PKM2

La isoenzima PKM1 se expresa en órganos que dependen en gran medida de una alta tasa de regeneración de energía, como el músculo y el cerebro . ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}

PKM2 es la enzima piruvato quinasa M2 (PKM2) y un coactivador transcripcional de  STAT1 responsable de la inducción de la expresión de la proteína PD-L1 y su regulación en células tumorales e inmunitarias. ^{[ 26 ]} En la producción de lactato, se requiere la sobreexpresión de PKM2 y conduce a su contribución en la respuesta inflamatoria, daño orgánico y muerte séptica ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} Como consecuencia, la eliminación de PKM2 en células mieloides, la administración de anti-PD-L1 o la suplementación con interleucina-1 recombinante (IL-7) facilita la eliminación microbiana, inhibe la apoptosis de células T, reduce la disfunción multiorgánica y reduce la muerte séptica en ratones deficientes en Bmal1. ^{[ 30 ]}

La PKM2 es una enzima citosólica que se asocia con otras enzimas glucolíticas, es decir, hexocinasa , gliceraldehído 3-P deshidrogenasa , fosfoglicerato cinasa , fosfogliceromutasa , enolasa y lactato deshidrogenasa dentro de un llamado complejo enzimático glucolítico. ^{[ 25 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]}

Sin embargo, PKM2 contiene una señal de localización nuclear inducible en su dominio C-terminal. El papel de PKM2 dentro del núcleo es complejo, ya que se han descrito estímulos tanto proproliferativos como proapoptóticos . Por un lado, se ha descubierto que PKM2 nuclear participa en la fosforilación de la histona 1 mediante la transferencia directa de fosfato de PEP a la histona 1. Por otro lado, la translocación nuclear de PKM2 inducida por un análogo ^de la somatostatina , H₂O₂ _o luz UV se ha relacionado con la muerte celular programada independiente de caspasas . ^{[ 34 ] [} ₃₅ ^{] [ 36 ]}

La PKM2 se expresa en la mayoría de los tumores humanos. ^{[ 11 ] [ 14 ] [ 15 ]} Inicialmente, se planteó la posibilidad de un cambio en la expresión de PKM1 a PKM2 durante la tumorigénesis . ^{[ 37 ]} Sin embargo, estas conclusiones fueron el resultado de una interpretación errónea de los Western blots , que utilizaron músculo de ratón que expresaba PKM1 como único tejido no canceroso. En muestras clínicas de cáncer, solo se pudo confirmar una regulación positiva de PKM2, pero sin especificidad para el cáncer. ^{[ 38 ]}

A diferencia de la PKM1, estrechamente homóloga, que siempre se presenta en forma tetramérica altamente activa y no está regulada alostéricamente , la PKM2 puede presentarse tanto en forma tetramérica como dimérica . La forma tetramérica de la PKM2 tiene una alta afinidad por su sustrato, el fosfoenolpiruvato (PEP), y es altamente activa a concentraciones fisiológicas de PEP. Cuando la PKM2 se encuentra principalmente en la forma tetramérica altamente activa, como ocurre en los tejidos diferenciados y la mayoría de las células proliferantes normales, la glucosa se convierte en piruvato con producción de energía. Por otro lado, la forma dimérica de la PKM2 se caracteriza por una baja afinidad por su sustrato PEP y es prácticamente inactiva a concentraciones fisiológicas de PEP. La PKM2 dimérica produce poco o ningún ATP en la conversión de PEP a piruvato, lo que resulta en un rendimiento neto de ATP nulo para la glucólisis. ^{[ 39 ]} Cuando PKM2 se encuentra principalmente en la forma dimérica menos activa, como ocurre en las células tumorales, todos los intermediarios glucolíticos por encima de la piruvato quinasa se acumulan y se canalizan hacia procesos sintéticos, que se ramifican a partir de intermediarios glucolíticos como la síntesis de ácidos nucleicos, fosfolípidos y aminoácidos. ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} Los ácidos nucleicos , los fosfolípidos y los aminoácidos son importantes bloques de construcción celulares, que son muy necesarios para las células altamente proliferantes, como las células tumorales.

Debido a la posición clave de la piruvato quinasa dentro de la glucólisis, la relación tetrámero:dímero de PKM2 determina si los carbonos de la glucosa se convierten en piruvato y lactato bajo la producción de energía (forma tetramérica) o se canalizan hacia procesos sintéticos (forma dimérica). ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} Sin embargo, incluso si la actividad de PKM2 es baja, lo que lleva a la desviación de intermediarios ascendentes hacia procesos sintéticos, el piruvato y el lactato aún se producirán utilizando átomos de carbono de la glucosa y otros metabolitos a través de 86 vías que evitan la piruvato quinasa . ^{[ 40 ]} Estas vías que evitan la piruvato quinasa son diferentes de las que participan en la gluconeogénesis . Curiosamente, muchas de las vías que evitan la piruvato quinasa utilizan metabolitos que transitan a través de las mitocondrias , lo que destaca la importancia de las mitocondrias en el metabolismo del cáncer independientemente de la fosforilación oxidativa .

