Abstract

Achtergrond: Fosfatasen met dubbele specificiteit (DUSP's) behoren tot een familie van eiwittyrosinefosfatasen die serine/threonine- en tyrosineresiduen defosforyleren. In de afgelopen decennia zijn DUSP's betrokken geweest bij verschillende fysiologische en pathologische activiteiten. Naast mitogeen-geactiveerde eiwitkinasen (MAPK's) als belangrijke substraten, kunnen andere eiwit- en niet-eiwitsubstraten worden gedefosforyleerd door DUSP's. Afwijkende regulatie van DUSP's is gevonden bij een verscheidenheid aan ziekten, waaronder kanker, neurologische aandoeningen en nieraandoeningen, wat suggereert dat DUSP's betrokken zijn bij de pathogenese van ziekten.

Samenvatting: Dit artikel bespreekt de algemene kenmerken van DUSP's en de voortgang van het onderzoek op het gebied van nieraandoeningen, waaronder diabetische nefropathie, hypertensieve nefropathie, chronische nierziekte, acuut nierletsel en lupus-nefritis. Aangezien de belangrijkste biochemische functie van DUSP's het defosforyleren van MAPK-activiteit is, worden verminderde DUSP's gevonden in nierziektemodellen, terwijl geforceerde expressie van DUSP's ziektemanifestaties omkeert, wat is bevestigd door transgene of knock-outmodellen.

Sleutelwoorden: Fosfatasen met dubbele specificiteit; defosforylaat; Door mitogeen geactiveerde proteïnekinasen; Nierziekten;Cistanche-supplementen

Klik hier om te krijgenNiersupplement - Cistanche buisvormig

Invoering

Omkeerbare eiwitfosforylering, een belangrijk middel voor posttranslationele modificatie, reguleert de biologische activiteit en is betrokken bij verschillende fysiopathologische processen in eukaryoten. De intracellulaire homeostase van eiwitfosforylering wordt in stand gehouden door bepaalde eiwitkinasen en eiwitfosfatasen, afhankelijk van de intracellulaire en extracellulaire omgeving. Eukaryoten hebben een verscheidenheid aan eiwitkinasen waarvan de functie is om eiwitsubstraten op specifieke aminozuurresiduen te fosforyleren. Een van de meest bekende kinasen is de mitogeen-geactiveerde eiwitkinase (MAPK) cascade, bestaande uit een lineaire reeks van drie kinasen. Bovendien neutraliseren veel eiwitfosfatasen elkaar met kinasen. Op basis van structurele overeenkomsten en hun substraten kunnen eiwitfosfatasen worden geclassificeerd als serine/threoninefosfatasen (bijv. PP2A) en eiwit-Tyr-fosfatasen (bijv. PTP-SL [1]). Onder PTP's hebben fosfatasen met dubbele specificiteit (DUSP's) de aandacht van onderzoekers getrokken en hun rol en mechanismen in verschillende ziektemodellen zijn uitgebreid onderzocht [2].

DUSP's zijn ook bekend als MAPK-specifieke fosfatasen (MKP's), en het eerste lid, DUSP1/MKP1, werd ontdekt in 1992 [3]. Zoals de naam al aangeeft, bezitten DUSP's de biologische activiteit van zowel serine/threonine-fosfatasen als Tyr-fosfatasen. Hun katalytische activiteit voor Tyr-fosfatase is echter veel sterker dan die van Ser/Thr-fosfatase. Daarom is DUSP opgenomen in de superfamilie van PTP. In de afgelopen jaren, met de voortgang van het onderzoek naar DUSP's, is de strikt regulerende rol van cellulaire reversibele fosforylering verder erkend, wat nieuwe ideeën oplevert voor de ontwikkeling, progressie en preventiestrategieën van ziekten zoals kanker, ziekten van het immuunsysteem en neurologische aandoeningen. ziekten [4,5]. In deze review zullen we ons concentreren op de functies van DUSP's bij nierziekten.

