The Cyclic AMP Pathway

L’adenosina 3′,5′-monofosfato ciclico (cAMP) è stato il primo secondo messaggero ad essere identificato e svolge ruoli fondamentali nelle risposte cellulari a molti ormoni e neurotrasmettitori (Sutherland e Rall 1958). I livelli intracellulari di cAMP sono regolati dall’equilibrio tra le attività di due enzimi (vedi Fig. 1): l’adenilciclasi (AC) e la fosfodiesterasi del nucleotide ciclico (PDE). Diverse isoforme di questi enzimi sono codificate da un gran numero di geni, che differiscono nei loro modelli di espressione e nei meccanismi di regolazione, generando risposte specifiche al tipo di cellula e allo stimolo (McKnight 1991).

La maggior parte delle AC (le AC solubili regolate da bicarbonato sono l’eccezione) sono attivate a valle dei recettori accoppiati a proteine G (GPCRs) come l’adrenocettore β dalle interazioni con la subunità α della proteina Gs (αs). αs viene rilasciata dai complessi eterotrimerici αβγ della proteina G in seguito al legame di ligandi agonisti ai GPCRs (ad es, epinefrina nel caso degli adrenorecettori β) e si lega e attiva l’AC. Le subunità βγ possono anche stimolare alcune isoforme di AC. Il cAMP generato come conseguenza dell’attivazione di AC può attivare diversi effettori, il più ben studiato dei quali è la protein chinasi cAMP-dipendente (PKA) (Pierce et al. 2002).

In alternativa, l’attività degli AC può essere inibita da ligandi che stimolano i GPCR accoppiati a Gi e/o il cAMP può essere degradato dalle PDE. Infatti sia gli AC che le PDE sono regolati positivamente e negativamente da numerose altre vie di segnalazione (vedi Fig. 2), come la segnalazione del calcio (attraverso calmodulina, CamKII, CamKIV, e calcineurina), subunità di altre proteine G (ad es, αi, αo, e proteine αq, e le subunità βγ in alcuni casi), lipidi inositolo (da PKC), e recettore tirosin-chinasi (attraverso la ERK MAP kinase e PKB) (Yoshimasa et al. 1987; Bruce et al. 2003; Goraya e Cooper 2005). Il crosstalk con altre vie fornisce un’ulteriore modulazione della forza del segnale e della specificità del tipo di cellula, e la segnalazione feedforward della PKA stessa stimola la PDE4.

Ci sono tre effettori principali del cAMP: PKA, il fattore di scambio guanina-nucleotide (GEF) EPAC e i canali ionici a nucleotidi ciclici. La proteina chinasi (PKA), il bersaglio meglio conosciuto, è un complesso simmetrico di due subunità regolatrici (R) e due subunità catalitiche (C) (ci sono diverse isoforme di entrambe le subunità). Viene attivato dal legame del cAMP a due siti su ciascuna delle subunità R, che provoca la loro dissociazione dalle subunità C (Taylor et al. 1992). L’attività catalitica della subunità C viene diminuita da un inibitore della proteina chinasi (PKI), che può anche agire come chaperone e promuovere l’esportazione nucleare della subunità C, diminuendo così le funzioni nucleari della PKA. Le proteine di ancoraggio della PKA (AKAPs) forniscono specificità nella trasduzione del segnale cAMP mettendo la PKA vicino a specifici effettori e substrati. Possono anche indirizzarla a particolari locazioni subcellulari e ancorarla agli AC (per un’immediata attivazione locale della PKA) o ai PDE (per creare cicli locali di feedback negativo per la terminazione del segnale) (Wong e Scott 2004).

Un gran numero di proteine citosoliche e nucleari sono state identificate come substrati di PKA (Tasken et al. 1997). PKA fosforila numerosi enzimi metabolici, tra cui la glicogeno sintasi e la fosforilasi chinasi, che inibiscono la sintesi del glicogeno e promuovono la degradazione del glicogeno, rispettivamente, e l’acetil CoA carbossilasi, che inibisce la sintesi dei lipidi. PKA regola anche altre vie di segnalazione. Per esempio, fosforila e quindi inattiva la fosfolipasi C (PLC) β2. Al contrario, attiva le MAP chinasi; in questo caso, PKA promuove la fosforilazione e la dissociazione di una tirosina fosfatasi inibitoria (PTP). PKA diminuisce anche le attività di Raf e Rho e modula la permeabilità dei canali ionici. Inoltre, regola l’espressione e l’attività di vari AC e PDE.

La regolazione della trascrizione da parte di PKA avviene principalmente attraverso la fosforilazione diretta dei fattori di trascrizione cAMP-response element-binding protein (CREB), cAMP-responsive modulator (CREM) e ATF1. La fosforilazione è un evento cruciale perché permette a queste proteine di interagire con i coattivatori trascrizionali CREB-binding protein (CBP) e p300 quando sono legati agli elementi cAMP-response (CREs) nei geni target (Mayr e Montminy 2001). Il gene CREM codifica anche il potente repressore ICER, che alimenta negativamente la trascrizione indotta da cAMP (Sassone-Corsi 1995). Si noti, tuttavia, che il quadro è più complesso, perché CREB, CREM e ATF1 possono essere tutti fosforilati da molte chinasi diverse, e PKA può anche influenzare l’attività di altri fattori di trascrizione, compresi alcuni recettori nucleari.

In aggiunta alla regolazione negativa da parte di segnali che inibiscono l’AC o stimolano l’attività della PDE, l’azione della PKA è controbilanciata da specifiche fosfatasi proteiche, comprese PP1 e PP2A. PKA a sua volta può regolare negativamente l’attività della fosfatasi fosforilando e attivando specifici inibitori di PP1, come I1 e DARPP32. La fosforilazione promossa da PKA può anche aumentare l’attività di PP2A come parte di un meccanismo di feedback negativo.

Un altro importante effettore del cAMP è EPAC, un GEF che promuove l’attivazione di alcune piccole GTPasi (per esempio, Rap1). Una funzione importante di Rap1 è quella di aumentare l’adesione cellulare attraverso i recettori delle integrine (come questo avvenga non è chiaro) (Bos 2003).

Infine, il cAMP può legarsi a e modulare la funzione di una famiglia di canali ionici legati ai nucleotidi ciclici. Questi sono canali cationici relativamente non selettivi che conducono il calcio. Il calcio stimola le chinasi CaM e CaM-dipendenti e, a sua volta, modula la produzione di cAMP regolando l’attività di AC e PDE (Zaccolo e Pozzan 2003). I canali sono anche permeabili al sodio e al potassio, che possono alterare il potenziale di membrana in cellule elettricamente attive.

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