Lyhyt- ja pitkäaikainen (trofinen) purinerginen signalointi

Esittely

Esityksen siitä, että puriininukleotidit ovat solunulkoisia signalointimolekyylejä ja solunsisäisiä energialähteitä, esitti ensimmäisenä Drury & Szent-Györgyi . Sitten vuonna 1970 osoitettiin, että adenosiini-5′-trifosfaatti (ATP) on lähettimenä autonomisessa neuromuskulaarisessa transmissiossa, ja myöhemmässä katsauksessa otettiin käyttöön termi ”purinerginen” signalointi . Monet eivät hyväksyneet tätä käsitettä seuraavien 20 vuoden aikana. Erilliset purinergiset reseptoriperheet, P1 (adenosiini) ja P2 (ATP/adenosiini-5′-difosfaatti (ADP)), kuvattiin vuonna 1978, mutta käännekohta purinergisen signaloinnin hyväksymisessä tapahtui sen jälkeen, kun puriinien ja pyrimidiinien reseptorit kloonattiin ja karakterisoitiin 1990-luvun alussa. Tällä hetkellä tunnetaan neljä P1-reseptorin alatyyppiä (A1, A2A, A2B, A3), seitsemän P2X-ionikanavareseptoria (P2X1-7) ja kahdeksan G-proteiinikytkentäistä reseptoria (P2Y1, P2Y2, P2Y4, P2Y6, P2Y11, P2Y12, P2Y13, P2Y14). P2-reseptorien aktivoituminen johtaa solunsisäisen Ca2+:n lisääntymiseen: P2X-reseptorien osalta solunulkoisista lähteistä ja P2Y-reseptorien osalta solunsisäisistä paikoista. Ehkä muinaisen alkuperänsä vuoksi purinoreseptorien alatyypeillä on ainutlaatuinen ominaisuus olla poikkeuksellisen laajalti levinnyt eläviin soluihin ja kudoksiin . Toisin kuin kaikki muut kemialliset välittäjäaineet, jotka ovat yleensä jakautuneet tiettyihin solutyyppeihin ja tiettyihin toimintoihin, puriinien ja pyrimidiinien reseptoreita esiintyy kaikkialla, ja on lähes mahdotonta löytää solua, joka ei olisi herkkä ATP:lle ja sen analogeille. Vuodesta 1995 lähtien ala on laajentunut nopeasti .

Lyhytaikainen purinerginen signalointi

ATP:n osoitettiin olevan ei-adrenergisistä, ei-kolinergisistä hermoista vapautuva lähetin, joka saa aikaan lyhytaikaisen purinergisen signaloinnin inhiboivista suolistohermoista marsun taenia coli:ssa ja eksitatorisista parasympaattisista hermoista virtsarakon . Lyhytaikainen purinerginen signalointi osoitettiin, kun ATP tunnistettiin noradrenaliinin kanssa samanaikaiseksi välittäjäksi sympaattisissa hermoissa taenia coli , kissan nictitating membrane , vas deferens ja verisuonissa . ATP on myös yhteisvälittäjäaine asetyylikoliinin kanssa motorisissa hermoissa, jotka syöttävät kehittyvää luustolihasta, virtsarakkoa ja kaulavaltimoa, sekä sensoris-motorisissa hermoissa aineen P ja kalsitoniinigeeniin liittyvän peptidin kanssa. Myöhemmin ATP:n osoitettiin olevan keskushermoston (CNS) hermosoluissa yhteisvälittäjäaine, joka välittää lyhytaikaista purinergistä signalointia. Lyhytaikaisen purinergisen signaloinnin osallistumista verisuonten sävyn säätelyyn on havainnollistettu kuvassa 1. Purinerginen synaptinen siirto hermojen välillä on osoitettu aivojen coeliac ganglionissa ja mediaalisessa habenulassa . Synaptisen siirtymisen aikana vapautuva ATP voi aktivoida astrosyyttireseptoreita, jotka puolestaan käynnistävät Ca2+ -signaaleja ja levittävät Ca2+ -aaltoja astrogliaverkostoissa P2Y-reseptorien aktivoitumisen ja inositolitrisfosfaatin (IP3) diffuusion kautta rakoliitosten kautta . Ionotrooppiset P2X-reseptorit vastaavat nopeasta astrosyyttisestä signaloinnista, kun taas metabotrooppiset P2Y-reseptorit välittävät pitkäaikaisia vaikutuksia .

