Obecné schema přenosu signálu Příklady hormonů I. Peptidy a proteiny (růstové faktory)
II. Deriváty mastných kyselin (prostaglandiny, eikosanoidy)
III. Deriváty aminokyselin (tyroxin, adrenalin)
IV. Steroidy (estrogen, progesteron)
Příklady druhých poslů I. Cyklické nukleotidy (cAMP, cGMP)
II. Lipidy (DAG, fosfoinositoly)
III. Ionty, malé molekuly (Ca2+, NO)
IV. Modifikované proteiny (fosforylace, modulární domény)
Obecné principy buněčné signalizace Buněčná komunikace probíhá na různé vzdálenosti Je mnoho signálních molekul (ligandů) a receptorů, ale omezený počet signálních drah Interakce ligand-receptor jsou specifické Formuje se signální komplex pomocí různých
modulárních vazebných domén Některé intracelulární signální proteiny fungují jako molekulární spínače
Amplifikace signálu: enzymové kaskády Integrace signálů
Desensitizace Adaptace
Mnohé signální dráhy nespoléhají na difuzi velkých molekul proteinů, ale jsou spolu spojeny lešeňovými („scaffolding“) proteiny – lešeňové proteiny mohou být samy přenášecími proteiny, ke kterým je připojeno několik dalších přenášecích proteinů – toto pevné propojení zvyšuje rychlost a přesnost přenosu signálů mezi buňkami
Modulární vazebné domény
P
P
SH2
PH
PDZ:S/T-X-F PH:Phosphorylated-Lipid PTB:Phosphorylated-Y SH2:Phosphorylated-Y SH3:Proline-rich motif
Kinasy/fosfatasy fungují jako molekulární spínače
Sedm kroků v buněčné komunikaci (1) Syntéza signální molekuly signální buňkou (2) Uvolnění signální molekuly signální buňkou (3) Transport signální molekuly k cílové buňce (4) Detekce signálu specifickým receptorovým proteinem (5) Iniciace intracelulárních signál přenašejících drah (6) Změna buněčného metabolismu, funkce nebo vývoje cílové buňky (7) Odstranění signálu, které obvykle ukončí buněčnou odpověď
Odpověď určité buňky na signál závisí souboru jejích - receptorových proteinů - přenášecích/regulačních proteinů - proteinů vykonávajících odpověď
Typy receptorů pro neurotrasmitery
Ionotropní - transmiter se váže k receptorovému místu na postsynaptické membráně a otvírá iontový kanál (rychlou konformační změnou proteinové struktury póru)
- rychlý účinek produkující velkou změnu vodivosti membrány
Příklady - acetylcholin na nervosvalovém spojení - GABA v CNS - glutamát v CNS
Metabotropní - transmiter přes G-protein stimuluje metabolické změny v postsynaptické buňce aktivací sekundárních poslů jako cAMP, cGMP, inositol trifosfát, Ca2+ nebo NO - relativně pomalý účinek nevyvolávající velké změny ve vodivosti membrány neuronu
Genotropní - transmiter aktivuje gen působící transkripci specifické mRNA - forma metabotropní transmiterové funkce - velmi pomalá událost
Hlavní třídy receptorů
Kanály jsou otvírány různými mechanismy k otevření kanálu je potřeba energie
Napětím řízené Change membrane potential
Fosforylací řízené Phosphorylate
Dephosphorylate
Ligandem řízené Bind ligand
Napínáním/tlakem řízené Stretch
Cytoskeleton
Iontové kanály řízené extracelulárními ligandy • Nikotinové ACh (sval): 2 (embryonální), 2
(maturované) • Nikotinové ACh (neuronální): (2-10), (2-4) • Glutamátové: NMDA, kainátové, AMPA • P2X (ATP) • 5-HT3 • GABAA (& GABAC): (1-6), (1-4), (1-4), , , (1-3) • Glycinové • Histaminové
Iontové kanály řízené intracelulárními ligandy • Leukotrieny C4 řízené Ca2+
• Ryanodinové receptory Ca2+
• Ca2+ řízené Cl– • cAMP kationtové • cGMP kationtové
• IP3 řízené Ca2+
• cAMP Cl–
• IP4 řízené Ca2+
• ATP Cl–
• Ca2+ řízené K+
• Objemem
• Ca2+ řízené neselektivní
kationtové
regulované Cl– • Arachidonovou kys.
