8. előadás. Sejt-sejt kommunikáció és jelátvitel

Átírás

1 8. előadás Sejt-sejt kommunikáció és jelátvitel

2 A sejt-sejt szignalizáció evolúciója A Saccharomyces cerevisiae (sörélesztő) élesztőnek két párosodási típusa van: a és α A különböző párosodási típusokba tartozó sejtek egymást szekretált molekulák segítségével találják meg. A jelátviteli útvonal lépései során a sejt felületére érkező szignál fajlagos (specifikus) sejtválasszá konvertálódik

3 A 1párosodási faktorok kicserélése Receptor a α faktor α Élesztő sejt, a párosodásitípus a faktor Élesztő sejt, α párosodásitípus 2 Párosodás a α 3 Új a/α sejt (diploid) a/α

4 Az útvonalakban megfigyel hasonlóságok arra engenek következtetni, hogy az ősi szignál molekulák a baktériumokban alakultak ki és később módosultak az eukariótákban Pl.: a szignál molekulák koncentrációja jelzi a baktérium számára a helyi populáció sűrűségét

5 Myxobaktériumok spóraképzése 1 Egyedi pálcika alakú sejtek 0.5 mm 2 Aggregáció 3 Spóra képző struktúra 2.5 mm Spóra képzés

6 Helyi és nagy hatótávolságú szignalizáció többsejtű élőlényekben összehangolt információ csere zajlik 1) Sejtek közötti közvetlen kommunikáció: Állati sejtekben rés kapcsolat (gap junction), növényi sejtekben plazmodezma segítségével kisméretű molekulák ( 1 kda): ionok, cukrok, aminosavak, nukleotidok Állati sejtekben közvetlen sejt-sejt kapcsolatok révén sejtfelszíni adhéziós molekulák segítségével

7 Plazma membránok Réskapcsolat Plazmodezma (a) Sejtkapcsoló struktúrák (b) Sejt felismerés (sejt-sejt kapcsolat)

8 2) sejtek közötti indirekt kommunikáció: a sejtek kémiai jelző molekulákat használnak a kommunikáció jeladó jel (csatorna) jelfogó rendszerben zajlik A kommunkáció lehet rövid hatótávolságú: autokrin: a sejt a saját maga által kibocsájtott szignált észleli parakrin: lokális, néhány sejtes távolságba jut el a szignál neurokrin: az idegsejtek speciális kommunikációja

9 Lokális szignalizáció Nagy hatótávolságúszignalizáció Célsejt Preszinapszis Endokrin sejt Vérér Szekretáló sejt Szekrációs vezikula Neurotranszmitterek a szinaptikus résben. A hormonok a véráramon keresztül szállítódnak. A molekulák a helyi extracelluláris térben diffundálnak. Posztszinapszis A célsejt felismeri a hormont. (a) Parakrin kommunikáció (b) Neurokrin (szinaptikus) kommunikáció (c) Endokrin/neuroendokrinkommunikáció

10 A jelmolekula: diffúzibilis gázok (NO, CO) lipofil, plazmamembránon szabadon átjutó anyagok: szteránvázas vegyületek, A-vitamin származékok sejtfelszíni jelmolekula: sejtadhéziós molekula, glikolipid, glikoprotein Hidrofil karakterű anyag (elsődleges hírvivő): biogén aminok: katekolaminok (adrenalin, noradrenalin, dopamin) észterek: acetilkolin aminosav származékok: Glutaminsav, Glicin, GABA Kis peptidek Nukleotidok: ATP, adenozin

11 A jel csatorna: szövet közötti állomány véráram szinaptikus rés A jelfogó (receptor): a) Intracelluláris receptor lipofil anyagokra (szeránvázas hormonok) citoplazmatikus kötő fehérjék (maghormon receptorok) közvetlen DNS kötés és gén transzkripció szabályozás lassú hatás (órás nagységrend)

12 Intracelluláris receptor Hormon (tesztoszteron) EXTRACELL. TÉR Receptor fehérje Plazma membrán Hormonreceptor komplex mrns DNS NUKLEUSZ új fehérje CITOPLAZMA

