短期および長期の（栄養）プリン作動性シグナル

Introduction

プリンヌクレオチドが細胞外のシグナル分子、および細胞内のエネルギー源であるという提案は Drury & Szent-Gyrgyi によって初めて報告されました . その後1970年にアデノシン5′-三リン酸（ATP）が自律神経筋伝達の伝達物質であることが示され、その後のレビューで「プリン作動性」シグナルという言葉が紹介された . この概念は、その後20年間は多くの人に受け入れられませんでした。 1978年にP1（アデノシン）とP2（ATP/アデノシン5′-二リン酸（ADP））という別々のプリン作動性受容体ファミリーが記述されましたが、プリンとピリミジンに対する受容体が1990年代初頭にクローニングされて特徴付けられた後、プリン作動性シグナルが受け入れられる転機が訪れました。 現在、4つのP1受容体サブタイプ（A1、A2A、A2B、A3）、7つのP2Xイオンチャンネル受容体（P2X1-7）、8つのGタンパク質共役型受容体（P2Y1、P2Y2、P2Y4、P2Y6、P2Y11、P2Y12、P2Y13、P2Y14）等が認識されています。 P2X受容体は細胞外から、P2Y受容体は細胞内から、それぞれCa2+を増加させ、P2Y受容体を活性化させます。 おそらくその起源が古いため、一連のプリン受容体サブタイプは生きている細胞や組織全体に非常に広く分布しているというユニークな性質を持っています。 他のすべての化学伝達物質が、原則として特定の細胞型と特定の機能に分離されているのとは対照的に、プリンおよびピリミジンに対する受容体はいたるところに存在し、ATPおよびその類似体に対する感受性を持たない細胞を見つけることはほとんど不可能である。 1995 年以降、この分野は急速に拡大しました。

Short-term purinergic signalling

ATP は、非アドレナリン性、非コリン作動性神経から放出される伝達物質であり、 モルモット taenia coli の阻害性腸神経および膀胱の興奮性副交感神経から短期プリン作動性信号が発生することが明らかになった … 大腸菌の交感神経、猫の鼻孔膜、精管、血管において、ATPがノルアドレナリンと共伝達することが確認され、短期的なプリン作動性シグナルが実証された。 また、発育期の骨格筋、膀胱、頸動脈に供給される運動神経ではアセチルコリンと、感覚運動神経ではサブスタンスPやカルシトニン遺伝子関連ペプチドと共伝達物質であることが明らかになった。 その後、ATPは中枢神経系（CNS）のニューロンにおいて、短期的なプリン作動性シグナルを媒介する共伝達物質であることが示されました。 図1は、血管緊張の制御における短期的なプリン作動性シグナルの関与を示したものである。 神経間のプリン作動性シナプス伝達は、脳の脊髄神経節と内側手綱核で示された。 シナプス伝達中に放出されたATPはアストロサイトの受容体を活性化し、P2Y受容体の活性化とギャップ結合を介したイノシトール三リン酸（IP3）の拡散を介して、アストログリアネットワークにCa2+信号を開始しCa2+波動を伝播することができる . イオントローピングP2X受容体はアストロサイトのシグナル伝達を迅速に行うのに対し、メタボトロピックP2Y受容体は長期的な効果を媒介します。 血管緊張を制御する短期（急性）プリン作動性シグナル ほとんどの血管に存在するプリンおよびピリミジンに対する主な受容体サブタイプを示す模式図。 外膜の血管周囲神経は共伝達物質としてATPを放出する。 ATPは交感神経からノルアドレナリン（NA）、ニューロペプチドY（NPY）とともに放出され、平滑筋のP2X1、血管によってはP2X2、P2X4、P2Y2プリン受容体に作用し、血管収縮を引き起こす。 ATP はまた、「軸索反射」活動中に感覚神経からカルシトニン遺伝子関連ペプチド (CGRP) およびサブスタンス P (SP) と共に放出され、アデノシン二リン酸 (ADP) に分解されて、一部の血管の一部の領域で平滑筋 P2Y1 純正受容体に作用して血管拡張を引き起こします。 交感神経と感覚神経の神経末端にあるP1(A1)プリン受容体は、アデノシン（AD）（ATPの酵素分解から生じる）の伝達物質放出の調節を媒介します。 P2X2/3ピューリノセプターは、感覚神経終末の亜集団に存在する。 血管平滑筋のP1(A2)ピューリノセプターは血管拡張を媒介する。 内皮細胞は、せん断応力や低酸素時にATPやウリジン5′-三リン酸（UTP）を放出し、P2Y1、P2Y2、時にはP2Y4プリンセプターに作用して、一酸化窒素（NO）の産生とその後の血管拡張を引き起こします。 ATPは凝集した血小板から放出された後、これらの内皮受容体にも作用します。 血液中の血小板はP2X1受容体と同様にP2Y1およびP2Y12 ADP選択的なピュリノレセプターを持っており、様々な免疫細胞はP2X7と同様にP2X1、P2Y1およびP2X2ピュリノレセプターを持っています。 P2X2、P2X3およびP2X4受容体は内皮細胞膜上にも同定されている。 (Modified from , with permission from Lippincott Williams and Wilkins.)

