The Cyclic AMP Pathway

Zyklisches Adenosin-3′,5′-Monophosphat (cAMP) wurde als erster zweiter Botenstoff identifiziert und spielt eine grundlegende Rolle bei den zellulären Reaktionen auf viele Hormone und Neurotransmitter (Sutherland und Rall 1958). Der intrazelluläre cAMP-Spiegel wird durch das Gleichgewicht zwischen den Aktivitäten zweier Enzyme reguliert (siehe Abb. 1): Adenylylcyclase (AC) und zyklische Nukleotidphosphodiesterase (PDE). Verschiedene Isoformen dieser Enzyme werden von einer großen Anzahl von Genen kodiert, die sich in ihren Expressionsmustern und Regulationsmechanismen unterscheiden und zelltyp- und stimulusspezifische Reaktionen hervorrufen (McKnight 1991).

Die meisten ACs (lösliche bikarbonatregulierte ACs sind die Ausnahme) werden stromabwärts von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) wie dem β-Adrenozeptor durch Interaktionen mit der α-Untereinheit des Gs-Proteins (αs) aktiviert. αs wird aus heterotrimeren αβγ-G-Protein-Komplexen freigesetzt, nachdem Agonisten-Liganden an GPCRs gebunden wurden (z. B., Epinephrin im Fall von β-Adrenozeptoren) freigesetzt und bindet an AC und aktiviert es. Die βγ-Untereinheiten können auch einige AC-Isoformen stimulieren. cAMP, das als Folge der AC-Aktivierung erzeugt wird, kann mehrere Effektoren aktivieren, von denen die cAMP-abhängige Proteinkinase (PKA) am besten untersucht ist (Pierce et al. 2002).

Alternativ kann die AC-Aktivität durch Liganden gehemmt werden, die an Gi gekoppelte GPCRs stimulieren, und/oder cAMP kann durch PDEs abgebaut werden. Tatsächlich werden sowohl ACs als auch PDEs durch zahlreiche andere Signalwege positiv und negativ reguliert (siehe Abb. 2), wie z. B. durch Kalzium-Signalübertragung (über Calmodulin, CamKII, CamKIV und Calcineurin), Untereinheiten anderer G-Proteine (z. B., αi, αo und αq-Proteine und in einigen Fällen die βγ-Untereinheiten), Inositol-Lipide (durch PKC) und Rezeptor-Tyrosin-Kinasen (durch die ERK MAP-Kinase und PKB) (Yoshimasa et al. 1987; Bruce et al. 2003; Goraya und Cooper 2005). Die Wechselwirkung mit anderen Signalwegen sorgt für eine weitere Modulation der Signalstärke und der Zelltypenspezifität, und die Feedforward-Signalisierung durch PKA selbst stimuliert PDE4.

Es gibt drei Haupteffektoren von cAMP: PKA, der Guanin-Nukleotid-Austauschfaktor (GEF) EPAC und zyklisch-nukleotidgesteuerte Ionenkanäle. Die Proteinkinase (PKA), das am besten verstandene Ziel, ist ein symmetrischer Komplex aus zwei regulatorischen (R) Untereinheiten und zwei katalytischen (C) Untereinheiten (es gibt mehrere Isoformen beider Untereinheiten). Er wird durch die Bindung von cAMP an zwei Stellen auf jeder der R-Untereinheiten aktiviert, was deren Dissoziation von den C-Untereinheiten bewirkt (Taylor et al. 1992). Die katalytische Aktivität der C-Untereinheit wird durch einen Proteinkinaseinhibitor (PKI) verringert, der auch als Chaperon wirken und den Kernexport der C-Untereinheit fördern kann, wodurch die Kernfunktionen der PKA verringert werden. PKA-Ankerproteine (AKAPs) sorgen für Spezifität bei der cAMP-Signaltransduktion, indem sie PKA in der Nähe spezifischer Effektoren und Substrate platzieren. Sie können sie auch an bestimmte subzelluläre Orte bringen und sie an ACs (für eine unmittelbare lokale Aktivierung von PKA) oder PDEs (zur Schaffung lokaler negativer Rückkopplungsschleifen für die Signalbeendigung) verankern (Wong und Scott 2004).

