Μοριακή Bιολογία ΔIAΛEΞΕΙΣ OΔΟΙ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΗΣ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ ΣΗΜΑΤΟΣ

Transcript

1 Μοριακή Bιολογία ΔIAΛEΞΕΙΣ OΔΟΙ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΗΣ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ ΣΗΜΑΤΟΣ (Πως γίνονται αντιληπτά τα μηνύματα και πως δίδονται οι απαντήσεις) Χρήστος Παναγιωτίδης, Ph.D. Καθηγητής Κυτταρικής/Μοριακής Βιολογίας Εργαστήριο Φαρμακολογίας, Τομέας Φαρμακογνωσίας/Φαρμακολογίας Τμήμα Φαρμακευτικής, Σχολή Επιστημών Υγείας, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Θεσσαλονίκη

2 ΓENIKEΣ APXEΣ Mια αναγκαία συνθήκη για την επιβίωση ενός κυττάρου είναι η ικανότητα του να ανταποκρίνεται σε περιβαλλοντικές αλλαγές (ή και σε άλλα ερεθίσματα) Mεταγωγή σήματος είναι διαδικασία με την οποία: 1) το κύτταρο-δέκτης λαμβάνει σήματα ή ερεθίσματα από το περιβάλλον, 2) τα μετατρέπει σε ενδοκυτταρικά σήματα 3) τα οποία επηρεάζουν κυτταρικούς μηχανισμούς για να την ρύθμιση του εάν, πότε και σε ποιά έκταση θα εκφρασθεί ένα γονίδιο (ή ομάδα γονιδίων), 4) με τελική συνέπεια την αλλαγή της φυσιολογίας του κυττάρου

3 Το βακτηριακό σύστημα μεταγωγής σήματος δύο συστατικών Πορίνη περιπλασμικός χώρος Κυτταρόπλασμα Αισθητήρια κινάση PhoR (ανενεργή) Αισθητήρια κινάση PhoR (ενεργή) Ρυθμιστής απόκρισης PhoB (ενεργός) Ρυθμιστής απόκρισης PhoB (ανενεργός) Εσωτερική (κυτταροπλασματική) μεμβράνη Εξωτερική μεμβράνη

4 Tι γίνεται όμως με την μεταγωγή σήματος στα ευκαρυωτικά κύτταρα;

5 Τα ευκαρυωτικά κύτταρα αποκρίνονται σε ορμονικά ερεθίσματα

6 Mετατροπή και μεταβίβαση σήματος H σημασία του δεύτερου μηνύματος ηλεκτρικό σήμα ΕΙΣΟΔΟΣ ήχος ΕΞΟΔΟΣ Μόριο που δρα ως εξωκυττάριο σήμα ΕΙΣΟΔΟΣ ενδοκυττάριο σηματοδοτικό μόριο ΕΞΟΔΟΣ

7 Mορφές κυτταρικής σηματοδότησης ΕΝΔΟΚΡΙΝΗΣ ενδοκρινές κύτταρο υποδοχέας ΠΑΡΑΚΡΙΝΗΣ σηματοδοτικό κύτταρο ΟΡΜΟΝΗ κύτταραστόχοι κυκλοφορία αίματος ΤΟΠΙΚΟΣ ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣ κύτταρο-στόχος ΝΕΥΡΩΝΙΚΗ ΕΞΑΡΤΩΜΕΝΗ ΑΠΟ ΕΠΑΦΗ νευρώνας σύναψη σηματοδοτικό κύτταρο κύτταρο-στόχος κυτταρικό σώμα νευράξονας ΝΕΥΡΟΔΙΑΒΙΒΑΣΤΗΣ κύτταρο-στόχος ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΙΚΟ ΜΟΡΙΟ ΤΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ

8 H ανάπτυξη του νευρικού συστήματος της μύγας ρυθμίζεται με εξ επαφής σηματοδότηση Μεμβρανικό σηματοδοτικό μόριο(delta) Υποδοχέας (Notch) μη διαφοροποιημένα επιθηλιακά κύτταρα αναπτυσσόμενο νευρικό κύτταρο ανεσταλμένο επιθηλιακό κύτταρο

9 Πόσα σηματοδοτικά μόρια υπάρχουν στον άνθρωπο; Πεπτιδικά και μη-πεπτιδικά σηματοδοτικάμόρια

10 Αντιπροσωπευτικά πεπτιδικά σηματοδοτικά μόρια

11 Αντιπροσωπευτικά μη πεπτιδικά σηματοδοτικά μόρια ΝΕΥΡΟΔΙΑΒΙΒΑΣΤΕΣ ΕΙΚΟΣΑΝΟΕΙΔΗ ΣΤΕΡΟΕΙΔΗ

12 Πως εξασφαλίζεται η εκλεκτικότητα της σηματοδότησης;

13 H εκλεκτικότητα της σηματοδότησης βασίζεται (σε μεγάλο βαθμό) στην ύπαρξη εκλεκτικών υποδοχέων σήματος μόνο σε μικρό σχετικά αριθμό κυττάρων του οργανισμού, δηλαδή σε αυτά που αποτελούν στον στόχο.

14 Tο ίδιο μήνυμα μπορεί να επάγει διαφορετικές απαντήσεις α) ΚΑΡΔΙΟΜΥΟΚΥΤΤΑΡΟ Γ) ΚΥΤΤΑΡΟ ΣΙΕΛΟΓΟΝΟΥ ΑΔΕΝΑ πρωτεΐνηυποδοχέας ΕΚΚΡΙΣΗ ακετυλοχολίνη Β) ΚΥΤΤΑΡΟ ΣΚΕΛΕΤΙΚΟΥ ΜΥΟΣ ΕΛΕΤΩΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ ΣΥΣΤΟΛΩΝ Δ) Ακετυλοχολίνη ΣΥΣΤΟΛΗ

15 H ύπαρξη ενός υποδοχέα από μόνη της δεν είναι αρκετή για να καθορίσει επακριβώς την απόκριση ενός κυττάρου σε συγκεκριμένο ερέθισμα (δηλ. χρόνο δράσης, έκταση της απόκρισης και την ποιοτική υφή της απόκρισης)

16 Oι αποκρίσεις σε εξωκυτταρικά σήματα μπορεί να είναι ταχείες ή βραδείες εξωκυττάριο σηματοδοτικό μόριο ενδοκυττάρια σηματοδοτική αλληλουχία μεμβρανικός υποδοχέας ΓΡΗΓΟΡΕΣ ΑΠΟΚΡΙΣΕΙΣ (δευτερόλεπτα ως λεπτά) ΑΛΛΑΓΕΣ ΣΕ ΔΟΜΕΣ ΠΡΩΤΕΪΝΩΝ ΑΛΛΑΓΕΣ ΣΤΗΝ ΕΚΦΡΑΣΗ ΓΟΝΙΔΙΩΝ ΒΡΑΔΕΙΕΣ ΑΠΟΚΡΙΣΕΙΣ (λεπτά ως ώρες) ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑΣ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΤΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΤΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ

17 Mια ενδοκυττάρια σηματοδοτική αλληλουχία σηματοδοτικό μόριο υποδοχέας ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΑΛΛΩΝ ΠΑΡΑΓΟΝΤΩΝ ΠΡΟΩΘΗΣΗ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΑΠΟΚΛΙΣΗ ΠΡΟΣ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΥΣ ΣΤΟΧΟΥΣ ΡΥΘΜΙΣΗ ΜΕΤΑΒΟΛΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΡΥΘΜΙΣΗ ΓΟΝΙΔΙΑΚΗΣ ΕΚΦΡΑΣΗΣ ΑΛΛΑΓΕΣ ΣΤΟΝ ΚΥΤΤΑΡΟΣΚΕΛΕΤΟ

