Kurz- und langfristige (trophische) purinerge Signalübertragung

Einleitung

Der Vorschlag, dass Purinnukleotide sowohl extrazelluläre Signalmoleküle als auch eine intrazelluläre Energiequelle sind, wurde erstmals von Drury & Szent-Györgyi berichtet. Im Jahr 1970 wurde Adenosin-5′-triphosphat (ATP) als Transmitter in der autonomen neuromuskulären Übertragung nachgewiesen, und in einem späteren Bericht wurde der Begriff „purinerge“ Signalübertragung eingeführt. Dieses Konzept wurde in den folgenden 20 Jahren von vielen nicht akzeptiert. Separate purinerge Rezeptorfamilien, P1 (Adenosin) und P2 (ATP/Adenosin-5′-diphosphat (ADP)) wurden 1978 beschrieben, aber der Wendepunkt in der Akzeptanz der purinergen Signalübertragung kam, nachdem die Rezeptoren für Purine und Pyrimidine in den frühen 1990er Jahren kloniert und charakterisiert wurden. Derzeit sind vier P1-Rezeptor-Subtypen (A1, A2A, A2B, A3), sieben P2X-Ionenkanalrezeptoren (P2X1-7) und acht G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (P2Y1, P2Y2, P2Y4, P2Y6, P2Y11, P2Y12, P2Y13, P2Y14) bekannt. Die Aktivierung von P2-Rezeptoren führt zu einem Anstieg des intrazellulären Ca2+: bei P2X-Rezeptoren aus extrazellulären Quellen und bei P2Y-Rezeptoren aus intrazellulären Stellen. Vielleicht aufgrund ihres uralten Ursprungs hat die Reihe der Purinorezeptor-Subtypen die einzigartige Eigenschaft, in lebenden Zellen und Geweben außerordentlich weit verbreitet zu sein. Im Gegensatz zu allen anderen chemischen Transmittern, die in der Regel auf bestimmte Zelltypen und Funktionen beschränkt sind, sind die Rezeptoren für Purine und Pyrimidine überall zu finden, und es ist fast unmöglich, eine Zelle ohne Empfindlichkeit für ATP und seine Analoga zu finden. Seit 1995 hat sich das Gebiet rasant erweitert.

Kurzzeitige purinerge Signalübertragung

ATP wurde als Transmitter nachgewiesen, der von nicht-adrenergen, nicht-cholinergen Nerven freigesetzt wird, um kurzfristige purinerge Signalübertragung von hemmenden enterischen Nerven im Meerschweinchen Taenia coli und von erregenden parasympathischen Nerven in der Harnblase zu erzeugen. Kurzfristige purinerge Signalübertragung wurde nachgewiesen, als ATP als Co-Transmitter mit Noradrenalin in sympathischen Nerven in der Taenia coli, der Nickhaut der Katze, dem Vas deferens und in Blutgefäßen identifiziert wurde. ATP ist auch ein Co-Transmitter mit Acetylcholin in motorischen Nerven, die den sich entwickelnden Skelettmuskel, die Blase und die Karotis versorgen, und in sensorisch-motorischen Nerven mit Substanz P und Calcitonin Gene-Related Peptide. Später wurde gezeigt, dass ATP ein Co-Transmitter ist, der kurzzeitige purinerge Signale in Neuronen des zentralen Nervensystems (ZNS) vermittelt. Die Beteiligung der kurzfristigen purinergen Signalübertragung an der Steuerung des Gefäßtonus ist in Abbildung 1 dargestellt. Die purinerge synaptische Übertragung zwischen Nerven wurde im Ganglion coeliacum und in der medialen Habenula des Gehirns nachgewiesen. Das bei der synaptischen Übertragung freigesetzte ATP kann Astrozytenrezeptoren aktivieren, die wiederum Ca2+-Signale auslösen und über die Aktivierung von P2Y-Rezeptoren und die Diffusion von Inositoltrisphosphat (IP3) durch die Gap Junctions Ca2+-Wellen in den astroglialen Netzwerken ausbreiten. Ionotrope P2X-Rezeptoren sind für die schnelle astrozytäre Signalgebung verantwortlich, während metabotrope P2Y-Rezeptoren langfristige Wirkungen vermitteln.

Kurzfristige Signale, die an der präfunktionellen Neuromodulation über P1- und P2-Rezeptoren beteiligt sind, wurden ebenfalls sowohl in der Peripherie als auch im ZNS erkannt. Purinorezeptoren sind in großem Umfang im ZNS vorhanden, wo sie die neuronale Erregbarkeit vermitteln und als wichtiger Gliotransmitter für die Signalübertragung in neuronal-glialen Schaltkreisen wichtig sind.

