Ρύθµιση κυτταρικής λειτουργίας Μεταγωγή σήµατος 1
Εισαγωγή Η διαδικασία εξέλιξης των πολυκύτταρων οργανισµών (πρίν 2.5 δις χρόνια) άρχισε πολύ πιο αργά από την ύπαρξη των µονοκύτταρων οργανισµών (πρίν 3.5 δις χρόνια). Τα 1 δις χρόνια ήταν απαραίτητα για την διαδικασία εξέλιξης έτσι ώστε τα κύτταρα να βρούν τρόπους να επικοινωνούν τόσο µεταξύ τους, όσο και µε το περιβάλλον σαν πολυκυτταρικά συστήµατα. 2
Εισαγωγή Σε ένα πολυκύτταρο οργανισµό κάθε κύτταρο είναι προγραµµατισµένο να αντιδρά σε ειδική οµάδα σηµάτων που αποσκοπούν στη ρύθµιση της συµπεριφοράς του κυττάρου και καθορίζουν εάν το κύτταρο θα ζήσει ή θα πεθάνει θα πολλαπλασιασθεί θα µείνει στάσιµο θα διαφοροποιηθεί και πρός ποιά κατεύθυνση 3
Εισαγωγή Απαραίτητα στοιχεία του τρόπου επικοινωνίας (ρύθµισης της λειτουργίας) των κυττάρων σε πολυκυτταρικά συστήµατα είναι η δηµιουργία κοινής γλώσσας. Τα στοιχεία επικοινωνίας είναι χηµικά ή ηλεκτρικά και µεταφράζονται είτε στο επίπεδο της πλασµατικής µεµβράνης είτε στο εσωτερικό του κυττάρου. Η εκτέλεση των εντολών γίνεται µέσα στο κυτταρόπλασµα και το µήνυµα µεταφέρεται στον πυρήνα όπου µέσω επαγωγής της έκφρασης συγκεκριµένων γονιδίων (πρωτείνη) το κύτταρο αποκρίνεται στο εξωτερικό ερέθισµα. 4
Χαρακτηριστικά του σήµατος Κάθε πολυκύτταρος οργανισµός δέχεται συνεχώς πληθώρα διαφορετικών σηµάτων που είναι η απαραίτητη προϋπόθεση για την εξασφάλιση της επικοινωνίας και της προσαρµογής του στις συνεχώς µεταβαλλόµενες περιβαλλοντολογικές συνθήκες διατηρώντας συγχρόνως την οµοιοστασία του. Τα σήµατα είναι µικρής έντασης και έχουν τη δυνατότητα ταχείας ποσοτικής αλλαγής (τάξεις µεγέθους). Αποκλίσεις ή αδυναµία ανταπόκρισης οδηγεί σε παθολογικές καταστάσεις. 5
Βασική ορολογία Υποδοχέας (receptor) Πρόσδεµα (ligand) Ενίσχυση σήµατος (amplification) Εξασθένηση σήµατος (attenuation) Άµβλυνση σήµατος-µειορύθµιση (down-regulation) 6
Στοιχεία του συστήµατος µεταγωγής σήµατος Φύση του σήµατος Φύση των στοιχείων λήψης και διαβίβασης του σήµατος ότης - δέκτης σήµατος Βασικές αρχές µεταγωγής σήµατος 7
Γενική επισκόπηση των στοιχείων του συστήµατος µεταγωγής σήµατος ότης - δέκτης σήµατος Παρακρινικό-τοπικό (µονο- και πολυκύτταροι οργανισµοί) Αυτοκρινικό (οµάδα ιδίων κυττάρων παράγει σήµα πρός ιδίαν χρήση µε σκοπό την αυτορύθµιση) Ενδοκρινικό-σε απόσταση (µέσω της κυκλοφορίας των σωµατικών υγρών-αίµα, λέµφος- ή του περιβάλλοντος µέσου) Φύση του σήµατος Χηµικό (ορµόνες, πεπτίδια, µεταβολίτες, CO, NO) Ηλεκτρικό (µεταφορά και µετατροπή σε χηµικό) Ενεργειακό (φωτόνιο που µετατρέπεται σε χηµικό και ηλεκτρικό) Φύση των στοιχείων λήψης και διαβίβασης του σήµατος Ενδοκυτταρική είσοδος του σήµατος Αλληλεπίδραση ενδοκυτταρικά και µεταφορά σήµατος στον πυρήνα (µικρά υδρόφοβα µόρια (στεροειδή, θυροειδικές ορµόνες, ρετινοειδή) εισέρχονται στο κυτταρόπλασµα και αλληλεπιδρούν µε ειδικούς υποδοχείς που µεταφέρονται σαν σύµπλεγµα στον πυρήνα Αλληλεπιδράσεις στο κυτταρόπλασµα έλεγχος της µετάφρασης(µεταφραστική ρύθµιση και µετα- µεταφραστική ρύθµιση) ιακυτταρικά στοιχεία ιαµεµβρανική αλληλεπίδραση (µέσω διαµεµβρανικών επαφών και εξωκυτταρικών στοιχείων µε µεµβρανικά δοµικά στοιχεία) Μεταφορά µικρών χηµικών σηµάτων (ασβέστιο, camp) µέσω χασµοσυνδέσµων (gap junctions) Μεµβρανικών επαφών (διάχυση του αερίου ΝΟ, CO) Μεµβρανικά στοιχεία (υποδοχείς λήψης και µετάδοσης του σήµατος) Υποδοχείς που συνδέονται µε κανάλια ιόντων Υποδοχείς που συνδέονται µε G-πρωτείνες Υποδοχείς µε ενζυµικές ενεργότητες (ενδογενείς ή µέσω αλληλεπιδράσεων) Ενδοκύτωση µέσω υποδοχέων (receptor mediated endocytosis) 8
Παρακρινικό Τοπική έκκριση ότης - δέκτης σήµατος Αυτοκρινικό Κύτταρα παράγουν ενδοκυτταρικά σήµατα πρός ιδίαν χρήση µε σκοπό την αυτορύθµιση Ενδοκρινικό Μεταφορά σήµατος σε απόσταση µέσω της κυκλοφορίας των σωµατικών υγρών - αίµα, λέµφος - ή του περιβάλλοντος µέσου Παρακρινικό Μεµβρανική επαφή Αυτοκρινικό Κύτταρα παράγουν και αυτοεκκρίνουν σήµατα πρός ιδίαν χρήση µε σκοπό την αυτορύθµιση 9
ότης - δέκτης σήµατος Αρχή της συνδυασµένης µετάδοσης σήµατος Το ίδιο κύτταρο ανταποκρίνεται ανάλογα µε τον συνδυασµό σηµάτων που δέχεται 10
ότης - δέκτης σήµατος Ακετυλοχολίνη Κύτταρα σκελετικού µυ Κύτταρα καρδιακού µυ Εκκριτικά κύτταρα Συστολή Χαλάρωση Έκκριση Το ίδιο σήµα µπορεί να επάγει διαφορετικές αντιδράσεις σε διαφορετικούς τύπους κυττάρων -στόχων 11
Φύση του σήµατος Ηλεκτρικό µεταφορά και µετατροπή σε χηµικό Ενέργεια-φωτόνια µετατροπή σε χηµικό ή ηλεκτρικό Χηµικό (µεγάλη ετερογένεια ) Ορµόνες Πεπτίδια Μεταβολίτες (αµινοξέα, CO, NO) Το χηµικό σήµα έχει µεγάλο ρυθµό ανακύκλωσης (turnover) και µε το τρόπο αυτό το κύτταρο µπορεί να ρυθµίζει τη συγκέντρωσή του µε µεγάλη ταχύτητα και ευελιξία. 12