P1およびP2受容体の両方を介して機能前神経調節に関わる短期シグナルも末梢およびCNSsで認識されていました。 ピュリノセプターは中枢神経系に広く存在し、神経細胞の興奮を媒介し、神経細胞-グリア回路のシグナル伝達に重要で、重要なグリオトランスミッターである。

ピュリノセプターはすべての末梢組織に存在し、神経筋やシナプス伝達、腸での分泌、腎臓や肝臓、生殖系での分泌などさまざまな機能の長期だけでなく短時間制御にも関与している。 血管系や呼吸器系では、ATP は感覚神経の活性化を介して反射活動を媒介する。 プリン受容体の活性化は、免疫系、血液細胞、皮膚、骨と筋肉、尿路、心臓の迅速な反応を媒介することができます。 短期的なプリン作動性シグナルはまた、内分泌および非内分泌細胞からの分泌物において行われる。 P2X3 と P2X2/3 受容体は侵害受容に関与している。 3754>

Long-term (trophic) purinergic signalling

ATP and it analogues are involved in tissue remodelling in response to injury and play the following repair and regeneration regulation in the key role . ピューリノセプターの刺激は、アストログリオーシス（脳の損傷に対するアストロサイトの一般的反応）を引き起こし、細胞増殖と神経回路のリモデリングを伴う。 反応性アストログリアは、瘢痕形成と脳損傷部位の制限（異型アストログリアによる）、および損傷後の再形成と神経機能の回復（同型アストログリアによる）の両方に重要な役割を果たす。 プリン作動性シグナルに対するアストログリアの反応における最初の事象は、グリアのCa2+興奮性に寄与し、長期的な影響を開始することができる。 反応性アストログリア症では、細胞内カルシウムの増加が絶対的に必要なだけでなく、ATPがホスホリパーゼCとIP3にリンクしたP2Y Gタンパク質共役型受容体の活性化を通じて、その開始に関与する重要な要因の1つであることも示された … P2アゴニストのこれらの栄養/アストログリオティックな増殖作用は、in vitroのグリア培養とin vivoのラット側坐核の両方で見いだされた。 P2X受容体は海馬の長期増強を媒介する . P2X受容体の活性化はシナプス可塑性に複数の影響を及ぼし、生理学的状況に応じてシナプスの強さの長期的変化を抑制したり促進したりします . 長期的なプリン作動性シグナルは、慢性炎症や神経障害性疼痛でも発生します。

