La soppressione dell'enzima malico umano 2 modifica il metabolismo energetico e inibisce la respirazione cellulare

Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 548 (2023) Citare questo articolo

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L'enzima malico mitocondriale umano NAD(P)+-dipendente (ME2) è ben noto per il suo ruolo nel metabolismo cellulare, che può essere coinvolto nel cancro o nell'epilessia. Presentiamo potenti inibitori ME2 basati su strutture cyro-EM che prendono di mira l'attività dell'enzima ME2. Due strutture di complessi inibitori di ME2 dimostrano che l'acido 5,5'-metilendisalicilico (MDSA) e l'acido embonico (EA) si legano allostericamente al sito di legame del fumarato di ME2. Studi sulla mutagenesi dimostrano che Asn35 e la rete Gln64-Tyr562 sono necessari per il legame di entrambi gli inibitori. La sovraespressione di ME2 aumenta la produzione di piruvato e NADH diminuendo il rapporto NAD+/NADH della cellula; tuttavia, l'atterramento di ME2 ha l'effetto opposto. MDSA ed EA inibiscono la sintesi del piruvato e quindi aumentano il rapporto NAD+/NADH, il che implica che questi due inibitori interferiscono con i cambiamenti metabolici inibendo l'attività cellulare ME2. Il silenzio di ME2 o l'inibizione dell'attività di ME2 con MDSA o EA riducono la respirazione cellulare e la sintesi di ATP. I nostri risultati suggeriscono che ME2 è cruciale per il piruvato mitocondriale e il metabolismo energetico, nonché per la respirazione cellulare, e che gli inibitori di ME2 potrebbero essere utili nel trattamento del cancro o di altre malattie che coinvolgono questi processi.

L'enzima malico ME è una nuova classe di decarbossilasi ossidative che catalizzano la conversione di L-malato in piruvato riducendo contemporaneamente NAD(P)+ a NAD(P)H1,2,3,4. Gli enzimi malici nei mammiferi sono classificati in tre isoforme, ME1, ME2 e ME3, in base alla loro localizzazione subcellulare e alla specificità del cofattore, ciascuna delle quali svolge una funzione fisiologica distinta. ME1 è un ME citosolico NADP+-dipendente coinvolto nella generazione di NADPH citoplasmatico per la biosintesi riduttiva e il rifornimento dell'intermedio del ciclo dell'acido tricarbossilico (TCA) mediante la trasformazione inversa del piruvato in L-malato5,6. ME3 è un ME mitocondriale NADP+-dipendente espresso in modo trascurabile che potrebbe essere coinvolto nel ciclo del NADPH nei mitocondri5. ME2 è un ME NAD+ o NADP+-dipendente presente nei mitocondri e coinvolto nella generazione di NADH e NADPH mitocondriali4,7,8,9. ME2 si distingue dalle altre due isoforme dei mammiferi per la sua specificità a doppio cofattore e per un complesso sistema di regolazione allosterico. Inoltre, solo l'isoforma ME2 coopera con il substrato L-malato e il fumarato può attivare allostericamente l'enzima mentre l'ATP ne inibisce l'attività enzimatica10,11,12,13,14,15,16,17,18,19.

ME2 è stato inizialmente identificato nei mitocondri dell'epatoma8 e da allora è stato identificato nella leucemia, nel melanoma, nel glioma e nel cancro al seno9,20,21,22 dove è fortemente associato alla progressione del cancro e alla sopravvivenza. Di conseguenza, è stato identificato come un bersaglio promettente per la terapia del cancro23. È presente anche nelle isole pancreatiche delle cellule di insulinoma umano, di ratto e di topo e può contribuire alla secrezione di insulina stimolata dagli aminoacidi e fornire piruvato sufficiente per aumentare il flusso del ciclo di Krebs quando il glucosio è limitato24,25. ME2 è necessario anche per la proliferazione e la differenziazione degli osteoblasti26. L'attività ME2 è estremamente abbondante nei mitocondri sinaptici del cervello, indicando che svolge un ruolo nella via di riciclaggio del piruvato e nel mantenimento del glutatione ridotto intramitocondriale nei terminali sinaptici27. Il gene ME2 è stato collegato alle sindromi epilettiche. Utilizzando sia metodi caso-controllo che metodi di associazione basati sulla famiglia, in uno studio è stata riscontrata un'associazione con l'epilessia generalizzata idiopatica (IGE).

ME2 è stato identificato con un gene associato alle sindromi epilettiche. È stato identificato con il gene associato all'epilessia generalizzata idiopatica (IGE) in uno studio utilizzando sia metodi caso-controllo che metodi di associazione basati sulla famiglia28. L'aplotipo del polimorfismo a singolo nucleotide ME2 (SNP) è stato collegato ad un aumento del rischio di IGE e predispone all'epilessia generalizzata genetica ad esordio nell'adolescenza29.