Kort- och långsiktig (trofisk) purinerga signalering

Introduktion

Förslaget om att purinnukleotider är extracellulära signalmolekyler samt en intracellulär energikälla rapporterades först av Drury & Szent-Györgyi . 1970 visades att adenosin 5′-trifosfat (ATP) var en sändare i autonom neuromuskulär överföring och i en senare översikt introducerades termen ”purinerga” signalering . Detta begrepp accepterades inte av många under de följande 20 åren. Separata purinerga receptorfamiljer, P1 (adenosin) och P2 (ATP/adenosin 5′-difosfat (ADP)) beskrevs 1978, men vändpunkten för acceptans av purinerga signaler kom efter det att receptorerna för puriner och pyrimidiner klonades och karakteriserades i början av 1990-talet . Fyra P1-receptorsubtyper (A1, A2A, A2B, A3), sju P2X-jonkanalreceptorer (P2X1-7) och åtta G-proteinkopplade receptorer (P2Y1, P2Y2, P2Y4, P2Y6, P2Y11, P2Y12, P2Y13, P2Y14) är för närvarande erkända . Aktivering av P2-receptorer leder till en ökning av intracellulärt Ca2+: från extracellulära källor för P2X-receptorer och från intracellulära platser för P2Y-receptorer. Kanske på grund av sitt urgamla ursprung har en rad purinoceptor-subtyper den unika egenskapen att de är utomordentligt vitt spridda i levande celler och vävnader . I motsats till alla andra kemiska transmittorer, som i regel är segregerade till vissa celltyper och vissa funktioner, finns receptorerna för puriner och pyrimidiner överallt, och det är nästan omöjligt att hitta en cell som inte är känslig för ATP och dess analoger. Det har skett en snabb expansion av området sedan 1995 .

Kortsiktig purinerga signalering

ATP visades vara en transmittor som frigörs från icke-adrenerga, icke-kolinerga nerver för att producera kortsiktig purinerga signalering från inhiberande enteriska nerver i marsvinet Tainia coli och från excitatoriska parasympatiska nerver i urinblåsan . Kortsiktig purinerg signalering påvisades när ATP identifierades som en samtransmittent med noradrenalin i sympatiska nerver i taenia coli, katts niktitationsmembran, vas deferens och i blodkärl . ATP är också en samtransmittent med acetylkolin i motoriska nerver som försörjer skelettmuskulaturen under utveckling, urinblåsan och halspulsådern och i sensorisk-motoriska nerver med substans P och kalcitonin genrelaterad peptid . Senare visade sig ATP vara en samtransmittent som förmedlar kortsiktig purinerga signaler i neuroner i det centrala nervsystemet (CNS) . Den kortsiktiga purinerga signaleringens inblandning i kontrollen av kärltonen illustreras i figur 1. Purinerga synaptiska överföringar mellan nerver har påvisats i hjärnans ganglion coeliacus och medial habenula . ATP som frigörs under synaptisk överföring kan aktivera astrocytreceptorer, som i sin tur initierar Ca2+-signaler och sprider Ca2+-vågor i de astrogliala nätverken via aktivering av P2Y-receptorer och spridning av inositoltrisfosfat (IP3) genom gap junctions . Jonotropa P2X-receptorer är ansvariga för snabb astrocytisk signalering, medan metabotropa P2Y-receptorer förmedlar långsiktiga effekter .

Kortsiktig signalering som är involverad i prejunktionell neuromodulering via både P1- och P2-receptorer har också uppmärksammats i både perifera och CNS . Purinoceptorer finns i stor utsträckning i CNS, där de förmedlar neuronal excitabilitet och är viktiga för signalering i neuronala-gliala kretsar, eftersom de är en viktig gliotransmittor .

Purinoceptorer finns i alla perifera vävnader och är involverade i kortsiktig såväl som långsiktig reglering av olika funktioner, inklusive neuromuskulär och synaptisk överföring och sekretion i tarmen, samt sekretion i njurar, lever och reproduktionssystem . I kärl- och andningssystemen förmedlar ATP reflexverksamhet genom aktivering av sensoriska nerver . Aktivering av purinoceptorer kan förmedla snabba reaktioner i det immunologiska systemet , i blodkroppar , hud , ben och muskler , urinvägar och hjärta . Kortsiktig purinerg signalering sker också i sekret från endokrina och icke-endokrina celler . P2X3- och P2X2/3-receptorer är involverade i nociception . Purinerga signaler via P2Y12-receptorer är väl etablerade för kontroll av trombocytaggregation.

