BUNECNA KOMUNIKACE Cesta od jednobuněčných k mnohobuněčným organismům (asi 2,5 bil. let) Dáno zejména potřebou vytvoření signálních mechanismů, které umožňují vzájemnou komunikaci buněk, aby chování buněk mohlo být správně koordinováno. Selhání této kontroly - patologické stavy, např. vznik nádorového onemocnění Organizace tkáně je zachována díky třem faktorům: 1. Buněčná komunikace - buňky kontrolují své okolí a vnímají signály od ostatních buněk (růstové faktory, faktory pro přežití). Nové buňky vznikají pouze tehdy a tam, kde je třeba. 2. Selektivní mezibuněčná adheze - různé buňky mají na povrchu různé adhezívní molekuly, které mají tendence vázat se k buňkám stejného typu, s určitými jinými buněčnými typy nebo specifickými složkami extracellular matrix. Zabraňuje chaotickému míchání různých buněčných typů. 3. Buněčná paměť - speciální formy genové exprese vzniklé během embryonálního vývoje jsou stabilně udržovány - buňky si uchovávají svůj charakter a přenášejí ho na potomstvo. r Chování buněk a rovnováha v bunečných populacích jsou regulovány komplexním integrovaným komunikačním systémem, který zahrnuje signály mimobuněčné, mezibuněčné a vnitrobuněčné. Živočišné buňky obsahují systém proteinů, který jim umožňuje reagovat na signály jiných buněk. Zahrnuje receptorové proteiny na buněčném povrchu nebo uvnitř buněk (v cytoplasmě nebo v jádře), proteinové kinázy, fosfatázy, proteiny vážící se na GTP a řadu dalších vnitrobuněčných proteinů, se kterými tyto signály interaguií. J Nongenotoxic chemicals (e.g.: TPA, DDT and Phenobarbital) Cell adhesion molecules Endogenous regulators (e.g.: hormones, growth factors, neurotransmiters) Extracellular r^mmimiratinn nucleus ................ nucleus,1 Cytoplasmic receptor Second messages 0^ projtein Active Q protein Intracellular communication Gap junction llntercellular communication! A alters membrane function B activates inactive proteins C modulates GJ function D modulates gene expression According to: J.E.Trosko: Environmental Health Perspectives; 106: 331 - 339, 1998 Synaptické - nervové buňky nebo neurony, produkce neurotransmiteru. Působí méně ve vyšších konc.(5xl0-4 M) a jejich receptory mají relativně nízkou afinitu ke svým ligandům. Endokrinní - hormony přecházejí krevním řečištěm k cílovým buňkám. Tyto signály jsou relativně pomalé proti nervovým signálům, působí však ve velmi nízkých koncentracích (méně než 10"8 M) Parakrinní - lokální ovlivňování buněk na krátké vzdálenosti (cytokiny, eikosanoidy) Autokrinní - buňka vysílá signál, který se váže zpětně na její receptor. Důležité při raném vývoji a odpovědi na diferenciační signály a u eikosanoidů. Formy mezibuněčných signálů {A) CONTACT-DEPENDENT signaling cel! target cell membrane bound signal molecule (C) SYNAPTIC neuron synapse (B) PARACRINE local mediator cell body target cell neurotransmitter (D) ENDOCRINE receptor endocrine cell r\ target cell hormone £ bloodstream target cell JFigure 15-4 part 2 of 2. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. Rozdíl mezi endokrinním a synaptickým signálem {A) ENDOCRINE SIGNALING endocrine cells *• C hormones ones f , bloodstream target cells (B) SYNAPTIC SIGNALING neurons .8 1 c neurotransmitter |Figure 15-5 part 1 of 2. Molecular Biology of the Cell, 4th Editior ■ Autokrinní signál A SINGLE SIGNALING CELL RECEIVES A WEAK AUTOCRINE SIGNAL IN A GROUP OF IDENTICAL SIGNALING CELLS, EACH CELL RECEIVES A STRONG| AUTOCRINE SIGNAL iFJQuffe 15-6. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. r o TRANSDUKCE (PRENOS) SIGNÁLU Zpráva přijatá na povrchu buňky je předávána od jednoho souboru vnitrobuněčných signálních molekul ke druhému, přičemž každý soubor vyvolává tvorbu dalšího. Klíčové vnitrobuněčné signální proteiny - molekulové přepínače - jsou signálem převedeny z neaktivního do aktivního stavu a pak zase inaktivovány signalizace fosforylací - aktivace kinázou a inaktivace fosfatázou signalizace pomocí GTP-vazebných proteinů - aktivace převod GDP-GTP, inaktivace hydrolýzou GTP Nakonec je např. aktivován metabolický enzym, zahájena exprese genu nebo změněn cytoskelet - výsledkem je biologická odpověď buňky Zjednodušené schéma vnitrobuněčné signálni dráhy aktivované mimobuněčnou signálni molekulou EXTRACELLULAR SIGNAL MOLECULE RECEPTOR PROTEIN INTRACELLULAR SIGNALING PROTEINS £3 metabolic gene regulatory cytoskeletal enzyme protein protein I I I altered gene altered cell expression movement TARGET PROTEINS altere_ metabolism fixnration shape or Figure 15-1. