Χημικά Μηνφματα μεταξφ κυττάρων

Transcript

1 Μεταγωγή ςήματοσ

2 Ειςαγωγή Σα κφτταρα αποκρίνονται ςε ςυγκεκριμζνα ερεκίςματα του περιβάλλοντόσ τουσ. Όταν θ ςυγκζντρωςθ ενόσ μορίου είναι μεγαλφτερθ μίασ ςυγκεκριμζνθσ τιμισ ενεργοποιείται μία αλυςίδα ςυμβάντων που ονομάηεται «πορεία μεταγωγισ ςιματοσ». Σο μόριο που απελευκερώνεται λόγω ενόσ ερεκίςματοσ ονομάηεται «πρωτογενισ αγγελιαφόροσ». Σα περιςςότερα ςθματοδοτικά μόρια δεν ειςζρχονται ςτα κφτταρα. Δεςμεφονται ςε υποδοχείσ που μεταφζρουν το μινυμα ςτο εςωτερικό του κυττάρου. Η αλλθλεπίδραςθ προςδζματοσυποδοχζα μεταβάλλει τθν τριτοταγι ι τεταρτοταγι δομι του υποδοχζα.

3 Ειςαγωγή Ενδοκυτταρικά παράγονται άλλα μόρια που διανζμουν το ςιμα παραπζρα, «δεφτεροι αγγελιαφόροι», π.χ camp, cgmp, IP 3, DAG, κλπ. Με τον τρόπο αυτόν το ςιμα ενιςχφεται ςθμαντικά παράγοντασ τεράςτια ενδοκυτταρικι απόκριςθ, ενώ θ διάχυςι τουσ ςτα κυτταρικά διαμερίςματα επθρεάηει διεργαςίεσ όλου του κυττάρου. Ωςτόςο, λόγω διαςταυροφμενθσ επικοινωνίασ μπορεί να προκαλζςει ςφγχυςθ. Η επίδραςθ τθσ ςθματοδοτικισ πορείασ μπορεί να περιλαμβάνει ενεργοποίθςθ ιοντικών διαφλων, ενηφμων, μεταγραφικών παραγόντων κλπ, ελζγχοντασ μεταβολικζσ διαδικαςίεσ, γονιδιακι ζκφραςθ κλπ. Μετά τθν απόκριςθ του κυττάρου θ ςθματοδότθςθ πρζπει να τερματιςτεί.

4 Χημικά Μηνφματα μεταξφ κυττάρων Υπάξρνπλ ηξεηο γεληθέο θαηεγνξίεο ρεκηθώλ κελπκάησλ: Κπηηαξνπιαζκαηηθέο ζπλδέζεηο κεηαμύ θπηηάξσλ Σεκαηνδόηεζε από ηελ επαθή κεηαμύ θπηηάξσλ Ειεύζεξε δηάρπζε κεηαμύ θπηηάξσλ Σε θύηηαξα από απόζηαζε (νξκόλεο) Σε γεηηνληθά θύηηαξα (πνπ κνηξάδνληαη ηνλ δηαθπηηαξηθό ρώξν) 4

5 Μηχανιςμοί ςηματοδότηςησ Άμεςη κυτταρική επαφή Μζςω εκκρινόμενων μορίων Ζνδοκρινισ Παρακρινισ Αυτοκρινισ

6 Χημική Σηματοδότηςη Τπάρχει πλθκώρα εξωτερικών μθνυμάτων που λαμβάνει το κφτταρο. Ορμόνεσ, νευροδιαβιβαςτζσ, τοπικζσ ορμόνεσ, μορφογενι, ξζνεσ χθμικζσ ενώςεισ, φωσ. Οι τοπικζσ ορμόνεσ περιζχουν αυξθτικοφσ παράγοντεσ, αραχιδονικό οξφ, φωςφολιπίδια κλπ. 6

7 Χημική Σηματοδότηςη Ορμόνεσ

8 Δράςη μζςω υποδοχζων Χημική Σηματοδότηςη Νευροδιαβιβαςτζσ

9 Δράςη μζςω υποδοχζων Χημική Σηματοδότηςη Πεπτιδικζσ ορμόνεσ, νευροπεπτίδια, αυξητικοί παράγοντεσ