aktivované K+ • Na+ řízené K+
Ligandem gřízené iontové kanály Obecná struktura Receptor
Vazebné místo Posel
Buněčná membrána
INDUKOVANÁ ZMĚNA
Buněčná membrána
‘GATING’ (kanál se otvírá)
Pět glykoproteinových podjednotek prochází buněčnou membránou
Kationtové kanály pro K+, Na+, Ca2+ (např. nikotinové) = excitační
Aniontové kanály pro Cl- (např. GABAA) = inhibiční
Tři rodiny ligandem řízených kanálů I. Cys-loop superrodina kanálů
(nikotinové ACh, 5-HT3, GABAA & GABAC, aniontové glutamátové, glycinové, histaminové a Zn2+-aktivované receptory) – pentamery složené z několika typů příbuzných podjednotek, každá se 4 transmembránovými segmenty
II. Superrodina glutamátových kationtových kanálů
(NMDA, kainatové, AMPA receptory)
– tetramery složené ze dvou odlišných typů blízce příbuzných podjednotek, každá s 3 transmembránovými segmenty
III. Superrodina kanálů řízených ATP
(P2X receptory, purinergní)
– trimery složené ze tří podjednotek, každá s 2 transmembránovými segmenty a velkou extracelulární smyčkou Vazba ligandu otevření kanálu umožňující rychlý tok iontů podle jejich koncentračního gradientu
Detailní struktura Cys-loop kanálů Proteinové podjednotky
TM4 TM1 TM2
TM3
TM1 TM2
TM2
TM4
TM3
TM3
TM1 TM3
TM4
TM4
TM2
TM2
TM1
TM1
TM3
TM4
Transmembránové oblasti
TM2 každé proteinové podjednotky ohraničují centrální pór
Struktura 4-TM receptorových podjednotek Cys-loop kanálů Neurotransmiterové vazebné místo Extracelulární smyčka
NH2
COOH
cis loop
Buněčná membrána
TM1
TM2
TM3
TM4
Intracelulární smyčka
Variabilní smyčka
4 transmembranové (TM) oblasti (hydrofóbní)
Nikotinový receptor Vazebná místa
Příčný pohled
Vazebná místa
Buněčná membrána
Glycinový receptor
Buněčná membrána
2x , , , podjednotky
Iontový kanál
3x , 2x podjednotky
Iontový kanál
Dvě vazebná místa pro ligandy hlavně na -podjednotkách
Tři vazebná místa pro ligandy na podjednotkách
GABAA receptor a jeho vazebná místa
Vliv benzodiazepinů a barbiturátů na GABA receptory Benzodiazepiny (anxiolytika) – zvyšují frekvenci otvírání kanálu, ale nemění vodivost nebo dobu otevření Barbituráty - prodlužují dobu otevření kanálu
Glycinové receptory Glycinový receptor – pentamer z a podjednotek Gephyrin – protein ukotvující glycinový receptor k submembránovému cytoskeletu postsynaptické denzity
- převážně v míše a mozkovém kmeni
Strychnin – antagonista glycinových receptorů (alkaloid)
- váže se k receptoru bez otvírání Cl- kanálu
(tedy inhibuje inhibici)
míšní hyperexcitabilita
Strychnos nux-vomica (Kulčiba dávivá)
Ionotropní glutamátové receptory NMDA receptor (podjednotky: 8 isoforem NR1, 2 isoformy NR2) – specializovaný ionotropní glutamátový receptor propustný pro Ca2+ (také Na+ a K+), blokován Mg2+ ionty – několik vazebných míst, selektivně blokován APV
(2-amino-5-fosfonovalerová kyselina)
AMPA receptor (4 podjednotky: GluR1, GluR2, GluR3, GluR4) – propustný pro Na+ a K+, - stimulovaný AMPA a blokovaný CNQX
(6-cyano-7-nitroquinoxalin-2,3-dion)
