Semnalizarea purinergică pe termen scurt și pe termen lung (trofică)

Introducere

Propunerea că nucleotidele purinice sunt molecule de semnalizare extracelulară, precum și o sursă de energie intracelulară, a fost raportată pentru prima dată de Drury & Szent-Györgyi . Apoi, în 1970, s-a demonstrat că adenozina 5′-trifosfatul (ATP) este un transmițător în transmisia neuromusculară autonomă, iar într-o analiză ulterioară a fost introdus termenul de semnalizare „purinergică” . Acest concept nu a fost acceptat de mulți în următorii 20 de ani. Familii separate de receptori purinergici, P1 (adenozină) și P2 (ATP/adenozină 5′-difosfat (ADP)) au fost descrise în 1978 , dar punctul de cotitură în acceptarea semnalizării purinergice a venit după ce receptorii pentru purine și pirimidine au fost clonați și caracterizați la începutul anilor 1990 . În prezent sunt recunoscuți patru subtipuri de receptori P1 (A1, A2A, A2B, A3), șapte receptori ai canalului ionic P2X (P2X1-7) și opt receptori cuplați cu proteina G (P2Y1, P2Y2, P2Y4, P2Y6, P2Y11, P2Y12, P2Y13, P2Y14). Activarea receptorilor P2 duce la creșterea Ca2+ intracelular: din surse extracelulare pentru receptorii P2X și din situsuri intracelulare pentru receptorii P2Y. Poate din cauza originii lor străvechi, gama de subtipuri de purinoceptoare are proprietatea unică de a fi extraordinar de larg răspândită în toate celulele și țesuturile vii . Spre deosebire de toți ceilalți transmițători chimici, care sunt, de regulă, separați de anumite tipuri de celule și de anumite funcții, receptorii pentru purine și pirimidine se găsesc peste tot și este aproape imposibil să găsești o celulă fără sensibilitate la ATP și la analogii săi. A avut loc o expansiune rapidă a domeniului începând cu 1995 .

Semnalizare purinergică pe termen scurt

S-a demonstrat că ATP este un transmițător eliberat de nervii non-adrenergici și non-colinergici pentru a produce semnalizare purinergică pe termen scurt de la nervii enterici inhibitori la cobaiul taenia coli și de la nervii parasimpatici excitatori din vezica urinară . Semnalizarea purinergică pe termen scurt a fost demonstrată atunci când ATP a fost identificat ca un co-transmițător împreună cu noradrenalina în nervii simpatici din taenia coli, membrana nictizantă a pisicii, vasele deferente și în vasele de sânge. ATP este, de asemenea, un co-transmițător cu acetilcolina în nervii motori care alimentează mușchii scheletici în curs de dezvoltare, vezica urinară și corpul carotidian și în nervii senzorio-motori cu substanța P și peptida legată de gena calcitoninei. Ulterior, s-a demonstrat că ATP este un cotransmițător, mediind semnalizarea purinergică pe termen scurt, în neuronii din sistemul nervos central (SNC). Implicarea semnalizării purinergice pe termen scurt în controlul tonusului vascular este ilustrată în figura 1. Transmisia sinaptică purinergică între nervi a fost evidențiată în ganglionul celiac și în habenula medială din creier . ATP eliberat în timpul transmiterii sinaptice poate activa receptorii astrocitelor, care, la rândul lor, inițiază semnale de Ca2+ și propagă valuri de Ca2+ în rețelele astrogliale prin activarea receptorilor P2Y și difuzarea de trisfosfat de inositol (IP3) prin joncțiunile gap . Receptorii ionotropici P2X sunt responsabili pentru semnalizarea astrocitară rapidă, în timp ce receptorii metabotropici P2Y mediază efectele pe termen lung .

Semnalizarea pe termen scurt implicată în neuromodularea prejuncțională prin intermediul receptorilor P1 și P2 a fost, de asemenea, recunoscută atât în sistemul periferic, cât și în SNC . Purinoceptorii sunt prezenți pe scară largă în SNC, unde mediază excitabilitatea neuronală și sunt importanți pentru semnalizarea în circuitele neuronale-gliale, fiind un gliotransmițător important .

Purinoceptorii sunt prezenți în toate țesuturile periferice, fiind implicați în reglarea pe termen scurt, precum și pe termen lung a diferitelor funcții, inclusiv transmisia neuromusculară și sinaptică și secreția în intestin , și secreția în rinichi, ficat și sistemul reproducător . În sistemele vascular și respirator, ATP mediază activitățile reflexe prin activarea nervilor senzoriali . Activarea purinoceptorilor poate media răspunsuri rapide în sistemul imunologic, în celulele sanguine, în piele, oase și mușchi, în tractul urinar și în inimă. Semnalizarea purinergică pe termen scurt are loc, de asemenea, în secreția celulelor endocrine și non-endocrine . Receptorii P2X3 și P2X2/3 sunt implicați în nocicepție . Semnalizarea purinergică prin intermediul receptorilor P2Y12 este bine stabilită pentru controlul agregării plachetare.