10 Δράςη μζςω υποδοχζων Χημική Σηματοδότηςη Εικοςανοειδή

11 Τρόποι μετάδοςησ ςήματοσ π.χ. ςτεροειδείσ ορμόνεσ, ΝΟ π.χ. ινςουλίνη, επινεφρίνη

12 Διαφορετικζσ αποκρίςεισ

13 Τα τρία ςτάδια τησ διαμόρφωςησ του ςήματοσ 1. Λήςε ηνπ εμσθπηηάξηνπ ζήκαηνο από ην θύηηαξν 2. Μεηαβίβαζε ηνπ ζήκαηνο από ην εμσηεξηθό ηνπ θπηηάξνπ ζην εζσηεξηθό ηνπ θπηηάξνπ (ζπλήζσο ζε πνιιά βήκαηα) ρσξίο απαξαίηεηα λα δηαβηβάδεηαη ην ππόζηξσκα. Τεράστια ενίσχυση. 3. Κπηηαξηθή Απόθξηζε Η απόθξηζε ελεξγνπνηείηαη ή/θαη ζπκβαίλεη κέζα ζην θύηηαξν ιήπηε. 13

14 Απευθείασ δράςη ςηματοδοτικϊν μορίων Ειςαγωγή ςτο κφτταρο λόγω λιπόφιλου χαρακτήρα Δζςμευςη ςε κατάλληλο πυρηνικό υποδοχζα Γλυκοκορτικοειδή Θυρεοειδήσ ορμόνη Τ4 Pymol: glucocorticoid_receptor.pse

15 Υποδοχείσ ςυνδεδεμζνοι με G πρωτεΐνεσ (GPCRs) Σοπολογικό διάγραμμα GPCRs Ενεργοποίθςθ αδενυλικισ κυκλάςθσ ~1000 υποδοχείσ ςτον άνκρωπο Τποδοχείσ νευροδιαβιβαςτών, εικοςανοειδών, οςμογόνων, πεπτιδικών ορμονών, φωτόσ κλπ Pymol: muscarinic receptor.pse

16 Λειτουργία GPCR Σο ανκρώπινο γονιδίωμα κωδικοποιεί 21 α, 6 β και 12 γ υπομονάδεσ ώςτε να εξαςφαλίηεται θ ςφηευξθ ςθματοδότθςθσ και ςτόχου.

17 Οι G πρωτεΐνεσ Προκειται για ετεροτριμερείσ, α, β και γ υπομονάδεσ. Η α είναι μζλοσ τθσ οικογζνειασ των ΝΣΡαςών με κθλεία Ρ, που ςυμμετζχει ςτθ δζςμευςθ του νουκλεοτιδίου. Οι α και γ είναι αγκυροβολθμζνεσ ςτθ μεμβράνθ. Ο υποδοχζασ καταλφει τθν ανταλλαγι GDP με GTP και θ α διαςπάται από το τριμερζσ. Ζνα μόριο ορμόνθσ διεγείρει τθν ανταλλαγι αυτι ςε πολλά ετεροτριμερι πρωτεϊνών G.

18 Animation λειτουργίασ GPCRs

19 Παραδείγματα πορειϊν ςηματοδότηςησ Πρωτογενζσ αγγελιαφόρο

20 Δεφτεροι αγγελιαφόροι Αρχζσ μεταγωγισ ςιματοσ

21 Το δίκτυο των κιναςϊν και φωςφαταςϊν πρωτεϊνϊν Σο δίκτυο των κιναςών και φωςφαταςών πρωτεϊνών είναι ζνα ςφνολο βιοχθμικών μονοπατιών με το οποίο μεταφζρεται πλθροφορία μεταξφ ενδοκυτταρικών κζςεων ςε ηωικά κφτταρα. 21

