A jelutak betegségei
Sejtjelzés folyamata
A sejtjelzés alapkomponensei és válaszai
Az ion permeabilitás permeabilitás megváltozása DNS/RN DNS /RNS S szi zint ntézis ézis aktiválása/repressziója
A sejtjelzés típusai
A sejtfelszíni receptor receptorok ok három alaptípusa 1. IonIon-csatorna csatorna-kapcsolt 2. G-protein protein--kapcsolt receptorok
1. Enzi Enzim-kötött receptorok receptor ok
A membrán receptor családok hét fő típusa
A sejtüzenet lényegi „tartalma”
A sejtjelzésre kiváltott válasz függ az adott sejtben lévő szignálszignáltranszdukcióban résztvevő fehérjéktől
Ugyanaz a jel különböző hatást vált ki különböző sejtekben
A sejtek közötti kommunikáció és a betegségek •A humán betegségek legnagyobb része a sejt kommunikáció zavarából ered •A sejtjelzés vizsgálata a modern orvostudományban központi fontosságú •Manapság sok betegség gyógyítása szignál terápiának tekinthető Csak néhány példa a sejt kommunikáció zavaraival kapcsolatban : Viagra Szteroidok Rák Diabetesz Alzheimer betegség AIDS Angina Cholera Szamárköhögés
Miként működhet a sejtkommunikáció rosszul? Életfunkciók ellátásához testünk sejtjeinek folyamatosan jelzéseket kell küldenie és fogadnia. fogadnia. Mi történik olyankor, ha a sejt nem képes időben jelzést kibocsátani? Mi történik, ha jelzés nem éri el a cél sejtet? Mi történik ha, a célsejt nem válaszol a jelzésre, vagy ha úgy reagál mint ha nem is kapott volna jelzést? Ezek csak néhány egyszerűsített módja annak, hogy milyen problémák léphetnek a sejtjelzésben, betegséget eredményezve
A valóságban a legtöbb betegség okozója valamely sejt kommunikációs problémát hoz létre.
Jelzés elvesztése A táplálék cukorra bomlik le, amely a véráramba kerül Normál esetben a hasnyálmirigy sejtjei inzulin jelet küldenek a máj, izom és más sejtnek, amely hatására azok cukrot raktároznak későbbi felhasználásra . Az I tipusú I diabetes esetében az inzulin termelő sejtek elpusztulnak. Így az inzulin jelzés is elveszik, amely toxikus szintű cukor koncentráció akkumulációt eredményez a vérben. vérben. A diabetes kezelése nélkül az élet során vesekárosodás, szívbetegség és vakság alakulhat ki.
Az inzulin kulcsszerepet tölt be a mind szénhidrát mind a lipid metabolizmusban, de a fehérje és ásvány anyagcserére is jelentős hatása van. AZ inzulin hiány széleskörű pusztító hatást fejt ki sok szervre és szövetre. Amikor a vércukor szint megemelkedik, a sejtek éheznek, energia hiányban szenvednek. szenvednek. Idő multával a magas cukor szint szem, vese, ideg és szívkárosító hatást vált ki. ki. Az inzulin aminosav szekvenciája magas szintű konzerváltságot mutat a gerincesekben ezért a I típusú diabetes állati pankreász eredetű inzulinnal kezelhető
Diabetes mellitus is metabolikus betegség, amelyet abnormálisan magas vércukor szint jellemez. Az I. típusú vagy inzulin függő diabetes-t az inzulin termelés hiánya okozza . Leggyakoribb kiváltója a hasnyálmirigy βsejtjeinek autoimmun eredetű pusztulása . • Rendszerint gyermek korban kezdődik. • A betegség sok akut hatása inzulin kezeléssel kontrollálható.
Hasnyálmirigy Langerhansszigetének béta-, (inzulintermelő) sejtjei
• Az inzulin a vércukorszintet a zsír és izomsejtek általi cukor felvétel megnövelésével szabályozza. • A glukóz az étkezéskor a keményítőből, glikogénből vagy szacharózból a vékonybélben történő hidrolízis nyomán kerül a szervezetbe, majd a vérekben abszorbeálódik.
