Krótko- i długotrwała (troficzna) sygnalizacja purynergiczna

Wprowadzenie

Propozycja, że nukleotydy purynowe są zewnątrzkomórkowymi cząsteczkami sygnalizacyjnymi, jak również wewnątrzkomórkowym źródłem energii, została po raz pierwszy zgłoszona przez Drury’ego & Szent-Györgyi . Następnie w 1970 r. adenozyno-5′-trifosforan (ATP) został wykazany jako przekaźnik w autonomicznej transmisji nerwowo-mięśniowej, a w późniejszym przeglądzie wprowadzono termin sygnalizacji „purynergicznej”. Pojęcie to nie było akceptowane przez wiele osób przez następne 20 lat. Oddzielne rodziny receptorów purynergicznych, P1 (adenozyna) i P2 (ATP/adenozyno-5′-difosforan (ADP)), zostały opisane w 1978 roku, ale punkt zwrotny w akceptacji sygnalizacji purynergicznej nastąpił po sklonowaniu i scharakteryzowaniu receptorów dla puryn i pirymidyn na początku lat 90-tych. Obecnie wyróżnia się cztery podtypy receptorów P1 (A1, A2A, A2B, A3), siedem receptorów kanałów jonowych P2X (P2X1-7) oraz osiem receptorów sprzężonych z białkami G (P2Y1, P2Y2, P2Y4, P2Y6, P2Y11, P2Y12, P2Y13, P2Y14). Aktywacja receptorów P2 prowadzi do wzrostu stężenia wewnątrzkomórkowego Ca2+: ze źródeł zewnątrzkomórkowych w przypadku receptorów P2X i z miejsc wewnątrzkomórkowych w przypadku receptorów P2Y. Być może ze względu na ich starożytne pochodzenie, szereg podtypów purinoceptorów posiada unikalną właściwość niezwykle szerokiego rozmieszczenia w żywych komórkach i tkankach. W przeciwieństwie do wszystkich innych przekaźników chemicznych, które z reguły są przypisane do określonych typów komórek i określonych funkcji, receptory dla puryn i pirymidyn występują wszędzie i prawie niemożliwe jest znalezienie komórki bez wrażliwości na ATP i jego analogi. Od 1995 roku nastąpił gwałtowny rozwój tej dziedziny .

Krótkotrwała sygnalizacja purynergiczna

ATP okazał się przekaźnikiem uwalnianym z nieadrenergicznych, niecholinergicznych nerwów w celu wytworzenia krótkotrwałej sygnalizacji purynergicznej z hamujących nerwów jelitowych u świnki morskiej taenia coli i z pobudzających nerwów przywspółczulnych w pęcherzu moczowym . Krótkotrwała sygnalizacja purynergiczna została wykazana, gdy ATP został zidentyfikowany jako kotransmiter z noradrenaliną w nerwach współczulnych w taenia coli, błonie spojówkowej kota, naczyniach włosowatych i w naczyniach krwionośnych. ATP jest również kotransmiterem z acetylocholiną w nerwach ruchowych zaopatrujących rozwijający się mięsień szkieletowy, pęcherz moczowy i ciało szyjne oraz w nerwach czuciowo-ruchowych z substancją P i peptydem związanym z genem kalcytoniny. Później wykazano, że ATP jest kotransmiterem, pośredniczącym w krótkotrwałej sygnalizacji purynergicznej w neuronach ośrodkowego układu nerwowego (OUN). Udział krótkotrwałej sygnalizacji purynergicznej w kontroli napięcia naczyniowego przedstawiono na rycinie 1. Purynergiczną transmisję synaptyczną między nerwami wykazano w zwoju celiakii i habenuli przyśrodkowej w mózgu. ATP uwolniony podczas transmisji synaptycznej może aktywować receptory astrocytów, które z kolei inicjują sygnały Ca2+ i propagują fale Ca2+ w sieciach astrogleju poprzez aktywację receptorów P2Y i dyfuzję trójfosforanu inozytolu (IP3) przez połączenia szczelinowe. Jonotropowe receptory P2X są odpowiedzialne za szybką sygnalizację astrocytarną, podczas gdy metabotropowe receptory P2Y pośredniczą w długotrwałym działaniu .

