Το μονοπάτι της κινάσης MAP- ERK

Transcript

1 Το μονοπάτι της κινάσης MAP- ERK 1

2 Σηματοδότηση μέσω μικρών GTPασών Η οικογένεια μορίων Ras (Rat Sarcoma virus)

3 Ρύθμιση των πρωτεϊνών Ras Οι πρωτεΐνες Ras μετατρέπονται από την ανενεργή μορφή τους, που είναι συνδεδεμένη με GDP, στην ενεργή μορφή τους, που είναι συνδεδεμένη με GTP με αντιστρεπτό τρόπο.

4 Ras Ran: Εισαγωγή/εξαγωγή πρωτεϊνών του πυρήνα Rab: Διακίνηση κυστιδίων Rho: Οργάνωση του κυτταροσκελετού Rheb: Σηματοδότηση mtor

5 Το Ras είναι πρωτο-ογκογονίδιο Ο ρόλος των μεταλλάξων που ενεργοποιούν το μονοπάτι Ras οδηγούν στον καρκίνο

6 Ο μηχανισμός ενεργοποίησης της κινάσης Ras Το σύμπλοκο της Grb2 με τον παράγοντα ανταλλαγής νουκλεοτιδίων γουανίνης Sos προσδένεται, μέσω της επικράτειας SH2 της Grb2, στον ενεργοποιημένο υποδοχέα σε μια θέση πρόσδεσης που περιέχει μια φωσφοτυροσίνη. Αποτέλεσμα αυτής της αλληλεπίδρασης είναι η στρατολόγηση του παράγοντα Sos στην κυτταροπλασματική μεμβράνη, όπου μπορεί να διεγείρει την ανταλλαγή του GDP της Ras με GTP. Στη συνέχεια, το ενεργοποιημένο σύμπλοκο Ras-GTP αλληλεπιδρά με την πρωτεϊνική κινάση Raf.

7 Το μονοπάτι της κινάσης MAP- ERK Η διέγερση υποδοχέων αυξητικών παραγόντων οδηγεί στην ενεργοποίηση της μικρής πρωτεΐνης που δεσμεύει GTP Ras, η οποία αλληλεπιδρά με την πρωτεϊνική κινάση Raf. Η ενεργοποιημένη Raf με τη σειρά της φωσφορυλιώνει και ενεργοποιεί τη MEK, μια πρωτεϊνική κινάση με διπλή ειδικότητα που ενεργοποιεί την ERK φωσφορυλιώνοντας θρεονίνες και τυροσίνες. 7 Η ERK στη συνέχεια φωσφορυλιώνει διάφορες πυρηνικές και κυτταροπλασματικές πρωτεΐνες-στόχους.

8 Επαγωγή πρώιμων γονιδίων από την ERK Η αρχική απόκριση μετά την διέγερση από κάποιο αυξητικο παράγοντα ειναι η επαγωγη της οικογένειας των πρώϊμων γονιδίων (immediate-early genes) Η ενεργοποιημένη ERK μετατοπίζεται στον πυρήνα, όπου φωσφορυλιώνει τον μεταγραφικό παράγοντα Elk-1. Ο Elk-1, σε σύμπλοκο με τον παράγοντα απόκρισης στον ορό (SRF), προσδένεται στο στοιχείο απόκρισης στον ορό (SRE). Η φωσφορυλίωση ενεργοποιεί τον θετικό μεταγραφικό παράγοντα Elk-1, προκαλώντας την επαγωγή των πρώιμων γονιδίων.

9 Μονοπάτια ενεργοποίησης κινασών MAP σε κύτταρα θηλαστικών Εκτός από την ERK, τα κύτταρα των θηλαστικών διαθέτουν τις κινάσες MAP JNK και p38. Η ενεργοποίηση των κινασών JNK και p38 προκαλείται από μέλη της υποοικογένειας Rho (Rac, Rho και Cdc42), οι οποίες πυροδοτούν καταρράκτες πρωτεϊνικών κινασών ανάλογους με αυτόν που οδηγεί στην ενεργοποίηση της ERK. Οι καταρράκτες πρωτεϊνικών κινασών που οδηγούν στην ενεργοποίηση των JNK και p38 φαίνεται ότι ενεργοποιούνται ειδικά από κυτταροκίνες της φλεγμονής ή από κυτταρικό στρες και συχνά έχουν ως αποτέλεσμα την επαγωγή φλεγμονής ή/και κυτταρικού θανάτου.