Semnalizarea purinergică pe termen lung (trofică)

ATP și analogii săi sunt implicați în remodelarea țesuturilor ca răspuns la leziuni și joacă un rol cheie în reglarea reparației și regenerării ulterioare. Stimularea purinoceptorilor declanșează astroglioza, răspunsul generalizat al astrocitelor la leziunile cerebrale, care implică proliferarea celulară și remodelarea circuitelor neuronale . Astroglioza reactivă este esențială atât pentru formarea cicatricii și limitarea zonei deteriorate a creierului (prin astroglioza anizomorfă), cât și pentru remodelarea post-insultă și recuperarea funcției neuronale (prin astroglioza izomorfă). Evenimentele inițiale în răspunsurile astrogliilor la semnalizarea purinergică sunt instrumentale pentru excitabilitatea Ca2+ glială sau pot iniția efecte pe termen lung . Pentru astroglioza reactivă, nu numai că a fost absolut necesară creșterea calciului intracelular, dar s-a demonstrat că ATP este, de asemenea, unul dintre factorii-cheie implicați în inițierea acesteia prin activarea receptorilor cuplați cu proteina G P2Y legați de fosfolipază C și IP3 . Aceste efecte proliferative trofice/astrogliotice ale agoniștilor P2 au fost constatate atât in vitro, în culturile gliale, cât și in vivo, în nucleul accumbens al șobolanilor . Receptorii P2X mediază potențarea pe termen lung în hipocampus . Activarea receptorilor P2X poate avea efecte multiple asupra plasticității sinaptice, inhibând sau facilitând modificările pe termen lung ale forței sinaptice, în funcție de contextul fiziologic . Semnalizarea purinergică pe termen lung apare, de asemenea, în inflamația cronică și în durerea neuropată .

(a) Dezvoltarea embriologică

Subtipurile de receptori P2 apar în mod tranzitoriu atât în timpul dezvoltării embriologice, cât și în timpul dezvoltării postnatale, sugerând că ATP este implicat în proliferarea, diferențierea, motilitatea și moartea secvențială a celulelor în timpul evenimentelor complexe implicate . De exemplu, la embrionii Xenopus, un nou receptor P2Y8 a fost clonat și s-a demonstrat că este exprimat în mod tranzitoriu în placa neurală și în tubul neural din stadiile 13-18 și din nou în stadiul 28, când are loc neuralizarea secundară în mugurul cozii . Expresia tranzitorie a receptorilor P2Y1 în mugurii de membru ai embrionilor de pui mediază o proliferare celulară rapidă . În timpul dezvoltării postnatale a cerebelului și a mușchilor scheletici au fost descrise modificări ale expresiei subtipurilor de receptori P2X. Este probabil ca semnalizarea purinergică în dezvoltare să implice o interacțiune încrucișată între mai multe alte căi de semnalizare, inclusiv factori de creștere, citokine și componente ale matricei extracelulare . În timpul dezvoltării timpurii a miotubului au fost prezenți receptorii P2X5, urmați de expresia receptorilor P2X6, iar apoi receptorii P2X2 au fost exprimați în timpul dezvoltării joncțiunii neuromusculare. Tranzițiile de Ca2+ provocate de ATP în retina de pui au fost cele mai puternice încă de la E3, dar au fost reduse drastic la E11-13,5 . Mecanisme similare sunt implicate în neurogeneza adultă .

(b) Formarea și resorbția osoasă

Activitatea osteoclastelor și resorbția osoasă sunt activate de ADP prin intermediul receptorilor P2Y1, în timp ce semnalizarea ATP și a uridinei 5′-trifosfatului (UTP) prin intermediul receptorilor P2Y2 în osteoblaste inhibă creșterea și mineralizarea osoasă (figura 2) . Receptorii P2X7 au roluri de reglementare trofică în formarea și resorbția osoasă . Osteoblastele activate de receptorii P2X7 prezintă o diferențiere și o formare osoasă îmbunătățite , în timp ce activarea receptorilor P2X7 ai osteoclastelor evocă apoptoza și resorbția osoasă .