Krótkotrwała sygnalizacja zaangażowana w neuromodulację prejunkcjonalną za pośrednictwem receptorów P1 i P2 została również rozpoznana zarówno w obwodowych, jak i w OUN. Purinoceptory są szeroko obecne w OUN, gdzie pośredniczą w pobudliwości neuronów i są ważne dla sygnalizacji w obwodach neuronowo- glejowych, będąc ważnym glejotransmiterem.

Purinoceptory są obecne we wszystkich tkankach obwodowych, uczestnicząc w krótkoterminowej i długoterminowej regulacji różnych funkcji, w tym przekaźnictwa nerwowo-mięśniowego i synaptycznego oraz wydzielania w jelitach, a także wydzielania w nerkach, wątrobie i układach rozrodczych. W układzie naczyniowym i oddechowym, ATP pośredniczy w czynnościach odruchowych poprzez aktywację nerwów czuciowych. Aktywacja purinoceptorów może pośredniczyć w szybkich reakcjach w układzie immunologicznym, w komórkach krwi, skórze, kościach i mięśniach, drogach moczowych i sercu. Krótkotrwała sygnalizacja purynergiczna ma również miejsce w wydzielaniu z komórek endokrynnych i nieendokrynnych. Receptory P2X3 i P2X2/3 biorą udział w nocycepcji. Sygnalizacja purynergiczna poprzez receptory P2Y12 jest dobrze poznana w kontroli agregacji płytek krwi.

Długoterminowa (troficzna) sygnalizacja purynergiczna

ATP i jego analogi są zaangażowane w przebudowę tkanek w odpowiedzi na uraz i odgrywają kluczową rolę w regulacji późniejszej naprawy i regeneracji. Stymulacja purinoceptorów wyzwala astrogliozę, uogólnioną odpowiedź astrocytów na uszkodzenie mózgu, obejmującą proliferację komórek i przebudowę obwodów neuronalnych. Reaktywna astroglioza jest kluczowa zarówno dla tworzenia blizny i ograniczania obszaru uszkodzonego mózgu (przez astrogliozę anizomorficzną), jak i dla remodelowania po urazie i odzyskiwania funkcji neuronalnych (przez astrogliozę izomorficzną). Początkowe zdarzenia w odpowiedzi astrogleju na sygnalizację purynergiczną mają zasadnicze znaczenie dla pobudliwości glejowej Ca2+ lub mogą inicjować efekty długoterminowe. Dla reaktywnej astrogliozy nie tylko wzrost wewnątrzkomórkowego wapnia był absolutnie konieczny, ale również wykazano, że ATP jest jednym z kluczowych czynników biorących udział w jej inicjacji poprzez aktywację receptorów P2Y sprzężonych z białkiem G połączonych z fosfolipazą C i IP3 . Te troficzne/astrogliotyczne efekty proliferacyjne agonistów P2 stwierdzono zarówno in vitro, w hodowlach glejowych, jak i in vivo, w jądrze ruchowym szczura. Receptory P2X pośredniczą w długotrwałym wzmocnieniu potencjałów w hipokampie. Aktywacja receptorów P2X może mieć wieloraki wpływ na plastyczność synaptyczną, hamując lub ułatwiając długotrwałe zmiany siły synaptycznej w zależności od kontekstu fizjologicznego. Długotrwała sygnalizacja purynergiczna występuje również w przewlekłym zapaleniu i bólu neuropatycznym .