10 Οργάνωση των στοιχείων του σηματοδοτικού μονοπατιού της κινάσης ERK από μια πρωτεΐνη-σκαλωσιά. Η πρωτεΐνη-σκαλωσιά KSR λειτουργεί ως πλατφόρμα στην οποία προσδένονται οι κινάσες Raf, MEK και ERK. Με τον τρόπο αυτό τα στοιχεία του μονοπατιού της κινάσης ERK οργανώνονται σε μια συστοιχία, ώστε να διευκολύνεται η αλληλεπίδρασή τους. Έτσι αυξάνεται η αποτελεσματικότητα της σηματοδότησης και καθορίζεται η ειδικότητα της δράσης του συγκεκριμένου καταρράκτη.

11 Υποδοχείς Κυτταροκινών

12 Το μονοπάτι JAK/STAT Οι πρωτεΐνες STAT είναι μεταγραφικοί παράγοντες που διαθέτουν επικράτειες SH2, μέσω των οποίων οι STAT δεσμεύονται σε θέσεις πρόσδεσης που περιέχουν φωσφοτυροσίνη. Η διέγερση υποδοχέων κυτταροκινών οδηγεί στην πρόσδεση των πρωτεϊνών STAT στους υποδοχείς, όπου φωσφορυλιώνονται από πρωτεϊνικές κινάσες τυροσίνης JAK που είναι επίσης συνδεδεμένες με τον υποδοχέα. Στη συνέχεια, οι φωσφορυλιωμένες πρωτεΐνες STAT διμερίζονται και μετατοπίζονται στον πυρήνα, όπου ενεργοποιούν τη μεταγραφή γονιδίων-στόχων. Οι πρωτεϊνες STAT μπορούν να ενεργοποιηθούν και από υποδοχείς-κινάσες τυροσίνης

13 Ενεργοποίηση του σηματοδοτικού μονοπατιού του NFκB από τον υποδοχέα του TNF. Στην ανενεργή κατάσταση, ομοδιμερή ή ετεροδιμερή του μεταγραφικού παράγοντα NF-κB βρίσκονται σε σύμπλοκο με πρωτεΐνες IκB στο κυτταρόπλασμα. Η ενεργοποίηση του υποδοχέα του TNF (ο οποίος αποτελείται από τρεις πολυπεπτιδικές αλυσίδες) οδηγεί στη στρατολόγηση πρωτεϊνών-προσαρμοστών οι οποίες ενεργοποιούν την κινάση της IκB. Η φωσφορυλίωση της IκB την καθιστά στόχο για ουβικιτινίωση και συνεπώς για αποικοδόμηση από το πρωτεάσωμα. Με τον τρόπο αυτό αποδεσμεύεται ο NF-κB, ο οποίος μπορεί πλέον να μετατοπιστεί στον πυρήνα και να ενεργοποιήσει τη μεταγραφή των γονιδίωνστόχων του.

14 Το μονοπάτι του TGF-β

15 Τα μονοπάτια σηματοδότησης της υπεροικογένειας TGF-β

16 Σηματοδότηση από υποδοχείς του TGF-β: Οι υποδοχείς του TGF-β είναι ετεροδιμερή των πολυπεπτιδίων τύπου I και τύπου II. Ο υποδοχέας τύπου II φωσφορυλιώνει και ενεργοποιεί το πολυπεπτίδιο τύπου I, το οποίο στη συνέχεια φωσφορυλιώνει μια πρωτεΐνη Smad. Οι φωσφορυλιωμένες Smad σχηματίζουν σύμπλοκα και μετατοπίζονται στον πυρήνα, όπου ενεργοποιούν τη μεταγραφή των γονιδίων-στόχων.

