Den cykliska AMP-vägen

Cykliskt adenosin 3′,5′-monofosfat (cAMP) var den första andra budbäraren som identifierades och spelar grundläggande roller i cellulära reaktioner på många hormoner och neurotransmittorer (Sutherland och Rall 1958). De intracellulära nivåerna av cAMP regleras av balansen mellan aktiviteterna hos två enzymer (se figur 1): adenylylcyklas (AC) och cykliskt nukleotidfosfodiesteras (PDE). Olika isoformer av dessa enzymer kodas av ett stort antal gener, som skiljer sig åt i sina uttrycksmönster och regleringsmekanismer, vilket genererar celltyp- och stimulusspecifika reaktioner (McKnight 1991).

De flesta AC:er (lösliga bikarbonatreglerade AC:er är undantaget) aktiveras nedströms från G-proteinkopplade receptorer (GPCR:er), t.ex. β-adrenoceptorn, genom interaktioner med α-underenheten av Gs-proteinet (αs). αs frigörs från heterotrimera αβγ G-proteinkomplex efter bindning av agonistligander till GPCRs (t.ex, epinefrin när det gäller β-adrenoceptorer) och binder till och aktiverar AC. βγ-underenheterna kan också stimulera vissa AC-isoformer. cAMP som genereras till följd av AC-aktivering kan aktivera flera effektorer, varav den mest välstuderade är cAMP-beroende proteinkinas (PKA) (Pierce et al. 2002).

Alternativt kan AC-aktiviteten hämmas av ligander som stimulerar GPCRs kopplade till Gi och/eller cAMP kan brytas ned av PDEs. Faktum är att både AC och PDE regleras positivt och negativt av många andra signalvägar (se fig. 2), t.ex. kalciumsignalering (genom calmodulin , CamKII, CamKIV och calcineurin ), underenheter av andra G-proteiner (t.ex, αi, αo och αq-proteiner, och βγ-underenheterna i vissa fall), inositollipider (genom PKC) och receptortyrosinkinaser (genom ERK MAP-kinas och PKB) (Yoshimasa et al. 1987; Bruce et al. 2003; Goraya och Cooper 2005). Överkoppling med andra vägar ger ytterligare modulering av signalstyrkan och celltypsspecificiteten, och feedforward-signalering av PKA stimulerar själv PDE4.

Det finns tre huvudsakliga effektorer av cAMP: PKA, guaninnukleotidutbytesfaktorn (GEF) EPAC och cykliska nukleotidstyrda jonkanaler. Proteinkinas (PKA), som är det mest kända målet, är ett symmetriskt komplex bestående av två regulatoriska (R) underenheter och två katalytiska (C) underenheter (det finns flera isoformer av båda underenheterna). Det aktiveras genom att cAMP binds till två platser på var och en av R-subenheterna, vilket leder till att de dissocieras från C-subenheterna (Taylor et al. 1992). Den katalytiska aktiviteten hos C-underenheten minskas av en proteinkinashämmare (PKI), som också kan fungera som en chaperon och främja nukleär export av C-underenheten, vilket minskar PKA:s nukleära funktioner. PKA-förankringsproteiner (AKAP) ger specificitet i cAMP-signaltransduktionen genom att placera PKA nära specifika effektorer och substrat. De kan också rikta den till särskilda subcellulära platser och förankra den till ACs (för omedelbar lokal aktivering av PKA) eller PDEs (för att skapa lokala negativa återkopplingsslingor för signalavslutning) (Wong och Scott 2004).

Ett stort antal cytosoliska och nukleära proteiner har identifierats som substrat för PKA (Tasken et al. 1997). PKA fosforylerar många metaboliska enzymer, inklusive glykogensyntas och fosforylaskinas, som hämmar glykogensyntesen respektive främjar glykogennedbrytningen, och acetyl-CoA-karboxylas, som hämmar lipidsyntesen. PKA reglerar också andra signalvägar. Den fosforylerar till exempel fosforylater och inaktiverar därigenom fosfolipas C (PLC) β2. Däremot aktiverar den MAP-kinaser; i detta fall främjar PKA fosforylering och dissociation av ett hämmande tyrosinfosfatas (PTP). PKA minskar också aktiviteten hos Raf och Rho och modulerar jonkanalpermeabiliteten. Dessutom reglerar den uttrycket och aktiviteten hos olika AC:er och PDE:er.

Regulering av transkription genom PKA sker huvudsakligen genom direkt fosforylering av transkriptionsfaktorerna cAMP-response element-binding protein (CREB), cAMP-responsive modulator (CREM) och ATF1. Fosforylering är en avgörande händelse eftersom den gör det möjligt för dessa proteiner att interagera med de transkriptionella koaktivatorerna CREB-binding protein (CBP) och p300 när de är bundna till cAMP-responselement (CRE) i målgener (Mayr och Montminy 2001). CREM-genen kodar också för den kraftfulla repressorn ICER, som negativt återkopplar till cAMP-inducerad transkription (Sassone-Corsi 1995). Observera dock att bilden är mer komplex, eftersom CREB, CREM och ATF1 alla kan fosforyleras av många olika kinaser, och PKA kan också påverka aktiviteten hos andra transkriptionsfaktorer, inklusive vissa nukleära receptorer.

Inom den negativa regleringen av signaler som hämmar AC eller stimulerar PDE-aktivitet, motverkas PKA:s verkan av specifika proteinfosfataser, inklusive PP1 och PP2A. PKA kan i sin tur negativt reglera fosfatasaktiviteten genom att fosforylera och aktivera specifika PP1-hämmare, såsom I1 och DARPP32. Fosforylering som främjas av PKA kan också öka aktiviteten hos PP2A som en del av en negativ återkopplingsmekanism.

En annan viktig effektor för cAMP är EPAC, en GEF som främjar aktivering av vissa små GTPaser (t.ex. Rap1). En viktig funktion för Rap1 är att öka celladhesion via integrinreceptorer (hur detta sker är oklart) (Bos 2003).

För det sista kan cAMP binda till och modulera funktionen hos en familj av cykliska-nukleotid-gaterade jonkanaler. Dessa är relativt icke-selektiva katjonkanaler som leder kalcium. Kalcium stimulerar CaM och CaM-beroende kinaser och modulerar i sin tur cAMP-produktionen genom att reglera aktiviteten hos ACs och PDEs (Zaccolo och Pozzan 2003). Kanalerna är också permeabla för natrium och kalium, vilket kan förändra membranpotentialen i elektriskt aktiva celler.

• Copyright © 2012 Cold Spring Harbor Laboratory Press; all rights reserved