Kort- og langsigtet (trofisk) purinerg signalering

Introduktion

Det forslag, at purinnukleotider er ekstracellulære signalmolekyler, såvel som en intracellulær energikilde, blev først rapporteret af Drury & Szent-Györgyi . Derefter blev det i 1970 vist, at adenosin 5′-trifosfat (ATP) var en transmitter i autonom neuromuskulær transmission, og i en senere gennemgang blev udtrykket “purinerge” signalering indført . Dette begreb blev ikke accepteret af mange i de næste 20 år. Separate purinerge receptorfamilier, P1 (adenosin) og P2 (ATP/adenosin 5′-diphosphat (ADP)) blev beskrevet i 1978 , men vendepunktet i accepten af purinerge signalering kom, efter at receptorerne for puriner og pyrimidiner blev klonet og karakteriseret i begyndelsen af 1990’erne . Fire P1-receptorsubtyper (A1, A2A, A2B, A3), syv P2X-ionkanalreceptorer (P2X1-7) og otte G-protein-koblede receptorer (P2Y1, P2Y2, P2Y4, P2Y6, P2Y11, P2Y12, P2Y13, P2Y14) er i øjeblikket anerkendt . Aktivering af P2-receptorer fører til en stigning i intracellulær Ca2+: fra ekstracellulære kilder for P2X-receptorer og fra intracellulære steder for P2Y-receptorer. Måske på grund af deres gamle oprindelse har rækken af purinoceptorsubtyper den enestående egenskab, at de er usædvanligt vidt udbredt i alle levende celler og væv . I modsætning til alle andre kemiske transmittere, der som regel er forbeholdt bestemte celletyper og bestemte funktioner, findes receptorerne for puriner og pyrimidiner overalt, og det er næsten umuligt at finde en celle, der ikke er følsom over for ATP og dets analoger. Der er sket en hurtig udvidelse af området siden 1995 .

Kortvarig purinerge signalering

ATP blev vist at være en transmitter, der frigives fra ikke-adrenerge, ikke-kolinerge nerver til at producere kortvarig purinerge signalering fra hæmmende enteriske nerver i marsvinet taenia coli og fra excitatoriske parasympatiske nerver i urinblæren . Kortvarig purinerg signalering blev påvist, da ATP blev identificeret som en kotransmitter sammen med noradrenalin i sympatiske nerver i taenia coli , kattes nictitating membran , vas deferens og i blodkar . ATP er også en cotransmitter sammen med acetylcholin i motoriske nerver, der forsyner den udviklede skeletmuskel, blæren og halspulsåren, og i sensorisk-motoriske nerver sammen med substans P og calcitonin-genrelateret peptid . Senere blev det vist, at ATP er en kotransmitter, der formidler kortvarig purinerg signalering i neuroner i centralnervesystemet (CNS) . Inddragelsen af kortvarig purinerge signalering i kontrollen af den vaskulære tone er illustreret i figur 1. Purinerg synaptisk transmission mellem nerver blev påvist i ganglion coeliacum og den mediale habenula i hjernen . ATP frigivet under synaptisk transmission kan aktivere astrocytreceptorer, som igen udløser Ca2+-signaler og udbreder Ca2+-bølger i astrogliale netværk via aktivering af P2Y-receptorer og diffusion af inositoltrisphosphat (IP3) gennem gapjunkterne . Ionotrope P2X-receptorer er ansvarlige for hurtig astrocytisk signalering, mens metabotrope P2Y-receptorer formidler langtidsvirkninger .

Kortvarig signalering involveret i præjunktionel neuromodulation via både P1- og P2-receptorer blev også genkendt i både perifere og CNS’er . Purinoceptorer er i vid udstrækning til stede i CNS, hvor de medierer neuronal excitabilitet, og de er vigtige for signalering i neuronal-gliale kredsløb, idet de er en vigtig gliotransmitter .

Purinoceptorer er til stede i alle perifere væv, idet de er involveret i kortsigtet såvel som langsigtet regulering af forskellige funktioner, herunder neuromuskulær og synaptisk transmission og sekretion i tarmen , og sekretion i nyrer , lever og reproduktive systemer . I kar- og åndedrætssystemet formidler ATP refleksaktiviteter via aktivering af sensoriske nerver . Aktivering af purinoceptorer kan formidle hurtige reaktioner i det immunologiske system , i blodceller , hud , knogler og muskler , urinvejene og hjertet . Kortvarig purinerg signalering finder også sted i sekretionen fra endokrine og ikke-endokrine celler . P2X3- og P2X2/3-receptorer er involveret i nociception . Purinerg signalering via P2Y12-receptorer er veletableret for kontrol af blodpladeaggregation.

