PDE1

La fosfodiesterasa 1 ( PDE1 , EC 3.1.4.1, nombre sistemático oligonucleótido 5′ - nucleotidohidrolasa ) es una enzima fosfodiesterasa también conocida como fosfodiesterasa dependiente de calcio y calmodulina . Es una de las 11 familias de fosfodiesterasas (PDE1-PDE11). La fosfodiesterasa 1 tiene tres subtipos : PDE1A, PDE1B y PDE1C, que a su vez se dividen en varias isoformas . Las distintas isoformas presentan diferentes afinidades por el AMPc y el GMPc . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

La existencia de la fosfodiesterasa 1 estimulada por Ca²⁺ ^fue demostrada por primera vez por Cheung (1970), Kakiuchi y Yamazaki (1970) como resultado de sus investigaciones en cerebro bovino y cerebro de rata , respectivamente. ^{[ 1 ] [ 3 ]} Desde entonces, se ha encontrado ampliamente distribuida en diversos tejidos de mamíferos , así como en otros eucariotas . Actualmente es uno de los miembros más estudiados de la superfamilia de enzimas PDE , ^{[ 3 ]} que hoy representa 11 familias de genes , ^{[ 1 ] [ 4 ]} y también el mejor caracterizado. ^{[ 3 ]}

Investigaciones posteriores en este campo, junto con una mayor disponibilidad de anticuerpos monoclonales, han demostrado que existen diversas isoenzimas de la fosfodiesterasa 1 , las cuales han sido identificadas y purificadas. Actualmente se sabe que la fosfodiesterasa 1 existe como isoenzimas específicas de tejido. ^{[ 3 ]}

La familia de isoenzimas fosfodiesterasa 1 pertenece a las enzimas de Clase I, ^{[ 2 ] [ 5 ]} que incluyen todas las fosfodiesterasas de vertebrados y algunas enzimas de levadura . ^{[ 5 ]} Todas las enzimas de Clase I tienen un núcleo catalítico de al menos 250 aminoácidos, mientras que las enzimas de Clase II carecen de esta característica común. ^{[ 5 ]}

Generalmente, las PDE de vertebrados son dímeros de proteínas lineales de 50 a 150  kDa . ^{[ 5 ]} Constan de tres dominios funcionales : un núcleo catalítico conservado, un extremo N-terminal regulador y un extremo C-terminal [3-5]. Las proteínas son quiméricas y cada dominio está asociado a su función particular. ^{[ 2 ]}

El extremo N -terminal regulador es sustancialmente diferente en los distintos tipos de fosfodiesterasa. ^{[ 4 ] [ 5 ]} Está flanqueado por el núcleo catalítico e incluye regiones que autoinhiben los dominios catalíticos. También se dirige a secuencias que controlan la localización subcelular . En la fosfodiesterasa 1, esta región contiene un dominio de unión a calmodulina. ^{[ 4 ]}

Los dominios catalíticos de la fosfodiesterasa 1 (y otros tipos de fosfodiesterasas) tienen tres subdominios helicoidales : una región N-terminal con pliegue de ciclina, una región de enlace y un haz helicoidal C-terminal. En la interfaz de estos subdominios se forma una cavidad hidrofóbica profunda, compuesta por cuatro subsitios : un sitio de unión a metales (sitio M), una cavidad central (cavidad Q), una cavidad hidrofóbica (cavidad H) y una región de tapa (región L). El sitio M se ubica en el fondo de la cavidad hidrofóbica con varios átomos metálicos . Estos átomos se unen a residuos completamente conservados en todos los miembros de la familia de las fosfodiesterasas. La identidad de los átomos metálicos no se conoce con absoluta certeza. Sin embargo, algunas evidencias indican que al menos uno de los metales es zinc y el otro probablemente sea magnesio . La esfera de coordinación del zinc está compuesta por tres histidinas , un aspartato y dos moléculas de agua . La esfera de coordinación del magnesio involucra el mismo aspartato junto con cinco moléculas de agua, una de las cuales es compartida con la molécula de zinc. El papel que se le atribuye a los iones metálicos incluye la estabilización de la estructura, así como la activación del hidróxido para mediar la catálisis . ^{[ 4 ]}

Los dominios están separados por regiones de "bisagra" donde pueden separarse experimentalmente mediante proteólisis limitada. ^{[ 2 ]}

La familia de isoenzimas de la fosfodiesterasa 1 (junto con la familia de la fosfodiesterasa 4) es la más diversa e incluye numerosas isoformas de PDE1 con variantes de empalme. Presenta tres subtipos: PDE1A, PDE1B y PDE1C, que a su vez se dividen en diversas isoformas. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

La localización de las isoformas de PDE1 en diferentes tejidos/células y su ubicación dentro de las células es la siguiente:

Tabla 1. Localización de diversas PDE1 en tejidos y dentro de las células.