(a) Rozwój embrionalny

P2 podtypy receptorów pojawiają się przejściowo zarówno podczas rozwoju embrionalnego, jak i postnatalnego, co sugeruje, że ATP jest zaangażowany w sekwencyjną proliferację, różnicowanie, ruchliwość i śmierć komórek podczas złożonych wydarzeń . Na przykład, w embrionach Xenopus sklonowano nowy receptor P2Y8 i wykazano jego przejściową ekspresję w płytce neuronalnej i rurce od etapu 13 do 18 i ponownie w etapie 28, kiedy następuje wtórna neurulacja w pąku ogonowym. Przejściowa ekspresja receptorów P2Y1 w pąkach kończynowych embrionów kurcząt pośredniczy w szybkiej proliferacji komórek. Podczas postnatalnego rozwoju móżdżku i mięśni szkieletowych opisano zmiany w ekspresji podtypów receptorów P2X. Sygnalizacja purynergiczna w rozwoju prawdopodobnie wiąże się z wzajemnym oddziaływaniem kilku innych szlaków sygnalizacyjnych, w tym czynników wzrostu, cytokin i składników macierzy pozakomórkowej. We wczesnym okresie rozwoju miotuby obecne były receptory P2X5, po których nastąpiła ekspresja receptorów P2X6, a następnie receptorów P2X2 w trakcie rozwoju złącza nerwowo-mięśniowego. Wywołane przez ATP transjenty Ca2+ w siatkówce kurczaka były najsilniejsze już w E3, ale zostały drastycznie zredukowane w E11-13,5 . Podobne mechanizmy są zaangażowane w neurogenezę u dorosłych

(b) Tworzenie i resorpcja kości

Aktywność osteoklastów i resorpcja kości są aktywowane przez ADP poprzez receptory P2Y1, podczas gdy sygnalizacja ATP i 5′-trifosforanu urydyny (UTP) poprzez receptory P2Y2 w osteoblastach hamuje wzrost i mineralizację kości (ryc. 2). Receptory P2X7 pełnią troficzną rolę regulacyjną w tworzeniu i resorpcji kości. Osteoblasty aktywowane przez receptory P2X7 wykazują zwiększone różnicowanie i tworzenie kości, podczas gdy aktywacja receptorów P2X7 w osteoklastach wywołuje apoptozę i resorpcję kości .

(c) Remodelowanie naczyń w miażdżycy i restenozie po angioplastyce

ATP i UTP działające przez receptory P2Y2 powodują proliferację komórek mięśni gładkich naczyń. Proliferację komórek śródbłonka wywołuje ADP działający przez receptory P2Y1. Adenozyna poprzez receptory A2 pośredniczy w hamowaniu proliferacji mięśni gładkich, ale stymuluje proliferację komórek śródbłonka (ryc. 3). Sugeruje to, że wzrost mięśni gładkich naczyń i komórek śródbłonka zarówno w miażdżycy, jak i nadciśnieniu tętniczym może być pośredniczony przez działania troficzne puryn i pirymidyn uwalnianych z nerwów i komórek śródbłonka oraz w restenozie po angioplastyce. Receptory P2Y4 wydają się być regulatorami angiogenezy. Synteza DNA i migracja komórek śródbłonka naczyniowego w vasa vasorum jest zwiększona przez ATP w chorych naczyniach płucnych. Choroba mikronaczyniowa charakteryzuje się zwiększonym stosunkiem ściany do światła naczynia u pacjentów z cukrzycą. Dzieje się tak prawdopodobnie z powodu wzrostu liczby komórek mięśni gładkich naczyń, co prowadzi do zwiększenia odsetka restenozy po angioplastyce. Uwolnienie ATP, indukowane wysokim stężeniem glukozy, stymuluje wzrost komórek mięśni gładkich naczyń poprzez receptory P2Y. Niezwykłym rodzajem długotrwałej sygnalizacji purynergicznej jest wykazanie, że przy krytycznym stężeniu ATP, działając zarówno na erytrocyty, jak i komórki śródbłonka, prowadzi do zwiększenia uwalniania ATP do krwi krążącej przez kilka godzin.

(d) Skóra

Stratyfikowane nabłonki płaskie w skórze szczurów, jak również rogówka, przełyk, podniebienie miękkie, pochwa i język wykazywały silne zabarwienie immunologiczne receptora P2X5 związane z różnicowaniem komórek w warstwach komórek kolczystych i ziarnistych, ale nie w bazalnych prostopadłościennych warstwach zewnętrznych. W warstwie zewnętrznej stwierdzono silne zabarwienie immunologiczne receptorów P2X7, związane z apoptotyczną śmiercią komórek. Nabłonek jelita cienkiego ulega szybkiej rotacji. Receptory P2X5 ulegają ekspresji na wąskiej „łodydze” komórek zarodkowych kosmków, podczas gdy immunoreaktywność receptorów P2X7 jest widoczna tylko na błonach enterocytów i komórek zarodkowych na końcu kosmka, gdzie komórki ulegają apoptozie.

