细胞信号通路详解之cAMP信号通路

cAMP(环腺苷3’,5′-单磷酸)是第一个被识别的第二信使,它在细胞对许多细胞外刺激的反应中起着重要作用。cAMP信号通路控制多种细胞过程。事实上,cAMP不仅为第二信使的概念提供了范例,也为信号的区域化提供了范例。不同的受体,主要是GPCRs (g蛋白耦联受体),α和Beta-ADRs(肾上腺素能受体),生长因子受体,CRHR(促肾上腺皮质激素释放激素受体),GcgR(胰高血糖素受体)等促使cAMP在细胞内累积,导致不同的生理状况,cAMP水平变化选择性激活PKA(cAMP dependent Protein Kinase-A)亚型。cAMP的主要来源是ATP(三磷酸腺苷)。在哺乳动物中,ATP向cAMP的转化是由iii类AC (Adenylyl Cyclase)/ADCY (Adenylate Cyclase)家族成员介导的,在人类中包括9种跨膜AC酶或tmACs和1种可溶性AC或sAC。sAC主要发生在成熟的精子中。tmACs在不同类型GPCRs的刺激下由异三聚体g蛋白调控,因此在细胞对细胞外信号的反应中起着关键作用。相反,sAC对g蛋白不敏感。sAC被Ca2+(钙离子)和代谢物HCO3-(重碳酸盐离子)直接激活,使酶成为细胞内的代谢传感器。tmACs和sAC共同调控一系列重要的生物过程,如分化和基因转录,这使得cAMP信号成为从原核生物到高等真核生物的细胞内和细胞外信号的重要媒介。
细胞外刺激如神经递质、激素、炎症刺激、应激、肾上腺素、去甲肾上腺素等通过GPCRs和adr -/Beta等受体激活g蛋白。调节ACs激活的主要g蛋白有GN-AlphaS (GN-AlphaS Complex Locus)、GN-AlphaQ (Guanine Nucleotide-Binding Protein-Alpha- q)和GN-AlphaI (Guanine Nucleotide Binding Protein-Alpha Activity Polypeptide)。激活后,这些亚基从GN-Beta(鸟嘌呤核苷酸结合蛋白- beta)和GN-Gamma(鸟嘌呤核苷酸结合蛋白- gamma)亚基中分离出来,并被转换为它们的GTP结合状态,这些状态在9个tmac上表现出独特的调节功能,以调节细胞内cAMP水平。其他配体如Gcg (Glucagon)、Ucns (Urocortins)、Ntn1 (Netrin-1)等要么直接调控ACs的活性,要么通过各自的受体如GcgR、CRHR、DCC等通过g蛋白的激活来调控ACs的活性。GN-AlphaS和GN-AlphaQ激活ACs,使细胞内cAMP水平升高,而as、GN-AlphaI通过抑制ACs降低细胞内cAMP水平。GN-Beta和GN-Gamma亚基与GN-AlphaS和GN-AlphaQ协同作用,仅激活ACII、IV和VII。然而,β和γ-subunits GN-α抑制ACI的活动,V和VI,,ACIIII,V,VI和IX亚型在脊髓疼痛传播中扮演着重要的角色,由于慢性Opoids差异,他们常常被钙离子和其他作用在cAMP信号蛋白所调节。GN-AlphaI活性被g蛋白信号调节蛋白RGS抵消。然而,Beta-Arrestin使许多GPCRs和adr脱敏,从而阻断受体和其细胞效应因子之间的相互作用,从而抑制GPCR活性。Beta-Arrestin招募PDE4D (cAMP特异性磷酸二酯酶- 4d)亚型,将信号从GN-AlphaS切换到GN-AlphaI,从而控制细胞内cAMP水平。生长因子和PI3K(磷脂酰肌醇激酶-3激酶)通过激活Akt (v-Akt小鼠胸腺瘤病毒致癌基因同源物)与cAMP信号相互作用,进一步激活PDE(磷酸二酯酶),通过Akt信号转导cAMP转化为AMP。