Se ha informado que la mayoría de las isoformas de PDE1 son citosólicas . Sin embargo, existen casos de PDE1 localizadas en regiones subcelulares, pero se sabe poco sobre los mecanismos moleculares responsables de dicha localización. Se cree que es probable que las regiones N-terminal o C-terminal únicas de las diversas isoformas permitan que las diferentes proteínas se dirijan a dominios subcelulares específicos. ^{[ 2 ]}

La fosfodiesterasa 1 cataliza la siguiente reacción química : ^{[ 7 ]}

Elimina hidrolíticamente los nucleótidos 5 ′ sucesivamente de los extremos 3′-hidroxi de los oligonucleótidos terminados en 3′ - hidroxi .

Hidroliza tanto ribonucleótidos como desoxirribonucleótidos , pero tiene baja actividad frente a los polinucleótidos .

Los segundos mensajeros intracelulares, como el cGMP y el cAMP, experimentan cambios rápidos en su concentración en respuesta a una amplia variedad de estímulos celulares específicos. La concentración de estos segundos mensajeros está determinada en gran medida por la actividad sintética relativa de la ciclasa y la actividad degradativa de la PDE de nucleótidos cíclicos. ^{[ 3 ]} La PDE1 degrada tanto el cGMP como el cAMP. ^{[ 8 ]}

Las distintas isoformas exhiben diferentes afinidades por el AMPc y el GMPc. La PDE1A y la PDE1B hidrolizan preferentemente el GMPc, mientras que la PDE1C degrada tanto el AMPc como el GMPc con alta afinidad. Por ejemplo, en los músculos lisos de las vías respiratorias de humanos y otras especies, la PDE1 genérica representa más del 50 % de la actividad hidrolítica de los nucleótidos cíclicos. ^{[ 9 ]} Se ha demostrado que la deleción y la sobreexpresión de la PDE1 producen fuertes efectos en la señalización del AMPc inducida por agonistas , pero tienen poco efecto en el nivel basal de AMPc. ^{[ 10 ]} En las entradas corticales y talámicas al estriado , la actividad de la PDE1 regula la liberación de neurotransmisores a través del GMPc. ^{[ 11 ]}

La característica distintiva de la familia PDE1 es su regulación por calcio (Ca ²⁺ ) y calmodulina (CaM). ^{[ 12 ]} Se ha demostrado que la calmodulina activa la PDE de nucleótidos cíclicos de manera dependiente del calcio y la unión cooperativa de cuatro Ca ²⁺ a la calmodulina es necesaria para activar completamente la PDE1 [2]. La unión de un complejo Ca ^{2+ /CaM por} monómero a los sitios de unión cerca del extremo N estimula la hidrólisis de los nucleótidos cíclicos. En células intactas, la PDE1 se activa casi exclusivamente por el Ca ²⁺ que ingresa a la célula desde el espacio extracelular . La regulación de la PDE1 por Ca ²⁺ y CaM se ha estudiado in vitro y estos estudios han demostrado que ocho residuos de metionina dentro de las hendiduras hidrofóbicas de Ca ²⁺ -CaM son necesarios para la unión y activación de la PDE1. Las mutaciones en el lóbulo N-terminal de la CaM afectan su capacidad para activar la PDE1, por lo que se cree que el lóbulo C-terminal de la CaM sirve para dirigir la CaM hacia la PDE1, mientras que el lóbulo N-terminal activa la enzima. La presencia de un residuo aromático , generalmente un triptófano , en la región de unión a la CaM de las proteínas reguladas por Ca2 ⁺ -CaM también puede ser necesaria para la unión a la PDE1. ^{[ 12 ]}

Entre las distintas isoenzimas de PDE1 existe una diferencia significativa en la afinidad por Ca²⁺ ^/ CaM. En general, las enzimas PDE1 presentan una alta afinidad por el complejo, pero esta afinidad puede verse afectada por la fosforilación. La fosforilación de PDE1A1 y PDE1A2 por la proteína quinasa A y de PDE1B1 por la CaM quinasa II disminuye su sensibilidad a la activación por calmodulina. ^{[ 1 ]} Esta fosforilación puede ser revertida por la fosfatasa calcineurina. ^{[ 2 ]} La fosforilación de las isoenzimas se acompaña de una disminución en su afinidad por CaM, así como de un aumento en las concentraciones de Ca²⁺ ^necesarias para la activación de las isoenzimas por CaM. ^{[ 3 ]}

Las PDE se han considerado dianas terapéuticas debido al principio farmacológico básico de que la regulación de la degradación de cualquier ligando o segundo mensajero suele producir un cambio porcentual en la concentración más rápido y mayor que las tasas de síntesis comparables . Otra razón es que las PDE no tienen que competir con niveles muy altos de sustrato endógeno para ser efectivas, ya que los niveles de cAMP y cGMP en la mayoría de las células suelen estar en el rango micromolar . ^{[ 2 ]}

La disponibilidad de estructuras cristalinas de alta resolución de los dominios catalíticos de las PDE hace posible el desarrollo de inhibidores altamente potentes y específicos . ^{[ 6 ]}

