ホスホジエステラーゼ3

PDE3はホスホジエステラーゼです。PDE は少なくとも 11 の関連遺伝子ファミリーに属し、一次構造、基質親和性、エフェクターへの反応、および調節メカニズムが異なります。ほとんどの PDE ファミリーは複数の遺伝子で構成されています。PDE3 は心筋、血管平滑筋、および血小板凝集の調節に関与するため、臨床的に重要です。PDE3 阻害剤は医薬品として開発されていますが、不整脈作用により使用が制限されており、用途によっては死亡率を上昇させる可能性があります。

PDE3酵素は心臓と血管の平滑筋の収縮力の調節に関与しています。PDE3を阻害する分子はもともと心不全の治療薬として研究されていましたが、望ましくない不整脈の 副作用があるため、この適応症ではもはや研究されていません。しかし、PDE3阻害剤ミルリノンは静脈内投与で心不全の治療薬として承認されています。^[1]

PDE3AとPDE3Bは両方とも血管平滑筋細胞で発現しており、収縮を調節すると考えられます。血管平滑筋でのそれらの発現は、cAMPの上昇や低酸素などの特定の条件下で変化します。^[1]

哺乳類のPDE3ファミリーは、PDE3AとPDE3Bの2つのメンバーで構成されています。PDE3アイソフォームは構造的に類似しており、局在化に重要なN末端ドメインとC末端を含んでいます。^[2]触媒ドメインへの44アミノ酸の挿入はPDE3アイソフォームごとに異なり、アイソフォームのN末端部分は非常に異なります。PDE3AとPDE3Bは薬理学的および動力学的特性が驚くほど似ていますが、違いは発現プロファイルとcGMPに対する親和性にあります。^[3]

PDE3ファミリーは、PDE3AとPDE3Bの2つの遺伝子で構成されています。両方の遺伝子を発現している細胞では、通常、 PDE3Aが優勢です。PDE3Aの3つの異なる変異体（PDE3A1-3）は、 PDE3A遺伝子の開始コドンの交互使用の産物です。PDE3Bは単一のアイソフォームのみをコードします。^{[1] [4]}

PDE3A と PDE3B の全長には、N 末端疎水性膜結合領域 NHR1 と NHR2 が 2 つ含まれています (図 2)。PDE3A1-3 バリアントの違いは、以下が含まれているかどうかにあります。

• NHR1とNHR2の両方
• NHR2のみ
• NHR1 でも NHR2 でもありません。

最後のものは、可溶性/細胞質型のみに存在すると予測される。^{[4] [5]}

PDE3Aは主に心血管機能と生殖能力に関与していますが、PDE3Bは主に脂肪分解に関与しています。^[3]表1はPDE3アイソフォームの局在の概要です。

一般的に、PDE3は細胞質または膜結合型であり、細胞膜、筋小胞体、ゴルジ体、核膜と関連している。^[2]

PDE3Bは主に膜に結合しており、小胞体とミクロソーム分画に局在しています。^[1]

PDE3Aは、変異体とそれが発現する細胞の種類に応じて、膜結合型または細胞質型のいずれかになります。^[1]

PDE3AとPDE3Bの活性は、いくつかのリン酸化経路によって制御されています。タンパク質キナーゼAとタンパク質キナーゼBは両方とも、NHR1とNHR2の間の2つの異なるリン酸化部位（P1とP2）でのリン酸化を介してPDE3AとPDE3Bを活性化します（図2）。PDE3アイソフォームによるcAMPの加水分解もcGMPによって直接阻害されますが、PDE3BはcGMP阻害に対してPDE3Aの約10％しか感受性がありません。^{[4] PDE3Bは、}脂肪組織と肝臓組織におけるインスリン の抗脂肪分解および抗グリコーゲン分解効果を媒介する上での重要性について広範囲に研究されてきました。脂肪細胞におけるPDE3Bの活性化は、インスリン刺激タンパク質セリンキナーゼ（PDE3IK）によるセリン残基のリン酸化に関連しています。 PDE3IKのインスリン活性化、ひいてはPDE3Bのリン酸化/活性化を阻害することで、インスリンの抗脂肪分解効果を拮抗させることができる。PDE3Bの活性化はcAMPの濃度を低下させ、ひいてはタンパク質キナーゼAの活性を低下させる。タンパク質キナーゼAはリパーゼの活性化に関与しており、脂肪分解やその他の生理学的経路を誘導する。 ^{[6] [4]}

PDE3A または PDE3B の活性を制御するリン酸化経路が、PDE3酵素自体の触媒ドメインではなく、潜在的な薬物標的として機能するかどうかは不明であり、このテキストの範囲を超えています。

哺乳類のPDEは共通の構造組織を共有しており、保存された触媒コア、調節N末端、およびC末端を含む3つの機能ドメインを含んでいます。保存された触媒コアは、異なるファミリー間よりもPDEファミリー内で非常に類似しており、約80％のアミノ酸同一性があります。コアには、cAMPおよびcGMPホスホジエステル結合の加水分解に重要な共通の構造要素が含まれていると考えられています。また、コアには、基質に対する親和性や阻害剤に対する感受性の違いを決定するファミリー固有の因子が含まれていると考えられています。^[6]