(c) Remodelarea vasculară în ateroscleroză și restenoza post-angioplastie

ATP și UTP care acționează prin intermediul receptorilor P2Y2 determină proliferarea celulelor musculare netede vasculare. Proliferarea celulelor endoteliale este produsă de ADP care acționează prin intermediul receptorilor P2Y1. Adenozina prin intermediul receptorilor A2 mediază inhibarea proliferării mușchilor netezi, dar stimularea proliferării celulelor endoteliale (figura 3) . Acest lucru sugerează că creșterea mușchilor netezi vasculari și a celulelor endoteliale atât în ateroscleroză cât și în hipertensiune poate fi mediată de acțiunile trofice ale purinelor și pirimidinelor eliberate de nervi și de celulele endoteliale și în restenoza post-angioplastie . Receptorii P2Y4 par a fi regulatori ai angiogenezei . Sinteza ADN-ului și migrarea celulelor endoteliale vasculare în vasa vasorum este crescută de ATP în vasele pulmonare bolnave . Boala microvasculară este caracterizată de un raport perete-lumen crescut la pacienții diabetici. Acest lucru se datorează probabil unei creșteri a celulelor musculare netede vasculare care duce la rate mai mari de restenoză după angioplastie. Eliberarea de ATP, indusă de un nivel ridicat de glucoză, stimulează creșterea celulelor musculare netede vasculare prin intermediul receptorilor P2Y . Un tip neobișnuit de semnalizare purinergică pe termen lung este dovada că, la o concentrație critică de ATP, care acționează atât asupra eritrocitelor cât și asupra celulelor endoteliale , duce la creșterea eliberării de ATP în sângele circulant timp de câteva ore.

(d) Piele

Epitelile scuamoase stratificate din pielea de șobolan, precum și din cornee, esofag, palat moale, vagin și limbă au prezentat o imunomarcație puternică a receptorului P2X5 asociată cu diferențierea celulară în straturile de celule spinoase și granulare, dar nu și în straturile exterioare bazale cuboidale. A existat o imunomarcație puternică a receptorilor P2X7 în stratul exterior, asociată cu moartea celulară apoptotică . Există o rotație rapidă a epiteliului intestinului subțire. Receptorii P2X5 sunt exprimați pe „tulpina” îngustă a celulelor caliciale din vilozități, în timp ce imunoreactivitatea receptorilor P2X7 este observată doar pe membranele enterocitelor și ale celulelor caliciale de la vârful vilozității, unde celulele sunt în curs de apoptoză .

Expresia subtipurilor de receptori P2X5, P2X7, P2Y1 și P2Y2 a fost studiată în keratinocitele epidermice umane sănătoase în relație cu markerii de proliferare (PCNA și Ki-67), diferențiere (citokeratină KIO și involucrină) și apoptoză (TUNEL și anticaspază-3). Receptorii P2Y1 și P2Y2 au fost imunoreactivi în keratinocitele bazale și parabazale. Expresia receptorilor P2X5 în stratum spinosum și a receptorilor P2X7 în stratum corneum a fost asociată cu diferențierea celulară (și antiproliferarea ulterioară) și, respectiv, cu moartea celulară apoptotică (figura 4). Experimentele funcționale pe keratinocite cultivate au arătat o creștere a numărului de celule ca răspuns la agonistul receptorului P2Y1 2-metiltio ADP și la agonistul receptorului P2Y2 UTP. În schimb, s-a înregistrat o scădere semnificativă a numărului de celule în cazul agonistului ATPγS al receptorului P2X5 și al agonistului 2′(3′)-O-(4-benzoilbenzoil) ATP al receptorului P2X7. S-a demonstrat, de asemenea, că receptorii P2Y1 din stratul bazal al epidermei fetale umane în curs de dezvoltare au fost asociați cu proliferarea . Receptorii P2X5, predominant în straturile bazal și intermediar, au fost asociați cu diferențierea, în timp ce receptorii P2X7 din periderm au fost asociați cu moartea celulară apoptotică.

Semnalizarea purinergică este implicată în vindecarea rănilor. În epiderma în curs de regenerare a rănilor denervate, expresia receptorului P2Y1 a fost crescută în keratinocite, în timp ce expresia receptorului P2Y2 a fost diminuată . Tratamentul cu factor de creștere nervoasă (NGF) al rănilor denervate a redus expresia receptorilor P2Y1 și a crescut expresia receptorilor P2Y2. Tratamentul cu NGF a îmbunătățit atât receptorii P2X5, cât și pe cei P2Y1 în keratinocitele din rănile inervate. În toate procesele experimentale de vindecare a rănilor, receptorii P2X7 au fost absenți.

Foliculii de păr anagen uman exprimă receptorii P2Y1, P2Y2 și P2X5 . Receptorii P2Y1 au fost prezenți în celulele proliferante din teaca externă a rădăcinii și din bulb, în timp ce receptorii P2X5 au fost asociați cu diferențierea tecii interne și externe a rădăcinii și a măduvei. Receptorii P2Y2 au fost găsiți în celulele de la marginea cortexului/medularului, în timp ce receptorii P2X7 nu au fost prezenți.

