16. A sejtek kommunikációja: jelátviteli folyamatok (szignál-transzdukció)

Átírás

1 16. A sejtek kommunikációja: jelátviteli folyamatok (szignál-transzdukció) február 25. Lippai Mónika lippai@elte.hu

2 Minden sejt érzékel többféle, más sejtek által kibocsájtott jelmolekulát. - A jeleket receptor-fehérjék kötik meg. A receptor által specifikusan felismert molekula a ligand. - Egy sejten/sejtben többféle receptor van, és egy sejt többféle ligandot fogad egyszerre. -Egy ligand többféle receptorhoz kötődhet, és egy receptor többféle ligandot képes felismerni. -A kívülről jövő jelek speciális kombinációja határozza meg a sejt további sorsát. -Ugyanaz a jel más sejtben más hatást válthat ki A jelátvitel jellemzői: - specificitás, - érzékenység, - erősítés, - finom-szabályozás, - negatív visszacsatolás. Alberts: Molecular Biology of the Cell, 2008

3 A jelek hatása a sejtek sorsára TÚLÉLÉS OSZTÓDÁS DIFFERENCIÁLÓDÁS PUSZTULÁS és működésére: - változás a metabolizmusban - a sejt alakjában - a sejt mozgásában Alberts: Molecular Biology of the Cell, 2008

4 A kívülről érkező jelek lehetnek hidrofób (lipofil) és hidrofil, vízoldékony molekulák A hidrofób jelmolekulák hordozó molekulákhoz kötve tudnak a vizes közegben közlekedni, de a sejt membránján könnyen átjutnak, ahol sejten belüli receptorok kötik meg. A vízoldékony jelmolekulák szabadon közlekednek, de a sejt membránján nem jutnak át. A membránon átívelő (transzmembrán) receptorok kötik meg, és továbbítják a jelet.

5 A jelátvitel típusai a jeladó sejt és a jelet fogadó célsejt távolsága alapján speciális típusok: autokrin jelátvitel jelátvitel idegsejtekben neuron kémiai jelátadás jeladó sejt célsejt autokrin jelmolekula jelmolekula (neurotranszmitter) receptor

6 Az intracelluláris/nukleáris/lipidoldékony receptorok a ligand- (hormon-) kötés hatására célgének átíródását szabályozzák transzkripciót aktiváló domén DNS-kötő domén Inhibitor fehérje a) inaktív receptor hormonkötő domén DNS b) aktív receptor felismert szekvencia célgén koaktivátor fehérje hormon génkifejeződés A hormonkötő domén szerkezete megváltozik Példák: szteroid hormon (pl. ösztrogén, progeszteron), tiroid hormon, D vitamin receptor. Legtöbbször dimerizálódnak a hormonkötés után.

7 A lipidoldékony hormon-receptorok doménjei Ösztrogén receptor Progeszteron receptor Glükokortikoid receptor Tiroid hormon receptor Általános séma Retinsav receptor Variábilis rész kb aminosav Aminosav azonosság (%) DNS-kötő rész kb. 68 aminosav Hormon-kötő rész kb aminosav

8 A sejtfelszíni vagy transzmembrán receptorok típusai EXTRACELLULÁRIS TÉR ioncsatornareceptor G-fehérje-kapcsolt receptor enzimaktivitású enzimaktivitású receptor receptor enzimkapcsolt receptor ionok CITOSZOL a) b) c) enzimaktivitású intracelluláris fehérjék

9 A sejtfelszíni receptorok a ligandkötés hatására események láncolatát indítják be a citoplazmában EXTRACELLULÁRIS TÉR jelmolekula receptor sejtmembrán CITOSZOL intracelluláris jelátadó molekulák célfehérjék sejtmag DNS DNS megváltozott metabolizmus megváltozott sejtváz megváltozott génexpresszió, sejtosztódás

10 Az aktiválás hatására megváltozott szerkezetű receptorokhoz jelfehérjék kapcsolódhatnak és aktiválódhatnak

11 Más esetekben a jelfehérjék váz (scaffold)-fehérjéken keresztül állandó kapcsolatban vannak a receptorral, de csak a ligandkötés hatására aktiválódnak

12 A jelátvitel során kapcsolófehérjék működnek. A fehérje aktív/ inaktív állapota legtöbbször egy foszfátcsoport jelenlétén múlik -A foszforilált fehérjéken ATP-ről származik a foszfátcsoport, és tirozinra, szerinre vagy treoninra kerülhet. -A kináz enzim rárakja, a foszfatáz leszedi a foszfátcsoportot. Fontos: a foszforilálás inaktiválhat is!! -A G-fehérjék esetében a GDP GTP csere mindig aktivál. GEF (guanine exchange factor) teszi lehetővé. -A G-fehérjék maguk hidrolizálják a kötött GTP-jüket, egyes esetekben csak GTP-áz aktiváló fehérjék (GAP-ok) segítségével.

