Krátkodobá a dlouhodobá (trofická) purinergní signalizace

Úvod

Návrh, že purinové nukleotidy jsou extracelulární signální molekuly a zároveň intracelulární zdroj energie, poprvé uvedl Drury & Szent-Györgyi . V roce 1970 pak bylo prokázáno, že adenosin 5′-trifosfát (ATP) je přenašečem v autonomním nervosvalovém přenosu a v pozdějším přehledu byl zaveden termín „purinergní“ signalizace . Tento koncept nebyl po dalších 20 let mnohými akceptován. V roce 1978 byly popsány samostatné rodiny purinergních receptorů, P1 (adenosin) a P2 (ATP/adenosin 5′-difosfát (ADP)) , ale zlom v přijetí purinergní signalizace nastal poté, co byly na počátku 90. let 20. století klonovány a charakterizovány receptory pro puriny a pyrimidiny . V současné době jsou rozpoznány čtyři podtypy receptorů P1 (A1, A2A, A2B, A3), sedm receptorů iontových kanálů P2X (P2X1-7) a osm receptorů spřažených s G-proteinem (P2Y1, P2Y2, P2Y4, P2Y6, P2Y11, P2Y12, P2Y13, P2Y14) . Aktivace receptorů P2 vede ke zvýšení intracelulárního Ca2+: z extracelulárních zdrojů pro receptory P2X a z intracelulárních míst pro receptory P2Y. Snad díky svému prastarému původu má řada purinoceptorových podtypů jedinečnou vlastnost, že je mimořádně široce rozšířena v živých buňkách a tkáních . Na rozdíl od všech ostatních chemických přenašečů, které jsou zpravidla segregovány na určité typy buněk a určité funkce, se receptory pro puriny a pyrimidiny nacházejí všude a je téměř nemožné najít buňku bez citlivosti na ATP a jeho analogy. Od roku 1995 došlo k rychlému rozšíření této oblasti .

Krátkodobá purinergní signalizace

ATP byl prokázán jako transmiter uvolňovaný z neadrenergních, necholinergních nervů, který vyvolává krátkodobou purinergní signalizaci z inhibičních enterických nervů u morčete taenia coli a z excitačních parasympatických nervů v močovém měchýři . Krátkodobá purinergní signalizace byla prokázána, když byl ATP identifikován jako kotransmiter s noradrenalinem v sympatických nervech v taenia coli , nikotinu kočky, vas deferens a v cévách . ATP je také kotransmiterem s acetylcholinem v motorických nervech zásobujících vyvíjející se kosterní svalstvo , močový měchýř a krkavice a v senzomotorických nervech se substancí P a peptidem souvisejícím s kalcitoninovým genem . Později bylo prokázáno, že ATP je kotransmiterem, který zprostředkovává krátkodobou purinergní signalizaci, v neuronech centrálního nervového systému (CNS) . Zapojení krátkodobé purinergní signalizace do řízení cévního tonu je znázorněno na obrázku 1. Purinergní synaptický přenos mezi nervy byl prokázán v coeliakálním gangliu a mediální habenule v mozku . ATP uvolněný během synaptického přenosu může aktivovat receptory astrocytů, které následně iniciují Ca2+ signály a šíří Ca2+ vlny v astrogliálních sítích prostřednictvím aktivace P2Y receptorů a difuze inositoltrifosfátu (IP3) přes gap junctions . Ionotropní receptory P2X jsou zodpovědné za rychlou astrocytární signalizaci, zatímco metabotropní receptory P2Y zprostředkovávají dlouhodobé účinky .

Krátkodobá signalizace zapojená do prejunkční neuromodulace prostřednictvím receptorů P1 i P2 byla rozpoznána také v periferních orgánech i v CNS. Purinoceptory jsou hojně zastoupeny v CNS, kde zprostředkovávají neuronální excitabilitu a jsou důležité pro signalizaci v neuronálně-gliových obvodech, neboť jsou důležitým gliotransmiterem .