(a) Embryological development

P2 receptor subtypes は、胚発生と出生後の両方の過程において一過性に現れ、ATP は複雑なイベントの際に細胞の順次増殖、分化、運動、死などに関与していると示唆されています … 例えば、Xenopus胚では、新規のP2Y8受容体がクローニングされ、13期から18期までの神経板と神経管で一過性に発現し、尾芽で二次神経形成が起こる28期に再び発現することが示された … ニワトリ胚の肢芽におけるP2Y1受容体の一過性発現は、急速な細胞増殖を媒介する。 小脳と骨格筋の出生後の発達において、P2X受容体のサブタイプの発現が変化することが報告されています。 発生におけるプリン作動性シグナルは、成長因子、サイトカイン、細胞外マトリックス成分など、他のいくつかのシグナル伝達経路とのクロストークに関与していると思われる。 筋管の発生初期にはP2X5受容体が存在し、次いでP2X6受容体が発現し、そして神経筋接合部の発生時にはP2X2受容体が発現するようになります。 ニワトリ網膜におけるATP誘発Ca2+過渡現象はE3という早い時期に最も強くなりましたが、E11-13.5で劇的に減少しました。 同様のメカニズムが成体の神経発生にも関与している。

(b) 骨形成と骨吸収

破骨細胞の活性と骨吸収はP2Y1受容体を介してADPにより活性化されるが、骨芽細胞ではP2Y2受容体を介してATPとウリジン5′-三リン酸（UTP）のシグナルが骨の成長と鉱化を抑制する（図2） 。 P2X7受容体は骨形成と骨吸収において栄養調節の役割を担っています。 P2X7受容体によって活性化された骨芽細胞は、分化と骨形成を促進し、一方、破骨細胞のP2X7受容体活性化は、アポトーシスと骨吸収を引き起こすと言われています。 骨細胞の機能を調節する細胞外ヌクレオチドとP2受容体の潜在的な機能を示す模式図である。 破骨細胞から（例えばせん断応力によって、あるいは構成的に）、あるいは他の供給源から放出されたATPは、エクトヌクレオチダーゼを介してアデノシン5′-二リン酸（ADP）に分解されるか、ウリジン5′-三リン酸（UTP）に変換されうる。 この3つのヌクレオチドは、色分けで示すように、特定のP2受容体サブタイプで別々に機能することができます。 ATPは普遍的なアゴニストですが、UTPはP2Y2受容体にのみ、ADPはP2Y1受容体にのみ活性を示します。 P2Y1受容体に作用するADPは、造血前駆体からの破骨細胞の形成（すなわち融合）と成熟破骨細胞の再吸収活性の両方を刺激するようである。 後者については、P2X2受容体によるATPとプロトンの相乗的な作用が提唱されている。 また、ADPは破骨細胞への作用を通じて間接的に骨吸収を促進し、破骨細胞は吸収促進因子（receptor activator of nuclear factor κB ligand, RANKLなど）を放出する可能性もある。 高濃度のATPは、P2X7受容体の孔形成を介して破骨細胞前駆細胞の融合を促進したり、P2X7受容体を通じて成熟破骨細胞の細胞死を誘導する可能性があります。 骨芽細胞では、ATPはP2X5受容体を介して増殖や分化を促進する可能性があります。 一方、UTPはP2Y2受容体を介して、骨芽細胞による骨形成を強く阻害する。 いくつかの受容体（例えば破骨細胞のP2X4およびP2Y2受容体、あるいは骨芽細胞のP2X2受容体）については、発現の証拠は見つかっていますが、その役割はまだ不明です。 (許可を得て、 , から転載)