– nejběžnější glutamátový receptor
Kainatový receptor (5 podjednotek: GluR5, GluR6, GluR7, KA1, KA2) – propustný pro Na+ a K+, - stimulovaný kainátem a blokovaný CNQX - omezená distribuce
Schema NMDA receptoru
NMDA a non-NMDA receptory
NMDA receptor
Non-NMDA receptor
5-HT3 receptor
Serotoninem (5-HT) řízené kanály propustné pro Na+, K+ většinou v presynaptických oblastech nervového zakončení – modulují uvolnění NT (např. DA, ACh, GABA, substance P, serotonin)
podíl na senzorickém přenosu
regulace autonomních funkcí integrace reflexu zvracení zpracování bolestivých vjemů
kontrola úzkosti
P2X (purinergní) receptory iontové kanály řízené ATP
- propustné pro Na+, K+ a (v různém rozsahu) Ca2+ specifická molekulární stavba – dvě transmembránové domény
tři podjednotky (homo- nebo heteromery)
široká distribuce - role při svalové kontrakci neuronální excitabilitě, chronické bolesti
Solubilní plyny – NO a CO • mohou difundovat a působit na vzdálené buňky
• stimulují aktivitu solubilní guanylylcyklasy (cGMP ) Oxid dusnatý (NO) - vzniká z argininu (NO syntasa)
retrográdní neuromodulátor: úloha při učení a paměti, vasoldilatace (relaxace hladkých svalů) Oxid uhelnatý (CO) - vzniká z hemu (oxygenasa-2) možná úloha v paměťových procesech, neuroendokrinní regulace v hypotalamu
Gliotransmise glutamát, ATP a D-serin Presynaptický neuron
Glukosa
L-glu SR
Astrocyt
AMPAR
L-ser
L-ser
D-ser
5 1
D-ser 2
4
SR NMDAR
L-ser Glukosa
SR - serin racemasa
D-ser
3
AMPAR NMDAR
D-ser
L-ser
SR
Postsynaptický neuron
Astrocyt L-ser
Přenos signálů prostřednictvím membránově vázaných receptorů GPCRs
Enzyme-linked Receptor
Proteolysis-based Signaling
Receptory spřažené s G-proteiny - membránová topologie Vazebné místo pro signál
Receptory serpentínové
N
7-TM (7-transmembránové)
trimerní G-protein funguje jako spínač – jestliže je navázano GDP, G-protein je
Segment interagující s G-proteiny
C
inaktivní
Funkce GPCRs
Čich – receptory čichového epitelu váží odoranty (olfaktorické receptory) a feromony (vomeronasální receptory)
Zrak – opsiny užívají fotoisomerizační reakce k převodu elektromagnetického záření do buněčných signálů; rodopsin využívá k tomuto účelu konverzi 11cis-retinalu na all-trans-retinal
Přenos v autonomním nervovém systému – sympatický a parasympatický nervový systém je regulován drahami GPCR; tyto systémy jsou odpovědné za kontrolu mnoha automatických funkcí těla, jako např. krevní tlak, srdeční tep a trávicí procesy
Regulace chování a nálad – receptory v savčím mozku vážou různé neurotransmitery, včetně serotoninu a dopaminu
Regulace aktivity imunitního systému a zánětu – chemokinové receptory vážou ligandy zprostředkující komunikaci mezi buňkami imunitního systému; histaminové receptory vážou mediátory zánětu a zapojují cílové buňky do zánětové odpovědi
Hlavní rodiny GPCRs Rodopsin
Ligandy: neurotransmitery (dopamin, serotonin)
Sekretinové r.
Ligandy: hormony (sekretin, glukagon, PTH)
Metabotropní glutamátové r.