它调节心脏收缩力和代谢能的释放。g蛋白通过激活PI3K和PLC(磷脂酶- c)间接影响cAMP信号。PLC裂解PIP2(磷脂酰肌醇4,5-二磷酸)生成DAG(二酰基甘油)和IP3(肌醇1,4,5-三磷酸)。DAG反过来激活PKC(蛋白激酶c)。IP3通过IP3R (IP3受体)释放Ca2+,调节上游蛋白到cAMP信号,促进Src (v-Src Avian Sacroma (Schmidt-Ruppin A-2)病毒癌基因)和PYK2(脯氨酸丰富的酪氨酸激酶-2)的激活。PI3K激活Src和生长因子通过Ras增强了Raf1 (v-Raf1小鼠白血病病毒致癌基因同源1)的激活。Raf1促进MEK1 (MAPK/ERK激酶-1)和MEK2的激活,进而激活ERKs(细胞外信号调控激酶),最终诱导转录调控因子Elk1 (ETS-domain protein Elk1)介导的基因表达。PKC通过激活Raf1、PYK2和ACs(如ACI、II、III、V和VII)来调节cAMP信号,但抑制ACVI。
一旦激活,tmACs和sAC会产生第二信使营,以响应广泛的信号转导途径。cAMP的三个主要靶点是PKA、GTP-exchange蛋白、EPACs (cAMP激活的交换蛋白)和CNG(环核苷酸门控离子通道)。cAMP激活CNG为Ca2+内流提供通道。cAMP通过PKA-independent和EPAC (cAMP激活的交换蛋白)依赖途径激活Rap1A (ras相关蛋白- 1a)和Rap1B (ras相关蛋白- Rap1B)。cAMP激活cAMP- gefi (cAMP调节的鸟嘌呤核苷酸交换因子- i)/EPAC1和cAMP- gefii (cAMP调节的鸟嘌呤核苷酸交换因子- ii)/EPAC2,进而分别激活Rap1A和Rap1B。Rap1A和Rap1B与BRaf (v-Raf小鼠肉瘤病毒癌基因同源- b1)形成激活复合物,激活MEK1/2,最终导致Elk1激活。Rap1A和Rap1B进一步刺激对细胞存活至关重要的Rap1和Rap2通路。除了CNG、PKC和EPACs外,cAMP的其他直接靶点包括PDE、mTOR(哺乳动物雷帕霉素靶点)、p70S6K/RPS6KB1(核糖体蛋白- s6激酶- 70kda -多肽-1)、PLA2(磷脂酶- a2)。cAMP激活的mTOR和p70S6K通过mTOR和p70S6K信号通路促进细胞生长,而PLA2通过促进脂肪酸代谢过程促进储存能量的释放。Urocortin-cAMP介导的PKC和p38的诱导导致细胞凋亡和细胞因子的产生(如IL-6(白细胞介素-6)),并向下游转移至Urocortin-cAMP途径。虽然cAMP直接调控某些分子的活性,但PKA似乎是cAMP的主要“read-out”,是cAMP主要的细胞效应因子。PKA通过一种叫做AKAPs (a -激酶锚定蛋白)的不断增长的蛋白质系在特定的细胞位置上。AKAP调控PKA的同功酶等对很多生理过程有重要作用,比如cAMP离子通道的调节神经系统,调节细胞周期包括微管动力学,染色质凝聚和解聚,核膜拆卸和重新组装,类固醇生成,生殖功能、免疫反应和许多胞内运输机制等。
