrat cilja DUSP11 u tumorskim tkivima. još zanimljivije, druga studija je pokazala da lncRNA CASC9 može regrutovati histon metiltransferazu EZH2 da epigenetski regulira ekspresiju DUSP1/MKP1. Ove studije su otkrile mehanizme translacione regulacije DUSP-ova.

Konačno, regulacija DUSP-a može se desiti i na nivou proteina. DUSP proteini mogu biti acetilirani, fosforilirani, metilirani ili ubikvitinirani. Ove modifikacije mogu uticati na njihovu biološku aktivnost ili stabilnost proteina. detaljna regulacija DUSP-a na nivou proteina može se naći u drugim pregledima [28].

Ekstrakt dodatka Cistanche

DUSP-ovi u bolesti bubrega

Uloga DUSP-a proučavana je u modelima bubrežnih bolesti kao što su dijabetička nefropatija (DN), hipertenzivna nefropatija, hronična bolest bubrega (CKD), akutna povreda bubrega (AKI) i lupus nefritis (LN) sa fokusom na DUSP. Budući da je glavna biohemijska funkcija DUSP-a defosforilacija aktivnosti MAPK-a, smanjeni DUSP-ovi su pronađeni u modelima bubrežne bolesti, dok je prisilna ekspresija DUSP-a preokrenula manifestacije bolesti. Na molekularnom nivou, većina studija se fokusirala na regulaciju MAPK od strane DUSP-a. Nedavni napredak otkrio je klinički prijevod takvih bubrežnih bolesti zasnovan na DUSP-ovima.

REFERENCE

1. Salazar C, Höfer T. Multisite proteinska fosforilacija--od molekularnih mehanizama do kinetičkih modela. FEBS J. 2009. jun;276(12): 3177–98.

2. Owens DM, Keyse SM. Diferencijalna regulacija signalizacije MAP kinaze pomoću proteinskih fosfataza dvostruke specifičnosti. Onkogen. 2007. maj 14;26(22):3203–13.

3. Charles CH, Abler AS, Lau LF. cDNA sekvenca neposrednog ranog gena inducibilnog faktora rasta i karakterizacija njegovog kodiranog 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 dvostruke specifičnosti u mentalnim i neurološkim poremećajima. Prog Neurobiol. 2021. mart;198: 101906.

5. Mutlak M, Kehat I. Dvostruke specifične fosfataze (DUSP) u srčanoj hipertrofiji i zatajenju. Cell Signal. 2021. avgust;84:110033.

6. Alonso A, Pulido R. Prošireni ljudski PTPome: rastuća porodica tirozin fosfataze. FEBS J. 2016. april;283(8):1404–29.

7. Kim EK, Choi EJ. Kompromitovana MAPK signalizacija kod ljudskih bolesti: ažuriranje. Arch Toxicol. 2015. jun;89(6):867–82.

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

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

10. Kidger AM, Keyse SM. Regulacija onkogene Ras/ERK signalizacije pomoću mitogen-aktiviranih fosfataza protein kinaze (MKP) dvostruke specifičnosti. Semin Cell Dev Biol. 2016 Feb; 50:125–32.

11. Patterson KI, Brummer T, O'Brien PM, Daly RJ. Fosfataze dvostruke specifičnosti: kritični regulatori s različitim ćelijskim ciljevima. Biochem J. 2009. mart 15;418(3):475–89.

12. Huang CY, Tan TH. DUSP, do MAP kinaza, i dalje. Cell Biosci. 2012. jul 9; 2(1): 24.

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

14. Armstrong SP, Caunt CJ, McArdle CA. Gonadotropin-oslobađajući hormon i protein kinaza C signaliziraju ERK: prostorno-temporalna regulacija ERK-a spajanjem domena i fosfatazama dvostruke specifičnosti. Mol Endocrinol. 2009 Apr;23(4):510–9.

