Mechanismy mezibuněčné komunikace Biologie 1. ročník Doc. RNDr. Jan Hošek, Ph.D. hosek@mail.muni.cz Ústav molekulární farmacie FaF MU Samostatně žijící buňka musí být schopná vnímat své okolí a reagovat na podněty z okolí (vypátrání potravy, vyhnout se nebezpečí – chemickému i živočišnému…) V mnohobuněčném organismu musí buňky nejen reagovat na podněty z okolí, ale vzájemně mezi sebou komunikovat. Musí sladit své chování tak, aby mezi nimi byla souhra, která je životně důležitá pro přežití organismu, ale i pro jeho utváření. 1. Základní principy komunikace mezi buňkami Komunikace mezi buňkami je důležitá pro růst, každodenní fyziologii a chování organismu. Hovoříme o BUNĚČNÉ SIGNALIZACI. Buňka ke svému životu potřebuje signály od okolních buněk. Nemá-li dostatečný počet správných signálů (pomocí nichž pozná, že je ve správné chvíli na správném místě) spáchá sebevraždu (apoptóza). Během vývoje buňky v embryu intenzivně komunikují v procesu diferenciace přežívá dělí se diferencuje se umírá Extracelulární signální molekuly Signální molekuly Intracelulární signální molekuly Extracelulární signální molekuly ➢ Komunikace mezi buňkami ➢ většinou operují na velké vzdálenosti nebo k nejbližším sousedům ➢ příjem signálů závisí na receptorových proteinech (obvykle na buněčném povrchu) Vazba signálních molekul na receptor jej aktivuje, což následně aktivuje jednu nebo více intracelulárních signálních drah Organismus/buňky produkují a přijímají řadu signálů Intracelulární signální molekuly ➢ jsou základními jednotkami intracelulárních signálních drah ➢ zpracovávají signál uvnitř přijímací buňky a ➢ distribuují jej do příslušných intracelulárních cílů – efektorových proteinů Efektorové proteiny ➢ proteiny regulující genou expresi, ➢ iontové kanály, ➢ komponenty metabolických drah, ➢ části cytoskeletu, ➢ etc. Závisí na signálu a povaze a stavu přijímacích buněk Obecné schéma Komunikace jednobuněčných organismů ➢ reagují na chemické signály, které vylučují jejich sousedé ➢ regulují hustotu = Quorum sensing ➢ koordinují motilitu, produkci antibiotik, tvorbu spór a sexuální konjugaci Přestože bakterie a kvasinky vedou z velké části nezávislý život, komunikují a ovlivňují navzájem své chování https://sarahs-world.blog/bacteria-talk/ Párovací faktor u kvasinek Když je jedinec Saccharomyces cerevisiae v haploidním stádiu připraven k párování, začne vylučovat párovací peptid, který signalizuje buňce opačného párovacího typu, aby zastavila proliferaci a připravila se k párování. Normálně kulovité buňky Buňky se začínají prodlužovat směrem ke zdroji párovacího faktoru Extracelulární signály Signální molekuly zahrnují proteiny, malé peptidy, aminokyseliny, nukleotidy, steroidy, retinoidy, deriváty mastných kyselin a dokonce i rozpuštěné plyny, jako je oxid dusnatý a oxid uhličitý. Bez ohledu na povahu signálu cílová buňka reaguje prostřednictvím receptoru, který specificky váže signální molekulu a poté iniciuje odpověď v cílové buňce. Buněčné receptory jsou MEMBRÁNOVĚ VÁZANÉ a INTRACELULÁRNÍ Vazba extracelulárních signálů 1/2 ➢ hydrofilní signální molekuly nejsou schopny procházet přímo plazmatickou membránou ➢ vážou se na receptory buněčného povrchu ➢ obratem je generován signál uvnitř cílové buňky Vazba extracelulárních signálů 2/2 ➢ některé malé signální molekuly difundují přes plazmatickou membránu a vážou se na receptor uvnitř buňky ➢ molekuly jsou většinou hydrofobní a ve vodě nerozpustné = potřebují nosné proteiny Čtyři formy intracelulární signalizace V endokrinních žlázách se tvoří hormony (signály), které jsou krevním oběhem přenášeny do různých částí těla. (U rostlin se hormony uvolňují do mízy). Signální molekuly : hormony Přenos