En las células tumorales, PKM2 se encuentra principalmente en forma dimérica y, por lo tanto, se le ha denominado Tumor M2-PK . La cuantificación de Tumor M2-PK en plasma y heces es una herramienta para la detección temprana de tumores y estudios de seguimiento durante la terapia. La dimerización de PKM2 en células tumorales es inducida por la interacción directa de PKM2 con diferentes oncoproteínas (pp60v-src, HPV-16 E7 y A-Raf). ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]} Se desconoce la función fisiológica de la interacción entre PKM2 y HERC1, así como entre PKM2 y PKCdelta). ^{[ 44 ] [ 45 ]} Debido al papel esencial de PKM2 en la glucólisis aeróbica (el efecto Warburg), que es una vía metabólica dominante utilizada por las células cancerosas. ^{[ 26 ]} Su superación en esta vía en macrófagos puede conducir a un mejor resultado en la sepsis experimental. ^{[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]} Por lo tanto, PKM2 es un regulador de la expresión de PD-L1 inducida por LPS y tumores en macrófagos y células dendríticas , así como en células tumorales. ^{[ 26 ]}

Los estudios que involucran el uso de activadores de PKM2 han analizado la promoción de la conversión de PKM2 dimérica a su forma tetramérica, lo que dificulta el crecimiento de las células cancerosas. ^{[ 49 ]} Además, la investigación actual se centra en atacar la forma tetramérica de PKM2 con activadores de molécula pequeña, como TEPP-46 y DASA-58, para aumentar su resistencia a la inhibición. ^{[ 50 ]}

Sin embargo, la relación tetrámero:dímero de PKM2 no es un valor estacionario. Los altos niveles del intermediario glucolítico fructosa 1,6-bisfosfato inducen la reasociación de la forma dimérica de PKM2 a la forma tetramérica. Como consecuencia, la glucosa se convierte en piruvato y lactato con la producción de energía hasta que los niveles de fructosa 1,6-bisfosfato caen por debajo de un valor crítico para permitir la disociación a la forma dimérica. Esta regulación se denomina sistema de presupuesto metabólico . ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 51 ]} Otro activador de PKM2 es el aminoácido serina . ^{[ 24 ]} La hormona tiroidea 3,3´,5-triyodo-L-tironina ( T3 ) se une a la forma monomérica de PKM2 y previene su asociación a la forma tetramérica. ^{[ 52 ]}

En las células tumorales, el aumento de la tasa de producción de lactato en presencia de oxígeno se denomina efecto Warburg . La manipulación genética de las células cancerosas para que produzcan PKM1 adulta en lugar de PKM2 revierte el efecto Warburg y reduce la tasa de crecimiento de estas células cancerosas modificadas. ^{[ 37 ]} En consecuencia, la cotransfección de células NIH 3T3 con gag-A-Raf y un mutante de PKM2 con actividad quinasa nula redujo la formación de colonias, mientras que la cotransfección con gag-A-Raf y PKM2 de tipo silvestre provocó que se duplicara la formación de focos. ^{[ 53 ]}

Se ha observado que la forma dimérica de PKM2 posee actividad de proteína quinasa en células tumorales. Es capaz de unirse a la histona H3 de la cromatina en células cancerosas y fosforilarla, desempeñando así un papel en la regulación de la expresión génica. ^{[ 54 ]} Esta modificación de la histona H3 y su consiguiente implicación en la regulación de la expresión génica pueden ser causa de la proliferación de células tumorales. ^{[ 54 ]}

La actividad piruvato quinasa de PKM2 puede ser promovida por SAICAR (succinilaminoimidazolcarboxamida ribosa-5′-fosfato), un intermediario en la biosíntesis de purinas. En las células cancerosas, la privación de glucosa conduce a un aumento en los niveles de SAICAR y la posterior estimulación de la actividad piruvato quinasa de PKM2. Esto permite completar la vía glucolítica para producir piruvato y, por lo tanto, la supervivencia bajo privación de glucosa. ^{[ 55 ]} Además, una abundancia de SAICAR puede modificar la absorción de glucosa y la producción de lactato en las células cancerosas. ^{[ 55 ]} Sin embargo, se ha demostrado que la unión de SAICAR también estimula suficientemente la actividad proteína quinasa de PKM2 en células tumorales. ^{[ 56 ]} A su vez, el complejo SAICAR-PKM2 puede potencialmente fosforilar varias otras proteínas quinasas utilizando PEP como donador de fosfato. Muchas de estas proteínas contribuyen a la regulación de la proliferación de células cancerosas. En concreto, la PKM2 puede ser un componente de la vía de señalización de la proteína quinasa activada por mitógenos (MAPK), que se asocia con una mayor proliferación celular si no funciona correctamente. Esto proporciona un posible vínculo entre la PKM2 activada por SAICAR y el crecimiento de las células cancerosas. ^{[ 56 ]}