Purinoceptory jsou přítomny ve všech periferních tkáních a podílejí se na krátkodobé i dlouhodobé regulaci různých funkcí, včetně nervosvalového a synaptického přenosu a sekrece ve střevech , a sekrece v ledvinách, játrech a reprodukčním systému . V cévním a dýchacím systému ATP zprostředkovává reflexní činnost prostřednictvím aktivace smyslových nervů . Aktivace purinoceptorů může zprostředkovat rychlé reakce v imunologickém systému , v krevních buňkách , kůži , kostech a svalech , močových cestách a srdci . Krátkodobá purinergní signalizace probíhá také v sekreci endokrinních a neendokrinních buněk . Receptory P2X3 a P2X2/3 se podílejí na nocicepci . Dlouhodobá (trofická) purinergní signalizace

ATP a jeho analogy se podílejí na remodelaci tkání v reakci na poranění a hrají klíčovou roli v regulaci následné opravy a regenerace . Stimulace purinoceptorů spouští astrogliózu, generalizovanou odpověď astrocytů na poškození mozku, zahrnující buněčnou proliferaci a remodelaci nervových obvodů . Reaktivní astroglióza má zásadní význam jak pro tvorbu jizvy a omezení oblasti poškozené mozkem (prostřednictvím anizomorfní astrogliózy), tak pro remodelaci po poškození a obnovu nervové funkce (prostřednictvím izomorfní astrogliózy). Počáteční události v reakcích astroglie na purinergní signalizaci mají zásadní význam pro gliovou Ca2+ excitabilitu nebo mohou iniciovat dlouhodobé účinky . Pro reaktivní astrogliózu bylo naprosto nezbytné nejen zvýšení intracelulárního vápníku, ale také se ukázalo, že ATP je jedním z klíčových faktorů podílejících se na její iniciaci prostřednictvím aktivace receptorů spřažených s G-proteinem P2Y spojených s fosfolipázou C a IP3 . Tyto trofické/astrogliotické proliferační účinky agonistů P2 byly zjištěny jak in vitro, v gliových kulturách, tak in vivo, v nucleus accumbens potkanů . Receptory P2X zprostředkovávají dlouhodobou potenciaci v hipokampu . Aktivace receptorů P2X může mít více účinků na synaptickou plasticitu, a to buď inhibicí, nebo usnadněním dlouhodobých změn synaptické síly v závislosti na fyziologickém kontextu . K dlouhodobé purinergní signalizaci dochází také při chronickém zánětu a neuropatické bolesti .

(a) Embryologický vývoj

Podtypy receptorů P2 se objevují přechodně během embryologického i postnatálního vývoje, což naznačuje, že ATP se podílí na postupné proliferaci, diferenciaci, motilitě a smrti buněk během příslušných komplexních dějů . Například u embryí Xenopus byl klonován nový receptor P2Y8 a ukázalo se, že je přechodně exprimován v neurální ploténce a trubici od stádia 13 do 18 a znovu ve stádiu 28, kdy dochází k sekundární neurulaci v ocasním pupenu . Přechodná exprese receptorů P2Y1 v končetinových pupenech kuřecích embryí zprostředkovává rychlou buněčnou proliferaci . Během postnatálního vývoje mozečku a kosterního svalstva byly popsány změny v expresi podtypů receptorů P2X . Purinergní signalizace ve vývoji pravděpodobně zahrnuje vzájemné ovlivňování několika dalších signálních drah, včetně růstových faktorů, cytokinů a složek extracelulární matrix . Během raného vývoje myotuby byly přítomny receptory P2X5, následovala exprese receptorů P2X6 a poté byly během vývoje nervosvalového spojení exprimovány receptory P2X2. Přechody Ca2+ vyvolané ATP v kuřecí sítnici byly nejsilnější již v E3, ale v E11-13,5 byly drasticky sníženy . Podobné mechanismy se podílejí na neurogenezi dospělých .

(b) Tvorba a resorpce kostí

Aktivita osteoklastů a resorpce kostí jsou aktivovány ADP prostřednictvím receptorů P2Y1, zatímco signalizace ATP a uridin 5′-trifosfátu (UTP) prostřednictvím receptorů P2Y2 v osteoblastech inhibuje růst a mineralizaci kostí (obrázek 2) . Receptory P2X7 mají trofickou regulační úlohu při tvorbě a resorpci kosti . Osteoblasty aktivované receptory P2X7 vykazují zvýšenou diferenciaci a tvorbu kosti , zatímco aktivace receptorů P2X7 u osteoklastů vyvolává apoptózu a kostní resorpci .

