Prostaglandyny cyklopentenonu - Cyclopentenone prostaglandins

Prostaglandyny cyklopentenonu są podzbiorem prostaglandyn (PG) lub prostanoidów (patrz eikozanoid#klasyczne eikozanoidy i eikozanoid#nieklasyczne eikozanoidy ), który zawiera 15-deoksy-Δ12,14-prostaglandynę J2 (15-d-Δ12,14-PGJ2), Δ12- PGJ2 i PGJ2 jako jego najwybitniejsi członkowie, ale także PGA2, PGA1 i, choć nie są sklasyfikowane jako takie, inne PG. 15-d-Δ12,14-PGJ2, Δ12-PGJ2 i PGJ2 mają wspólną mono-nienasyconą strukturę cyklopentenonu , a także zestaw podobnych aktywności biologicznych, w tym zdolność do tłumienia odpowiedzi zapalnych oraz wzrostu i przeżycia komórek, szczególnie te pochodzenia nowotworowego lub neurologicznego. W związku z tym sugeruje się, że te trzy cyklopentenon-PG i dwa epoksyizoprostany stanowią modele dla rozwoju nowych leków przeciwzapalnych i przeciwnowotworowych . Prostaglandyny cyklopenentonu są strukturalnie i funkcjonalnie spokrewnione z podzbiorem izoprostanów, mianowicie dwoma izoprostanami cyklopentenonu , 5,6-epoksyizoprostanem E2 i 5,6-epoksyizoprostanem A2 .

Biochemia

W komórkach COX-1 i COX-2 metabolizują kwas arachidonowy do PGH2, który jest następnie przekształcany do PGE2 przez dowolny z trzech izoenzymów : PTGES , PTGES2 i PTGES3 lub alternatywnie do PGD2 przez jeden z dwóch enzymów, enzym niezależny od glutationu. syntaza określana jako syntaza prostaglandyny D2 typu lipokaliny (PTGDS lub L-PGDS) i zależne od glutationu H- PGDS lub PTGDS2 typu krwiotwórczego; COX metabolizuje również kwas dihomo -gamma-linolenowy do PGH1, który jest metabolizowany przez jeden z trzech izozymów PTGES do PGE1 (patrz szlaki eikozanoidów#Prostanoid ). PGE2, PGE1 i PGD2 ulegają reakcji odwodnienia odpowiednio PGA2, PGA1 i PGJ2. Konwersje PGD2 tworzą najlepiej zbadane cyklopentenonowe PG. Te konwersje są następujące:

  • PGD2 jest 20-węglowym metabolitem kwasu arachidonowego z podwójnymi wiązaniami między węglami 5,6 i 13,14, wiązaniem węgiel-węgiel między węglami 8 i 12 (które ustanawia jego pierścień cyklopentanonowy ), resztami hydroksylowymi przyłączonymi do węgli 9 i 15 oraz reszta ketolowa (tj. tlen z podwójnym wiązaniem z węglem) przyłączona do węgla 11. PGD2 ulega spontanicznej (tj. nieenzymatycznej) reakcji odwodnienia (tj. usunięcia dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu [tj. H 2 O]) poprzez swoje 9-hydroksylowe -obszar węgla 10 z utworzeniem nowego wiązania podwójnego 9,10, aby stać się PGJ2 posiadającym pierścień cyklopentenonu (tj. pierścień zawiera jedno wiązanie podwójne) zastępujący pierścień cyklopentanonu (tj. pierścień nie ma wiązań podwójnych) PGD2. W ten sposób węgiel 9 staje się chemicznie reaktywny jako centrum elektrofilowe .
  • PGJ2 ulega spontanicznej reakcji izomeryzacji , w której podwójne wiązanie węgiel 13,14 przesuwa się do pozycji węgla 12,13, aby stać się Δ12-PGJ2 z drugim elektrofilowym miejscem centralnym ustalonym na węglu 13.
  • Δ12-PGJ2 ulega spontanicznej reakcji odwodnienia w całym regionie 15-hydroksy-węgla 14, tworząc nowe podwójne wiązanie między węglami 14 i 15, stając się w ten sposób 15-deoksy-Δ12,14-PGJ2 z zachowanymi miejscami elektrofilowymi przy węglach 9 i 13. Węgiel 9 jest bardziej elektrofilowy niż węgiel 13 i dlatego jest bardziej aktywny niż węgiel 9 w tworzeniu wiązań kowalencyjnych z innymi cząsteczkami.