Příklad: mGluR, CaR
Klasifikace GPCRs Class A Rhodopsin like Amine Peptide Hormone protein (Rhod)opsin Olfactory Prostanoid Nucleotide-like Cannabinoid Platelet activating factor Gonadotropin-releasing hormone Thyrotropin-releasing hormone & Secretagogue Melatonin Viral Lysosphingolipid & LPA (EDG) Leukotriene B4 receptor Class A Orphan/other
Class B Secretin like Calcitonin Corticotropin releasing factor Gastric inhibitory peptide Glucagon Growth hormone-releasing hormone Parathyroid hormone PACAP Secretin Vasoactive intestinal polypeptide Diuretic hormone EMR1 Latrophilin Brain-specific angiogenesis inhibitor (BAI) Methuselah-like proteins (MTH) Cadherin EGF LAG (CELSR) Very large G-protein coupled receptor
Class C Metabotropic glutamate / pheromone Metabotropic glutamate Calcium-sensing like Putative pheromone receptors GABA-B Orphan GPRC5 Orphan GPCR6 Bride of sevenless proteins (BOSS) Taste receptors (T1R)
Class D Fungal pheromone Fungal pheromone A-Factor like (STE2,STE3) Fungal pheromone B like (BAR,BBR,RCB,PRA) Fungal pheromone M- and P-Factor Class E cAMP receptors Frizzled/Smoothened family frizzled Smoothened Putative families: * Ocular albinism proteins * Insect odorant receptors * Plant Mlo receptors * Nematode chemoreceptors * Vomeronasal receptors (V1R & V3R) * Taste receptors T2R
Orphans: * Putative / unclassified GPCRs non-GPCR families: * Class Z Archaeal/bacterial/fungal opsins
Rhodopsin family: amine receptors Acetylcholine (muscarinic) Adrenaline Dopamine Histamine Serotonin Octopamine Trace amine
Rhodopsin family: peptide receptors Angiotensin Apelin Bombesin Bradykinin C5a anaphylatoxin CC Chemokine CXC Chemokine CX3C Chemokine C Chemokine Cholecystokinin Endothelin fMet-Leu-Phe Galanin Ghrelin KiSS1-derived peptide Melanocortin Motilin Neuromedin U Neuropeptide FF Neuropeptide S Neuropeptide Y Neuropeptide W / neuropeptide B Neurotensin Orexigenic neuropeptide QRFP Opioid Orexin Oxytocin Prokineticin Somatostatin Tachykinin Urotensin II Vasopressin Protease-activated (thrombin) Adrenomedullin (G10D) GPR37 / endothelin B like Chemokine receptor like Melanin-concentrating hormone Follicle stimulating hormone Lutropin-choriogonadotropic hormone Thyrotropin
GPCR ligandy Rhodopsin family: other receptors Rhodopsin Olfactory Prostaglandin Prostacyclin Thromboxane Adenosine Purine / pyrimidine Cannabinoid Platelet activating factor Gonadotropin-releasing hormone Thyrotropin-releasing hormone Melatonin Lysosphingolipid and LPA (EDG) Leukotriene B4 receptor SREB Mas proto-oncogene & Mas-related (MRGs) RDC1 EBV-induced Relaxin LGR like Free fatty acid G protein-coupled bile acid Nicotinic acid GPR GPR45 like Cysteinyl leukotriene Putative / unclassified Class A GPCRs
Metabotropic glutamate family Glutamate (metabotropic) Extracellular calcium-sensing GABA-B Pheromone (V2R) Taste receptors (T1R)
Orphan GPRC5 Orphan GPCR6 Bride of sevenless proteins (BOSS) Putative / unclassified Class C GPCRs
Other families Frizzled / Smoothened family Ocular albinism proteins Vomeronasal receptors (V1R) Taste receptors (T2R) Insect odorant receptors Nematode chemoreceptors
