Journal of Molecular Signaling, 2007; 2: 2-2 (más artículos en esta revista)

Mecanismos moleculares de mediación de la proteína G-receptor acoplado regulación de la progresión del ciclo celular

BioMed Central
David Nuevo C (dnew@ust.hk) [1], Yung H Wong (boyung@ust.hk) [1]
[1] Departamento de Bioquímica, el Centro de Neurociencia Molecular, Biotecnología y el Instituto de Investigación, Universidad de Hong Kong de Ciencia y Tecnología, Clearwater Bay, Hong Kong, China

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Resumen

G-proteína unida son los principales receptores de los reguladores de la comunicación celular, la mediación de una coordinación eficiente de una célula de respuestas a estímulos extracelulares. Cuando se estimula estos receptores modulan la actividad de una amplia gama de vías de señalización intracelular que faciliten el desarrollo ordenado, el crecimiento y la reproducción de este organismo. En la actualidad existe un creciente cuerpo de evidencia examinar los mecanismos por los cuales la proteína G-junto receptores son capaces de regular la expresión, la actividad, la localización y la estabilidad del ciclo celular de proteínas reguladoras que, o bien promover o inhibir la iniciación de la síntesis de ADN. En esta revisión, se detalle las vías intracelulares que median la proteína G-receptor acoplado regulación de la proliferación celular, específicamente la progresión de la fase G1 a la fase S del ciclo celular.

Fondo

Un eficiente sistema de comunicación celular ha evolucionado para garantizar el ordenado desarrollo, el crecimiento, la conservación y la reproducción de organismos multicelulares. Esto permite a las células para responder a estímulos ambientales, así como el uno al otro mediante la integración de los numerosos extracelular y señales intercelulares que están constantemente en recibir una respuesta coordinada. Central de señalización celular es la proteína G-receptores acoplados (GPCRs). El genoma humano se estima para codificar 800 a 1000 de estos siete transmembrana que abarcan las proteínas [1, 2]. Activado GPCRs promover un amplio espectro de cambios bioquímicos intracelulares resultante en la modulación de muchos aspectos de la fisiología, crecimiento, desarrollo y control de la enfermedad [3]. GPCRs desde hace tiempo se sabe que mediar mitogénica señales que conduzcan a la proliferación celular [4] y la sobreexpresión o mutación de subtipos de muchos GPCR en numerosos tipos de células se cree que contribuyen al crecimiento desregulado del tumor y el desarrollo [5, 6].

Eucarióticas la progresión del ciclo celular está impulsado por una serie coordinada de eventos de fosforilación, principalmente mediada por la ciclina-quinasa dependiente (CDK) la familia de serina / treonina cinasas. La actividad de las CDKs es, a su vez, reguladas por su estado de fosforilación, así como de su interacción con numerosos inhibitoria y la activación de proteínas de unión. Active complejos CDK conducir el ciclo celular a través de sus fases de fosforilantes abajo proteínas [7]. Durante la fase G1 del ciclo celular, estos CDK impulsada por los acontecimientos responden a señales extracelulares. Es durante este período del ciclo celular que GPCR inducida por vías de transducción de señales son capaces de afectar, ya sea positiva o negativamente, la progresión del ciclo celular. En esta revisión, se examinará la capacidad de los GPCRs a modular la actividad de las vías intracelulares de activación que conectan a la membrana celular a la proliferación celular.

Heterotrimeric las proteínas G

GPCRs predominantemente, aunque no exclusivamente, [8], ejercen sus efectos mediante la activación de las proteínas G heterotrimeric. Esto promueve la liberación de libre G G α y βγ subunidades que, a continuación, iniciar la transducción de señales intracelulares. GPCRs preferentemente joven heterotrimeric a las proteínas G que se agrupan en cuatro clases, conocido como G q/11 α, α G E / S, G α s y α G 12/13 [9]. Los miembros de todas las cuatro clases de G subunidad α se ha demostrado que interviene en la regulación del crecimiento celular y la proliferación en virtud del hecho de que constitutivamente activa G α mutantes se han encontrado en numerosos tumores. El SGP oncogén (G p rotein s) mutationally es una forma activa de G α s detectado en la pituitaria y tiroides, tumores de células que promueve el crecimiento de la activación constitutiva adenylyl ciclasa (AC). El oncogén gip2 (G p rotein i) promueve el crecimiento tumoral mediante la activación de mitogen-activated proteína quinasa (MAPK) vías [10], mientras que mutationally activado formas de G α z, G q α, α G 12 y G α 13 son capaces de transformarse generado fenotipos [10, 11].