PGE2 i PGE1 to 20-węglowe metabolity odpowiednio kwasu arachidonowego i dihomo-γ-linolenowego , z podwójnym wiązaniem między węglem 13 i 14, wiązaniem węgiel-węgiel między węglem 8 i 12 (co ustala ich strukturę cyklopentanonu), resztami hydroksylowymi przy węglach 11 i 15 oraz resztę ketolową przy węglu 9. Różnią się tym, że PGE2 ma, podczas gdy PGE1 nie ma, podwójnego wiązania między węglami 5 i 6. Oba PG przechodzą reakcję odwodnienia w obrębie swoich regionów 11-hydroksy-węgla 10 do tworzą nowe wiązanie podwójne między węglem 10 i 11, aby stać się odpowiednio PGA2 i PGA1, z pierścieniem cyklopenenonu zastępującym pierścienie cyklopentaononu lub ich prekursorami i nowo utworzonym centrum elektrofilowym przy węglu 11. To centrum elektrofilowe jest prawdopodobnie mniej elektrofilowe niż węgiel 9 miejsca Δ12-PGJ2 i 15-deoksy-Δ12-PGJ2

Struktury cyklopentenonu PGA2, PGA1, PGJ2, Δ12-PGJ2 i 15-d-Δ12,14-PGJ2 posiadają α,β-nienasycone grupy karbonylowe (patrz grupa karbonylowa # α,β-Nienasycone związki karbonylowe ), które służą do poziomy reaktywności chemicznej przy pobliskich węglach 9, 11 i/lub 13. Te węgle są elektrofilami, które łatwo tworzą wiązania kowalencyjne, działając jako akceptory w reakcjach Michaela, tworząc wiązania kowalencyjne z odsłoniętymi miejscami nukleofilowymi , zwłaszcza resztami tiolowymi , w różnych białkach . Reakcja inaktywuje lub zmniejsza aktywność różnych funkcjonalnie ważnych białek docelowych i jest jednym z mechanizmów, za pomocą których cyklopentenon PG wpływa na funkcję komórki.

Wszystkie reakcje zachodzące przez wyżej cytowane PG zachodzą spontanicznie (tj. są niezależne od enzymów) w środowisku wodnym. Ta biochemia nakłada bardzo ważne ograniczenia na badanie PG cyklopentenonu oraz, w mniejszym stopniu, na PGE2, PGE1 i PGD2: a) wykrywanie PG cyklopentenonu w tkankach może i często odzwierciedla ich powstawanie podczas preparacji tkanek; b) wykrywanie PGE2, PGE1 i PGD2 w tkankach może być niedoszacowane ze względu na straty spowodowane ich konwersją do cyklopentenonu PG; c) aktywności, jak badano in vitro lub in vivo, PGJ2 mogą odzwierciedlać jego konwersję do Δ12-PGJ2 lub 15-deoksy-Δ12,14-PGJ2, te z Δ12-PGJ2 mogą odzwierciedlać jego konwersję do 15-deoksy-Δ12, 14-PGJ2 i te z PGE2, PGE1 lub PGD2 mogą odzwierciedlać ich konwersję do dowolnego z cyklopentenonu PG; oraz d) przyłączanie tych związków, podobnie jak w innych reakcjach Michaela, jest odwracalne i dlatego może być niedoszacowane lub niewykryte w badaniach.