22 Σο δίκτυο των κιναςών μεταφζρει πλθροφορία μεταξφ ευκίνθτων ενδοκυτταρικών φορζων μθνυμάτων ι μεμβρανικών υποδοχζων και ενδοκυτταρικών πρωτεϊνών ςτόχων. Οι κινάςεσ καταλφουν τθν μεταφορά μιάσ φωςφορικισ ομάδασ από ATP ςε μία ςερίνθ ι κρεονίνθ ι τυροςίνθ ςτθν πολυπεπτιδικι αλυςίδα τθσ πρωτεΐνθσ ςτόχου. Οι κινάςεσ ενεργοποιοφνται αλλοςτερικά ςτον κυτταροπλαςματικό χώρο είτε από άλλεσ κινάςεσ ι μζςω αφξθςθσ ςυγκζντρωςθσ ενδοκυτταρικών διαβιβαςτών ι με αυτοφωςφορυλίωςθ (που καταλφεται από μία μεμβρανικι κινάςθ τθσ τυροςίνθσ). 22

23 Ενεργοποίηςη υποδοχζων μζςω φωςφορυλίωςησ ε μερικζσ περιπτώςεισ οι υποδοχείσ αυτοφωςφορυλιώνονται ωσ αποτζλεςμα του διμεριςμοφ τουσ.

24 Το παράδειγμα τησ ενεργοποίηςησ από την επινεφρίνη H ορμόνη Ο υποδοχζασ Πρόκειται για υποδοχείσ που αποτελοφνται από μία πολυπεπτιδικι αλυςίδα. Περιλαμβάνει επτά διαμεμβρανικζσ ζλικεσ και αποτελοφν τθ μεγαλφτερθ κατθγορία μεμβρανικών υποδοχζων. ~ 1/3 των φαρμάκων ςτοχεφουν αυτοφσ του υποδοχείσ. 24

25 Η δομή του β-αδρενεργικοφ υποδοχζα vs ροδοψίνησ

26 Η μεταφορά του πρωτογενοφσ ςήματοσ Pymol: g_alpha_gtp-gdp.pse

27 H αδενυλική κυκλάςη Η αλλθλεπίδραςθ τθσ Ga με τθν αδενυλικι κυκλάςθ ευνοεί το ςχθματιςμό μιασ πιο ενεργοφ ςτερεοδιάταξθσ του ενηφμου. Αυξάνεται ο ρυκμόσ παραγωγισ camp ςτο εςωτερικό του κυττάρου (2 ο ςθμείο ενίςχυςθσ του ςιματοσ).

28 Ενεργοποίηςη τησ πρωτεϊνικήσ κινάςησ Α Η camp διεγείρει τθν ενεργοποίθςθ τθσ PKA, επθρεάηοντασ μεγάλθ κλίμακα κυτταρικών διεργαςιών, μεταξφ άλλων: τουσ μυσ, τθν παραγωγι ΑΣΡ για τθ μυϊκι ςφςπαςθ. Σθν ζκκριςθ οξζοσ από το γαςτρικό βλεννογόνο. Μειώνει τθ ςυςςωμάτωςθ αιμοπεταλίων. Ενιςχφει τθν αποικοδόμθςθ αποκθκευμζνων καυςίμων.

29 Δράςεισ τησ πρωτεϊνικήσ κινάςησ Α

30 Animation ενίςχυςησ ςήματοσ

31 Επαγωγή γονιδιακήσ ρφθμιςησ μζςω camp (PKA)

32 Διακοπή τησ ςηματοδότηςησ Οι υπομονάδεσ α εμφανίηουν ενδογενι δραςτικότθτα GTPαςθσ. Η δεςμευμζνθ GTP δρα ωσ ενςωματωμζνο ρολόι. Επαναςχθματίηεται θ ετεροτριμερισ πρωτεΐνθ και διακόπτεται θ ενεργοποίθςθ τθσ αδευλικισ κυκλάςθσ. Η ορμόνθ αποδεςμεφεται από τον υποδοχζα. Ο καταρράκτθσ γεγονότων ενεργοποιεί μία κινάςθ που φωςφορυλιώνει τον υποδοχζα όταν βρίςκεται ςτθν ενεργοποιθμζνθ ςτερεοδιαμόρφωςθ (ορμόνθ δεςμευμζνθ). Λόγω των φοςφωρυλιώςεων δεςμεφεται θ β-παγιωνίνθ.

