Κυτταρική Επικοινωνία Cell Communication

Transcript

1 Κυτταρική Επικοινωνία Cell Communication

2 Κυτταρική Επικοινωνία Είναι η ικανότητα του κυττάρου να αποκρίνεται σε εξωτερικά σήματα (σήματα από το περιβάλλον του ή άλλα κύτταρα) Τα σήματα αυτά μπορεί να είναι ιόντα, μικρομόρια (π.χ. γλυκόζη) ή μακρομόρια (π.χ. ορμόνες) Οι λειτουργίες του κυττάρου ρυθμίζονται από τα εξωτερικά σήματα τα οποία δέχεται

3 Η κυτταρική απόκριση σε εξωτερικά σήματα εξαρτάται από: 1. Το είδος του σήματος επιβίωση διαίρεση διαφοροποίηση θάνατος

4 Η κυτταρική απόκριση σε εξωτερικά σήματα εξαρτάται από: 2. Το είδος των πρωτεϊνών του κυττάρου οι οποίες δρουν ως διαβιβαστές σημάτων (το είδος του κυττάρου) ACTH: ακέτυλο-χολίνη Mol Biol of the Cell, Alberts et al, 4 th Ed

5 Η κυτταρική απόκριση σε εξωτερικά σήματα εξαρτάται από: 3. Το συνδυασμό σημάτων στα οποία εκτίθεται το κύτταρο stress stress Σήματα επιβίωσης Σήματα επιβίωσης Επιβίωση και αντοχή στο stress Κυτταρικός θάνατος

6 Είδη κυτταρικής επικοινωνίας aracrine Endocrine Autocrine Autocrine Weak signal Strong signal Mol Biol of the Cell, Alberts et al, 4 th Ed

7 Η αυτοκρινική επικοινωνία είναι σημαντική για την επιβίωση καρκινικών κυττάρων Autocrine Τα καρκινικά κύτταρα παράγουν αυτοκρινικά αυξητικούς παράγοντες καισήματαεπιβίωσηςγιαναεπάγουν και να συντηρήσουν την κυτταρική αύξηση και επιβίωσή τους Strong signal Τα καρκινικά κύτταρα αποκτούν ανθεκτικότητα σε αναστολείς κυτταρικών μονοπατιών αύξησης, μέσω επαγωγής αυτοκρινικών μονοπατιών

8 Εξωτερικά σήματα ενεργοποιούν ενδοκυτταρικά μονοπάτια διαβίβασης πληροφοριών signal molecule cell receptor protein intracellular signal transduction proteins target proteins Metabolic enzyme Transcription factor Cytoskeletal protein Cell growth Differentiation Movement EFFECT

9 Πολλαπλασιασμός σήματος, επικάλυψη (redundancy) και αλληλεπιδράσεις ενδοκυτταρικών μονοπατιών TARGET ROTEINS TARGET ROTEINS

10 Τα εξωτερικά σήματα διακρίνονται σε λιποδιαλυτά και υδατοδιαλυτά Παραδείγματα Λιποδιαλυτών (Υδρόφοβων) σημάτων: τεστοστερόνη, θυρεοειδείς ορμόνες (θυροξίνη), ρετινοειδή, βιταμίνη D Παραδείγματα Υδατοδιαλυτών (Υδρόφιλων) σημάτων: Αυξητικοί παράγοντες, νευροδιαβιβαστές, σήματα τοπικής εμβέλειας, π.χ. ισταμίνη

11 Διαφορές μεταξύ λιποδιαλυτών και υδατοδιαλυτών σημάτων Διαλυτότητα σε νερό Τα λιποδιαλυτά σήματα κυκλοφορούν στα υγρά του σώματος δεσμευμένες με πρωτεΐνες-μεταφορείς Τα υδατοδιαλυτά σήματα έχουν συνήθως μικρό χρόνο ζωής ενώ τα λιποδιαλυτά μπορούν να διατηρηθούν για ώρες (στεροειδείς ορμόνες) ή ημέρες(ορμόνες θυρεοειδούς)

12 Πρόσδεση μορίων-σημάτων σε κυτταρικούς υποδοχείς Nuclear receptor hydrophobic signal molecule Cell-surface receptor cell surface receptor carrier protein hydrophilic signal molecule intracellular receptor