13 Membrán receptor EXTRACELLULÁRIS TÉR Plazmamembrán CITOPLAZMA 1 Jelfogás 2 Átvitel 3 Válasz Receptor A jelátviteli útvonal relé molekulái A sejtválasz kiváltása Jel molekula

14 A membrán receptorok másodlagos hírvivőket használnak jeltovábbításra A jel molekula (ligandum) a receptorához nagy specificitással kötődik A receptor fehérjetérszerkezetének megváltozása gyakran a szignál átvitelének első lépése A membránreceptorok lehetnek: ionotrópok: ligandumvezérelt ioncsatornák metabotrópok: citoplazmatikusan keletkezik a hírvivő

15 G fehérje kapcsolt receptorok (GPCR) a sejtfelszíni receptorok legnagyobb családja A GPCR egy plazmamembrán receptor (7TM 7 transzmembrán receptor), mely G fehérje segítségével működik A G fehérje molekuláris kapcsolóként működik: ha GDP-t köt, Inaktív állapotban van GTP-t kötve effektor molekulákhoz tud kapcsolódni (azokat aktiválhatja vagy gátolhatja)

16 G fehérje kapcsolt (7TM) receptor Jel molekula kötési helye G fehérjével kölcsönható szakasz

17 A G fehérjével kapcsolt receptor működése G fehérje kapcsolt receptor Plazmamembrán Aktivált receptor Ligandum Inaktív enzim CITOPLAZMA 1 GDP G protein (Inaktív) Enzim 2 GDP GTP GDP GTP Aktivált enzim GTP GDP P i 3 Sejtválasz 4

18 β 2 -adrenerg receptor ligandum Plazma membrán Koleszterin

19 Receptor tirozin kinázok (RTK) olyan transzmembrán receptorok, melyek aminosav maradékokat képesek magukon autofoszforilálni (foszfát csoporttal ellátni) A RTK-ok nagyon sokféle jelátviteli útvonalban szerepet játszanak A RTK-ok abnormálisműködése gyakran rákos folyamatokhoz asszociált

20 Ligandum α helix a membránban Ligandum kötőhelye Ligandum tirozinok CITOPLAZMA 1 Receptor tirozin kináz fehéjék (Inaktív monomerek) 2 Dimer Aktivált továbbító fehérjék 6 ATP 6 ADP P P P P P P P P P P P P Sejtválasz 1 sejtválasz 2 Aktivált tirozin teljesen aktivált kináz régiók receptor tirozin (nem-foszforilált kináz 3 dimer) (foszforilált dimer) 4 Inaktív továbbító fehérjék

21 A ligandum-vezérelt ion csatornák esetén a ligandum bekötődésekor a csatorna konformációvátozást szenved és kinyílik A csatorna fehérjéitől függ, hogy milyen töltésű és méretű (pl, Na +, K +, Cl -, Ca ++ ) inokat enged át Az ionok az elektrokémiai gradiensüknek megfelelően mozognak a csatornán keresztül

22 1 2 3 Ligandum Csatorna zárva Ionok Csatorna nyitva Csatorna zárva ligandum-vezérelt ioncsatorna receptor Plazma membrán Sejtválasz

23 Molekuláris kszkád folyamatok továbbítják a jeleket a receptoroktól a célmolekulák felé A jelátvitel a legtöbb esetben több lépésből áll A többlépéses útvonalak a jeleket felerősíthetik: így néhány molekula is sejtválaszt tud kiváltani A többlépéses útvonalak több koordinációs és szabályozási lehetőséget kínálnak

24 Jelátviteli útvonalak A receptoroktól a sejtválaszig közvetítő molekulák általában fehérjék Az aktivált állapot kaszkádszerűen fehérjéről fehérjére terjed, és általában konformáció változást okoz Ilyen folyamat pl. a foszforilációs kaszkád: protein kinázok ATP felhasználásával foszforilálnak fehéjéket (, Ser, Thr) defoszforiláció során foszfatázok eltávolítják a foszfát csoportokat