Numerosos GPCRs utilizar heterotrimeric G proteínas que modulan la proliferación celular. Prueba directa de la participación de G i / o proteínas se ha obtenido mediante la utilización de la toxina pertussis (PTX) para bloquear G i / o mediada por la señalización. Por ejemplo, la melatonina que actúa en G i / o junto MT-1 se expresa en los receptores de MCF-7 células del cáncer de mama estrógeno suprime y glucocorticoides inducida por la proliferación celular [12], posiblemente mediante la inhibición de los receptores de esteroides inducida por la transcripción de los genes ciclina D1 [ 13, 14]. Estos efectos de la melatonina son totalmente bloqueado por PTX. El uso de PTX también ha indicado que el uso de G i / o proteínas mediar la promoción de la síntesis de ADN de α 1-adrenérgicos en los osteoblastos [15], κ de los receptores opioides en células de glioma C6 [16] y lysophosphatidic ácido (LPA) en receptores fibroblastos humanos [17]. Otros ejemplos de utilización de GPCR G i / o proteínas en proliferativa respuestas se pueden encontrar en la Tabla 1.

La participación de proteínas G s en unos pocos iniciados GPCR respuestas se ha determinado utilizando la toxina del cólera (CTX), que constitutivamente activa G subunidades α s, evitar una mayor activación de GPCRs. El glucagón-péptido de tipo 2 (GLP-2) actúa como un potente mitogen a Caco-2 células epiteliales intestinales, pero pretratamiento de las células con CTX se reduce de forma significativa las buenas prácticas de laboratorio-2-síntesis de ADN inducida [18]. Del mismo modo, los bloques de CTX LPA inducida por la proliferación del pigmento retiniano células epiteliales [19], aunque la contribución relativa de activación de los receptores LPA de G i / o s y las proteínas G en estas respuestas no se haya determinado. Otros s-G, junto GPCRs también desempeñan importante papel en la promoción o inhibición de la progresión del ciclo celular, como lo demuestra en sus efectos aguas abajo efectores (véase el cuadro 1 y más abajo).

Si bien hay mucho pruebas concluyentes de que demuestra la participación de G q/11 y 12/13 G-vías de señalización activadas en el control del ciclo celular (que se examinan en mayor detalle más adelante), evidencia experimental directa de la activación de GPCR estas proteínas G para los fines de control del ciclo celular es generalmente ausentes. Una excepción notable, sin embargo, es un estudio de fibroblastos NIH3T3 transfectadas con α G 12. En presencia de LPA, estas células sintetizar ADN y proliferan mucho más rápidamente que untransfected células, lo que indica que la LPA efectos son mediados por el receptor LPA junto a G α 12 [20].

cAMP / PKA / CREB

AMP cíclico (AMPc) se genera a partir de ATP por la AC familia de enzimas. CA se activan por G subunidades α s mientras que la mayoría de isoformas son inhibidas por G α i / o subunidades. G βγ dímeros puede positiva o negativamente regular AC isoformas. cAMP activa la proteína quinasa A (PKA), que no sólo phosphorylates factores de transcripción, incluyendo el campamento respuesta elemento vinculante proteína (CREB) y AP1 miembros de la familia, sino que también modula la actividad de otras vías de señalización (Fig. 1 y [21]].

