Takahashi K & Yamanaka S. Cell 126, 2006,

Transkript

1 Obecné mechanismy buněčné signalizace Signalizace do buněčného jádra MUDr. Jan láteník, hd. Ústav lékařské biochemie 1.LF UK Somatické buňky lze přeprogramovat na pluripotentní kmenové buňky! řeprogramování co to je? fibroblast is neurony kardiomyocyty hepatocyty Takahashi K & Yamanaka S. Cell 126, 2006,

2 Obecné mechanismy buněčné signalizace Komunikace mezi buňkami: 1. Syntéza a 2. uvolnění signální molekuly buňkou která signalizuje 3. Transport signálu k cílové buňce 4. Detekce signálu specifickým receptorovým proteinem 5. Spuštění jedné nebo více signálních drah (transdukce signálu) 6. Specifický účinek na buněčný metabolismus, vývoj, diferenciaci atp. 7. Odstranění/ukončení signálu 2

3 Na jakou vzdálenost signál působí: + AUTOCRINE Signální molekula (ligand): eptidy/proteiny ACTH, inzulin, glukagon, růstové faktory, cytokiny a mnoho jiných Malé lipofilní molekuly: steroidy, thyroidní hormony, prostaglandiny Malé hydrofilní molekuly AMK nebo deriváty AMK - katecholaminy, histamin, serotonin, glutamát, GABA, glycin aj. lyny: NO 3

4 Vždy protein Receptor Vazba ligandu + konformační změna převod signálu (signální transdukce) Specifita vzhledem k vazbě ligandu následnému účinku Dvě třídy signálních molekul 4

5 Second Messengers: Cyklický adenosinmonofosfát (cam) Cyklický guanosinmonofosfát (cgm) Inositol-1,4,5-tris-fosfát 1,2-diacylglycerol Calcium (NO, kyslíkové radikály) Molekulární vypínače 5

6 Ukončení signálu: Desenzitizace receptoru endocytoza & degradace fosforylace Rozklad nebo odstranění signální molekuly cam: fosfodiesteráza Calcium: Ca pumpy Defosforylace proteinfosfatázami Receptory pro signální molekuly na povrchu buňky Iontové kanály pro Na +, K +, Ca 2+, Cl - např. Receptor pro acetylcholin, GABA, glutamát át, glycin Seven-spanning vázané na G- proteiny Receptory vázané na enzym: 6

7 Svalový receptor pro acetylcholin Receptory pro signální molekuly na povrchu buňky Iontové kanály Seven-spanning vázané na G- proteiny Receptory vázané na enzym 7

8 Cílové molekuly pro G-proteiny: - membránové enzymy - iontové kanály 8

9 Cyklický AM a proteinkinasa A R C R C Neaktivní KA + 4 cam cam R cam C R cam cam C Aktivní KA KA kontroluje syntézu/degradaci glykogenu v játrech a ve svalu schema z Harperovy biochemie, český překlad 23. vyd., H+H raha

10 Signalizace přes fosfolipázu C Calcium v buňce: V cytoplasmě jen µm, cca 1 µm je již signál Zdroj signálu je: zvnějšku: ligandem aktivované Ca 2+ kanály napětím řízené Ca 2+ kanály ze zásob v ER: I3 receptor/kanál ryanodinový receptor/kanál závislý na membránovém potenciálu (kosterní sval) závislý na Ca 2+ (srdce, CNS) 10

11 Kalmodulin (148 AMK) obr.: Lodish et al.: Molecular Cell Biology, 3. vyd., Scientific American Books Inc., N.Y Kalmodulin (148 AMK) 11

12 obr.: Berridge et al., Nature 1998: 395, O tom jakou informaci Ca 2+ signál nese, rozhoduje jeho LOKALIZACE FREKVENCE AMLITUDA Receptory pro signální molekuly na povrchu buňky Iontové kanály Seven-spanning vázané na G- proteiny Receptory vázané na enzym: samy mají enzymovou aktivitu: receptorové tyrosinkinázy (př. inzulin, EGF) asociované s tyrosinkinázou (př. cytokiny, interleukiny) 12

13 Receptorové tyrosinkinázy př.: Ras/MAK Růstový faktor Monomerní receptor-tk GD Neaktivní Ras 13

14 Vazba ligandu, dimerizace receptoru, autofosforylace SH3 GRB2 SH2 14

15 GRB2 SH2 SH3 Sos (Guanine Nucleotide Exchange factor) GT GRB2 SH2 SH3 Sos (Guanine Nucleotide Exchange factor) 15

16 GT GRB2 SH2 SH3 Sos (Guanine Nucleotide Exchange factor) Ras aktivován Ras GT H 2 N GRB2 Raf (Ser/Thr kináza) COOH 16

17 Ras GT H 2 N GRB2 Raf (Ser/Thr kináza) COOH MEK (Ser/Thr i Tyr kináza) Ras GT H 2 N GRB2 Raf (Ser/Thr kináza) MAKKK: MA Kinase Kinase Kinase COOH MEK (Ser/Thr i Tyr kináza) MAKK: MA Kinase Kinase ERK 1/2 (MAK: Mitogen Activated rotein kinase) 17

