GSK-3

La glucógeno sintasa quinasa 3 (GSK-3) es una proteína quinasa de serina/treonina que media la adición de moléculas de fosfato a los residuos de aminoácidos de serina y treonina. Descubierta por primera vez en 1980 como una quinasa reguladora de su homónimo, la glucógeno sintasa (GS), la GSK-3 ha sido identificada desde entonces como una proteína quinasa para más de 100 proteínas diferentes en una variedad de vías diferentes. En los mamíferos, incluidos los humanos, GSK-3 existe en dos isoenzimas codificadas por dos genes homólogos GSK-3α (GSK3A) y GSK-3β (GSK3B). GSK-3 ha sido objeto de mucha investigación ya que se le ha implicado en una serie de enfermedades, como la diabetes tipo 2, la enfermedad de Alzheimer, la inflamación, el cáncer, la adicción y el trastorno bipolar.

GSK-3 es una proteína quinasa de serina/treonina que fosforila treonina o serina, y esta fosforilación controla una variedad de actividades biológicas, como el metabolismo del glucógeno, la señalización celular, el transporte celular y otras. La inhibición de GS por GSK-3β conduce a una disminución de la síntesis de glucógeno en el hígado y los músculos, junto con un aumento de la glucosa en sangre o hiperglucemia. Es por eso que GSK-3β se asocia con la patogénesis y progresión de muchas enfermedades, como la diabetes, la obesidad, el cáncer y la enfermedad de Alzheimer. Es activo en células en reposo y es inhibido por varias hormonas como la insulina, el factor de crecimiento endotelial y el factor de crecimiento derivado de plaquetas. La insulina inactiva indirectamente GSK3 mediante la fosforilación aguas abajo de los residuos de serina específicos Ser21 y Ser9 en las isoformas α y β de GSK-3, respectivamente, mediante la vía PI3K/Akt.

A partir de 2019, GSK-3 es el único tipo de glucógeno sintasa quinasa nombrado y reconocido. Los símbolos genéticos de GSK1 y GSK2 han sido retirados por el Comité de Nomenclatura Genética de HUGO (HGNC), y no se han publicado nuevos nombres para estos “genes”. ni se han especificado sus ubicaciones.

Mecanismo

GSK-3 funciona fosforilando un residuo de serina o treonina en su sustrato objetivo. Un bolsillo cargado positivamente adyacente al sitio activo se une a un elemento "cebado" grupo fosfato unido a una serina o treonina de cuatro residuos C-terminal del sitio de fosforilación objetivo. El sitio activo, en los residuos 181, 200, 97 y 85, se une al fosfato terminal de ATP y lo transfiere a la ubicación objetivo en el sustrato (ver figura 1).

Glucógeno sintasa

glucógeno sintasa es una enzima responsable de la síntesis de glucógeno. Es activado por la glucosa 6-fosfato (G6P) e inhibido por la glucógeno sintasa quinasa (GSK3). Esos dos mecanismos juegan un papel importante en el metabolismo del glucógeno.

Función

La fosforilación de una proteína por GSK-3 generalmente inhibe la actividad de su objetivo posterior. GSK-3 está activo en varias vías de señalización intracelular centrales, incluida la proliferación celular, la migración, la regulación de la glucosa y la apoptosis.

GSK-3 se descubrió originalmente en el contexto de su participación en la regulación de la glucógeno sintasa. Después de ser cebada por la caseína quinasa 2 (CK2), la glucógeno sintasa se fosforila en un grupo de tres residuos de serina C-terminales, lo que reduce su actividad. Además de su papel en la regulación de la glucógeno sintasa, GSK-3 se ha implicado en otros aspectos de la homeostasis de la glucosa, incluida la fosforilación del receptor de insulina IRS1 y de las enzimas gluconeogénicas fosfoenolpiruvato carboxiquinasa y glucosa 6 fosfatasa. Sin embargo, estas interacciones no se han confirmado, ya que estas vías pueden inhibirse sin la regulación positiva de GSK-3.

También se ha demostrado que GSK-3 regula los procesos inmunitarios y migratorios. GSK-3 participa en varias vías de señalización en la respuesta inmune innata, incluida la producción de interleucina y citoquinas proinflamatorias. La inactivación de GSK3B por varias proteínas quinasas también afecta la respuesta inmune adaptativa al inducir la producción y proliferación de citoquinas en células T CD4+ vírgenes y de memoria. En la migración celular, un aspecto integral de las respuestas inflamatorias, se ha informado que la inhibición de GSK-3 desempeña papeles conflictivos, ya que se ha demostrado que la inhibición local en los conos de crecimiento promueve la motilidad, mientras que la inhibición global de GSK-3 celular inhibe propagación y migración celular.

