270: 丙酮酸激酶M2(Pyruvate Kinase M2)

Author: Faiza Ahmed, Jonathan Ash, Thirth Patel, Auriel Sanders, David S. Goodsell, Shuchismita Dutta Translator: 于 健(PDBj)


本文由Faiza Ahmed,Jonathan Ash,Thirth Patel和Auriel Sanders撰寫和插圖,是羅格斯定量生物醫學研究所(Rutgers Institute for Quantitative Biomedicine)為本科生和研究生舉辦的為期一周的訓練營的一部分。該文章是2022-2023年PDB-101健康重點"癌症生物學和治療學"(Cancer Biology and Therapeutics)中的一篇。

丙酮酸激酶M2 (PKM2)與果糖二磷酸(果糖二磷酸,紅色)、ATP(橙色)和草酸(類似丙酮酸的抑製劑,紫色)
丙酮酸激酶M2 (PKM2)與果糖二磷酸(果糖二磷酸,紅色)、ATP(橙色)和草酸(類似丙酮酸的抑製劑,紫色)。 高質量的TIFF圖片可以從這裡獲得。

癌細胞進行了許多根本性的改變以支持其不可控制的繁殖。值得注意的是,能量產生途徑的改編就是這樣的一種變化。在正常細胞中,將葡萄糖(glucose)轉化為能量的過程始於細胞膜中的糖酵解(glycolysis)。在糖酵解結束時產生的丙酮酸(pyruvate)通常進入線粒體進入(citric acid cycle)。在氧氣存在的情況下,該途徑通過電子傳遞鏈(electron transfer chain,複合物IIIIIV)和(ATP synthase)的作用為有氧能量產生提供動力。癌細胞攝入了大量的葡萄糖,但自相矛盾地阻止了糖酵解的最後一步。這些細胞中產生的丙酮酸不會進入線粒體,而是轉化為乳酸。

丙酮酸激酶M2: 守門員

糖酵解的最後一步是由丙酮酸激酶(PDB ID4fxf)催化的。這種酶催化一個反應,從磷酸烯醇-丙酮酸轉移一個磷酸基,產生ATP(細胞的能量貨幣)和丙酮酸。丙酮酸激酶的活性受到嚴格的監管,因為它對細胞的存活至關重要。該酶會產生兩種聚合體,高活性的四聚體以及低活性的二聚體。當需要更多的能量時,雙磷酸果糖(雙磷酸果糖,在糖酵解系統中較早產生的分子)促進四聚體的形成。另一方面,其他各種調節分子可以與特定的異生位點(與活性位點分開但影響活性的位點)結合,促進二聚體的形成,抑制酶的活性。體內產生四種不同類型的組織特異性丙酮酸激酶。 PKM1產生於能量密集型細胞,PKR產生於紅細胞,PKL產生於肝細胞,PKM2通常產生於胚胎和其他生長細胞。 PKM1酶一般以四聚體形式存在,並始終具有活性。然而,一些異生調節分子與PKM2酶結合,通過影響該酶從四聚體到二聚體的轉變來控制其作用。癌細胞利用這種調節來重塑自己的代謝機制。

能源生產的悖論

許多癌細胞製造大量的酶丙酮酸激酶M2(pyruvate kinase M2,PKM2),將能量產生的途徑轉移到糖酵解系統。這種新陳代謝的重塑是自相矛盾的,原因有二。首先,即使在氧氣充足的情況下,這些細胞也不進行有氧能量生產。其次,這些快速分裂的細胞比正常細胞需要更多的能量,然而它們使用能量效率明顯較低的糖酵解作為其主要能量來源。這個悖論的解決方案在於減緩PKM2 造成的代謝瓶頸的另一個後果:它導致糖酵解中先前步驟的各種代謝中間體的積累。這些中間產物被轉移到一些生物合成途徑中,使癌細胞能夠製造快速生長所需的蛋白質和核酸構件。因此,癌細胞將生長置於能量生產之上。這種對葡萄糖利用的重新編程被稱為瓦爾堡效應。它是以發現它的研究人員奧托-海因里希-沃伯格命名的。

沃伯格效應和癌症治療

PKM2的二聚體形式,磷酸化位點(絲氨酸37)為黃色,酰化位點(賴氨酸433)為紅色。
PKM2的二聚體形式,磷酸化位點(絲氨酸37)為黃色,酰化位點(賴氨酸433)為紅色。 高質量的TIFF圖片可以從這裡獲得。

沃伯格效應是腫瘤發生的一個共同特徵。自發現以來,PKM2已被發現在癌細胞中被磷酸化和乙酰化(PDB條目6wp3 )。這些修飾影響了諸如2-磷酸果糖等激活劑結合的部位。沒有這些激活劑,PKM2不能有效地形成一個高活性的四聚體。這種酶的二聚體不僅在糖酵解中的活性較低,而且還可能轉入細胞核並促進其他致癌基因的轉錄。這些變化會導致乳酸的積累,促成腫瘤的形成和對癌症治療的抵抗。由於PKM2在癌細胞重編程中發揮著重要作用,目前正在研究尋找抑制PKM2的藥物和療法,或激活有氧代謝的替代方法。