(c) Vascular remodelling in atherosclerosis and post-angioplasty restenosis

ATPおよびUTPはP2Y2受容体を介して作用すると血管平滑筋細胞を増殖させる。 内皮細胞の増殖は、P2Y1受容体を介して作用するADPによって生じる。 A2受容体を介したアデノシンは平滑筋の増殖を抑制するが、内皮細胞の増殖は刺激する（図3）。 このことは、動脈硬化と高血圧の両方における血管平滑筋と内皮細胞の増加は、神経と内皮細胞から放出されるプリンとピリミジンの栄養作用と血管形成術後の再狭窄に媒介されている可能性を示唆している . P2Y4受容体は血管新生の制御因子であると思われる。 血管内皮細胞のDNA合成と移動は、病気の肺血管ではATPによって増加する . 微小血管疾患は、糖尿病患者において壁-内腔比が増加することが特徴である。 これは、血管平滑筋細胞の増加により、血管形成術後の再狭窄率が高くなるためと思われる。 高グルコースによって誘導されるATPの放出は、P2Y受容体を介して血管平滑筋細胞の成長を刺激する。 赤血球と内皮細胞の両方に作用するATPは、臨界濃度において数時間循環血液中へのATP放出の増加をもたらすという、珍しいタイプの長期プリン作動性シグナルが証明されている。 神経、血小板、内皮細胞から放出されるプリン体（UTPも放出）がP2受容体に作用して細胞増殖を刺激または抑制する長期的な（栄養）作用の模式図です。 交感神経および感覚運動神経から共伝達物質として放出されるATP（軸索反射活動時）は、P2Y2および/またはP2Y4受容体を介してマイトジェン活性化プロテインキナーゼ（MAPK）カスケードを介して平滑筋細胞の増殖を刺激し、一方ATPの酵素的分解から生じるアデノシンはP1（A2）受容体に作用して（cAMPの上昇を介して）細胞の増殖を阻害します。 内皮細胞から放出されたATPやUTPは、P2Y1、P2Y2、P2Y4受容体を介して内皮細胞や平滑筋細胞の増殖を促します。 ATPの分解により生じたアデノシンはP1（A2）受容体に作用して内皮細胞の増殖を促し、血小板からのPDGF（血小板由来成長因子）の放出を調節する。 NA、ノルアドレナリン；CGRP、カルシトニン遺伝子関連ペプチド；SP、サブスタンスP（Lippincott, Williams and Wilkinsの許可を得て、 , から複製しました。)

(d) Skin

ラット皮膚、角膜、食道、軟口蓋、膣、舌の重層扁平上皮は有棘細胞と顆粒細胞層で細胞分化に関連したP2X5受容体の重い免疫染色があったが基底立方外層はなかった。 外層では、アポトーシス細胞死に関連したP2X7受容体の強い免疫染色が見られた。 小腸の上皮は急速にターンオーバーしている。 P2X5受容体は絨毛杯細胞の狭い「幹」に発現し、P2X7受容体の免疫反応は絨毛の先端にある腸球と杯細胞の膜にのみ見られ、そこでは細胞がアポトーシスを起こしている。

