The Cyclic AMP Pathway

Cykliczny adenozyno-3′,5′-monofosforan (cAMP) był pierwszym drugim posłańcem, który został zidentyfikowany i odgrywa fundamentalną rolę w komórkowych odpowiedziach na wiele hormonów i neuroprzekaźników (Sutherland i Rall 1958). Wewnątrzkomórkowy poziom cAMP jest regulowany przez równowagę pomiędzy aktywnością dwóch enzymów (patrz Rys. 1): cyklazy adenylowej (AC) i fosfodiesterazy cyklicznych nukleotydów (PDE). Różne izoformy tych enzymów są kodowane przez dużą liczbę genów, które różnią się wzorcami ekspresji i mechanizmami regulacji, generując odpowiedzi specyficzne dla typu komórki i bodźca (McKnight 1991).

Większość AC (wyjątkiem są rozpuszczalne AC regulowane przez wodorowęglany) jest aktywowana przez receptory sprzężone z białkami G (GPCRs), takie jak adrenoceptor β, poprzez interakcje z podjednostką α białka Gs (αs). αs jest uwalniana z heterotrimerycznych kompleksów αβγ białka G po związaniu ligandów agonistycznych do GPCRs (np, epinefryny w przypadku adrenoceptorów β) oraz wiąże się i aktywuje AC. Podjednostki βγ mogą również stymulować niektóre izoformy AC. cAMP powstający w wyniku aktywacji AC może aktywować kilka efektorów, z których najlepiej poznanym jest kinaza białkowa zależna od cAMP (PKA) (Pierce i wsp. 2002).

Alternatywnie, aktywność AC może być hamowana przez ligandy, które stymulują GPCRs sprzężone z Gi i/lub cAMP może być degradowany przez PDEs. Rzeczywiście zarówno AC jak i PDE są regulowane pozytywnie i negatywnie przez liczne inne szlaki sygnałowe (patrz Rys. 2), takie jak sygnalizacja wapniowa (poprzez kalmodulinę , CamKII, CamKIV, i kalcyneurynę ), podjednostki innych białek G (np., αi, αo i αq, a w niektórych przypadkach także podjednostki βγ), lipidy inozytolu (przez PKC) i receptorowe kinazy tyrozynowe (przez kinazę ERK MAP i PKB) (Yoshimasa i wsp. 1987; Bruce i wsp. 2003; Goraya i Cooper 2005). Wzajemne oddziaływanie z innymi szlakami zapewnia dalszą modulację siły sygnału i specyficzności typu komórkowego, a sygnalizacja typu feedforward przez samą PKA stymuluje PDE4.

Istnieją trzy główne efektory cAMP: PKA, czynnik wymiany guaninowo-nukleotydowej (GEF) EPAC oraz kanały jonowe bramkowane cyklicznymi nukleotydami. Kinaza białkowa (PKA), będąca najlepiej poznanym celem, jest symetrycznym kompleksem dwóch podjednostek regulatorowych (R) i dwóch katalitycznych (C) (istnieje kilka izoform obu podjednostek). Aktywacja następuje w wyniku zwi±zania cAMP do dwóch miejsc na każdej z podjednostek R, co powoduje ich odł±czenie od podjednostek C (Taylor i wsp. 1992). Aktywność katalityczna podjednostki C jest obniżana przez inhibitor kinazy białkowej (PKI), który może również działać jako chaperon i promować eksport jądrowy podjednostki C, zmniejszając w ten sposób jądrowe funkcje PKA. Białka kotwiczące PKA (AKAPs) zapewniają specyficzność w transdukcji sygnału cAMP poprzez umieszczenie PKA w pobliżu specyficznych efektorów i substratów. Mogą one również kierować go do określonych lokalizacji subkomórkowych i zakotwiczać go do ACs (w celu natychmiastowej lokalnej aktywacji PKA) lub PDEs (w celu utworzenia lokalnych pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego dla zakończenia sygnału) (Wong i Scott 2004).

Duża liczba białek cytozolowych i jądrowych została zidentyfikowana jako substraty dla PKA (Tasken i wsp. 1997). PKA fosforyluje liczne enzymy metaboliczne, w tym syntazę glikogenu i kinazę fosforylazy, które odpowiednio hamują syntezę glikogenu i promują jego rozkład, oraz karboksylazę acetylo-CoA, która hamuje syntezę lipidów. PKA reguluje również inne szlaki sygnałowe. Na przykład, fosforyluje i tym samym inaktywuje fosfolipazę C (PLC) β2. Z kolei aktywuje kinazy MAP; w tym przypadku PKA promuje fosforylację i dysocjację hamującej fosfatazy tyrozynowej (PTP). PKA obniża również aktywność Raf i Rho oraz moduluje przepuszczalność kanałów jonowych. Ponadto reguluje ekspresję i aktywność różnych ACs i PDEs.

