Biology | Genetics » Dr. Tóth Sára - A sejtműködés szabályozása

A sejtműködés szabályozása: receptorok és jelátvitel 2005. november 14 Dr. Tóth Sára egyetemi docens Genetikai, Sejt- és Immunbiológiai Intézet Semmelweis Egyetem Általános Orvostudományi Kar Egyetlen sejt sem különálló, izolált sziget Növekedési faktorok Hormonok Neurotranszmitterek Morfogének Illatanyagok Feromonok Ionok Gyógyszerek Vegyszerek Nehézfémek Citoszol Sejtmag Fény Hőmérséklet Nyomás Sugárzás Egyetlen sejt sem különálló, izolált sziget Minden sejt FOLYAMATOSAN és EGYIDEJŰLEG REAGÁL a külső és belső környezetből érkező jelekre. Sejtmembrán Citoplazma Recepció = jelfogás Jelátvitel Másodlagos hírvivők Hormon vagy környezeti stimulus létrehozása Receptor Válasz Sejtválaszok aktiválása A kémiai jelátvitel típusai juxtakrin autokrin parakrin Szignál forrás = szignál = receptor endokrin ENDOKRIN JELÁTVITEL Az endokrin mirigy által termelt hormon a vérárammal jut el a

célsejtekhez Példa: a pancreas β sejtjei által termelt inzulin a véráram útján jut el távoli izom, zsír illetve májsejtekbe, ahol majd kifejti hatását (Alberts és mtsai.: Molecular Biology of the Cell, 2002 nyomán) PARAKRIN JELÁTVITEL A szignál molekulák csak a szekréciós sejt közelében lévő célsejtre hatnak Példa: a pancreas által termelt szomatosztatin lokálisan hat (Alberts és mtsai.: Molecular Biology of the Cell, 2002 nyomán) AUTOKRIN JELÁTVITEL A sejtek olyan anyagokra reagálnak, melyeket ők maguk termelnek Példa: néhány neurotranszmitter és növekedési faktor az őket termelő sejthez kötődik. (Alberts és mtsai.: Molecular Biology of the Cell, 2002 nyomán) JUXTAKRIN JELÁTVITEL Membránkötött fehérjék kölcsönhatása válthatja ki Példa: az immunrendszerben a T sejtek általi szignalizáció (Alberts és mtsai.: Molecular Biology of the Cell, 2002 nyomán) LIGAND = szignál molekula (pl. hormon,feromon,

neurotranszmitter, ion, gyógyszer) A ligand specifikusan kötődik egy jelfogó = RECEPTOR molekulához a sejtmembránon vagy a sejt belsejében A szignál kémiai természete meghatározza a receptorral való celluláris kölcsönhatás módját H Hidrofilek (polárosak) neurotranszmitterek, peptid hormonok, neuropeptidek, növekedési faktorok, citokinek, interleukinok, ECM komponensek, sejtadhéziós molekulák H Hidrofóbok (nem polárosak) szteroid hormonok pajzsmirigy hormonok retinoidok zsírsavak RECEPTORCSALÁDOK: Sejtmembrán receptorok A hidrofil ligandok a sejtfelszíni plazmamembrán receptorokhoz kötődnek. receptor sejtmembrán hidrofil szignál molekula Intracelluláris receptorok A hidrofób ligandok átdiffundálnak a plazmamembránon és a citoplazmában vagy a sejtmagban lévő intracelluláris receptorokhoz kötődnek kis hidrofób szignál molekula receptor hordozó fehérje sejtmag A RECEPTOROK MINDIG FEHÉRJÉK KÉT FUNKCIÓS RÉSSZEL

1. Ligandkötő domain ⇒ jelfogás 2. Szignalizációs domain ⇒ jelátvitel A JELÁTVITELI, SZIGNÁL TRANSZDUKCIÓS KASZKÁD Jel/Szignál Jelfogás/Recepció Sokszorozás/Amplifikáció Jelátvitel/ Szignál transzdukció Válasz Hidrofil ligandok közvetítők azaz másodlagos hírvivők = second messenger-ek révén váltják ki a sejtvászt MÁSODLAGOS HÍRVIVŐK • • • • • Ciklikus AMP = cAMP Ciklikus GMP = cGMP Inozitol triszfoszfát = IP3 Diacilglicerin = DAG Ca++ ion A SEJTVÁLASZ LEHET: • Enzimaktivitás változás (aktiválás vagy inaktiválás) • Bizonyos anyagok felvétele (ionok, glukóz) • Génműködésbeli változás (transzkripció vagy annak gátlása) SEJTMEMBRÁN RECEPTOROK Ioncsatornához kapcsolt receptorok A ligandkötés megváltoztatja a receptor konformációját, így specifikus ionok átjuthatnak a membránon keresztül Példa:acetil-kolin (Lodish és mtsai.: Molecular Cell Biology 1999 nyomán)

