Ćelijska signalizacija

Transcript

1 Ćelijska signalizacija Interakcije organizma i sredine posredovane su signalima Primanje signala iz okoline, odgovor na signale i odašiljanje signala u okolinu osobinu živih organizama Posebno važno i kompleksno kod višećelijskih organizama neophodno za koordinaciju bioloških procesa Interakcija signalnih molekula i specifičnih receptora -okidač za intracelularne promene koje kontrolišu ćelijsko ponašanje (metabolizam, kretanje, diferencijacija, preživljavanje, proliferacija) Poremećaj prenosa, odgovora ili odašiljanja signala uzrok mnogih bolesti Signalni molekuli i njihovi receptori Raznolikost struktura i funkcija signalnih molekula Direktno signaliziranje između dve ćelije Signalizacija izlučenim molekulima faktori rasta hormoni neurotransmiteri Vrste signalnih molekula A. Steroidni hormoni B. Azot monoksid i ugljen monoksid C. Neurotransmiteri D. Peptidni hormoni i faktori rasta E. Eikozanoidi F. Biljni hormoni 1

2 Steroidni hormoni Intracelularni receptori Mali hidrofobni molekuli Difunduju kroz ćelijsku membranu Prkursor za sintezu je holesterol Egdizon- insekti Brasinosteroidi-biljke Ulaskom u ćeliju steroidni se hormoni vežu za intracelularni receptore superporodica receptora u jedru transkripcijski faktori domen za vezanje liganda domen za vezanje DNK domen za aktivaciju transkripcije vezanje liganda (steroidnog hormona) nadzire njihovu funkciju kao aktivatora ili represora ciljnih gena steroidni hormoni i slični molekuli direktno nadziru gensku ekspresiju Delovanje estrogena Delovanje tiroksina HDAC-histon deacetilaza sam receptor ne može da se veže za DNK vezanje hormona izaziva promenu konformacije receptora aktivni kompleks veže DNK i stimuliše transkripciju ciljnog gena HAT-histon acetil transferaza receptor je vezan za DNK vezivanje hormona menja konformaciju, a time i transkripcijsku aktivnost receptora HAT-histon acetil transferaza 2

3 Azot monoksid i ugljen monoksid NO glavni parakrini signalni molekul u nervnom, imunološkom i cirkulacijskom sistemu Kroz ĆM prolazi difuzijom Menja aktivnost intracelularnih ciljnih enzima Nestabilan (t 1/2 nekoliko sekundi), lokalni učinak NO CO veže hem- grupu u aktivnom mestu gvanilciklaze ciklički GMP (drugi glasnik) aktivira gvanil-ciklazu cgmp signalni molekul u nervnom sistemu vezanjem na cisteinske ostatke sinteza CO uslovljena je neurotransmite (nitrozilacija) menja aktivnost ciljnih posrednik u dilataciji krvnih sudova proteina dilatacija krvnih sudova neurotransmiteri (acetilholin) podstiču sintezu NO u endotelnim ćelijam krvnih sudova NO difunduje u susedne mišićne ćelije i potiče gvanil-ciklazu na stvaranje cgmp što uzrokuje relaksaciju mišićnih ćelija i dilataciju krvnih sudova nitroglicerin se pretvara NO dilatacija koronarnih sudova protok prema srcu Enzim sintetaza azot monoksida (NOS, engl. nitric oxid synthase) katalizuje stvaranje NO iz arginina Neurotransmiteri Prenose signale između nervnih ćelija ili od nervnih ćelija do drugih vrsta ćelija Hidrofilni molekuli, vežu se na specifične receptore na ĆM. Neki su receptori hormoni (adrenalin), a mnogi su i ionski kanali signal za otpuštanje neurotransmitera je pristizanje akcionog potencijala na nervni završetak neurotransmiteri difunduju kroz sinaptičku pukotinu i vežu se na receptore Model nikotinskog receptira za ACTH 3

