Short- and long-term (trophic) purinergic signalling

Inleiding

Het voorstel dat purinenucleotiden extracellulaire signaalmoleculen zijn, evenals een intracellulaire energiebron, werd voor het eerst gerapporteerd door Drury & Szent-Györgyi . Vervolgens werd in 1970 aangetoond dat adenosine-5′-trifosfaat (ATP) een transmitter is in de autonome neuromusculaire transmissie en in een later overzicht werd de term “purinerge” signalering geïntroduceerd. Dit concept werd gedurende de volgende 20 jaar door velen niet aanvaard. Afzonderlijke families van purinerge receptoren, P1 (adenosine) en P2 (ATP/adenosine 5′-difosfaat (ADP)) werden beschreven in 1978, maar het keerpunt in de aanvaarding van purinerge signalering kwam nadat de receptoren voor purines en pyrimidines gekloond en gekarakteriseerd werden in het begin van de jaren 1990. Vier P1 receptor subtypes (A1, A2A, A2B, A3), zeven P2X ionkanaal receptoren (P2X1-7) en acht G-eiwit gekoppelde receptoren (P2Y1, P2Y2, P2Y4, P2Y6, P2Y11, P2Y12, P2Y13, P2Y14) worden momenteel herkend. Activering van P2 receptoren leidt tot verhoging van het intracellulaire Ca2+: van extracellulaire bronnen voor P2X receptoren en van intracellulaire plaatsen voor P2Y receptoren. Misschien wegens hun oeroude oorsprong, heeft de reeks purinoceptor subtypes de unieke eigenschap buitengewoon wijd verspreid te zijn in levende cellen en weefsels. In tegenstelling tot alle andere chemische transmitters, die in de regel zijn afgezonderd tot bepaalde celtypes en bepaalde functies, worden de receptoren voor purines en pyrimidines overal aangetroffen en is het bijna onmogelijk een cel te vinden zonder gevoeligheid voor ATP en zijn analogen. Sinds 1995 heeft het vakgebied zich snel uitgebreid.

Korte-termijn purinerge signalering

ATP bleek een transmitter te zijn die vrijkomt uit niet-adrenerge, niet-cholinerge zenuwen om korte-termijn purinerge signalering te produceren uit remmende enterische zenuwen in de taenia coli van de cavia en uit exciterende parasympatische zenuwen in de urineblaas. Korte-termijn purinerge signalering werd aangetoond toen ATP werd geïdentificeerd als een cotransmitter met noradrenaline in sympathische zenuwen in de taenia coli , cat nictitating membrane , vas deferens en in bloedvaten . ATP is ook een cotransmitter met acetylcholine in motorische zenuwen die de skeletspieren , de blaas en het halsslagaderlichaam in ontwikkeling brengen en in sensomotorische zenuwen met substance P en calcitonine-gen-gerelateerd peptide . Later werd aangetoond dat ATP een cotransmitter is, die op korte termijn purinerge signalering in neuronen van het centrale zenuwstelsel (CZS) medieert. De betrokkenheid van purinerge signalen op korte termijn bij de controle van de vasculaire tonus wordt geïllustreerd in figuur 1. Purinerge synaptische transmissie tussen zenuwen werd aangetoond in het ganglion coeliac en de mediale habenula in de hersenen . ATP dat vrijkomt tijdens de synaptische transmissie kan astrocyt-receptoren activeren, die op hun beurt Ca2+-signalen in gang zetten en Ca2+-golven in de astrogliale netwerken propageren via de activering van P2Y-receptoren en de diffusie van inositol trisfosfaat (IP3) door de gap junctions . Ionotrope P2X-receptoren zijn verantwoordelijk voor de snelle astrocytische signalering, terwijl metabotrope P2Y-receptoren de langetermijneffecten bewerkstelligen .