Lyhytaikainen signalointi, joka liittyy prejunktionaaliseen neuromodulaatioon sekä P1- että P2-reseptorien välityksellä, tunnistettiin myös sekä perifeerisessä että keskushermostossa . Purinoreseptoreita esiintyy laajalti keskushermostossa, jossa ne välittävät hermosolujen kiihtyvyyttä, ja ne ovat tärkeitä neuronien ja solujen välisessä signaalinvälityksessä, sillä ne ovat tärkeä gliovälittäjäaine .

Purinoreseptoreita esiintyy kaikissa perifeerisissä kudoksissa, ja ne osallistuvat eri toimintojen lyhytaikaiseen ja pitkäaikaiseen säätelyyn, mukaan luettuina hermo-lihaslihaslihaslihaslihas- ja synapsivälitys ja erittyminen suolistossa sekä erittyminen munuaisissa, maksassa ja lisääntymiselimistössä . Verisuoni- ja hengityselimistössä ATP välittää refleksitoimintaa aistihermojen aktivoitumisen kautta. Purinoseptorien aktivoituminen voi välittää nopeita vasteita immunologisessa järjestelmässä , verisoluissa , ihossa , luissa ja lihaksissa , virtsateissä ja sydämessä . Lyhytaikaista purinergistä signalointia tapahtuu myös endokriinisten ja ei-endokriinisten solujen erityksessä . P2X3- ja P2X2/3-reseptorit osallistuvat nociceptioon . P2Y12-reseptorien kautta tapahtuva purinerginen signalointi on vakiintunut verihiutaleiden aggregaation säätelyyn.

Pitkäkestoinen (trofinen) purinerginen signalointi

ATP ja sen analogit osallistuvat kudosten uudelleenmuodostukseen vasteena vammoille, ja ne ovat avainasemassa myöhemmässä korjautumisen ja uudistumisen säätelyssä . Purinoreseptorien stimulaatio laukaisee astroglioosin, astrosyyttien yleisen vasteen aivovaurioon, johon liittyy solujen proliferaatio ja hermopiirin uudelleenmuotoilu . Reaktiivinen astroglioosi on keskeisessä asemassa sekä arpien muodostumisessa ja aivojen vaurioituneen alueen rajoittamisessa (anisomorfisen astroglioosin avulla) että loukkauksen jälkeisessä uudelleenmuokkauksessa ja hermotoimintojen palautumisessa (isomorfisen astroglioosin avulla). Alkutapahtumat astroglian vasteissa purinergiselle signaloinnille ovat keskeisiä glian Ca2+ -herätettävyyden kannalta tai voivat käynnistää pitkäaikaisia vaikutuksia . Reaktiivisen astroglioosin kannalta solunsisäisen kalsiumin lisääntyminen ei ollut ainoastaan ehdottoman välttämätöntä, vaan ATP:n osoitettiin myös olevan yksi avaintekijöistä, jotka osallistuvat sen käynnistämiseen fosfolipaasi C:hen ja IP3:een kytkeytyneiden P2Y G-proteiinikytkentäisten reseptoreiden aktivoitumisen kautta . Nämä P2-agonistien trofiset/astroglioottiset proliferatiiviset vaikutukset havaittiin sekä in vitro gliaviljelmissä että in vivo rottien nucleus accumbensissa . P2X-reseptorit välittävät pitkäaikaista potensointia hippokampuksessa . P2X-reseptorien aktivoinnilla voi olla useita vaikutuksia synaptiseen plastisuuteen, sillä se joko estää tai helpottaa synaptisen voimakkuuden pitkän aikavälin muutoksia fysiologisesta kontekstista riippuen . Pitkäaikaista purinergistä signalointia esiintyy myös kroonisessa tulehduksessa ja neuropaattisessa kivussa .