(c) Cévní remodelace při ateroskleróze a restenóze po angioplastice

ATP a UTP působící prostřednictvím receptorů P2Y2 způsobují proliferaci hladkých svalových buněk cév. Proliferaci endoteliálních buněk vyvolává ADP působící prostřednictvím receptorů P2Y1. Adenosin prostřednictvím receptorů A2 zprostředkovává inhibici proliferace hladkého svalstva, ale stimulaci proliferace endoteliálních buněk (obrázek 3) . To naznačuje, že nárůst hladké svaloviny cév a endoteliálních buněk při ateroskleróze i hypertenzi může být zprostředkován trofickým působením purinů a pyrimidinů uvolňovaných z nervových a endoteliálních buněk a při restenóze po angioplastice . Zdá se, že receptory P2Y4 jsou regulátory angiogeneze . Syntéza DNA a migrace cévních endoteliálních buněk ve vasa vasorum je zvýšena ATP v nemocných plicních cévách . Mikrovaskulární onemocnění je u diabetických pacientů charakterizováno zvýšeným poměrem stěny a lumen . Důvodem je pravděpodobně nárůst počtu hladkých svalových buněk cév, což vede k vyšší míře restenózy po angioplastice. Uvolňování ATP vyvolané vysokou hladinou glukózy stimuluje růst hladkých svalových buněk cév prostřednictvím receptorů P2Y . Neobvyklým typem dlouhodobé purinergní signalizace je důkaz, že při kritické koncentraci ATP, působící jak na erytrocyty, tak na endotelové buňky , vede ke zvýšení uvolňování ATP do cirkulující krve po dobu několika hodin.

(d) Kůže

Stratifikované dlaždicové epitely v kůži potkana, stejně jako v rohovce, jícnu, měkkém patře, pochvě a jazyku vykazovaly silné imunobarvení receptoru P2X5 spojené s diferenciací buněk ve spinální a granulární buněčné vrstvě, ale ne v bazálních kuboidních vnějších vrstvách. Ve vnější vrstvě bylo zjištěno silné imunobarvení receptorů P2X7 spojené s apoptotickou buněčnou smrtí . V epitelu tenkého střeva dochází k rychlému obratu. Receptory P2X5 jsou exprimovány na úzkém „stonku“ pohárkových buněk klků, zatímco imunoreaktivita receptorů P2X7 je patrná pouze na membránách enterocytů a pohárkových buněk na konci klků, kde buňky procházejí apoptózou .

Exprese podtypů receptorů P2X5, P2X7, P2Y1 a P2Y2 byla studována u zdravých lidských epidermálních keratinocytů ve vztahu k markerům proliferace (PCNA a Ki-67), diferenciace (cytokeratin KIO a involucrin) a apoptózy (TUNEL a antikaspáza-3). Receptory P2Y1 a P2Y2 byly imunoreaktivní v bazálních a parabazálních keratinocytech. Exprese receptorů P2X5 ve stratum spinosum a P2X7 ve stratum corneum byla spojena s diferenciací buněk (a následnou antiproliferací), respektive s apoptotickou buněčnou smrtí (obrázek 4). Funkční experimenty na kultivovaných keratinocytech ukázaly zvýšení počtu buněk v reakci na agonistu receptoru P2Y1 2-methylthio ADP a agonistu receptoru P2Y2 UTP. Naproti tomu došlo k významnému snížení počtu buněk při použití agonisty receptoru P2X5 ATPγS a agonisty receptoru P2X7 2′(3′)-O-(4-benzoylbenzoyl) ATP. Bylo rovněž prokázáno, že receptory P2Y1 v bazální vrstvě vyvíjející se lidské fetální epidermis byly spojeny s proliferací . Receptory P2X5, převážně v bazální a intermediální vrstvě, byly spojeny s diferenciací, zatímco receptory P2X7 v peridermu byly spojeny s apoptotickou buněčnou smrtí.

Purinergní signalizace se podílí na hojení ran. V regenerující epidermis denervovaných ran byla exprese receptorů P2Y1 v keratinocytech zvýšená, zatímco exprese receptorů P2Y2 byla snížená . Léčba denervovaných ran nervovým růstovým faktorem (NGF) snížila expresi receptorů P2Y1 a zvýšila expresi receptorů P2Y2. Léčba NGF zvýšila u keratinocytů v inervovaných ranách expresi receptorů P2X5 i P2Y1. Ve všech experimentálních procesech hojení ran nebyly přítomny receptory P2X7.

Lidské anagenní vlasové folikuly exprimují receptory P2Y1, P2Y2 a P2X5 . Receptory P2Y1 byly přítomny v proliferujících buňkách ve vnějším kořenovém obalu a cibulce, zatímco receptory P2X5 byly spojeny s diferenciací vnitřního a vnějšího kořenového obalu a dřeně. Receptory P2Y2 se nacházely v buňkách na okraji kůry/meduly, zatímco receptory P2X7 nebyly přítomny.