Γενική επισκόπηση των στοιχείων του συστήµατος µεταγωγής σήµατος ότης - δέκτης σήµατος Φύση του σήµατος Φύση των στοιχείων λήψης και διαβίβασης του σήµατος Ενδοκυτταρική είσοδος του σήµατος Αλληλεπίδραση ενδοκυτταρικά και µεταφορά σήµατος στον πυρήνα (µικρά υδρόφοβα µόρια (στεροειδή, θυροειδικές ορµόνες, ρετινοειδή) εισέρχονται στο κυτταρόπλασµα και αλληλεπιδρούν µε ειδικούς υποδοχείς που µεταφέρονται σαν σύµπλεγµα στον πυρήνα Αλληλεπιδράσεις στο κυτταρόπλασµα έλεγχος της µετάφρασης(µεταφραστική ρύθµιση και µετα-µεταφραστική ρύθµιση) ιακυτταρικά στοιχεία ιαµεµβρανική αλληλεπίδραση (µέσω διαµεµβρανικών επαφών και εξωκυτταρικών στοιχείων µε µεµβρανικά δοµικά στοιχεία) Μεταφορά µικρών χηµικών σηµάτων (ασβέστιο, camp) µέσω χασµοσυνδέσµων (gap junctions) Μεµβρανικών επαφών (διάχυση του αερίου ΝΟ, CO) Μεµβρανικά στοιχεία (υποδοχείς λήψης και µετάδοσης του σήµατος) Υποδοχείς που συνδέονται µε κανάλια ιόντων Υποδοχείς που συνδέονται µε G-πρωτείνες Υποδοχείς µε ενζυµικές ενεργότητες (ενδογενείς ή µέσω αλληλεπιδράσεων) Ενδοκύτωση µέσω υποδοχέων (receptor mediated endocytosis) 13
Φύση των στοιχείων λήψης και διαβίβασης του σήµατος Ενδοκυτταρική είσοδος και διαβίβαση του σήµατος Mικρά υδρόφοβα µόρια όπως στεροειδή, θυροειδικές ορµόνες, ρετινοειδή και βιταµίνη D εισέρχονται στο κυτταρόπλασµα. Αλληλεπιδρούν µε ειδικούς κυτταροπλασµατικούς υποδοχείς που µεταφέρονται σαν σύµπλεγµα στον πυρήνα σε ενεργοποιηµένη µορφή. Σε αρκετές περιπτώσεις ο υποδοχέας βρίσκεται στον πυρήνα και ενεργοποιείται εκεί από το σήµα. 14
Φύση των στοιχείων λήψης και διαβίβασης του σήµατος Ενδοκυτταρική είσοδος και διαβίβαση του σήµατος Στον πυρήνα ο ενεργοποιηµένος υποδοχέας αλληλεπιδρά µε το DNA (χρωµατίνη ) ευτερογενής απόκριση: είναι η ενεργοποίηση - απενεργοποίηση µεγαλύτερου αριθµού γονιδίων από τα γονιδιακά προιόντα-πρωτείνες-της πρωτογενούς απόκρισης Πρωτογενής απόκριση: είναι η ενεργοποίηση µικρού αριθµού ειδικών γονιδίων 15
Φύση των στοιχείων λήψης και διαβίβασης του σήµατος Ενδοκυτταρική είσοδος και διαβίβαση του σήµατος Οι ενδοκυτταρικοί υποδοχείς ανήκουν σε µια υπεροικογένεια µε κοινά δοµικά χαρακτηριστικά 16
Φύση των στοιχείων λήψης και διαβίβασης του σήµατος ιακυτταρική επικοινωνία Στο επίπεδο της κυτταροπλασµατικής µεµβράνης είτε µεταξύ κυττάρων είτε µεταξύ κυττάρου και εξωκυττάριας ουσίας (extracellular matrix) 17
Φύση των στοιχείων λήψης και διαβίβασης του σήµατος ιακυτταρική επικοινωνία Μεταφορά µικρών χηµικών σηµάτων µέσω χασµοδεσµών 18
Φύση των στοιχείων λήψης και διαβίβασης του σήµατος Μεµβρανικοί υποδοχείς ιάχυση του σήµατος µέσω µεµβρανικών υποδοχέων που είναι συνδεδεµένοι µε κανάλια ιόντων Ca 2+ 19