18 Oι υποδοχείς των σημάτων βρίσκονται είτε στην επιφάνεια του κυττάρου είτε ενδοκυτταρικά ΥΠΟΔΟΧΕΙΣ ΤΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΤΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ επιφανειακός υποδοχέας πλασματική μεμβράνη υδρόφιλο σηματοδοτικό μόριο ΕΝΔΟΚΥΤΤΑΡΙΚΟΙ ΥΠΟΔΟΧΕΙΣ μικρό υδρόφοβο σηματοδοτικό μόριο ενδοκυτταρικός υποδοχέας

19 Τα γλυκοκορτικοειδή ενεργοποιούν υποδοχείς που ρυθμίζουν την έκφραση γονιδίων

20 Γονιδιακή ρύθμιση από τον υποδοχέα της θυρεοειδούς ορμόνης

21 Οι αυξίνες ρυθμίζουν έμμεσα την φυτική γονιδιακή έκφραση μέσω εκλεκτικής πρωτεόλυσης

22 Δεύτερα μηνύματα στην ενδοκυτταρική σηματοδότηση Tο πρώτο δεύτερο μήνυμα που ανακαλύφθηκε ήταν το camp, το 1958, από τον Earl Sutherland κατά τη διάρκεια των μελετών του στον τρόπο δράσης της επινεφρίνης (συγκεκριμένα στον τρόπο με τον οποίο αυτή σηματοδοτεί την αποδόμηση του γλυκογόνου των μυών σε γλυκόζη)

23 Tαχεία αύξηση του ενδοκυτταρικού camp ως απάντηση σε εξωκυττάριο σήμα

24 Σύνθεση και αποικοδόμηση του camp

25 Eνεργοποίηση της αδενυλκυκλάσης από ορμονικά σήματα

26 H δομή και και η δράση της πρωτεϊνικής κινάσης A (PKA) ρυθμίζονται από το camp

27 H ρύθμιση της ενεργότητας πολλών πρωτεϊνών καθορίζεται από την ισορροπία φωσφορυλίωσης-αποφωσφορυλίωσης Πρωτεϊνικη κινάση Α Ανενεργό Ενεργό Πρωτεϊνικη φωσφατάση 1 ΠPOΣOXH: Όχι μόνο οι κινάσες αλλά και οι φωσφατάσες μπορεί να αποτελούν τμήματα υποδοχέων ή συστατικά των μηχανισμών μετάδοσης σήματος

28 Ρύθμιση του μεταβολισμού του γλυκογόνου από την πρωτεϊνική κινάση A (PKA)

29 Το camp ρυθμίζει τη γονιδιακή έκφραση

30 Tι είναι οι G πρωτεΐνες και πως ρυθμίζεται η δράση τους;

31 Oι G πρωτεΐνες είναι ετεροτριμερείς μεμβρανικές πρωτεΐνες

32 Οι G πρωτεΐνες αλληλεπιδρούν με μεμβρανικούς υποδοχείς

33 Eνεργοποίηση της αδενυλκυκλάσης από ορμονικά σήματα

34 Eνεργοποίηση των G πρωτεϊνών - 1

35 Eνεργοποίηση G πρωτεϊνών - 2 υποδοχέας ανενεργός G πρωτεΐνη σηματοδοτικό μόριο κυτταρική μεμβράνη ΕΞΩΚΥΤΤΑΡΙΟΣ ΧΩΡΟΣ χ ΚΥΤΤΑΡΟΠΛΑΣΜΑ ενεργοποιημένες υπομονάδες G πρωτεΐνης ενεργοποιημένη υπομονάδα α ενεργοποιημένες βγ υπομονάδες