Långsiktiga (trofiska) purinerga signaler

ATP och dess analoger är involverade i vävnadsremodellering som svar på skada och spelar en nyckelroll i regleringen av efterföljande reparation och regenerering . Stimulering av purinoceptorer utlöser astroglios, den generella reaktionen hos astrocyter på hjärnskador, med cellproliferation och ombyggnad av det neurala kretsloppet . Reaktiv astroglios är avgörande både för bildandet av ärr och begränsning av det hjärnskadade området (genom anisomorf astroglios) och för ommodellering och återhämtning av neurala funktioner (genom isomorf astroglios). De första händelserna i astroglias reaktioner på purinerga signaler är avgörande för glias Ca2+-excitabilitet eller kan initiera långtidseffekter . För reaktiv astroglios var inte bara en ökning av det intracellulära kalciumet absolut nödvändig, utan ATP visade sig också vara en av de viktigaste faktorerna för att initiera den via aktivering av P2Y G-proteinkopplade receptorer kopplade till fosfolipas C och IP3 . Dessa trofiska/astrogliotiska proliferativa effekter av P2-agonister konstaterades både in vitro, i gliakulturer, och in vivo, i nucleus accumbens hos råttor . P2X-receptorer förmedlar långtidspotentiering i hippocampus . Aktivering av P2X-receptorer kan ha flera effekter på synaptisk plasticitet och antingen hämma eller underlätta de långsiktiga förändringarna av synaptisk styrka beroende på det fysiologiska sammanhanget . Långsiktig purinerg signalering förekommer också vid kronisk inflammation och neuropatisk smärta .

(a) Embryologisk utveckling

P2-receptorsubtyper uppträder övergående under både embryonal och postnatal utveckling, vilket tyder på att ATP är inblandat i cellers sekventiella proliferation, differentiering, rörlighet och död under de komplexa händelser som är inblandade . I Xenopus-embryon klonades t.ex. en ny P2Y8-receptor och det visades att den tillfälligt uttrycks i neuralplattan och neuralröret från stadium 13 till 18 och återigen vid stadium 28, när sekundär neurulering sker i svansknoppen . Övergående uttryck av P2Y1-receptorer i kycklingembryonens lemknoppar medierar snabb cellproliferation . Under den postnatala utvecklingen av lillhjärnan och skelettmuskulaturen har förändringar i uttrycket av P2X-receptorsubtyper beskrivits. Purinerg signalering i utvecklingen inbegriper troligen en korsverkan mellan flera andra signalvägar, inklusive tillväxtfaktorer, cytokiner och komponenter i den extracellulära matrisen . Under myotubens tidiga utveckling förekom P2X5-receptorer, följt av P2X6-receptoruttryck, och sedan uttrycktes P2X2-receptorer under utvecklingen av den neuromuskulära korsningen. ATP-väckta Ca2+-transienter i kycklingens näthinna var starkast redan vid E3, men minskade drastiskt vid E11-13,5 . Liknande mekanismer är involverade i vuxen neurogenes .

(b) Benbildning och benresorption

Osteoklastaktivitet och benresorption aktiveras av ADP via P2Y1-receptorer, medan ATP- och uridin 5′-trifosfat (UTP)-signalering via P2Y2-receptorer i osteoblaster hämmar bentillväxt och mineralisering (figur 2) . P2X7-receptorer har trofiska reglerande roller vid benbildning och benresorption . Osteoblaster som aktiveras av P2X7-receptorer uppvisar ökad differentiering och benbildning , medan P2X7-receptoraktivering av osteoklaster framkallar apoptos och benresorption .

