2012.11.19.
Stressz, gyulladás és a központi idegrendszer
Az alábbi ábrák a szintentartó tanfolyamon elhangzott előadás szemléltetői. Ebből következően szöveg nélkül önmagukban az ábrák nem feltétlenül értelmezhetőek, céljuk nem lexikális és visszakérdezendő ismeretek összefoglaló közlése.
Továbbképzés 2012 november Mandl József
Patológiás folyamatok értelmezése és megértése celluláris szinten • Szubcellularis biokémia → kompartmentalizáció → organellumok működésének integrációja • Organellum stressz, mint a patológiás folyamatok kialakulásának alapjelensége • Külső és belső jelforrások → jelátviteli integráció • Kompartmentalizáció változása, mint patogenetikus tényező
Egyensúlyok a szabályozásokban
• • • •
szubcelluláris organellumok közötti egyensúlyok eredőjeként sejt-, szerv-, szervezet- szintű homeosztázisok alakulnak ki Egyensúlyok eltolódhatnak különböző irányokba, ez a szabályozások eszköze „Pathological switch” fogalma – fiziológiás szabályozás átalakulása kórosba Organellum betegségek – pl mitokondriális betegségek, lizoszómális betegségek Organellum terápia lehetősége
1
2012.11.19.
Kompartmentek közti egyensúly - homeosztázis szubcelluláris szinten
organellum stressz
→ ER – szintetikus kompartment → Mitokondrium – katabolikus kompartment Élet-halál (apoptózis-túlélés) alapkérdés; intracelluláris organellumok – belső jelforrások - homeosztázis viszonyaitól függ a kialakuló egyensúly
adaptáció • •
(UPR) Unfolded Protein Response (MSR) Mitochondrial Stress Respose
sejthalál • programozott apoptózis
•
nekrózis
Az endoplazmás retikulum (ER) legfontosabb funkciói
fehérjeszintézis lipidszintézis biotranszformáció Ca2+-raktározás glukóztermelés
Szekrécióra kerülő anyagok szintézise– ER szekréciós pálya része
2
2012.11.19.
Thiol oxidizing
Extracellular space
High [Ca2+]
Endomembrane system
Degradálódás (ERAD) ER
Endosomes Lysosomes
riboszóma ER chaperon
Szénhidrát lánc
Golgi
S
Golgi
Csala és mtsai ARS 2012
S SH SH
S
S
S
folded
unfolded mRNS
S
fehérjék
Transport vesicles
ER
Thiol oxidizing Glycoproteins
High [Ca2+]
Mandl, Bánhegyi Orv Hetil 2008
Fehérjék posztranszlációs módosításai a folding során az ER-ben
protein folding - igény és kapacitás • egyensúly a protein folding igény (szintézis), a folding kapacitás és a szekréció között • Egyensúly felborulás: foldingra alkalmatlan (ill. nem megfelelően tekeredett – misfolded, unfolded, aberrált), proteaszómális lebomlásra rezisztens fehérjék termelődése és/vagy felhalmozódása az ER-ben
Endoplazmás retikulum
-SH
ER chaperonok
vezikuláris transzport
diszulfidképződés
éretlen fehérjék
-SH
glikoziláció
érett fehérjék
HS-SH -SH
-SH
lipidálás HS-SH -SH
lipoproteinek
-SH
-SH
3
2012.11.19.