Langvarig (trofisk) purinerg signalering

ATP og dets analoger er involveret i vævsremodellering som reaktion på skade og spiller en central rolle i reguleringen af efterfølgende reparation og regeneration . Stimulering af purinoceptorer udløser astrogliose, astrocytternes generelle reaktion på hjerneskade, som indebærer celleproliferation og ombygning af det neurale kredsløb . Reaktiv astrogliose er afgørende for både dannelsen af ar og begrænsning af det hjerneskadede område (gennem anisomorf astrogliose) og for remodellering og genoprettelse af den neurale funktion (gennem isomorf astrogliose). De indledende hændelser i astrogliernes respons på purinerge signaler er afgørende for glial Ca2+ excitabilitet eller kan udløse langtidsvirkninger . For reaktiv astrogliose var ikke blot en stigning i intracellulær calcium absolut nødvendig, men ATP viste sig også at være en af nøglefaktorerne i initieringen heraf via aktivering af P2Y G-protein-koblede receptorer, der er forbundet med fosfolipase C og IP3 . Disse trofiske/astrogliotiske proliferative virkninger af P2-agonister blev fundet både in vitro i gliakulturer og in vivo i nucleus accumbens hos rotter . P2X-receptorer medierer langtidspotentiering i hippocampus . Aktivering af P2X-receptorer kan have flere virkninger på synaptisk plasticitet, idet de enten hæmmer eller letter de langsigtede ændringer af synaptisk styrke afhængigt af den fysiologiske kontekst . Langvarig purinerg signalering forekommer også ved kronisk inflammation og neuropatisk smerte .

(a) Embryologisk udvikling

P2-receptorsubtyper forekommer forbigående under både embryologisk og postnatal udvikling, hvilket tyder på, at ATP er involveret i den sekventielle proliferation, differentiering, motilitet og død af celler under de involverede komplekse begivenheder . I Xenopus-embryoer blev der f.eks. klonet en ny P2Y8-receptor, som viste sig at blive udtrykt forbigående i neuralpladen og -røret fra stadie 13 til 18 og igen i stadie 28, hvor der sker sekundær neurulation i haleknoppen . Transient ekspression af P2Y1-receptorer i lemknopperne hos kyllingeembryoner formidler hurtig celleproliferation . Under den postnatale udvikling af cerebellum og skeletmuskulatur er der beskrevet ændringer i ekspressionen af P2X-receptorsubtyper. Purinerg signalering i udviklingen involverer sandsynligvis kryds og tværs mellem flere andre signalveje, herunder vækstfaktorer, cytokiner og komponenter i den ekstracellulære matrix . Under den tidlige udvikling af myotuben var der P2X5-receptorer til stede, efterfulgt af P2X6-receptorekspression, og derefter blev P2X2-receptorer udtrykt under udviklingen af det neuromuskulære knudepunkt. ATP-fremkaldte Ca2+-transienter i kyllingens nethinde var stærkest så tidligt som E3, men blev drastisk reduceret ved E11-13,5 . Lignende mekanismer er involveret i voksen neurogenese .

(b) Knogledannelse og -resorption

Osteoklastaktivitet og knogleresorption aktiveres af ADP via P2Y1-receptorer, mens ATP- og uridin 5′-trifosfat (UTP)-signalering via P2Y2-receptorer i osteoblaster hæmmer knoglevækst og mineralisering (figur 2) . P2X7-receptorer har trofiske regulerende roller i knogledannelse og -resorption . Osteoblaster, der aktiveres af P2X7-receptorer, viser øget differentiering og knogledannelse , mens P2X7-receptoraktivering af osteoklaster fremkalder apoptose og knogleresorption .