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. r ZÁKLADNI FUNKCE SIGNÁLNI KASKÁDY VNITROBUNECNÝCH MOLEKUL Fyzicky přenášejí signál z bodu, kde byl přijat, do buněčného aparátu, který vytvoří odpoveď Transformují signál do molekulární podoby, která může odpověď stimulovat Signální kaskády mohou přijatý signál zesilovat. Pak několik extracelulárních signálních molekul vyvolá rozsáhlou odpověď Signální kaskády mohou signál rozdělit tak, aby současně ovlivnil několik dějů a mohl být předán různým cílům uvnitř buňky - rozvětvený tok informace a komplexní odpověď Každý krok signální kaskády je otevřen působení dalších faktorů a přenos signálu může být modulován J Různé typy vnitrobuněčných signálních proteinů účastnících se signální dráhy od receptoru na povrchu buňky k jádru receptor protein Iplasma membrane extracellular signal molecule latent gene regulatory proteinl CYTOSOL bifurcation protein amplifier and transducer protein intracellular ujjiiii ™diator O O G G G O G O"" integrator protein \ /GOanchoring I proteinic Hl • GGG J I i>-<2__ messenger nuclear envelope ^ protein «■— 8 modulator protein NUCLEUS target protein activated gene signal response element GENE TRANSCRIPTION! Signální proteiny a vnitrobuněčné mediatory předávají mimobuněčný signál do buňky a způsobují změny genové exprese. Mohou signály 1) pouze předávat dál (relay) 2) přenášet z j ednoho místa buňky na j iné (messenger) 3) Vázat navzájem signální proteiny (adaptor) 4) Zesilovat (ampifier) 5) měnit na jinou formu (transducer) 6) Rozdělit (bifurcation) 7) Integrovat(integrator) Kromě toho existují proteiny modulující (modulator), ukotvující (anchorage) nebo spojující (scaffold) signální molekuly |Ftgure 16-16. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. Integrace signálu HA) DOWNSTREAM SIGNALS DOWNSTREAM SIGNALS figure 15-18. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. Dva typy vnitrobuněčných signálních komplexů |{A) PREFORMED SIGNALING COMPLEX ON SCAFFOLD inactive receptor ICYTQSOL scaffold^ protein signal molecule -activated receptor (B) ASSEMBLY OF SIGNALING COMPLEX FOLLOWING RECEPTOR ACTIVATION | signal molecule inactive receptor * inactive intracellular signaling protein 1 inactive intracellular signaling protein 2 inactive intracellular signaling protein 3 activated intracellular ^ KL signaling protein 1 jí^\ activated C 2 [— intracellular inactive JlU signaling protein 2 intracellular M\> activated signaling-rjT |Wi 3 V- intracellular proteins y> V signaling protein 3 m '/Ti" * downstream signals activated intracellular signaling proteins ví' downstream signals activated receptor |Figure 15-19 part 1 of 2. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. Vytváření stabilních a přechodných signálních komplexů závisí na řadě vysoce konzervovaných, malých vazebných domén nalezených u mnoha vnitrobuněčných signálních proteinů (Src homologní 2 a 3 domény - SH2, SH3, phosphotyrosine-binding (PTB) domény). Některé povrchové receptory a vnitrobuněěné signální proteiny se sdružují přechodně ve specifických mikrodoménách lipidové dvoj vrstvy plasmatické membrány bohatých na cholesterol a glykolipidy - tzv. lipidové rafty. Vazby v těchto raftech pomocí kovalentně připojených lipidových molekul podporují rychlost a účinnost signálního procesu a usnadňují spojení a interakce signálních molekul. Lipids Glyceryl p hos p hat Idyll nosltol (G P I) Proteins Cholesterol M Carbohydrate Figure 21 The Fluid-Mosaic-Model of the cell membrane. Like a mosaic, the cell membrane is a complex structure made up of many different parts, such as proteins, phospholipids and cholesterol. The relative amounts of these components vary from membrane to membrane! and the types of lipids in membranes can also vary. Pietzsch J et al., Nature Reviews, October 2004 LIPIDOVE RAFTY malé oblasti proteinů