Se encontraron dos mutaciones de cambio de sentido , H391Y y K422R, de PKM2 en células de pacientes con síndrome de Bloom propensos a desarrollar cáncer. Los resultados muestran que, a pesar de la presencia de mutaciones en el dominio de contacto entre subunidades, las proteínas mutantes K422R y H391Y mantuvieron su estructura homotetramérica, similar a la proteína de tipo silvestre, pero mostraron una pérdida de actividad del 75 y 20%, respectivamente. H391Y mostró un aumento de 6 veces en la afinidad por su sustrato fosfoenolpiruvato y se comportó como una proteína no alostérica con unión cooperativa comprometida . Sin embargo, la afinidad por el fosfoenolpiruvato se perdió significativamente en K422R. A diferencia de K422R, H391Y mostró una mayor estabilidad térmica, estabilidad en un rango de valores de pH , un menor efecto del inhibidor alostérico Phe y resistencia a la alteración estructural tras la unión del activador (fructosa 1,6-bisfosfato) y el inhibidor (Phe). Ambos mutantes mostraron un ligero cambio en el pH óptimo de 7,4 a 7,0. ^{[ 57 ]} La coexpresión de PKM2 homotetramérica de tipo silvestre y mutante en el medio celular, que resultó en la interacción entre ambas a nivel monomérico, se corroboró mediante experimentos in vitro. La interacción entre monómeros alteró significativamente el estado oligomérico de PKM2 al favorecer la dimerización y la heterotetramerización. Un estudio in silico proporcionó un apoyo adicional al demostrar que la hetero-oligomerización era energéticamente favorable. Las poblaciones hetero-oligoméricas de PKM2 mostraron actividad y afinidad alteradas, y su expresión resultó en una mayor tasa de crecimiento de Escherichia coli, así como de células de mamíferos, junto con una mayor tasa de poliploidía . Se sabe que estas características son esenciales para la progresión tumoral. ^{[ 58 ]}

Además, se evaluó el metabolismo del cáncer y el potencial tumoral en células que expresaban de forma estable PKM2 silvestre o mutante exógena (K422R o H391Y) o que coexpresaban tanto la silvestre como la mutante (PKM2-K422R o PKM2-H391Y). Las células que coexpresaban PKM2 y la mutante (K422R o H391Y) mostraron un metabolismo del cáncer significativamente más agresivo, en comparación con las células que expresaban PKM2 silvestre o mutante de forma independiente. Se observó una tendencia similar para la resistencia oxidativa, el potencial tumoral, la proliferación celular y el crecimiento tumoral. Estas observaciones indican la naturaleza dominante negativa de estas mutaciones. Cabe destacar que las células que coexpresaban PKM2-H391Y mostraron un efecto máximo en todos los parámetros estudiados. No se conoce una función dominante negativa alterada de PKM2 en el desarrollo tumoral de este tipo. También evidencia por primera vez la posible predisposición de los pacientes con BS con actividad PKM2 alterada al cáncer, y la importancia de estudiar las variaciones genéticas en PKM2 en el futuro para comprender su relevancia en el cáncer en general. ^{[ 59 ]}

Las células cancerosas se caracterizan por una reprogramación del metabolismo energético. En la última década, la comprensión de los cambios metabólicos que ocurren en el cáncer ha aumentado drásticamente, y existe un gran interés en dirigir el metabolismo como diana terapéutica contra el cáncer. La PKM2 desempeña un papel clave en la modulación del metabolismo de la glucosa para favorecer la proliferación celular. La PKM2, al igual que otras isoformas de PK, cataliza el último paso de generación de energía en la glucólisis, pero es única por su capacidad de regulación. La PKM2 se regula a varios niveles celulares, incluyendo la expresión génica, el empalme alternativo y la modificación postraduccional . Además, la PKM2 está regulada por intermediarios metabólicos clave e interactúa con más de veinte proteínas diferentes. Por lo tanto, esta isoenzima es un importante regulador de la glucólisis y desempeña funciones adicionales en otros roles novedosos que han surgido recientemente. Evidencia reciente indica que intervenir en la compleja red reguladora de la PKM2 tiene graves consecuencias en la proliferación de células tumorales, lo que indica el potencial de esta enzima como diana para la terapia tumoral. ^{[ 60 ]}

Mediante el sistema de doble híbrido de levadura , se descubrió que las proteínas Opa de la gonorrea interactúan con PKM2. Los resultados sugieren que la interacción molecular directa con la enzima metabólica del huésped PKM2 es necesaria para la adquisición de piruvato y para el crecimiento y la supervivencia de la gonorrea. ^{[ 61 ]}