Tirozin-kináz kapcsolt receptorok A ligandkötés a receptorok dimerizációját, majd citoplazmatikus tirozin-kinázok aktivációját okozza Példa: interferon, eritropoetin (Lodish és mtsai.: Molecular Cell Biology 1999 nyomán) Enzimatikus aktivitással rendelkező receptorok A ligandkötés a receptor citoplazmatikus részének enzimaktivitását (guanilát-cikláz vagy tirozin-kináz) indukálja Példa: Atriális naturetikus faktor PDGF = vérlemezke eredetű növekedési faktor (Lodish és mtsai.: Molecular Cell Biology 1999 nyomán) G-fehérje kapcsolt receptorok A ligandkötés egy G-fehérje aktiválódását, majd ezt követően egy effektor enzim aktiválódása révén másodlagos hírvivők képződését váltja ki Példa: adrenalin, glukagon, szerotonin, ACTH (Lodish és mtsai.: Molecular Cell Biology 1999 nyomán) G-fehérje kapcsolt 7TM membránreceptorok szerkezete SZEREPLŐK Trimer G-fehérje α-, β-, γ-alegység SZEREPLŐK 2. α-

alegység: GDP-GTP kötésre és GTP hidrolízisre képes (Berg és mtsai: Biochemistry,2002 nyomán) Az adenilát-cikláz szerkezete SZEREPLŐK 3. Effektor enzim (Berg és mtsai: Biochemistry,2002 nyomán) Másodlagos hírvivő, cAMP keletkezik: Szerotonin kezelés utáni cAMP koncentráció változás Adrenalin 7TM receptor Adenilát-cikláz A FOLYAMAT ATP cAMP Protein kináz A Protein kináz A Protein kináz A = PKA (Berg és mtsai: Biochemistry,2002 nyomán) Protein kinázok Tirozin- vagy szerin- vagy treonin-foszforilációt végző enzimcsalád Protein foszfatázok Fehérjékről foszfátcsoportot lehasító enzimcsalád (Alberts és mtsai.: Molecular Biology of the Cell, 2002 nyomán) Adrenalin 7TM receptor Adenilátcikláz cAMP ATP Protein kináz A Protein kináz A Foszforiláz kináz Foszforiláz kináz Foszforiláz b (Berg és mtsai: Biochemistry,2002 nyomán) Foszforiláz a Amplifikáció Szignál Enzim 1 1 Enzim 2 2

Enzim 3 3 3 2 3 3 3 2 3 3 3 3 Amikor enzimek aktiválnak enzimeket, a jelátviteli kaszkádban mértani haladvány szerint nőhet a résztvevők száma Jelerősítés = szignál amplifikáció Adrenalin x x 40x 10x 100x 1,000x 10,000x Ugyanazokat az elemeket több jelátviteli út is használhatja glukagon vagy adrenalin AC G Másodlagos hírvivő= second messenger cAMP PKA PhK Ph glikogén PKA = protein kináz A máj glükóz PhK = foszforiláz-kináz Ph = foszforiláz cAMP az ACTH jelátvitelében a mellékvesében ACTH AC G cAMP PKA koleszterin kortizon mellékvese A szignál transzdukciós elemek modulárisak Specifikus szignál modul AC G cAMP PKA Specifikus sejtválasz Az intracelluláris jelátviteli folyamatok terjedése Másodlagos hírvivők (cAMP, cGMP, IP3, DAG, Ca2+) Protein kináz-közvetített foszforilációs kaszkádok A jelátviteli molekulák transzlokációja: second messenger-ek, protein kinázok Protein-protein