Purinorezeptoren sind in allen peripheren Geweben vorhanden und sowohl an der kurz- als auch an der langfristigen Regulierung verschiedener Funktionen beteiligt, einschließlich der neuromuskulären und synaptischen Übertragung und der Sekretion im Darm sowie der Sekretion in Nieren, Leber und Fortpflanzungssystemen. Im Gefäß- und Atmungssystem vermittelt ATP über die Aktivierung sensorischer Nerven Reflexaktivitäten. Die Aktivierung von Purinorezeptoren kann schnelle Reaktionen im Immunsystem, in Blutzellen, Haut, Knochen und Muskeln, Harnwegen und Herz vermitteln. Kurzfristige purinerge Signalübertragung findet auch bei der Sekretion von endokrinen und nicht endokrinen Zellen statt. P2X3- und P2X2/3-Rezeptoren sind an der Nozizeption beteiligt. Die purinerge Signalübertragung über P2Y12-Rezeptoren ist für die Kontrolle der Thrombozytenaggregation bekannt.

Langfristige (trophische) purinerge Signalübertragung

ATP und seine Analoga sind am Gewebeumbau als Reaktion auf eine Verletzung beteiligt und spielen eine Schlüsselrolle bei der Regulierung der nachfolgenden Reparatur und Regeneration. Die Stimulation von Purinorezeptoren löst die Astrogliose aus, die allgemeine Reaktion der Astrozyten auf eine Hirnschädigung, die mit einer Zellproliferation und einem Umbau der neuronalen Schaltkreise einhergeht. Die reaktive Astrogliose ist sowohl für die Narbenbildung und die Begrenzung des geschädigten Hirnbereichs (durch anisomorphe Astrogliose) als auch für den Umbau nach der Schädigung und die Wiederherstellung der neuronalen Funktion (durch isomorphe Astrogliose) von entscheidender Bedeutung. Die anfänglichen Ereignisse bei den Reaktionen der Astroglia auf purinerge Signale sind entscheidend für die gliale Ca2+-Erregbarkeit oder können langfristige Effekte auslösen. Für die reaktive Astrogliose war nicht nur ein Anstieg des intrazellulären Kalziums absolut notwendig, sondern es wurde auch gezeigt, dass ATP einer der Schlüsselfaktoren ist, der über die Aktivierung von P2Y G-Protein-gekoppelten Rezeptoren, die mit Phospholipase C und IP3 verbunden sind, an der Auslösung beteiligt ist. Diese trophischen/astrogliotischen proliferativen Wirkungen von P2-Agonisten wurden sowohl in vitro, in Glia-Kulturen, als auch in vivo, im Nucleus accumbens von Ratten, festgestellt. P2X-Rezeptoren vermitteln die Langzeitpotenzierung im Hippocampus. Die Aktivierung von P2X-Rezeptoren kann vielfältige Auswirkungen auf die synaptische Plastizität haben, indem sie die langfristigen Veränderungen der synaptischen Stärke je nach physiologischem Kontext entweder hemmt oder erleichtert. Langfristige purinerge Signale treten auch bei chronischen Entzündungen und neuropathischen Schmerzen auf.

(a) Embryonale Entwicklung

P2-Rezeptor-Subtypen treten sowohl während der embryonalen als auch der postnatalen Entwicklung vorübergehend auf, was darauf hindeutet, dass ATP an der sequentiellen Proliferation, Differenzierung, Motilität und dem Tod von Zellen während der komplexen Vorgänge beteiligt ist . So wurde in Xenopus-Embryonen ein neuartiger P2Y8-Rezeptor geklont, der nachweislich in der Neuralplatte und im Neuralrohr in den Stadien 13 bis 18 und erneut im Stadium 28, wenn die sekundäre Neurulation in der Schwanzknospe stattfindet, vorübergehend exprimiert wird. Die vorübergehende Expression von P2Y1-Rezeptoren in den Gliedmaßenknospen von Hühnerembryonen vermittelt eine schnelle Zellproliferation. Während der postnatalen Entwicklung des Kleinhirns und der Skelettmuskulatur sind Veränderungen in der Expression von P2X-Rezeptor-Subtypen beschrieben worden. Es ist wahrscheinlich, dass die purinerge Signalübertragung in der Entwicklung mit mehreren anderen Signalwegen, einschließlich Wachstumsfaktoren, Zytokinen und Komponenten der extrazellulären Matrix, in Wechselwirkung steht. Während der frühen Entwicklung des Myotubus waren P2X5-Rezeptoren vorhanden, gefolgt von P2X6-Rezeptoren, und während der Entwicklung der neuromuskulären Verbindung wurden P2X2-Rezeptoren exprimiert. ATP-ausgelöste Ca2+-Transienten in der Hühner-Netzhaut waren bereits bei E3 am stärksten, wurden aber bei E11-13,5 drastisch reduziert. Ähnliche Mechanismen sind bei der adulten Neurogenese beteiligt.