Reductive /oxidative stress
Metabolic stress
reduktív oxidatív stressz redox egyensúly
-SH
ER chaperones
Vesicular transport
Disulfideformation
Endoplasmic reticulum
Immature proteins
HS-SH
fehérjehomeosztázis
metabolikus stressz tápanyagkínálat elektrondonor
hipoxia
citokinek
O2-ellátottság elektronakceptor
Glycosylation
H 2O 2
hibás fehérjék
gyulladás
-SH
O2
Mature proteins
-SH -SH
ER stressz
Lipidation
HS-SH -SH
Lipoproteins
-SH
ERAD
Protein overload
-SH
Hypoxia
ER stressz • egyensúly felborulása a protein folding igény és a a folding kapacitás között → unfolded protein felhalmozódás • Egyensúly felborulásra adott jelátvitel válasz: UPR unfolded protein response a folding igény csökkentése, a folding kapacitás fokozása; sikertelenség esetén apoptózis indukálása
protein folding - igény és kapacitás 2 • Általános fehérje szintézis gátlás • ER- rezidens chaperonok, foldázok, antioxidáns védelemben résztvevő fehérjék (pl GSH szintézis, SOD) szintézisének fokozása – szelektív fehérje szintézis fokozódás – folding kapacitás fokozása • Az ER méretének növelése – membrán lipid szintézis up-reguláció GSH:glutation, SOD:szuperoxid dizmutáz
4
2012.11.19.
Homeosztázis Patológiás állapot
ER stressz
Patológiás állapot
ER stressz
UPR: unfolded protein response
unfolded proteinek
ER chaperonok
ER stresszor Patológiás állapot
ER stressz ER stressz
UPR: unfolded protein response
UPR IRE1
apoptózis
ATF6
PERK
egyensúly változás ER homeosztázis zavar kompenzálódik
5
2012.11.19.
Metabolic stress (high fat diet)
metabolikus stressz (HFD)
ER stress
ER-stressz
UPR
SREBP
IRE1
ATF6
lipidszintézis
PERK
fehérjeszintézis
protein overload/misfolding
ER stress UPR autophagy signalostasis
lipid homeostasis
lipogenesis
IRE1
ATF6
PERK
protein homeostasis
lipoapoptosis
Redox imbalance
Metabolic imbalance glucolipotoxicity
SREBP
membrane formation
membránképződés
Xeno/endo- bioticum exposition
UPR
sterol response
protein homeostasis
ER rezidens transzmembrán fehérjék • Activating transcription factor 6: ATF6 • Inositol requiring kinase 1: IRE1 • Double-stranded RNA-activated protein kinase (PRK)-like endoplasmic reticulum kinase: PERK, vagy pancreatic eIF2α kinase: PEK • Sterol Response Element Binding Proteins: SREBP
membrane turnover
6
2012.11.19.
Endoplazmás retikulum
Endoplazmás retikulum Éretlen fehérjék
BiP
BiP
ATF6
ATF6
P
BiP
P
P
P
Sejtmag
Endoplazmás retikulum
Endoplazmás retikulum
Éretlen fehérjék
Éretlen fehérjék
BiP
BiP
BiP
BiP
P
P
P
XBP1s Hasítás a mRNA Golgiban XBP1 mRNA
ATF6 XBP1
eIF2α
P P eIF2α
BiP
P
ATF4 mRNA
ATF4
XBP1 mRNA
ATF6 XBP1
XBP1
Sejtmag
P
P
XBP1s Hasítás a mRNA Golgiban
+
BiP
ATF6
ATF6
P
Sejtmag
ATF6 ATF4
XBP1 CHOP
eIF2α
P eIF2α
+
ATF4 mRNA
ATF4
ERAD komponensek ER chaperonok
ATF4 ATF6
XBP1
Sejtmag
7
2012.11.19.
Endoplazmás retikulum
Endoplazmás retikulum
inzulin
Éretlen fehérjék
Éretlen fehérjék BiP
BiP
BiP
Ca2+
C12 P
JNK JNK
ATF6
Pc12
P
P
P
XBP1s mRNA
Hasítás a Golgiban
XBP1 mRNA
ATF6 XBP1
P Pc12
C12
eIF2α
P
P
IRS X
P eIF2α
JNK JNK
ATF6
Ca2+ +
+
BiP
Bak/Bax
inzulin-receptor Bak/Bax
Ca2+
BiP
Ca2+
BiP
P
XBP1 mRNA
ATF6 XBP1
+
P
P
XBP1s Hasítás a mRNA Golgiban
eIF2α
P eIF2α
+
ATF4 mRNA
ATF4
Apoptózis
ATF4 mRNA
ATF4
CHOP
XBP1
ATF6 ATF4
ERAD komponensek ER chaperonok
Apoptózis
inzulin-hatások CHOP
XBP1
ATF6 ATF4
XBP1 CHOP
ERAD komponensek ER chaperonok
ATF4 ATF6
XBP1
XBP1 CHOP
ATF4 ATF6
XBP1
Sejtmag
Sejtmag
Mandl és mtsai. Trends Endocrinol. Metab. 2009
ER szerepe a szignál homeosztázisban • Belső és külső jelátvitel közti kapcsolat • Mobilizációs és növekedési jelpályák közti kapcsolat
Hotamisligil, Nature 2006
8
2012.11.19.
