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

16. A sejtek kommunikációja: jelátviteli folyamatok (szignál-transzdukció) 2016. február 25. Lippai Mónika lippai@elte.hu

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

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

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.

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 http://openlearn.open.ac.uk/

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. http://openlearn.open.ac.uk/

A lipidoldékony hormon-receptorok doménjei Ösztrogén receptor Progeszteron receptor Glükokortikoid receptor Tiroid hormon receptor Általános séma Retinsav receptor Variábilis rész kb. 100-500 aminosav Aminosav azonosság (%) DNS-kötő rész kb. 68 aminosav 0 42-94 15-57 Hormon-kötő rész kb. 225-285 aminosav

http://openlearn.open.ac.uk/ 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

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 http://openlearn.open.ac.uk/

Az aktiválás hatására megváltozott szerkezetű receptorokhoz jelfehérjék kapcsolódhatnak és aktiválódhatnak http://openlearn.open.ac.uk

Más esetekben a jelfehérjék váz (scaffold)-fehérjéken keresztül állandó kapcsolatban vannak a receptorral, de csak a ligandkötés hatására aktiválódnak http://openlearn.open.ac.uk

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. http://openlearn.open.ac.uk

A G-fehérjék közvetítette jelátvitel

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 http://wormbook.org/chapters/www_smallgtpases/smallgtpases.html http://openlearn.open.ac.uk/

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

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 http://openlearn.open.ac.uk/

A Gα s -típusú G-fehérje az adenilát-ciklázt aktiválja camp hírvivő molekula keletkezik adrenalin β-adrenerg receptor adenilát cikláz Lodish: Molecular Cell Biology, 2003 -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. http://openlearn.open.ac.uk/

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 :

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

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

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). http://openlearn.open.ac.uk/

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

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 http://openlearn.open.ac.uk/

A tirozin-kináz receptorok közvetítette jelátvitel

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. http://openlearn.open.ac.uk/

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 http://openlearn.open.ac.uk/

A Ras GTP-kötött állapotban konformáció-változáson esik át http://openlearn.open.ac.uk

A Ras és a heterotrimer G-fehérje α-alegysége hasonló szerkezetű http://openlearn.open.ac.uk

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. http://openlearn.open.ac.uk/

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

Az ismertetett öt fő szabályozási útvonal http://openlearn.open.ac.uk/ 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

A ligand-függő ioncsatornareceptorok közvetítette jelátvitel ioncsatornareceptor ionok

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 https://wikispaces.psu.edu/display/biol230wce/membrane+potential,+ion+transport+and+nerve+impulse

A legismertebb posztszinaptikus receptorok acetilkolint kötnek http://humanphysiology2011.wikispaces.com/09.+nervous+system

A legismertebb posztszinaptikus receptorok acetilkolint kötnek http://humanphysiology2011.wikispaces.com/09.+nervous+system

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) http://www.enotes.com/topic/nicotinic_acetylcholine_receptor

A nikotin típusú acetilkolin receptor működése

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

A legismertebb neurotoxinok Arothron hispidus gömbhal; fugu tetrodotoxin Gymnodinium Noctiluca sanguineum scintillans tengeri dinoflagelláta fajok saxitoxin http://humanphysiology2011.wikispaces.com/09.+nervous+system