(b) Knochenbildung und -resorption

Osteoklastenaktivität und Knochenresorption werden durch ADP über P2Y1-Rezeptoren aktiviert, während ATP und Uridin-5′-triphosphat (UTP) über P2Y2-Rezeptoren in Osteoblasten das Knochenwachstum und die Mineralisierung hemmen (Abbildung 2) . P2X7-Rezeptoren haben eine trophische Regulierungsfunktion bei der Knochenbildung und -resorption. Osteoblasten, die durch P2X7-Rezeptoren aktiviert werden, zeigen eine verstärkte Differenzierung und Knochenbildung, während die Aktivierung von P2X7-Rezeptoren bei Osteoklasten Apoptose und Knochenresorption hervorruft.

(c) Vaskulärer Umbau bei Atherosklerose und Restenose nach Angioplastie

ATP und UTP, die über P2Y2-Rezeptoren wirken, verursachen die Proliferation von glatten Gefäßmuskelzellen. Die Proliferation von Endothelzellen wird durch ADP ausgelöst, das über P2Y1-Rezeptoren wirkt. Adenosin vermittelt über A2-Rezeptoren eine Hemmung der Proliferation der glatten Muskulatur, stimuliert aber die Proliferation der Endothelzellen (Abbildung 3). Dies deutet darauf hin, dass die Zunahme der glatten Gefäßmuskulatur und der Endothelzellen sowohl bei Atherosklerose als auch bei Bluthochdruck durch die trophischen Wirkungen von Purinen und Pyrimidinen, die von Nerven und Endothelzellen freigesetzt werden, und bei der Restenose nach einer Angioplastie vermittelt werden kann. P2Y4-Rezeptoren scheinen die Angiogenese zu regulieren. Die DNA-Synthese und die Migration von vaskulären Endothelzellen in der vasa vasorum wird durch ATP in erkrankten Lungengefäßen erhöht. Mikrovaskuläre Erkrankungen sind durch ein erhöhtes Wand-Lumen-Verhältnis bei Diabetikern gekennzeichnet. Dies ist wahrscheinlich auf eine Vermehrung der glatten Gefäßmuskelzellen zurückzuführen, die zu einer höheren Restenoserate nach Angioplastie führt. Die Freisetzung von ATP, die durch hohe Glukose induziert wird, stimuliert das Wachstum der glatten Gefäßmuskelzellen über P2Y-Rezeptoren. Eine ungewöhnliche Art der langfristigen purinergen Signalübertragung ist der Nachweis, dass ATP bei einer kritischen Konzentration sowohl auf Erythrozyten als auch auf Endothelzellen wirkt und zu einer erhöhten ATP-Freisetzung in das zirkulierende Blut für mehrere Stunden führt.

(d) Haut

Stratifizierte Plattenepithelien in der Rattenhaut sowie in der Hornhaut, der Speiseröhre, dem weichen Gaumen, der Vagina und der Zunge zeigten eine starke Immunfärbung des P2X5-Rezeptors in Verbindung mit der Zelldifferenzierung in den stacheligen und granulären Zellschichten, jedoch nicht in den basalen kuboidalen Außenschichten. In der äußeren Schicht wurde eine starke Immunfärbung des P2X7-Rezeptors festgestellt, die mit dem apoptotischen Zelltod in Verbindung gebracht wird. Das Epithel des Dünndarms unterliegt einem schnellen Umsatz. P2X5-Rezeptoren werden auf dem schmalen „Stamm“ der Zottenbecherzellen exprimiert, während P2X7-Rezeptor-Immunreaktivität nur auf den Membranen der Enterozyten und Becherzellen an der Spitze der Zotten zu sehen ist, wo die Zellen apoptotisch absterben.