Regulacja transkrypcji przez PKA odbywa się głównie poprzez bezpośrednią fosforylację czynników transkrypcyjnych CREB (cAMP-response element-binding protein), CREM (cAMP-responsive modulator) i ATF1. Fosforylacja jest kluczowym wydarzeniem, ponieważ umożliwia tym białkom oddziaływanie z koaktywatorami transkrypcji – białkiem wiążącym CREB (CBP) i p300, gdy są one związane z elementami odpowiedzi na cAMP (CRE) w genach docelowych (Mayr i Montminy 2001). Gen CREM koduje również silny represor ICER, który negatywnie oddziałuje na transkrypcję indukowaną cAMP (Sassone-Corsi 1995). Należy jednak pamiętać, że obraz ten jest bardziej złożony, ponieważ CREB, CREM i ATF1 mogą być fosforylowane przez wiele różnych kinaz, a PKA może również wpływać na aktywność innych czynników transkrypcyjnych, w tym niektórych receptorów jądrowych.

W dodatku do negatywnej regulacji przez sygnały, które hamują AC lub stymulują aktywność PDE, działanie PKA jest równoważone przez specyficzne fosfatazy białkowe, w tym PP1 i PP2A. PKA z kolei może negatywnie regulować aktywność fosfataz poprzez fosforylację i aktywację specyficznych inhibitorów PP1, takich jak I1 i DARPP32. Promowana przez PKA fosforylacja może również zwiększać aktywność PP2A jako część mechanizmu ujemnego sprzężenia zwrotnego.

Innym ważnym efektorem dla cAMP jest EPAC, GEF, który promuje aktywację niektórych małych GTPaz (np. Rap1). Główną funkcją Rap1 jest zwiększenie adhezji komórek poprzez receptory integryn (jak to się dzieje jest niejasne) (Bos 2003).

Finally, cAMP może wiązać się i modulować funkcję rodziny kanałów jonowych bramkowanych cyklicznymi nukleotydami. Są to stosunkowo nieselektywne kanały kationowe, które przewodzą wapń. Wapń stymuluje CaM i kinazy zależne od CaM, co z kolei moduluje produkcję cAMP poprzez regulację aktywności ACs i PDEs (Zaccolo i Pozzan 2003). Kanały są również przepuszczalne dla sodu i potasu, co może wpływać na zmianę potencjału błonowego w komórkach aktywnych elektrycznie.

Podziękowania

Rysunek 2 zaadaptowany z Fimia i Sassone-Corsi (2001).

• Copyright © 2012 Cold Spring Harbor Laboratory Press; wszystkie prawa zastrzeżone

↵

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.

↵

1. Fimia GM,
2. Sassone-Corsi P

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

↵

1. Goraya TA,
2. Cooper DMF

Goraya TA, Cooper DMF. 2005. Ca2+-calmodulin-dependent phosphodiesterase (PDE1): Current perspectives. Cell Signal 17: 789-797.

↵

1. Mayr B,
2. Montminy M

Mayr B, Montminy M. 2001. Transcriptional regulation by the phosphorylation-dependent factor CREB. Nat Rev Mol Cell Biol 2: 599-609.

↵

1. McKnight GS

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

↵

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.

↵

1. Sassone-Corsi P

Sassone-Corsi P. 1995. Transcription factors responsive to cAMP. Annu Rev Cell Dev Biol 11: 355-377.

↵

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.

↵

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.

↵

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.

↵

1. Wong W,
2. Scott JD

Wong W, Scott JD. 2004. AKAP signaling complexes: Focal points in space and time. Nat Rev Mol Cell Biol 5: 959-970.

↵

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 między komórkowych szlaków sygnałowych sugerowane przez phorbol-ester indukowane fosforylacji cyklazy adenylanowej. Nature 327: 67-70.

↵

1. Zaccolo M,
2. Pozzan T

Zaccolo M, Pozzan T. 2003. cAMP and Ca2+ interplay: A matter of oscillation patterns. Trends Neurosci 26: 53-55.