De cyclische AMP-pathway

1. Paolo Sassone-Corsi

1. Center for Epigenetics and Metabolism, School of Medicine, University of California, Irvine, California 92697

1. Correspondentie: psc{at}uci.edu

Grotere versie bekijken:

• In dit venster
• In een nieuw venster

• Downloaden als PowerPoint Slide

De meeste AC’s (oplosbaar bicarbonaat-gereguleerde AC’s vormen de uitzondering) worden stroomafwaarts van G-eiwit-gekoppelde receptoren (GPCR’s) zoals de β adrenoceptor geactiveerd door interacties met de α-subeenheid van het Gs-eiwit (αs). αs wordt vrijgemaakt uit heterotrimere αβγ G-eiwitcomplexen na binding van agonistische liganden aan GPCR’s (bv, epinefrine in het geval van β-adrenoceptoren) en bindt zich aan AC en activeert dit. De βγ subeenheden kunnen ook sommige AC isovormen stimuleren. cAMP gegenereerd als gevolg van AC activatie kan verschillende effectoren activeren, waarvan cAMP-afhankelijk proteïne kinase (PKA) de meest bestudeerde is (Pierce et al. 2002).

Aternatief kan AC activiteit worden geremd door liganden die aan Gi gekoppelde GPCR’s stimuleren en/of kan cAMP worden afgebroken door PDE’s. Zowel AC’s als PDE’s worden namelijk positief en negatief gereguleerd door tal van andere signaalwegen (zie fig. 2), zoals calciumsignalering (via calmoduline , CamKII, CamKIV, en calcineurine ), subeenheden van andere G-eiwitten (bijv, αi, αo, en αq eiwitten, en de βγ subeenheden in sommige gevallen), inositol lipiden (door PKC), en receptor tyrosine kinasen (via het ERK MAP kinase en PKB) (Yoshimasa et al. 1987; Bruce et al. 2003; Goraya en Cooper 2005). Crosstalk met andere pathways zorgt voor verdere modulatie van de signaalsterkte en de celtype-specificiteit, en feedforward signalering door PKA zelf stimuleert PDE4.

Grotere versie bekijken:

• In dit venster
• In een nieuw venster

• Download als PowerPoint Slide

Figuur 2.

De cAMP/PKA pathway.

Er zijn drie belangrijke effectoren van cAMP: PKA, de guanine-nucleotide-uitwisselingsfactor (GEF) EPAC en cyclisch-nucleotide-gated ionkanalen. Proteïnekinase (PKA), het best begrepen doelwit, is een symmetrisch complex van twee regulerende (R) subeenheden en twee katalytische (C) subeenheden (er zijn verschillende isovormen van beide subeenheden). Het wordt geactiveerd door de binding van cAMP aan twee plaatsen op elk van de R-subeenheden, waardoor deze loskomen van de C-subeenheden (Taylor e.a., 1992). De katalytische activiteit van de C subeenheid wordt verminderd door een proteïne kinase inhibitor (PKI), die ook kan fungeren als chaperon en de nucleaire export van de C subeenheid kan bevorderen, waardoor de nucleaire functies van PKA afnemen. PKA-ankereiwitten (AKAP’s) zorgen voor specificiteit in de cAMP-signaaltransductie door PKA dicht bij specifieke effectoren en substraten te plaatsen. Zij kunnen het ook richten op bepaalde subcellulaire locaties en het verankeren aan AC’s (voor onmiddellijke lokale activering van PKA) of PDE’s (om lokale negatieve feedback loops voor signaalbeëindiging te creëren) (Wong en Scott 2004).

Een groot aantal cytosolische en nucleaire eiwitten zijn geïdentificeerd als substraten voor PKA (Tasken et al. 1997). PKA fosforyleert talrijke metabolische enzymen, waaronder glycogeensynthase en fosforylase kinase, die respectievelijk de glycogeensynthese remmen en de glycogeenafbraak bevorderen, en acetyl CoA carboxylase, dat de lipidensynthese remt. PKA reguleert ook andere signaalwegen. Zo fosforyleert het bijvoorbeeld fosfolipase C (PLC) β2 en inactiveert het daardoor. Daarentegen activeert het MAP-kinasen; in dit geval bevordert PKA de fosforylering en dissociatie van een remmend tyrosinefosfatase (PTP). PKA vermindert ook de activiteiten van Raf en Rho en moduleert de permeabiliteit van ionenkanalen. Bovendien reguleert het de expressie en activiteit van diverse AC’s en PDE’s.

Regulatie van transcriptie door PKA wordt voornamelijk bereikt door directe fosforylering van de transcriptiefactoren cAMP-respons element-bindend eiwit (CREB), cAMP-responsieve modulator (CREM), en ATF1. Fosforylering is van cruciaal belang omdat deze eiwitten daardoor kunnen interageren met de transcriptionele coactivatoren CREB-bindend eiwit (CBP) en p300 wanneer zij gebonden zijn aan cAMP-responselementen (CRE’s) in doelgenen (Mayr en Montminy 2001). Het CREM-gen codeert ook voor de krachtige repressor ICER, die een negatieve invloed uitoefent op de door cAMP geïnduceerde transcriptie (Sassone-Corsi 1995). Merk echter op dat het plaatje complexer is, omdat CREB, CREM, en ATF1 allemaal gefosforyleerd kunnen worden door veel verschillende kinasen, en PKA ook de activiteit van andere transcriptiefactoren kan beïnvloeden, waaronder sommige nucleaire receptoren.

