FYZIOLOGIE BUNĚČNÝCH SYSTÉMŮ Doc. RNDr. Kozubík Alois, CSc. - Doc. RNDr. Hofmanová Jiřina, CSc. oborciloř ytokinefciky Aiofyzikólní ústav AVČA, AANO Diferenciace proliferation apoptosis (necrosis) % time (t) Cwoborolor ytokinetiky lorvdkdlnr uilov flVCft, MNO E among different types of human cancer cells Differences in the proteins expressed by two human tissues (A) human brain (B) human liver _c ü 01 J?'55 _o ■ -* - * •■ ■ w * * _ _ ---* m - * -p - V - i - - v-.- --.'-.*■-1 .!.#*.# — -• * - « ** * • -c ■ . ... — • .... -.... m* * * mm acidic isoelectric point basic Figure 7-4. Molecular Biology of the Ceil, 4th Edition_ Polyklonální charakter kostních buněk Obr. 1. Přirovnání kmenové buňky ke stromu: a - kmenová buňka v embryonální době b - kmenová buňka v dospělosti a >4J s © >s © © 0> 100 °/d 50 % - 0% CFU-S -Pluripotentní buňka již neschopná vytvořit slezinnou kolonii BFU-E CFU-E CFU-C CFU-eozinofilů CFU-Meg CFU-makrofágů2 CFU-BL3 CFU-TL3 erytroblasty - myelocyty - megakaryocyty o f CFU - C CSF Qinhi-^^X •"•->( M J C produkce inhibitoru tvorby CSF G - granulocyty M - makrofágy Spolupůsobení „regulátorů růstu" rozdílné chemické povahy The four important families of small organic molecules in cells Oncogenes erb B2/neu fes/fps f9 r fyn kit Ick met ret sea src trk yes Growth factor fgf-5 sis hst int-2 Receptor bek fms erb B mas fkq ros Tyrosine kinase abl G protein rab ras ral Serine kinase U mil/raf pks mos raf pim-1 rel Nuclear fos myc jun ski mvb Growth factor Receptor Transducer Effector 2nd messenger Target _ Receptor. ReceptOL. G protein _ PLCy_ _ ReceptOL. 1 G protein .Receptor tyrosine., kinase PLA2 _ Receptot. G protein .Na+/H-_ AdenylyL m CD > ~Z. m Regulatory proteins A^achiíonatóan,i,^0r, «**"• /A PG TX A DG IP3^[Ca2+]i PKC PK(?) Calmodulin Jí_A_± 1 i [pH]i I ? CAMP^; 1 ' PKA ~ RNA/protein synthesis DNA synthesis c o r-m According to: G.Powis: TiPS; 12: 188 -194, 1991 laboratoř ytokinetiky Riefyzikální ústov AVČA, ARNO STRUKTURNÍ ÚLOHA FOSFOLIPIDŮ V BUŇKÁCH MEMBRÁNOVÉ SYSTÉMY a buněčné kompartmenty protientropické důsledky LU O LU O a. n - 6 n -3 n - 9 KONCENTRACE MASTNÝCH KYSELIN D.G.Cornwell and N.Morisaki. Free Radicals in Biology. Vol.6. 1984 n - 6 n 3 n-9 KONCENTRACE MASTNÝCH KYSELIN D.G.Cornwell and N.Morisaki. Free Radicals in Biology. Vol.6. 1984 LU O LU O a. n -6 >-z Q Z < í co o a. KONCENTRACE MASTNÝCH KYSELIN D.G.Cornwell and N.Morisaki. Free Radicals in Bioloav. Vol.6. 1984 I-l-I-J J AI ! ylokineliky niarv'ihälnf ústav HVČR. BRNO CYCLOOXYGENASES TXB2 PGG2 PGH2 TXA2 PGI2 PGD2 PGE2 0 OH OH MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS PLA2 COOH I EPOXYGENASES (P450) EPOXYACIDS, DIOLS, etc. LIPOXYGENASES I LTA4 OH LTB4 COOH C5H11 '' s PGE2: LTC4: COOH CH2 CH CO NH CH2 COOH NH COCH2CH2CHCOOH NH2 LTC4 Lte, [ LTF4 I t oborcilor ytokinetik v nioFyzikälni üilow AVCR, ARNO Arachidonic acid: metabolic pathways and its possible modulations I MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS I INDOMETHACIN DICLOPHENAC CYCLOOXYGENASES t PROSTAGLANDINS THROMBOXANES PROSTACYCLINS ETYA ARACHIDONIC ACID C SKF525A, 9-HE P450-MONOOXYGENASES IEETs HETEs DIOLS abbreviations: ETYA = 5,8,11,14-eicosatetraynoic acid ESC = esculetin NDGA = nordihydroguaiareticacid FLAP = 5-lipoxygenase activating protein 9-HE = 9-hydroxyellipticin HETEs = hydroxyeicosatetraenoic acids HPETEs = hydroperoxyeicosatetraenoic acids EETs = epoxyeicosatrienoic acids SKF525A= proadifen 12-LIPOXYGENASE 5-LIPOXYGENASE 12-HETEs 12-HPETEs LEUKOTRIENES FLAP MK - 886 (15-LIPOXYGENASEJ oborolor AioryzHfAInf Oslov AVCA. ARNO According