signálu: na velkou vzdálenost ENDOKRINNÍ receptor cílová buňka krevní řečiště cílová buňka endokrinní buňka Endokrinní signalizace Signál = lokální mediátor je vyslán do extracelulárního prostoru a přijímán buňkami v bezprostředním okolí této signalizující buňky (pokud buňky ovlivňují sami sebe = autokrinní signalizace) Signální molekuly : lokální mediátory (cytokiny, deriváty kyseliny - eikosanoidy) Přenos signálu: na malou vzdálenost PARAKRINNÍ lokální mediátor Parakrinní signalizace Signál (elektrický vzruch) je šířen na velkou vzdálenost podél axonu a během přenosu dochází k transdukci signálu (elektrický na chemický a opačně) Signální molekuly : nervové mediátory (neuromediátory) Přenos signálu: na velkou vzdálenost NEURONOVÁ tělo buňky neuromediátor cílová buňka Neuronová signalizace Tento způsob komunikace funguje na nejkratší vzdálenost. Buňky spolu komunikují prostřednictvím signálních molekul zanořených do plazmatické membrány. Nevyžaduje uvolnění žádného mediátoru. Signální molekuly : transmembránové proteiny (např. Delta), r: Notch. Přenos signálu: na velmi malou vzdálenost Důležitá v embryonálním vývoji a imunologii DOTYKOVÁ signalizující buňka v membráně vázaná signální molekula cílová buňka Kontaktní signalizace Embryonální vývoj – příklad dotykové signalizace membránově vázaný inhibiční signální protein (Delta) Receptorový protein (Notch) nespecializované epiteliální buňky nervová buňka vyvíjející se z epiteliální buňky inhibovaná epiteliální buňka Selekce T-lymfocytů – příklad dotykové signalizace Figure 13-7. Cellular Depiction of Affinity/Avidity Model of Thymic Selection DP thymocytes encounter thymic DCs (or cortical thymic epithelial cells; not shown) presenting self-peptides on MHC class I or II. The intracellular signaling induced by this interaction determines the thymocyte's fate. It is unclear precisely where in the thymus, either in the cortex or the medulla, each stage of selection takes place. https://www.sciencedirect.com/topics/medicine -and-dentistry/t-cell-development Endokrinní versus neuronová signalizace U složitých zvířat endokrinní buňky a nervové buňky spolupracují na koordinaci činností buněk v oddělených částech těla. ➢ různé endokrinní buňky musí používat různé hormony, aby specificky komunikovaly se svými cílovými buňkami ➢ různé nervové buňky mohou používat stejný neurotransmiter a přesto komunikovat vysoce specifickým způsobem Endokrinní signalizace ➢ buňky vylučují hormony do krve ➢ působí pouze na ty cílové buňky, které nesou příslušné receptory Synaptická signalizace ➢ specificita vzniká ze synaptických kontaktů mezi nervovou buňkou a specifickými cílovými buňkami, které signalizuje ➢ obvykle pouze cílová buňka, která je v synaptické komunikaci s nervovými buňkami, je vystavena neurotransmiteru uvolněnému z nervového zakončení ! Některé neurotransmitery působí v parakrinním režimu – lokální mediátory, které ovlivňují více cílových buněk v oblasti Další rozdíly Endokrinní signalizace ➢ je relativně pomalá Neuronová signalizace ➢ je rychlejší a přesnější ➢ hormony jsou značně zředěné, musí být schopny působit ve velmi nízkých koncentracích (typicky < 10-8 M) ➢ neurotransmitery jsou zředěné mnohem méně a mohou dosáhnout vysokých lokálních koncentrací (5 x 10-4 M) ➢ vysoká afinita k cílovým buňkám ➢ nízká afinita k cílovým buňkám, může rychle disociovat Rychlost odpovědi Závisí nejen na mechanismu přenosu signálu, ale také na povaze odpovědi cílové buňky proteiny jsou přítomné v buňce je vyžadována genová exprese Rychlost odpovědi – příklad 1 Změny v pohybu nebo sekreci buněk nemusí zahrnovat změny v genové expresi a probíhají mnohem rychleji (sekundy nebo minuty) proteiny