接下来,我们分析了PKA在某些特定生理过程中的作用,这些生理过程中cAMP的调节起着主要作用。cAMP-PKA的adr -/-刺激使几种与兴奋-收缩耦合相关的蛋白磷酸化,如l型CaCn(钙通道)、KCn(钾通道)、SCn(钠通道)、ClCn(氯通道)、RyR (Ryanodine受体)、Pln(磷胺)、CRP (c -反应蛋白)的激活,但抑制了TnnI(肌钙蛋白- i)。PKA磷酸化Pln,调节SERCA2(肌浆网Ca2+-ATPase-2)的活性。它会导致Ca2+、Cl+(氯离子)、K+(钾离子)、Na+(钠离子)的再摄取增加,这一过程会影响衰竭心脏。Ca2+摄取激活Caln (Calcineurin),进一步促进NFAT(激活t细胞的核因子)转运到细胞核,这一过程对轴突的生长至关重要。cAMP通过控制心肌收缩过程,在调节心血管功能方面发挥重要作用。增加较高浓度的Ca2+和PKA激活通过磷酸化丝氨酸残基(Ser635)来增强eNOS(内皮NOS)酶活性,从而刺激eNOS信号通路,这对于维持心血管稳态至关重要。在哺乳动物中,Ca2+和HCO3-在调节精子功能中起关键作用,很可能是通过调节cAMP水平。sAC在人类精子中很活跃,是HCO3-和Ca2+的传感器。Ca2+通过CaCn和CNG释放,激活Calm(钙调蛋白)和CamKs(钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶)。进一步激活Caln、CamK2(钙/钙调蛋白依赖性激酶- ii)和CamK4。这些反过来又通过调节ACs和PDEs的活性来调节cAMP的产生。amKs与Caln共同抑制PDE和ACIX, CamK2和CamK4分别抑制ACIX和ACI的功能。ACIX也被PKC抑制,从而控制海马神经元中的cAMP信号。cAMP激活的PKA通过形成一个不活跃的Rap1/Raf1来抑制ERK的激活,后者通过隔离Raf1活性来干扰MEK1、2的激活。与PKA类似,14-3-3也有助于Raf1的失活过程。因此,cAMP对ERK的影响因细胞内Raf1、BRaf和PKA亚型的平衡而异。cAMP、PKA和Akt激酶可激活长PDE4A (cAMP特异性磷酸二酯酶- 4a)亚型。PDE隔离cAMP活动通过将其转换回AMP。这个负反馈循环终止cAMP信号。cAMP进一步抑制PDE1(磷酸二酯酶-1)活性,增强cAMP信号传导的持续时间和强度。
cAMP遵循一条独特的路线,并激活一个单一的PKA-AKAP复合物接近底物,以介导一个独特的生物效应。因此,每个底物似乎都有自己的固定PKA池和自己的局部cAMP梯度。PKA通过抑制14-3-3蛋白与BAD(通过14-3-3/BAD signaling)和NFAT的相互作用,促进细胞存活。PKA通过限制其在红血球中谱蛋白-肌动蛋白网络组装过程中的作用来,抑制内收蛋白的作用,从而降低了红血球白血病的几率。激活KDELR (KDEL内质网蛋白保留受体),促进高尔基复合体蛋白(蛋白保留)向内质网的检索,从而维持细胞的稳定状态。cAMP水平升高通过PKA依赖机制使GSK3Alpha(糖原合酶激酶-3-)和GSK3Beta(糖原合酶激酶-3-)失活,从而促进神经元细胞的存活,从而防止肿瘤发生和神经退行性变。PKA在不同程度上干扰其他信号通路。PTP(蛋白酪氨酸磷酸酶)的失活导致ERKs的解离和活化。PCTK1 (PCTAIRE Protein Kinase-1)和APC (anaphase – promotion Complex)的失活分别有助于维持对细胞增殖、后期启动和后期有丝分裂事件的控制,从而抑制降解细胞周期调节因子。cAMP对PKA的激活通过使白色脂肪组织中的HSL(激素敏感脂肪酶)磷酸化来增加细胞中储存能量的释放,从而导致甘油三酸酯(甘油三酸酯代谢的重要中间体)的水解。HSL水解甘油三酯产生游离脂肪酸,这是释放储存能量的主要途径,这个过程称为脂解。Gcg与肝细胞表面结合,通过pka介导的级联激活PHK(磷酸化酶激酶),引起cAMP生成增加,导致糖原分解速率增加。PHK进一步激活PYG(糖原磷酸化酶),将糖原转化为葡萄糖-1-磷酸。然后磷酸葡萄糖醛酸酶将磷酸转移到葡萄糖-1-磷酸的C-6上,生成葡萄糖-1,6-磷酸作为中间产物。C-1上的磷酸盐被转移到再生酶上,葡萄糖-6-磷酸腺苷被释放出来,进入糖酵解。这是肝细胞通过adr/Beta释放肾上腺素的相同反应。PKA进一步抑制GYS(糖原合成酶),导致糖原合成等耗能过程的发生。