Korte-termijnsignalering betrokken bij prejunctionele neuromodulatie via zowel P1- als P2-receptoren werd ook herkend in zowel perifere als CZS-gebieden . Purinoceptoren zijn op grote schaal aanwezig in het CZS, waar zij neuronale exciteerbaarheid mediëren en belangrijk zijn voor signalering in neuronale-gliale circuits, omdat zij een belangrijke gliotransmitter zijn.

Purinoceptoren zijn aanwezig in alle perifere weefsels en zijn betrokken bij zowel korte- als langetermijnregulering van verschillende functies, waaronder neuromusculaire en synaptische transmissie en secretie in het darmkanaal , en secretie in de nieren , lever en voortplantingssystemen . In vasculaire en respiratoire systemen, ATP medieert reflex activiteiten via activering van sensorische zenuwen . Activering van purinoceptoren kan snelle reacties in het immunologische systeem , in de bloedcellen , huid , botten en spieren , urinewegen en het hart . Korte-termijn purinerge signalering vindt ook plaats in de secretie van endocriene en niet-endocriene cellen . P2X3 en P2X2/3 receptoren zijn betrokken bij nociceptie . Purinerge signalering via P2Y12 receptoren is bekend voor de controle van bloedplaatjesaggregatie.

Lange termijn (trofische) purinerge signalering

ATP en zijn analogen zijn betrokken bij weefselremodellering als reactie op verwonding en spelen een sleutelrol in de regulering van daaropvolgend herstel en regeneratie . Stimulatie van purinoceptoren triggert astrogliosis, de algemene reactie van astrocyten op hersenbeschadiging, waarbij celproliferatie en hermodellering van het neurale circuit optreedt. Reactieve astrogliose is van groot belang voor zowel de vorming van littekens en de beperking van het beschadigde gebied (door anisomorfe astrogliose), als voor de remodellering en het herstel van de neurale functie na het hersenletsel (door isomorfe astrogliose). De initiële gebeurtenissen in de respons van astroglia op purinerge signalisatie zijn van belang voor de Ca2+ exciteerbaarheid van de gliacellen of kunnen de aanzet geven tot lange-termijn effecten. Voor reactieve astrogliose was niet alleen een verhoging van het intracellulaire calcium absoluut noodzakelijk, maar werd ook aangetoond dat ATP een van de sleutelfactoren is die betrokken zijn bij de initiatie ervan via de activering van P2Y G-eiwit gekoppelde receptoren gekoppeld aan fosfolipase C en IP3 . Deze trofische/astrogliotische proliferatieve effecten van P2 agonisten werden zowel in vitro, in gliale culturen, als in vivo, in de nucleus accumbens van ratten gevonden. P2X receptoren mediëren lange termijn potentiatie in de hippocampus . Activering van P2X receptoren kan meerdere effecten hebben op de synaptische plasticiteit, door het remmen of vergemakkelijken van de lange-termijn veranderingen van de synaptische sterkte, afhankelijk van de fysiologische context. Purinerge signalering op lange termijn komt ook voor bij chronische ontsteking en neuropathische pijn .

(a) Embryologische ontwikkeling

P2 receptor subtypes komen transiënt voor tijdens zowel de embryologische als de postnatale ontwikkeling, hetgeen suggereert dat ATP betrokken is bij de opeenvolgende proliferatie, differentiatie, motiliteit en dood van cellen tijdens de complexe gebeurtenissen in kwestie . Zo werd in Xenopus embryo’s een nieuwe P2Y8 receptor gekloond en werd aangetoond dat deze tijdelijk tot expressie komt in de neurale plaat en buis van stadium 13 tot 18 en opnieuw in stadium 28, wanneer secundaire neurulatie optreedt in de staartaanzet. Tijdelijke expressie van P2Y1 receptoren in de ledematen van kuikenembryo’s medieert snelle celproliferatie. Tijdens de postnatale ontwikkeling van het cerebellum en de skeletspieren zijn veranderingen beschreven in de expressie van P2X receptor subtypes. Purinerge signaaltransductie tijdens de ontwikkeling impliceert waarschijnlijk een wisselwerking tussen verschillende andere signaaltransductieroutes, waaronder groeifactoren, cytokines en extracellulaire matrix componenten. Tijdens de vroege ontwikkeling van de myotube waren P2X5 receptoren aanwezig, gevolgd door P2X6 receptor expressie, en vervolgens kwamen P2X2 receptoren tot expressie tijdens de ontwikkeling van de neuromusculaire junctie. ATP-geactiveerde Ca2+ transiënten in het kippennetvlies waren het sterkst vanaf E3, maar verminderden drastisch bij E11-13,5 . Soortgelijke mechanismen zijn betrokken bij de neurogenese bij volwassenen.