13 A G-fehérjék közvetítette jelátvitel

14 A G-fehérjék GTP-t vagy GDP-t kötnek, és saját GTP-áz aktivitásuk van -Saját GTP-áz aktivitásukat GAP-ok serkenthetik inaktiválás -A GDP-t elengedve GTP-t kötnek a GEFek segítségével aktiválás -időben korlátozott aktivitás -kapcsoló-funkció -A heterotrimer G-fehérjék α alegysége rendelkezik GTP/GDP-kötő tulajdonsággal

15 A G-fehérje-kapcsolt receptorok Ligandjaik: - hormonok - neurotranszmitterek - autokrin/parakrin faktorok - fotonok (látás), - kis molekulák (szaglás, ízlelés) -Konzervált szerkezet, ez a legnagyobb receptorcsalád -7 membránon átívelő doménje van -Emberben: > 800 receptor - Ugyanaz a jelmolekula többféle receptort aktiválhat - Az ismert gyógyszerek~ fele GPRC-n keresztül közvetíti hatását, és sok GPRC ligandja (emberben: ~ 150) nem ismert még ( orphan receptors ) - A receptorok közül máig 4 receptor pontos 3D struktúrája ismert

16 A G-fehérje-kapcsolt receptor (GPCR) a heterotrimer G-fehérje GEF-jeként működik aktiválja az α alegységet e) Az α alegység belső GTP-áz aktivitása érvényesül GDPkötött állapot inaktiválódás d) Az aktív alegységek más fehérjék működését befolyásolják c) A G-fehérje-komplex szétválik, külön-külön aktiválódnak

17 A Gα s -típusú G-fehérje az adenilát-ciklázt aktiválja camp hírvivő molekula keletkezik adrenalin β-adrenerg receptor adenilát cikláz Lodish: Molecular Cell Biology, A camp egyik fontos célpontja a protein kináz A (PKA), melynek regulátor alegysége (R) 4 camp kötése után leválik a katalitikus alegységről (C). A katalitikus alegység ily módon felszabadul, és más fehérjéket foszforilál.

18 Másodlagos hírvivők A másodlagos hírvivő olyan kis molekula vagy ion, amely az elsődleges hírvivő (a kívülről érkező jelmolekula, ligand) hatását közvetíti a sejtben. Nagy mennyiségben keletkezik vagy szabadul fel, és könnyen diffundál. A célfehérjéhez kötődve annak konformációját, így aktivitását megváltoztatja. Gyorsan eltűnik a közegből. Lehet a membránban is (DAG). Ca 2+ DAG: IP 3 :

19 A protein kináz A (PKA) génkifejeződéssel járó változásokat is indukálhat PKA: szerin-treonin kináz A PKA aktiválódására adott válasz a PKA izoformától és az adott sejtben lévő PKA-célfehérjéktől függ. (pl. zsírsejt: zsírbontás, máj és izomsejt: glikogénbontás) A camp-szint emelkedése hosszútávú válaszokat is kiválthat. PKA CREB transzkripció (pl. hormonszintézis, tanulás, hosszútávú memória) Alberts: Molecular Biology of the Cell, 2008

20 Minél több lépésből áll a jelátvitel, annál inkább képes az eredeti jel hatásának sokszorozására jel-amplifikáció adrenalin adenilátcikláz jel-amplifikáció (PKA) jel-amplifikáció jel-amplifikáció PKA által aktivált enzim termék Lodish: Molecular Cell Biology, 2003

21 A Gα q -típusú G-fehérje a foszfolipáz C β-t aktiválja diacil-glicerol (DAG) és IP 3 Ca 2+ hírvivő keletkezik adrenalin α-adrenerg receptor PKC: Hatásmechanizmus ~PKA, de más célfehérjék! (az ábrán csak a Gα alegység van feltüntetve) -A PLCβ hatására két hírvivő is keletkezik, IP 3 és DAG. Az IP 3 hatására az endoplazmatikus retikulum Ca 2+ raktárai kinyílnak, nagy Ca 2+ koncentráció-emelkedés következik be. A DAG és a Ca 2+ együtt aktiválja a protein kináz C-t (PKC).