Muchos compuestos descritos como inhibidores de la PDE1 no interactúan directamente con el sitio catalítico de la PDE1, sino que lo hacen durante la activación, ya sea a nivel de los sitios de unión de la calmodulina, como el compuesto KS505a , o directamente sobre Ca ²⁺ /calmodulina, como el bepril , la flunarizina y la amiodarona . ^{[ 1 ]}

Los inhibidores que interactúan con el sitio catalítico ocupan parte del sitio activo, principalmente alrededor del bolsillo Q y ocasionalmente cerca del bolsillo M. ^{[ 13 ]} Un punto de interacción importante es un bolsillo hidrofóbico conservado que participa en la orientación del anillo de purina del sustrato para la interacción con un residuo de glutamina que es crucial para el mecanismo catalítico de las PDE. ^{[ 6 ]}

Las interacciones de los inhibidores se pueden dividir en tres tipos principales: interacciones con los iones metálicos mediadas por agua, interacciones de enlaces de hidrógeno con los residuos proteicos implicados en el reconocimiento de nucleótidos y, lo que es más importante, la interacción con los residuos hidrofóbicos que recubren la cavidad del sitio activo. Todos los inhibidores conocidos parecen aprovechar estos tres tipos de interacciones y, por lo tanto, estas interacciones deberían guiar el diseño de nuevos tipos de inhibidores. ^{[ 13 ]}

Inicialmente se afirmó que los inhibidores de la PDE1 eran relajantes vasculares eficaces. Sin embargo, con la disponibilidad de enzimas clonadas purificadas, ahora se sabe que dichos inhibidores son, de hecho, igualmente activos contra la PDE5. ^{[ 4 ]} Estos inhibidores incluyen, por ejemplo, zaprinast , 8-metoximetil IPMX y SCH 51866. ^{[ 1 ]}

Todos los inhibidores de PDE terapéuticamente efectivos deben incorporarse a la célula porque todas las PDE se localizan en el citoplasma y/o en las membranas intracelulares. ^{[ 8 ]}

Hoy en día, no existe un inhibidor de PDE1 específico, real y eficaz que pueda utilizarse para evaluar la función de PDE1 en los tejidos. ^{[ 1 ]}

inhibidores comunes

La nimodipina es una dihidropiridina que antagoniza/bloquea específicamente el canal de Ca2 ⁺ de tipo L , y fue descrita inicialmente como un inhibidor de la PDE1. Este efecto no está relacionado con su propiedad antagonista del calcio, ya que inhibe, en el rango micromolar, la PDE1 purificada basal y estimulada por calmodulina. Dado que la nimodipina a bajas concentraciones bloquea el canal de calcio de tipo L, solo puede utilizarse para estimar la participación de la PDE1 en homogeneizados de tejido y células. ^{[ 1 ]}

La vinpocetina se describió como un inhibidor específico de la PDE1 basal y activada por calmodulina. Este efecto conduce a un aumento de cAMP sobre cGMP. ^{[ 1 ] [ 14 ]} Se utiliza principalmente como herramienta farmacológica para implicar a la PDE1. La vinpocetina inhibe de forma diferente los diversos subtipos de PDE1 (IC ₅₀ de 8 a 50  μm) y también es capaz de inhibir la PDE7B. No puede utilizarse como herramienta específica para investigar el papel funcional de la PDE1 debido a sus efectos activadores directos sobre los canales BK (Ca). ^{[ 1 ]} La vinpocetina atraviesa la barrera hematoencefálica y es captada por el tejido cerebral. Se ha planteado la hipótesis de que la vinpocetina puede afectar a los canales de calcio dependientes de voltaje. ^{[ 14 ]}

El IC224 inhibe la PDE1 (CI50 ₌ 0,08 μM) con una selectividad de 127 (cociente entre el valor de CI50 _de la siguiente PDE más sensible y el valor de CI50 _de la PDE1). Fue desarrollado por la corporación ICOS. Si el IC224 inhibe de forma similar los subtipos basales y activados por calmodulina de la PDE1, este compuesto podría ser muy útil para caracterizar la actividad de la PDE1 e investigar claramente sus diversas funciones en la fisiopatología. ^{[ 1 ]}

Casi todas las fosfodiesterasas se expresan en el SNC, lo que convierte a esta familia de genes en una fuente atractiva de nuevas dianas para el tratamiento de trastornos psiquiátricos y neurodegenerativos . ^{[ 6 ]}

PDE1A2 tiene un papel potencial en enfermedades neurodegenerativas, incluyendo: ^{[ 4 ]}

• enfermedad de Parkinson
• Degradación de los neurofilamentos axonales
• Degradación de las motoneuronas
• isquemia neuronal
• enfermedad de Alzheimer
• Epilepsia

La PDE1C podría tener un papel en la regulación de la liberación de insulina ^{[ 5 ]} y podría dirigirse a las células musculares lisas proliferantes en lesiones ateroscleróticas o durante la reestenosis . ^{[ 4 ] [ 15 ]}

• Fosfodiesterasa+I en los Encabezamientos de Materias Médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.