GSK-3 también está integralmente ligado a vías de proliferación celular y apoptosis. Se ha demostrado que GSK-3 fosforila la beta-catenina, dirigiéndose así a su degradación. Por lo tanto, GSK-3 es parte de la vía canónica Beta-catenina/Wnt, que indica a la célula que se divida y prolifere. GSK-3 fosforila las ciclinas D y E, que son importantes para la transición de la fase G1 a la S, y provoca su degradación. Los factores de transcripción c-myc y c-fos (también promotores de la fase S), que están fosforilados principalmente por la quinasa regulada por fosforilación de tirosina de doble especificidad, también son fosforilados por GSK3, lo que provoca su degradación. GSK-3 también participa en varias vías de señalización apoptótica mediante la fosforilación de factores de transcripción que regulan la apoptosis. GSK-3 puede promover la apoptosis activando factores proapoptóticos como p53 e inactivando factores que promueven la supervivencia mediante la fosforilación. Sin embargo, el papel de GSK-3 en la regulación de la apoptosis es controvertido, ya que algunos estudios han demostrado que los ratones knockout para GSK-3β están demasiado sensibilizados a la apoptosis y mueren en la etapa embrionaria, mientras que otros han demostrado que la sobreexpresión de GSK-3 puede inducir la apoptosis.. En general, GSK-3 parece promover e inhibir la apoptosis, y esta regulación varía según el contexto molecular y celular específico.

GSK-3 también participa en la vía de señalización del activador transcripcional nuclear kappa B (NFκB), la vía de señalización Hedgehog, la vía de señalización Notch y la transición epitelial-mesenquimatosa.

Reglamento

Debido a su importancia en numerosas funciones celulares, la actividad de GSK-3 está sujeta a una estricta regulación.

La velocidad y eficacia de la fosforilación de GSK-3 está regulada por varios factores. La fosforilación de ciertos residuos de GSK-3 puede aumentar o disminuir su capacidad para unirse al sustrato. La fosforilación de tirosina-216 en GSK-3β o tirosina-279 en GSK-3α mejora la actividad enzimática de GSK-3, mientras que la fosforilación de la serina-9 autoinhibitoria en GSK-3β o serina-21 en GSK-3α disminuye significativamente la disponibilidad del sitio activo (ver figura). Además, GSK-3 es inusual entre las quinasas porque generalmente requiere una "quinasa cebadora" fosforilar primero un sustrato. Un residuo de serina o treonina fosforilado ubicado en cuatro aminoácidos C-terminales del sitio objetivo de la fosforilación permite que el sustrato se una a una bolsa de carga positiva formada por residuos de arginina y lisina.

Dependiendo de la vía en la que se utilice, GSK-3 puede regularse aún más mediante la localización celular o la formación de complejos proteicos. La actividad de GSK-3 es mucho mayor en el núcleo y las mitocondrias que en el citosol de las neuronas corticales, mientras que la fosforilación de Beta-catenina por GSK-3 está mediada por la unión de ambas proteínas a Axin, una proteína de andamio, que permite a Beta -catenina para acceder al sitio activo de GSK-3.

La insulina inactiva indirectamente GSK3 mediante la fosforilación posterior de los residuos de serina específicos Ser21 y Ser9 en las isoformas α y β de GSK-3, respectivamente, a través de la vía PI3K/Akt (proteína quinasa B).

Relevancia de la enfermedad

Debido a su participación en una gran cantidad de vías de señalización, GSK-3 se ha asociado con una serie de enfermedades de alto perfil. Actualmente se están probando los efectos terapéuticos de los inhibidores de GSK-3 en la enfermedad de Alzheimer, la diabetes mellitus tipo 2 (DM2), algunas formas de cáncer y el trastorno bipolar.