Amikor a vércukor szint a normál szint fölé emelkedik a pankreász β-sejtjei inzulint bocsátanak ki a vérbe.
• Az inzulin dimer membrán receptora tirozin kináz aktivitású.
• Az inzulin megkötését két extracelluláris alpha alegység végzi. • A citoszolban lokalizálódó két béta alegység diszulfid kötésekkel keresztbe kötöttek. .
• Az inzulin alpha alegységhez kötődése kiváltja a receptor dimer kialakulását és beta alegység katalitikus aktivitását, autofoszforilizációját
• Az inzulin receptor aktiválódása a phosphatidilinozitol-3 kináz (PI-3K) szignál transzdukciós jelutat indítja el . • A jelút aktiválja a protein kináz B-t (PKB). • PKB aktiválja a glukogén szintetáz 3-t (GSK3), amely alap esetben gátolja glukogén szintetázt. • Ha glukogén szintetáz aktív, akkor glukóz monomerekből, glikogén szintetizálódik (máj és izmok).
•A Protein kinase B a GLUT4 glukóz transzporter membrán felszínére történő szállítását idézi elő. • A glukóz beáramlása csökkenti a cukor szintjét. • Amikor a glukóz szintje újra a normál szintre csökken a GLUT4 transzporter endocitózissal újra a sejt citoszoljába kerül .
PKB
Amikor a jel nem éri a célját A velőshüvely szétesés (sclerosis multiplex) (SM) (encephalomyelitis disseminata) egy autoimmun betegség, a központi idegrendszer gyulladásos megbetegedése. Az SM-ben a rosszul működő immunrendszer az idegsejtek nyúlványait körülölelő velőshüvelyt (mielin hüvelyt) támadja meg, feloldja, roncsolja azt. A károsodás következtében az idegrost rosszul működik: lassabban vezeti és/vagy blokkolja az ingerületet.
Sclerosis Multiplex a központi idegrendszer autoimmun, gyulladásos megbetegedése
Feltételezett oki tényezők: Genetikai tényezők: HLA-DLα-Val az egyénben. Környezeti tényezők: vírusinfekciók (pl.: polio vírus, HSV, rubeola) Jelenleg nem ismeretes, hogy mi ténylegesen kóros folyamatot beindító tényező Epidemiológia Általában 20-40 életév között a leggyakoribb a megjelenése. A betegség Magyarországon a becslések szerint 6000-8000 embert érint, évente 300-500 új esetet diagnosztizálnak. A világon mintegy 2 millió SM-beteg van. A nők között magasabb a megbetegedési arány.
HLA region of Chromosome 6.
Amikor jelzésre nem reagál a célsejt Az I és II típusú diabetesznek hasonló tünetei vannak, de eredeti kiváltó ok különböző. Míg az I típusú diabetes esetében az inzulin termelés hiányzik, addig a II típusú diabetes-szes betegek sejtjei inzulin jelzésre válaszképtelenekké váltak. A végeredmény ugyanaz – a vércukor szint veszélyes szintet ér el.
A II típusú diabetes etiológiája Lecsökken az inzulinra történő válasz - A glükóz felvétel megnő (izom-, zsírsejtek) - Glükóz termelés megnő (máj) Az inzulin rezisztencia pontos mechanizmusa még nem ismert Kialakulásban mind genetikai és környezeti faktorok részt vesznek (36 36--nál több gén járul hozzá a betegség kockázatához) kockázatához) Inzulin receptor utáni defektus (szignál-transzdukció)
A II. típusú diabetes Károsodott inzulin hatás
β sejtek diszfunkciója/ halála
β sejtek Glükóz termelés
Glükóz felhasználás
Sérült inzulin termelés
II. típusú diabetes időbeli kialakulása Inzulin rezisztencia
Hyperinsulinaemia Sérült glükóz tolerancia
Elhízás
-sejt defektus
Csökkent inzulin termelés Korai diabetes
-sejt elhalás
Késői diabetes Adapted from Saltiel AR. J Clin Invest 2000;106:163–164.