Mechanizmy działania

Receptory sprzężone z białkiem G

Seria PGJ2 cyklopentenonu PG wiąże się i aktywuje receptor sprzężony z białkiem G , receptor prostaglandyny DP2 , przy czym 15-deoksy-Δ12,14-PGJ2 i PDJ2 wykazują moc porównywalną do PGD2 (tj. stałe równowagi Ki ~20-45 nanomoli) i Δ12-PGJ2 o 10-krotnie mniejszej sile działania, przynajmniej na mysim receptorze DP2. Te PGJ2 również wiążą i aktywują drugi receptor sprzężony z białkiem G, receptor prostaglandyny DP1 , ale do tego wymagają wysokich stężeń; ta aktywacja nie jest uważana za fizjologiczną. DP2 i DP1 to receptory sprzężone z białkiem G , przy czym receptor DP2 sprzężony z zależnym od podjednostki Gi alfa obniża poziom cAMP w komórce i powoduje uszkodzenie komórek nasilających w hodowlach tkanki nerwowej oraz z receptorem DP1 sprzężonym z zależnym od podjednostki Gs alfa wzrostem w komórkowe poziomy cAMP i tłumienie uszkodzenia komórek w hodowlach tkanki nerwowej.

Receptor gamma aktywowany przez proliferatory peroksysomów

PGD2 PGJ2, Δ12-PGJ2 i 15-deoksy-Δ12,14-PGJ2 aktywacji czynnika transkrypcyjnego , PPARy , 15-dezoksy-Δ12,14-PGJ2 jest najsilniejszym z czterech PG. W związku z tym dalsze badania koncentrowały się na 15-deoksy-Δ12,14-PGJ2. Ta PG bezpośrednio wiąże się i aktywuje PPARy, indukując w ten sposób transkrypcję genów zawierających element odpowiedzi PPARy . W wyniku tego działania, 15-deoksy-Δ12,14-PGJ2 powoduje, że komórki angażują się w szlak programowanej śmierci komórki, określany jako paraptoza , forma samobójstwa komórek, która różni się od apoptozy polegającą na wakuolizacji cytoplazmatycznej i obrzęku mitochondriów, a nie pęcherzykowaniu błony komórkowej. kondensacja i fragmentacja jądrowa oraz ciała apoptotyczne. Aktywacja PPARγ przez 15-Deoksy-Δ12,14-PGG2 i indukcja paraptozy jest odpowiedzialna za hamowanie wzrostu hodowanych ludzkich linii komórek piersi, okrężnicy, prostaty i być może innych komórek rakowych. Badania wykazały, że działanie przeciwzapalne prostaglandyn cylopenentonowych nie wykazuje żadnej lub niewielkiej zależności od ich zdolności do aktywacji PPARγ.

Modyfikacja kowalencyjna białek

W elektrofilowe centra w pierścieniu cyklopentenon PGS cylopentenone utworzenia wiązań kowalencyjnych z odsłoniętymi nukleofilowymi centra, przede wszystkim atom siarki w grupach tiolowych cysteiny pozostałości. Analizy proteomiczne wykryły 368 białek, które są kowalencyjnie zmodyfikowane przez 15-deoksy-Δ12,14-PGJ2; obejmują one liczne błony plazmatyczne , sygnalizację komórkową, enzym glikolityczny, cytoszkielet i białko opiekuńcze . Powoduje to dodanie PG do białka poprzez reakcję addycji Michaela i istotne modyfikacje w aktywności białek docelowych, które pełnią kluczowe funkcje w komórkach. 15-Deoksy-Δ12,14-PGJ2 wykazuje największą reaktywność i jest przedmiotem tych badań. Badania proteomiczne wskazują, że PGJ tworzą addukty z ponad 358 białkami. To tworzenie adduktów badano z kilkoma funkcjonalnie i/lub klinicznie ważnymi białkami, takimi jak:

