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

16. A sejtek kommunikációja: jelátviteli folyamatok (szignál-transzdukció) 2016. február 25.

Lippai Mónika [email protected]

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

A jelátvitel típusai a jeladó sejt és a jelet fogadó célsejt távolsága alapján

speciális típusok: autokrin jelátvitel

jelátvitel idegsejtekben kémiai jelátadás

neuron jeladó sejt

autokrin jelmolekula

célsejt

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

hormonkötő domén

a) inaktív receptor

koaktivátor fehérje hormon célgén DNS felismert szekvencia b) aktív receptor

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 Retinsav receptor Általános séma Variábilis rész DNS-kötő rész kb. 100-500 kb. 68 aminosav aminosav Aminosav azonosság (%) 0

42-94

Hormon-kötő rész kb. 225-285 aminosav 15-57

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

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 megváltozott megváltozott génexpresszió, metabolizmus sejtváz 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 G-fehérjék esetében a GDP→ GTP csere mindig aktivál. GEF (guanine exchange factor) teszi lehetővé.

-A G-fehérjék maguk hidrolizálják a -A kináz enzim rárakja, a foszfatáz kötött GTP-jüket, egyes esetekben csak leszedi a foszfátcsoportot. Fontos: a GTP-áz aktiváló fehérjék (GAP-ok) foszforilálás inaktiválhat is!! 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 Gαs-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

Ca2+

DAG:

IP3:

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).

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 adrenalin jel-amplifikáció

adenilátcikláz

jel-amplifikáció

(PKA) jel-amplifikáció PKA által aktivált enzim

jel-amplifikáció termék Lodish: Molecular Cell Biology, 2003

A Gαq-típusú G-fehérje a foszfolipáz C β-t aktiválja → diacil-glicerol (DAG) és IP3→ Ca2+ hírvivő keletkezik α-adrenerg adrenalin receptor

PKC: Hatásmechanizmus ~PKA, de más célfehérjék!

(az ábrán csak a Gα alegység van feltüntetve)

-A PLCβ hatására két hírvivő is keletkezik, IP3 és DAG. Az IP3 hatására az endoplazmatikus retikulum Ca2+ raktárai kinyílnak, nagy Ca2+ koncentráció-emelkedés következik be. A DAG és a Ca2+ 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 Ca2+-függő szabályozó fehérje a kalmodulin: enzimek, ionpumpák szabályozója Ca2+

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)P2-ből PI(3,4,5)P3-at állít elő. PI(3,4,5)P3 (PIP3): 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

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

Alberts: Molecular Biology of the Cell, 2008

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

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

A ligand-függő ioncsatornareceptorok közvetítette jelátvitel ioncsatornareceptor

ionok

A posztszinaptikus membránban receptorok amelyeknek a neurotranszmitter a ligandja

vannak,

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 acetilkolin egyben ligand-függő ioncsatorna (tehát ioncsatorna-receptor). Na+ és K +-iont is átenged.

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

Amanita muscaria

A muszkarin típusú acetilkolin receptorok G-fehérjék aktiválásával K+-csatornát nyithatnak → hiperpolarizáció – az ingerületátvitel gátlása (pl. szívizom)

A legismertebb neurotoxinok

Arothron hispidus gömbhal; fugu

tetrodotoxin

Gymnodinium Noctiluca scintillans sanguineum tengeri dinoflagelláta fajok

saxitoxin

http://humanphysiology2011.wikispaces.com/09.+Nervous+System