A II. típusú diabetes súlyos betegség Diabeteszes retinopátia A felnőtt kori vakság vezető okozója1
Diabeteszes nephropátia Fő vese károsodás előidéző ok 2
1Fong
Sztroke Megnövekedett sztroke kockázat 3
Kardiovaszkuláris betegségek diabeteszes betegek 75%-a halhat meg4 Diabeteszes neuropátia Fő oka az alsó végtagi amputációknak5
DS, et al. Diabetes Care 2003;26 (Suppl. 1):S99–S102. 2Molitch ME, et al. Diabetes Care 2003;26 (Suppl. 1):S94–S98. 3Kannel WB, et al. Am Heart J 1990;120:672–676. 4Gray RP & Yudkin JS. In Textbook of Diabetes 1997. 5Mayfield JA, et al. Diabetes Care 2003;26 (Suppl. 1):S78–S79.
Túl sok jelzés
Az agyban, a vérerekben a vérkeringés blokkolás sztroke-hoz vezet. Azonnali hatásként a környező idegsejtek elhalnak. Ugyanakkor a legkatasztrofálisabb hatás akkor következik be, amikor az elhalt sejtek nagy mennyiségű glutamát jelmolekulát bocsátanak ki. Az alacsony glutamát koncentráció az agyban sok folyamat szabályozásában részt vesz, ugyanakkor a a magas koncentráció toxikus a sejtekre. A folyamatot excitotoxicitásnak nevezik, a kiszabadult magas koncentrációjú glutamát megöli a sejteket a vérellátásban nem gátolt agy sejteket is, ezzel kiterjedt agyi régió károsodást okozva.
Többszörös jelzési hibák A sejt növekedés és osztódás szoros ellenőrzés mellett zajlik (lásd sejtosztódás szabályozása), ennek ellenére létrejöhet hibás sejt kommunikáció. A szabályozatlan sejt osztódás rákos sejtproliferációt eredményez. A rák többféle módon létrejöhet, de minden esetben a többféle jelzés rendszer párhuzamos hibáját igényli. Gyakran akkor alakul ki amikor a sejt olyan képessége alakul ki, hogy szabályozó jelzés nélkül is tud osztódni.
Receptor rendellenességek
Gs
Gi
R Gs R
Receptor rendellenességek
R
Gs
R
PKA
Példa: JansenJansen-féle metaphysealis chondrodisplasia Nagyon ritka betegség Oka: parathormon (PTH) receptorának ligand-független aktivációja A PTH funkciója: 1. Fokozza az osteoclastok aktivitását 2. Serkenti a Ca2+ visszaszívást 3. Gátolja a foszfát reabszorpciót
Jansen-féle Jansenmetaphysealis chondrodisplasia Tünetek:: Tünetek alacsony növés szabálytalan formájú hosszú csontok magas ívű szájpad kisméretű állkapocs orrüreg garatba vezető nyílásának (choana) szűkülete nephrocalcinozis kiálló szemek
G-protein rendellenességek
Gs
Gi
R Gs R
G-fehérje kapcsolt receptorok receptor ok A sejt felszíni receptorok legnagyobb családja Kb. 800 különböző G-fehérje kapcsolt receptor létezik a humán genomban – Különböző receptorok léteznek a jelzések széles skálájára, beleértve a különböző hormonokat, neurotanszmittereket, lokális jelzés közvetítőket. – Példa Példa:: Andrenalin, acetilkolin, szerotonin receptorai
G-fehérje kapcsolt receptorok receptor ok
Hét membránt átfűző α helix transzmembrán domén tartalmaz A G fehérje (GTP-áz aktivitású) guanine nukleotidokhoz kötődik, GDP-hez vagy GTP-hez. Három különböző polipeptid alegységből áll: α, β, és γ.