(c) Vaskulær remodellering i åreforkalkning og restenose efter angioplastik

ATP og UTP, der virker via P2Y2-receptorer, forårsager proliferation af vaskulære glatte muskelceller. Proliferation af endothelceller fremkaldes af ADP, der virker via P2Y1-receptorer. Adenosin via A2-receptorer virker hæmmende på proliferation af glat muskulatur, men stimulerer endothelcelleproliferation (figur 3) . Dette tyder på, at stigningen i glat muskulatur og endothelceller i både åreforkalkning og hypertension kan være medieret af de trofiske virkninger af puriner og pyrimidiner, der frigives fra nerver og endothelceller, og i restenose efter angioplastik . P2Y4-receptorer synes at være regulerende faktorer for angiogenese . DNA-syntese og migration af vaskulære endothelceller i vasa vasorum øges af ATP i syge lungekar . Mikrovaskulær sygdom er karakteriseret ved et øget væg-lumen-forhold hos diabetespatienter . Dette skyldes sandsynligvis en stigning i antallet af glatte vaskulære muskelceller, hvilket fører til en højere restenosefrekvens efter angioplastik. Frigivelse af ATP, der fremkaldes af højt glukoseindhold, stimulerer vækst af glatte vaskulære muskelceller via P2Y-receptorer . En usædvanlig type langvarig purinerge signalering er beviset for, at ATP ved en kritisk koncentration, der virker på både erytrocytter og endothelceller , fører til en stigning i ATP-frigivelsen i det cirkulerende blod i flere timer.

(d) Hud

Stratificerede pladeepithelier i rottehud samt hornhinde, spiserør, øsofagus, blød gane, vagina og tunge viste kraftig immunfarvning af P2X5-receptoren i forbindelse med celledifferentiering i de spinøse og granulære cellelag, men ikke i basale cuboidale ydre lag. Der var kraftig immunfarvning af P2X7-receptorer i det ydre lag, som var forbundet med apoptotisk celledød . Der sker en hurtig omsætning af epitelet i tyndtarmen. P2X5-receptorer udtrykkes på den smalle “stamme” af villus gobletceller, mens P2X7-receptorimmunreaktivitet kun ses på membranerne af enterocytter og gobletceller i spidsen af villus, hvor cellerne er under apoptose .

P2X5, P2X7, P2Y1 og P2Y2 receptor subtype ekspression blev undersøgt i sunde humane epidermale keratinocytter i forhold til markører for proliferation (PCNA og Ki-67), differentiering (cytokeratin KIO og involucrin) og apoptose (TUNEL og anticaspase-3) . P2Y1- og P2Y2-receptorer var immunreaktive i basale og parabasale keratinocytter. Ekspression af P2X5-receptorer i stratum spinosum og P2X7-receptorer i stratum corneum var forbundet med henholdsvis celledifferentiering (og efterfølgende anti-proliferation) og apoptotisk celledød (figur 4). Funktionelle eksperimenter på dyrkede keratinocytter viste en stigning i antallet af celler som reaktion på P2Y1-receptoragonisten 2-methylthio ADP og P2Y2-receptoragonisten UTP. Derimod var der et signifikant fald i antallet af celler med P2X5-receptoragonisten ATPγS og P2X7-receptoragonisten 2′(3′)-O-(4-benzoylbenzoyl)ATP. Det blev også vist, at P2Y1-receptorer i det basale lag af den humane føtale epidermis under udvikling var forbundet med proliferation . P2X5-receptorer, der overvejende findes i de basale og intermediære lag, var forbundet med differentiering, mens P2X7-receptorer i peridermen var forbundet med apoptotisk celledød.

Purinerge signalering er involveret i sårheling. I regenererende epidermis af denerverede sår var P2Y1-receptorekspressionen øget i keratinocytter, mens P2Y2-receptorekspressionen var nedsat . Nervevækstfaktor (NGF)-behandling af denerverede sår reducerede ekspressionen af P2Y1-receptorer og øgede ekspressionen af P2Y2-receptorer. NGF-behandling øgede både P2X5- og P2Y1-receptorer i keratinocytter i innerverede sår. I alle eksperimentelle sårhelingsprocesser var P2X7-receptorer fraværende.

Humane anagen hårfollikler udtrykker P2Y1-, P2Y2- og P2X5-receptorer . P2Y1-receptorer var til stede i prolifererende celler i den ydre rodskede og pære, mens P2X5-receptorer var forbundet med differentiering af de indre og ydre rodskeder og medulla. P2Y2-receptorer blev fundet i celler i kanten af cortex/medulla, mens P2X7-receptorer ikke var til stede.