TNFα
insulin
TNFα
TNFR
IR
TNFR
insulin IR lipids
ER stress
ER stress
TRAF2
IRS
TRAF2
IRS ROS
UPR IRE1
AFT6
Sterol response PERK
UPR IRE1
SREBP
Sterol response
AFT6
PERK
SREBP Nrf2
XBP1
PKR
elF2P
IKβ β ATF4 NFκB
lipogenesis
IKK JNK
lipogenesis
JNK
inflammation
Különböző homeosztázisok együttélése a „sensing” szintjén • Táplálék érzékelés – redox érzékelés – patogén érzékelés
protein homeostasis
inflammation
reduktív oxidatív stressz redox egyensúly
hibás fehérjék vírusfehérjék fehérjehomeosztázis
metabolikus stressz tápanyagkínálat elektrondonor
hipoxia
patogén fertőzés
O2-ellátottság elektronakceptor
• gyulladás szerepe a homeosztázis átalakulásában
gyulladás
ER stressz
MITOKONDRIUM
PROGRAMOZOTT SEJTHALÁL
SEJTMAG
TÚLÉLÉS
9
2012.11.19.
„ER stress related diseases” • „Conformational diseases” • „Folding diseases” • Protein aggregátumok, „malfolded proteins” szerepe a kórkép patogenezisében
ER stressz kapcsolt kórképek • • • • • •
Bipolaris pszichiatriai betegségek Diabetes mellitus Atherosclerosis Gyulladások Ischemiás agy- és szív-betegségek Kémiai szerrel indukált vesebetegségek
Neurodegeneratív betegségek • • • • •
Alzheimer kór – amiloid β peptid Parkinson kór – Parkin ERAD kapcsolat Poliglutamin betegségek pl Huntington kór Prion betegségek ALS - SOD aggregatumok a ER-lumenben
ER stresszt okozó gyógyszerek adása, amelyek apoptózist indukálnak • Bortezomib (Velcade) – proteaszómális inhibitor – glioblastoma • CD 437 szintetikus retinoid ovarium adenocarcinoma • nelfinar, atanazavir proteáz inhibitor glioma
10
2012.11.19.
ER stressz és mitokondrium stressz közötti kapcsolat
Mitokondrium nukleoid riboszómák proteaszómák
Bernales és mtsai 2007
Mitokondrium külső membrán belső membrán
citoszol
cristae
A külső membrán pórusokat tartalmaz, melyek kismolekulák számára átjárhatóvá teszik, így az intermembrán tér lényegében ekvivalens a citoplazmával. A belső membrán impermeábilis és a kismolekulák transzporterek segítségével juthatnak át.
intermembrán tér mátrix
11
2012.11.19.
ROS (reactive oxigen species) képződés a légzési láncban
Mitokondriális apoptózis
Ca2+ emelkedés, ROS, lipidperoxidáció
Mitochondrial Apoptosis-Induced Channel (MAC)
mitokondriális diszfunkció
MPTP csökkent membránpotenciál
MAC képződés citokróm c és más proapoptotikus faktorok
csökkent ATP szintézis
12
2012.11.19.
Pro- és antiapoptotikus faktorok a mitokondriumban
Mitokondrium biogenezis
Growth (GTPase)
Fusion
UPS autophagy (mitophagy)
13