G-fehérje kapcsolt receptor receptorok ok Hogyan működnek G-fehérje receptor receptorok ok? ? – G-fehérje receptor receptorok ok trimer GG-fehérjét aktiválnak – Az aktivált G-fehérje megváltoztatja a másodlagos jelátvivő molekulák koncentrációját: koncentrációját: rendszerint cAMP vagy Ca2+ – másodlagos jelátvivő molekulák akti tiválják válják a protein kináz kináz enz enzimet imet – A protein kináz kináz egy másik enzimet fos oszf zfor oriilál, megváltoztatva annak aktivitását
cAMP jelutat érintő betegségek
Példa: McCuneMcCune-Albright szindróma • Oka: Gs-protein alpha alegysége folyamatosan aktív • mutáció intrauterin életben • minél hamarabb lép fel, annál több komplikáció: „csak” 1 adenóma letális
McCune--Albright szindróma McCune Tünetek: Tünetek: FSH független hormontermelés a petefészekben ill. herében korai nemi érés
Tejeskávé színű foltok Fibrosus displasia súlyos deformációk Gigantizmus Májbetegség sárgaság Hyperparathyroidizmus Hyperthyroidizmus
Fibrosus displasia
Mauricio Saravia, egy uruguayi költő a betgséggel
Betegséget okozó bakteriális jelz jelzés • Kolera – Vibrio cholerae kontamin ontaminált ált ivóv ivóvííz okozza – A vékonybélben a V. cholerae toxint termel A Toxin módosítja a só/víz kiválasztásban működő G fehérjét • Nem képes GTPGTP-t hid hidrolizálni • Folyamatosan aktív marad - cAMP termelést indukál
– A bélháms bélhámsejtek ejtek víz/ion ki kiv választása jelentősen megnő – Súlyos diarrhea • Gyakran hoz létre halált eredményező kiszáradást, só háztartás összeomlást
Bakteriális toxin toxinok ok
A Kolera toxin a Gsakovalens módosítását katalizálja • A NAD+-ról egy ADP-ribóz kerül a GTPáz Gsaarginint tartalmazó aktív helyére . • ADP-ribozilálás meggátoja Gsα GTP hidrolízisét . • A stimuláló G-fehérje így folyamatosan aktív marad.
Folyamatos aktív jelzés - Kolera Intestinal Lumen
H2O, ions
Ext
Int GTP
active
Intestinal Cell
GDP
Toxin
inactive
cAMP
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
H2O, ions Net Effect
Bordatella pertussis toxin mint jelzés Pertussis toxin (Szamárköhögés (Szamárköhögés)) a gátló Giacisztein csoportjának ADP ADP ADP--ribo ribozi zillációját katalizálja ezzel lehetetlenné teszi a GDP – GTP cserét cserét.. • A gátló ösvény akadályozott
ADPADP-ribo ribozi zilláció sok fehérje aktivitásának szabályozásban elterjedt mechanizmus, mind eukar eukariiot otákban ákban (emlősökben), mind prokar prokariiotákban tákban..