17 Η ενεργοποίηση μέσω BMPs 2 και 4 (Bone Morphogenetic Proteins) συμβάλλει στην καρδιογένεση

18 Η ενεργοποίηση μέσω BMPs 2 και 4 (Bone Morphogenetic Proteins) συμβάλλει στην καρδιογένεση Τα BMP είναι απαιτούμενα μόρια σηματοδότησης για να προκαλέσουν την επαγωγή καρδιογενών κυττάρων που προέρχονται από κύτταρα του μεσοδέρματος και που εκφράζουν ΒΜΡ υποδοχείς στην επιφάνειά τους' Οι ΒΜΡ2 και BMP4 φαίνεται να είναι οι μόνες ισομορφές BMP πρωτεινών ικανες για την επαγωγή και το σχηματισμό των καρδιογενών κυττάρων. Αυτοι οι BMPs παράγονται και εκκρίνονται από τα κύτταρα ενδοδέρματος. Δεσμεύονται και ενεργοποιούν τους ΒΜΡ υποδοχείς στην επιφάνεια των προγονικών κυττάρων της καρδιάς και ενεργοποιούν κατάλληλα μονοπάτια μεταγωγής σήματος. Η σηματοδότηση μέσω ΒΜΡ2/4 έχει αποδειχθεί όχι μόνο ότι παίζει σημαντικό ρόλο σε αυτές τις πρώτες βαθμίδες της καρδιογενούς επαγωγής, αλλά είναι απαραίτητη για τη διατήρηση του καρδιογενούς δυναμικού, έως ότου άλλα σήματατα αργότερα επιδράσουν για να ολοκληρώσουν τη διαφοροποίησή τους σε καρδιομυοκύτταρα.

19 ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ ΑΠΟ ΥΠΟΔΟΧΕΙΣ ΠΟΥ ΔΕΝ ΣΥΝΔΕΟΝΤΑΙ ΜΕ ΕΝΕΡΓΟΤΗΤΑ ΚΙΝΑΣΗΣ Αυτά τα μονοπάτια δεν χρησιμοποιούν κινάσες για τη μεταγωγή σημάτων. Αντ 'αυτού, δρουν αναστέλλοντας είτε α) την αποικοδόμηση κάποιου ενεργοποιητή της μεταγραφης όπως στην περίπτωση της μεταγωγής σήματος Wnt, ή τη μετατροπή ενός ενεργοποιητή της μεταγραφης σε αναστολέα της μεταγραφής, όπως στην περίπτωση της μεταγωγής σήματος Hedgehog. Η σηματοδότηση Notch, μεταδίδει σήματα κυτταρικής επιφάνειας προς τον πυρήνα μέσω πρωτεολυτικής διάσπασης ενός ενδοκυτταρικού σηματοδοτικού μορίου που θα δώσει ένα πεπτίδιο το οποίο ενεργοποιεί την Notch-εξαρτώμενη μεταγραφή εκτοπίζοντας μεταγραφικούς καταστολείς.

20 Το σηματοδοτικό μονοπάτι Hedgehog Απουσία προσδέτη, ο υποδοχέας της Hedgehog (Patched) δρα κατασταλτικά στην πρωτεΐνη Smoothened, με αποτέλεσμα να επιτρέπεται η φωσφορυλίωση των μεταγραφικών παραγόντων Ci/Gli από την πρωτεϊνική κινάση A (PKA), την κινάση της κασεΐνης 1 (CK1) και την κινάση της συνθάσης του γλυκογόνου 3 (GSK-3). Κατόπιν, οι φωσφορυλιωμένες πρωτεΐνες Ci/Gli υφίστανται ουβικιτινίωση και είτε αποικοδομούνται είτε κόβονται σε τμήματα τα οποία δρουν ως καταστολείς. Η πρόσδεση του πολυπεπτιδίου Hedgehog στον υποδοχέα της Patched προκαλεί την απενεργοποίησή του, με αποτέλεσμα να μην απενεργοποιείται η Smoothened, η οποία με τη σειρά της εμποδίζει τη φωσφορυλίωση και την αποικοδόμηση των πρωτεϊνών Ci/Gli. Στη συνέχεια, οι Ci/Gli μετατοπίζονται στον πυρήνα και ενεργοποιούν τη μεταγραφή των γονιδίων-στόχων τους.

