8. előadás
Sejt-sejt kommunikáció és jelátvitel
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
α faktor
Receptor A1párosodási faktorok kicserélése
a
α
“a” faktor Élesztő sejt, Élesztő sejt, “a” párosodási típus α párosodási típus 2 Párosodás a
α
3 Új a/α sejt (diploid)
a/α
• 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
Myxobaktériumok spóraképzése 1 Egyedi pálcika alakú sejtek
2 Aggregáció 0.5 mm
3
Spóra képző struktúra
2.5 mm
Spóra képzés
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
Plazma membránok
Réskapcsolat (a) Sejtkapcsoló struktúrák
(b) Sejt felismerés (sejt-sejt kapcsolat)
Plazmodezma
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
Nagy hatótávolságú szignalizáció
Lokális szignalizáció Célsejt
Szekretáló sejt
Szekrációs vezikula
A molekulák a helyi extracelluláris térben diffundálnak. (a) Parakrin kommunikáció
Preszinapszis
Neurotranszmitterek a szinaptikus résben.
Posztszinapszis
Endokrin sejt
Vérér
A hormonok a véráramon keresztül szállítódnak. A célsejt felismeri a hormont.
(b) Neurokrin (szinaptikus) kommunikáció
(c) Endokrin/neuroendokrin kommunikáció
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
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)
Intracelluláris receptor
Hormon (tesztoszteron)
EXTRACELL. TÉR
Plazma membrán
Receptor fehérje
Hormonreceptor komplex
DNS mRNS
NUKLEUSZ
CITOPLAZMA
új fehérje
Membrán receptor
EXTRACELLULÁRIS TÉR 1
Jelfogás
CITOPLAZMA Plazmamembrán 2
Átvitel
3
Válasz
Receptor
A jelátviteli útvonal relé molekulái
Jel molekula
A sejtválasz kiváltása
A membrán receptorok másodlagos hírvivőket használnak jeltovábbításra • A jel molekula (ligandum) a receptorához nagy specificitással kötődik • A receptor fehérje térszerkezetének megváltozása gyakran a szignál átvitelének első lépése • A membrán receptorok lehetnek: • ionotrópok: ligandum vezérelt ioncsatornák • metabotrópok: citoplazmatikusan keletkezik a hírvivő
• 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)
G fehérje kapcsolt (7TM) receptor Jel molekula kötési helye
G fehérjével kölcsönható szakasz
A G fehérjével kapcsolt receptor működése G fehérje kapcsolt Plazmamembrán receptor
CITOPLAZMA 1
Aktivált receptor
GDP
GDP
Enzim
G protein (Inaktív)
2
GDP
Ligandum
Inaktív enzim
GTP GTP
Aktivált enzim
GTP
GDP Pi
3
Sejtválasz
4
β2-adrenerg receptor
Plazma membrán
Koleszterin
ligandum
• Receptor tirozin kinázok (RTK) olyan transzmembrán receptorok, melyek Tyr aminosav maradékokat képesek magukon autofoszforilálni (foszfát csoporttal ellátni) • A RTK-ok nagyon sokféle jelátviteli útvonalban szerepet játszanak • A RTK-ok abnormális működése gyakran rákos folyamatokhoz asszociált
Ligandum kötőhelye Ligandum α helix a membránban
Ligandum
tirozinok
CITOPLAZMA
Tyr
Tyr
Tyr
Tyr
Tyr
Tyr
Receptor tirozin kináz fehéjék (Inaktív monomerek)
1
Tyr
Tyr
Tyr
Tyr
Tyr
Tyr
Tyr
Tyr
Tyr
Tyr
Tyr
Tyr
Dimer 2 Aktivált továbbító fehérjék
3
Tyr
Tyr
P Tyr
Tyr P
Tyr
Tyr
P Tyr
Tyr P
Tyr
Tyr
P Tyr
Tyr P
6
ATP
Aktivált tirozin kináz régiók (nem-foszforilált dimer)
6 ADP
teljesen aktivált receptor tirozin kináz (foszforilált dimer)
4
P Tyr
Tyr P
P Tyr P Tyr
Tyr P
Sejtválasz 1 sejtválasz 2
Tyr P
Inaktív továbbító fehérjék
• 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
1
Ligandum
3
2 Csatorna zárva
ligandum-vezérelt ioncsatorna receptor
Ionok
Csatorna zárva
Csatorna nyitva
Plazma membrán
Sejtválasz
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
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 (Tyr, Ser, Thr) • defoszforiláció során foszfatázok eltávolítják a foszfát csoportokat
Ligandum
Receptor
Aktivált továbbító molekula
Inaktív protein kináz 1
Aktív protein kináz 1 Inaktív protein kináz 2
ATP
Pi
ADP
Aktív protein kináz 2
PP
Inaktív protein kináz 3
ATP
Pi
P
ADP
Aktív protein kináz 3
PP
Inaktív protein
ATP
Pi
PP
P
P
ADP
Aktív protein
Sejtválasz
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++