Eine große Anzahl von zytosolischen und nukleären Proteinen wurde als Substrate für PKA identifiziert (Tasken et al. 1997). PKA phosphoryliert zahlreiche Stoffwechselenzyme, darunter die Glykogensynthase und die Phosphorylase-Kinase, die die Glykogensynthese hemmen bzw. den Glykogenabbau fördern, sowie die Acetyl-CoA-Carboxylase, die die Lipidsynthese hemmt. PKA reguliert auch andere Signalwege. So phosphoryliert sie beispielsweise die Phospholipase C (PLC) β2 und inaktiviert sie dadurch. Im Gegensatz dazu aktiviert sie MAP-Kinasen; in diesem Fall fördert PKA die Phosphorylierung und Dissoziation einer hemmenden Tyrosinphosphatase (PTP). PKA vermindert auch die Aktivitäten von Raf und Rho und moduliert die Durchlässigkeit von Ionenkanälen. Darüber hinaus reguliert sie die Expression und Aktivität verschiedener ACs und PDEs.

Die Regulierung der Transkription durch PKA erfolgt hauptsächlich durch direkte Phosphorylierung der Transkriptionsfaktoren cAMP-response element-binding protein (CREB), cAMP-responsive modulator (CREM) und ATF1. Die Phosphorylierung ist ein entscheidender Vorgang, da sie es diesen Proteinen ermöglicht, mit den transkriptionellen Koaktivatoren CREB-binding protein (CBP) und p300 zu interagieren, wenn sie an cAMP-response elements (CREs) in Zielgenen gebunden sind (Mayr und Montminy 2001). Das CREM-Gen kodiert auch für den starken Repressor ICER, der die cAMP-induzierte Transkription negativ beeinflusst (Sassone-Corsi 1995). Es ist jedoch zu beachten, dass das Bild komplexer ist, da CREB, CREM und ATF1 von vielen verschiedenen Kinasen phosphoryliert werden können und PKA auch die Aktivität anderer Transkriptionsfaktoren, einschließlich einiger Kernrezeptoren, beeinflussen kann.

Zusätzlich zur negativen Regulierung durch Signale, die AC hemmen oder die PDE-Aktivität stimulieren, wird die Wirkung von PKA durch spezifische Proteinphosphatasen, einschließlich PP1 und PP2A, ausgeglichen. PKA kann ihrerseits die Phosphataseaktivität negativ regulieren, indem sie spezifische PP1-Inhibitoren wie I1 und DARPP32 phosphoryliert und aktiviert. Die durch PKA geförderte Phosphorylierung kann auch die Aktivität von PP2A als Teil eines negativen Rückkopplungsmechanismus erhöhen.

Ein weiterer wichtiger Effektor für cAMP ist EPAC, ein GEF, der die Aktivierung bestimmter kleiner GTPasen (z. B. Rap1) fördert. Eine Hauptfunktion von Rap1 ist die Erhöhung der Zelladhäsion über Integrinrezeptoren (wie dies geschieht, ist unklar) (Bos 2003).

Schließlich kann cAMP an eine Familie von zyklisch-nukleotidgesteuerten Ionenkanälen binden und deren Funktion modulieren. Dies sind relativ unselektive Kationenkanäle, die Kalzium leiten. Kalzium stimuliert CaM und CaM-abhängige Kinasen und moduliert wiederum die cAMP-Produktion durch Regulierung der Aktivität von ACs und PDEs (Zaccolo und Pozzan 2003). Die Kanäle sind auch durchlässig für Natrium und Kalium, was das Membranpotential in elektrisch aktiven Zellen verändern kann.

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