Φύση των στοιχείων λήψης και διαβίβασης του σήµατος Μεµβρανικοί υποδοχείς ιάχυση του σήµατος µέσω µεµβρανικών υποδοχέων που αλληλεπιδρούν µε G-πρωτείνες Ένζυµο ή κανάλι ιόντων L L R G-πρωτείνη G-πρωτείνη Ενεργοποιηµένη GTP -> GMP Ενεργοποίηση ενζύµου ή καναλιού ιόντων 20
Φύση των στοιχείων λήψης και διαβίβασης του σήµατος Μεµβρανικοί υποδοχείς ιάχυση του σήµατος µέσω µεµβρανικών υποδοχέων που φέρουν ενζυµική ενεργότητα L R R Ενεργοποίηση της περιοχής του υποδοχέµα µε ενζυµική ενεργότητα 21
Φύση των στοιχείων λήψης και διαβίβασης του σήµατος οµικά στοιχεία µεµβρανικών υποδοχέων Μεµβράνη 22
Φύση των στοιχείων λήψης και διαβίβασης του σήµατος Η δοµική πολυπλοκότητα των υποδοχέων που έχουν ενζυµική ενεργότητα βασίζεται στη συνδιασµένη χρήση δοµικών µοτίβων οµικό στοιχείο αναγνώρισης FnIII οµικό µοτίβο πλούσιο σε Cys οµικό µοτίβο αναγνώριση ανοσοσφαιρινών Μεµβράνη Καταλυτική περιοχή 23
Λειτουργία υποδοχέων τύπου κινασών της τυροσίνης 24
Μετάδοση σήµατος µέσω πρωτεινικής κινάσης Α 25
Ενίσχυση σήµατος 26
Πρόσφατα Ανακαλύφθηκε ότι η απόκριση του κυττάρου σε διάφορα σήµατα ρυθµίζεται, σε σηµαντικό βαθµό, όχι µόνο σε επίπεδο γονιδιακής έκφρασης (µεταγραφή) αλλά και σε επίπεδο ρύθµισης της µετάφρασης. 27
Τρέχουσα κατάσταση Η µεγάλη πρόκληση στη περαιτέρω διευκρίνιση του φαινοµένου της µεταγωγής σήµατος υποστηρίζεται σηµαντικά από την ανάπτυξη µοντέρνων τεχνολογιών. Οι νέες τεχνολογίες, που εν µέρει αναφέρθηκαν σε προηγούµενες εισηγήσεις, έχουν υψηλή διακριτικότητα, υψηλή ευαισθησία, δυνατότητα παράλληλης και πολλαπλής άντλησης πληροφορίας και βέβαια δυνατότητα πολλαπλού συσχετισµού. Η γονιδιωµατική άνοιξε πρώτη το µεγάλο χορό λόγω τεχνικής ευκολίας που διευρύνθηκε µε την πρωτεοµική, την δοµική γονιδιωµατική και την λειτουργική γονιδιωµατική. Πρόσφατα σύρθηκαν στο χορό και η glycomics και lipidomics και προσωπικά εκτιµώ οτι πρέπει να αναµένουµε µεγάλες εκπλήξεις Οι ρυθµοί αύξησης των αναµενόµενων αποτελεσµάτων µάλλον θα ακολουθήσουν το γνωστό σε εµάς πρότυπο syrtaki 28
Απλό νευρωνικό σύστηµα vs βιολογικό σύστηµα µεταγωγής σήµατος Εισερχόµενο σήµα Εισερχόµενο βιολογικό σήµα Επίπεδο εισόδου Ενδιάµεσο επίπεδο Αποδέκτης 1 Αποδέκτης 2 Επίπεδο εξόδου Εκτελεστής Εξερχόµενο αποτέλεσµα Εξερχόµενο βιολογικό αποτέλεσµα Η λειτουργία των βιολογικών δικτύων µεταγωγής σήµατος µοιάζει µε πολύπλοκα νευρωνικά δίκτυα τα οποία έχουν εκπαιδευτεί από την εξέλιξη και όχι από ΗΥ 29
Τελειώνοντας.. 30