13 Κυτταρικοί Υποδοχείς Nuclear Receptors Cell-surface Receptors Intracellular receptor proteins Cell-surface receptor proteins Bind small hydrophobic signal molecules which diffuse across plasma membrane Regulate gene transcription Bind water-soluble signal molecules Act as signal transducers

14 Η οικογένεια των πυρηνικών υποδοχέων Glucocorticoid Receptor (GR) Estrogen Receptor (ER) rogesterone Receptor Vitamin D Receptor Thyroid hormone Receptor Retinoic acid Receptor H 2 N CooH Transcriptionactivating domain DNA-binding domain Ligand-binding domain

15 Δομή των πυρηνικών υποδοχέων Inactive Nuclear Receptor Active Nuclear Receptor transcriptionactivating domain ligand-binding domain Co-activator proteins H 2 N DNA-binding domain COOH ligand inhibitory proteins receptor-binding element (Receptor Response Element) Gene transcription Mol Biol of the Cell, Alberts et al, 4 th Ed

16 Μηχανισμός δράσης του υποδοχέα των οιστρογόνων Estrogens carrier protein Co-activator proteins (Sp1) ERE Estrogen Receptor

17 Οιστρογόνα και καρκίνος Τα οιστρογόνα χρησιμοποιούνται σε γυναίκες μετά την εμμηνόπαυση για πρόληψη της οστεοπόρωσης και βελτίωση των συμπτωμάτων της εμμηνόπαυσης (hormone replacement treatment-hrt) The Million Women Study- CRUK & NHS: To 2002 δείχθηκε ότι χρήση οιστρογόνων συνδέεται με αύξηση της συχνότητας καρκίνου του μαστού (αλλά και καρδιοπαθειών και εγκεφαλικών επεισοδίων) Περίπου 80% των καρκίνων του μαστού εξαρτάται από οιστρογόνα για να αυξηθεί Πλέον η HRT δίνεται για το μικρότερο δυνατόν χρόνο και δόση και η συχνότητα χρήσης της έχει μειωθεί περίπου στο μισό

18 Κυτταρικοί Υποδοχείς Nuclear Receptors Intracellular receptor proteins Cell-surface Receptors (Tyrosine kinase receptors) Cell-surface receptor proteins Bind small hydrophobic signal molecules which diffuse across plasma membrane Bind water-soluble signal molecules Regulate gene transcription Exhibit Tyrosine kinase activity and act as signal transducers

19 Οικογένειες διαμεμβρανικών υποδοχέων κινάσης Τυροσίνης Tyrosine kinase domain Mol Biol of the Cell, Alberts et al, 4 th Ed Epidermal growth factor (EGF) Insulin-like growth factor-1 (IGF-1) Nerve growth factor (NGF) latelet-derived growth factors (DGF) Fibroblast growth factors (FGF) Vascular endothelial growth factor (VEGF) Ephrin (Eph)

20 Ενεργοποίηση υποδοχέων κινάσης Τυροσίνης ligand CYTOSOL lasma membrane inactive receptor Tyrosine kinases receptor dimers cross-phosphorylation at Tyrosine residues docking of adaptor proteins intracellular signaling pathways

21 Πρόσδεση adaptor πρωτεϊνών (προσαρμοστές) σε υποδοχείς κινάσης Τυροσίνης ptyr binding site amino-acid side chain binding site NH 2 COOH Πρόσδεση adaptor proteins μέσω SH2 (Src homology region 2) domain SH2 domain is a plugin molecule

22 Παραδείγματα μονοπατιών Υποδοχέων κινάσης Τυροσίνης The Ras (ERK) pathway Cell proliferation ERK: extracellular receptor kinase

23 Η πρωτεΐνη Ras Ανήκει σε οικογένεια πρωτεϊνών (Ras, Rac, Cdc42, κ.ά.) Ηπρωτεΐνη Ras ενεργοποιείται από μιτογόνες ουσίες (φορβολικοί εστέρες-ma, γλυκοπρωτείνες-concavalin A, phytohaemagglutinin, κ.ά.) και επάγει κυτταρικό πολλαπλασιασμό (Γονίδιο ras = πρωτο-ογκογονίδιο) Η μεταλλαγμένη Ras είναι υπερ-ενεργή και επάγει υπερβολικό πολλαπλασιασμό των κυττάρων (μεταλλαγμένο γονίδιο ras = ογκογονίδιο) Μεταλλάξεις στα γονίδια ras προωθούν την καρκινογένεση και περίπου 30% των όγκων του ανθρώπου εκφράζουν μεταλλαγμένη πρωτεΐνη Ras Η πρωτεΐνη Ras μεταφέρει σήματα από adaptor proteins οι οποίες προσδένονται σε υποδοχείς κινάσης Τυροσίνης, σε downstream κινάσες οι οποίες επάγουν τον κυτταρικό πολλαπλασιασμό