Ekspresję podtypów receptorów P2X5, P2X7, P2Y1 i P2Y2 badano w zdrowych ludzkich keratynocytach naskórka w odniesieniu do markerów proliferacji (PCNA i Ki-67), różnicowania (cytokeratyna KIO i inwolukryna) i apoptozy (TUNEL i antykaspaza-3). Receptory P2Y1 i P2Y2 były immunoreaktywne w keratynocytach podstawnych i parabazalnych. Ekspresja receptorów P2X5 w obrębie warstwy kolczystej i receptorów P2X7 w warstwie rogowej była związana odpowiednio z różnicowaniem komórek (a następnie ich antyproliferacją) i apoptotyczną śmiercią (ryc. 4). Eksperymenty funkcjonalne na hodowanych keratynocytach wykazały wzrost liczby komórek w odpowiedzi na agonistę receptora P2Y1 – 2-metylotio ADP oraz agonistę receptora P2Y2 – UTP. Natomiast w odpowiedzi na agonistę receptora P2X5 ATPγS i agonistę receptora P2X7 2′(3′)-O-(4-benzoilobenzoilo) ATP nastąpił istotny spadek liczby komórek. Wykazano również, że receptory P2Y1 w warstwie podstawnej rozwijającego się ludzkiego naskórka płodowego były związane z proliferacją. Receptory P2X5, głównie w warstwie podstawnej i pośredniej, były związane z różnicowaniem, podczas gdy receptory P2X7 w perydermie były związane z apoptotyczną śmiercią komórek.

Sygnalizacja purynergiczna jest zaangażowana w gojenie się ran. W regenerującym się naskórku zdegenerowanych ran, ekspresja receptorów P2Y1 była zwiększona w keratynocytach, podczas gdy ekspresja receptorów P2Y2 była zmniejszona. Podanie czynnika wzrostu nerwów (NGF) na rany zdegenerowane spowodowało zmniejszenie ekspresji receptorów P2Y1 i zwiększenie ekspresji receptorów P2Y2. Leczenie NGF zwiększało ekspresję zarówno receptorów P2X5, jak i P2Y1 w keratynocytach w ranach unerwionych. We wszystkich eksperymentalnych procesach gojenia się ran receptory P2X7 były nieobecne.

Ludzkie mieszki włosowe w fazie anagenu wykazują ekspresję receptorów P2Y1, P2Y2 i P2X5. Receptory P2Y1 były obecne w komórkach proliferuj±cych w zewnętrznej osłonce korzenia i cebulce, podczas gdy receptory P2X5 były zwi±zane z różnicowaniem wewnętrznej i zewnętrznej osłonki korzenia oraz medulla. Receptory P2Y2 znajdowały się w komórkach na brzegu kory/medulli, podczas gdy receptory P2X7 nie były obecne.

(e) Nowotwory

Opisano analizę podtypów receptorów purynergicznych zaangażowanych w rozwój nowotworów prostaty, pęcherza moczowego, czerniaka, piersi i innych narządów. Receptory P2Y1 i P2Y2 były wyrażane i zaangażowane w proliferację komórek; receptory P2X5 były zaangażowane w różnicowanie (i dlatego były antyproliferacyjne), podczas gdy receptory P2X7 były zaangażowane w śmierć komórek w wielu guzach (ryc. 5). Wykazano jednak, że receptory P2X7 pośredniczą zarówno w proliferacji komórek nowotworowych, jak i w apoptotycznej śmierci komórek. Być może niskie stężenia uwolnionego ATP promują proliferację, podczas gdy wysokie stężenia prowadzą do śmierci komórek. W ludzkich czerniakach dochodzi do ekspresji funkcjonalnych receptorów P2X7, które pośredniczą w apoptozie, natomiast agoniści receptorów P2Y1 i P2Y2 powodują odpowiednio spadek i wzrost liczby komórek. W ludzkim raku kolczystokomórkowym receptory P2Y2, P2X5 i P2X7 wydają się być związane odpowiednio z proliferacją, różnicowaniem i śmiercią komórek .

