Lange Zeit wurde nicht nur der α-MSH-vermittelten TRH-Expression über den Gs -Protein-gekoppelten MC4R, sondern allen cAMP-abhängigen, intrazellulären Prozessen eine Inter-aktion von cAMP mit der PKA oder mit Ionenkanälen zugeordnet, u. a. weil es keine alter-nativen Möglichkeiten gab (BOS 2006; SCHMIDT et al. 2013). Jedoch gibt es außer der PKA auch noch den exchange factor directly activated by cAMP (EPAC) als Modulator, der als
25 Antwort auf die Aktivierung von Gs-gekoppelten Rezeptoren, die damit verbundene Akti-vierung von ACs und die Erhöhung der cAMP-Konzentration in der Zelle stimuliert werden kann. EPAC selbst wurde erst 1998 im Zuge einer Datenbankrecherche entdeckt, um PKA-unabhängige Effekte der GTPase Rap1 zu erklären. Bei EPAC handelt es sich um einen GEF, der durch den Austausch von GDP gegen GTP die zwei Mitglieder der Ras-Familie ras-rela-ted protein 1 und 2 (Rap1 und Rap2) aktivieren kann (DE ROOIJ et al. 1998; KAWASAKI et al.
1998). Aufgrund dieser Eigenschaft werden EPAC-Proteine in der Literatur häufig auch als cAMP-GEF oder RAPGEF bezeichnet. Es gibt jedoch auch EPAC-abhängige Prozesse in Zel-len, die unabhängig von Rap sind. Dazu gehören beispielsweise die EPAC-induzierte Akti-vierung von Mitgliedern der JNK-Familie, die AktiAkti-vierung der Phospholipase D und das Mikrotubuliwachstum (HOCHBAUM et al. 2003; LOPEZ DE JESUS et al. 2006; SEHRAWAT et al.
2008). Außerdem können über EPAC, außer Rap1 und Rap2, noch andere Proteine der Ras Superfamilie aktiviert werden, wie z. B. Rho oder Rac (MAILLET et al. 2003; KRUGMANN et al.
2004). Die EPAC-Proteine lassen sich in zwei Isoformen unterteilen: EPAC1 und EPAC2.
Beide Isoformen bestehen aus mehreren Proteindomänen, darunter die autoinhibitorische N-terminale Domäne mit regulatorischer Funktion und die katalytische C-terminale Do-mäne. EPAC2 hat zusätzlich noch eine weitere N-terminale Domäne, an die zyklische Nuk-leotide binden können (BOS 2006; SCHMIDT et al. 2013). Während EPAC1 ubiquitär expri-miert wird, kommt EPAC2 hauptsächlich in Gehirn, Leber, Pankreas und Nebenniere vor (DE ROOIJ et al. 1998; KAWASAKI et al. 1998).
EPAC ist in unterschiedliche biologische Prozesse involviert und gewinnt durch neue in vitro und in vivo Studien auch im Bereich der Pathophysiologie an Bedeutung (ALMAHARIQ et al.
2014). Besonders im Gehirn sind die Funktionen von EPAC vielseitig. So wird EPAC teil-weise eine Beteiligung bei zellulären Prozessen im Gehirn wie der Regulation des Neuriten-wachstums, der neuronalen Differenzierung oder der Regeneration von Axonen zugespro-chen, die zuvor nur der PKA zugeordnet waren (CHRISTENSEN et al. 2003; KIERMAYER et al.
2005; MONAGHAN et al. 2008; CORREDOR et al. 2012). Es besteht die Möglichkeit, dass auch weitere Signalkaskaden von EPAC abhängig sind, denen bislang eine Beteiligung der PKA
26 zugesprochen wurde. Bezüglich der Appetitregulation und der Energiehomöostase kommt EPAC eine Funktion bei Leptin- und Insulin-induzierten Signalwegen zu, welche aber kont-rovers diskutiert wird. So wurde gezeigt, dass die Leptin-vermittelte STAT-3-Phosphorylie-rung durch eine Erhöhung des cAMP-Spiegels inhibiert werden konnte. Dieser inhibitori-sche Effekt war PKA-unabhängig (FUKUDA et al. 2011). Notwendig war die Phosphorylie-rung von STAT-3 für die Leptin-vermittelte Expression von POMC (BATES et al. 2003). Die selektive Aktivierung von EPAC hingegen hatte einen abschwächenden Effekt auf den Lep-tin-Signalweg, verbesserte die Leptin-induzierte Depolarisation von POMC-Neuronen im Hypothalamus und inhibierte die anorexigene Wirkung von Leptin in vivo (FUKUDA et al.
2011). Die Erkenntnisse lassen die Vermutung zu, dass eine Aktivierung des Signalwegs von cAMP über EPAC im Hypothalamus zu einer Leptin-Resistenz führt (FUKUDA et al. 2011;
ALMAHARIQ et al. 2014). Bei der Leptin-vermittelten Signaltransduktion war Untersuchun-gen zufolge der EPAC1-Subtyp involviert. Mit Hilfe eines EPAC1 knock-out Mausmodells wurde gezeigt, dass EPAC1-defiziente Mäuse weniger weißes Fettgewebe und verringerte Leptin-Konzentrationen im Plasma vorwiesen als Wildtypmäuse. Im Vergleich dazu zeigten sie aber eine erhöhte Sensitivität gegenüber Leptin. EPAC1 knock-out Mäuse waren gegen-über high-fat diet-induzierter Adipositas resistenter (YAN et al. 2013). Kontrovers dazu wurde in weiteren in vitro Studien demonstriert, dass die Stimulation von EPAC1 die Ex-pression von suppressor of cytokine signaling-3 (SOCS-3) erhöhte, ein negativer Regulator von STAT-3 und des Leptin-Signalwegs (BORLAND et al. 2009; WILLIAMS UND PALMER 2012).