La hormona paratiroidea (PTH) activación de los receptores en UMR-106 osteoblástica células inhibe la progresión de células en fase S. Este bloqueo es acompañada por el aumento de p27 Kip1, un inhibidor de la CDK-ciclina complejos necesarios para el G1 a la fase de transición S [7]. Como PTH es un G-s receptor acoplado, una célula permeable cAMP analógica imitado los efectos de la PTH mientras que un inhibidor de PKA suprimido los aumentos en los niveles de p27 Kip1 [22]. En completo contraste, la activación de la hormona estimulante del tiroides (TSH) receptor, también G-s, junto, inducida G1 a la fase S progresión en ratas células tiroideas. La TSH inducida por la progresión y el aumento de la síntesis de ADN se asoció con un aumento en los niveles de c-Fos [23], un sitio de unión para los que se encuentra en la región promotora de ciclina D1 [14], así como incrementos en los niveles de dos G1 cyclins, D1 y E [24]. Estos efectos fueron imitado por un campamento analógica [24] y las células que contiene un mutante dominante negativo de CREB, que también se activa el promotor ciclina D1, ha reducido los niveles de TSH inducida por la síntesis de ADN y una mayor duración del ciclo celular [25]. Del mismo modo, el estrógeno y el 17 β-estradiol (E2) se cree que actúan, en parte, como ligandos para el huérfano GPCR GPR30 [26]. El E2 inducida por la proliferación de queratinocitos es acompañado por un aumento en los niveles de ciclina D2, un mediador clave de G1 a la fase S progresión en las células de la piel [27], y el aumento de la actividad de ciclina D2-cdk4 o 6 complejos [28] . E2 aumentado la cantidad de CREB activa, un activador transcripcional del gen ciclina D2, y este, así como el aumento de los niveles de ciclina D2 y proliferación, se invirtieron por un inhibidor de PKA [28].

Debido a las diferencias en los patrones de expresión y los niveles de CA isoformas, la multiplicidad de fosfodiesterasas que puede degradar el campamento y la regulación de la CA de Ca 2 + / calmodulina y una variedad de quinasas [21], quizás no sea sorprendente que la activación de G s - junto receptores puede dar lugar a efectos contradictorios sobre la progresión del ciclo celular en función del tipo de células y GPCR estudiados (Cuadro 1 y [14]]. Se ha sugerido que las diferencias pueden ser el resultado de diferentes concentraciones de AMPc, con menores niveles de ciclina D inducir expresión mientras que niveles más altos inducen p27 Kip1 expresión [28]. Además, niveles elevados de AMPc y la activación de PKA resultados en células específicas del tipo de modulación de las vías de MAPK [29], mientras que es probable que G subunidades βγ liberado de GPCR activados por proteínas G s puede activar MAPKs (Fig. 1 y [30 ]).

Aún no está claro si G i / o acoplado GPCR inducida por las reducciones en los niveles basales de AMPc independiente puede afectar a la progresión del ciclo celular, pero es probable que los niveles de AMPc intracelular son el producto de competir señales de G s y G i / o proteínas. Hay ejemplos de G i / o receptores de acoplamiento modular la progresión del ciclo celular, por ejemplo, la melatonina MT-1 mediada por los receptores de inhibición de la proliferación de ratas en las células de útero [31], sin embargo estos efectos son susceptibles de ser mediadas por una variedad de otras vías intracelulares (ver secciones siguientes), en lugar de por la inhibición de la actividad de CA.

Las vías de MAPK

Células de mamífero expresar tres clases principales de MAPKs, la señal extracelular regulada quinasas (ERK), c-Jun N-terminal kinasa / estrés activa proteínas quinasas (JNK / SAPK) y p38 quinasas, la activación de lo que se traduce en la estimulación de factores de transcripción y la regulación de la expresión de proteínas del ciclo celular [32, 33]. GPCRs activar MAPKs a través de varios mecanismos diferentes, es decir, mediante el uso de β-arrestin / endocytotic vías, transactivating RTKs o segundo mensajero de la activación. El β-arrestin vía general, los resultados en la retención de MAPKs en el citoplasma y transitorios actividad MAPK, lo que limita su papel en la activación de sustratos nucleares y la proliferación (discutido en [34]]. Sin embargo, la activación de GPCR β-arrestin vías dependientes no excluye la posibilidad de activación de ERK sostenido [35] o de la translocación nuclear de actividad de ERK y la promoción de la proliferación, como se demuestra por la neuroquinina NK-1 receptor [36]. Por el contrario, RTK mediada por segundos mensajeros y activación de MAPK vías de generar la actividad MAPK sostenido que es a menudo el pensamiento crítico a la GPCR regulación de la progresión del ciclo celular [32].