Ahora se ha demostrado que el litio, que se utiliza como tratamiento para el trastorno bipolar, actúa como estabilizador del estado de ánimo al inhibir selectivamente GSK-3. Se desconoce el mecanismo a través del cual la inhibición de GSK-3 estabiliza el estado de ánimo, aunque se sospecha que la inhibición de la capacidad de GSK-3 para promover la inflamación contribuye al efecto terapéutico. La inhibición de GSK-3 también desestabiliza el represor transcripcional alfa Rev-ErbA, que tiene un papel importante en el reloj circadiano. Los elementos del reloj circadiano pueden estar relacionados con la predisposición al trastorno del estado de ánimo bipolar.

La actividad de GSK-3 se ha asociado con ambas características patológicas de la enfermedad de Alzheimer, a saber, la acumulación de depósitos de β-amiloide (Aβ) y la formación de ovillos neurofibrilares. Se cree que GSK-3 promueve directamente la producción de Aβ y está vinculado al proceso de hiperfosforilación de las proteínas tau, que conduce a los ovillos. Debido a estas funciones de GSK-3 en la promoción de la enfermedad de Alzheimer, los inhibidores de GSK-3 pueden tener efectos terapéuticos positivos en los pacientes con Alzheimer y actualmente se encuentran en las primeras etapas de prueba.

De manera similar, la inhibición dirigida de GSK-3 puede tener efectos terapéuticos en ciertos tipos de cáncer. Aunque se ha demostrado que GSK-3 promueve la apoptosis en algunos casos, también se ha informado que es un factor clave en la tumorigénesis en algunos cánceres. En apoyo de esta afirmación, se ha demostrado que los inhibidores de GSK-3 inducen la apoptosis en gliomas y células de cáncer de páncreas. GSK-3 también parece ser responsable de la actividad aberrante de NFκB en la leucemia linfoblástica aguda pediátrica y en las células de cáncer de páncreas. En las células de cáncer renal, los inhibidores de GSK-3 inducen la detención del ciclo celular, la diferenciación de las células malignas y la autofagia. A diferencia de las neoplasias anteriores, se encuentra una alta expresión de pGSK3β-S9 inactivo en los cánceres de piel, boca y pulmón, lo que sugiere efectos supresores de tumores de la enzima en estos cánceres. En el melanoma, el microARN miR-769 inhibe la actividad de GSK-3 durante el proceso de desarrollo del tumor, lo que también indica efectos supresores de tumores de GSK3.

Los inhibidores de GSK-3 también se han mostrado prometedores en el tratamiento de la DM2. Aunque la actividad de GSK-3 en condiciones diabéticas puede diferir radicalmente entre diferentes tipos de tejidos, los estudios han demostrado que la introducción de inhibidores competitivos de GSK-3 puede aumentar la tolerancia a la glucosa en ratones diabéticos. Los inhibidores de GSK-3 también pueden tener efectos terapéuticos sobre la transformación hemorrágica después de un accidente cerebrovascular isquémico agudo. GSK-3 puede regular negativamente la vía de señalización de la insulina al inhibir el IRS1 mediante la fosforilación de la serina-332, lo que hace que el receptor de insulina sea incapaz de activar el IRS1 e iniciar aún más la vía canónica PI3K/Akt. Aún no se comprende del todo el papel que podría desempeñar la inhibición de GSK-3 en sus otras funciones de señalización.

La inhibición de GSK-3 también media un aumento en la transcripción del factor de transcripción Tbet (Tbx21) y una inhibición de la transcripción del correceptor inhibidor de muerte celular programada-1 (PD-1) en las células T. Los inhibidores de GSK-3 aumentaron la función CD8(+) OT-I CTL in vivo y la eliminación de infecciones virales por gamma-herpesvirus murino 68 y coriomeningitis linfocítica clon 13, así como anti-PD-1 en inmunoterapia.

Inhibidores

Los inhibidores de la glucógeno sintasa quinasa son quimiotipos diferentes y tienen mecanismos de acción variables; pueden ser cationes, de fuentes naturales, inhibidores competitivos de ATP y no ATP sintéticos e inhibidores competitivos de sustrato. GSK3 es una arquitectura bilobar con N-terminal y C-terminal, el N-terminal es responsable de la unión de ATP y el C-terminal, llamado bucle de activación, media la actividad quinasa, la tirosina ubicada en el C-terminal es esencial para Actividad GSK3 completa.