a lipidů (mikrodomény) ve vnější části membrány s unikátním složením lipidů - bohaté na sfingolipidy a cholesterol. Sfingolipidy obsahují dlouhé řetězce nasycených kyselin, jsou pevně vázány v dvojvrstvě (packing)- tvoří gelovou fázi. Po vazbě s cholesterolem se struktura mění - tekutá fáze - více fluidní Tvto strukturv i sou funkčně zahrnuty v kompartmentalizaci, modulaci a integraci buněčných signálů modulují důležité procesy jako buněčný růst, přežití a adhezi. Zahrnují nebo vylučují specifické proteiny. Water -Hydrophobic tails Hydro phi He head Watei Rgure 1 | Basic structure of trie lipid bilayer. Phospholipids: the type of lipid that makes up the majority of lipids found in the cell membrane, are made up from a phosphate head (circles) that likes water and a fatty-acid, or lipid, tail (lines) that hates it. In an aqueous environment; such as that found in cells, th ese lipids line up so as to limit the exposure of the hydro phobic portions to water, thus forming a membrane layer. Saturated n HHHHHHHHH U. l. l I . l p.I. i r i C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-H sp i I I p r I lii HHHHHHHHH H Unsaturated H H H H H H ^c-c-c-c-c-c-c=c ' y H H H H i H } t H Bex 1 | What are lipid rafts? Lipid rafts are sphingolipid- and cholesterol-rich membrane microdomains in the outer leaflet of the plasma membrane. TJie plasma membrane is composed primarily of sphi ii£olipidsk phospholipids and cholesterol. Sphingolipids differ from most phospholipids in that they have long! largely saturated acyl chains that allow theni 1o pack tightly in a bilayer, forming a gel phase in whidi there is >ery little lateral nio\ement or diffusion. The gel phase of the sphingolipids is altered by the association of cholesterol, viiidi condenses the packing of the sphingolipids by occupying the spaces between the acyl chains. So, cholesterol-containing sphinjolipid microdomains exist in a liquid-ordered phase that is significantly more fluid than the gel phase. By contrast, phospholipids are ridi in unsaturated acyl chii ins thiit tend 1o be kinked and consequently to pack loosely into a liquid-disordered phase thai is considerably more fluid, allowing rapid later ill movement within the bilayer. The different packing of the sphingolipids and phospholipids probably leads to their phase separation hi membrane Mayers. Sphingolipid microdomains float in a phospholipid bilayer, leading to the coining of the term lipid rafts*. Cholesterol preferentially partitions into the liquid-ordered phase rather than the Kquid-disordered phospholipid bilayer and is essential for the maintenance of the two phases. The membrane outer leaflet rafts are believed to be Jinked to an inner leaflet that is probably rich in phospholipids with saturated fatty acids and cholesterol. The size of rafts and their lifetimes hi the membranes of resting cells are uncertain. Current evidence indicates that the elemental rafts might be small (2 containing only several thousand molecules and thereto re accommodating only a few proteins. Rafts >vere shown selectively to include some proteins and to exclude others, so rafts provide a mechanism for the lateral sorting of proteins in the membrane. Modified from Fierce, S. K. Lipid rafts and B-cell activation. Nature Rev. Immunol 2,96-105 (2002) € Macrnfllan Magazines Ltd Phospholipids o ii n II c 0 a \2 i h'— c — ii 0 i — uh l II o 1 h2C — Phospholipid with saturated tall o ■ o II p- -0— R" I o- Phospholipid Sphingolipids h^ — (cbj12 — u = h h I I ;h2 — u — h- HO nh I R Sphlngolipid Cholesterol ho R, F.', Hydrocarbon chains of fatty acids n", I lead graup Cholesterol GPI glycosy (phosphatidyl Inositol LIPIDOVÉ RAFTY A CAVEOLAE V PLAZMATICKÉ MEMBRÁNĚ modifikují aktivaci membránových receptoru a signálních proteinů Figure4 | Model for the organization of rafts and caveolae in the plasma membrane. Lipid rafts (red/green) segregate from he other regions (blue) of the bilayerh whioh have a different lipid composition. The lipid bi layer in rafts is asymmetric, with phingomyelin and glycosphingolipids (both red) enriched in the 'outer' layer known as the exoplasmic leaflet, and glycerolipids ;green) in the 'inner' layer known as the cytoplasmic: leaflet, a | Rafts contain proteins attached to the bi layer by their G PI anchors, by cyi tails (for exam pie. the Src-family kinase Yes)H or through their transmembrane domains. like the influenza virus proteins neuraminidase and haemagglutinin (HA), b | Caveolae are formed by self-associating caveolin molecules making a hairpin loop in the membrane. Interactions with raft lipids may be mediated by binding to cholesterol (brown) and by acylation of carboxy-terminal cysteines (not shewn). Figure modified from Simons. K. & lkonenh E. Functional rafts in cell membranes. Nature 387. 569-572 [1997) © Macrnta Publishers Ltd. MK vázány na albumin v séru Přenos přes membránu difúzí nebo pomocí specifických transportních proteinů (FATPs). Vazba na specifické vazebné proteiny (FABP), přenos na Ascl proteiny katalyzující reakci konvertuj ící volné MK na jejich CoA deriváty. Extracellular fatty acid carrier albumin diffusion ; "flip-flop* \ i fatty acid binding protein 9+ mammalian genes Intracellular fatty acid carrier I Fatty acid transporter and activator? 6 mammalian genes fatty acid transport protein ^CoA acyl CoA CoA synthetase 5 mammalian genes Activates Tdlly dCIQ protein mediated ^CoA Proposed models for FA internalization in neurons. In the diffusion model of E\ internalization, E\s are released from albumin and, owing to their hydrophobicity, partition into the outer leaflet of the plasma membrane. The FAs then "flip-flop" from the outer leaflet to the inner leaflet of the plasma membrane, where they can dissociate or be extracted by FABPs or Ac si proteins. FAs bound to EABPs are ultimately transferred to Acsl proteins, which catalyze the reaction that converts the free EAs to their CoA derivative. The FA-CoA cannot repartition into the membrane owing to the presence of the hydrophilic CoA Additionally, EA internalization may be mediated by EATPs. FATPs may increase the mte or efficiency of FA "flip-flop" or increase FA stability in the inner leaflet, which increases the opportunity for E\s to interact with either EABPs or Acsl proteins. It remains controversial whether FATPs themselves convert the FAs to their FA-CoA derivative. FATTY ACID TRANSLOCASE (FAT/CD36) Protein v plasmatické (mitochondriální?) membráně CD36 - multifunkční adhezní receptor pro trombospodin a kolagen a scavenger receptor pro LDL exprimovaný na plateletech, monocytech ale i jiných typech buněk. Nově prokázána funkce při transportu VNMK i jeho přítomnost v buňkách gastrointestinálníhO traktu (Lobo MVTetal., J Histochem Cytochem 2001, Campbell SE et al, J Biol Chem 2004, Drover VA, J Clin Invest 2005) Ni 1 í i i 1 HUUMMMUMUM FA Extracellular Intracellular FA-CoA Fig. 1. Schematic representation o1 the membrane topology ol fatty acid (FA) transport protein. Lipid droplets (LD) Po dodání mastných kyselin jsou neutrální lipidy syntetizovány v endoplasmatickém retikulu (ER), kde se tvoří a odlučují LD tvořící nezávislé organely ohraničené monovrstvou fosfolipidů a napojených specifických proteinů. Zásobárna energie a zdroj signálních molekul. t = 0 min t= 30 min Cytosol Triacylglycerois and cholesteryl esters Martin S. and Parton RG, Nature Reviews 2006 Figure 1 |The formation of lipid droplets, a | The formation of lipid droplets (LDs) as monitored by the use of a caveolin-truncation-mutant-green-fluorescent-protein fusion protein (Cav3DGV-GFP). Before fatty ackl addition (t = 0 mm), Cav30GV-CFP localizesto the endoplasmic reticulum (ER) and Colgi region (the image has been inverted to show dark staining for C FP). After fatty acid additfo n, LDs appear throughoutthe cell within minutes (the t = 3 0 mm image is shown here). For a movie of this process, see the Further information, b | In the current model of LD formation, neutral lipids are synthesized between the leaflets of the ER membrane. The mature LD is then thought to bud from the ER membrane to form an independent organelle that is bounded by a limiting monolayer of phospholipids and LD-assocf-ated proteins. Some of the best understood LD-associated proteins arc mcinborn of the PAT (porilipin,ADRP and Tl