PDE3の触媒ドメインは44アミノ酸の挿入によって特徴付けられるが、この挿入はPDE3ファミリーに特有であり、強力かつ選択的なPDE3阻害剤の構造を決定する際の要因となる。^[6]

PDE3B を含むいくつかの PDE の触媒ドメインの結晶構造は、3 つのらせん状のサブドメインが含まれていることを示しています。

1. N末端サイクリンフォールド領域
2. リンカー領域
3. C末端ヘリカル束^{[3] [1]}

これらのドメインの界面には、すべての PDE 間で高度に保存されている残基によって深い疎水性ポケットが形成されます。このポケットは活性部位であり、4 つのサブサイトで構成されています。

1. 金属結合部位（M部位）
2. コアポケット（Qポケット）
3. 疎水性ポケット（Hポケット）
4. 蓋部領域（L領域）^{[3] [1]}

M部位は疎水性結合ポケットの底部にあり、2つの二価金属結合部位を含む。これらの部位に結合できる金属イオンは亜鉛またはマグネシウムである。亜鉛結合部位には2つのヒスチジン残基と2つのアスパラギン酸残基があり、これらはこれまでに研究されたPDE間で完全に保存されている。^{[3] [1]}

PDEのN末端部分は多岐にわたり、異なる遺伝子ファミリーに特有の調節特性に関連する決定因子が含まれています。PDE3の場合、それらの決定因子は疎水性膜結合ドメインとcAMP依存性タンパク質キナーゼリン酸化部位です。^[6]

当初、PDE3は精製され、Km値が0.1～0.8μMのcGMPとcAMPの両方を加水分解する酵素として説明されました。しかし、 cAMP加水分解の_VmaxはcGMP加水分解の_Vmaxの4～10倍高くなっています。^[6]

異なるPDEが最初に特定されたとき、cAMPに対して高い親和性を示す2種類のPDE（PDE3とPDE4）が単離されました。PDE3はcGMPとcAMPの両方に対して高い親和性を示しましたが、PDE4はcAMPに対してのみ高い親和性を示しました。そのため、PDE3はPDE4と区別するためにcGMP阻害PDEと呼ばれました。^[6]

PDE3の触媒ドメインにおける44アミノ酸の挿入は、PDE3とその基質および阻害剤との相互作用に関与していると考えられているが、まだ明らかにされていない。^[6]

PDE の環状ヌクレオチド特異性の提案された分子メカニズムは、いわゆるグルタミンスイッチメカニズムです。

構造が解明された PDE には、活性部位 (結合ポケット) のプリン環の結合を安定化する不変のグルタミン残基があるようです。グルタミン残基の g-アミノ基は、2 つの異なる方向をとることができます。

1. 水素結合ネットワークはグアニン結合をサポート - cGMP選択性
2. 水素結合ネットワークは、アデニン結合 - cAMP 選択性をサポートします。

cGMPとcAMPの両方を加水分解できるPDE（PDE3）では、グルタミンは自由に回転できるため、方向を切り替えることができます。^{[3] [1]}

初期の研究から、PDE の初期モデルである活性部位トポグラフィーが導き出されました。この初期モデルは、cAMP活性部位トポグラフィーに関する次の手順に要約できます。

1. cAMP基質のアデニンとリボース部分は「反」関係にある
2. cAMP のリン酸原子は、アルギニン残基と水分子を使用して PDE 活性部位に結合します。この水分子は、最初は Mg ²⁺と結合していました。2 番目のアルギニン残基と Mg ²⁺も結合中に役割を果たし、次のステップでも役割を果たす可能性があります。
3. S _{N 2 リンがH 2} Oに攻撃され、三方両錐遷移状態が形成される
4. 5´-AMPは「反転」生成物として形成される。電子電荷は遷移状態全体にわたって正味電荷を保存する^[7]

PDE3阻害剤:

• 血小板凝集を阻害する
• 卵母細胞の成熟を阻害する
• 心臓の収縮力を高める
• 血管平滑筋の弛緩を促進する
• 気道平滑筋の弛緩を促進する

PDE3A阻害は体外および体内で卵母細胞成熟を阻害することが実証されている。^[1]例えば、マウスのPDE3Aが完全に欠乏すると、不妊になる。^[2]

血小板の凝集は環状ヌクレオチドによって高度に制御されています。PDE3A はこのプロセスの調節因子であり、PDE3 阻害剤は血小板の凝集を効果的に防止します。シロスタゾールは間欠性跛行の治療薬として承認されており、血小板凝集の阻害、平滑筋の増殖および血管拡張の阻害に関与していると考えられています。

PDE3Bの役割は、インスリン、IGF1、レプチンシグナル伝達の分野で最も研究されています。^[1] PDE3Bがマウスのβ細胞で過剰発現すると、インスリン分泌障害と耐糖能障害を引き起こします。^[2]

PDE3aの発現は、さまざまな種類の癌におけるPDE3阻害剤ザルダベリンの感受性のバイオマーカーとして説明されている。^[8]

エノキシモンは、最適な用量とタイミングでPDE3を標的とし、HDM駆動型アレルギー性気道炎症モデルにおけるアレルギー性炎症を予防します。 ^{[9] PDE3阻害剤であるエノキシモンとミルリノンは、生命を脅かす気管支喘息/}急性重症喘息の救急薬として使用できます。^{[10] [11] [12]}

• 卵母細胞成熟抑制剤