Używając linii komórkowej HT-1376 raka pęcherza moczowego wysokiego stopnia, receptory P2X5 i P2Y11 pośredniczyły w antynowotworowym działaniu ATP, podczas gdy receptory P2X7 pośredniczyły w apoptotycznej śmierci komórek . Linie komórkowe opornego na leczenie hormonalne raka prostaty wykazały podobne wyniki. ATP zmniejszał wzrost in vivo zaawansowanego, opornego na leczenie hormonalne raka prostaty wszczepionego myszom. Badania kliniczne wykazały, że systemowe podawanie ATP może mieć korzystne działanie (wydłużenie przeżycia i zmniejszenie wyniszczenia) u pacjentów z rakiem płuc .

Mechanizmy drugiego posłańca i czynniki transkrypcyjne zaangażowane w krótko- i długoterminową sygnalizację purynergiczną

Mechanizmy drugiego posłańca zaangażowane w krótkoterminową sygnalizację purynergiczną były analizowane w wielu badaniach dla receptorów kanałów jonowych P2X . Zajęcie zarówno receptorów P2X jak i P2Y prowadzi do wzrostu wewnątrzkomórkowego Ca2+, receptorów P2X ze źródeł zewnątrzkomórkowych, a receptorów P2Y ze źródeł wewnątrzkomórkowych . Wykazano, że zewnątrzkomórkowy ATP aktywuje trimeryczną strukturę kanału P2X poprzez wiązanie trzech miejsc wiążących między podjednostkami, co prowadzi do rearanżacji konformacyjnych, które są przenoszone na heliksy transmembranowe połączone z domenami wiążącymi ATP za pomocą nici β. Sprzężenie podtypów receptora P2Y ze specyficznymi białkami G było początkowo wnioskowane na podstawie pośrednich dowodów z ruchu wewnątrzkomórkowych poziomów IP3, wapnia, cyklicznego AMP (cAMP) i określania wrażliwości na toksynę krztuśca. Bezpośrednie dowody uzyskano mierząc efekt hydrolizy ADP i GTP w pęcherzykach odtworzonych z P2Y1 i albo Gαqβ1γ2 albo Gα11β1γ2 . Receptory P2Y sprzężone z białkiem G modulują również aktywność napięciowo bramkowanych kanałów jonowych w błonie komórkowej poprzez aktywność aktywowanych białek G (patrz szczegółowa analiza).

Czynniki transkrypcyjne zaangażowane w długotrwałą sygnalizację troficzną są bardziej złożone, jak wskazano na rycinie 6. Zaproponowano rolę napływu wapnia w proliferacji komórek. Zewnętrzne stężenie wapnia jest ważne dla funkcji kanałów wapniowych, a także reguluje aktywność receptorów wyczuwających wapń. Aktywacja receptora P2Y11 przez ATP, na przykład, prowadzi do wzrostu cAMP oraz IP3 i wapnia cytozolowego, podczas gdy aktywacja przez UTP powodowała mobilizację wapnia bez wzrostu IP3 lub cAMP .

Podsumowanie

Trimeryczne receptory kanałów jonowych P2X w dużej mierze pośredniczą w krótkotrwałej sygnalizacji purynergicznej, chociaż istnieją przykłady sygnalizacji długotrwałej pośredniczonej przez receptory P2X. P1 i P2Y G-protein-coupled receptory są głównie zaangażowane w długoterminowe (troficzne) purinergic sygnalizacji, ale istnieją również przykłady mediacji krótkoterminowych zdarzeń. Przykłady obu typów sygnalizacji purynergicznej są badane, a wewnątrzkomórkowe mechanizmy translacyjne omawiane. Znajomość mechanizmów leżących u podstaw zarówno krótko-, jak i długoterminowej sygnalizacji purynergicznej pomoże w rozwoju leków purynergicznych do celów terapeutycznych.

Interesy konkurencyjne

Zgłaszam, że nie mam interesów konkurencyjnych.

Finansowanie

Nie otrzymałem żadnych funduszy na to badanie.

Footnotes

Jeden wkład z 15 do numeru spotkania Theo Murphy’ego „Evolution brings Ca2+ and ATP together to control life and death”.

.