25 Ligandum Receptor Aktivált továbbító molekula Inaktív protein kináz 1 Aktív protein kináz 1 Inaktív protein kináz 2 P i ATP PP ADP Aktív protein kináz 2 P Inaktív protein kináz 3 P i ATP PP ADP Aktív protein kináz 3 P Inaktív protein P i ATP PP ADP Aktív protein P Sejtválasz

26 Kis molekulák és ionok, mint másodlagos hírvivők A receptorhoz kötődő ligandum az útvonal elsődleges hírvivője A másodlagos hírvivők (second messengers) kicsi, vízoldékony, nem-fehérje természetű molekulák, melyek a sejtben diffúzióval terjednek szét Másodlagos hírvivők szerepelnek a GPCR és a RTK jelátviteli útvonalban is A leggyakoribb másodlagos hírvivők: a ciklikus AMP (camp) és a Ca ++

27 Ciklikus AMP Ciklikus AMP (camp) az egyik leggyakoribb másodlagos hírvivő A plazmamembránhoz kapcsolódó denilát cikláz enzim készíti ATP-ből Adenilát cikláz Foszfodiészteráz P Foszfát P i H 2 O ATP camp AMP

28 A camp útvonal G fehérjékkel szabályozott (növelik vagy csökkentik a koncentrációját) camp általában Protein Kináz A-t (PKA) aktivál, mely számos más fehérjét képes foszforilálni

29 Elsődleges hírvivő (pl. adrenalin) G fehérje Adenilát cikláz G fehérje-kapcsolt receptor GTP ATP camp Másodlagos hírvivő Protein kináz A Sejtválaszok

30 Kalcium Ionok és Inozitol Trifoszfát (IP 3 ) a kalcium ionok (Ca 2+ ) számos útvonalban másodlagos hírvivőként szerepelnek A citoplazma kalcium koncentrációját ([Ca ++ ] IC ) a sejt aktívan szabályozza (alacsonyan tartja) inositol trifoszfát (IP 3 ) és diacilglicerol (DAG) koncentrációjának emelkedése Ca ++ - szint növekedéshez vezet

31 EXTRACELLULÁRIS TÉR Plazma membrán ATP Ca 2+ pumpa Mitokondrium Nucleus CITOSZÓL ATP Ca 2+ pumpa Endoplazmatikus Ca 2+ reticulum pumpa (SER) Magas [Ca 2+ ] Alacsony [Ca 2+ ]

32 Figure EXTRA- CELLULÁRIS TÉR Ligandum (elsődleges hírvivő) G fehérje DAG G fehérje-kapcsolt receptor GTP Foszfolipáz C PIP 2 IP 3 (másodlagos hírvivő) IP 3 -függő kalcium csatorna Endoplazmatikus reticulum (SER) Ca 2+ CITOSZÓL

33 Figure EXTRA- CELLULÁRIS TÉR Ligandum (elsődleges hírvivő) G fehérje DAG G fehérje-kapcsolt receptor GTP Foszfolipáz C PIP 2 IP 3 (másodlagos hírvivő) IP 3 -függő kalcium csatorna Endoplazmatikus reticulum (SER) CITOSZÓL Ca 2+ Ca 2+ (másodlagos hírvivő)

34 Figure EXTRA- CELLULÁRIS TÉR Ligandum (elsődleges hírvivő) G fehérje DAG G fehérje-kapcsolt receptor GTP Foszfolipáz C PIP 2 IP 3 (másodlagos hírvivő) IP 3 -függő kalcium csatorna Endoplazmatikus reticulum (SER) CITOSZÓL Ca 2+ Ca 2+ (másodlagos hírvivő) számos aktivált fehérje sejtválasz

35 A jelátvitel célállomása: sejtmagi és citoplazmatikus válaszok A jelátviteli útvonalak egy vagy több sejtműködés megváltozásához vezetnek Számos jelátviteli útvonal enzimek vagy más fehérjék szintézisét szabályozza a sejtmagban a gének ki és bekapcsolásával A legutolsó molekula az útvonalban ún. transzkripciós faktorként funkcionál

36 Növekedési faktor Receptor Jelfogás Foszforilációs kaszkád Átvitel CYTOPLAZMA Inaktív transzkripciós faktor DNS Aktív transzkripciós faktor P Gén Válasz NUKLEUSZ mrna

