Den cykliske AMP-vej

Cyclic adenosin 3′,5′-monofosfat (cAMP) var den første anden budbringer, der blev identificeret, og spiller en grundlæggende rolle i cellulære reaktioner på mange hormoner og neurotransmittere (Sutherland og Rall 1958). De intracellulære cAMP-niveauer reguleres af balancen mellem aktiviteterne i to enzymer (se fig. 1): adenylylcyklase (AC) og cyklisk nukleotidfosfodiesterase (PDE). Forskellige isoformer af disse enzymer er kodet af et stort antal gener, som adskiller sig fra hinanden i deres ekspressionsmønstre og reguleringsmekanismer, hvilket skaber celletype- og stimulusspecifikke reaktioner (McKnight 1991).

De fleste AC’er (opløselige bikarbonatregulerede AC’er er undtagelsen) aktiveres nedstrøms fra G-protein-koblede receptorer (GPCR’er) som f.eks. β-adrenoceptoren ved interaktioner med α-underenheden af Gs-proteinet (αs). αs frigøres fra heterotrimeriske αβγγ G-proteinkomplekser efter binding af agonistligander til GPCR’er (f.eks, epinephrin i tilfælde af β-adrenoceptorer) og binder sig til og aktiverer AC. βγ-underenhederne kan også stimulere nogle AC-isoformer. cAMP, der genereres som følge af AC-aktivering, kan aktivere flere effektorer, hvoraf den mest velundersøgte er cAMP-afhængig proteinkinase (PKA) (Pierce et al. 2002).

Alternativt kan AC-aktiviteten hæmmes af ligander, der stimulerer GPCR’er koblet til Gi, og/eller cAMP kan nedbrydes af PDE’er. Faktisk reguleres både AC’er og PDE’er positivt og negativt af talrige andre signalveje (se fig. 2), såsom kalciumsignalering (gennem calmodulin , CamKII, CamKIV og calcineurin ), underenheder af andre G-proteiner (f.eks, αi, αo og αq-proteinerne og i nogle tilfælde βγ-underenhederne), inositollipider (via PKC) og receptortyrosinkinaser (via ERK MAP-kinasen og PKB) (Yoshimasa et al. 1987; Bruce et al. 2003; Goraya og Cooper 2005). Crosstalk med andre veje giver yderligere modulering af signalstyrken og celletypespecificiteten, og feedforward-signalering af PKA stimulerer selv PDE4.

Der er tre primære effektorer af cAMP: PKA, guaninnukleotid-udvekslingsfaktoren (GEF) EPAC og cykliske nukleotid-gated ionkanaler. Proteinkinase (PKA), det bedst forståede mål, er et symmetrisk kompleks bestående af to regulatoriske (R) underenheder og to katalytiske (C) underenheder (der findes flere isoformer af begge underenheder). Det aktiveres ved at binde cAMP til to steder på hver af R-underenhederne, hvilket bevirker, at de dissocieres fra C-underenhederne (Taylor et al. 1992). Den katalytiske aktivitet af C-underenheden nedsættes af en proteinkinaseinhibitor (PKI), som også kan fungere som chaperon og fremme nukleær eksport af C-underenheden, hvorved PKA’s nukleare funktioner mindskes. PKA-forankringsproteiner (AKAP’er) giver specificitet i cAMP-signaltransduktion ved at placere PKA tæt på specifikke effektorer og substrater. De kan også målrette den til bestemte subcellulære steder og forankre den til AC’er (for øjeblikkelig lokal aktivering af PKA) eller PDE’er (for at skabe lokale negative feedbacksløjfer til signalafslutning) (Wong og Scott 2004).

Et stort antal cytosoliske og nukleare proteiner er blevet identificeret som substrater for PKA (Tasken et al. 1997). PKA fosforylerer talrige metaboliske enzymer, herunder glykogensyntase og fosforylase kinase, som hæmmer henholdsvis glykogensyntese og fremmer glykogennedbrydning, og acetyl CoA carboxylase, som hæmmer lipidsyntese. PKA regulerer også andre signalveje. Den fosforylerer og inaktiverer f.eks. phospholipase C (PLC) β2 og inaktiverer derved phospholipase C (PLC) β2. Derimod aktiverer den MAP-kinaser; i dette tilfælde fremmer PKA fosforylering og dissociation af en hæmmende tyrosinphosphatase (PTP). PKA nedsætter også aktiviteterne af Raf og Rho og modulerer ionkanalpermeabiliteten. Desuden regulerer den ekspression og aktivitet af forskellige AC’er og PDE’er.

Regulering af transkription ved hjælp af PKA sker hovedsagelig ved direkte fosforylering af transkriptionsfaktorerne cAMP-response element-binding protein (CREB), cAMP-responsive modulator (CREM) og ATF1. Fosforylering er en afgørende begivenhed, fordi den gør det muligt for disse proteiner at interagere med de transkriptionelle koaktivatorer CREB-binding protein (CBP) og p300, når de er bundet til cAMP-responselementer (CRE) i målgener (Mayr og Montminy 2001). CREM-genet koder også for den kraftige repressor ICER, som giver en negativ tilbagekobling på cAMP-induceret transkription (Sassone-Corsi 1995). Bemærk dog, at billedet er mere komplekst, fordi CREB, CREM og ATF1 alle kan fosforyleres af mange forskellige kinaser, og PKA kan også påvirke aktiviteten af andre transkriptionsfaktorer, herunder nogle nukleare receptorer.

Ud over den negative regulering ved signaler, der hæmmer AC eller stimulerer PDE-aktivitet, modvirkes PKA’s virkning af specifikke proteinfosfataser, herunder PP1 og PP2A. PKA kan til gengæld regulere fosfataseaktiviteten negativt ved at fosforylering og aktivering af specifikke PP1-inhibitorer, såsom I1 og DARPP32. PKA-fremmet fosforylering kan også øge aktiviteten af PP2A som en del af en negativ feedback-mekanisme.

En anden vigtig effektor for cAMP er EPAC, en GEF, der fremmer aktivering af visse små GTPaser (f.eks. Rap1). En vigtig funktion af Rap1 er at øge celleadhæsionen via integrinreceptorer (hvordan dette sker er uklart) (Bos 2003).

Endelig kan cAMP binde sig til og modulere funktionen af en familie af cyklisk-nucleotid-gated ionkanaler. Disse er relativt ikke-selektive kationkanaler, der leder calcium. Calcium stimulerer CaM og CaM-afhængige kinaser og modulerer til gengæld cAMP-produktionen ved at regulere aktiviteten af AC’er og PDE’er (Zaccolo og Pozzan 2003). Kanalerne er også permeable for natrium og kalium, hvilket kan ændre membranpotentialet i elektrisk aktive celler.

• Copyright © 2012 Cold Spring Harbor Laboratory Press; alle rettigheder forbeholdes