33 Το παράδειγμα τησ αγγειοτενςίνησ ΙΙ. Ενεργοποίηςη μζςω αςβεςτίου και λιπιδίων Προςδζνεται ςε επταελικοειδι υποδοχζα Ενεργοποιεί τθν αντίςτοιχθ G πρωτεΐνθ Η τελευταία, ςτθν GTP μορφι τθσ δεςμεφεται ςτθ φωςφολιπάςθ C (PLC-β) και τθν ενεργοποιεί Η PLC καταλφει τθ διάςπαςθ τθσ PIP2 ςε IP3 και DAG 33

34 δυακυλογλυκερόλη 4,5-διφωςφορική φωςφατιδυλοϊνοςιτόλη Τριφωςφορική ινοςιτόλη

35 Ο καταρράκτησ των φωςφοϊνοςιτιδίων Η πρωτεϊνικι κινάςθ C ενεργοποιεί πλικοσ ενδοκυτταρικών ςτόχων, μεταξφ αυτών μεταγραφικοφσ παράγοντεσ. Ενεργοποιείται με ςυνδυαςμό των δράςεων τθσ DAG και του IP 3

36 Εναλλακτική πορεία υδρόλυςησ τησ PIP2 μζςω γ-φωςφολιπάςησ C 36

37 Το αςβζςτιο ωσ 2 ο αγγελιαφόρο Η κυτταροπλαςματικι ςυγκζντρωςι του είναι χαμθλι Μεγάλεσ αποκικεσ ςτο Ε.Δ. Εξωκυτταρικά βρίςκεται ςε πολλαπλάςια ςυγκζντρωςθ Ανεπαίςκθτεσ αλλαγζσ τθσ ςυγκζντρωςισ του ανιχνεφονται εφκολα Δεςμεφεται ιςχυρά ςε πρωτεΐνεσ και επάγει δομικζσ αναδιατάξεισ

38 Η επίδραςη του αςβεςτίου μζςω αςβεςτιοτροποποιητίνησ (CaM) Σθν ενεργοποιεί ςε ςυγκεντρώςεισ >500 nm. Η δζςμευςι του επάγει δομικζσ αναδιατάξεισ εκκζτοντασ υδρόφοβεσ περιοχζσ Σο ςφμπλοκο αςβεςτίου- πρωτεΐνθσ διεγείρει μεγάλθ ποικιλία ενηφμων, αντλιών κλπ Αξιοςθμείωτθ είναι θ ςτόχευςι των εξαρτώμενων από τθν αςβεςτιοτροποποιθτίνθ κιναςών Χζρι EF 38

39 Πρόςδεςη αςβεςτίου-καλμοντουλίνησ ςτην κινάςη CaM I Οι κινάςεσ αυτζσ φωςφορυλιώνουν άλλουσ ςτόχουσ ρυκμίηοντασ τον ενεργειακό μεταβολιςμό, τθ ςφνκεςθ και ζκκριςθ νευροδιαβιβαςτών, τθν ιοντικι διαπερατότθτα και μεταγραφικοφσ παράγοντεσ. 39

40 PIP3 ωσ δεφτερο αγγελιαφόρο Ο καταρράκτθσ ξεκινά είτε μζςω G πρωτεϊνών ι μζςω φωςφολιπάςθ C Ενεργοποιείται θ κινάςθ ΡΙ3 Εν τζλει θ Akt ενεργοποιεί ι αναςτζλει μεταγραφικοφσ παράγοντεσ μζςω επιλεκτικισ φωςφορυλίωςθσ

41 PIP3 ωσ δεφτερο αγγελιαφόρο Η ρφθμιςη του παράγοντα FOXO

42 Το παράδειγμα τησ ινςουλίνησ Απελευκερώνεται μετά από ζνα γεφμα λόγω αυξθμζνων επιπζδων γλυκόηθσ. Πεπτιδικι ορμόνθ που αποτελείται από δφο αλυςίδεσ που ςυνδζονται με τρεισ διςουλφιδικοφσ δεςμοφσ. Δομικά αςφμμετρο μόριο.

