PA052: Uvod do systémové biologie David Šafránek 4.4.2013 Signální dráhy Obsah Signální dráhy Signální dráhy Obsah Signální dráhy Signální dráhy Rekonstrukce biologických sítí v schématu SB rekonstrukce sítí databáze biol. znalostí + literatura validace modelu genové reportéry, DNA microarray, hmotnostní spektrometrie, ... biologická sít hypotézy dotazy na model specifikace modelu SBML, diterenciální rovnice, boolovská sít, Petřino sít, ... analýza modelu statická analýza, numerická simulace, Objevené Vlastnosti analytické metody, model checking verifikace hypotéz, detekce vlastností vyvození nových hypotéz Signální dráhy Rekonstrukce biologických sítí v schématu SB rekonstrukce sítí databáze biol. znalostí + literatura specifikace modelu SBML, diterenciální rovnice, boolovská sít, Petriho sít, ... validace modelu genové reportéry, DNA microarray, hmotnostní spektrometrie, ... oC analýza modelu objevené vlastnosti dotazy na model statická analýza, numerická simulace, analytické metody, model checking verifikace hypotéz, detekce vlastností vyvození nových hypotéz Signální dráhy Signální dráhy zd roj: http : //www. scq.ubc. ca/conversing-at-the-cellular-level-an-introduction-to-signal-transduction/ http : //ww. scq.ubc. ca/conversing-at-the-cellular-level-an-introduction-to-signal-transduction/ Signální dráhy Přenos signálů mezibuňkami http : //www. scq.ubc. ca/conversing-at-the-cellular-level-an-introduction-to-signal-transduction/ Signální dráhy Přenášené signály • hormony, feromony (mezibuněčná komunikace) • stavy prostředí • teplota • světlo • osmotický tlak • změna výskytu substancí v prostředí • K+, Ca+, glukóza, galaktóza, cAMP, .. . Signální dráhy Biochemická podstata signálních drah • molekulární princip podobný metabolickým přechodům • typické přechody v signálních drahách: • přenos fosfátových, methylových nebo acetylénových skupin • přechody typicky reversibilní • řízeny enzymaticky Signální dráhy Signální vs. metabolické dráhy • přenos signálu vs. přenos hmoty • malé koncentrace molekul signálových přenašečů (10-104 molekul) • srovnatelné s koncentracemi enzymů • časté netriviální proteinové interakce (možnost vytvoření dráhy při zachycení signálu) • signální dráhu nelze přímo identifikovat z přítomnosti enzymů • komplikované studium (činnost dráhy mění mód buňky) Signální dráhy Struktura signálních drah externí stimul receptor vnitrní stimul -- výstupní signal kaskáda • import signálu • přímá penetrace skrz membránu (vazba na receptor uvnitř buňky) • nepřímý přenos (transformace vnějšího stimulu na vnitřní prostřednictvím membránového receptoru) • výstupem importní části je vždy aktivace receptoru • přenosová kaskáda • sekvence stavových změn přenašečů (proteinové komplexy) • pouze u eukaryot, u prokaryot je tato část minimalizována • výstupem je zesílení a načasování signálu, provedení vyhodnocovací logiky přes více stimulů (cross-talk) • cíl signálu • typicky aktivace/deaktivace transkripčního faktoru • změna transkripčního módu je odezvou signalizace Signální dráhy Struktura signálních drah Receptor jjfl ůCUídUtlIlJJJJ Upstream control Yeast Signaling Pathways Osmotic shock Pheromone N-depletion 1 \ \ \ Transcription ^_^^Choir factor activation Qjsnyj. (ByP)\ (5*2) QwD • Activation, e.g. J_ Inhibition, e.g- Phosphprylation Dijphgsphorylfltion Complex Formation ► Potential Crosstalk komplexní struktura signálních drah kvasinky Signální dráhy Struktura signálních drah - receptor • typicky reversibilní vazba receptor-liga n d • aktivace spočívá ve fosforylacích na serinových a tyrosinových reziduích cytosolické části receptoru • aktivita receptoru regulována (např. adaptace na dlouhodobé změny) Signální dráhy Struktura signálních drah - recept Nejčastější typy signálních komponent • G-proteinový cyklus • Ras proteiny • systémy fosfopřenašečů • mitogenické kinázové kaskády (MAPK) Signální dráhy Struktura signálních drah - receptor G-proteinový cyklus • heterotrimery asociované membránovým receptorům • tzv. G-protein-coupled receptory (GPCR) • typicky v dráhách pro mezibuněčnou komunikaci • v lidských buňkách např. vnímání světla, pachu, neurotransmitery • v nižších eukaryotech např. chemotaxe, dělení buněk, morfogeneze • váží guaninové nukleotidy (GTP, GDP) • při aktivaci dochází k výměně guaninových nukleotidů • deaktivace hydrolýzou GTP a reasociací G-proteinu Signální dráhy Struktura signálních drah - receptor G-proteinový cyklus a GTP Signální dráhy Struktura signálních drah Příklad G-proteinu v kvasince Yeast Signaling Pathways Receptor i,' v» ' v activation jm'?