在激素的刺激下,cAMP增加了RhoA的磷酸化,使Rho激酶失活。Rho激酶通过催化肌球蛋白磷酸酶调节亚基PPtase1(蛋白磷酸酶-1)的磷酸化来调节肌球蛋白ii和细胞收缩,通过抑制其催化活性,从而间接增加RLC磷酸化。Rho激酶的失活也直接增加了RLC的磷酸化。这种细胞内cAMP和RLC磷酸化激活的PKA的增加减少了血栓素诱导的内皮细胞的等张力发展,从而减少了水肿的发展,这是急性和慢性炎症的一个标志。有趣的是,PKA通过特定的PPtase1抑制剂的磷酸化来控制磷酸酶活性,如DARPP32(多巴胺和camp调节的磷蛋白)。当DARPP32在thr34(苏氨酸-34)位点磷酸化时,神经递质通过GPCRs增强DARPP32的相互作用,从而导致PPtase1活性的抑制。磷酸化是CREB (cAMP Response Element- binding Protein)、CREM (cAMP Response Element Modulator)和ATF1 (activation Transcription Factor-1)转录激活的关键事件,因为磷酸化可以与转录协同激活因子CBP (CREB-binding Protein)和p300相互作用。CREM基因编码许多不同的亚型,其中一些具有抑制功能。特别是抑制因子ICER(诱导型cAMP早期抑制因子),通过与CREB和CREM激活因子的DNA结合位点竞争,参与cAMP诱导转录的下调。PPtase1检查磷酸化事件,以失活抑制因子亚型的形成,如ICER,使CREB, CREM和ATF1能够与辅激活剂,如CBP和p300相互作用。因此,在生理条件下,ICER诱导是一种短暂的现象,使cAMP信号恢复到基础状态。相反,延长或不适当的诱导ICER会导致病理结果。
同样,NK-KappaB (Nuclear Factor-KappaB)被PKA磷酸化是转录激活和与CBP相互作用的必要条件。PKA调节转录因子的活性,如核受体和HMG(高迁移率组)蛋白,影响它们的二聚或dna结合特性。一个奇特的例子是PKA在Hedgehog信号的影响下调控Gli3 (Gli-Kruppel家族成员-3)的机制。Gli3的功能与果蝇基因CI (Cubitus Interruptus)的活动相似。在这种情况下,磷酸化会刺激特定的Gli3裂解,从而将蛋白从激活物转化为抑制物。然而,PKIs(蛋白激酶抑制剂)和Mep1B (meprina – beta)等蛋白下调PKA活性以防止异常基因表达。
通常,细胞内cAMP的水平是由两种酶活性的平衡来调节的;ACs和环核苷酸PDEs主要是对激素和神经递质的反应。cAMP信号参与控制极化上皮细胞的胞外活动,可能与高血压、胃溃疡、甲状腺疾病、糖尿病和哮喘有关。cAMP信号的异种致敏有助于生理过程的形成过程,如昼夜节律的定时、性行为和神经递质串扰,也有助于神经系统疾病,如药物滥用和药物引起的运动障碍。这为成瘾和许多其他中枢神经系统紊乱的机制提供了深入的了解,反映了神经元细胞功能的改变。此外,它也很可能代表了ACs的作用,并为针对ACs的治疗开辟了道路,这可能在男性避孕药的开发中被证明是有用的。
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