Classificatie en functies van DUSP's

Structureel bevat het katalytische structurele domein van DUSP's een geconserveerd motief HCxxGxxR [6]. Op basis van structuur, katalytische activiteit en substraat kunnen DUSP's worden onderverdeeld in de volgende subgroepen: (i) MAPK's; (ii) atypische DUSP's; (iii) fosfatasen en tensine-homologe eiwitfosfatasen; (iv) celdelingscyclus 14 fosfatasen (CDC14s); (v) elastinefosfatasen en (vi) fosfatasen van de regenererende lever. Onder deze subgroepen hebben leden van de eerste 2 subgroepen een dubbele specificiteit voor tyrosine- en threoninefosfatasefuncties. Daarom worden deze leden beschouwd als conventionele DUSPS (tabel 1) en zullen ze in de volgende sectie worden besproken

Door mitogeen geactiveerd proteïnekinase

De MAPK-route reguleert veel cellulaire processen, waaronder celproliferatie, differentiatie, migratie, overleving en apoptose. Afwijkende MAPK-signalering wordt in verband gebracht met veel ziekten bij de mens [7,8]. de MAPK-route kan worden geactiveerd door een verscheidenheid aan stimuli, kinasen en andere enzymen. MAPK-signalering bevat een 3-laagcascade inclusief MAP-kinase), MAP-kinase en MAPK. er zijn drie belangrijke MAPK-routes, extracellulair gereguleerde kinasen 1 en 2 (ERK1/2) en c-Jun-N-terminale kinasen (de MAPKs-route wordt negatief gereguleerd door MKP's, die actieve MAPK-substraten defosforyleren. Tot op heden zijn er geen klinische proeven met MAPK-remmers of aanverwante geneesmiddelen voor de behandeling van ziekten bij de mens vanwege onzekerheid over de werkzaamheid of de aanwezigheid van mogelijke bijwerkingen die zich richten op stroomafwaartse moleculen.Daarom hebben MPK's potentiële toepassingen in translationele geneeskunde.

De familie MPK heeft 10 leden. Elk lid bestaat uit een n-terminaal MAPK-bindend (MKB) structureel domein en een c-terminaal geconserveerd DUSP-katalytisch domein. het kinase-interactiemotief van het structurele MKB-domein bepaalt de enzymspecificiteit door koppelingsinteracties met MAPK [9]. Met name kunnen zowel gefosforyleerde als niet-gefosforyleerde MAPK's binden aan MPK's [10]. Bij binding aan MAPK verandert de conformatie van het MPK-eiwit, wat de katalytische activiteit van MKP's verhoogt.

Volgens de cellulaire distributie van MPK-leden kunnen ze worden onderverdeeld in drie subgroepen: (1) nucleaire MPK's, waaronder DUSP1/MKP1, DUSP2, DUSP4/MKP2 en DUSP5; (2) cytoplasmatische MPK's, waaronder DUSP6/MKP3, DUSP7, DUSP9/MKP4; (3) nucleaire en cytoplasmatische MPK's, waaronder DUSP8, DUSP10/MKP5 en DUSP16/MKP7. hoewel is gemeld dat deze MPK's MAPK's defosforyleren, zijn de substraten van MPK's niet precies gedefinieerd. de substraatvoorkeur van MPK's is gerelateerd aan de aard van de bindingsplaats en het celtype, evenals de steiger-eiwitten van MAPK's [11].

Kruiden Cistanche

Atypische DUSP's

Atypische DUSP is structureel vergelijkbaar met MPK. Deze eiwitten zijn meestal kleiner dan MPK. Atypische DUSP's bevatten het DSP-katalytische domein maar missen het n-terminale MKB-structurele domein. Bovendien bevatten sommige leden structurele CH2-domeinen, koolhydraatbindende structurele domeinen en argininerijke of prolinerijke regio's. In weefsels van zoogdieren zijn er ongeveer 20 leden van DUSP3, DUSP11, DUSP12, DUSP13, DUSP14, DUSP15, DUSP18, DUSP19, DUSP21, DUSP22, DUSP23, DUSP26, DUSP27, DUSP28, EPM2A dextraanfosfatase, guan-eiwittyrosinefosfatase mitochondriaal yltransferase, RNA-1, RNA en 5'-fosfatase, serine/threonine/tyrosine interactie-eiwitten. Volgens fylogenetische analyse [12] zijn deze atypische DUSP's echter afgeleid van een gemeenschappelijke voorouder.

