21. obecné principy buněčných signalizací u eukaryontních a prokaryontních buněk

21. obecné principy buněčných signalizací u eukaryontních a prokaryontních buněk

Buněčná signalizace

            Souhrn všech prostředků, jež používají buňky ke vzájemné komunikaci. V typickém případě je jednou buňkou vylučována jistá signální molekula, například na jejím povrchu nebo přímo do volného mimobuněčného prostoru, zatímco druhá buňka přijímá signál, a to zpravidla skrz tzv. receptor. Z receptorů vedou různé signalizační kaskády dovnitř buňky, kde ovlivňují různé buněčné procesy včetně změn v expresi genů. Signálními molekulami mohou být jak různé bílkoviny na membráně, tak i různé cytokiny, hormony, neurotransmitery, růstové faktory apod. Schopnost přijímat a správně odpovídat na podněty je základem vývoje, opravy tkání, imunity, homeostázy. Buňka je otevřený systém, tzn. že dochází k výměně látek mezi buňkou a prostředím. Všechny živé systémy mají schopnost buněčné signalizace, ale její cíle a formy signalizace se mohou u různých organismů lišit.

            Prokaryota – jedním ze způsobů buněčné signalizace u prokaryot je tzv. quorum sensing. Jde o mechanismus, kdy buňka reaguje na množství její populace v daném prostoru. Regulují tak svoji genovou expresi v závislosti na množství dané populace. Sekrece signálních molekul každé jedné buňky je malá, pokud ovšem je zde více buněk, sekrece a množství signálních molekul se zvýší, na což buňky reagují regulací genové transkripce.

Autoinduktory – signální molekuly produkované v odpovědi na změny hustoty dané populace. Se zvyšujícím se počtem buněk se zvyšuje i koncentrace autoinduktorů. Mnoho forem, které ale mají podobný efekt. Umožňují bakteriím komunikovat uvnitř i mezi různými druhy. Malé hydrofilní molekuly ovlivňují genovou expresi. Peptidy se hromadí v extracelulárním prostředí. Jakmile je jich dostatek, kináza fungující jako senzor je detekuje a vede signál do buňky.

Biofilm – společenstvo mikroorganismů, vázané k určitému povrchu a obklopené polysacharidy, které buňky v biofilmu vylučují. Zubní kaz (streptokoky), zánět středního ucha (hemofily). Mohou se účastnit quorum sensing (aktivace exprese genů v závislosti na hustotě bakteriální populace) spouštějící tvorbu biofilmů. Vznikající vlastnosti (enzymatická retence – zadržení enzymu, resistence/tolerance, sorpce).

            Eukaryota – Jednobuněční – mají na povrchu struktury podobné povrchovým receptorům. Transport skrz membránu zajišťují kinázy (asi 130 typů, chybí tyrozinové kinázy). Jsou využíváni jako modelové organismy.

Mnohobuněční – jiné prostředí se nachází v organismu a jiné mimo něj. Buněčná signalizace u mnohobuněčných vede k udržení homeostázy. Tu charakterizuje jednak počet buněk, jednak jejich vlastnosti. Buněčná signalizace (regulace) může být intracelulární nebo intercelulární. Je zprostředkována sekrecí solubilních faktorů – signálů, přímou interakcí – mezibuněčné kontakty, kontakty buňka-ECM, extracelulární vezikule. Reakce na signalizaci jsou různé (buněčný cyklus, diferenciace, smrt či zabití, změna pohybu, metabolizmus, přenos signálu, funkce (aktivita)).

Extracelulární signální molekuly – extracelulární signální molekula se naváže na povrchový receptor. Signál pak jde buď intracelulární signální drahou na protein, kde pozmění jeho funkci, což vede ke změnám v cytoplazmatických procesech, a to ke změně chování buňky, nebo se signál dostane do jádra, kde po transkripci a translaci je pozměněna proteosyntéza, následně cytoplazmatické děje a chování buňky.

Rychlost odpovědi na signál není vždy stejná, ale liší se podle typu tkáně a signálu. Rychlé jsou v nervovém systému, dále změny v srdeční akci, salivace, zrak. Pomalé jsou třeba růst, proliferace a diferenciace.

Generická signální dráha – signál à receptor (senzor) à transdukční kaskáda (kaskáda signalizací mezi proteiny, enzymy, hormony, …) à cíle (metabolický enzym, genový regulátor, cytoskeletální protein) àodpověď (změněný metabolismus, změněná genová exprese, změněný tvar či motilita).