(e) Cancer

A fost descrisă o analiză a subtipurilor de receptori purinergici implicați în dezvoltarea tumorilor la nivelul prostatei, vezicii urinare, melanomului, sânului și altor organe. Receptorii P2Y1 și P2Y2 au fost exprimați și implicați în proliferarea celulară; receptorii P2X5 au fost implicați în diferențiere (și, prin urmare, au fost antiproliferativi), în timp ce receptorii P2X7 au fost implicați în moartea celulară în multe tumori (figura 5). Cu toate acestea, s-a demonstrat că receptorii P2X7 mediază atât proliferarea celulelor canceroase, cât și moartea celulară apoptotică . Este posibil ca concentrațiile scăzute de ATP eliberat să favorizeze proliferarea, în timp ce concentrațiile ridicate conduc la moartea celulară. În melanoamele umane, sunt exprimați receptori P2X7 funcționali care mediază apoptoza , în timp ce agoniștii receptorilor P2Y1 și P2Y2 determină o scădere și, respectiv, o creștere a numărului de celule . În carcinomul uman cu celule scuamoase, receptorii P2Y2, P2X5 și P2X7 par a fi asociați cu proliferarea, diferențierea și, respectiv, moartea celulară .

Utilizând linia celulară de cancer de vezică urinară de grad înalt HT-1376, receptorii P2X5 și P2Y11 au mediat efectele antineoplazice ale ATP, în timp ce receptorii P2X7 au mediat moartea celulară apoptotică . Liniile celulare de cancer de prostată refractar la hormoni au prezentat rezultate similare . ATP a redus creșterea in vivo a cancerului de prostată avansat refractar la hormoni implantat în șoareci. Studiile clinice au demonstrat că administrarea sistemică de ATP poate avea efecte benefice (prelungirea supraviețuirii și reducerea cașexiei) la pacienții cu cancer pulmonar .

Mecanismele de mesager secundar și factorii de transcripție implicați în semnalizarea purinergică pe termen scurt și lung

Mecanismele de mesager secundar implicate în semnalizarea purinergică pe termen scurt au fost analizate într-o serie de studii pentru receptorii canalelor ionice P2X . Ocuparea atât a receptorilor P2X cât și a receptorilor P2Y duce la o creștere a Ca2+ intracelular, receptorii P2X din surse extracelulare și receptorii P2Y din surse intracelulare . S-a demonstrat că ATP extracelular activează structura trimerică a canalului P2X prin legarea celor trei situsuri de legare a intersubunităților, ceea ce duce la rearanjamente conformaționale care sunt transferate la elicele transmembranare legate de domeniile de legare a ATP prin firele β . Cuplarea subtipurilor de receptori P2Y cu proteine G specifice a fost inițial dedusă din dovezile indirecte provenite din mișcarea nivelurilor intracelulare de IP3, calciu, AMP ciclic (cAMP) și determinarea sensibilității la toxina pertussis. Au urmat dovezi directe prin măsurarea efectului hidrolizei ADP și GTP în vezicule reconstituite cu P2Y1 și fie Gαqβ1γ2, fie Gα11β1γ2 . Receptorii P2Y cuplați cu proteina G modulează, de asemenea, activitatea canalelor ionice cu voltaj în membrana celulară prin activitatea proteinelor G activate (a se vedea pentru o analiză detaliată).

Factorii de transcripție implicați în semnalizarea trofică pe termen lung sunt mai complecși, așa cum este indicat în figura 6. A fost propus un rol al influxului de calciu în proliferarea celulară . Concentrația externă de calciu este importantă pentru funcția canalelor de calciu și reglează, de asemenea, activitatea receptorilor de detecție a calciului. Activarea receptorului P2Y11 de către ATP, de exemplu, duce la o creștere a cAMP și a IP3 și a calciului citosolic, în timp ce s-a demonstrat că activarea prin UTP produce o mobilizare a calciului fără creșterea IP3 sau cAMP .

Concluzie

Receptorii trimerici ai canalului ionic P2X mediază în mare parte semnalizarea purinergică pe termen scurt, deși există exemple de semnalizare pe termen lung mediată de receptorii P2X. Receptorii P1 și P2Y cuplați cu proteina G sunt implicați predominant în semnalizarea purinergică pe termen lung (trofică), dar există și exemple de mediere a evenimentelor pe termen scurt. Sunt explorate exemple ale ambelor tipuri de semnalizare purinergică și sunt discutate mecanismele intracelulare de translație implicate. Cunoașterea mecanismelor de bază implicate atât în semnalizarea mediată de purinoceptorii pe termen scurt, cât și pe termen lung va ajuta la dezvoltarea de medicamente purinergice în scopuri terapeutice.

Interesele concurente

Declarăm că nu am interese concurente.

Finanțare

Nu am primit nicio finanțare pentru acest studiu.

Notele de subsol

O contribuție din 15 la o ediție a reuniunii Theo Murphy „Evolution brings Ca2+ and ATP together to control life and death”.