(c) Vaskulär remodellering vid ateroskleros och restenos efter angioplastik

ATP och UTP som verkar via P2Y2-receptorer orsakar proliferation av vaskulära glatta muskelceller. Proliferation av endotelceller orsakas av ADP som verkar via P2Y1-receptorer. Adenosin som verkar via A2-receptorer hämmar proliferation av glatt muskulatur men stimulerar proliferation av endotelceller (figur 3). Detta tyder på att ökningen av slät muskulatur och endotelceller i kärl vid både ateroskleros och hypertoni kan förmedlas av de trofiska effekterna av puriner och pyrimidiner som frigörs från nerver och endotelceller och vid restenos efter angioplastik . P2Y4-receptorer verkar vara reglerare av angiogenes . DNA-syntesen och migrationen av vaskulära endotelceller i vasa vasorum ökas av ATP i sjuka lungkärl . Mikrovaskulära sjukdomar kännetecknas av ett ökat vägg-lumenförhållande hos diabetespatienter. Detta beror troligen på en ökning av kärlens glatta muskelceller, vilket leder till en högre grad av restenos efter angioplastik. Frigörandet av ATP, som induceras av hög glukos, stimulerar tillväxten av glatta kärlmuskelceller via P2Y-receptorer . En ovanlig typ av långsiktig purinerg signalering är beviset för att ATP vid en kritisk koncentration, som verkar på både erytrocyter och endotelceller, leder till ökad frisättning av ATP i det cirkulerande blodet under flera timmar.

(d) Hud

Stratifierade skivepitelceller i råttans hud samt hornhinna, matstrupe, mjuka gommen, vagina och tunga uppvisade kraftig immunfärgning av P2X5-receptorn i samband med celldifferentiering i de spinniga och granulära cellskikten, men inte i de basala cuboida yttre lagren. Det fanns en kraftig immunfärgning av P2X7-receptorer i det yttre lagret, vilket är förknippat med apoptotisk celldöd . Det sker en snabb omsättning av tunntarmens epitel. P2X5-receptorer uttrycks på den smala ”stammen” av villans gobletceller, medan P2X7-receptorns immunoreaktivitet endast ses på membranen hos enterocyterna och gobletcellerna i toppen av villan, där cellerna genomgår apoptos .

P2X5-, P2X7-, P2Y1- och P2Y2-receptorsubtypernas uttryck studerades i friska humana epidermala keratinocyter i förhållande till markörer för proliferation (PCNA och Ki-67), differentiering (cytokeratin KIO och involucrin) och apoptos (TUNEL och anticaspase-3). P2Y1- och P2Y2-receptorer var immunoreaktiva i basala och parabasala keratinocyter. Uttryck av P2X5-receptorer i stratum spinosum och P2X7-receptorer i stratum corneum förknippades med celldifferentiering (och efterföljande antiproliferation) respektive apoptotisk celldöd (figur 4). Funktionella experiment på odlade keratinocyter visade en ökning av antalet celler som svar på P2Y1-receptoragonisten 2-metylthio ADP och P2Y2-receptoragonisten UTP. Däremot fanns det en signifikant minskning av antalet celler med P2X5-receptoragonisten ATPγS och P2X7-receptoragonisten 2′(3′)-O-(4-benzoylbenzoyl)ATP. Det visades också att P2Y1-receptorer i det basala skiktet av den mänskliga fetala epidermis under utveckling var förknippade med proliferation . P2X5-receptorer, främst i de basala och intermediära lagren, var förknippade med differentiering, medan P2X7-receptorer i peridermen var förknippade med apoptotisk celldöd.

Purinerga signaler är involverade i sårläkning. I regenererande epidermis av denerverade sår ökade P2Y1-receptoruttrycket i keratinocyter, medan P2Y2-receptoruttrycket minskade . Behandling med nervtillväxtfaktor (NGF) av denerverade sår minskade uttrycket av P2Y1-receptorer och ökade uttrycket av P2Y2-receptorer. NGF-behandling ökade både P2X5- och P2Y1-receptorer i keratinocyter i innerverade sår. I alla experimentella sårläkningsprocesser saknades P2X7-receptorer.

Humana anagen hårsäckar uttrycker P2Y1-, P2Y2- och P2X5-receptorer . P2Y1-receptorer fanns i prolifererande celler i den yttre rotskidan och bulben, medan P2X5-receptorer var förknippade med differentiering av den inre och yttre rotskidan och märgen. P2Y2-receptorer fanns i celler vid kanten av cortex/medulla, medan P2X7-receptorer inte förekom.