4 Peptidni hormoni i faktori rasta lipidne signalne molekule djeluju putem površinskih receptora (prostaglandini, prostaciklini,tromboksani, leukotrieni) brzo se razgrađuju djeluju lokalno u autokrinim ili parakrinim signalnim putevima agregacija trombocita, upala, kontrakcija glatkih mišića Eikozanoidi Ćelijski površinski receptori A. Receptori povezani s G-proteinima B. Receptorske protein-tirozin-kinaze C. Receptori za citokine i nereceptorske proteintirozin-kinaze D. Receptori povezani s drugim enzimskim aktivnostima Receptori povezani s G-proteinima prenose signale do unutrašnjih ciljeva posredstvom proteina koji vežu gvaninnukleotid G-proteina > 1000 receptora povezanih s G-proteinima strukturno i funkcionalno srodni (zajednička osobina - 7 membranskih α-uzvojnica) vezanje liganda izaziva promenu konformacije i interakciju citosolnog domena receptora i G- proteina koji je vezan na unutrašnju stranu ĆM G-protein se na taj način aktivira, odvaja od receptora i prenosi signal do intracelularnog cilja, koji može biti enzim ili ionski kanal 4

5 G-proteini G-protein je otkriven tokom istraživanja hormona koji su zaduženi za sintezu camp (drugi glasnik) u ciljnim ćelijama GTP je neophodan za hormonsku stimulaciju adenilat-ciklaze protein koji veže GTP (G-protein) je posrednik u aktivaciji adenilciklaze G-proteini djeluju kao fiziološki "prekidači koji regulišu delovanje intracelularnih ciljeva u odgovoru na vanćelijske signale Regulacija G-proteina izgrađeni od 3 podjedinice: α, β, γ heterotrimerni G-proteini gvanin-nukleoidi (GTP i GDP) nadziru aktivnost G-proteina Aktivnost α-podjedinice završava hidrolizom vezanog GTP, a neaktivna α-podjedinica koja veze ponovo GDP se spaja sa kompleksom sa βγ. U neaktivnom stanju α- podjedinica je vezana za GDP u kompleksu sa βγ Aktivirana α-podjedinica koja veže GTP i βγ kompleks odvajaju se od receptora i dluju na ciljne proteine Ciljni proteini Vezivanjem hormona podstiče međudelovanje receptora i G proteina što stimuliše otpuštanje GDP u zamenu sa GTP. Receptorske protein-tirozin-kinaze grupa receptora povezanih sa intracelularnim enzimima receptorske protein-tirozin-kinaze fosforilišu tirozinske bočne ogranke receptori za polipeptidne faktore rasta kontrola rasta i diferencijacije životinjskih ćelija ljudski genom kodira 58 receptorskih proteintirozin-kinaza (receptori za EGF, NGF, PDGF, insulin) struktura vanćelijski domen na N-kraju za vezanje liganda transmembranska α-zavojnica citosolni domen na C-kraju koja ima proteintirozin-kinaznu aktivnost uglavnom su izgrađeni od 1 polipeptidnog lanca (insulinski receptor i slični receptori izgrađeni su od 2 polipeptidna lanca) Aktivacija receptorskih proteintirozin-kinaza vezanje liganda na vanćelijski domen aktivira citosolni kinazni domen receptora i izaziva fosforilaciju i samog receptora (autofosforilacija) i unutaćelijskih ciljnih proteina, preko kojih se širi signal, koji je započeo vezanjem faktora rasta 5