43 Υποδοχζασ ινςουλίνησ Ο υποδοχζασ τθσ ινςουλίνθσ είναι διμερζσ δφο πανομοιότυπων μονάδων. Κάκε μία από αυτζσ αποτελείται από δφο υπομονάδεσ (α και β) που ςυνδζονται μεταξφ τουσ με ζνα διςουλφιδικό δεςμό. Οι α υπομονάδεσ εκτείνονται προσ τον εξωκυτταρικό χώρο και ςχθματίηουν τθ κζςθ δζςμευςθσ τθσ ινςουλίνθσ. Κάκε υπομονάδα β εκτείνεται ενδοκυτταρικά και περιλαμβάνει δομικι περιοχι τυροςυλοκινάςησ. Δθλαδι, πρόκειται για υποδοχζα που περιλαμβάνει κινάςθ ωσ τμιμα τθσ δομισ του.

44 Τροποποίηςη τυροςυλοκινάςησ Σροποποιοφν τυροςίνεσ και όχι ςερίνεσ ι κρεονίνεσ. Η ζνηυμο κακίςταται ενεργό μζςω μίασ κθλιάσ που βρίςκεται ςτο κζντρο τθσ δομισ. Η ενεργοποίθςθ του υποδοχζα τθσ ινςουλίνθσ Δομικζσ αναδιατάξεισ

45 Insulin receptor substrate υνδετικό ςτοιχείο, όχι ζνηυμο Η ςηματοδότηςη από ινςουλίνη Η δζςμευςή τησ καταλήγει ςε διαςταυροφμενη φωςφορυλίωςη και ξεκινά ο καταρράκτησ ςηματοδότηςησ Κινάςεσ των 3-φωςφοϊνοςιτιδίων

46 Περιοχζσ των υποςτρωμάτων IRS Η δράςη κινάςησ φωςφολιπιδίων

47 Δομή περιοχήσ SH2 Sh2_homologydomain.pse

48 Η πορεία ςηματοδότηςησ από την ινςουλίνη Δράςθ φωςφαταςών για τθν απενεργοποίθςθ Πολλζσ φωςφατάςεσ ενεργοποιοφνται ι ςτρατολογοφνται ωσ μζροσ τθσ αρχικισ απόκριςθσ ςτθν πρόςδεςθ τθσ ινςουλίνθσ.

49 Το παράδειγμα του επιδερμικοφ αυξητικοφ παράγοντα (EGF)

50 Ο διμεριςμόσ του υποδοχζα του EGF Όπωσ και ςτον υποδοχζα ινςουλίνθσ ο υποδοχζασ EGF ενεργοποιείται μετά από διμεριςμό. Ο υποδοχζασ περιλαμβάνει δομικι περιοχι τυροςυλοκινάςθσ που ςυμμετζχουν ςε αντιδράςεισ διαςταυροφμενθσ φωςφορυλίωςθσ. Ωσ ελεφκερα μόρια, βρίςκονται ςε μονομερι κατάςταςθ. Δεςμεφει δφο μόρια EGF. Η κζςθ φωςφορυλίωςθσ διαφορετικι τθσ κθλιάσ ενεργοποίθςθσ. + EGF διμεριςμόσ

51 Ο καταρράκτησ ξεκινά Προςαρμοςτικι πρωτεΐνθ

52 Περιοχζσ SH3 Πρωτεΐνθ πλοφςια ςε προλίνθ, ενεργοποίθςθ. Αναφζρεται και ωσ GEF Δζςμευςθ Ras, ενεργοποίθςθ. Η Ras είναι τφπου μικρι G πρωτεΐνθ

53

54 Ο καταρράκτησ του EGF Η απενεργοποίθςθ επιτυγχάνεται μζςω φωςφαταςών που δρουν ςε διάφορεσ κινάςεσ, αλλά και λόγω τθσ ενδογενοφσ δράςθσ GTPαςθσ τθσ Ras. Η διαδικαςία εγείρεται ουςιαςτικά με τθν ενεργοποίθςθ του υποδοχζα EGF.