P-17-rcLotod protoinj-dom^in family of proteins. Part a modified with permission from REF. 3 © (Z004) The American Society for Cell Biology. Box 2 I Intracellular cholesterol regulation EarEy sorting Late endosome endosome Lipoprotein hydrolysis Cholesterol synthesis I LD )d Cholesterol storage ■■í: ling endosome Golgi LDL receptor — LDL Lipoprotein uptake Plasma memb "an e e Cholesterol efflux Low free cholesterol High free cholesterol Martin S. and Parton RG, Nature Reviews 2006 i í Lipid bl layer Cytosol Figure 3 | Membrane proteins. Cell surface membranes contain proteins embedded in the lipid bilayer for the regulation of cell behaviour and the organization of cells in tissues. These proteins can be adhesion proteins, which keep cells together (a), and span the membrane once. Alternatively, they can be receptor proteins (b). which can span the membrane once or multiple times. Binding of a signalling molecule to the receptor initiates a response on the other side, which results in the convertsion of one kind of signal or stimulus into another, known as signal transduction. To exist within the inner membrane all these proteins need to have long sequences of hydrophobic (barrels) rather than water-loving (lines) amino acids. Membránové proteiny Zakotvené v lipidové dvoj vrstvě regulují chování buněk a organizaci buněk ve tkáních. Adhezivní proteiny drží buňky pohromadě a překlenují membránu jednou Receptorové proteiny překlenují membránu jednou nebo víckrát. Vazba signální molekuly iniciuje odpověď na druhé straně a dochází k přeměně jednoho typu signálu na jiný - signální transdukce. Tyto proteiny mají na vnitřní straně membrány dlouhé sekvence hydrofóbních aminokyselin Většina mimobuněěných signálů je zprostředkována hydrofílními molekulami. které se váží na receptor na povrchu cílové buňkv. Některé signální molekuly jsou dostatečně hydrofóbní nebo malé, že snadno projdou přes plasmatickou membránu a uvnitř pak přímo regulují aktivitu specifických vnitrobuněčných proteinů. Např. molekuly některých plynů jako je oxid dusíku (NO) nebo uhlíku (CO). NO je vytvářen enzymem NO syntázou deaminací aminokyseliny argininu. NO difunduje skrz membránu buňky, která jej tvoří a prochází do sousedních buněk. Funguje jen lokálně, protože má krátký poločas života, pouze 5-10 vteřin, a v mimobuněčném prostoru je přeměňován na nitráty nebo nitrity. V mnoha cílových buňkách např. v endoteliálních, reaguje NO s železem v aktivním místě enzymu guanylyl cyklázy a stimuluje produkci vnitrobuněčného mediátoru cyklického GMP. Podobně funguje CO. OXID DUSÍKU NO - důležitá signální molekula pro působení acetylcholinu uvolňovaného autonomním nervstvem ve stěnách krevních cév. Uvolněný NO funguje jako relaxační signál a způsobuje uvolnění hladkého svalstva ve stěnách cév. Tento účinek NO na krevní cévy je podstatou působení nitroglycerínu, který je již více než 100 let používán jako lék pro pacienty s angínou pectoris trpících bolestí způsobenou nedostatečným zásobováním srdečního svalu krví. Nitroglycerin je přeměňován na NO, který uvolňuje svaly cév, čímž redukuje nápor na srdce a snižuje tak požadavek srdečního svalu na kyslík. NO je produkován také jako lokální mediator aktivovanými makrofágy a neutrofily a pomáhá jim zabíjet mikroorganismy. NO je využíván řadou typů nervových buněk pro signálování sousedním buňkám: je uvolňován např. autonomním nervstvem v penisu a způsobuje lokální dilataci krevních cév odpovědnou za erekci. Úloha oxidu dusíku (NO) v relaxaci buněk hladkého svalstva cévní stěny activated l nerve terminal acetylcholine arginine r^j ^ctívated NO synthase nitric oxide -7- endothelial cell NO bound to guanylyl cyclase RAPID DIFFUSION OF NO ACROSS MEMBRANES RAPťD RELAXATION OF SMOOTH MUSCLE CELL smooth muscle cell Figure 15-11. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition, Plasma membrane 02 or 02- NO, ROS, ONOO- Nitrosation Oxidation Nitration Metal complexes Protein kinases SAPK, p38, JAK, ERK Protein phosphatases MKP-1, PTP RAS Transcription factors NFkB, AP-1, C/EBP, Sp-1, RXR Nucleus Gene transcription Hypothetical scheme illustrating nitric oxide (NO) modulation of signal flow, leading to the alteration of transcription factor activity and gene expression. {ap-i activator protein 1, erk extracellular signal-regulated kinases, jak Janus protein kinases, mkp-1 mitogen-activated protein kinase phosphatase-1, NFkB nuclear factor kB, NO nitric oxide, 02- superoxide, ONOO peroxynitrite, p38 p38 mitogen-activated protein kinases, PTP protein tyrosine phosphatase, Ras small GTP-binding protein, ROS reactive oxygen species, RXR retionid X receptor, SAPK stress-activated protein kinases) RECEPTORY Většinou transmembránové proteiny, které váží mimobuněčné signální molekuly (hydrofilní) - Ugandy a jsou-li aktivovány vzniká kaskáda vnitrobuněčných signálů, které mění chování buňky. Vnitrobuněčné receptory (v cytoplasmě nebo v jádře) - pro malé hydrofobní Ugandy Každá buňka mnohobuněčného organismu je exponována stovkami různých signálů z prostředí a musí na ně reagovat selektivně. Specificky způsob odpovědi buňky na okolí se liší podle 1) souboru receptorových proteinů, které buňka má, 2) vnitrobuněčné mašinérie, kterou buňka reaguje a interpretuje získanou informaci. Tak iedna signální molekula může mít často rozdílné účinky na různé cílové buňky. Buňka reaguje na různé soubory signálů buď proliferací, diferenciací, nebo vykonáváním specif. funkcí. Signály pro přežití - absence signálů - programovaná bun. smrt J Vazba mimobuněčných signálních molekul k povrchovým nebo vnitrobuněčným receptorům CELL-SURFACE RECEPTORS cell-surface P'asma membrane receptor hydrophilic signal molecule INTRACELLULAR RECEPTORS small hydrophobic signal molecule 7 carrier protein intracellular receptor nucleus Figure 15-3. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. Závislost živočišné buňky na mnohonásobných mimobuněčných signálech B C A SURVIVE B / ■ DIVIDE ^ (D B l DIFFERENTIATE^ "^^^ DIE )X( »II Figure 15-8. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. Různé odpovědi indukované neurotransmiterem acetylcholinem 1(A) heart muscle cell (C) skeletal muscle cell a acetylcholine 1W DECREASED RATE AND FORCE OF CONTRACTION (B) salivary gland cell receptor protein SECRETION CONTRACTION (D) acetylcholine H3C—C—O—CH2—CH2—N— CH3 CH3 figure 15-9, Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. r POVRCHOVÉ RECEPTORY Přenašeče signálů, které přeměňují vnější podnět najeden nebo více vnitrobuněčných signálů. Tři základní typy: 1) vázané na iontové kanály - pro rychlé synaptické signály el. vybuditelných buněk - nervové buňky, neurotransmitery 2) vázané na G-proteiny 3) vázané na enzymy Ad l)a2) Po aktivaci proteinů je zahájena fosforylační kaskáda, kterou je signál přenášen do jádra, kde se mění exprese specifických genů a tím i chování buňky Hlavní typy proteinových kináz - serine/treonin a tyrosin kinázy (asi 2% genomu). Komplexní chování buňky jako je přežívání a proliferace jsou obecně stimulovány spíše specifickou kombinací signálů než jedním samostatným signálem. Buňka musí integrovat informaci přicházející s jednotlivými signály, aby mohla příslušně reagovat - žít či uhynout, proliferovat či zůstat v klidu nebo diferencovat. Integrace je závislá na interakci mezi různými fosforylačními kaskádami proteinů, které jsou aktivovány různými vnějšími signály. J Tři typy buněčných povrchových receptoru 1(A) ION-CHANNEL-LINKED RECEPTORS plasma membrane ions signal molecule (B) G-PROTEIN-LINKED RECEPTORS signal molecule enzyme G protein activated G protein i.C- ENZYME-LINKED RECEPTORS signal molecule in form of a dimer inactive catalytic domain OR active catalytic domain activated enzyme .signal molecule activated I enzyme iFigure 15-1 5 part 2 of 2. Molecular Biotogy of the Cell 4th Edition. VNITROBUNĚČNÉ RECEPTORY Proteiny regulující transkripci genů - superrodina receptoru pro steroidní hormony. Ligandy jsou malé hydrofóbní signální molekuly - steroidní a tyroidní hormony, retinoidy a vitamín D. Typ I: lokalizovány v cytoplazmě v inaktivní formě (často spojeny s tzv. "heat shock proteiny"). Po vazbě Ugandu translokace do jádra. Příklad: receptory pro steroidní hormony (glukokortikoidy, androgen, progesteron, estrogen, dioxinový Ah receptor (vazba s proteinem Arnt) Typ II: lokalizovány