6 1. Dimerizacija receptora vezanje liganda podstiče dimerizaciju receptora neki faktori rasta (PDGF, NGF) su homo-dimeri i podstiču dimerizaciju receptora vezanje monomernih faktora rasta (EGF) podstiče konformacijske promene koje dovode do interakcije receptora i dimerizacije 2. Autofosforilacija podsatknuta dimerizacijom uzajamna fosforilacija dva polipeptidnih lanca receptora 1. fosforilacija Tyr u okvuru katalitičkog domena povećava aktivnost protein-kinaze 2. fosforilacija Tyr van katalitičkog domena oblikuje specifično vezno mesto za dodatne proteine koji prenose intracelularne signale nizvodno od aktiviranih receptora Nizvodni signalni molekuli povezani sa receptorskim protein-tirozin-kinazama Nizvodni signalni molekuli s receptorskim protein-tirozin-kinazama povezani su pomoću proteinskih domena koje vežu specifične peptide koje sadržavaju fosfotirozin SH2-domene (Src homology 2) PTB-domene (phosphotyrosine-binding Spajanje nizvodnih signalnih molekula sa receptorskim protein-tirozin-kinazama Povezivanje proteina koji sadrže SH2 ili PTB domen sa aktiviranim receptorskim protein-tirozin-kinazama potiče njihovu lokalizaciju uz membranu, povezivanje s drugim proteinima,njihovu fosforilaciju i enzimsku aktivnost Receptori za citokine i nereceptorske protein-tirozin-kinaze grupa receptora koja nema protein-tirozin-kinaznu aktivnost nekovalentnim su vezana povezani s intracelularnim protein-tirozin-kinazama superporodica receptora za citokine (citokini: IL-2, eritropoetin; hormoni: hormon rasta) struktura vanćelijski domen na N-kraju za vezivanje liganda transmembranska α-zavojnica citosolni domen na C-kraju ovi receptori deluju združeno s nereceptorskim proteintirozin-kinazama koji se aktiviraju u odgovoru na vezivanje liganda 6

7 Aktivacija receptora za citokine Vezivanje liganda podstiče dimerizaciju receptora i dovodi do aktivacije pridruženih nereceptorskih protein-tirozinkinaza, što ima za posledicu uzajamnu fosforilaciju aktivirane kinaze zatim fosforilišu tirozinske ostatke receptora i oblikuju fosfotirozinska vezna mesta za nizvodne signalne molekule Nereceptorske protein-tirozinkinaze 1. porodica Janus-kinaza ili JAK - kinaze povezane sa receptorima za citokine (4 srodna člana) JAK neophodan za signalizaciju podstaknutu citokinima ključna uloga u povezivanju citokinskih receptora sa tirozinskom fosforilacijom intracelularnih ciljeva 2. porodica Src (9 srodnih članova) Src je otkriven kao onkogeni protein Rausovog srkomskog virusa i kao prvi protein s protein-tirozin-kinazom aktivnošću ključne uloge u signalizaciji nizvodno od nereceptorskih protein-tirozin-kinaza (antigenski receptori na limfocitima B i T, integrinski receptori...) Receptori povezani s drugim enzimskim aktivnostima 1. Protein-tirozin-fosfataze uklanjaju fosfatnu grupu s fosfotirozinskih ostataka održavaju ravnotežu delovanju protein-tirozin-kinaza često imaju negativnu kontrolnu ulogu jer završavaju signale koji započinju fosforilacijom tirozina neki su receptori na ćelijskoj površini s pozitivnom ulogom u ćelijskoj signalizaciji CD45 (limfociti T i B) posle aktivacije antigenom, CD45 defosforilira specifični fosfotirozin koji koči enzimsku aktivnost pripadnika porodice Src, što podstiče aktivnost Src Receptori povezani s drugim enzimskim aktivnostima 2. Protein-serin/treonin-kinaze fosforilišu serinske ili treoninske ostatke na svojim supstratima receptor za transformirajući faktor rasta β (TGF-β) i srodne polipeptide vezanje liganda za receptor podstiče povezivanje dva različita polipeptidna lanaca koji pripadaju porodici TGFβreceptora sa kinaznom aktivnošću koji se uzajamno fosforilišu aktivirani TGFβ-receptori fosforilišu pripadnike porodice transkripcijskih faktora SMAD koji se premeštaju u jedro i podstiču ekspresiju ciljnih gena 7