55 Μεταγωγή ςήματοσ και αςθζνειεσ Ελαττώματα ςτισ πορείεσ μεταγωγισ ςιματοσ οδθγοφν ςε καρκίνο και άλλεσ αςκζνειεσ. Αςτοχίεσ που ςυνδζονται είτε με τθν ενεργοποίθςθ ι τθν απενεργοποίθςθ ενηφμων κατά τισ πορείεσ μεταγωγισ, μπορεί να οδθγιςουν ςε ανεξζλεγκτο κυτταρικό πολλαπλαςιαςμό. Τποδοχείσ μετάδοςθσ ςιματοσ μπορεί να είναι ςτόχοι μονοκλωνικών αντιςωμάτων, εμποδίηοντασ τθν μεταγωγι ςιματοσ ςε καρκινικά κφτταρα. Κοινά αντικαρκινικά φάρμακα είναι αναςτολείσ των πρωτεϊνικών κιναςών. Η τοξίνθ τθσ χολζρασ τροποποιεί τθν Gas παγιδεφοντασ το μόριο ςε ενεργι κατάςταςθ.

56 Ανάδραςη και διαςφνδεςη Οι μθχανιςμοί ςθματοδότθςθσ περιγράφονται για λόγουσ απλοφςτευςθσ ωσ γραμμικά μονοπάτια. τθν πραγματικότθτα είναι πολφπλοκεσ διαδικαςίεσ. Βρόχοι ανάδραςθσ κακορίηουν τθν ζνταςθ και τθ διάρκεια. Επίςθσ, τα μονοπάτια αλλθλεπιδροφν (cross-talking). Αρνητική Ανάδραςη τθν ανενεργι κατάςταςθ, ομοδιμερι ι ετεροδιμερι του μεταγραφικοφ παράγοντα NF-κB βρίςκονται ςε ςφμπλοκο με πρωτεΐνεσ IκB ςτο κυτταρόπλαςμα. Η ενεργοποίθςθ του υποδοχζα του TNF (ο οποίοσ αποτελείται από τρεισ πολυπεπτιδικζσ αλυςίδεσ) οδθγεί ςτθ ςτρατολόγθςθ πρωτεϊνών-προςαρμοςτών οι οποίεσ ενεργοποιοφν τθν κινάςθ τθσ IκB. Η φωςφορυλίωςθ τθσ IκB τθν κακιςτά ςτόχο για ουβικιτινίωςθ και ςυνεπώσ για αποικοδόμθςθ από το πρωτεάςωμα. Με τον τρόπο αυτό αποδεςμεφεται ο NF-κB, ο οποίοσ μπορεί πλζον να μετατοπιςτεί ςτον πυρινα και να ενεργοποιιςει τθ μεταγραφι των γονιδίων-ςτόχων του, ζνα εκ των οποίων είναι του ΙκΒ. Ωσ ςυνζπεια, καταςτζλλεται η ενεργότητα του NF-κB.

57 Ανάδραςη και διαςφνδεςη τουσ βρόχουσ ανάδραςθσ υπάρχει ζνα κακοδικό ςτοιχείο που είτε καταςτζλλει (αρνθτικι ανάδραςθ) είτε διεγείρει (κετικι ανάδραςθ) ζνα ανοδικό ςτοιχείο του μονοπατιοφ. τθν προωκθτικι ςυνεργειακι δράςθ, ζνα ανοδικό ςτοιχείο ενόσ μονοπατιοφ διεγείρει τόςο τον άμεςο ςτόχο του όςο και ζνα άλλο ςτοιχείο που βρίςκεται πιο κακοδικά. Η διαςφνδεςθ δφο μονοπατιών παρατθρείται όταν ζνα ςτοιχείο ενόσ μονοπατιοφ είτε διεγείρει είτε καταςτζλλει ζνα ςτοιχείο ενόσ άλλου μονοπατιοφ