(a) Embryologinen kehitys

P2-reseptorien alatyypit esiintyvät ohimenevästi sekä embryologisen että postnataalisen kehityksen aikana, mikä viittaa siihen, että ATP osallistuu solujen peräkkäiseen proliferaatioon, erilaistumiseen, motiliteettiin ja kuolemaan monimutkaisissa tapahtumissa . Esimerkiksi Xenopus-alkioissa kloonattiin uusi P2Y8-reseptori, jonka osoitettiin ilmentyvän ohimenevästi hermolevyssä ja -putkessa vaiheista 13-18 ja uudelleen vaiheessa 28, jolloin häntänupussa tapahtuu sekundaarinen neurulaatio . P2Y1-reseptorien ohimenevä ilmentyminen kanan alkioiden raajojen nupuissa välittää solujen nopeaa lisääntymistä . Pikkuaivojen ja luurankolihaksen postnataalisen kehityksen aikana on kuvattu muutoksia P2X-reseptorien alatyyppien ilmentymisessä. Purinergiseen signaalinvälitykseen kehityksessä liittyy todennäköisesti useiden muiden signaalireittien, kuten kasvutekijöiden, sytokiinien ja solunulkoisen matriisin komponenttien, välinen ristikkäisviestintä. Myotubuksen varhaiskehityksen aikana esiintyi P2X5-reseptoreita, sitten P2X6-reseptoreiden ilmentymistä, ja sitten P2X2-reseptoreita ilmentyi neuromuskulaarisen liitoksen kehittymisen aikana. ATP:n aiheuttamat Ca2+-transientit kanan verkkokalvolla olivat voimakkaimpia jo E3:ssa, mutta vähenivät jyrkästi E11-13,5:ssä . Samanlaiset mekanismit ovat mukana aikuisen neurogeneesissä .

(b) Luun muodostus ja resorptio

Osteoklastien aktiivisuus ja luun resorptio aktivoituvat ADP:n vaikutuksesta P2Y1-reseptoreiden välityksellä, kun taas ATP:n ja uridiini-5′-trifosfaatin (UTP:n) signalointi osteoblastien P2Y2-reseptoreiden välityksellä estää luun kasvua ja mineralisoitumista (kuva 2) . P2X7-reseptoreilla on trofisia säätelytehtäviä luun muodostumisessa ja resorptiossa . P2X7-reseptorien aktivoimat osteoblastit osoittavat tehostettua erilaistumista ja luunmuodostusta , kun taas osteoklastien P2X7-reseptoriaktivaatio aiheuttaa apoptoosia ja luun resorptiota .

(c) Verisuonten uudelleenmuodostus ateroskleroosissa ja angioplastian jälkeisessä restenoosissa

ATP ja UTP aiheuttavat P2Y2-reseptorien välityksellä vaikuttamalla verisuonten sileiden lihassolujen proliferaatiota. Endoteelisolujen proliferaation saa aikaan P2Y1-reseptorien kautta vaikuttava ADP. A2-reseptorien kautta vaikuttava adenosiini estää sileän lihaksen proliferaatiota mutta stimuloi endoteelisolujen proliferaatiota (kuva 3) . Tämä viittaa siihen, että verisuonten sileän lihaksen ja endoteelisolujen lisääntyminen sekä ateroskleroosissa että verenpainetaudissa voi johtua hermoista ja endoteelisoluista vapautuvien puriinien ja pyrimidiinien trofisista vaikutuksista sekä verisuonten pallolaajennuksen jälkeisessä restenoosissa . P2Y4-reseptorit näyttävät olevan angiogeneesin säätelijöitä . ATP lisää DNA-synteesiä ja verisuonten endoteelisolujen migraatiota vasa vasorumissa sairaissa keuhkoverisuonissa . Mikroverisuonisairaudelle on ominaista diabeetikoilla lisääntynyt seinämän ja luumenin suhde. Tämä johtuu todennäköisesti verisuonten sileiden lihassolujen lisääntymisestä, mikä johtaa suurempaan restenoosiin angioplastian jälkeen. Korkean glukoosipitoisuuden aiheuttama ATP:n vapautuminen stimuloi verisuonten sileiden lihassolujen kasvua P2Y-reseptorien kautta . Epätavallinen pitkäaikaisen purinergisen signaloinnin tyyppi on näyttö siitä, että kriittisessä pitoisuudessa ATP, joka vaikuttaa sekä erytrosyytteihin että endoteelisoluihin , johtaa ATP:n vapautumisen lisääntymiseen verenkierrossa olevaan vereen useiden tuntien ajan.

(d) Iho

Rottien ihon sekä sarveiskalvon, ruokatorven, ruokatorven, pehmeän suulakihalkion, emättimen ja kielen kerrostuneissa levyepiteeleissä näkyi voimakas immunovärjäytyminen P2X5-reseptorille, joka liittyi solujen erilaistumiseen tyvi- ja granulaarisessa solukerroksessa, mutta ei tyvi-kuboideaalisissa uloimmissa kerroksissa. P2X7-reseptorien immunovärjäytyminen oli voimakasta uloimmassa kerroksessa, mikä liittyy apoptoottiseen solukuolemaan . Ohutsuolen epiteeli vaihtuu nopeasti. P2X5-reseptoreita ilmentyy villuksen pikarisolujen kapeassa ”kannassa”, kun taas P2X7-reseptorin immunoreaktiivisuutta nähdään vain enterosyyttien ja pikarisolujen kalvoilla villuksen kärjessä, jossa solut käyvät läpi apoptoosia .