(b) Botvorming en botresorptie

Osteoclastenactiviteit en botresorptie worden geactiveerd door ADP via P2Y1-receptoren, terwijl ATP en uridine 5′-trifosfaat (UTP) -signalering via P2Y2-receptoren in osteoblasten de botgroei en mineralisatie afremt (figuur 2) . P2X7 receptoren hebben een trofische regulerende rol in botvorming en -resorptie. Osteoblasten geactiveerd door P2X7 receptoren vertonen verhoogde differentiatie en botvorming , terwijl P2X7 receptor activatie van osteoclasten apoptose en botresorptie oproept .

(c) Vasculaire remodellering in atherosclerose en post-angioplasty restenose

ATP en UTP werkend via P2Y2-receptoren veroorzaken proliferatie van vasculaire gladde spiercellen. De proliferatie van endotheelcellen wordt veroorzaakt door ADP dat via P2Y1-receptoren werkt. Adenosine via A2-receptoren medieert remming van de proliferatie van gladde spiercellen, maar stimuleert de proliferatie van endotheelcellen (figuur 3) . Dit suggereert dat de toename van vasculaire gladde spier- en endotheelcellen in zowel atherosclerose als hypertensie kan worden gemedieerd door de trofische werking van purines en pyrimidines die vrijkomen uit zenuwen en endotheelcellen en in post-angioplasty restenose . P2Y4-receptoren blijken regulatoren van angiogenese te zijn . DNA synthese en migratie van vasculaire endotheelcellen in vasa vasorum wordt verhoogd door ATP in zieke longvaten . Microvasculaire ziekte wordt gekenmerkt door een verhoogde wand-lumen ratio bij diabetische patiënten. Dit is waarschijnlijk het gevolg van een toename van vasculaire gladde spiercellen die leidt tot een hoger percentage restenose na angioplastiek. Het vrijkomen van ATP, geïnduceerd door hoge glucose, stimuleert de groei van vasculaire gladde spiercellen via P2Y-receptoren. Een ongebruikelijke vorm van purinerge signalering op lange termijn is het bewijs dat bij een kritische concentratie ATP, dat zowel op erytrocyten als endotheelcellen inwerkt, leidt tot een toename van de afgifte van ATP in het circulerende bloed gedurende verscheidene uren.

(d) Huid

Gestratificeerde plaveiselepithelia in rattenhuid, evenals hoornvlies, slokdarm, zacht gehemelte, vagina en tong vertoonden zware immunokleuring van de P2X5-receptor geassocieerd met celdifferentiatie in de doornige en korrelige cellagen, maar niet in de basale cuboïdale buitenlagen. Er was een sterke immunokleuring van P2X7 receptoren in de buitenste laag, geassocieerd met apoptotische celdood. Er is een snelle turnover van het epitheel van de dunne darm. P2X5 receptoren komen tot expressie op de smalle ‘stam’ van de villus goblet cellen, terwijl P2X7 receptor immunoreactiviteit alleen wordt gezien op de membranen van de enterocyten en goblet cellen aan de top van de villus, waar cellen apoptose ondergaan .