18 Obr. z katalogu Cell Signaling Technology 18

19 Signalizace do buněčného jádra Jak signál ovlivňuje funkce proteinů Modifikace struktury/ funkce stávajících proteinů Změna spektra /množství proteinů v buňce... regulace genové exprese 19

20 Regulace genové transkripce u eukaryot Model interakce více aktivátorů transkripce s mediátorovým komplexem obr.: Lodish et al.: Molecular Cell Biology, 5. vyd., W.H.Freeman & Co., N.Y

21 Eukaryotické transkripční faktory: Rozdělení podle strukturních motivů: homeodomény zinkové prsty ( zinc fingers ) leucinové zipy ( leucine zippers ) bhlh (basic Helix-Loop-Helix) proteiny Eukaryotické transkripční faktory: Rozdělení podle způsobu exprese/regulace: inducibilní konstitutivní ligandem aktivované 21

22 Inducibilní TFs: př. A1 (Activator rotein 1) Jun Fos TGACTCA TRE [TA (phorbol ester) response element] Jun Jun Jun ATF Jun family: c-jun, JunB, JunD Fos family: c-fos, FosB, Fra-1, Fra-2 Konstitutivní TFs: př. CREB (cam/ca 2+ response element binding protein) Ser133 CREB CREB TGACGTCA CRE [cam/ca 2+ response element] 22

23 Ligandem-aktivované aktivované TFs: Nadrodina jaderných receptorů obr.: Lodish et al.: Molecular Cell Biology, 5. vyd., W.H.Freeman & Co., N.Y Signalizace do buněčného jádra do jádra jde ligand receptor transkripční faktor jiná signální molekula (kinasa, druhý posel) 23

24 ř.1: do jádra jde ligand pro jaderný receptor/ligandem aktivovaný transkripční faktor Receptory pro vitamín D3, thyroxin, retinovou kyselinu ř.2: do jádra jde jaderný receptor/ligandem aktivovaný transkripční faktor Receptory pro glukokortikoidy a estrogeny obr.: Lodish et al.: Molecular Cell Biology, 5. vyd., W.H.Freeman & Co., N.Y

25 ř.3: cytoplasmatický receptor aktivuje transkripční faktor, který translokuje do jádra Signalizace receptorů pro cytokiny: JAK-STAT systém STAT: Signal Transducer & Activator of Transcription JAK: Just Another Kinase obr.: Lodish et al.: Molecular Cell Biology, 5. vyd., W.H.Freeman & Co., N.Y ř.4: konstitutivní TF CREB v jádře aktivován fosforylovací různými kinasami, do jádra jde: -komplex MAK/RSK -Ca/calmodulin -KA 25

26 ř.5: roteolýza uvolňuje TF NF-kappa-B pro translokaci do jádra: obr.: Lodish et al.: Molecular Cell Biology, 5. vyd., W.H.Freeman & Co., N.Y Kaskáda transkripční odpovědi Second messengers Kinase activation & Nuclear translocation Constitutive transcription factors Inducible transcription factors Target genes obr.: láteník et al., Life Sci. 2000: 67,

27 Amplifikace signálu GARLAND UBLISHING 1998 Integrace signálu 27

28 Buňka reaguje na souhrn signálů: 28

29 Cross-talk signálních drah Cross-talk signálních drah 29

30 Analýzy genomu (Science 291, 2001): Lidský kinom: 518 kinas (Science 298, 2002) Zdroj obr.: Cell Signaling Technology 30

31 MASTER SWITCH : Jeden gen/protein vládnoucí všem... rotein A rotein B rotein C rotein D Horb, M.E., et al.: Experimental conversion of liver to pancreas. Current Biology, 13, , (2003). Transientní exprese jediného genového konstruktu, kódující modifikovaný klíčový TF dx1,, změní trvale jaterní buňku na pankreatickou, produkující inzulin, glukagon a amylasu... 31

32 Somatické buňky lze přeprogramovat na pluripotentní kmenové buňky! fibroblast Oct3/4, Sox2, Klf4, c-myc is neurony kardiomyocyty hepatocyty Takahashi K & Yamanaka S. Cell 126, 2006, Obr. z: Yamanaka S. Cell 137, 2009,