P2X5-, P2X7-, P2Y1- ja P2Y2-reseptorin alatyyppien ilmentymistä tutkittiin terveissä ihmisen epidermaalisissa keratinosyyteissä suhteessa proliferaation (PCNA ja Ki-67), erilaistumisen (sytokeratiini KIO ja involukriini) ja apoptoosin (TUNEL ja antikaspaasi-3) merkkiaineisiin. P2Y1- ja P2Y2-reseptorit olivat immunoreaktiivisia basaalisissa ja parabasaalisissa keratinosyyteissä. P2X5-reseptorien ilmentyminen stratum spinosumissa ja P2X7-reseptorien ilmentyminen stratum corneumissa liittyi vastaavasti solujen erilaistumiseen (ja sitä seuraavaan antiproliferaatioon) ja apoptoottiseen solukuolemaan (kuva 4). Viljellyillä keratinosyyteillä tehdyt toiminnalliset kokeet osoittivat solujen lukumäärän lisääntyvän vasteena P2Y1-reseptoriagonistille 2-metyylitio-ADP:lle ja P2Y2-reseptoriagonistille UTP:lle. Sitä vastoin P2X5-reseptoriagonisti ATPγS:n ja P2X7-reseptoriagonisti 2′(3′)-O-(4-bentsoyylibentsoyyli)ATP:n vaikutuksesta solujen määrä väheni merkittävästi. Lisäksi osoitettiin, että P2Y1-reseptorit kehittyvän ihmisen sikiön epidermiksen tyvikerroksessa olivat yhteydessä proliferaatioon . P2X5-reseptorit, pääasiassa tyvi- ja välikerroksessa, liittyivät erilaistumiseen, kun taas P2X7-reseptorit peridermissä liittyivät apoptoottiseen solukuolemaan.

Purinerginen signalointi osallistuu haavan paranemiseen. Denervoitujen haavojen regeneroituvassa epidermiksessä P2Y1-reseptorin ilmentyminen lisääntyi keratinosyyteissä, kun taas P2Y2-reseptorin ilmentyminen väheni . Denervoituneiden haavojen hermokasvutekijän (NGF) hoito vähensi P2Y1-reseptorien ilmentymistä ja lisäsi P2Y2-reseptorien ilmentymistä. NGF-hoito lisäsi sekä P2X5- että P2Y1-reseptoreita keratinosyyteissä hermotetuissa haavoissa. Kaikissa kokeellisissa haavan paranemisprosesseissa P2X7-reseptorit puuttuivat.

Ihmisen anageenin karvatupet ilmentävät P2Y1-, P2Y2- ja P2X5-reseptoreita . P2Y1-reseptoreita esiintyi ulomman juuritupen ja sipulin proliferoivissa soluissa, kun taas P2X5-reseptorit liittyivät sisemmän ja ulomman juuritupen ja medullan erilaistumiseen. P2Y2-reseptoreita löytyi kuoren/medullan reunan soluista, kun taas P2X7-reseptoreita ei esiintynyt.

(e) Syöpä

Analyysi eturauhasen , virtsarakon , melanooman , rinnan ja muiden elinten kasvainten syntyyn osallisista purinergisten reseptorien alatyypeistä on kuvattu . P2Y1- ja P2Y2-reseptorit ilmentyivät ja osallistuivat solujen proliferaatioon; P2X5-reseptorit osallistuivat erilaistumiseen (ja olivat siksi antiproliferatiivisia), kun taas P2X7-reseptorit osallistuivat solukuolemaan monissa kasvaimissa (kuva 5). P2X7-reseptorien on kuitenkin osoitettu välittävän sekä syöpäsolujen proliferaatiota että apoptoottista solukuolemaa . Voi olla, että vapautuvan ATP:n pienet pitoisuudet edistävät proliferaatiota, kun taas suuret pitoisuudet johtavat solukuolemaan. Ihmisen melanoomissa ilmentyy toiminnallisia P2X7-reseptoreita, jotka välittävät apoptoosia , kun taas P2Y1- ja P2Y2-reseptoriagonistit aiheuttavat solujen määrän vähenemistä ja lisääntymistä . Ihmisen okasolusyövässä P2Y2-, P2X5- ja P2X7-reseptorit näyttävät olevan yhteydessä proliferaatioon, erilaistumiseen ja solukuolemaan .