Ligandok abnormális termelődése Jelmolekula
Rendellenesség
Betegség neve
túltermelődés
gigantizmus (gyermekkor)
GH (growth hormone)
tiroxin (T4)
akromegália (felnőttkor) csökkent termelés
arányos törpeség (gyermekkor)
túltermelődés
Basedow-kór
csökkent termelés
kreténizmus myxoedema
glükokortikoidok pl:kortizol
túltermelődés
Cushing-kór
mineralokortikoidok pl:aldoszteron
csökkent termelés
Addison-kór
adrenalin,noradrenalin
Fokozott termelés
pheochromocytoma
ADH (antidiuretikus hormon)
hiány
diabetes insipidus
Ligandok abnormális termelődése
A ti tirozin kináz receptorok strukturája és funkciója Három funkcionális régió – Ligand kötő – Transzmembrán – Dimerizálódás/kináz aktivitás Copyright © 2005 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
A ti tirozin kináz receptorok strukturája és funkciója A ligand kötődés konformáció változást hoz létre a - a receptor dimert alakot
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
A ti tirozin kináz receptorok strukturája és funkciója A receptor dimer autofoszforilációra képes, így jön létre az aktív forma
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
A ti tirozin kináz receptorok strukturája és funkciója Az aktív formájában tíz vagy annál több adapter fehérjével tud interaktív kapcsolatot alkotni, amelyeken keresztül a különböző sejtválasz váltható ki
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
Tiro rozzin in--kin ináz áz receptor eceptorok ok és hibás sejt jelzés • Egyetlen ligand kötődés sokféle jelutat indítja el. • Az abnormalis (mutáns) receptorok jelzés nélkül is dimerizálódhatnak, így bizonyos tipusú rákos folyamatokat el tudnak indítani.
PTP--k és a rák PTP A protein tirozin-foszforiláció (PTP) jelentős szerepet játszik a sejt jelzésben. A tirozin-foszforiláció szintjét a a protein tirozin kináz (PTK-k) és protein tirozin foszfatázok (PTP-k ) ellenőrzik. A PTK és a PTP aktivitásának normál egyensúly megbomlása téves tirozin foszforilációhoz eredményezhet, amely számos humán betegség, pl. rák okozója lehet. Számos PTP szerepel az onkogenezis folyamatában és a daganat kifejlődésében, ezek potenciális tumor kemoterápia célpontjai lehetnek
PTP--k és a rák PTP PTEN
Tumor Suppressor
Számos humán tumorban mutáns. Cowden disease
DEP1
Tumor suppressor
Vastagbélrák érzékenység lokusza Scc1 (QTL in mice)
PTPκ
Tumor Suppressor
Primer CNS limfóma
SHP2
Noonan Syndrome Újszülöttek fejlődési rendellenessége (1:2500) Gyomor fekély Helicobacter pylori cél génje
Cdc25
Sejt ciklus ellenőrzés Myc cél gén és túlexpresszált primer emlő rákban
PRL-3
Metasztázis
Túlregulált vastagbélrák metasztázisban
FAP-1
Apoptosis
Túlregulált daganatoknál, gátolja CD95-mediált apoptózis
PTP--k mint gyógyszer célpontok PTP (Szignál terápia) Immunszupresszió Diabetes & Elhízás
Autoimmunitás & allergia PTPs
Fertőző betegségek Epilepszia
Rák
Jelzés zavarok a rák kialakulásban A proto proto--on onk kog ogé ének aktivációjának mechanizmusa proto-onkogén --> onkogén
Onk On kog ogének ének rendszerint domin dominánsak ánsak (gain of function) • A sejtes proto-onkogének amelyek mutáltak (és “aktivált”) • A sejtes proto-onkogének, amelyet a retrovirusok eltulajdonítottak és az esemény során mutáltak (és “aktiválódtak”) • A virus-specifikus gének amelyek, celluláris protoonkogénként viselkednek és mutáció által onkogénné (“activated”)
A protoproto-onkogén onkogén átalakulás eredménye • Növekedési faktorok túltermelése • A sejtek „elárasztása’ replikációs jelzésekkel • A köztes jelutak szabályozatlan stimulálása • Megemelkedett transzkripciós faktor szint által vezérelt sejtnövekedés
Több évtizedes kutatások során feltárt jelutak
Hanahan & Weinberg 2000
Szabályozási cél pontok ezrei ? ?
?
? ? ?
?
?
?
HERCEPTIN
?
? STI-571
?
?
?
?
? ? ?
MOLECULAR BIOLOGY & INFORMATI INFORMATIKA KA
Bioinformatika
~3.000.000.000 bp DNA
~30.000 genes ~300.000 protein ~3.000.000 interaction 1 human cell