8 Receptori povezani s drugim enzimskim aktivnostima 3. Receptorske gvanil-ciklaze receptori čije citosolni domeni imaju gvanilciklaznu aktivnost (katališu stvaranje cgmp) struktura vanćelijski domen na N-kraju za vezanje liganda transmembranska α-zavojnica citosolni domen na C-kraju sa gvanil-ciklaznom aktivnošću Putevi intracelularnog prenosa signala Signali se sa površinskih receptora prenose na intracelularne ciljne enzime koji su direktno ili indirektno povezani s G-proteinima Intracelularni ciljni enzimi = nizvodni signalni elementi koji prenose i pojačavaju signal koji je započeo vezanjem liganda Intracelularni prenos signala Ciljevi intracelularnih signalnih puteva često uključuju transkripcione faktore koji kontrolišu ekspresiju gena Putevi intracelularnog prenosa signala A. Put camp: drugi glasnici i fosforilacija proteina B. Ciklički GMP C. Fosfolipidi i Ca 2+ D. Ras, Raf i signalni put MAP-kinaze E. Signalni put JAK/STAT Put camp: drugi glasnici i fosforilacija proteina delovanje adrenalina na razgradnju glikogena na glukozu ciklički AMP (camp) = drugi glasnik nastaje iz ATP delovanjem adenil-ciklaze, a razgrađuje do AMP delovanjem campfosfodiesteraze 8

9 Aktivacija protein kinaze-a camp reguliše aktivnost zavisne protein-kinaze A neaktivni oblik enzima je tetramer koji se sastoji od 2 regulatorne i 2 katalitičke podjedinice camp se veže za regulatorne podjedinice što podstiče odvajanje katalitičkih podjedinica koje time postaju enzimski aktivne i mogu fosforilisati serinske ostatke na ciljnim enzimima Regulacija metabolizma glikogena protein-kinazom A Protein kinaza A fosforiliše glikogen sintetazu. Ta fosforilacija koči glikogen sintetazu a podstiče fosforilaza kinazu. Zatim fosforilaza kinaza fosforiliše i aktivira glikogen fosforilazu koja katališe razgradnju glikogena do glukozo 1-fosfata. camp Neki geni u promotoru sadrže elemente koji odgovoraju na camp (CRE engl. camp response element) katalitička podjedinica protein-kinaze A prenosi signal s površine premešta se u jedro i fosforiliše TF CREB (engl. camp response element binding protein protein koji veže CRE) kontrola proliferacije, preživljavanja, diferencijacije cgmp ciklički GMP (cgmp) = drugi glasnik nastaje iz GTP delovanjem gvanil-ciklaze, a razgrađuje do GMP delovanjem cgmp-fosfodiesteraze gvanil-ciklazu aktiviraju NO, CO, peptidni ligandi... delovanje cgmp posredovano protein-kinazom zavisnom za cgmp cgmp kontrolor jonskih kanala i drugih ciljnih proteina 9