Käyttämällä HT-1376-korkea-asteista virtsarakon syöpäsolulinjaa P2X5- ja P2Y11-reseptorit välittivät ATP:n anti-neoplastisia vaikutuksia, kun taas P2X7-reseptorit välittivät apoptoottista solukuolemaa . Hormoniresistentin eturauhassyövän solulinjat osoittivat samankaltaisia tuloksia . ATP vähensi hiirille istutetun pitkälle edenneen hormoniresistentin eturauhassyövän kasvua in vivo . Kliiniset tutkimukset ovat osoittaneet, että ATP:n systeemisellä annostelulla voi olla suotuisia vaikutuksia (eloonjäämisajan pidentyminen ja kakeksian väheneminen) keuhkosyöpäpotilailla .

Lyhytaikaiseen ja pitkäaikaiseen purinergiseen signalointiin osallistuvat second messenger -mekanismit ja transkriptiotekijät

Lyhytaikaiseen purinergiseen signalointiin osallistuvia second messenger-mekanismeja on analysoitu useissa P2X-ionikanavareseptoreja koskevissa tutkimuksissa . Sekä P2X- että P2Y-reseptorien miehitys johtaa solunsisäisen Ca2+ :n lisääntymiseen, P2X-reseptorien solunulkoisista lähteistä ja P2Y-reseptorien solunsisäisistä lähteistä . Osoitettiin, että solunulkoinen ATP aktivoi P2X-kanavan trimeerirakenteen sitomalla kolme alayksiköiden välistä sitoutumiskohtaa, mikä johtaa konformaatiomuutoksiin, jotka siirretään transmembraaniheliksiin, jotka ovat sidoksissa ATP:tä sitoviin domeeneihin β- säikeillä . P2Y-reseptorin alatyyppien kytkeytyminen tiettyihin G-proteiineihin johdettiin alun perin epäsuorista todisteista, jotka saatiin solunsisäisten IP3-, kalsium- ja syklisen AMP:n (cAMP) pitoisuuksien liikkeestä ja pertussis-toksiinin herkkyyden määrittämisestä. Suorat todisteet saatiin mittaamalla ADP:n ja GTP:n hydrolyysin vaikutus vesikkeleissä, jotka oli rekonstruoitu P2Y1:llä ja joko Gαqβ1γ2:lla tai Gα11β1γ2:lla. G-proteiiniin kytketyt P2Y-reseptorit muokkaavat myös solukalvon jänniteohjattujen ionikanavien aktiivisuutta aktivoituneiden G-proteiinien aktiivisuuden kautta (ks. yksityiskohtainen analyysi).

Pitkäkestoiseen trofiseen signalointiin osallistuvat transkriptiotekijät ovat monimutkaisempia, kuten kuvasta 6 käy ilmi. Kalsiumin sisäänvirtauksen roolia solujen proliferaatiossa on ehdotettu . Ulkoinen kalsiumkonsentraatio on tärkeä kalsiumkanavien toiminnalle, ja se säätelee myös kalsiumia aistivan reseptorin toimintaa. Esimerkiksi P2Y11-reseptorin aktivointi ATP:llä johtaa cAMP:n sekä IP3:n ja sytosolisen kalsiumin nousuun, kun taas UTP:llä tapahtuvan aktivoinnin osoitettiin aiheuttavan kalsiumin mobilisaation ilman IP3:n tai cAMP:n nousua .

Conclusion

Trimeeriset P2X-ionikanavareseptorit välittävät suurimmaksi osaksi lyhytaikaista purinergistä signaalinvälitystä, vaikka P2X-reseptorivälitteisestä pitkäaikaisesta signaalinvälityksestä on esimerkkejä. P1- ja P2Y G-proteiinikytkentäiset reseptorit osallistuvat pääasiassa pitkäaikaiseen (trofiseen) purinergiseen signalointiin, mutta on myös esimerkkejä lyhytaikaisten tapahtumien välittämisestä. Tutkitaan esimerkkejä molemmista purinergisen signaloinnin tyypeistä ja keskustellaan niihin liittyvistä solunsisäisistä translaatiomekanismeista. Sekä lyhyen että pitkän aikavälin purinoseptorivälitteisen signaloinnin taustalla olevien mekanismien tuntemus auttaa kehittämään purinergisiä lääkkeitä terapeuttisiin tarkoituksiin.

Kilpailevat etunäkökohdat

Vakuutan, ettei minulla ole kilpailevia etunäkökohtia.

Rahoitus

En ole saanut rahoitusta tätä tutkimusta varten.

Footnotes

Yksi osuus 15:stä Theo Murphyn kokouksen numeroon ’Evolution brings Ca2+ and ATP together to control life and death’.