健康なヒト表皮角化細胞におけるP2X5、P2X7、P2Y1、P2Y2受容体サブタイプの発現を、増殖（PCNA、Ki-67）、分化（サイトケラチンKIO、インボルクリン）、アポトーシス（TUNEL、アンチカスペース3）のマーカーと関連づけて検討した。 P2Y1およびP2Y2受容体は、基底および傍底ケラチノサイトにおいて免疫反応性を示した。 有棘層内のP2X5受容体および角質層内のP2X7受容体の発現は、それぞれ細胞の分化（およびその後の抗増殖）およびアポトーシス細胞死と関連していた（図4）。 培養ケラチノサイトを用いた機能実験では、P2Y1受容体アゴニスト2-methylthio ADPおよびP2Y2受容体アゴニストUTPに応答して細胞数が増加することが確認された。 一方、P2X5受容体作動薬ATPγSとP2X7受容体作動薬2-(3′)-O-（4-ベンゾイルベンゾイル）ATPでは、細胞数の有意な減少がみられた。 また、発達中のヒト胎児表皮の基底層にあるP2Y1受容体は、増殖と関連していることが示された 。 P2X5受容体は主に基底層と中間層に存在し，分化に関連し，真皮周囲のP2X7受容体はアポトーシス細胞死に関連することがわかった。 P2Y1およびP2Y2受容体の増殖マーカーとの二重標識は，基底および傍底ケラチノサイトの亜集団内で共局在化を示した。 P2X5レセプターと分化したケラチノサイトのマーカーとのダブルラベルは有棘層内で、P2X7レセプターとヒト脚の皮膚におけるアポトーシスのマーカーとのダブルラベルは角質層内で共局在化することが示されている。 (a) Ki-67免疫標識（増殖のマーカー）は、表皮の基底層と傍底層にあるケラチノサイトの亜集団の核（緑）を染色した。 P2Y1受容体免疫染色（赤色）は、Ki-67を染色した細胞上の基底層で見られた。 (b) PCNA免疫染色（増殖のマーカー）は、ケラチノサイトの亜集団の核（緑色）を染色した。 これらの核は、しばしばクラスター状に分布し、表皮の基底層と傍底層に見られた。 P2Y2受容体免疫染色（赤色）も表皮基底層と表皮傍層で発現していた。 (c) P2X5受容体免疫染色（赤）は、ケラチノサイトの分化の初期マーカーであるサイトケラチンK10（緑）と重なり（黄）を示した。 P2X5受容体は表皮の基底層から中層まで存在した。 Cytokeratin K10はほとんどの基底層上部のケラチノサイトに分布していた。 基底層はP2X5受容体のみ染色され、これらの細胞では分化が起こっていないことが示された。 P2X5受容体とサイトケラチンK10の共局在は、主に有棘層内の分化細胞の細胞質に現れ、一部は顆粒層にも見られた。 角層は死にかけた細胞でも分化したケラチノサイトを標識するサイトケラチンK10にも染色されることに注意。 (d) P2X5受容体免疫染色（赤）は、インボルクリン（緑）と重なり合い（黄）を示した。 P2X5受容体は表皮の基底層から顆粒層中層まで存在した。 インボルクリンによる染色パターンはサイトケラチンK10による染色パターンと類似していたが、基底層から有棘細胞中層までの細胞は、ケラチノサイト分化の後期マーカーであるインボルクリンで標識されていないことに注意されたい。 (e) TUNEL（緑）は顆粒層の最上層の細胞核を、P2X7抗体（赤）は主に角層内の細胞片を染色した。 (f) 抗カスパーゼ3（緑）は、顆粒層の接合部および角層内の両方でP2X7受容体免疫染色（赤）の領域と共局在していた。 共焦点化した領域は黄色であった。 なお、顆粒層上部の分化したケラチノサイトは抗カスパーゼ3も陽性であった。 スケールバー (a-d) 30 µm、(e,f) 15 µm。 (Reproduced from , permission.)

創傷治癒には、ピュリナーゲンシグナルが関与している。 変性した創傷の再生表皮では、ケラチノサイトでP2Y1受容体の発現が増加し、P2Y2受容体の発現は減少していた . 神経成長因子（NGF）投与により、脱神経創のP2Y1受容体の発現は減少し、P2Y2受容体の発現が増加した。 NGF処理により、神経支配された創傷のケラチノサイトにおいてP2X5およびP2Y1受容体の両方が増強された。 すべての実験的創傷治癒プロセスにおいて、P2X7受容体は存在しませんでした。

ヒトの無毛包はP2Y1、P2Y2およびP2X5受容体を発現しています。 P2Y1受容体は外根鞘と球根の増殖細胞に存在し、P2X5受容体は内根鞘と外根鞘と髄質の分化に関連していました。 P2Y2受容体は皮質／髄質の端の細胞に存在し、P2X7受容体は存在しなかった。