10 Značaj cgmp u vidu rodopsin (fotoreceptor) povezan je s G-proteinom konformacijska promena rodopsina posle apsorpcije svetla i izomerizacije 11-cis-retinala u trans-retinal podstiče aktivaciju G- proteina transducuna α-podjedinica transducina podstiče aktivnost cgmp-fosfodiesteraze sniženje intracelularne koncentarcije cgmp direktno i delovanje cgmp na jonske kanale u ĆM Fosfolipidi i Ca 2+ Drugi glasnici koji potiču od fosfatidil-inozitol-4,5-bisfosfata (PIP2) mali udeo u unutrašnjem sloju fosfolipidnog dvosloja neki hormoni i faktori rasta podstiču hidrolizu PIP2 putem fosfolipaze C na diacil-glicerol i inozitol-1,4,5-trifosfat (IP3) diacil-glicerol aktivira protein-serin/treonin kinaze porodice proteinkinaza C važna uloga u kontroli ćeliojskog rasta i razvoja IP3 podstiče porast intracelularne koncentracije Ca 2+ Ras, Raf i signalni put MAP-kinaze signalni put MAP-kinaze je kaskada evoluciono očuvanih proteinkinaza ključnih u prenosu signala u eukariotskim ćelijama MAP-kinaze = porodica protein-serin/treonin-kinaza (engl.mitogenactivated protein kinases) aktiviraju se u odgovoru na faktore rasta i druge signalne molekule MAP-kinaze = ubikvitarni regulatori ćelijskog rasta i diferencijacije 3 tipa MAP-kinaza: ERK (engl. extracelular signal-regulated kinase) JNK (engl. c-jun N-terminal kinase) p38 JNK i p38 učestvuju u odgovoru na upalne citokine ili ćelijski stres Aktivacija ERK Ključna za prenos proliferacijskog signala Podstiču je faktori rasta koji deluju preko protein-tirozin-kinaze ili receptora povezanih sa G-proteinima posredovana je Ras-proteinom koji veže GTP Ras aktivira protein-serin/treonin-kinazu Raf Raf fosforiliše i aktivira protein kinazu MEK (MAP kinaza/erk kinaza) dvojno specifična kinaza fosforiliše i Tyr i Thr ostatke koji su međusobno odvojeni 1 ak protein kinazu MEK fosforilira i aktivira ERK ERK fosforilira protein-kinaze i transkripcijske faktore 10

11 Ras-proteini Ras-proteini onkogeni proteini tumorskih virusa koji uzrokuju sarkome kod pacova (engl. rat sarcoma virus) mutacija gena ras povezana s nastankom karcinoma u ljudi Ras proliferacija ćelija, nedostatak Ras nema ćelijske proliferacije u odgovoru na faktore rasta Ras odgovoran za normalan odgovor na nadražaje faktorima rasta podsticajem abnormalnog rasta tumorskih stanica vežu gvanil-nukleotide grupa srodinih malih proteina koji vežu GTP Ras kontrola ćelijskog rasta Rab kontrola prometa vezikula Ran kontrola transporta u i izvan jedra Rho kontrola organizacije citoskeleta Regulacija aktivacije Ras-proteina Ras naizmenično veže GTP (aktivan oblik) i GDP (neaktivan oblik) aktivaciju posreduju faktori izmene gvanilnukleotida podstiču otpuštanje GDP i vezanje GTP Ras inaktiviraju proteini koji aktiviraju GTPazu GTPaza hidrolizira GTP posledica mutacija gena ras u kancerskim ćelijama ljudi je inhibicija hidrolize GTP pomoću proteina Ras mutirani Ras-proteini ostaju stalno u aktivnom obliku (vezan GTP) i podstiču nekontrolisanu proliferaciju tumorskih ćelija, čak i u odsutnosti faktora rasta JAK/STAT put JAK/STAT put - direktna veza između protein-tirozin-kinaza i TF STAT proteini (engl. signal transducers and activators of transcription) = TF u ćelijama u mirovanju STAT proteini su nenaktivni i smešteni u citoplazmi aktivacija citokinskih receptora privlači STAT proteine koji se vežu za fosfotirozine u citoplazmatskim domenima receptora fosforilacija STAT pomoću JAK (nereceptorske protein-tirozin-kinaze) dimerizacija STAT premiještanje u jezgru transkripcija ciljnih gena Signalizacija u diferencijaciji ćelijska diferencijacija i razvoj telesnih struktura regulisani su složenim putevima međusobne signalizacije usklađivanje rada svake pojedine ćelije stvaranje složenih organizama receptorske tirozin-kinaze/ras/raf/erk signalni put (diferencijacija neurona, razvoj složenog oka D. melanogaster, vulve kod C. elegans) Hedgehog i Wnt signalni put (ključna uloga tokom embrionalnog razvoja, određivanje tipova ćelija, oblikovanje rasporeda ćelija tokom razvoja udova, nervnog sistema...) Notch signalni put (ćelijska proliferacija, preživljavanje i diferencijacija u svim fazama razvoja organizama) 11