24 Η πρωτεΐνες Ras/ Rac/ / Cdc42 έχουν ενεργότητα GTάσης INACTIVE i Ras GD GEF GD GA GT GEF: Guanine exchange factor GA: Guanine activating protein Ras GΤ ACTIVE Signal Transmission Cell proliferation

25 Η μεταλλαγμένη Ras είναι διαρκώς ενεργή INACTIVE Ras GD GEF GD GA mutation GT GEF: Guanine exchange factor GA: Guanine activating protein Ras GT CONSTANTLY ACTIVE Constant Signal Transmission ONCOGENESIS

26 Οι πρωτεΐνες Ras/ Rac/ / Cdc42 είναι προσδεδεμένες στο εσωτερικό της πλασματικής μεμβράνης και ενεργοποιούνται από διαμεμβρανικούς υποδοχείς κινάσης Τυροσίνης signal molecule inactive Ras GD active Ras CYTOSOL GD GT GT plasma membrane GRB2 SOS activated receptor adaptor protein Ras GEF Signal transmission

27 Γενική δομή των μονοπατιών Ras CYTOSOL GT active Ras/ Rac/ Cdc42 MAKKK MA-kinase-kinase-kinase MAKK AT MA-kinase-kinase AT plasma membrane Serine/ Threonine kinases AT Effector proteins MAK MA-kinase Cell responses MA: mitogen-activated protein

28 Το μονοπάτι ERK Signal Mitogens, MA GT-binding protein GT active Ras MAKKK Raf AT MAKK AT MEK1,2 Serine/ Threonine kinases MAK AT ERK EFFECTORS CREB Myc MAs Responses

29 Αποκρίσεις του μονοπατιού ERK ERK CREB CRE ATF CREB response element HAT Myc transcription enhancer MAs Cytoskeletal proteins Expression of transcription factors (E2F), Cyclins and ribosomal proteins Cytoskeletal rearrangements Cell proliferation

30 Ανακεφαλαιώση: Το μονοπάτι ERK Signal Mitogens, MA GT-binding protein GT active Ras MAKKK Raf AT MAKK AT MEK1,2 Serine/ Threonine kinases MAK AT ERK EFFECTORS CREB Myc MAs Induction of transcription and protein synthesis. Changes in cytoskeleton

31 Μονοπάτια Υποδοχέων κινάσης Τυροσίνης The stress (JNK, p38mak) pathways Apoptosis Cell cycle arrest JNK: Jun kinase MAK: mitogen-activated protein kinase

32 Τα μονοπάτια JNK και p38mak αποκρίνονται σε σήματα κυτταρικού stress Osmotic stress, heat, UV, inflammatory cytokines (IL-1,TNF) CYTOSOL GT active Rac, Cdc42 plasma membrane JNK pathway p38 MAK pathway Cell death Cell cycle arrest

33 Τα μονοπάτια κυτταρικού stress JNK και p38mak Signal stress, UV, inflammation GT-binding protein GT active Rac, Cdc42 MAKKK AT AKs MAKK AT MKK4,7 MKK3,6 Serine/ Threonine kinases MAK JNK p38mak AT EFFECTORS Jun Elk1 ATF-2 MAKA-2

34 Αποκρίσεις των μονοπατιών JNK και p38mak stress, UV, cytokines JNK p38mak Elk1 Jun Fos Jun ATF MAKA2 AE A-1 element ro-apoptotic proteins (FasL, Bim) Cell cycle inhibitors (p16) Macrophage receptors, metalloproteases Cell cycle arrest

35 Μονοπάτια Υποδοχέων κινάσης Τυροσίνης I3-kinase and Akt pathway Cell growth and survival