Otros PKC dependientes de las vías

Así como su papel documentado en la activación de Raf-1 (véase más arriba), PKC también actúa como un mediador clave de una serie de otros GPCR proliferativa inducida por las vías. Isoformas PKC, así como DAG, son capaces de activar la proteína quinasa C (ERP) la familia de serina / treonina cinasas [57]. De hecho, la proliferación de células 3T3 suizos en respuesta a la activación del G-q junto bombesin o los receptores de vasopresina se potenció en gran medida por la sobreexpresión de la ERP [58]. Las vías que conectan la activación de GPCR el control de la progresión del ciclo celular aún no han sido esbozadas, pero se sabe que la ERP puede activar las vías ERK y phosphorylate c-Jun (Fig. 4 y [57]].

PKC también se activa el NF-κ B factores de transcripción de iniciar una serie de fosforilación y degradación de los eventos [59]. En embriones de ratón líneas celulares que expresan tanto la dopamina D 1 (G-junto s) y D 2 (G i / o acoplado) receptores, la administración de la dopamina dado lugar a un PKC dependientes de aumento de NF-κ B ADN vinculante actividad, junto con aumentos en los niveles de p21 Cip1 y p27 Kip1 y una inhibición de la síntesis de ADN [60]. Sin embargo, en un modelo de fibroblastos de embriones NF-κ B se une a la activa y la ciclina D1 promotor región, llevando a G1 a la fase S progresión (Fig. 4 y [61]]. Otros GPCRs, incluido el G i / o acoplado μ-receptor opiáceo [62], la somatostatina TSM 2 actuando a través de los receptores α G 14 [63] y la adenosina A 1 receptor actúe a través de G α 16 [64] también promover la NF-κ B activación . Esta actividad parece estar mediada por numerosas vías intracelulares, incluidas las dependientes de la PKC, ERK, Src, PI3K, JNK, y β PLC, aunque el papel de G i / o acoplado activación de los receptores de estas vías a NF-κ B del ciclo celular mediada progresión aún no se ha investigado.

Src familia de tirosina quinasas

Los miembros de esta familia de cinasas están firmemente arraigados en vías de transducción de señales activadas por diversos estímulos extracelulares [65]. También desempeñan un papel importante en el crosstalk entre muchos caminos. Ya hemos visto que quinasas Src desempeñar un papel en el GPCR inducida transactivation de RTKs (véase el debate anterior y Fig. 2]. El GPCR / src / RTK secuencia de acontecimientos es poco conocido, ya sea que participen o α G G subunidad βγ estimulación de Src-Src o la activación de vías [46]. GPCRs también puede transactivate complejos de adhesión focal que consta de la integrina heterodimers que actúan como receptores de matriz extracelular. El transactivation es dependiente de Src y conduce a la formación de una plataforma de señalización que incluye Src, la quinasa de adhesión focal o p125FAK su homólogo Pyk2, paxillin, así como el adaptador de proteínas necesaria para promover Ras familia que dependen de vías de señalización, en particular los que MAPKs y uso PI3Ks como productos intermedios (revisado en [66]]. La angiotensina II utiliza uno de esos p125FAK/Rac1/JNK vía para promover la proliferación vascular de las células musculares lisas [67]. Gastrina y otros neuropéptidos, a través de su efecto sobre la agonística G q - y 12/13 G-junto GPCRs, se pensó también para promover S G1 a la fase de transición, en parte, a través de la activación de sus similares de señalización complejos Rho/integrin/p125FAK/paxillin [68, 69]. Esto incluiría los receptores de endotelina, que promueven la síntesis de ADN en astrocitos primarios mediante una combinación de una adhesión depende Src/Rho/p125FAK/paxillin y aparentemente Rho / adherencia independiente de Pyk2/ERK vía [70]. El G i / o de acoplamiento del receptor CXCR4 promueve la síntesis de ADN a través de un itinerario Pyk2/PI3K/ERK (Fig. 5 y [71]].