21 Η σηματοδότηση Hedgehog προωθεί τον πολλαπλασιασμό των κυττάρων ενω η υπερβολική σηματοδότηση Hedgehog μπορεί να οδηγήσει σε καρκίνο. Μεταλλάξεις που οδηγούν σε αδρανοποίηση ενός από τα δύο ανθρώπινα γονίδια Patched και οι οποίες οδηγούν σε υπερβολική σηματοδότηση Hedgehog, συμβαίνουν συχνά στο βασικοκυτταρικό καρκίνωμα του δέρματος. Ένα μικρό μόριο που ονομάζεται κυκλοπαμίνη (cyclopamine) και παρασκευάζεται από ένα είδος κρίνου, χρησιμοποιείται για τη θεραπεία καρκίνων που σχετίζονται με την υπερβολική σηματοδότηση hedgehog. Η αναστολή της σηματοδότηση επιτυγχάνεται μέσω σύνδεσης της κυκλοπαμίνης στο Smoothened αναστέλλοντας έτσι τη δράση του. Αρχικά είχε εντοπιστεί, διότι προκαλεί σοβαρές αναπτυξιακές ανωμαλίες σε έμβρυα προβάτων που βόσκουν σε αγρούς με τέτοιες κρίνα. Αυτές περιλαμβάνουν την παρουσία ενός μόνο κεντρικού ματιού (μια κατάσταση που ονομάζεται κυκλωπία),

22 Το σηματοδοτικό μονοπάτι Wnt Απουσία πολυπεπτιδίων Wnt, η β-κατενίνη φωσφορυλιώνεται από ένα σύμπλοκο της κινάσης της καζεΐνης 1 (CK1) και της GSK-3 με τις πρωτεΐνες αξίνη και APC, με αποτέλεσμα να αποικοδομείται. Τα πολυπεπτίδια Wnt προσδένονται στους υποδοχείς Frizzled και LRP, προκαλώντας τη φωσφορυλίωση των Dishevelled και LRP. Η φωσφορυλίωση δημιουργεί θέσεις πρόσδεσης για την αξίνη. Η αλληλεπίδραση της αξίνης στις θέσεις αυτές προκαλεί την αποσταθεροποίηση του συμπλόκου αξίνης/apc/ CK1/ GSK-3, με αποτέλεσμα να μην αποικοδομείται η β-κατενίνη, η οποία συσσωρεύεται και μετατοπίζεται στον πυρήνα. Εκεί, η β-κατενίνη σχηματίζει σύμπλοκο με μεταγραφικούς παράγοντες Tcf, μετατρέποντάς τους από καταστολείς σε ενεργοποιητές των γονιδίωνστόχων τους.

23 Το σηματοδοτικό μονοπάτι Notch Η Notch λειτουργεί ως υποδοχέας άλλων διαμεμβρανικών πρωτεϊνών (π.χ. της Delta) οι οποίες εντοπίζονται στην επιφάνεια γειτονικών κυττάρων. Επομένως, η Notch ευθύνεται για την άμεση διακυτταρική σηματοδότηση. Άρα εδω το Notch ΔΕΝ είναι το σήμα! Η πρόσδεση της Delta επάγει την πρωτεολυτική αποκοπή της Notch από τη γ-σεκρετάση (γsecretase). Η αποκοπή απελευθερώνει την ενδοκυτταρική επικράτεια της Notch, η οποία μετατοπίζεται στον πυρήνα και αλληλεπιδρά με τον μεταγραφικό παράγοντα CSL, επάγοντας τη γονιδιακή έκφραση.

24

25

26 Το σηματοδοτικό μονοπάτι των ιντεγκρινών.

27 Πρόσδεση των ινιδίων απόκρισης σε μηχανικό στρες στις εστιακές προσφύσεις. Εστιακές προσφύσεις σχηματίζονται μέσω της πρόσδεσης ιντεγκρινών σε πρωτεΐνες του εξωκυτταρικού στρώματος. Ινίδια απόκρισης σε μηχανικό στρες (δεμάτια ινιδίων ακτίνης που διασυνδέονται μέσω της α-ακτινίνης) προσδένονται στη συνέχεια στην κυτταροπλασματική επικράτεια των ιντεγκρινών μέσω σύνθετων συνδέσεων που απαιτούν τη συμμετοχή ενός αριθμού πρωτεϊνών. Στην εικόνα φαίνονται δύο από τις συνδέσεις που μπορεί να γίνουν: (1) πρόσδεση της ταλίνης τόσο στην ιντεγκρίνη όσο και στη βινκουλίνη και πρόσδεση του συμπλόκου 2 ταλίνης και βινκουλίνης στην ακτίνη και (2) πρόσδεση της ιντεγκρίνης στην α-ακτινίνη.