Secretin family Calcitonin Corticotropin releasing factor Gastric inhibitory peptide Glucagon Growth hormone-releasing hormone Parathyroid hormone PACAP Secretin Vasoactive intestinal polypeptide EMR1 Latrophilin Brain-specific angiogenesis inhibitor (BAI) Methuselah-like proteins (MTH) Cadherin EGF LAG (CELSR) Putative / unclassified Class B GPCRs
Plant Mlo receptors Fungal pheromone cAMP (Dictyostelium) Bacterial rhodopsin
Více než 1/3 savčích signálních drah závisí na heterotrimerních G-proteinech
> 1000 GPCRs
20 G, 5 G a 12 G
Mnohé receptory aktivují stejný G-protein
Přepínání receptorů
Životní cyklus GPCRs Clathrin-coated pit
Heterotrimerní G-proteiny Podjednotky: ,, podjednotka váže
guaninové nukleotidy
(GDP nebo GTP)
a podjednotky
jsou obvykle ukotveny k membráně kovalentně navázanými mastnými kyselinami Komplex hormon–receptor interaguje s G-protein a otvírá nukleotidové vazebné místo, takže GDP se může uvolnit a GTP se může navázat
Aktivační cyklus heterotrimerních G-proteinů - úloha RGS jako proteinů aktivujících GTPasovou aktivitu podjednotek Agonist
GDP
Effector regulation
GTP GDP
GTP
RGS
Pi
RGS GTP
Transmembránová signalizace řízená G-proteiny
Klasifikace hetrotrimerních G-proteinů Gs
GsL, GsS Golf
AC , Ca2+ kanál Na+ kanál
Gi/o
Gi1, Gi2, Gi3 Go1, Go2 Gt1, Gt2 Ggust Gz
AC I, III, V, VI K+ kanál , Ca2+ kanál PLC , PLA2 cGMP-fosfodiesterasa
Gq/11 Gq, G11 G14, G15, G16
PLC
G12/13 G12, G13
RhoGEF, RasGAP
G
AC II, IV, VII , AC I, VIII PLC , PLA2 , PI3K K+ kanál MAPK
G 1-5, G 1-12
Adenylylcyklasa & cAMP
Syntéza a degradace cAMP
cAMP – univerzální signální molekula v živých organismech
G-proteiny regulovaná kaskáda cAMP
G-proteiny regulovaná signalizace fosfolipasy C R
Gq/11
Fosfatidylinositol 4,5-bisfosfát (PIP2)
PLC
Diacylglycerol (DAG)
Inositol 1,4,5-trisfosfát (IP3) Ca2+
PROTEIN KINASA C
R ER
Mitogeny aktivovaná dráha PKC
Ca2+
Vypínací mechanismy signalizace - desensitizace přenosu signálu
Receptory s vlastní nebo spřaženou enzymovou aktivitou •
Receptorové tyrosinové kinasy (RTK)
•
Receptory spřažené s tyrosin kinasovou aktivitou / cytokinové receptory
•
Receptorové serin/threoninové kinasy / TGF receptory
•
Receptorové tyrosinové fosfatasy
•
Receptorové guanylylcyklasy
•
Receptory spřažené s histidin kinasovou aktivitou
Receptorové tyrosinové kinasy Ligandem indukovaná aktivace RTK - dimerizace - následná křížová fosforylace RTK Odpovědi zprostředkované RTK • • • • • •
buněčná proliferace buněčná diferenciace buněčné přežítí buněčná migrace buněčný metabolismus angiogenese
Fosforylace RTK vytvoří kotvící místa pro vznik signálních komplexů
PTB: fosforylované Y SH2: fosforylované Y
RTK aktivace Ras rekrutováním Ras do RTK signálního komplexu
RTK signalizace
Proteinové signální moduly (domény) efektorů
SH2 a PTB se vážou k místům fosforylovaných Tyr SH3 a WW se vážou k prolinem bohatým sekvencím PDZ domény se vážou k hydrofóbním zbytkům na C konci cílových proteinů PH domény se bvážou k různým fosfoinositidům FYVE domény se specificky vážou k PI3P (fosfatidylinositol 3-fosfát)
Signal molecule
Receptor Activated relay molecule Inactive protein kinase 1
Active protein kinase 1 Inactive protein kinase 2
ATP ADP
P
Active protein kinase 2
PP Pi
Inactive protein kinase 3
ATP ADP
Pi
Active protein kinase 3
PP
Inactive protein
P
ATP
P
ADP
Pi
PP
Active protein
Cellular response
MAP kinasové signální kaskády ERK dráha
SAP kinasová dráha
Ras
Rac, Cd-42
MAP kinasa kinasa kinasa kinasa
?