探索結構

丙酮酸激酶的異生調節

顯示方式: 静止图像

要切換到有互動控制的頁面,請點擊圖表下方的按鈕。如果加載沒有開始,請嘗試點擊圖表。

PKM2 四聚體的結構揭示了不同的小分子如何導致蛋白質的變構形狀變化,從而幫助調節其作用。上圖左側是活性結構(PDB ID4fxf),其活性位點含有ATP草酸鹽(oxalate)和(magnesium),調節位點有果糖二磷酸(FBP)。中間顯示的是非活性形式(PDB ID6gg3),控制位點為丙氨酸。注意形狀的變化和中間變窄的部位。目前研究人員正在積極研究尋找與PKM2結合的藥物分子以用於癌症治療。例如,在右圖所示的結構中(PDB ID3me3),一個人工激活劑分子(紅紫色)與FBP結合在一起,預計該分子會變為其活性形式,並有望逆轉用它處理的細胞中的Warburg 效應。

進一步的討論議題

  1. 抑制(lactate dehydrogenase)也可以減緩細胞生長,並用於監測癌症的進展和療效PDB條目4ajp,抗癌見與藥物的原型結合的結構。
  2. PDB存檔包含許多與各種小分子結合的人類PKM2結構;要找到它們,請轉到PDB條目4fxf,請訪問PDBj的PDB搜索(PDBj Mine)和在"外部數據庫"下,選擇"UniProt "並在輸入框中輸入"P14618 "以查看搜索結果

參考文獻

  1. Vaupel, P., Multhoff, G. 2021 Revisiting the Warburg effect: Historical dogma versus current understanding. The Journal of Physiology 599 1745–1757
  2. 6wp3 Nandi, S., Razzaghi, M., Srivastava, D., Dey, M. 2020 Structural basis for allosteric regulation of pyruvate kinase M2 by phosphorylation and acetylation. Journal of Biological Chemistry 295 17425–17440
  3. Alquraishi, M., Puckett, D. L., Alani, D. S., Humidat, A. S., Frankel, V. D., Donohoe, D. R., Whelan, J., Bettaieb, A. 2019 Pyruvate kinase M2: A simple molecule with complex functions. Free Radical Biology and Medicine 143 176–192
  4. Macpherson, J. A., Theisen, A., Masino, L., Fets, L., Driscoll, P. C., Encheva, V., Snijders, A. P., Martin, S. R., Kleinjung, J., Barran, P. E., Fraternali, F., Anastasiou, D. 2019 Functional cross-talk between allosteric effects of activating and inhibiting ligands underlies PKM2 regulation. ELife 8 e45068 DOI:10.7554/eLife.45068
  5. 6gg3 Yuan, M., McNae, I. W., Chen, Y., Blackburn, E. A., Wear, M. A., Michels, P. A. M., Fothergill-Gilmore, L. A., Hupp, T., Walkinshaw, M. D. 2018 An allostatic mechanism for M2 pyruvate kinase as an amino-acid sensor. Biochemical Journal 475 1821-1837
  6. Israelsen, W. J., Vander Heiden, M. G. 2015 Pyruvate kinase: Function, regulation and role in cancer. Seminars in Cell & Developmental Biology 43 43–51
  7. 3me3 Anastasiou, D., Yu, Y., Israelsen, W. J., Jiang, J. K., Boxer, M. B., Hong, B. S., Tempel, W., Dimov, S., Shen, M., Jha, A., Yang, H., Mattaini, K. R., Metallo, C. M., Fiske, B. P., Courtney, K. D., Malstrom, S., Khan, T. M., Kung, C., Skoumbourdis, A. P., Veith, H., Southall, N., Walsh, M. J., Brimacombe, K. R., Leister, W., Lunt, S. Y., Johnson, Z. R., Yen, K. E., Kunii, K., Davidson, S. M., Christofk, H. R., Austin, C. P., Inglese, J., Harris, M. H., Asara, J. M., Stephanopoulos, G., Salituro, F. G., Jin, S., Dang, L., Auld, D. S., Park, H. W., Cantley, L. C., Thomas, C. J., Vander Heiden, M. G. 2012 Pyruvate kinase M2 activators promote tetramer formation and suppress tumorigenesis. Nature Chemical Biology 8 839-847
  8. Vander Heiden, M., Cantley, L., Thompson, C. 2009 Understanding the Warburg effect: The metabolic requirements of cell proliferation. Science 324 1029–1033
  9. 4fxf Pan, Y. H., Epstein, T. M., Jain, M. K., Bahnson, B.J. 2001 Five coplanar anion binding sites on one face of phospholipase A2: relationship to interface binding. Biochemistry 40 609-617

本文是由RCSB PDBPDB-101提供的《當月的分子2022年6月的文章的中文翻譯。請參考我們的條款和條件頁面。

	{
    "header": {
        "minimamHeightScale": 1.0,
        "scalingAnimSec": 0.3
    },
    "src": {
        "spacer": "/share/im/ui_spacer.png",
        "dummy": "/share/im/ui_dummy.png"
    },
    "spacer": "/share/im/ui_spacer.png"
}