Ciklikus AMP • Ciklikus AMP (cAMP) az egyik leggyakoribb másodlagos hírvivő • A plazmamembránhoz kapcsolódó denilát cikláz enzim készíti ATP-ből
Adenilát cikláz
Foszfodiészteráz H2O
Foszfát P ATP
Pi cAMP
AMP
• 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
Elsődleges hírvivő (pl. adrenalin) Adenilát cikláz
G fehérje
G fehérje-kapcsolt receptor
GTP ATP cAMP
Másodlagos hírvivő Protein kináz A
Sejtválaszok
Kalcium Ionok és Inozitol Trifoszfát (IP3) • a kalcium ionok (Ca2+) számos útvonalban másodlagos hírvivőként szerepelnek • A citoplazma kalcium koncentrációját ([Ca++]IC) a sejt aktívan szabályozza (alacsonyan tartja) • inositol trifoszfát (IP3) és diacilglicerol (DAG) koncentrációjának emelkedése Ca++szint növekedéshez vezet
EXTRACELLULÁRIS TÉR
Plazma membrán Ca2+ pumpa Mitokondrium
ATP
Nucleus CITOSZÓL Ca2+ pumpa
ATP
Magas [Ca2+ ]
Endoplazmatikus reticulum Ca2+ (SER) pumpa
Alacsony [Ca2+ ]
Figure 11.14-1
EXTRACELLULÁRIS TÉR
Ligandum (elsődleges hírvivő) G fehérje DAG GTP
G fehérje-kapcsolt receptor
IP3-függő kalcium csatorna
Endoplazmatikus reticulum (SER) CITOSZÓL
Ca2+
Foszfolipáz C
PIP2 IP3 (másodlagos hírvivő)
Figure 11.14-2
EXTRACELLULÁRIS TÉR
Ligandum (elsődleges hírvivő) G fehérje DAG GTP
G fehérje-kapcsolt receptor
Foszfolipáz C
IP3 (másodlagos hírvivő)
IP3-függő kalcium csatorna
Endoplazmatikus reticulum (SER) CITOSZÓL
PIP2
Ca2+ Ca2+ (másodlagos hírvivő)
Figure 11.14-3
EXTRACELLULÁRIS TÉR
Ligandum (elsődleges hírvivő) G fehérje DAG GTP
G fehérje-kapcsolt receptor
Foszfolipáz C
PIP2 IP3 (másodlagos hírvivő)
IP3-függő kalcium csatorna
Endoplazmatikus reticulum (SER) CITOSZÓL
Ca2+ Ca2+ (másodlagos hírvivő)
számos aktivált fehérje
sejtválasz
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
Növekedési faktor
Jelfogás
Receptor
Foszforilációs kaszkád
Átvitel
CYTOPLAZMA
Inaktív Aktív transzkripciós transzkripciós faktor faktor P
Válasz
DNS Gén NUKLEUSZ
mRNA
• Más útvonalak inkább az enzimek működését befolyásolják, mintsem a szintézisét
Jelfogás Adrenalin kötése a G fehérje-kapcsolt receptorhoz (1 molekula)
Átvitel Inaktív G protein Aktív G protein (102 molecules) Inaktív adenylyl cyclase Aktív adenylyl cyclase (102) ATP Cyclic AMP (104) Inaktív protein kináz A Aktív protein kináz A (104) Inaktív foszforiláz kináz Aktív foszforiláz kináz (105) Inaktív glikogén foszforiláz Aktív glikogén foszforiláz (106) Válasz
glikogén Glükóz 1-foszfát (108 molekula)
RESULTS
CONCLUSION 1
Mating factor activates receptor.
Wild type (with shmoos)
Δformin
ΔFus3
Mating factor G protein-coupled
Shmoo projection forming
receptor
Formin P Fus3
GTP
GDP 2
G protein binds GTP and becomes activated.
Fus3
Actin subunit
P Phosphorylation cascade
Fus3
Formin
Formin
P 4 Fus3 phosphorylates formin, activating it.
P Phosphorylation cascade 3 activates Fus3, which moves to Plasma membrane.
Microfilament 5Formin initiates growth of microfilaments that form the shmoo projections.
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
Jelerősítés • Az enzim kaszkádok biztosítják a jel és a válasz erősítését • Minden lépésben több aktivált termék készül
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
Ligandum
Receptor
továbbító molekulák
Válasz 1 A sejt: Az útvonal egy válaszhoz vezet
aktiváció vagy gátlás
Válasz 2
Válasz 3
B sejt: Az útvonal elágazik, így két válaszhoz vezet
Válasz 4
Válasz 5
C sejt: Cross-talk van az D sejt: Különböző receptor eltérő válaszhoz vezet útvonalak között
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
Szignál molekula
Plazma membrán
Receptor
Álvány (Scaffolding) fehérje
három különböző protein kináz
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
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
Ced-9 protein (aktív) gátolja a Ced-4 aktivitást Mitokondrium
Ced-9 (Inaktív) Halál szignál molekula aktív aktív Ced-4 Ced-3
Receptor
Ced-4 Ced-3
Aktivációs kaszkád
Inaktív fehérjék
(a) Nincs halál szignál
Sarjak képződése
(b) Halál szignál
más proteázok nukleázok
Figure 11.22
végtagbimbó
Apoptózison áteső 1 mm sejtek
rés az ujjak között