P2X5, P2X7, P2Y1 en P2Y2 receptor subtype expressie werd bestudeerd in gezonde humane epidermale keratinocyten in relatie tot merkers voor proliferatie (PCNA en Ki-67), differentiatie (cytokeratine KIO en involucrine) en apoptose (TUNEL en anticaspase-3) . P2Y1 en P2Y2 receptoren waren immunoreactief in basale en parabasale keratinocyten. Expressie van P2X5 receptoren in het stratum spinosum en P2X7 receptoren in het stratum corneum werd geassocieerd met celdifferentiatie (en daaropvolgende anti-proliferatie) en apoptotische celdood, respectievelijk (figuur 4). Functionele experimenten met gekweekte keratinocyten toonden een toename van het aantal cellen als reactie op de P2Y1 receptor agonist 2-methylthio ADP en de P2Y2 receptor agonist UTP. Daarentegen was er een significante afname van het aantal cellen met de P2X5 receptor agonist ATPγS en de P2X7 receptor agonist 2′(3′)-O-(4-benzoylbenzoyl) ATP. Er werd ook aangetoond dat P2Y1 receptoren in de basale laag van de zich ontwikkelende menselijke foetale epidermis geassocieerd waren met proliferatie. P2X5-receptoren, voornamelijk in de basale en tussenliggende lagen, werden in verband gebracht met differentiatie, terwijl P2X7-receptoren in de peridermis in verband werden gebracht met apoptotische celdood.

Purinerge signalering is betrokken bij wondgenezing. In de regenererende epidermis van gedenerveerde wonden was de P2Y1-receptorexpressie in keratinocyten verhoogd, terwijl de P2Y2-receptorexpressie was verlaagd. Behandeling met een zenuwgroeifactor (NGF) van gedenerveerde wonden verminderde de expressie van P2Y1 receptoren en verhoogde de expressie van P2Y2 receptoren. NGF behandeling versterkte zowel P2X5 als P2Y1 receptoren in keratinocyten in geïnnerveerde wonden. In alle experimentele wondgenezingsprocessen waren P2X7 receptoren afwezig.

Menselijke anagene haarfollikels brengen P2Y1, P2Y2 en P2X5 receptoren tot expressie. P2Y1 receptoren waren aanwezig in prolifererende cellen in de buitenste wortelschede en de bol, terwijl P2X5 receptoren geassocieerd waren met differentiatie van de binnenste en buitenste wortelschede en de medulla. P2Y2 receptoren werden aangetroffen in cellen aan de rand van de cortex/medulla, terwijl P2X7 receptoren niet aanwezig waren.

(e) Kanker

Een analyse van de purinerge receptor subtypes die betrokken zijn bij de ontwikkeling van tumoren in de prostaat , blaas , melanoom , borst en andere organen is beschreven . P2Y1 en P2Y2 receptoren kwamen tot expressie en waren betrokken bij de celproliferatie; P2X5 receptoren waren betrokken bij de differentiatie (en dus antiproliferatief), terwijl P2X7 receptoren betrokken waren bij de celdood in vele tumoren (figuur 5). Er is echter aangetoond dat P2X7 receptoren zowel de proliferatie van kankercellen als de apoptotische celdood bewerkstelligen. Het is mogelijk dat lage concentraties van vrijgemaakt ATP de proliferatie bevorderen, terwijl hoge concentraties leiden tot celdood. In menselijke melanomen komen functionele P2X7 receptoren tot expressie die apoptose bewerkstelligen, terwijl P2Y1 en P2Y2 receptor agonisten respectievelijk een afname en toename van het aantal cellen veroorzaken. In humaan plaveiselcelcarcinoom blijken P2Y2-, P2X5- en P2X7-receptoren geassocieerd te zijn met respectievelijk proliferatie, differentiatie en celdood .