v jádře. Po vazbě Ugandu konformační změny. Mohou se vázat na DNA i bez Ugandu. Příklad: thyroidní receptory (TR), receptory pro kys. retinovou (RAR, RXR), vitamín D3 (VDR), peroxisomové proliferátory (PPAR) Dochází k propojení drah signálové transdukce ("cross-talk"). Tvorba homo- a heterodimerů: PPAR-RXR, TR-RAR Aktivované receptory se váží na specifické sekvence DNA - responsivní elementy. Dvoustupňová reakce: a) přímá indukce transkripce malého množství specifických genů během 30 minut - primární odpověď, b) produkty těchto genů pak aktivují další geny a vyvolávají zpožděnou sekundární odpověď. Indukce charakteristické odpovědi u organismu: 1) jen určité typy buněk mají příslušné receptory, 2) každá z těchto buněk obsahuje různou kombinaci jiných (pro buněčný typ specifických) geny regulujících proteinů, které spolupracují s aktivovaným receptorem a ovlivňují transkripci specifického souboru genů. r Některé signální molekuly vážící se k molekulárním receptorům Superrodina vnitrobuněčných receptoru DNA-binding domain •c corlísol receptor estrogen receptor ligand-binding dornain transcription-activating domain progesterone receptor (A) Podobná struktura receptoru s vazebnou doménou (B) Receptorový protein v inaktivní formě vázán na inhibiční proteiny (C) Po vazbě Ugandu disociace inh. proteinu a navázání koaktivátoru k transkripci aktivující doméně receptoru (D) Trojrozměrná struktura domény vážící ligand bez a s navázaným ligandem. Alpha helix (modře) funguje jako víčko zajišťující polohu ligandu Odpovědi indukované aktivací hormonálních receptoru (A) EARLY PRIMARY RESPONSE TO STEROID HORMONE (B) DELAYED SECONDARY RESPONSE TO STEROID HORMONE steroid hormone T— steroid hormone receptor -V secondary-response proteins □O °o < r DNA 1 steroid-hormone-receptor cornpfexes activate primary-response genes DNA c£p ego induced synthesis of a few different proteins in the primary response 8 primary-response protein shuts off primary-response genes a primary-response protein turns on secondary-response genes Figure 15-14 part 1 of 2. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. r Pět způsobů ztráty citlivosti cílové buňky k signální molekule receptor signal protein molecule endosome RECEPTOR SEQUESTRATION lysosorne RECEPTOR RECEPTOR DOWN-REGULATION INACTÍVATION intracellular signaling protein inhibitory protein INACTÍVATION OF PRODUCTION OF SIGNALING PROTEIN INHIBITORY PROTEIN Peroxisome proliferators (fibrates, phtalates, etc.). 9-c/s-RA Nutrition PPAR Fatty acids (PGJ2, LTB4) q*X2)rxr IppRE^A/1 Target genes Transcription_* Proliferation CELL SPECIFIC RESPONSES Differentiation and maturation Apoptosis * Clonal expansion of preadipocytes promoting adipogenesis (participation on PPARy.) * Hypothetical risk in man of cell growth stimulation by activation of PPARs. MEDICAL RELEVANCE * Monocyte / macrophage differentiation (implication of PPAR7) leading to accelerated atherosclerosis. * Protective effects of PPARa. * Adipocyte differentiation responsible of obesity and other related disorders (implication of PPARa.) * Enhanced PPARg expression could lead to tumoral cell apoptosis and represents a therapeutical approach in malignant disease. Importance of PPARs in cell proliferation, differentiation and apoptosis. After activation, PPAR and RXR form heterodimers which bind to DNA regulatory sequences of target genes through interaction with PPRE. The control by PPARs of the transcriptional activity af target genes gives rise to biological effects which may have consequences for human health. LTB4, leukotriene B4; PGJ2, prostagladin J2; PP, peroxisome proliferator; PPAR, peroxisome prolifera-tor-activated receptor; PPRE, peroxisome proliferator responsive element; 9-cis-RA, 9-cis-retinoic acid; RXR, 9-cis-retinoic acid receptor. PP r ■ Schéma signálních drah PPAR CoAct CoRep CoRep CoAct Itlll roli 1 PPARI RXR PPRE PPRE PPARs fungují jako heterodimery s jejich obvyklým partnerem - retinoidním receptorem (RXR). Lipoxygenase Arachidonic acid \ Cyclooxygenase Linoleic acid 1 2-,15-Lipoxygenase ►— * Cö-HO DE >{1 3-HOD ■HÜDE )<1 3-HOD PPRE Figure 1 | Schematic representation of the PPAR signalling