  • Podjednostka IKK-β kinazy IκB : IκB służy do zatrzymywania NFκB w cytoplazmie komórki, hamując w ten sposób jego wnikanie do jądra i działając jako czynnik transkrypcyjny (patrz kinaza IkB ) indukujący transkrypcję genów, z których wiele przyczynia się do regulacji odpowiedzi zapalnych . 15-deoksy-Δ12,14-PGJ2 tworzy addukt z podjednostką IKK-β kinazy IκB, hamując w ten sposób aktywność kinaz, promując w ten sposób wejście NFκB do jądra i stymulując transkrypcję ponad 15O białek, z których wiele reguluje odpowiedzi zapalne . Efektem netto tego hamowania jest zahamowanie i/lub odniesienie zapalenia.
  • KEAP1 : cytozolowy KEAP1 służy do promowania degradacji Nrf2 przez proteasomy, tym samym hamując przedostawanie się tego czynnika transkrypcyjnego do jądra i stymulując transkrypcję wielu genów, które odpowiadają za różne białka antyoksydacyjne, takie jak HMOX1, który koduje białko tworzące tlenek węgla i przeciwzapalne, HO-1 (patrz Tlenek węgla#Chemia i Tlenek węgla#Fizjologia ). 15-Deoksy-Δ12,14-PGJ2 tworzy addukty z cysteinami KEAP1 273 i 288, blokując w ten sposób jego zdolność do hamowania aktywacji indukcji przez Nrf2 białek przeciwutleniających. Zdolność prostaglandyn cyklopentenonu do promowania transkrypcji genów zależnych od Nrf2 wydaje się mieć kluczowe znaczenie dla ich działania przeciwzapalnego.
  • eIF4A : eIF4A to helikaza RNA, niezbędna do translacji białek . 15-Deoksy-Δ12,14-PGJ2 tworzy addukt z cysteiną 264 w eIF4A w celu zahamowania translacji białka i wywołania TRAF2 , wewnątrzkomórkowego białka sygnalizacyjnego wymaganego do stymulującego działania prozapalnej cytokiny , TNFα , do sekwestracji w ziarnistościach stresu komórkowego . Hamowanie translacji białek może wyzwalać zaprogramowaną śmierć komórek, podczas gdy sekwestracja TRAF2 może tłumić odpowiedzi zapalne. PGA1 ma podobny, choć słabszy wpływ na translację białka i sekwestrację TRAF2, a zatem może również tworzyć addukt z, a tym samym dezaktywować, eIF4a.
  • UCHL1 : PGA1, Δ12-PGJ2 i 15-deoksy-Δ12,14-PGJ2 tworzą addukty z UCHL1 (hydrolaza na końcu karboksylowym ubikwityny L1), białkiem, które odkłada się jako agregat w patologicznie zaangażowanych tkankach choroby Parkinsona a także inne choroby neurodegeneracyjne . W dalszych badaniach stwierdzono, że 15-deoksy-Δ12,14-PGJ2 wyzwala tworzenie agregatów Uch-L1 i sugeruje, że ta reakcja może przyczyniać się do rozwoju i/lub progresji tych chorób.
  • H-Ras : 15-Deoksy-A12,14-PGJ2 tworzy wiązanie kowalencyjne z cysteiną 184 na H-ras, tym samym aktywując to białko sygnałowe i promując proliferację komórek.
  • Hydrolaza epoksydowa : 15-Deoksy-A12,14-PGJ2 hamuje rozpuszczalną hydrolazę epoksydową 2 przez tworzenie adduktów z jego katalityczną resztą cysteiny (Cys521). Efekt ten blokuje zdolność hydrolazy do inaktywacji kwasów epoksyeikozatrienowych (EET), zwłaszcza 14,15-EET. EET powodują rozszerzenie naczyń tętniczych, w tym serca. Poprzez blokowanie wytwarzania 14,15-ETE i przynajmniej teoretycznie innych ETE rozszerzających naczynia krwionośne, kwasów epoksydokozapentaenowych i/lub kwasów epoksydokozapentaenowych , wydaje się , że 15-deoksy-Δ12,14-PGJ2 powoduje rozszerzenie tętnic wieńcowych, a tym samym chroni przed niedokrwienie i zawał serca w modelu szczurzym.