Aangezien atypische DUSP's het specifieke MKB-structurele domein van MKP's missen, blijven hun exacte substraten onzeker. Van deze atypische DUSP-leden is gemeld dat DUSP14 / MKP6 en DUSP26 / MKP8 zich binden aan MAPK's en signaalroutes reguleren. Naast MAKP's kunnen atypische DUSP's ook inwerken op andere gefosforyleerde eiwitsubstraten. Bovendien kunnen ze niet-eiwitsubstraten, zoals RNA of lipiden, defosforyleren. DUSP11 heeft bijvoorbeeld intrinsieke fosfatase-activiteit en zijn mRNA-trifosfatase-activiteit is groter dan die van eiwitfosfatasen [13]. Bovendien kunnen atypische DUSP's fungeren als scaffolding-eiwitten en de interactie van signaaleiwitten vergemakkelijken [14]. Atypische DUSP's hebben dus een breed scala aan substraatspecificiteit en meerdere fysiologische functies.

Expressie en regulatie van DUSP's in nier

De belangrijkste cellulaire componenten van de nier omvatten tubulaire epitheelcellen, thylakoïde cellen, podocyten en interstitiële cellen, die het vaakst worden bestudeerd in modellen van nierziekte. In de glomerulus zijn de thylakoïde cellen de belangrijkste component, die ongeveer 30 - 40 procent van het totale aantal cellen uitmaken [15].DUSP's worden op verschillende niveaus tot expressie gebracht in verschillende soorten niercellen. Renale tubulaire epitheelcellen zijn het meest voorkomende celtype in de nier en van deze genen, waaronder DUSP1/MKP1, DUSP4/MKP2 en DUSP7, is gemeld dat ze in vivo tot expressie worden gebracht in tubulaire cellen onder verschillende nierziektemodellen of in onsterfelijk gemaakte cellijnen zoals HK-2. Bovendien worden DUSP1/MKP1 en DUSP10/MKP5 tot expressie gebracht in renale thylakoïde cellen en worden DUSP4/MKP2 en DUSP6/MKP3 tot expressie gebracht in podocyten [16,17]. Bovendien brengen vasculaire cellen in de nier, zoals vasculaire gladde spiercellen (VSMC's), ook DUSP's tot expressie.

Van DUSP1/MKP1 en DUSP5 is gemeld dat ze tot expressie worden gebracht in VSMC's en mogelijk een rol spelen bij aan hypertensie gerelateerde nierziekte. Met name residente immuuncellen in de nier, zoals t-cellen, b-cellen en monocyten, kunnen DUSP's tot expressie brengen [18,19]. Hoewel de expressie van sommige leden van DUSP's is onthuld en vergeleken onder deze ziektemodellen, is de genexpressie van de meeste leden onbekend. Bovendien zijn de exacte expressieniveaus van DUSP's niet bekend. Sinds kort biedt single-cell sequencing de mogelijkheid om de expressieniveaus van individuele genen te vergelijken. Op basis van de Human Protein Atlas-gegevens kunnen de expressieniveaus van DUSP's willekeurig in vier groepen worden ingedeeld. dUSP23 behoort tot de groep met hoge expressie, DUSP1/MKP1, DUSP6/MKP3, DUSP3, DUSP11, DUSP15, DUSP24/serine/threonine/tyrosine interactief eiwit l1, eiwittyrosinefosfatase mitochondriaal 1 behoren tot de groep met gematigde expressie. DUSP13, DUSP21 en DUSP27 komen niet tot expressie in de nier en de leden aan de linkerkant behoren tot de groep met lage expressie. Daarom moet de genexpressie van DUSP's verder worden onderzocht, vooral in ziektemodellen.

Gestandaardiseerde Cistanche

Genexpressie en fosfatase-activiteit van DUSP's kunnen worden gereguleerd door gentranscriptie, translationele regulatie, eiwitmodificatie of eiwitstabiliteit. Afwijkende expressie van DUSP's is gevonden in verschillende modellen waarin de regulatie van DUSP's op transcriptioneel niveau kan plaatsvinden. Zowel DUSP1/MKP1-eiwit als mRNA-niveaus waren bijvoorbeeld verlaagd in diabetisch nierweefsel [20]. Evenzo verminderden diabetes en hoge glucoseblootstelling de DUSP4 / MKP2-expressie op transcriptioneel niveau in gekweekte voetcellen en glomeruli, wat resulteerde in verbeterde p38- en JNK-activiteit.