Typy signálů – 1. posel – ligand (signální molekula), která se váže na vazebné místo (receptor) a vyvolá odpověď. Hormony, parakrinní faktory, neurotransmitery, metabolity, MHC, ECM, externí faktory.

2. posel – označení pro malou signální molekulu, jejíž koncentrace v buňce prudce vzrůstá po navázání ligandů („prvních poslů“) na membránový receptor. Jejich výhodou je, že výrazně zesílí přicházející signál, a navíc díky svým malým rozměrům rychle difundují po celé buňce. Následně se navážou nebo mění chování signálních či cílových proteinů. cAMP, cGMP, IP3 (inositol-1,4,5-trifosfát), Ca²⁺, NO, diacylglycerol, DNA fragmenty.

Malé lipofilní molekuly – kortison, progesteron, tyroxin, kyselina retinová.

Lipofilní molekuly – prostaglandiny

Hydrofilní molekuly – inzulin, růstové faktory, histamin

Způsoby signalizace – Endokrinní – na delší vzdálenost, obvykle dochází k vylučování do krve a ovlivňování vzdálených tkání; například luteinizační hormon z hypofýzy ovlivňuje vyvíjející se folikuly ve vaječnících.

Parakrinní – na krátkou vzdálenost, například testosteron z Leydigových buněk ve varlatech účinkuje na buňky v semenotvorných kanálcích.

Autokrinní – vylučovaná signální látka se váže na stejnou tkáň, v níž byla vyrobena, a to včetně samotné buňky, která ji vyprodukovala; například estradiol z granulózních buněk ovlivňuje výrobu progesteronu v těchto buňkách.

Neurokrynní – speciální případ, kdy jsou signální molekuly vylučovány nervovými buňkami a působí na jiné buňky jako neurotransmitery nebo neurohormony.

Juxtakrinní – mezi dvěma sousedními buňkami, propojenými pomocí membránových proteinů a receptorů; růstové faktory.

Kontaktní – synaptická – specifická pro nervovou soustavu. Nervová buňka produkuje chemický signál (neurotransmiter), který se přenáší k jiné nervové buňce synaptickou štěrbinou (až 100 m/s). Časování uvolnění (neuvolňují se spontánně ale až po příchodu vzruchu). Uptake (absorpce neurotransmiteru tkání a její dočasné uchovánní).

Mezibuněčné spoje – Tight junction – oboustranný průchod, ven z buňky (regulace propustnosti membrány pro sousední buňky), do buňky (regulace genové exprese, proliferace a diferenciace). Adherentní spoje.

Ontogeneze (koordinace růstu jednotlivých buněk v tkáních), myokard (rozvod akčního potenciálu), oocyty (asi při gametogenezi).

            Mechanizmus recepce

1 signál (liganda) = odpověď (přítomnost receptoru), specifická buněčná odpověď, různé odpovědi u různých buněk. Mohou za to receptory (intracelulární nebo membránové), na které se váží ligandy a umožňují tak prostup signálu do nebo z buňky, mechanizmy transdukce, která umožňuje přeměnu jednoho stimulu na druhý.

Diferenciace buňky je tedy vlastně program spektra receptorů i způsobů odpovědi.

            Receptory – bílkovina umístěná na cytoplazmatické membráně, nebo v cytoplazmě či buněčném jádře, která se váže na specifické molekuly (ligandy), jako neurotransmitery, hormony nebo ostatní látky, a spouští buněčnou odezvu na tyto ligandy. Některé bílkovinné receptory jsou periferní membránové bílkoviny. Mnoho hormonálních receptorů, neurotransmiterů a transmembránových bílkovin jsou umístěny v lipidové dvojvrstvě cytoplazmatické membrány (metabotropické receptory, párové ke G-proteinům, ovlivňují buňku nepřímo, pomocí enzymů kontrolujících iontové kanály. Ionotropní receptory obsahující centrální kanál). Další jsou steroidní hormonální receptory uvnitř buňky, které mohou, v odpovědi na aktivaci ligandy, vstoupit do buněčného jádra a modulovat genovou expresi.

Intracelulární receptory – nukleární (jádro a cytoplazma). Patří sem například IP3 (receptor pro estradiol). Ligandy jsou 2. poslové nebo hormony. Mají 3 části (ligand-vazná doména, DNA-vazná doména, transkripční aktivátorová doména).