(e) Cancer

前立腺、膀胱、メラノーマ、乳癌およびその他の器官における腫瘍の発生に関与するプリン作動性受容体のサブタイプの分析が記載されている。 P2Y1およびP2Y2受容体は発現し、細胞増殖に関与し、P2X5受容体は分化に関与し（したがって抗増殖性）、P2X7受容体は多くの腫瘍で細胞死に関与していた（図5）。 しかしながら、P2X7受容体は癌細胞の増殖とアポトーシス細胞死の両方を媒介することが示されている。 低濃度の放出ATPが増殖を促進し、高濃度の放出ATPが細胞死をもたらすということかもしれません。 ヒトメラノーマでは、機能的なP2X7受容体が発現し、アポトーシスを媒介する一方、P2Y1およびP2Y2受容体アゴニストはそれぞれ細胞数の減少および増加を引き起こします . ヒト扁平上皮癌では、P2Y2、P2X5、P2X7受容体がそれぞれ増殖、分化、細胞死に関連しているようである

高グレード膀胱癌細胞株HT-1376を用いて、P2X5とP2Y11受容体はATPの抗新生物効果を仲介し、P2X7受容体はアポトーシス細胞死を介する 。 ホルモン不応性前立腺癌の細胞株も同様の結果を示した。 ATPは、マウスに移植された進行したホルモン抵抗性前立腺癌のin vivoでの成長を抑制した . 臨床試験では、ATPの全身投与が肺がん患者に有益な効果（生存期間の延長と悪液質の減少）をもたらす可能性があることが示されました。

Second Messenger mechanisms and transcription factors involved in short- and long-term purinergic signalling

The second messenger mechanisms involved in short-term purinergic signalling has been analyzed in a many studies for P2X ion channel receptors.これは、短期プリン作動性信号のセカンドメッセンジャー・メカニズムを分析したものです。 P2XおよびP2Y受容体の両方が占有されると、細胞内Ca2+、細胞外ソースからのP2X受容体、細胞内ソースからのP2Y受容体の増加を引き起こします。 細胞外のATPが3つのサブユニット間結合部位に結合することによってP2Xチャネルの3量体構造を活性化し、それがβ鎖によってATP結合ドメインに連結された膜貫通ヘリックスに移行する構造転位をもたらすことが示されました . P2Y受容体のサブタイプと特定のGタンパク質との結合は、当初、IP3、カルシウム、サイクリックAMP（cAMP）の細胞内レベルの動きや百日咳毒素感受性の決定から間接的に推定された。 その後、P2Y1とGαβ1γ2またはGα11β1γ2を再構成した小胞におけるADPおよびGTP加水分解の影響を測定することにより、直接的な証拠が得られた。 Gタンパク質共役型P2Y受容体はまた、活性化Gタンパク質の活性を通して、細胞膜の電位依存性イオンチャネルの活性を調節する（詳細な分析はこちら）

長期栄養シグナルに関わる転写因子は、図6に示すように、より複雑なものである。 細胞増殖におけるカルシウムの流入の役割が提唱されている 。 外部カルシウム濃度はカルシウムチャネルの機能に重要であり、カルシウム感知受容体の活性も制御している。 例えばATPによるP2Y11受容体の活性化は、cAMPの上昇、IP3や細胞質カルシウムの上昇をもたらすが、UTPによる活性化はIP3やcAMPの上昇なしにカルシウムの動員をもたらすことが示された .

Conclusion

三量体P2Xイオンチャネル受容体は主に短期プリン作動性シグナルを媒介するが、P2X受容体が媒介する長期シグナルの例も存在する。 P1およびP2Y Gタンパク質共役型受容体は主に長期の（栄養）プリン作動性シグナルに関与しているが，短期の事象を仲介する例もある。 両方のタイプのプリン作動性シグナルの例を検討し、関与する細胞内翻訳メカニズムについて議論する。 3754>

Competing interests

私は、競合する利害関係がないことを宣言する。

Funding

私はこの研究のために資金を受け取っていない。

脚注

テオ・マーフィー会議号「Evolution brings Ca2+ and ATP together to control life and death」への15本のうちの1本を寄稿。© 2016 The Author(s)

王立協会より出版。 All rights reserved.

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