Zoals verwacht kan de transcriptie van DUSP's worden gereguleerd door epigenetische middelen zoals DNA-methylatie, naast andere belangrijke transcriptiefactoren. Momenteel vertegenwoordigt DNA-methylatie meestal een epigenetische marker die genexpressie onderdrukt. hypermethylering van het promotorgebied van DUSP's leidt tot verminderde expressie, wat in veel celtypen is aangetoond. Aanzienlijk verminderde expressie van DUSP1/MKP1 in borstkankercellijnen en invasieve borsttumoren bleek geassocieerd te zijn met DNA-methylatie door methylatie-specifieke PCR-analyse, en DUSP1/MKP1-promotermethylering kan een potentiële biomarker voor borstkanker zijn voor borstmaligniteiten [21] . Evenzo ontdekten Tögel et al. [22] dat DUSP5 gemethyleerd was in colorectale kankers met een hoge CMP, hoewel deze epigenetische verandering op zichzelf de verminderde expressie van DUSP5 in kankercellen niet kon verklaren. Naast DNA-methylering zijn ook histon-modificaties betrokken bij de regulatie van DUSP's. Modificaties omvatten histonacetylering, methylering en fosforylering, en het effect op genexpressie hangt af van de aard van de histonmodificaties. Onlangs hebben Hofmann et al. [23] toonde aan dat CREM de expressie van DUSP4 in effector-T-cellen kan reguleren via p300-geïnduceerde histonacetylering bij de DUSP4-promoter. In een nierziektemodel, Coit et al. [19] analyseerde genoombrede DNA-methyleringsveranderingen in naïeve CD4 plus T-cellen van lupuspatiënten met of zonder nierbetrokkenheid en gezonde controles en vond DUSP5-hypermethylering. DUSP5-demethylering kan leiden tot defecte ERK-signaalroutes in lupus T-cellen. Recente studies over de epigenetische regulatie van DUSP's bij nieraandoeningen zijn relatief onderontwikkeld. Aan dit onderzoeksgebied zou meer aandacht moeten worden besteed.

Bovendien kan de expressie van DUSP's worden gereguleerd op post-transcriptioneel of translationeel niveau. Niet-coderende RNA's spelen een belangrijke rol bij de regulatie van DUSP's. Deze RNA's, zoals miRNA's en langstrengige niet-coderende RNA's (lncRNA's), kunnen direct of indirect werken. Gewoonlijk kunnen miRNA's werken door zich direct te richten op DUSP-mRNA, bijvoorbeeld werd aangetoond dat miR-107 zich richt op de 3 'UTR van DUSP7 in endotheelcellen [24], en DUSP4 is een stroomafwaarts doelwit van miR-122-5 blz. [25]. Deze miRNA's resulteren in verminderde translatie van DUSP's-eiwitten. In tegenstelling tot miRNA's kan lncRNA indirect werken door zich te binden aan miRNA's of door andere eiwitten aan te trekken. Onlangs bleek lncRNA AZIN1 miR- 513b-5p te downreguleren door miR- 513b-5p te sponzen, dat zich op zijn beurt richt op DUSP11 in tumorweefsels. interessanter is dat een andere studie aantoonde dat lncRNA CASC9 histon-methyltransferase EZH2 kan rekruteren om de expressie van DUSP1/MKP1 epigenetisch te reguleren. Deze studies onthulden de mechanismen van translationele regulatie van DUSP's.

Ten slotte kan de regulatie van DUSP's ook op eiwitniveau plaatsvinden. DUSP-eiwitten kunnen worden geacetyleerd, gefosforyleerd, gemethyleerd of alomtegenwoordig. Deze modificaties kunnen hun biologische activiteit of eiwitstabiliteit beïnvloeden. gedetailleerde regulatie van DUSP's op eiwitniveau is te vinden in andere reviews [28].