Hormon responzivní element (HRE) – krátká sekvence DNA uvnitř promotoru genu, která je schopna navázat komplex hormon-receptor a regulovat transkripci. Pár repeatů oddělených 3 nukleotidy (komplex se váže jako dimer).

Jaderné receptory – typ I – v cytosolu s HSP (steroidní receptory, androgen, progesteron, estrogen), typ II – navázané na DNA (tyroidní hormony, receptory pro kyselinu retinovou), rozpustná guanylátcykláza (NO).

Membránové receptory – cca 20 rodin, klasifikují se podle způsobu přenosu signálu. Liší se signálem, který je vytvářen uvnitř buňky po navázání extracelulární signální molekuly na receptor. Na membránové receptory se váží pouze hydrofilní látky. Hydrofobní látky procházejí membránou bez specifických přenašečů a váží se na své receptory až v cytoplazmě nebo v jádře (nejznámější jsou steroidy a hormony štítné žlázy).

Receptory a iontové kanály – některé receptorové proteiny regulují navázáním signální molekuly činnost iontových kanálů. Jejich otevírání a zavírání je vlastní signalizační odpovědí. Po navázání nervového mediátoru se změní konformace receptoru a iontový kanál se uzavře nebo naopak otevře pro specifické ionty, které se pohybují po svém elektrochemickém gradientu a dochází ke změně membránového potenciálu. Tento typ buněčné signalizace se vyskytuje v tzv. vzrušivých tkáních – nervové soustavě a svalech. Ligandem řízené (Ach, Glu, GABA), napětím řízené (presynaptické membrány), mechanicky řízené (vestibulární aparát).

Receptory s enzymatickou aktivitou – jsou to proteiny, které prochází fosfolipidovou dvojvrstvou membrány pouze jednou. Skládají se z extracelulární části proteinu s vazebným místem pro signální molekulu, transmembránového alfa-helixu, cytoplazmatické části, která buď obsahuje vlastní enzymatickou aktivitu, nebo je spojena s enzymem. Receptor je buď ligandem řízený enzym, nebo protein, který se spojuje s enzymem. Mnoho receptorů obsahuje cytoplazmatickou část, který funguje jako tyrosinová proteinkináza. Po navázání signální molekuly se spojí 2 receptorové proteiny a vytvoří se dimer. Tím se aktivují tyrosinkinázové části receptoru, které fosforylují tyrosiny (pomocí fosfátových skupin z ATP) vlastního receptoru. Fosforylované tyrosiny slouží jako vazebná místa pro různé proteiny, které se po navázání stávají sami aktivními. Dochází tak například k aktivaci signální molekuly Ras (GTP-vázající protein), který následně aktivuje další proteinkinázy a ve finále nastává změna genové exprese. Ukončení signálu je katalyzováno protin-tyrosin-fosfatázou, nebo mohou být aktivované receptory endocytovány a odvourány v lyzozomech. Na receptory s tyrosinkinázovou aktivitou se váží např. růstové a diferenciační faktory nebo inzulin. Tyr-kinázy, tyr-fosfatázy, guanylát-cyklázy, ser/thr kinázy.

Receptory s tyr-kinázovou aktivitou – dimerizace receptorů, autofosforylace (na cytosolické části jsou katalytická místa, kde dochází k přenesení fosfátu z ATP na protein), interakce s proteiny s SH2 doménami – cca 110 proteinů (SH2 doména umožňuje proteinům navázat se na fosforylované tyrosinové zbytky na jiných proteinech; nacházejí se na adaptačních proteinech, které napomáhají v transdukci signálu tyrosin-kinázové cesty), aktivace proteinů s enzymovou aktivitou, fosfolipáza C (hydrolytický enzym, který štěpí PIP2 – fosfatidilinosilbifosfát, na druhé posly IP3 a diacylglycerol), PI3K (fosfatidylinositol-3-kináza; katalyzuje navázání fosfátové skupiny na D3 pozici inositolového kruhu fosfatidylinositidů; regulují hladinu fosfolipidů – dochází k změnám vlastností membrán i proteinů a signálních drah), SRC rodina PTKs (protein tyrosin kinase).

Receptory s ser/thr kinázovou aktivitou – super rodina receptorů pro TGF-β (transforming growth factor). Aktiviny, inhibiny a BMPs (bone morphogenetic proteins; růstové faktory indukující formování chrupavek a kostí). Diferenciace, proliferace, migrace či adheze. U člověka alespoň 12 typů. MYC (transkripční protein, který aktivuje expresi několika genů, ale může také fungovat jako represor).