37 Más útvonalak inkább az enzimek működését befolyásolják, mintsem a szintézisét

38 Jelfogás Adrenalin kötése a G fehérje-kapcsolt receptorhoz (1 molekula) Átvitel Inaktív G protein Aktív G protein (10 2 molecules) Inaktív adenylyl cyclase Aktív adenylyl cyclase (10 2 ) ATP Cyclic AMP (10 4 ) Inaktív protein kináz A Aktív protein kináz A (10 4 ) Inaktív foszforiláz kináz Aktív foszforiláz kináz (10 5 ) Inaktív glikogén foszforiláz Aktív glikogén foszforiláz (10 6 ) Válasz glikogén Glükóz 1-foszfát (10 8 molekula)

39 RESULTS CONCLUSION 1 Mating factor activates receptor. Wild type (with shmoos) ΔFus3 Δformin Mating factor G protein-coupled receptor Shmoo projection forming P Formin GDP 2 G protein binds GTP and becomes activated. 3 GTP Fus3 Phosphorylation cascade Fus3 P Phosphorylation cascade activates Fus3, which moves to Plasma membrane. P Fus3 Actin subunit Formin Formin P 4 Fus3 phosphorylates formin, Microfilament activating it. 5Formin initiates growth of microfilaments that form the shmoo projections.

40 A válasz finom hangolása A finomhangolásnak 4 aspektusa van: A szignál (és a válasz) erősítése A szignalizáció és a válasz specificitása Az átvitel és a válasz általános hatékonysága A szignalizáció lezárása

41 Jelerősítés Az enzim kaszkádok biztosítják a jel és a válasz erősítését Minden lépésben több aktivált termék készül

42 A szignalizáció specificitása A különböző sejtek különböző receptor fehérje készletet hordoznak, így adott időpillanatban a receptoroknak megfelelő szignálokra tudnak csak reagálni Ugyanaz a molekula kölönböző sejtekben a szignálutak eltérése miatt, különböző hatásokat vált ki A szignálutak elágazása és cross-talk -ja koordinálja a beérkező szignálokat

43 Ligandum Receptor továbbító molekulák aktiváció vagy gátlás Válasz 1 Válasz 2 Válasz 3 Válasz 4 Válasz 5 A sejt: Az útvonal egy válaszhoz vezet B sejt: Az útvonal elágazik, így két válaszhoz vezet C sejt: Cross-talk van az útvonalak között D sejt: Különböző receptor eltérő válaszhoz vezet

44 A jelátvitel hatékonysága: állvány fehérjék és szignalizációs komplexek Az állvány fehérjék (Scaffolding proteins) nagy méretű, fehérje-fehérje interakcióra képes fehérjék Úgy növelik a jelátvitel hatékonyságát, hogy az útvonal elemeit egymáshoz térben közel tartják

45 Szignál molekula Plazma membrán Receptor Álvány (Scaffolding) fehérje három különböző protein kináz

46 A jel megszűnése A sejt szignalizáció fontos eleme a csillapító mechanizmusok megléte A sejt aktívan szabályozza az elérhető receptorok számát, azok térbeli elhelyezkedését Az extracelluláris mátrix képes megkötni számos ligandum molekulát

47 Az egyik lehetséges sejtválasz: apoptózis Az apoptózis a sejt programozott vagy szabályozott öngyilkossága A sejt anyaga vezikulákba pakolódik Az apoptózis megakadályozza, hogy a sejtet lebontó enzimek kikerüljenek, és a környező sejteket tönkretegyék

48 Ced-9 protein (aktív) gátolja a Ced-4 aktivitást Mitokondrium Halál szignál molekula Ced-9 (Inaktív) Sarjak képződése aktív Ced-4 aktív Ced-3 más proteázok Receptor Ced-4 Ced-3 Inaktív fehérjék Aktivációs kaszkád nukleázok (a) Nincs halál szignál (b) Halál szignál

49 Figure végtagbimbó Apoptózison áteső sejtek 1 mm rés az ujjak között