kölcsönhatások: adaptor és sejtváz fehérjék A kaszkádban előbb álló komponens aktivitásának változása megváltoztatja az utána jövő komponens aktivitását: serkent vagy gátol Aktív Inaktív Protein kináz A Foszforiláz kináz Aktív Glikogén szintáz Inaktív Aktív Inaktív Egy kináz két ellentétes hatás! Glikogén foszforiláz Glikogén Glukóz-1-foszfát (Alberts és mtsai.: Molecular Biology of the Cell, 2002 nyomán) A SEJTVÁLASZ LEHET: • Enzim aktivitás változás (aktiválás vagy inaktiválás) • Bizonyos anyagok felvétele (ionok, glukóz) • Génműködésbeli változás (transzkripció vagy annak gátlása) Szaglóreceptoron keresztüli jelátvitel I. Illatanyag 7TM receptor Adenilát cikláz G(olf) (Berg és mtsai: Biochemistry,2002 nyomán) Szaglóreceptoron keresztüli jelátvitel II. Adenilát cikláz Na+ Ca2+ cAMP-kapuzott ioncsatorna Na+ Ca2+ (Berg és mtsai: Biochemistry,2002 nyomán) Fotoreceptoron

keresztüli jelátvitel I. Fény Rodopszin Transzducin α (Berg és mtsai: Biochemistry,2002 nyomán) Fotoreceptoron keresztüli jelátvitel II. Foszfodieszteráz Na+ Ca2+ cAMP– kapuzott ioncsatorna (Berg és mtsai: Biochemistry,2002 nyomán) A SEJTVÁLASZ LEHET: • Enzim aktivitás változás (aktiválás vagy inaktiválás) • Bizonyos anyagok felvétele (ionok, glukóz) • Génműködésbeli változás (transzkripció vagy annak gátlása) Sejtválasz: transzkripció Extracelluláris tér Adenilát cikláz Citoszol Sejtmag Transzkripciós kofaktor G fehérje kapcsolt receptor PKA CRE = cAMP reszponzív elem Transzkripciós apparátus CREB = CRE binding fehérje (Lodish és mtsai.: Molecular Cell Biology 1999 nyomán) Egy ligand több másodlagos hírvivő Ligand 1 Receptor Extracelluláris tér Foszfolipáz C 5 PKC 2 6 3 Sejtválasz Ca2+ CAM kináz Inozitol triszfoszfát Cytosol 4 7 Endoplazmás retikulum 8 Sejtválasz Egy ligand

több másodlagos hírvivő 2. Pszeudoszubsztrát az aktív helyen Inaktiv citoszol protein kináz C PIP2=foszfatidilinozitol-biszfoszfát PLC=foszfilpáz C DAG=diacilglicerin IP3=inozitol triszfoszfát PKC=protein kináz C CAM kináz=Ca2+/kalmodulin kináz Membránkötött aktivált protein kináz C Szubsztrát foszforiláció Diacilglicerin Kalcium ion Kalmodulin Ca2+kötés Ca2+ Ca2+/kalmodulin Inaktív Aktív Ca2+/kalmodulin Ca2+/kalmodulin függő protein kináz (Alberts és mtsai.: Molecular Biology of the Cell, 2002 nyomán) Egy ligand több másodlagos hírvivő Ligand 1 Receptor Extracelluláris tér Foszfolipáz C 5 PKC 2 6 3 Sejtválasz Ca2+ CAM kináz Inozitol triszfoszfát Cytosol 4 7 Endoplazmás retikulum 8 Sejtválasz A szignalizáció szabályozása I. Receptor csendesítés Receptor downreguláció Receptor inaktiváció Jelátvivő fehérje inaktivációja Gátló fehérje termelése (Alberts és mtsai.: Molecular

Biology of the Cell, 2002 nyomán) A szignalizáció szabályozása II. 1.Disszociáció Receptor kináz β-Arrestin 2. foszforiláció (Berg és mtsai: Biochemistry,2002 nyomán) A szignalizáció szabályozása III. G-fehérje inaktiválódása Adenilát cikláz (Berg és mtsai: Biochemistry,2002 nyomán) A szignalizáció szabályozása IV. Adrenalin Foszfodieszteráz teofillin koffein cAMP hidrolízis Effektor enzim A szignalizáció szabályozása V. A jelátviteli utak közötti együttműködés JELÁTVITELI HÁLÓZATOKAT eredményez JAK PLC DAG PKC IP3 Ca2+ CaM STAT Grb2 SOS Ras Raf MEK MAPK AC PKA Ca2+ CaMK A sejtválasz a sokféle bemenő jel integrálásának eredménye Grb2 AC SOS ECM és JAK Ras sejtadheziós PKA elemek is Raf DAG PLCszignáltranszdukciós útvonalak A vagy Ca2+ MEK MAPK konvergálva egyetlen sejtválaszt eredményeznek IP3 PKC CaMK STAT válaszokat indukálnak vagy egyedi Ca2+ CaM A szignál transzdukciós

kaszkád a sejtműködés összehangolt, érzékeny és finom szabályozását biztosítja