            G-protein (guanine-nukleotide binding protein) – rodina GTPáz důležitých ve vnitrobuněčné signalizaci. Existují u nich dvě konformace: „zapnutá“, jsou-li navázány ke GTP, a „vypnutá“, mají-li navázán GDP. Přepínání mezi těmito stavy je zprostředkováno GEF (guanine nucleotide-exchange factor), proteiny, které katalyzují disociaci GDP z G-proteinu; k vazbě GTP pak dochází samovolně v důsledku jeho vyšší koncentrace v cytoplazmě. Rychlost hydrolýzy GTP závisí mj. na aktivitě GAP (GTPase-accelerating protein) proteinů, které mohou také reagovat na extracelulární signály. Existují dvě odlišné třídy G-proteinů: trimerní (velké), aktivované GPCR (G-protein-coupled receptor) recptory, sestávající α, β a γ podjednotek a monomerické patřící do rodiny Ras malých GTpáz (sekvenčné homologické α-podjednotce).

Monomerní G-protein – super rodina RAS. Ras – buněčná proliferace, Rab – membránový transport, Rho – buněčná morfologie, Ran – jaderný transport. Fungují nepřímo. Signální molekula se naváže na tyrosin-kinázový receptor. Na ten je v buňce navázaný adaptorový protein, který přenáší signál z receptoru na Ras-aktivující protein, který umožňuje přeměnu GDP na GTP (spotřebou GTP) a aktivaci Ras proteinu.

Rodina MAPK (mitogen-activated protein kinases) – kinázy typické pro serin a threonin. Jsou zapojeny do usměrňování buněčných odpovědí do různých odpovědí – proliferace, diferenciace, přežívání, ontogeneze, stresová odpověď, buněčná smrt. ERK1/2/5 (extracellular signal-regulated kinases), JNK (c-Jun N-terminal kinases), p38 (SAPK – stress-sctivated protein kinases). Jsou aktivovány aktivním Ras proteinem.

Trimerní G-proteiny – skládá se ze 3 podjednotek α, β a γ. Alfa váže nukleotid a zabezpečuje reakci mezi receptorem a efektorem. Alfa s GDP je neaktivní, s GTP aktivní. Vazba ligandu na receptor spojený s G-proteinem způsobí změnu konformace tohoto receptoru, a to vede k aktivaci G-proteinu (směnou GDP za GTP). Aktivace vede oddělení alfa podjednotky. Beta a gama tvoří pevně spojený beta-gama komplex. Vznikají tek dvě samostatné molekuly, které mohou difundovat po plazmatické membráně a aktivovat různé efektory. K ukončení aktivace G-proteinu dochází hydrolýzou GTP na GDP a P, která je způsobena vnitřní GTPasovou aktivitou alfa podjednotky G-proteinu. Hydrolýza ukončí signalizaci a dojde k opětovnému spojení všech tří podjednotek. G-proteiny ovlivňují produkci druhých poslů. Existuje mnoho různých G-proteinů, které se liší se svou alfa podjednotkou a způsobem, kterým ovlivňují buněčné efektory. G_S (stimuluje adenylát cyklázu, cAMP, PAK – beta-ad,  glukagon), G_I (inhibuje adenylát cyklázu, cAMP, PAK – alfa-ad, GABA), G_Q (aktivuje PLC, IP₃, DAG, PAK – alfa-ad, serotonin, histamin).

Receptory spojené s G-proteiny – 1000 genů, ½ pachů, 1/3 hormonů a signálů, 100 neznámých, multifunkční, arestiny – proteiny důležité pro regulaci signální transdukce v GPCR (nejprve dojde k fosforylaci G-protein-coupled receptor kinázou (GRK), která připraví GPCR na vázání arestinu).

Poruchy spojené s defekty GPCR – barvoslepost, kongenitální hypothyroidismus (porucha štítné žlázy), retinitis pigmentosa (ztráta periferního vidění), familiární ACTH resistence (neschopnost reagovat na ACTH), familiární předčasná mužská puberta

            Diferencovaná buňka reaguje na omezený počet signálů. Inaktivace je stejně důležitá jako aktivace. Extenzivní zesíťování a vzájemná komunikace. Nelinearita. Integrace.