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

16. Denhez B, Rousseau M, Dancosst DA, Lizotte F, Guay A, Auger-Messier M, et al. Smanjenje DUSP4 izazvano dijabetesom potiče disfunkciju podocita i progresiju dijabetičke nefropatije. Dijabetes. 2019. maj;68(5): 1026–39.

17. Chen L, Wang Y, Luan H, Ma G, Zhang H, Chen G. DUSP6 štiti mišje podocite od visoke glukoze: indukovane upale i apoptoze. 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 inhibira signalizaciju receptora T-ćelija i autoimunost inaktivirajući Lck. Nat Commun. 2014 Apr 9;5:3618.

19. Coit P, Renauer P, Jeffries MA, Merrill JT, McCune WJ, Maksimowicz-McKinnon K, et al. Zahvaćenost bubrega kod lupusa karakteriziraju jedinstvene promjene metilacije DNK u naivnim CD4 plus T ćelijama. J Autoimmun. 2015 Jul; 61:29–35.

20. Zhang Y, Feng J, Wang Q, Zhao S, Yang S, Tian L, et al. Hiperglikemijom izazvano oštećenje bubrega uzrokovano je opsežnom fragmentacijom mitohondrija, oslabljenom MKP1 signalizacijom i aktiviranom biološkom osovinom 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 za protein kinazu fosfatazu-1 (MKP-1) aktiviran mitogenom je potencijalni biomarker metilacije za malignitet raka dojke. Exp Mol Med. 2012. maj 31;44(5):356–62.

22. Tögel L, Nightingale R, Wu R, Chüeh AC, AlObaidi S, Luk I, et al. DUSP5 je metiliran kod kolorektalnog karcinoma sa visokim nivoom CIMP-a, ali nije glavni regulator proliferacije crijevnih stanica i tumorigeneze. Sci Rep. 2018 Jan 29;8(1): 1767.

23. Hofmann SR, Mäbert K, Kapplusch F, Russ S, Northey S, Beresford MW, et al. Modulator elementa cAMP odgovora inducira protein fosfatazu 4 dvostruke specifičnosti da promoviše efektorske T ćelije kod juvenilnog lupusa. J Immunol. 2019. decembar 1;203(11):2807–16.

24. Wang S, Zhang Z, Wang J, Miao H. MiR-107 inducira sekreciju TNF-a u endotelnim ćelijama uzrokujući ozljedu tubularnih ćelija kod pacijenata sa septičkom akutnom ozljedom bubrega. Biochem Biophys Res Commun. 2017. 29. januar;483(1):45–51.

25. Hu N, Tian Y, Song Y, Zang L. miR1225p potiskuje onkogenezu PTC inhibirajući ekspresiju DUSP4. Mol Med Rep. 2021. maj; 23(5):368.

26. Cai Y, Wu Q, Liu Y, Wang J. AZIN{1}}AS1, nova onkogena lncRNA, promoviše progresiju karcinoma pluća ne-malih ćelija regulacijom MiR-513b{{5} }p i DUSP11. Onco Targets Ther. 2020;13:9667–78.

27. Chen Z, Chen Q, Cheng Z, Gu J, Feng W, Lei T, et al. Duga nekodirajuća RNA CASC9 promoviše otpornost na gefitinib u NSCLC epigenetskom represijom DUSP1. Cell Death Dis. 14. oktobar 2020; 11(10):858.

28. Chen HF, Chuang HC, Tan TH. Regulacija ubikvitinacije fosfataze dvostruke specifičnosti (DUSP) i stabilnost proteina. Int J Mol Sci. 2019. 30. maja; 20(11):2668.

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

Odsjek za nefrologiju, Ključna laboratorija za prevenciju i liječenje kronične bubrežne bolesti u Chongqingu, Chongqing klinički istraživački centar za bubrežne i urološke bolesti, bolnica Xinqiao, Medicinski univerzitet vojske (Treći vojno-medicinski univerzitet), Chongqing, NR Kina