pathways, a | Endogenous agonists of peroxisome-pro liferator-activated receptors (PPARs). PPARs are Iigand-inducible receptors, which can be activated by fatty acids — such as arachidonic orlinoleic acids — and their derivatives. The fatty-acid metabolites that activate PPARs are mainly derived from arachidonic or linoleic acids through the cyclooxygenase or the lipoxygenase pathways. The best characterized at the moment are leukotriene B4 (LTB4) and 8S-HETE (hydroxyeicosatetraenoic acid), which preferentially activate PPARa; 15-deoxy-prostaglandin J2 (15-dPGJ2) and 15-HETE, which are PPARy-selectiveligands; and the prostaglandin 12 (PGI2r also called prostacyclin), which is probably a PPARp/5 natural I igand. PPARyis also activated by 9-HODE (hydroxyoctadecadienoic acid) and 13-HODE, either derived from linoleic acid or as components of oxidized low-density lipoprotein (oxLDL). b | PPARs function as heterodimers with their obligate partner retinoid receptor (RXR). The dimer probably interacts with co-regulatorsr either co-activators (CoAct) or co-re pressors (Co Rep). In the unliganded form.. PPARp/5-RXR heterodimerr in contrast to PPARa-RXR and PPARy-RXR heterodimers, recruits compressors and represses the activity of P PA Rot and PPARy target genes by binding to the peroxisome proliferator response element (PPRE) that is present in their promoters6,7. In their liganded form, the PPAR-RXR heterodimers interact with co-activatorsr bind to the PPRE that is present in the promoters of their target genes and activate their transcription. r Activation of IkB kinases (a) (b) Phosphorylation of NF-kB Phosphorylation, ubiquitination and degradation of IkB Nuclear translocation and DNA binding of NF-kB Conformational changes Modulation of nuclear import, DNA binding, protein-protein interactions with coactivators or co-repressors, effects on transactivation kB-dependent and -independent regulation of NF-kB activity, (a) NFkB is activated downstream of IkB kinase (IKK) activation. By phosphorylating IkB, these kinases lead to IkB degradation and nuclear translocation of the released NF-kB. (b) Concomitantly, NF-kB itself is phosphorylated by cytosolic or nuclear protein kinases, which improves the efficiency of NF-kb-induced gene expression. Abbreviations: IkB, inhibitor of NF-kB; NF-kB, nuclear factor kB. Každá volba buňky zahrnuje epigenetické (negenotoxické) mechanismy, které mohou měnit expresi genů na transkripční, translační nebo postranslační úrovni. Modulace mimobuněčné komunikace buď genetickou nerovnováhou růstových faktorů, hormonů, neurotransmiterů nebo látkami z vnějšího prostředí (dieta, chem. látky) může spustit signální vnitrobuněčnou transdukci. Tyto signály pak modulují expresi genů a modulují též GJIC (gap junctional intercellular communication). V mnohobuněčném organismu zahrnuje homeostatická kontrola regulaci buněčné proliferace, diferenciace, programované smrti a adaptivní odpovědi diferencovaných buněk. Když se oplodněné vajíčko vyvíjí v embryo, fetus a dospělý organismus, totipotentní buňky jsou směrovány do pluripotentních kmenových buněk, které proliferují, tvoří progenitorové buňky a pak diferencují, adaptivně reagují a hynou apoptózou. Geny jsou selektivně transkribovány nebo reprimovány během diferenciace, buněčného cyklu, zástavy bun. cyklu, během progr. bun. smrti. Vše jsou to děje řízené epigeneticky. environm. chemicals] drugs, radiation, dietary PUFAs, fiber I changes of membrane properties cytosolic receptors, transcription factors (AhR, NFkB etc.) EXTRACELULLAR STIMULI drug-and hormone metabolizing enzymes INTRACELULLAR SIGNALLING PATHWAYS hormones, growth factors, cytokines membrane receptors prooxidative/ antioxidative balance Main epigenetic (non-genotoxic) mechanisms involved in carcinogenesis CI o rotor Vlokineliky INO Transdukce signálů (kinázy, fosfatázy) Aktivace membrán, i vnitrobun. receptoru - tr. faktorů Složky lipidového metabolismu v buněčných signalizacích Mediatory a modulátory SIGNÁL (např. cytokiny) Exprese proteinů Exprese genů - mRNA n-3 PUFA LNA. DHA n-6 PUFA LA, AA Změny cytokinetiky Mimobuněčné podněty (cytokiny, hormony, polutanty, záření)