36 Το μονοπάτι I3-kinase/ Akt Προκειμένου να πολλαπλασιαστούν (Ras pathway), τα κύτταρα χρειάζεται να αυξηθούν σε όγκο (cell growth). Το μονοπάτι I3- kinase/ Akt είναι ένα από τα κύρια ενδοκυτταρικά μονοπάτια που οδηγούν σε κυτταρική αύξηση Το μονοπάτι I3-kinase/ Akt επάγεται από αυξητικούς παράγοντες όπως EGF (Epidermal Growth Factor), NGF (Nerve Growth Factor), IGF (Insulin Growth Factor), ορρό (serum) Οι αυξητικοί παράγοντες ενεργοποιούν hosphatidylinositol 3- kinases (I 3-kinases) Οι I 3-kinases δημιουργούν το φωσφολιπίδιο I(3,4,5) 3 (phosphatidylinositol 3, 4, 5-triphosphate) το οποίο ενεργοποιεί την κινάση Akt καιοδηγείσεκυτταρικήαύξησηκαιεπιβίωση

37 Δημιουργία του I(3,4,5) 3 I 3-KINASE hosphatidynositol (I) I 4,5-biphosphate (I[4,5] 2 ) I 3,4,5-triphosphate (I[3,4,5] 3 ) Adapted from: MCB, Alberts et al, 4 th Ed.

38 Μηχανισμός δράσης της I 3-kinase3 signal molecule I(4,5) 2 AD I(3,4,5) 3 CYTOSOL AT plasma membrane I 3-Kinase Serine/ Threonine kinase with H domain activated receptor Binding through SH2 domain Signal Transmission

39 Το μονοπάτι I3-kinase/ Akt προάγει την κυτταρική αύξηση και επιβίωση growth signal I(4,5) 2 I(3,4,5) 3 CYTOSOL I 3-Kinase Akt plasma membrane Akt Akt dissociation Akt Increased protein synthesis, accumulation of Cyclins, glucose transport (CELL GROWTH) BAD BAD Inhibition of apoptosis (CELL SURVIVAL) inactive BAD

40 Ενεργοποίηση συμπλόκων Cdk/Cyclin στη φάση G1 από αυξητικούς παράγοντες και μιτογόνες ουσίες Anaphase onset Growth factors Mitogens ERK, I3 pathways G2 M Cyclin D, Cdk4, Cdk6 expression S G1 Cdk4,6/ Cyclin D Cdk4,6/Cycl D activation Cdk2/ Cyclin E

41 Κυτταρική Επικοινωνία (Ι) Η κυτταρική επικοινωνία απαιτεί πρόσδεση των μορίωνσημάτων σε ειδικούς υποδοχείς στο εσωτερικό (πυρηνικοί υποδοχείς) ή στην επιφάνεια του κυττάρου (διαμεμβρανικοί υποδοχείς) Πρόσδεση του μορίου-σήματος στον αντίστοιχο πυρηνικό υποδοχέα οδηγεί σε εντοπισμό του υποδοχέα σε ειδικές αλληλουχίες υποκινητών και επαγωγή της έκφρασης γονιδίωνστόχων Πρόσδεση του μορίου-σήματος στον αντίστοιχο διαμεμβρανικό υποδοχέα κινάσης Τυροσίνης επάγει αυτο-φωσφωρυλίωση του υποδοχέα και ενεργοποίηση GTασών (Ras Rac, Cdc42)

42 Κυτταρική Επικοινωνία (ΙΙ) Μετά από την ενεργοποίηση του κατάλληλου υποδοχέα κινάσης Τυροσίνης, το σήμα μεταβιβάζεται στις πρωτεΐνες-στόχους μέσω καταρρακτών κινασών Σερίνης-Θρεονίνης Το μονοπάτι Ras (ERK) ενεργοποιείται από μιτογόνα και επάγει κυτταρικό πολλαπλασιασμό Το μονοπάτι JNK/ p38mak αποκρίνεται σε ερεθίσματα κυτταρικού stress και οδηγεί σε κυτταρικό θάνατο Το μονοπάτι I3-kinase/ Akt ενεργοποιείται από αυξητικούς παράγοντες και επάγει κυτταρική αύξηση και επιβίωση Η τελική απόκριση του κυττάρου καθορίζεται από συνδυασμούς σημάτων/ μονοπατιών διαβίβασης ενδοκυτταρικών μηνυμάτων

43 Molecular Biology of The Cell, Alberts et al, 4 th Ed, Chapter 15