(e) Cancer

Analys av de purinerga receptor-subtyper som är involverade i utvecklingen av tumörer i prostata , urinblåsa , melanom , bröst och andra organ har beskrivits . P2Y1- och P2Y2-receptorer uttrycktes och var involverade i cellproliferation; P2X5-receptorer var involverade i differentiering (och var därför antiproliferativa), medan P2X7-receptorer var involverade i celldöd i många tumörer (figur 5). P2X7-receptorer har dock visat sig förmedla både proliferation av cancerceller och apoptotisk celldöd. Det kan vara så att låga koncentrationer av frigjord ATP främjar proliferation, medan höga koncentrationer leder till celldöd. I humana melanom uttrycks funktionella P2X7-receptorer som förmedlar apoptos , medan P2Y1- och P2Y2-receptoragonister orsakar en minskning respektive ökning av antalet celler . I skivepitelcancer hos människa tycks P2Y2-, P2X5- och P2X7-receptorer vara förknippade med proliferation, differentiering respektive celldöd .

Med hjälp av cellinjen HT-1376 för höggradig blåscancer förmedlade P2X5- och P2Y11-receptorerna de anti-neoplastiska effekterna av ATP, medan P2X7-receptorerna förmedlade apoptotisk celldöd . Cellinjer av hormonrefraktär prostatacancer visade liknande resultat . ATP minskade in vivo-tillväxten av avancerad hormonrefraktär prostatacancer som implanterats i möss . Kliniska försök har visat att systemisk administrering av ATP kan ha gynnsamma effekter (förlängd överlevnad och minskad kachexi) hos lungcancerpatienter .

Second messenger-mekanismer och transkriptionsfaktorer som är involverade i kort- och långsiktig purinerga signalering

De second messenger-mekanismer som är involverade i kortsiktig purinerg signalering har analyserats i ett antal studier för P2X-jonkanalreceptorer . Upptag av både P2X- och P2Y-receptorer leder till en ökning av intracellulärt Ca2+, P2X-receptorer från extracellulära källor och P2Y-receptorer från intracellulära källor . Det visades att extracellulär ATP aktiverar P2X-kanalens trimeriska struktur genom att binda de tre intersubunit-bindningsställena, vilket leder till konformationsomläggningar som överförs till transmembranhelixer som är kopplade till ATP-bindningsdomäner med β-strängar . Kopplingen av P2Y-receptorsubtyperna till specifika G-proteiner fastställdes ursprungligen genom indirekta bevis från förflyttning av intracellulära nivåer av IP3, kalcium, cykliskt AMP (cAMP) och bestämning av pertussistoxinkänslighet. Direkta bevis följde genom att mäta effekten av ADP- och GTP-hydrolys i vesiklar rekonstituerade med P2Y1 och antingen Gαqβ1γ2 eller Gα11β1γ2 . G-proteinkopplade P2Y-receptorer modulerar också aktiviteten hos spänningsstyrda jonkanaler i cellmembranet genom aktiviteten hos aktiverade G-proteiner (se för en detaljerad analys).

De transkriptionsfaktorer som är involverade i långsiktig trofisk signalering är mer komplexa, vilket framgår av figur 6. En roll för kalciuminflödet i cellproliferation har föreslagits . Den externa kalciumkoncentrationen är viktig för kalciumkanalernas funktion och reglerar även kalciumsensorreceptorernas aktivitet. Aktivering av P2Y11-receptorn med ATP leder till exempel till en ökning av cAMP och av IP3 och cytosoliskt kalcium, medan aktivering med UTP visade sig ge kalciummobilisering utan IP3- eller cAMP-ökning .

Slutsats

Trimeriska P2X-jonkanalreceptorer förmedlar till stor del kortsiktig purinerga signalering, även om det finns exempel på P2X-receptormedierad långsiktig signalering. P1- och P2Y G-proteinkopplade receptorer är huvudsakligen involverade i långsiktig (trofisk) purinerg signalering, men det finns också exempel på mediering av kortsiktiga händelser. Exempel på båda typerna av purinerga signaler undersöks och de intracellulära translationsmekanismer som är inblandade diskuteras. Kunskap om de underliggande mekanismer som är involverade i både kort- och långsiktig purinoceptormedierad signalering kommer att bidra till utvecklingen av purinerga läkemedel för terapeutiska ändamål.

Kompletterande intressen

Jag förklarar att jag inte har några konkurrerande intressen.

Finansiering

Jag har inte erhållit någon finansiering för denna studie.

Fotnoter

Ett bidrag av 15 till ett Theo Murphy-mötesnummer ”Evolution brings Ca2+ and ATP together to control life and death”.