28 Το σηματοδοτικό μονοπάτι των ιντεγκρινών. Η πρόσδεση ιντεγκρινών στο εξωκυτταρικό στρώμα οδηγεί στη δημιουργία συμπλόκων επιφέροντας την ενεργοποίηση της FAK μέσω αυτοφωσφορυλίωσης. Στη συνέχεια, η κινάση Src προσδένεται στη θέση αυτοφωσφορυλίωσης της FAK και φωσφορυλιώνει επιπρόσθετες τυροσίνες της FAK. Οι φωσφοτυροσίνες της FAK λειτουργούν ως θέσεις πρόσδεσης για διάφορα καθοδικά σηματοδοτικά μόρια, μεταξύ των οποίων είναι το σύμπλοκο Grb2-Sos, το οποίο οδηγεί στην ενεργοποίηση της Ras, η κινάση PI 3 και η φωσφολιπάση C-γ.

29 ΔΙΚΤΥΑ ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗΣ

30 Καταστολή του μονοπατιού του NF-κB με αρνητική ανάδραση. Ο NF-κB ενεργοποιείται ως αποτέλεσμα φωσφορυλίωσης και αποικοδόμησης του IκB. Στη συνέχεια, ο NF-κB μπορεί να μετατοπιστεί στον πυρήνα και να ενεργοποιήσει τη μεταγραφή γονιδίων-στόχων. Ένα από τα γονίδια που ενεργοποιείται από τον NF-κB κωδικοποιεί τον παράγοντα IκB, ο οποίος καταστέλλει την ενεργότητα του NFκB, δημιουργώντας έναν βρόχο αρνητικής ανάδρασης.

31 Διασύνδεση ενός μονοπατιού υποδοχέων συνδεδεμένων με πρωτεΐνες G με το σηματοδοτικό μονοπάτι της κινάσης ERK. Η δέσμευση προσδέτη διεγείρει συνδεδεμένους με πρωτεΐνες G υποδοχείς, προκαλώντας την ενεργοποίηση τριμερών πρωτεϊνών G. Η ενεργότητα των υποδοχέων διακόπτεται ως αποτέλεσμα της φωσφορυλίωσης από τις GRK και της σύνδεσης της β-αρρεστίνης με τους φωσφορυλιωμένους υποδοχείς. Η β-αρρεστίνη δρα επίσης ως σκαλωσιά για τις Raf, MEK και ERK, αποτελώντας έτσι έναν συνδετικό κρίκο της δράσης των συνδεδεμένων με πρωτεΐνες G υποδοχέων με το σηματοδοτικό μονοπάτι της ERK.

32 Σύγκλιση διαφορετικών σηματοδοτικών μονοπατιών

33 Στοιχεία των δικτύων σηματοδότησης Στους βρόχους ανάδρασης υπάρχει ένα καθοδικό στοιχείο που είτε καταστέλλει (αρνητική ανάδραση) είτε διεγείρει (θετική ανάδραση) ένα ανοδικό στοιχείο του μονοπατιού. Στην προωθητική συνεργειακή δράση, ένα ανοδικό στοιχείο ενός μονοπατιού διεγείρει τόσο τον άμεσο στόχο του όσο και ένα άλλο στοιχείο που βρίσκεται πιο καθοδικά. Η διασύνδεση δύο μονοπατιών παρατηρείται όταν ένα στοιχείο ενός μονοπατιού είτε διεγείρει είτε καταστέλλει ένα στοιχείο ενός άλλου μονοπατιού.

34 Παραδείγματα συνέργειας σηματοδοτικών μονοπατιών

35 Ένα δίκτυο γονιδιακής ρύθμισης Το δίκτυο περιλαμβάνει όλα τα ρυθμιστικά γονίδια που απαιτούνται για την ανάπτυξη των εμβρυϊκών κυττάρων του αχινού τα οποία διαφοροποιούνται σε σκελετικά κύτταρα

36

37 Συνέργεια πολλών σηματοδοτικών μονοπατιών που οδηγούν στη δημιουργία καρδιακών βαλβίδων μετά από διαφοροποίηση