Cistanche-supplement extract

DUSP's bij nierziekte

De rol van DUSP's is bestudeerd in nierziektemodellen zoals diabetische nefropathie (DN), hypertensieve nefropathie, chronische nierziekte (CKD), acuut nierletsel (AKI) en lupus nefritis (LN) met een focus op DUSP's. Aangezien de belangrijkste biochemische functie van DUSP's het defosforyleren van MAPK's-activiteit is, werden verminderde DUSP's gevonden in nierziektemodellen, terwijl geforceerde expressie van DUSP's de ziektemanifestaties omkeerde. Op moleculair niveau hebben de meeste onderzoeken zich gericht op de regulatie van MAPK's door DUSP's. Recente vorderingen hebben een klinische vertaling van dergelijke nierziekten op basis van DUSP's onthuld.

REFERENTIES

1. Salazar C, Höfer T. Multisite-eiwitfosforylering--van moleculaire mechanismen tot kinetische modellen. FEBS J. 2009 juni; 276 (12): 3177-98.

2. Owens DM, Keyse SM. Differentiële regulatie van MAP-kinasesignalering door eiwitfosfatasen met dubbele specificiteit. Oncogen. 14 mei 2007; 26 (22): 3203–13.

3. Charles CH, Abler AS, Lau LF. cDNA-sequentie van een door groeifactor induceerbaar onmiddellijk vroeg gen en karakterisering van het gecodeerde eiwit ervan. Oncogen. 1992 jan;7(1):187-90.

4. An N, Bassil K, Al Jowf GI, Steinbusch HWM, Rothermel M, de Nijs L, et al. Fosfatasen met dubbele specificiteit bij mentale en neurologische aandoeningen. Prog Neurobiol. 2021 mrt;198: 101906.

5. Mutlak M, Kehat I. Dubbele specifieke fosfatasen (DUSP's) bij cardiale hypertrofie en falen. Cel Signaal. 2021 aug;84:110033.

6. Alonso A, Pulido R. Het uitgebreide menselijke PTPome: een groeiende familie van tyrosinefosfatase. FEBS J. 2016 april;283(8):1404-29.

7. Kim EK, Choi EJ. Gecompromitteerde MAPK-signalering bij ziekten bij de mens: een update. Aarts Toxicol. 2015 juni;89(6):867–82.

8. Kurtzeborn K, Kwon HN, Kuure S. MAPK / ERK-signalering bij de regulatie van nierdifferentiatie. Int J Mol Sci. 10 april 2019;20(7).

9. Kondoh K, Nishida E. Regulatie van MAP-kinasen door MAP-kinasefosfatasen. Biochim Biophys Acta. 2007 augustus; 1773 (8): 1227-37.

10. Kidger AM, Keyse SM. De regulatie van oncogene Ras / ERK-signalering door mitogeen-geactiveerde proteïnekinasefosfatasen (MKP's) met dubbele specificiteit. Semin Cell Dev Biol. februari 2016; 50:125-32.

11. Patterson KI, Brummer T, O'Brien PM, Daly RJ. Fosfatasen met dubbele specificiteit: kritische regulatoren met diverse cellulaire doelen. Biochem J. 15 maart 2009; 418 (3): 475-89.

12. Huang CY, Tan TH. DUSP's, MAP-kinases en meer. Cell Biosci. 9 juli 2012;2(1):24.

13. Kincaid RP, Lam VL, Chirayil RP, Randall G, Sullivan CS. RNA-trifosfatase DUSP11 maakt exonuclease XRN-gemedieerde restrictie van het hepatitis C-virus mogelijk. Proc Natl Acad Sci VS A. 7 aug. 2018;115(32):8197–202.

14. Armstrong SP, Caunt CJ, McArdle CA. Gonadotropine-releasing hormoon en proteïnekinase C-signalering naar ERK: spatiotemporele regulatie van ERK door koppelingsdomeinen en fosfatasen met dubbele specificiteit. Mol Endocrinol. april 2009; 23 (4): 510–9.

15. Abboud HE. Mesangiale celbiologie. Exp celres. 15 mei 2012; 318 (9): 979-85.

16. Denhez B, Rousseau M, Dancosst DA, Lizotte F, Guay A, Auger-Messier M, et al. Door diabetes geïnduceerde DUSP4-reductie bevordert de disfunctie van podocyten en de progressie van diabetische nefropathie. suikerziekte. mei 2019; 68 (5): 1026-39.