Jedna lub więcej prostaglandyn cyklopentenonu reguluje również inne szlaki sygnalizacji komórkowej , chociaż dokładny mechanizm (mechanizmy) tego nie zawsze jest jasny. Regulują one sygnalizację poprzez: a) hamowanie szlaku kinazy STAT3 - Janus w celu zablokowania komórkowych odpowiedzi prozapalnych; b) stymulowanie szlaków supresora sygnalizacji cytokin 1 , supresora sygnalizacji cytokin 3 i domeny fosfatazy białkowej 2 zawierającej domenę homologii Src 2 w celu hamowania działania cytokin prozapalnych; c) hamowanie aktywacji szlaków kinaz białkowych ERK1 , ERK2 , Akt i kinaz białkowych aktywowanych mitogenem p38 w celu hamowania działania cytokin prozapalnych i/lub różnicowania komórek progenitorowych do prozapalnych komórek dendrytycznych ; d) regulowanie cyklu komórkowego i proliferacji komórek przez stymulację p21 , cFos , Erg-1 i cMyc lub hamowanie N-Myc , cykliny D1 , Cdk4 i insulinopodobnego czynnika wzrostu 1 ; oraz e) środki regulujące, takie jak HSP70 , GPR78 , Gadd153, Ubikwityna B i Ubikwityna C, które przyczyniają się do degradacji nieprawidłowych białek.

Badania przedkliniczne

Badania komórkowe

Wykazano, że prostaglandyny cyklopentenonu, głównie 15-deoksy-Δ12,14-PGJ2, Δ12-PGJ2, PGJ2 i, w mniejszej liczbie badań, PGA2 i PGA1, hamując lub stymulując szlaki sygnałowe cytowane w poprzedniej części, hamują tę funkcję. i/lub przeżycie różnych typów komórek prozapalnych, neurologicznych i innych. Trzy prostaglandyny cyklopentenonu PGJ2 indukują apoptozę w hodowanych komórkach neuronowych gryzoni przez mechanizm, który obejmuje hamowanie szlaku sygnałowego 3-kinazy fosfoinozytydu ; to hamowanie jest niezależne od ich zdolności do aktywacji PPARγ lub ich receptora prostaglandyny DP2.

Badania na zwierzętach

15-deoksy-Δ12,14-PGJ2, Δ12-PGJ2, PGJ2 i, w mniejszej liczbie badań, PGA2 i PGA1 hamują odpowiedź zapalną i uszkodzenie tkanek, które następują po eksperymentalnie wywołanym zapaleniu trzustki ; kłębuszkowe zapalenie nerek ; zapalenie stawów ; uszkodzenie rdzenia kręgowego, mózgu i płuc; uraz spowodowany niedokrwieniem serca, mózgu, nerek i jelit; i wywołany stresem uraz ośrodkowego układu nerwowego.

Neurony kory mózgowej szczura i ludzkie komórki nerwiaka niedojrzałego SH-SY5Y ulegają apoptozie po potraktowaniu mikromolowymi poziomami 15-d-Δ12,14-PGJ2; efekt ten pojawia się dzięki zdolności 15-d-Δ12,15-PGJ2 do hamowania szlaku sygnalizacji komórkowej 3-kinazy fosfoinozytydu . Bezpośrednie wstrzyknięcie 15-d-Δ12,14-PGJ2 do hipokampa okazało się upośledzać odtwarzanie pamięci kontekstowej u szczurów, ponownie najwyraźniej działając poprzez hamowanie szlaku kinazy 3-fosfoinozytydu. Na podstawie tych i innych badań sugeruje się, że nadprodukcja cyklopentenonu prostaglandyn przez mózg przyczynia się do uszkodzenia neuronów obserwowanego w różnych gryzoniowych modelach chorób neurodegeneracyjnych, a zatem może mieć znaczenie dla rozwoju i/lub progresji uszkodzenia neuronów występującego u choroby ludzkie, takie jak choroba Alzheimera i choroba Parkinsona .

Badania na ludziach

Wykazano, że 15d-Δ12,14-PGJ2 i jego prekursor PGD2 hamują wzrost włosów w badaniach na mysich i ludzkich modelach hodowli eksplantów pęcherzykowych; dalsze badania badające zawartość tych dwóch prostaglanidów w prawidłowej i łysiejącej tkance myszy i ludzi wykazały udział PGD2 i w znacznie mniejszym stopniu 15d-Δ12,Δ14-PGJ2 w rozwoju łysienia typu męskiego .

Bibliografia