A falta de RTK transactivation, Src actividad es necesaria para GPCR inducida por la proliferación de una serie de vías alternativas. El G-q junto receptores de la sustancia P (NK-1) promueve la proliferación de células de glioblastoma humano en un Src-dependientes. La inhibición de la actividad Src impide la fosforilación y la activación de la PKC δ y ERK en estas células [72]. ERKs se conocen los sustratos de PKC δ [73]. El mitogénica G-q junto activar los receptores de la endotelina ERKs a través de un Src-dependientes vía que exige el G-α q activación de la subunidad β de PLC y Ca 2 + en libertad [74]. Un camino similar se identificó en células CHO expresando la gastrina-CCK2 receptor activado, donde se proliferación mediada por un PKC / src activación de p38 MAPK [75]. En contraste, los anti-proliferativa efectos de la α 1B-adrenérgicos en células HEK293 son quinasa Src familia dependientes. Esta actividad estimula una familia Rho FMAM, DBS, y cdc42, un miembro de la familia Rho, la de activar una MAPK kinasa, MKK4, y JNK (Fig. 5 y [76]].

Otros estudios han arrojado luz sobre el G i / o acoplado GPCR Src de activación mediada por la proliferación. 5HT 1E serotonina, la dopamina D 2 y α-2C todos los receptores adrenérgicos, promover la proliferación de células NIH3T3 a través del G-α i activación de la subunidad Src, que activa C3G, un RapGEF. Como se indica más arriba, RapGEFs, incluidos EPAC, Rap-1/B-Raf/ERK activar las vías que conduzcan a la proliferación (Fig. 5 y [77]]. Por otra parte, la dopamina D 4 receptor promueve la síntesis de ADN a través de Src / src homología 2-que contiene proteína (SHC) / Ras / ERK vía [78]. El mecanismo exacto de G α i activación de Src sigue siendo objeto de investigación, pero ambas G α i y G α s directamente y se unen a activar quinasas Src familia [79].

La activación de MAPKs no es la única consecuencia de los GPCR inducida por la activación de cinasas Src familia. Un número cada vez mayor de GPCRs activar la quinasa Janus / transductor de señales y activador de la transcripción (JAK / STAT) las vías como un medio para modular la progresión del ciclo celular. La gastrina-CCK2 activado, muscarínicos M 5 y α 1B-adrenérgicos G-q junto receptores, así como el G-s junto melanocortin receptor MC 5 inducir aumentos en la proliferación celular mediante la activación de JAK y STAT miembros de la familia [80 - 82]. La participación definitiva de Src en estas vías no se ha establecido y es posible que una combinación de la activación directa de Src y quinasas dependientes de Ras-MAPK vías es necesaria para la plena activación transcripcional STAT [83]. Es interesante señalar que la promiscuously junto α G 14 y G α 16 subunidades son igualmente capaces de mediar la activación de Src y JAK / STAT siguientes vías de activación de varios GPCRs [84 - 86], aunque si esto conduce a la modulación de la progresión del ciclo celular aún no se puede conocido. La capacidad de G α i / o subunidades para promover la Src mediada por la activación de Estadísticas está bien documentado [83]. Lo que está menos claro es el papel de G i / o acoplado GPCRs en el control de la progresión del ciclo celular a través de estas vías. Curiosamente, en las células NIH3T3, G α i2 media la activación de Src STAT3, y esto puede promover la expresión de ciclina D1 (Fig. 5 y [87]].

PI3K/Akt vías

Transduced señales extracelulares de ambos RTKs y GPCRs convergen a la activación de una familia de PI3Ks. La activación de estas quinasas de lípidos GPCRs se piensa que es dependiente directa en la unión de subunidades βγ G y Ras al PI3Ks [88]. PI3K activación inicia una cascada de fosforilación conducen a la activación de Akt (también llamado proteína kinasa B) y su abajo quinasas dependientes phosphoinositide-quinasa 1 (PDK1), glucógeno sintasa quinasa 3 (GSK3), la proteína p70 ribosomal S6 quinasa (p70 S6K), mamíferos objetivo de rapamycin (mTOR) y otros [89]. Además, ya hemos visto cómo GPCRs puede activar a través de vías PI3K RTK o integrina transactivation [41, 42, 66]. Tras directa o indirecta GPCR inducida por activación de PI3K, la progresión del ciclo celular está regulado por el efecto de PI3K-quinasas activadas por la expresión y la estabilidad de las proteínas del ciclo celular, o por la modulación de la actividad de otras vías de transducción de señales. Por ejemplo, la somatostatina TSM 2 receptores chino expresó en células de ovario de hámster (CHO) inhibir la proliferación de activar una PI3K dependiente de Ras-Rap1/B-Raf/ERK vía, lo que resulta en un aumento en los niveles de proteína p27 Kip1 (Fig. 6 y [90]]. También se ha demostrado que la activación sostenida de p38 por la activación de la SST 2a subtipo de receptor conduce a upregulation de p21 Cip1 y la inhibición del ciclo celular. Sin embargo, esto puede ser por que antagoniza la activación de los receptores SST 2b, que activa PI3K, p70 S6K, Akt y la proliferación (Fig. 6 y [91]]. Esto sugiere que el resultado final de un evento de señalización se basa en el equilibrio de varios mecanismos que compiten.