jsou přítomné v buňce je vyžadována genová exprese Rychlost odpovědi – příklad 2 Synaptické reakce zprostředkované změnami membránového potenciálu mohou nastat v milisekundách proteiny jsou přítomné v buňce je vyžadována genová exprese Dutý spoj ➢ umožňují sousedním buňkám sdílet signalizační informace ➢ je úzký kanál naplněný vodou ➢ přímo spojují cytoplazmu sousedních buněk ➢ umožňují výměnu anorganických iontů a dalších malých ve vodě rozpustných molekul, ŽÁDNÉ MAKROMOLEKULY ➢ umožňují reagovat na extracelulární signály koordinovaným způsobem Příklad dutých spojů ➢ Pokles hladiny glukózy v krvi uvolňuje noradrenalin ze sympatických nervových zakončení ➢ Noradrenalin stimuluje hepatocyty v játrech, aby zvýšily rozklad glykogenu a uvolňovaly glukózu do krve ➢ Ne všechny hepatocyty jsou inervovány nervy ➢ Inervované hepatocyty přenášejí signál přes duté spoje Rozdílnost odpovědí Odpověď buňky na extracelulární signály závisí nejen na receptorových proteinech, ale také na intracelulárním aparátu, kterým signály interpretuje. Neurotransmiter acetylcholin 1) snižuje rychlost a sílu kontrakce v buňkách srdečního svalu 2) stimuluje buňky kosterního svalstva ke kontrakci 3) stimuluje sekreci v buňkách slinných žláz Různé receptory Různé receptory = různé působení podobných buněk Různé typy buněk Různé buňky Stejné receptory Rozdílný efekt ➢ signály jsou v různých buňkách interpretovány odlišně Gradient morfogenu Stejný signál působící na stejný typ buňky může mít kvantitativně odlišné účinky v závislosti na koncentraci signálu morfogen = signální molekula během vývoje Exprese různých sad genů Aktivace intracelulárních proteinů Oxid dusnatý (NO) Steroidní hormony Oxid dusnatý Jedna z důležitých signálních molekul, které aktivují intracelulární receptory ➢ je schopen snadno procházet přes plazmatickou membránu cílové buňky ➢ působí jako signální molekula u živočichů i rostlin ➢ jednou z mnoha jeho funkcí je svalová relaxace Role NO při svalové relaxaci nerv uvolňuje acetylcholin acetylcholin působí na endotel endotel uvolňuje NO relaxace hladkého svalstva ve stěně dilatace cévy Krevní céva s autonomním nervem Mechanismus působení NO ➢ uvolněný acetylcholin aktivuje NO syntázu (eNOS) v endoteliálních buňkách ➢ NO difunduje do sousedních buněk hladkého svalstva ➢ NO se váže a aktivuje guanylylcyklázu za vzniku cGMP ➢ cGMP spouští reakci, která způsobuje relaxaci enhancing blood flow through the blood vessel Hydrofóbní signální molekuly Difunduje přímo přes plazmatickou membránu a váže se na genové regulační proteiny ➢ Steroidní hormony ➢ Thyroidní hormony ➢ Retinoidy ➢ Vitamín D Příklady ➢ různé struktury ➢ působí podobným mechanismem ➢ váží se na příslušné intracelulární receptorové proteiny a mění schopnost těchto proteinů řídit transkripci specifických genů Intracelulární receptory a efektory Dané proteiny slouží jak jako intracelulární receptory, tak jako intracelulární efektory signálu Jsou strukturálně příbuzné a jsou součástí velmi velké rodiny jaderných receptorů Všechny jaderné receptory se vážou na DNA buď jako homodimery nebo jako heterodimery Intracelulární receptory a efektory https://doi.org/10.1038/nrm.2016.122 Inaktivní receptor Neaktivní receptorový protein je vázán na inhibiční proteiny Aktivní receptor Vazba ligandu na receptor způsobuje: ➢ ligand-vazebná doména receptoru se sevře kolem ligandu ➢ inhibiční proteiny disociují a ➢ koaktivátorové proteiny se váží na doménu aktivující transkripci receptoru = genová exprese The three-dimensional structure … … domény vázající ligand s… domény vázající ligand s a bez navázaného ligandu Modrá alfa šroubovice funguje jako víko, které se zaklapne, když se ligand (červený) naváže, a zachytí ligand na místě Odpovědi na steroidní hormony ➢ Transkripční odpověď obvykle probíhá ve více krocích ➢ V případech, kdy vazba ligandu aktivuje transkripci, dochází k přímé stimulaci malého počtu specifických genů během asi 30 minut = primární odpověď ➢ Proteinové produkty těchto genů aktivují další geny, aby vyvolaly opožděnou sekundární odpověď ➢ Navíc některé z proteinů produkovaných v primární odpovědi mohou působit zpětně a inhibovat transkripci genů primární odpovědi = negativní zpětná vazba Primární a sekundární odpověď Cell Membrane Nucleus CD14 MD2 TLR-4 LPS IKK I-B NF-B   TNFR-1 TNF-α Transcription of early genes MEK1/2MKK3/6MKK4/7 ERK1/2p38JNK c-JUNc-FOSAP-1 IFN-γ IFNGR JAK1JAK1 STAT1 STAT1 STAT1 STAT1 STAT1 Point of inhibition by natural compounds Syk PI3K Akt IRF-1 IRF-1 Transcription of delayed genes TNF-α IL COX CCL MMP … Tři největší třídy membránových receptorových proteinů • Receptory spojené s iontovými kanály • Receptory spojené s G-proteiny • Receptory spojené s enzymy Receptory spojené s iontovými kanály ➢ zprostředkováno malým počtem neurotransmiterů, které přechodně otevírají nebo uzavírají iontový kanál tvořený proteinem, na který se vážou, a krátkodobě mění propustnost iontů Umožňuje rychlou synaptickou signalizaci mezi nervovými buňkami a jinými elektricky excitovatelnými cílovými buňkami (nervy, svaly) Receptory spojené s G-proteiny ➢ trimerní GTP-vázající protein (G protein) zprostředkovává interakci mezi aktivovaným receptorem a tímto cílovým proteinem ➢ aktivace mění koncentraci intracelulárních mediátorů nebo iontovou permeabilitu Působí nepřímou regulací aktivity samostatného cílového proteinu vázaného na plazmatickou membránu (enzymu nebo kanálu) Receptory spojené s enzymy ➢ obvykle jednoprůchodové transmembránové proteiny, které mají své vazebné místo pro ligand vně buňky a své katalytické nebo enzymové vazebné místo uvnitř ➢ jsou to buď proteinkinázy, nebo s nimi spojené Buď fungují přímo jako enzymy, nebo se spojují s enzymy, které aktivují Intracelulární signální dráhy ➢ řada signálních proteinů a malých intracelulárních mediátorů přenáší extracelulární signál do jádra Signál je: ➢ změněn (převeden) ➢ amplifikován ➢ šířen ➢ modulován Konečný efekt jednoho signálu závisí na více faktorech konečně 3. Vnitrobuněčná signální kaskáda, signální molekuly Význam signální kaskády: ➢ Fyzický přenos z místa přijetí do místa odpovědi ➢ Transformace signálu do potřebné molekulární podoby ➢ Transdukce signálu - přeměna signálu z jedné formy na druhou (např. z elektrické na chemickou, apod.) ➢ Větvení signálu – ovlivnění více dějů současně ➢ Integrace signálu – děj vyžaduje aktivaci více receptorů ➢ Modulace přenosu signálu dle aktuálních podmínek vně a uvnitř buňky ➢ Amplifikace signálu – zesílení signálu Dva typy intracelulárních signálních proteinů Intracelulární signální síť – NF-κB příklad Zpětná vazba buněčné signalizace Fig. 2. PPIs generate hidden feedback/feed-forward loops and complex behaviours. (a) A single PPI linking unmodified components belonging to different layers of a cascade could induce bistable switches (modified moieties are denoted with a star, hereafter), caused by a hidden double-negative feedback illustrated in the right panel. (b) A PPI linking unmodified/modified cascade components could induce sustained oscillation, triggered by a hidden negative feedback depicted in the right panel. (c) Coupled PPIs motif linking unmodified forms of the cascade components could generate oscillation and biphasic doseresponse, brought about by a hidden negative feedback or a incoherent feed-forward (IFF) loop (right panel). https://doi.org/10.1016/j.semcdb.2015.09.024