22 A foszfolipáz C-β hatására két másodlagos hírvivő is keletkezik Alberts: Molecular Biology of the Cell, 2008

23 Az egyik legfontosabb Ca 2+ -függő szabályozó fehérje a kalmodulin: enzimek, ionpumpák szabályozója Ca 2+ A kalmodulin szerkezete Az aktív kalmodulin egyik fő célpontja a CaM kináz II

24 A tirozin-kináz receptorok közvetítette jelátvitel

25 A tirozin kináz receptorok (RTK) aktív formájukban dimerként működnek. Főleg növekedési, osztódási jeleket közvetítenek. A tirozin kináz receptorok egyszeres transzmembrán doménnel rendelkeznek, citoplazmatikus részükön tirozinok vannak. Ligandkötés hatására dimerizálódnak, majd a monomerek szomszédjukat foszforilálják a tirozinjaikon autofoszforiláció következik be. Innentől aktív a receptor.

26 A tirozin kináz receptorok (RTK) által közvetített jelátvitel tipikus példája a Ras-MAPK útvonal Grb-2: adapter fehérje, kötődik a foszforilált tirozinhoz hatására köti a Sos-t Sos: a Ras GEF-je. Ha a membránhoz, a Ras közelébe kerül, hatására a Ras elengedi a GDP-t és GTP-t köt meg aktiválódik Ras: monomer vagy kis G-fehérje: a heterotrimer G-fehérje α alegységéhez hasonlít. GTP-kötött állapotban kinázokat aktiválhat, és egész foszforilációs kaszkádot indíthat be MAPK (mitogén-aktivált protein kináz): célmolekulái általában transzkripciós faktorok növekedést, osztódást szabályozó gének

27 A Ras GTP-kötött állapotban konformáció-változáson esik át

28 A Ras és a heterotrimer G-fehérje α-alegysége hasonló szerkezetű

29 A tirozin kináz receptorok (RTK) által közvetített jelátvitel másik tipikus példája az inzulin-útvonal PI3K (foszfatidil-inozitol 3-kináz): az aktív receptorhoz kötődik, aktiválódik, és PI(4,5)P 2 -ből PI(3,4,5)P 3 -at állít elő. PI(3,4,5)P 3 (PIP 3 ): másodlagos hírvivő, felismeri és a kötődés hatására kapcsolódik hozzá a protein kináz B (PKB) aktiválódik protein kináz B (PKB) : az aktív kináz képes mind citoplazmatikus folyamatokat szabályozni (pl. fokozott fehérjeszintézis), mind gének átíródását befolyásolni transzkripciós faktorok szabályozásával.

30 A jelátviteli útvonalak szabályozásában nagyon fontos szerepe van a leállításnak Alberts: Molecular Biology of the Cell, 2008 receptor-mediált endocitózis: a ligand leválik, az üres receptor visszajut receptor-mediált endocitózis: a receptor és a ligand is lebomlik A receptor a membránban inaktiválódik sokszor éppen az aktivált kináz által A jeltovábbító molekula inaktiválódik. PDE: camp AMP G-fehérje: GTP-áz aktivitás Az aktivált enzim gátló fehérjét aktivál, vagy génjének kifejeződését serkenti

31 Az ismertetett öt fő szabályozási útvonal Ez egy rendkívül egyszerűsített ábra!!! Az egyes útvonalak között sok a kapcsolódási pont (csak néhány van az ábrán!!) MAPKKK MAPKK (A tirozin kináz receptorok nem PLCβ, hanem PLCγ típusú foszfolipázt aktiválnak) MAPK

32 A ligand-függő ioncsatornareceptorok közvetítette jelátvitel ioncsatornareceptor ionok

33 A posztszinaptikus membránban receptorok vannak, amelyeknek a neurotranszmitter a ligandja A receptorok vagy maguk ioncsatorna-receptorok, vagy aktiválódásuk hatására más ligandfüggő ioncsatornák nyílnak meg. Mindenképp új elektromos jel keletkezhet

34 A legismertebb posztszinaptikus receptorok acetilkolint kötnek

35 A legismertebb posztszinaptikus receptorok acetilkolint kötnek

36 A nikotin típusú acetilkolin receptor egyben ligand-függő ioncsatorna (tehát ioncsatorna-receptor). Na + és K + -iont is átenged. acetilkolin Nikotin típusú acetilkolin receptor (kék), kobraméreggel blokkolva (piros)

37 A nikotin típusú acetilkolin receptor működése

38 A muszkarin típusú acetilkolin receptor GPCR típusú, de ligand-függő K + -csatornát szabályoz A muszkarin típusú acetilkolin receptorok G-fehérjék aktiválásával K + -csatornát nyithatnak hiperpolarizáció az ingerületátvitel gátlása (pl. szívizom) Amanita muscaria

39 A legismertebb neurotoxinok Arothron hispidus gömbhal; fugu tetrodotoxin Gymnodinium Noctiluca sanguineum scintillans tengeri dinoflagelláta fajok saxitoxin