Beneficios de los inhibidores de GSK-3β

En la diabetes, los inhibidores de GSK-3β aumentan la sensibilidad a la insulina, la síntesis de glucógeno y el metabolismo de la glucosa en los músculos esqueléticos, y reducen la obesidad al afectar el proceso de adipogénesis. GSK-3β también se sobreexpresa en varios tipos de cánceres, como el colorrectal, el de ovario y el de próstata. Los inhibidores de GSK-3β también ayudan en el tratamiento de la enfermedad de Alzheimer, los accidentes cerebrovasculares y los trastornos del estado de ánimo, incluido el trastorno bipolar.

Agentes específicos

Los inhibidores de GSK-3 incluyen:

Litio

El litio, que se utiliza en el tratamiento del trastorno bipolar, fue el primer inhibidor natural de GSK-3 descubierto. Inhibe GSK-3 directamente por competencia con iones de magnesio e indirectamente por fosforilación y autorregulación de serina. Se ha descubierto que el litio tiene efectos similares a los de la insulina sobre el metabolismo de la glucosa, incluida la estimulación de la síntesis de glucógeno en las células grasas, la piel y los músculos, el aumento de la absorción de glucosa y la activación de la actividad GS. Además de la inhibición de GSK-3, también inhibe otras enzimas implicadas en la regulación del metabolismo de la glucosa, como la mioinositol-1-monofosfatasa y la 1,6 bisfosfatasa. Además, ha demostrado beneficio terapéutico en el Alzheimer y otras enfermedades neurodegenerativas como la neurodegeneración epiléptica.

Naproxeno y Cromolín

El naproxeno es un fármaco antiinflamatorio no esteroideo, mientras que el cromolín es un agente antialérgico que actúa como estabilizador de los mastocitos. Ambos fármacos han demostrado efectos anticancerígenos además del efecto hipoglucemiante debido a la inhibición de la glucógeno sintasa quinasa-3β (GSK-3β).

Para validar la hipótesis anti-GSK-3β del naproxeno y el cromolín, se realizó el acoplamiento de las dos estructuras contra el bolsillo de unión de GSK-3β y se comparó su ajuste con el conocido inhibidor de GSK-3β ARA014418, además de medir la glucosa sérica. insulina sérica, péptido C sérico, variación de peso y niveles de glucógeno hepático para modelos de animales en ayunas normales y diabéticos para evaluar sus efectos hipoglucemiantes in vitro.

El naproxeno y el cromolín se acoplaron con éxito al sitio de unión de GSK-3β (ambos se colocaron en su bolsillo de unión). Exhibieron interacciones electrostáticas, hidrofóbicas y de enlaces de hidrógeno con aminoácidos clave dentro del bolsillo de unión con perfiles de interacción de unión similares a AR-A014418 (el inhibidor conocido). Las cargas negativas de los grupos de ácido carboxílico en ambos fármacos interactúan electrostáticamente con el grupo guanidina cargado positivamente de Arg141. Además, las interacciones de enlaces de hidrógeno entre los restos de ácido carboxílico del cromolín y los grupos amonio de Lys183 y Lys60, además del apilamiento π del sistema de anillos de naftaleno del naproxeno con el anillo fenólico de Tyr134.

Efectos antidiabéticos del naproxeno y el cromolín: en modelos animales normales, ambos fármacos han mostrado una reducción dosis dependiente de los niveles de glucosa en sangre y un aumento de los niveles de glucógeno. En el modelo de diabetes crónica tipo II, los niveles de glucosa también se redujeron y los niveles de glucógeno y de insulina se elevaron de manera dosis dependiente con una reducción de la glucosa plasmática.

Efectos antiobesidad del naproxeno y el cromolín: ambos fármacos mostraron efectos antiobesidad significativos ya que reducen el peso corporal, la resistina y los niveles de glucosa de una manera dependiente de la dosis. También se descubrió que elevaban los niveles de adiponectina, insulina y péptido C de forma dosis-dependiente.

Famotidina

La famotidina es un antagonista H2 específico de acción prolongada que disminuye la secreción de ácido gástrico. Se utiliza en el tratamiento de la úlcera péptica, la ERGE y las afecciones hipersecretoras patológicas, como el síndrome de Zollinger-Ellison. (14,15) Los antagonistas de los receptores H2 afectan el metabolismo hormonal, pero su efecto sobre el metabolismo de la glucosa no está bien establecido. (16) Un estudio ha revelado un efecto hipoglucemiante de la famotidina.