*1 \ nl (jén "f- Upstream ■ -gj control ť 5skl) + MAP kinase cascade Transcription factor activation - Activation, I. Inhibition, e.g. phosphorylation ^phosphorylation Complex —* Potential Formation crosstalk vnímání feromonů Signální dráhy Struktura signálních drah - receptor Ras protein • monomerické G-proteiny (Ras, Rho, Rab, ...) • mechanismus podobný trimerovému G-proteinu • typicky v signálních drahách časujících chování buňky přechody mezi GTP-bound (on) a GDP-bound (off) stavy Ras proteinu pomocí GEF (guanin nucleotide exchange factor) a GAP (GTPase-activating protein) effectors Signální dráhy Struktura signálních drah Phosphorelay-System šlimulusl Periplasm • nejčastější mechanismus aktivace receptoru a počáteční části přenosu je veden přímým "předáním" fosfátové skupiny • aktivace štěpením ATP —>• ADP (tzv. "autofosforylace") • další fáze přenosu již nevyžaduje ATP • např. tzv. 2-komponentní dráha prokaryot (např. E. Coli), část osmotické dráhy S. Cerevisiae J. S. Fassler, A. H. West. Genetic and Biochemical Analysis of the SLN1 Pathway in Saccharomyces cerevisiae. Methods in Enzymology. Volume 471, 2010. DOI:10.1016/S0076-6879(10)71016-8 Signální dráhy Struktura signálních drah Phosphorelay-System • realizováno fosforylací na histidinovém reziduu receptoru • přenos fosfátové skupiny k cíli realizován aspartátem Signální dráhy Struktura signálních drah Schemata fosfopřenašečů ErtvZ-OiYLpR (E ivVj) BvgS-BvgA (J?- Jíním) Sbllfi-Ypdlp-Säklp S ... sensor (receptor), HK ... histidine kinase, R ... receiver, HPt ... histidine phosphotransfer domain, E ... effector P. Thomason and R. Kay. Eukaryotic signal transduction via histidine-aspartate phosphorelay. J Cell Sci 2000 Sep;113 (Pt 18):3141-50. Signální dráhy Struktura signálních drah Chování vrstvených fosfopřenašečů inpiil ilKHH O 30D 41» UJU KUJ IUĽU 1200 A. Csikasz-Nagy, L. Cardelli, and O.S. Soyer. Response dynamics of phosphorelays suggest their potential utility in cell signalling. Journal of The Royal Society Interface, 2010. DOI:10.1098/rsif.2010.0336 Signální dráhy Struktura signálních drah Příklad fosfopřenašeče v kvasince Yeast Signaling Pathways notic shock Pheromone N-depletion \ 1 1 MAP kinase cascade Transcription factor activation (SD\ -i y - Activation, e.g. J. Inhibition, e.g. phosphorylation ^phosphorylation Complex ---* Potential Formation crosstalk regulace osmotického tlaku v buňce Struktura signálních drah Příklad fosfopřenašeče v kvasince struktura dráhy a její reakční schema Signální dráhy Struktura signálních drah Mitogenické kaskády • mitogen-activated proteinové kinázy - proteiny fosforylovatelné v sérinových a threoninových reziduích • ve fosforylovaném stavu fungují jako enzymy pro fosforylaci dalších kináz • univerzální využití v eukaryotických buňkách • fungují jako zesilovače signálu • např. růst buněk, diferenciace, apoptóza, ... • evidovány od kvasinek po lidskou buňku typicky 3-vrstvé kaskády • fosforylace na všech úrovních štěpením ATP • defosforylace fosfatázami nebo samovolně Signální dráhy Struktura signálních drah Struktura mitogenické kaskády Ras/M KKKK MAPK MAPK.-P MAPK-PP Propojení signálních kaskád Propojení signálních kaskád Propojení signálních kaskád Signální dráhy Elementární motivy signálních drah • základní motivy — 4-uzlový DOR a diamond • zkoumané signální dráhy jsou topologickými generalizacemi obou motivů • rozdíly ve struktuře oproti genovým regulačním sítím • komplexní signální dráhy umožňují složité výpočty Signální dráhy Význam výpočetní logiky signálních drah • podobnost s principy umělé inteligence • podobné motivy existují v biologických neuronových sítích • umožňují přesné rozpoznání určitého chování vstupních signálů • dokáží rozlišit i velmi podobná chování • dokáží dotvářet neúplné (porušené) chování vstupních signálů • jsou odolné vůči destrukci • jsou-li některé části signální dráhy porušeny, jejích funkčnost se předává jiným ještě neporušeným drahám Bray, Dennis. "Protein molecules as computational elements in living cells." Náture 376, 2002.