PAK
MAP kinasa kinasa kinasa
Raf
MEKK
MAP kinasa kinasa
MEK
SEK
Obecné schema Malý G-protein
MAP kinasa MAP kinasou aktivovaná kinasa
ERK
SAP kinasa (JNK)
RSK
MAPKAP kinasa
Signální dráhy GPCR a RTK Aktivace GPCR
Aktivace RTK
G protein / podjednotky
K+ kanál
Ras-GEF podjednotka
PLC
Ras
PI3K
MAP3K
PI(3,4,5)P3
MAP3K
adenylylcyklasa
MAP2K
cAMP
IP3
DAG
MAP2K
PDK1
MAPK
PKA
Ca2+
PKC
MAPK
PKB
Genová exprese a/nebo modifikace proteinů
Změny buněčného chování
NO, guanylylcyclasa, cGMP a PKG
Intracelulární Ca2+ zásobárny
Ca2+
CaM Ca2+
Membranově vázaná guanylylcyklasa
NO GTP
NO syntasa
Ca2+
Solubilní guanylylcyklasa
NO + Citrulin GTP
PDE
cGMP Arginin Iontové kanály cGMP-dependentní PK PDE
GMP
Interakce p75NTR s proneurotrofiny, maturovanými neurotrofiny a dalšími ligandy RV – virus vztekliny PrP – prion protein A – -amyloid
Nogo receptor inhibice axonálního růstu
Aktivace p75NTR apoptóza
Interakce p75NTR s TRK modulace účinku neurotrofinu
Proteiny interagující s p75NTR a Trk vybrané signální kaskády
Finální biologický účinek (pro)neurotrofinů - determinován rovnováhou mezi signálními komponentami udržujícíni přežití (Akt, TRAFs, FAP-1 a RIP2), indukujícími smrt (NRIF, NADE a NRAGE), modulujícími buněčný cyklus (NRAGE a SC-1) a podporujícími neuronální diferenciaci (Erk a RhoA)
Kalcium Ca2+ nejběžnější signální prvek nezbytný pro život, ale prodloužené zvýšení intracelulární hladiny Ca2+ vede k buněčné smrti nemůže být metabolizován
Normální hladina [Ca2+]i ~ 10-100 nM
[Ca2+]e ~ 2 mM
Regulace [Ca2+]i … četné Ca2+ vazebné a vylučovací proteiny – Ca2+ pumpy: Ca2+-ATPasa v plazmatické membráně ( PMCA) a v SR & ER ( SERCA) – Na+/Ca2+ a H+/Ca2+ výměník – Ca2+ vazebné proteiny: spouštěcí - kalmodulin (… enzymy, iontové kanály) pufrovací - kalsekvestrin, kalreticulin, kalnexin, kalbindin, parvalbumin
Intracelulární zásobárny Ca2+
Endoplasmatické & sarkoplazmatické retikulum Kalciosomy Mitochondrie Jádro
Kalcium jako sekundární posel Receptorové proteiny
A
Iontové kanály
plazmatická membrána Zpětná vazba
Intracelulární signální molekula: Ca2+ !
Propouštění
Secretorické váčky
Ca2+ Exocytóza
Metabolické enzymy & kinasy
Změna enzymových aktivity
Regulační proteiny genů
Změna genové exprese
Cytoskeletární proteiny
Změna buněčného tvaru nebo pohybu
Akce Ca2+ v buňce
PIP hydrolysis
Na+ channels
IP3 Diacylglycerol
Protein kinase C
CaM kinase II
Ca2+ channels
Na+–Ca2+ channels
Ca2+ pump
Ca2+ regulated ion channels
Phospholipases
Na+ Internal Ca2+ stores
Ca2+
Calmodulin
Adenylyl cyclase
Cyclic nucleotide phosphodiesterase
Calpain
Calcineurin
Transmitter release
Muscle contraction
Nitric oxide synthase
Receptory v plazmatické membráně zvyšující intracelulární Ca2+ Via PLC
Via PLC
Přímo
Epidermální růstový faktor Růstový faktor odvozený z destiček Fibroblastový růstový faktor Erb2 Receptory T lymfocytů
Nikotinové ACh kanály Glutamátové rec. (iont. kanály) 5-HT3 P2X
1-Adrenergní Muskarinové m1,m3,m5 Purinergní P2Y Serotoninové 5-HT1C H1 GnHR TRH Glukagon Cholecystokinin Vasopressin V-1a, V-1b Oxytocin Angiotensin II Thrombin Bombesin Vasoaktivní intestinální peptid Bradykinin Tachykinin Thromboxany Destičky aktivující faktor F-Met-Leu-Phe Endothelin opiate BoPCAR
Základní mechanismy Ca2+ signalizace
Prostorové a časové aspekty Ca2+ signalizace Ca2+ se v buňce může propagovat formou vln: např. přenos signálů do jádra ´cloud´ od Ca2+ ions entering through Ca channel at active zone close to vesicle
Dlouhodobé zvýšení hladin Ca2+ buňky zabíjí (např. glutamátová neurotoxicita)
Ca2+ concentration in cell
Ca2+ vlny generovány periodicky frekvence opakujících se vln kóduje sílu stimulu
Kompartmentalizace Ca2+ signálů v neuronech