El estudio de la unión de famotidina a la enzima ha demostrado que la famotidina se puede acoplar dentro de la bolsa de unión de GSK-3β generando interacciones significativas con puntos clave dentro de la bolsa de unión de GSK-3β. Las fuertes interacciones de enlaces de hidrógeno con los aminoácidos clave PRO-136 y VAL -135 y la posible interacción hidrófoba con LEU-188 fueron similares a las encontradas en la unión del ligando a la enzima (AR-A014418).

Además, la famotidina mostró una alta afinidad de unión a GSK-3β y actividad inhibidora debido a interacciones que estabilizan el complejo, a saber, enlaces de hidrógeno del grupo guanidina en famotidina con el resto sulfahidrilo en CYS-199; y las interacciones electrostáticas entre el mismo grupo guanidina con el grupo carboxilo en ASP-200, el enlace de hidrógeno entre el grupo NH2 terminal, el OH del TYR-143, y la interacción hidrofóbica del átomo de azufre en el tioéter con ILE-62. Los estudios in vitro demostraron que la famotidina inhibe la actividad de GSK-3β y aumenta las reservas de glucógeno hepático de forma dosis dependiente. Se observó un aumento de cuatro veces en el nivel de glucógeno hepático con el uso de la dosis más alta de famotidina (4,4 mg/kg). Además, se ha demostrado que la famotidina disminuye los niveles de glucosa sérica 30 y 60 minutos después de la carga oral de glucosa en individuos sanos.

Curcumina

La curcumina, que es un componente de la especia de cúrcuma, tiene propiedades aromatizantes y colorantes. Tiene dos formas simétricas: enol (las formas más abundantes) y cetona.

La curcumina tiene amplias actividades farmacológicas: efectos antiinflamatorios, antimicrobianos, hipoglucemiantes, antioxidantes y cicatrizantes. En modelos animales con enfermedad de Alzheimer, tiene un efecto antidestructivo del beta amiloide en el cerebro y recientemente muestra actividad antipalúdica.

La curcumina también tiene efectos quimiopreventivos y anticancerígenos, y se ha demostrado que atenúa el estrés oxidativo y la disfunción renal en animales diabéticos con uso crónico.

El mecanismo de acción de la curcumina es antiinflamatorio; inhibe el activador transcripcional nuclear kappa B (NF-KB) que se activa siempre que hay respuesta inflamatoria.

NF-kB tiene dos factores reguladores, IkB y GSK-3, lo que sugiere que la curcumina se une directamente a GSK-3B e inhibela. Un estudio in vitro confirmó la inhibición de GSK-3B simulando el acoplamiento molecular mediante una técnica de acoplamiento silico. La concentración a la que la curcumina inhibiría el 50% de GK-3B es 66,3 nM.

Entre sus dos formas, los estudios experimentales y teóricos muestran que la forma enol es la forma preferida debido a su enlace de hidrógeno intramolecular, y un experimento de RMN muestra que la forma enol existe en una variedad de disolventes.

Olanzapina

Los medicamentos antipsicóticos se utilizan cada vez más para la esquizofrenia, el trastorno bipolar, la ansiedad y otras afecciones psiquiátricas. Los antipsicóticos atípicos se utilizan con más frecuencia que los antipsicóticos de primera generación porque disminuyen el riesgo de síntomas extrapiramidales, como la discinesia tardía, y tienen mejor eficacia.

La olanzapina y los antipsicóticos atípicos inducen el aumento de peso mediante el aumento de la grasa corporal. También afecta el metabolismo de la glucosa y varios estudios muestran que puede empeorar la diabetes.

Un estudio reciente muestra que la olanzapina inhibe la actividad de GSK3, lo que sugiere que la olanzapina permite la síntesis de glucógeno. Un estudio del efecto de la olanzapina sobre los niveles de glucosa y glucógeno en sangre de ratones mostró una disminución significativa en el nivel de glucosa en sangre y una elevación del nivel de glucógeno en ratones, y la IC50% de la olanzapina fue de 91,0 nm, lo que se considera un inhibidor potente. El estudio también ilustra que el uso subcrónico de olanzapina produce una potente inhibición de GSK3.

Derivados de pirimidina

Los análogos de pirimidina son antimetabolitos que interfieren con la síntesis de ácidos nucleicos. Se ha demostrado que algunos de ellos encajan en el bolsillo de unión de ATP de GSK-3β para reducir los niveles de glucosa en sangre y mejorar algunas enfermedades neuronales.