to: A. Sellmayer et al. Prostaglandins, Leukotrienes and Essential Fatty Acids ; 57: 353 -357, 1997. O growth factors hormones O receptor PLA AAAAAAAA .WVVVWV I AA cyclooxygenases lipoxygenases CP450 monooxygenases i eicosanoids -ion channel activity - guanylate cyclase - adenylate cyclase - protein kinase C -protein kinase A - tyrosine kinase - MAP kinase - G-proteins ■--*v. transcription factors i gene expression cell growth 2 pokračování STRUCTURÁLNÍÚLOHA FOSFOPIDŮ v BUŇKÁCH Přirozené funkce membránových lipidů TRUKTURN FUNKČNÍ (REGULAČNÍ) ^ oboroloř ytokinetik y Biofyzikálni Ostav AVČR, BRNO CYCLOOXYGENASE S I PGG2 I PGH2 I Itxa PGI- PGD PGE MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS PLAo TXB2 O OH OH I COOH EPOXYGENASES (P450) LIPOXYGENASE LTA4 EPOXYACIDS, DIOLS, etc. OH C5H11 PGE2: LTC4: COOH .TB COOH '' S CH2 856i?NH Cl_l2 NH COCH2CH2CHCOOH NH2 LTC ltd4 [lte4| (lTf4 Signal transmission systems / DAG 1 ATP cAMP IP3 arachidonic acid (AA) R receptor G-protein prostaglandins (PG) leukotrienes positive effect on cell proliferation- an example Ca 2+ Ca 2+ I ■■■■■■■■■■ 11 JJ ■■ ■■ II I ■■■■■■■■ I |l I A^bT5HET^H'-^A^|LTC4[o\ / 5-LOX pla2 / I \ Nuclear responses I Negative effect on cell proliferation- an example Phorbol esters RESPONSE DNA synthesis GO G1 S cell cycle phases Protein kinases and phosphatases Phospholipase C Phospholipase A. Phospholipase D y Ca2+ FFA LysoPC DAG Transient PKC activation Sustained PKC activation _i i_ Early responses e.g. Secretion Release reaction Late responses e.g. Proliferation Differentiation Spolupůsobení „regulátorů růstu" rozdílné chemické povahy SIGNAL (e.g. cytokines) W CI oborciler ytokinetiky AS^C-Sk^l^tf .'—L_.. Aurn AAUA Význam rovnováhy v přísunu prekursorových PUFAs v produkci jednotlivých jejich metabolitů oboroloř ylokineliky fliefyzikólní úslov flVČIl, RRNO Arachidonic acid: metabolic pathways and its possible modulations MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS INDOMETHACn DICLOPHENAC CYCLOOXYGENASES ^...... SKF525A, 9-HE P450-MONOOXYGENASES * EETs HETEs DIOLS abbreviations: ETYA = 5,8,11,14-eicosatetraynoic acid ESC = esculetin NDGA = nordihydroguaiareticacid FLAP = 5-lipoxygenase activating protein 9-HE = 9-hydroxyellipticin HETEs = hydroxyeicosatetraenoic acids HPETEs = hydroperoxyeicosatetraenoic acids EETs epoxyeicosatrienoic acids SKF525A ~ proadifen- 12-LIPOXYGENASE^^i^ 5-LIPOXYGENASE LEUKOTRIENE S FLAP MK - 886 (^LIPOXYGENASE,) Figure 1 VORE et al., J. Immunol. : 11, 4S5 -442, 1989 ylokineliky niorvzil<ólm ústav HVČR. MNO some interactions of TGF-P1 and AA metabolism with other regulatory molecules which should be studied (unknown effects) lytokinetiky Sief yzikölnf üslav AVCA, ARNO TGF-ßl effect lipoxygenase inhibitors differentiation agents + (MK886, esculetin) + (TPA, RA, DMSO) cell membrane induction of differentiation inhibition of proliferation cell cycle turnover unknown well documented MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS CYCLOOXYGENASES P450 9 PROSTAGLANDINS THROMBOXANES PROSTACYCLINS 12-LIPOXYGENASE 12 HPETs 12 HETEs 5 - LIPOXYGENASE LEUKOTRIENS FLAP MK-886 (15 -LIPOXYGENASE) Ovlivnění metabolismu eikosanoidů I. dodáním exogénni kyselimy arachidonové (AA) II. ovlivněním produkce eikosanoidů s využitím inhibitorů: LPO nebo CO nebo P450 TGF- b1 TNFa TGF-py TNFa TGF- b1 TNFa TGF-py TNFa diferenciace (+) po indukci do: granulocytů nebo monocytů -makrofágů + Vytvoření souboru dat detekcí proliferace, diferenciace a apoptózy u buněk v definovaných časových intervalech Zhodnocení dat: vymezení významných interakcí pomocí matematické analýzy dat upřesnění modelových exp. podmínek pro detailnější studium mechanismů Factor 1 - concentration An example of interactions of two factors (data from Eur. J. Pharmacol. 