Jedoch blieben durch chemische Inhibition und durch genetische Deletion von EPAC1 die zellulären Konzentrationen von SOCS-3 unverändert (YAN et al. 2013). Bekannt ist, dass EPAC wichtig für die Leptin-vermittelte Signalwege ist, die genaue Funktion bleibt jedoch unklar. Ebenso komplex ist die Rolle von EPAC2 bei der Insulinfreisetzung aus den β-Zellen des Pankreas. Über die Bindung von GLP-1 an seinen Rezeptor auf den Zellen wurde cAMP gebildet und EPAC2 aktiviert. Durch diese Aktivierung wurde die glucosevermittelte Insu-lin-Sekretion in pankreatischen β-Zellen in bestimmten Phasen des Prozesses verstärkt (CHEPURNY et al. 2009; KELLEY et al. 2009). Diese Funktion von EPAC2 konnte für die frühe Phase der Insulinfreisetzung auch in knock-out Modellen bestätigt werden. Jedoch wurde
27 auch gezeigt, dass die Stimulation mit Glucose, selbst in hohen Konzentrationen, keinen Einfluss auf die Insulinsekretion in EPAC2 knock-out Mäusen hatte (SONG et al. 2013). Ein maßgeblicher Einfluss von EPAC2 auf die Insulinsekretion ist durch die Regulation der int-razellulären Ca2+-Level zu erklären (GLOERICH UND BOS 2010; ALMAHARIQ et al. 2014). Dabei ist EPAC2 z. B. an der Freisetzung von Ca2+ aus dem ER beteiligt (KIM et al. 2008; DZHURA
et al. 2010; JARRARD et al. 2013). Es gibt immer noch viele Unklarheiten über die genauen Funktionen von EPAC, jedoch könnten EPAC1 und EPAC2 interessante Zielstrukturen für therapeutische Ansätze bei Adipositas oder Diabetes mellitus Typ 2 sein (ALMAHARIQ et al.
2014).
Es gibt cAMP-abhängige Prozesse, in denen EPAC eigenständig agieren kann, aber ebenso Signalkaskaden, bei denen eine Interaktion mit PKA notwendig ist. Bei der cAMP-induzier-ten Zelldifferenzierung in der Hypophyse sind beispielsweise sowohl EPAC als auch PKA notwendig (VITALI et al. 2014). Für EPAC wurden Interaktionen mit vielen unterschiedli-chen Effektoren und Kinasen, wie z. B. ERK-1/2 (Zellproliferation, Genexpression, Lern- und Gedächtnisprozesse), PLC (Ca2+-Regulation in Kardiomyozyten) und PKB/Akt (Neu-ronale Signalwege), nachgewiesen (GRANDOCH et al. 2010). Im Jahre 2009 wurde ein weiterer Zusammenhang zwischen EPAC und der Energiehomöostase herstellt. Es wurde gezeigt, dass in AtT20-Zellen (aus der Hypophyse einer Maus) der corticotropin releasing factor (CRF) die ERK-1/2 cAMP-abhängig über EPAC2 phosphorylierte. Dabei ist für CRF selbst bekannt, dass es die Expression des ACTH-Vorläufers POMC stimuliert, der an der Regula-tion der HPA-Achse beteiligt ist (VAN KOLEN et al. 2010). Zwischen Melanocortinen bzw.
MCR und EPAC gibt es wenige Verbindungen. Die α-MSH-vermittelte Aktivierung von Sig-nalkaskaden der DNA-Reparatur nach UV-Schäden über den MC1R ist PKA-unabhängig und abhängig von EPAC (DONG et al. 2010). Bislang gibt es keine Verbindung zwischen MC4R und EPAC, jedoch zeigten EPAC1-defiziente Mäuse eine erhöhte Nahrungsauf-nahme, welche zu einem Anstieg des Körpergewichts führte und ein metabolisches Syndrom zur Folge hatten (KAI et al. 2013). MC4R-defiziente Mäuse zeigten vergleichbare Verände-rungen (BALTHASAR et al. 2005). Des Weiteren führte die Stimulation von Melanomzellen
28 mit α-MSH zu einer Aktivierung von Rap1. Diese Aktivierung von Rap1 könnte im Zusam-menhang mit EPAC stehen, wurde experimentell allerdings nicht näher untersucht (BALJINNYAM et al. 2010). Zwei weitere Arbeiten zeigten eine Verbindung zwischen EPAC und CREB. In PC12-Zellen war die Dopamin-induzierte CREB-Phosphorylierung am Serin 133 von EPAC abhängig. Die Phosphorylierung wurde über ERK-1/2 vermittelt (PARK et al.
2014). Ebenso wurden eine EPAC-abhängige Aktivierung von Rap1 und eine Phosphorylie-rung von CREB durch ein cAMP-Analogon in Hypophysenzellen nachgewiesen (VITALI et al. 2014).