36 Mεταβίβαση σήματος και απενεργοποίηση των G πρωτεϊνών πρωτεΐνη-στόχος ΕΞΩΚΥΤΤΑΡΙΟΣ ΧΩΡΟΣ ενεργοποιημένη υπομονάδα α ΚΥΤΤΑΡΟΠΛΑΣΜΑ ενεργοποιημένο σύμπλοκο βγ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗ υπομονάδων ΠΡΩΤΕΪΝΗΣ-ΣΤΟΧΟΥ ΑΠΟ ΤΗΝ α ΥΠΟΜΟΝΑΔΑ ΥΔΡΟΛΥΣΗ ΤΟΥ GTP ΑΠΕΝΕΡΓΟΠΟΙΕΙ ΤΗΝ α ΥΠΟΜΟΝΑΔΑ ΚΑΙ ΟΔΗΓΕΙ ΣΕ ΑΠΟΣΥΝΔΕΣΗ ΤΗΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΠΡΩΤΕΪΝΗ-ΣΤΟΧΟ Η ΑΝΕΝΕΡΓΟΣ α ΥΠΟΜΟΝΑΔΑ ΕΠΑΝΑΣΥΝΔΕΕΤΑΙ ΜΕ ΤΟ ΣΥΜΠΛΟΚΟ ΤΩΝ βγ ΥΠΟΜΟΝΑΔΩΝ ΚΑΙ ΕΠΑΝΑΣΧΗΜΑΤΙΖΕΤΑΙ Η ΑΝΕΝΕΡΓΟΣ G ΠΡΩΤΕΪΝΗ ανενεργός G πρωτεΐνη ανενεργός πρωτεΐνη-στόχος

37 Oρμονικά επαγόμενη διάνοιξη διαύλων K + & G πρωτεΐνες ακετυλοχολίνη κλειστό κανάλι Κ+ ενεργοποιημένο σύμπλοκο υπομονάδων βγ ΕΞΩΚΥΤΤΑΡΙΟΣ ΧΩΡΟΣ κυτταρική μεμβράνη ενεργοποιημένη υπομονάδα α ΔΙΑΝΟΙΞΗ ΚΑΝΑΛΙΟΥ Ανοιχτό κανάλι Κ+ ΚΥΤΤΑΡΟΠΛΑΣΜΑ χ ΑΠΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗ κλειστό κανάλι Κ+ ανενεργός G πρωτεΐνη

38 Τι είναι και πως ρυθμίζεται το Ras;

39 H ρύθμιση της ενεργότητας του Ras

40 Οργάνωση των υποδοχέων με δράση κινάσης φωσφοτυροσίνης (py)

41 Διμερισμός και αυτοφωσφορυλίωση των υποδοχέων με δράση κινάσης τυροσίνης

42 Η υποδοχείς των κυτταροκινών σηματοδοτούν μέσω συνδεδεμένων κινασών τυροσίνης - Το μονοπάτι των JAK/STAT

43 Σύνδεση καθοδικών σηματοδοτικών μορίων στους υποδοχείς με δράση κινάσης τυροσίνης

44 Πρωτεΐνες που φέρουν SH2 επικράτειες συνδέονται με φωσφοτυροσίνες (py) κυτταρική μεμβράνη υποδοχέας PDGF ΚΥΤΤΑΡΟΠΛΑΣΜΑ PI 3-κινάση GAP περιοχή κινάσης τυροσίνης Φωσφολιπάση C επικράτειες SH2 επικράτεια SH3 θέση πρόσδεσης φωσφοτυροσίνης χ θέση πρόσδεσης πολυπεπτιδικής αλυσίδας

45 Το Ras ενεργοποιείται από υποδοχείς με δράση κινάσης φωσφοτυροσίνης (py)

46 Ενεργοποίηση του σηματοδοτικού μονοπατιού των MAP-κινασών από το Ras κυτταρική μεμβράνη ενεργοποιημένη πρωτεΐνη ras MAP-κινάση κινάση κινάση MAP-κινάση κινάση ΚΥΤΤΑΡΟΠΛΑΣΜΑ Raf MEK MAP-κινάση ERK Πρωτεΐνη Χ Πρωτεΐνη Υ Ρυθμιστική πρωτεΐνη Α Ρυθμιστική πρωτεΐνη Β Αλλαγές στην ενεργότητα των πρωτεϊνών Αλλαγές στην γονιδιακή έκφραση