(e) Kræft

Analyse af de purinerge receptorsubtyper, der er involveret i udviklingen af tumorer i prostata , blære , melanom , bryst og andre organer, er blevet beskrevet . P2Y1- og P2Y2-receptorer blev udtrykt og var involveret i celleproliferation; P2X5-receptorer var involveret i differentiering (og var derfor antiproliferative), mens P2X7-receptorer var involveret i celledød i mange tumorer (figur 5). P2X7-receptorer har imidlertid vist sig at formidle både proliferation af kræftceller og apoptotisk celledød . Det kan være, at lave koncentrationer af frigivet ATP fremmer proliferation, mens høje koncentrationer fører til celledød. I humane melanomer udtrykkes funktionelle P2X7-receptorer, der formidler apoptose , mens P2Y1- og P2Y2-receptoragonister forårsager et fald og en stigning i henholdsvis antallet af celler . I humant pladecellekarcinom synes P2Y2-, P2X5- og P2X7-receptorer at være forbundet med henholdsvis proliferation, differentiering og celledød .

Med brug af HT-1376 højgrads blærekræftcellelinjen medierede P2X5- og P2Y11-receptorer de anti-neoplastiske virkninger af ATP, mens P2X7-receptorer medierede apoptotisk celledød . Cellelinjer af hormonrefraktær prostatakræft viste lignende resultater . ATP reducerede in vivo-væksten af avanceret hormonrefraktær prostatakræft, der er implanteret i mus . Kliniske forsøg har vist, at systemisk administration af ATP kan have gavnlige virkninger (forlængelse af overlevelse og reduceret kacheksi) hos lungekræftpatienter .

Second messenger-mekanismer og transkriptionsfaktorer involveret i kort- og langsigtet purinerg signalering

De second messenger-mekanismer, der er involveret i kortvarig purinerg signalering, er blevet analyseret i en række undersøgelser for P2X-ionkanalreceptorer . Besættelse af både P2X- og P2Y-receptorer fører til en stigning i intracellulær Ca2+, P2X-receptorer fra ekstracellulære kilder og P2Y-receptorer fra intracellulære kilder . Det blev vist, at ekstracellulær ATP aktiverer den trimeriske P2X-kanalstruktur ved at binde de tre intersubunit-bindingssteder, hvilket fører til konformationsomlægninger, der overføres til transmembranhelixer, der er knyttet til ATP-bindingsdomæner ved β-strenge . Kobling af P2Y-receptorsubtyperne til specifikke G-proteiner blev oprindeligt udledt af indirekte beviser fra bevægelse af intracellulære niveauer af IP3, calcium, cyklisk AMP (cAMP) og bestemmelse af følsomhed over for pertussistoksin. Direkte beviser fulgte ved at måle virkningen af ADP- og GTP-hydrolyse i vesikler rekonstitueret med P2Y1 og enten Gαqβ1γ2 eller Gα11β1γ2 . G-protein-koblede P2Y-receptorer modulerer også aktiviteten af spændingsaktiverede ionkanaler i cellemembranen gennem aktiviteten af aktiverede G-proteiner (se for en detaljeret analyse).

De transkriptionsfaktorer, der er involveret i langvarig trofisk signalering, er mere komplekse, som det fremgår af figur 6. Der er blevet foreslået en rolle for calciumindstrømning i celleproliferation . Den eksterne calciumkoncentration er vigtig for calciumkanalens funktion, og den regulerer også kalciumsensorreceptoraktiviteten. Aktivering af P2Y11-receptoren med ATP fører f.eks. til en stigning i cAMP og i IP3 og cytosolisk calcium, mens aktivering med UTP viste sig at give calciummobilisering uden IP3- eller cAMP-stigning .

Slutning

Trimeriske P2X-ionkanalreceptorer medierer i vid udstrækning kortsigtet purinerge signalering, selv om der er eksempler på P2X-receptormedieret langtidssignalering. P1- og P2Y G-protein-koblede receptorer er overvejende involveret i langsigtet (trofisk) purinerg signalering, men der er også eksempler på formidling af kortsigtede hændelser. Eksempler på begge typer purinerg signalering undersøges, og de involverede intracellulære translationelle mekanismer diskuteres. Viden om de underliggende mekanismer, der er involveret i både kort- og langsigtet purinoceptormedieret signalering, vil bidrage til udviklingen af purinerge lægemidler til terapeutiske formål.

Konkurrerende interesser

Jeg erklærer, at jeg ikke har nogen konkurrerende interesser.

Finansiering

Jeg har ikke modtaget nogen finansiering til denne undersøgelse.

Fodnoter

Et bidrag ud af 15 til et Theo Murphy-mødetema ‘Evolution brings Ca2+ and ATP together to control life and death’.