Bij gebruik van de HT-1376 hooggradige blaaskanker cellijn, bemiddelden P2X5 en P2Y11 receptoren de anti-neoplastische effecten van ATP, terwijl P2X7 receptoren de apoptotische celdood bemiddelden . Cellijnen van hormoon-refractaire prostaatkanker toonden gelijkaardige resultaten. ATP verminderde de in vivo groei van gevorderde hormoon-refractaire prostaatkanker geïmplanteerd in muizen . Klinische studies hebben aangetoond dat systemische toediening van ATP gunstige effecten kan hebben (verlenging van de overleving en vermindering van cachexie) bij longkankerpatiënten .

Second messenger mechanismen en transcriptiefactoren betrokken bij purinerge signalering op korte en lange termijn

De second messenger mechanismen betrokken bij purinerge signalering op korte termijn zijn geanalyseerd in een aantal studies voor P2X ionkanaalreceptoren . Bezetting van zowel P2X als P2Y receptoren leidt tot een toename van intracellulair Ca2+, P2X receptoren van extracellulaire bronnen en P2Y receptoren van intracellulaire bronnen . Het werd aangetoond dat extracellulair ATP de P2X kanaal trimerische structuur activeert door binding van de drie intersubunit-bindingsplaatsen, wat leidt tot conformationele herschikkingen die worden overgebracht naar transmembraan helices verbonden met ATP-bindende domeinen door β strengen . Koppeling van de P2Y receptor subtypes aan specifieke G eiwitten werd aanvankelijk afgeleid uit indirect bewijs van verplaatsing van intracellulaire niveaus van IP3, calcium, cyclisch AMP (cAMP) en bepaling van de gevoeligheid voor pertussis toxine. Direct bewijs volgde door het meten van het effect van ADP en GTP hydrolyse in vesikels gereconstitueerd met P2Y1 en ofwel Gαqβ1γ2 of Gα11β1γ2 . G-eiwitgekoppelde P2Y-receptoren moduleren ook de activiteit van spanningsafhankelijke ionenkanalen in het celmembraan via de activiteit van geactiveerde G-eiwitten (zie voor een gedetailleerde analyse).

De transcriptiefactoren die betrokken zijn bij langetermijn-trofische signalering zijn complexer, zoals aangegeven in figuur 6. Er is een rol voorgesteld voor de instroom van calcium in de celproliferatie. De externe calciumconcentratie is belangrijk voor de werking van calciumkanalen en reguleert ook de activiteit van calciumgevoelige receptoren. Activering van de P2Y11-receptor door ATP leidt bijvoorbeeld tot een stijging van cAMP en van IP3 en cytosolisch calcium, terwijl activering door UTP calciummobilisatie bleek te veroorzaken zonder IP3- of cAMP-stijging.

Conclusie

Trimerische P2X-ionkanaalreceptoren mediëren grotendeels purinerge signalering op korte termijn, hoewel er voorbeelden zijn van P2X-receptor-gemedieerde signalering op lange termijn. P1 en P2Y G-eiwit-gekoppelde receptoren zijn voornamelijk betrokken bij lange-termijn (trofische) purinerge signalering, maar er zijn ook voorbeelden van bemiddeling van korte-termijn gebeurtenissen. Voorbeelden van beide typen purinerge signalering worden onderzocht en de betrokken intracellulaire translatiemechanismen worden besproken. Kennis van de onderliggende mechanismen die betrokken zijn bij zowel korte- als langetermijn purinoceptor-gemedieerde signalering zal helpen bij de ontwikkeling van purinerge geneesmiddelen voor therapeutische doeleinden.

Betwistende belangen

Ik verklaar dat ik geen concurrerende belangen heb.

Financiering

Ik heb geen financiering voor deze studie ontvangen.

Voetnoten

Een bijdrage van 15 aan een Theo Murphy vergadernummer ‘Evolution brings Ca2+ and ATP together to control life and death’.