316, 349-357, 1996, see Publications.) Mitogens Growtl| Factors Hormones Serum Nutrient/GF Deprivation' ? Heat Cytokines! __ Ipkc spl I-1 Caspases | > f ^ Environmental Stress UV light Ionizing Radiation Chemotherapy Xenobiotics 02, TM, Heat AT c-jun, c-fos _ antioxidants || \ (dna^ c-Abl 1 Ku 1 X 1 GADD45 p?1 I PC NA replication I According to: Rizzieri: Drug Resistance Updates; 1: 359 - 376, 1998 ciborator ytokinetiky ßiofyzikälni üslov IWCR, BRNO 1 vciborciloř ^^ytokinetiky Biofyzikálni ústav I1VČA, BRNO některá OBECNÁ VÝCHODISKA, DŮLEŽITÁ PRO POSTIŽENÍ CHOVÁNÍ A SMĚROVÁNÍ BUNĚČNÝCH POPULACÍ, Z NICHŽ LZE VYCHÁZET, MOHOU BÝT TATO: Zachování rovnováhy v neiširším slova smvslu mezi produkcí buněk (intenzitou proliferace) a jejich úbytkem (např. smrtí apoptózou) je podmínkou pro zachování homeostázv na tkáňové úrovni. Proto změny v intenzitě proliferace, diferenciace a apoptózy po působení jakýchkoli podnětů, jež mohou tyto procesy ovlivnit, lze chápat jako integrální ukazatele porušení této homeostázy. Vhodný způsob detekce těch změn, které vedou k trvalejšímu porušení rovnováhy mezi produkcí a úbytkem buněk může celkově odrážet nejen poruchy, které jsou základem tzv. proliferativních chorob (nádorových onemocnění), ale být i ukazatelem procesů vedoucích k obnově porušené rovnováhy. Parametry, jimiž lze postihnout tyto tendence, by proto měly být předmětem zájmu nejen teoreticky orientovaných pracovníků, ale i laboratoří zabývajících se účinky škodlivých látek vnějšího prostředí, šlechtitelských a zejména klinicky orientovaných laboratoří. Cvoborciloř ytokinetiky Biofyzikálni ústav AVČR. BAŇO Co by mělo být rozhodováno nejdřív: Proč chceme studovat, jaký je opravdový zájem? Na základě čeho se rozhodujeme? Kdy začít a proč? Vlastní projekty a aplikace. Kde začít? Jaké máme možnosti uplatnění po skončení studia? v oberoloř _____________________________ ^hfl ytokinetik y Biofyzikálni ústav flVČR, BRNO růstové signály jk^zAl LLiB Lh~jJ Ix^S^A^A^JJ-LLS kEj SI^aS l3xl proteins control gene transcription in procaryots negative regulation bound repressor protein prevents transcription ligand Ibinds "o remove {regulatory Iprotein from dna bound repressor protein 4 addition of ligand switches gene on by removing repressor protein ligand Ibinds ro allow iregulatory protein to Ibindto dna li gene off ligand binds ho remove regulatory protein from dna gene off removal of ligand switches gene on by removing repressor protein inactive repressor (b) positive regulation bound activator protein promotes transcription bound activator protein rna polymerase GENE ON addition of LIG7VND switches gene off by removing activator protein protein ligand binds ho allow regulatory protein to bind to dna GENE ON mRNA 3' removal of ligand switches gene off by removing activator protein protein 1 of 2. Molecular Siology of the Ceil, 4ih Edition. Figure 7-36 part 2 oF2. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. According to: A. Seilmayer et al. Prostaglandins, Leukotrienes and Essential Fatty Acids ; 57: 353 -357, 1997. O growth factors hormones O receptor PLA AAAAAAAA .WVVVWV I AA cyclooxygenases lipoxygenases CP450 monooxygenases i eicosanoids -ion channel activity - guanylate cyclase - adenylate cyclase - protein kinase C -protein kinase A - tyrosine kinase - MAP kinase - G-proteins ■--*v. transcription factors i gene expression cell growth 2