47 Επαγωγή των άμεσα πρώιμων γονιδίων από τη πρωτεΐνη Erk (ΜΑP-κινάση)

48 Μονοπάτια ενεργοποίησης MAP κινασών

49 Πρωτεϊνικά ικριώματα οργανώνουν τα δίκτυα των MAP-κινασών

50 Πρωτεϊνικά ικριώματα οργανώνουν τα δίκτυα των MAP-κινασών και στον ζυμομύκητα παράγοντας ζευγαρώματος Υποδοχέας ανίχνευσης ωσμωτικότητας Υψηλή ωσμωτικότητα ΚΥΤΤΑΡΟΠΛΑΣΜΑ MAP-κινάση κινάση κινάση MAP-κινάση κινάση MAP-κινάση Ζευγάρωμα Σύνθεση γλυκερόλης

51 Πολλά σηματοδοτικά μονοπάτια λειτουργούν ταυτόχρονα

52 Διασύνδεση του μονοπατιού υποδοχέων συνδεδεμένων με G πρωτεΐνες με αυτό της Erk

53 Πρωτεΐνες που φέρουν SH2 επικράτειες συνδέονται με φωσφοτυροσίνες (py) κυτταρική μεμβράνη υποδοχέας PDGF ΚΥΤΤΑΡΟΠΛΑΣΜΑ PI 3-κινάση GAP περιοχή κινάσης τυροσίνης Φωσφολιπάση C επικράτειες SH2 επικράτεια SH3 θέση πρόσδεσης φωσφοτυροσίνης χ θέση πρόσδεσης πολυπεπτιδικής αλυσίδας

54 Eνεργοποίηση της φωσφολιπάσης C από κινάσες φωσφοτυροσίνης

55 Υδρόλυση της PIP2 (4,5 διφωσφορικής ινοσιτόλης) από τη φωσφολιπάση C (PLC)

56 Η IP3 (1,4,5 τριφωσφορική ινοσιτόλη) «κινητοποιεί» τα Ca 2+

57 Μηχανισμός δράσης της καλμοδουλίνης (CaM)

58 Η CaM-κινάση ρυθμίζει τη λειτουργικότητα της μυοσίνης καλμοδουλίνη Πρόσδεση Ca ++ ανενεργό σύμπλοκο καλμοδουλίνης- MLCK Ενεργό σύμπλοκο καλμοδουλίνης-mlck Ρυθμιστική ελαφριά αλυσίδα της μυοσίνης MLCK= κινάση της ελαφριάς αλυσίδας της μυοσίνης (εξαρτώμενη από Ca++/ καλμοδουλίνη) ανενεργός μυοσίνη Ενεργός μυοσίνη

59 Η PIP3-κινάσες φωσφορυλιώνουν την PIP2 στη θέση 3 μετατρέποντας την σε PIP3

60 Πρωτεΐνες που φέρουν SH2 επικράτειες συνδέονται με φωσφοτυροσίνες (py) κυτταρική μεμβράνη υποδοχέας PDGF ΚΥΤΤΑΡΟΠΛΑΣΜΑ PI 3-κινάση GAP περιοχή κινάσης τυροσίνης Φωσφολιπάση C επικράτειες SH2 επικράτεια SH3 θέση πρόσδεσης φωσφοτυροσίνης χ θέση πρόσδεσης πολυπεπτιδικής αλυσίδας

61 Ο ρόλος της PIP3 στην ενεργοποίηση της κινάσης Act

62 Σηματοδότηση μέσω της PI 3-κινάσης προάγει την κυτταρική επιβίωση

63

64

65

66

67

68

69 Σας ευχαριστώ για την προσοχή σας