Die Expression von P2X5-, P2X7-, P2Y1- und P2Y2-Rezeptor-Subtypen wurde in gesunden menschlichen epidermalen Keratinozyten im Zusammenhang mit Markern für Proliferation (PCNA und Ki-67), Differenzierung (Cytokeratin KIO und Involucrin) und Apoptose (TUNEL und Anticaspase-3) untersucht. P2Y1- und P2Y2-Rezeptoren waren in basalen und parabasalen Keratinozyten immunreaktiv. Die Expression von P2X5-Rezeptoren im Stratum spinosum und P2X7-Rezeptoren im Stratum corneum wurde mit der Zelldifferenzierung (und der anschließenden Anti-Proliferation) bzw. dem apoptotischen Zelltod in Verbindung gebracht (Abbildung 4). Funktionelle Experimente an kultivierten Keratinozyten zeigten einen Anstieg der Zellzahlen als Reaktion auf den P2Y1-Rezeptor-Agonisten 2-Methylthio-ADP und den P2Y2-Rezeptor-Agonisten UTP. Im Gegensatz dazu kam es bei dem P2X5-Rezeptor-Agonisten ATPγS und dem P2X7-Rezeptor-Agonisten 2′(3′)-O-(4-benzoylbenzoyl) ATP zu einer signifikanten Abnahme der Zellzahlen. Es wurde auch gezeigt, dass P2Y1-Rezeptoren in der Basalschicht der sich entwickelnden menschlichen fötalen Epidermis mit der Proliferation verbunden sind. P2X5-Rezeptoren, vorwiegend in den Basal- und Zwischenschichten, wurden mit der Differenzierung in Verbindung gebracht, während P2X7-Rezeptoren im Periderm mit dem apoptotischen Zelltod in Verbindung gebracht wurden.

Purinerge Signalübertragung ist an der Wundheilung beteiligt. In der sich regenerierenden Epidermis von denervierten Wunden war die Expression von P2Y1-Rezeptoren in Keratinozyten erhöht, während die Expression von P2Y2-Rezeptoren verringert war. Die Behandlung von denervierten Wunden mit dem Nervenwachstumsfaktor (NGF) verringerte die Expression von P2Y1-Rezeptoren und erhöhte die Expression von P2Y2-Rezeptoren. Eine NGF-Behandlung verstärkte sowohl P2X5- als auch P2Y1-Rezeptoren in Keratinozyten in innervierten Wunden. Bei allen experimentellen Wundheilungsprozessen fehlten P2X7-Rezeptoren.

Humane anagene Haarfollikel exprimieren P2Y1-, P2Y2- und P2X5-Rezeptoren. P2Y1-Rezeptoren waren in proliferierenden Zellen in der äußeren Wurzelscheide und in der Haarzwiebel vorhanden, während P2X5-Rezeptoren mit der Differenzierung der inneren und äußeren Wurzelscheide und der Medulla in Verbindung gebracht wurden. P2Y2-Rezeptoren wurden in Zellen am Rand der Rinde/Medulla gefunden, während P2X7-Rezeptoren nicht vorhanden waren.

(e) Krebs

Eine Analyse der purinergen Rezeptorsubtypen, die an der Entwicklung von Tumoren in der Prostata, der Blase, dem Melanom, der Brust und anderen Organen beteiligt sind, wurde beschrieben. P2Y1- und P2Y2-Rezeptoren wurden exprimiert und waren an der Zellproliferation beteiligt; P2X5-Rezeptoren waren an der Differenzierung beteiligt (und daher antiproliferativ), während P2X7-Rezeptoren in vielen Tumoren am Zelltod beteiligt waren (Abbildung 5). Es hat sich jedoch gezeigt, dass P2X7-Rezeptoren sowohl die Proliferation von Krebszellen als auch den apoptotischen Zelltod vermitteln. Es könnte sein, dass niedrige Konzentrationen von freigesetztem ATP die Proliferation fördern, während hohe Konzentrationen zum Zelltod führen. In menschlichen Melanomen werden funktionelle P2X7-Rezeptoren exprimiert, die Apoptose vermitteln, während P2Y1- und P2Y2-Rezeptor-Agonisten einen Rückgang bzw. eine Zunahme der Zellzahl bewirken. Bei menschlichen Plattenepithelkarzinomen scheinen P2Y2-, P2X5- und P2X7-Rezeptoren mit der Proliferation, der Differenzierung bzw. dem Zelltod in Verbindung zu stehen.