Naast de negatieve regulatie door signalen die AC remmen of PDE activiteit stimuleren, wordt de werking van PKA gecompenseerd door specifieke eiwitfosfatasen, waaronder PP1 en PP2A. PKA kan op zijn beurt de fosfataseactiviteit negatief reguleren door specifieke PP1-remmers, zoals I1 en DARPP32, te fosforyleren en te activeren. PKA-bevorderde fosforylering kan ook de activiteit van PP2A verhogen als onderdeel van een negatief terugkoppelingsmechanisme.

Een andere belangrijke effector voor cAMP is EPAC, een GEF die de activering van bepaalde kleine GTPasen bevordert (b.v. Rap1). Een belangrijke functie van Rap1 is het verhogen van de celadhesie via integrinreceptoren (hoe dit gebeurt is onduidelijk) (Bos 2003).

Ten slotte kan cAMP zich binden aan en de functie moduleren van een familie van cyclisch-nucleotide-gated ionkanalen. Dit zijn relatief niet-selectieve kationkanalen die calcium geleiden. Calcium stimuleert CaM en CaM-afhankelijke kinasen en moduleert op zijn beurt de cAMP-productie door de activiteit van AC’s en PDE’s te reguleren (Zaccolo en Pozzan 2003). De kanalen zijn ook doorlaatbaar voor natrium en kalium, waardoor de membraanpotentiaal in elektrisch actieve cellen kan veranderen.

Acknowledgments

Figuur 2 aangepast van Fimia en Sassone-Corsi (2001).

Footnotes

• Editors: Lewis Cantley, Tony Hunter, Richard Sever, and Jeremy Thorner

• Aanvullende Perspectieven op Signaal Transductie beschikbaar op www.cshperspectives.org

1. ↵
   1. Bos JL

   Bos JL. 2003. Epac: A new cAMP target and new avenues in cAMP research. Nat Rev Mol Cell Biol 4: 733-738.

2. ↵
   1. Bruce JI,
   2. Straub SV,
   3. Yule DI

   Bruce JI, Straub SV, Yule DI. 2003. Crosstalk between cAMP and Ca2+ signaling in non-excitable cells. Cell Calcium 34: 431-444.

3. ↵
   1. Fimia GM,
   2. Sassone-Corsi P

   Fimia GM, Sassone-Corsi P. 2001. Cyclic AMP signaling. J Cell Sci 114: 1971-1972.

4. ↵
   1. Goraya TA,
   2. Cooper DMF

   Goraya TA, Cooper DMF. 2005. Ca2+-calmoduline-afhankelijk fosfodiësterase (PDE1): Huidige perspectieven. Cell Signal 17: 789-797.

5. ↵
   1. Mayr B,
   2. Montminy M

   Mayr B, Montminy M. 2001. Transcriptionele regulatie door de fosforylatie-afhankelijke factor CREB. Nat Rev Mol Cell Biol 2: 599-609.

6. ↵
   1. McKnight GS

   McKnight GS. 1991. Cyclic AMP second messenger systems. Curr Opin Cell Biol 3: 213-217.

7. ↵
   1. Pierce KL,
   2. Premont RT,
   3. Lefkowitz RJ

   Pierce KL, Premont RT, Lefkowitz RJ. 2002. Seven-transmembrane receptors. Nat Rev Mol Cell Biol 3: 639-650.

8. ↵
   1. Sassone-Corsi P

   Sassone-Corsi P. 1995. Transcriptiefactoren die reageren op cAMP. Annu Rev Cell Dev Biol 11: 355-377.

9. ↵
   1. Sutherland EW,
   2. Rall TW

   Sutherland EW, Rall TW. 1958. Fractionation and characterization of a cyclic adenine ribonucleotide formed by tissue particles. J Biol Chem 232: 1077-1091.

10. ↵
    1. Tasken K,
    2. Skalhegg BS,
    3. Tasken KA,
    4. Solberg R,
    5. Knutsen HK,
    6. Levy FO,
    7. Sandberg M,
    8. Orstavik S,
    9. Larsen T,
    10. Johansen AK

    Tasken K, Skalhegg BS, Tasken KA, Solberg R, Knutsen HK, Levy FO, Sandberg M, Orstavik S, Larsen T, Johansen AK, et al. 1997. Structure, function and regulation of human cAMP-dependent protein kinases. Adv Second Messenger Phosphoprotein Res 31: 191-203.

11. ↵
    1. Taylor SS,
    2. Knighton DR,
    3. Zheng J,
    4. Ten Eyck LF,
    5. Sowadski JM

    Taylor SS, Knighton DR, Zheng J, Ten Eyck LF, Sowadski JM. 1992. Structural framework for the protein kinase family. Annu Rev Cell Biol 8: 429-462.

12. ↵
    1. Wong W,
    2. Scott JD

    Wong W, Scott JD. 2004. AKAP signalering complexen: Brandpunten in ruimte en tijd. Nat Rev Mol Cell Biol 5: 959-970.

13. ↵
    1. Yoshimasa T,
    2. Sibley DR,
    3. Bouvier M,
    4. Lefkowitz RJ,
    5. Caron MG

    Yoshimasa T, Sibley DR, Bouvier M, Lefkowitz RJ, Caron MG. 1987. Cross-talk between cellular signaling pathways suggested by phorbol-ester induced adenylate cyclase phosphorylation. Nature 327: 67-70.

14. ↵
    1. Zaccolo M,
    2. Pozzan T

    Zaccolo M, Pozzan T. 2003. cAMP and Ca2+ interplay: Een kwestie van oscillatiepatronen. Trends Neurosci 26: 53-55.