Varios estudios han arrojado más luz sobre el efecto de la activación de vías GPCR/PI3K a las proteínas del ciclo celular. Por ejemplo, la trombina activación de los receptores en el músculo liso vascular células conduce a la reducción de los niveles de p27 Kip1 y una mayor proliferación celular [92], mientras que en los fibroblastos de embriones evidencia sugiere que la activación del receptor de la trombina de PI3K/Akt vías promueve la acumulación de ciclina D1, ciclina D1 - Cdk4 actividad y la progresión del ciclo celular [93, 94]. Además, se ha postulado que la activación del receptor de la trombina de actividad de ERK en última instancia conduce a una mayor translocación de CDK2 en el núcleo y la proliferación de fibroblastos [95]. Por otra parte, sphingosine 1-fosfato activación de la EDG-1 receptor se activa p70 S6K, la promoción de ciclina D1 expresión y la proliferación (Fig. 6 y [96]]. La reducción en los niveles de p27 Kip1 y el upregulation de la proteína ciclina D se consideran los principales efectos del ciclo celular activación de PI3K por RTKs [89]. La proteína ciclina D1 está estabilizado por la Akt mediada por la inactivación de GSK3, que normalmente phosphorylates y promueve la degradación de la ciclina D1. Akt phosphorylates y también inactiva forkhead (FH) factores de transcripción, que se unen a activar y el p27 Kip1 promotor. PI3K vías también puede reducir la estabilidad de p27 Kip1, y Akt fosforilación de p27 Kip1 afecta negativamente a su localización nuclear. Akt inducida por fosforilación de la TSC2 supresor tumoral (también conocido como tuberin) causa la disociación de TSC2 y TSC1 (también conocido como hamartin), el alivio de su inhibición de mTOR cinasa. El aumento de la actividad mTOR reducen la estabilidad de p27 Kip1 (Fig. 6 y [89]]. GPCRs Algunos ya se han mostrado a este joven a PI3K/tuberin sistema [97], a pesar de la importancia para la proliferación celular no ha sido establecida.

Conclusión

Se trata de un hallazgo que GPCRs regular la progresión del ciclo celular. El efecto final sobre la proliferación celular es probable que sea el resultado de la acción combinada de diferentes GPCRs activar simultáneamente varias proteínas G diferentes familias, cada una de las cuales afecta a la actividad de múltiples vías de señalización intracelulares que modulan la expresión, la actividad y la estabilidad de las principales proteínas de la maquinaria del ciclo celular. Restricciones en GPCR efectos inducidos pueden derivarse de factores tales como la expresión y la accesibilidad de los componentes de señalización, así como la magnitud y la duración de la respuesta intracelular. Sin embargo, para ser estudiado en profundidad es el efecto combinado de activación de GPCR junto a la mitogénica efectos de otras clases de moléculas de señalización. Sin embargo, hay mucha esperanza de que el objetivo de la modulación GPCR actividad se revelan las estrategias para el tratamiento de condiciones médicas que se plantean debido a la desregulación del crecimiento celular y la proliferación.

Conflicto de intereses

Los autores declaran que no tienen intereses en conflicto.

Autores de las contribuciones

YHW concibe el examen y lo revisó críticamente importante para el contenido intelectual. DCN redactado el manuscrito.

Agradecimientos

Esta obra fue financiada en parte por subvenciones del Consejo de Investigación de Hong Kong (HKUST 6120/04M, 6443/06M, y 3/03C), el Comité de Becas Universitarias (AoE/B-15/01), y la de Hong Kong Jockey Club. YHW es un receptor de la Croucher Superior de Beca de Investigación.