Bei der hochgradigen Blasenkrebszelllinie HT-1376 vermittelten P2X5- und P2Y11-Rezeptoren die antineoplastischen Wirkungen von ATP, während P2X7-Rezeptoren den apoptotischen Zelltod vermittelten. Zelllinien von hormonrefraktärem Prostatakrebs zeigten ähnliche Ergebnisse. ATP reduzierte das In-vivo-Wachstum von fortgeschrittenem, hormonresistentem Prostatakrebs, der in Mäuse implantiert wurde. Klinische Studien haben gezeigt, dass die systemische Verabreichung von ATP bei Lungenkrebspatienten vorteilhafte Wirkungen (Verlängerung der Überlebenszeit und Verringerung der Kachexie) haben kann.

Second Messenger-Mechanismen und Transkriptionsfaktoren, die an kurz- und langfristigen purinergen Signaltransduktionen beteiligt sind

Die Second Messenger-Mechanismen, die an kurzfristigen purinergen Signaltransduktionen beteiligt sind, wurden in einer Reihe von Studien für P2X-Ionenkanalrezeptoren analysiert. Die Besetzung sowohl von P2X- als auch von P2Y-Rezeptoren führt zu einem Anstieg des intrazellulären Ca2+, bei P2X-Rezeptoren aus extrazellulären Quellen und bei P2Y-Rezeptoren aus intrazellulären Quellen. Es wurde gezeigt, dass extrazelluläres ATP die trimere Struktur des P2X-Kanals durch Bindung der drei Intersubunit-Bindungsstellen aktiviert, was zu Konformationsumlagerungen führt, die auf Transmembran-Helices übertragen werden, die durch β-Stränge mit ATP-bindenden Domänen verbunden sind. Die Kopplung der P2Y-Rezeptor-Subtypen an spezifische G-Proteine wurde zunächst durch indirekte Beweise aus der Bewegung der intrazellulären Spiegel von IP3, Kalzium und zyklischem AMP (cAMP) sowie durch die Bestimmung der Empfindlichkeit gegenüber Pertussis-Toxin abgeleitet. Ein direkter Nachweis erfolgte durch Messung der Wirkung von ADP- und GTP-Hydrolyse in Vesikeln, die mit P2Y1 und entweder Gαqβ1γ2 oder Gα11β1γ2 rekonstituiert wurden. G-Protein-gekoppelte P2Y-Rezeptoren modulieren auch die Aktivität von spannungsabhängigen Ionenkanälen in der Zellmembran durch die Aktivität aktivierter G-Proteine (siehe eine detaillierte Analyse).

Die Transkriptionsfaktoren, die an der langfristigen trophischen Signalgebung beteiligt sind, sind komplexer, wie in Abbildung 6 dargestellt. Es wurde eine Rolle für den Kalziumeinstrom bei der Zellproliferation vorgeschlagen. Die externe Kalziumkonzentration ist wichtig für die Funktion der Kalziumkanäle und reguliert auch die Aktivität der Kalziumrezeptoren. Die Aktivierung des P2Y11-Rezeptors durch ATP führt beispielsweise zu einem Anstieg von cAMP, IP3 und zytosolischem Kalzium, während die Aktivierung durch UTP nachweislich zu einer Kalziummobilisierung ohne IP3- oder cAMP-Anstieg führt.

Schlussfolgerung

Trimere P2X-Ionenkanalrezeptoren vermitteln hauptsächlich kurzfristige purinerge Signale, obwohl es Beispiele für P2X-Rezeptor-vermittelte Langzeitsignale gibt. Die G-Protein-gekoppelten P1- und P2Y-Rezeptoren sind überwiegend an der langfristigen (trophischen) purinergen Signalübertragung beteiligt, es gibt jedoch auch Beispiele für die Vermittlung kurzfristiger Ereignisse. Es werden Beispiele für beide Arten der purinergen Signalübertragung untersucht und die beteiligten intrazellulären Translationsmechanismen erörtert. Die Kenntnis der zugrundeliegenden Mechanismen, die sowohl an der kurz- als auch an der langfristigen Purinozeptor-vermittelten Signalübertragung beteiligt sind, wird bei der Entwicklung von purinergen Medikamenten für therapeutische Zwecke hilfreich sein.

Konkurrierende Interessen

Ich erkläre, dass ich keine konkurrierenden Interessen habe.

Finanzierung

Ich erhielt keine Finanzierung für diese Studie.

Fußnoten

Ein Beitrag von 15 zu einem Theo Murphy Meeting Thema ‚Evolution brings Ca2+ and ATP together to control life and death‘.