17. Chen L, Wang Y, Luan H, Ma G, Zhang H, Chen G. DUSP6 beschermt muriene podocyten tegen hoge glucose: geïnduceerde ontsteking en apoptose. Mol Med Rep. 2020 sep;22(3): 2273–82.

18. Li JP, Yang CY, Chuang HC, Lan JL, Chen DY, Chen YM, et al. De fosfatase JKAP/DUSP22 remt T-celreceptorsignalering en auto-immuniteit door Lck te inactiveren. Nat gemeenschappelijk. 9 april 2014;5:3618.

19. Coit P, Renauer P, Jeffries MA, Merrill JT, McCune WJ, Maksimowicz-McKinnon K, et al. Betrokkenheid van de nieren bij lupus wordt gekenmerkt door unieke DNA-methyleringsveranderingen in naïeve CD4 plus T-cellen. J auto-immuun. juli 2015; 61:29-35.

20. Zhang Y, Feng J, Wang Q, Zhao S, Yang S, Tian L, et al. Hyperglykemie stress-geïnduceerd nierletsel wordt veroorzaakt door uitgebreide mitochondriale fragmentatie, verzwakte MKP1-signalering en geactiveerde JNK-CaMKII-Fis1 biologische as. Celfysiol Biochem. 2018; 51 (4): 1778-1798.

21. Chen FM, Chang HW, Yang SF, Huang YF, Nien PY, Yeh YT, et al. Het door mitogeen geactiveerde eiwitkinasefosfatase-1 (MKP-1)-gen is een potentiële methyleringsbiomarker voor de maligniteit van borstkanker. Exp Mol Med. 31 mei 2012; 44 (5): 356-62.

22. Tögel L, Nightingale R, Wu R, Chüeh AC, AlObaidi S, Luk I, et al. DUSP5 is gemethyleerd bij CIMP-hoge colorectale kanker, maar is geen belangrijke regulator van darmcelproliferatie en tumorvorming. Wetenschappelijk Rep. 29 jan. 2018;8(1): 1767.

23. Hofmann SR, Mäbert K, Kapplusch F, Russ S, Northey S, Beresford MW, et al. cAMP-responselementmodulator induceert eiwitfosfatase 4 met dubbele specificiteit om effector-T-cellen te bevorderen bij juveniele lupus. J Immunol. 1 december 2019; 203 (11): 2807–16.

24. Wang S, Zhang Z, Wang J, Miao H. MiR-107 induceert TNF-secretie in endotheelcellen en veroorzaakt tubulaire celbeschadiging bij patiënten met septische acute nierbeschadiging. Biochem Biophys Res Commun. 29 januari 2017; 483 (1): 45-51.

25. Hu N, Tian Y, Song Y, Zang L. miR1225p onderdrukt de oncogenese van PTC door DUSP4-expressie te remmen. Mol Med Rep. 2021 mei; 23(5):368.

26. Cai Y, Wu Q, Liu Y, Wang J. AZIN1-AS1, een nieuw oncogeen lncRNA, bevordert de progressie van niet-kleincellige longkanker door MiR-513b{{5} te reguleren }p en DUSP11. Onco richt zich op Ther. 2020;13:9667–78.

27. Chen Z, Chen Q, Cheng Z, Gu J, Feng W, Lei T, et al. Lang niet-coderend RNA CASC9 bevordert gefitinib-resistentie bij NSCLC door epigenetische repressie van DUSP1. Celdood Dis. 14 oktober 2020;11(10):858.

28. Chen HF, Chuang HC, Tan TH. Regulering van alomtegenwoordigheid van fosfatase met dubbele specificiteit (DUSP) en eiwitstabiliteit. Int J Mol Sci. 30 mei 2019;20(11):2668.

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

Afdeling Nefrologie, The Key Laboratory for the Prevention and Treatment of Chronic Kidney Disease of Chongqing, Chongqing Clinical Research Center of Kidney and Urology Diseases, Xinqiao Hospital, Army Medical University (Third Military Medical University), Chongqing, PR China