(e) Rakovina

Byly popsány podtypy purinergních receptorů, které se podílejí na vzniku nádorů prostaty , močového měchýře , melanomu , prsu a dalších orgánů . Receptory P2Y1 a P2Y2 byly exprimovány a podílely se na proliferaci buněk; receptory P2X5 se podílely na diferenciaci (a byly tedy antiproliferační), zatímco receptory P2X7 se v mnoha nádorech podílely na buněčné smrti (obrázek 5). Bylo však prokázáno, že receptory P2X7 zprostředkovávají jak proliferaci nádorových buněk, tak apoptotickou buněčnou smrt . Je možné, že nízké koncentrace uvolněného ATP podporují proliferaci, zatímco vysoké koncentrace vedou k buněčné smrti. V lidských melanomech jsou exprimovány funkční receptory P2X7 , které zprostředkovávají apoptózu , zatímco agonisté receptorů P2Y1 a P2Y2 způsobují snížení, respektive zvýšení počtu buněk . U lidského dlaždicobuněčného karcinomu se zdá, že receptory P2Y2, P2X5 a P2X7 jsou spojeny s proliferací, diferenciací a buněčnou smrtí v uvedeném pořadí .

Při použití buněčné linie HT-1376 s vysokým stupněm rakoviny močového měchýře zprostředkovaly receptory P2X5 a P2Y11 antineoplastické účinky ATP, zatímco receptory P2X7 zprostředkovaly apoptotickou buněčnou smrt . Buněčné linie hormonálně refrakterního karcinomu prostaty vykazovaly podobné výsledky . ATP snížil in vivo růst pokročilého hormonálně refrakterního karcinomu prostaty implantovaného myším . Klinické studie prokázaly, že systémové podávání ATP může mít příznivé účinky (prodloužení přežití a snížení kachexie) u pacientů s rakovinou plic .

Mezinformace druhého posla a transkripční faktory zapojené do krátkodobé a dlouhodobé purinergní signalizace

Mezinformace druhého posla zapojené do krátkodobé purinergní signalizace byly analyzovány v řadě studií pro receptory iontových kanálů P2X . Obsazení receptorů P2X i P2Y vede ke zvýšení intracelulárního Ca2+, u receptorů P2X z extracelulárních zdrojů a u receptorů P2Y z intracelulárních zdrojů . Bylo prokázáno, že extracelulární ATP aktivuje trimerní strukturu kanálu P2X vazbou na tři intersubjednotková vazebná místa, což vede ke konformačním změnám, které se přenášejí na transmembránové šroubovice spojené s ATP vazebnými doménami pomocí β vláken . Spojení podtypů receptoru P2Y se specifickými G proteiny bylo původně odvozeno z nepřímých důkazů z pohybu intracelulárních hladin IP3, vápníku, cyklického AMP (cAMP) a stanovení citlivosti na pertusový toxin. Následovaly přímé důkazy měřením účinku hydrolýzy ADP a GTP ve vezikulách rekonstituovaných s P2Y1 a Gαqβ1γ2 nebo Gα11β1γ2 . Receptory P2Y spřažené s G-proteiny také modulují aktivitu napěťově řízených iontových kanálů v buněčné membráně prostřednictvím aktivity aktivovaných G-proteinů (viz podrobná analýza).

Transkripční faktory zapojené do dlouhodobé trofické signalizace jsou složitější, jak je naznačeno na obrázku 6. Byla navržena role influxu vápníku v buněčné proliferaci . Vnější koncentrace vápníku je důležitá pro funkci vápníkových kanálů a reguluje také aktivitu receptorů vnímajících vápník. Například aktivace receptoru P2Y11 pomocí ATP vede ke zvýšení cAMP a IP3 a cytosolického vápníku, zatímco bylo prokázáno, že aktivace pomocí UTP vyvolává mobilizaci vápníku bez zvýšení IP3 nebo cAMP .

Závěr

Trimerní receptory iontových kanálů P2X z velké části zprostředkovávají krátkodobou purinergní signalizaci, i když existují příklady dlouhodobé signalizace zprostředkované receptory P2X. Receptory P1 a P2Y spřažené s G-proteiny se převážně podílejí na dlouhodobé (trofické) purinergní signalizaci, ale existují i příklady zprostředkování krátkodobých dějů. Zkoumají se příklady obou typů purinergní signalizace a diskutují se příslušné intracelulární translační mechanismy. Znalost základních mechanismů zapojených do krátkodobé i dlouhodobé purinoceptorové signalizace pomůže při vývoji purinergních léčiv pro terapeutické účely.

Konkurenční zájmy

Prohlašuji, že nemám žádné konkurenční zájmy.

Financování

Na tuto studii jsem neobdržel žádné finanční prostředky.

Poznámky pod čarou

Jedná se o 15 příspěvků do čísla ze zasedání Theo Murphyho „Evoluce spojuje Ca2+ a ATP k řízení života a smrti“.

.