Buněčné komunikace
Buněčná 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 extracelulární
matrix (ECM). 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.
2
Chování buněk a rovnováha v buněčných 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
interagují.
3
Accordingto:J.E.Trosko:EnvironmentalHealthPerspectives;
106:331-339,1998
Typy komunikace: mimobuněčná (endogenní regulátory – hormony,
cytokiny, neurotransmitery, exogenní látky – potrava, chemikálie),
vnitrobuněčná (druzí poslové, přenos signálů) a mezibuněčná (gap junctions
– malé signální molekuly – 1kD)
4
Typy signálů
Synaptické – nervové buňky nebo neurony, produkce
neurotransmiteru. Působí méně ve vyšších koncentracích
(5x10-4 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.
5
Formy mezibuněčných signálů
6
Rozdíl mezi endokrinním a synaptickým
signálem
7
Autokrinní signál
8
Komunikace s extracelulární matrix (ECM)
9
ECM produkuje látky (kolagen, laminin, fibronectin), které se váží na buněčné receptory
(integriny, lamininové rec., syndecany) a spouštějí signální kaskády ovlivňující chování
buněk (buněčný cyklus, růst, apoptózu, motilitu, angiogenezi)
LPS
PGE2
tumor
cell
LTB4
INFLAMMATION
IFN-g
+
+
MF
PGE2
lymph
TNF
IL-1
-
-
Faktory
zprostředkující komunikaci mezi
buňkami imunitního systému a nádorovými buňkami
Eicosanoid
Adhesion
molecule
pair
Cytokine
Other mediators
Různé způsoby komunikace buněk imunitního systému v
odpovědi na různé podněty
Stimulus
Response
Cell A Cell B
Transdukce (přenos) signálů
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
12
Zjednodušené schéma vnitrobuněčné signální
dráhy aktivované mimobuněčnou signální
molekulou
13
Základní funkce signální kaskády
vnitrobuněčných molekul
Fyzicky přenášejí signál z bodu, kde byl přijat, do
buněčného aparátu, který vytvoří odpověď.
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.
14
Různé typy vnitrobuněčných signálních proteinů
účastnících se signální dráhy od receptoru na povrchu
buňky k jádru Signální proteiny a vnitrobuněčné
mediátory předávají mimobuněčný signál
do buňky a způsobují změny genové
exprese.
Mohou signály
1) Pouze předávat dál (relay)
2) Přenášet z jednoho místa buňky na jiné
(messenger)
3) Vázat navzájem signální proteiny (adaptor)
4) Zesilovat (amplifier)
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
15
ANALOGIE SIGNÁLNÍCH DRAH V BUŇKÁCH
(zjednodušené schéma)
ANALOGIE SIGNÁLNÍCH DRAH V BUŇKÁCH
(paralelní a křížící se dráhy)
Integrace signálu
18
Dva typy vnitrobuněčných signálních komplexů
19
Předem vytvořená kontrukce
signálního komplexu aktivovaná
po navázání sign. molekuly
Seskupení signálního komplexu
po aktivaci receptoru
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 vnitrobuněčné signální
proteiny se sdružují přechodně ve specifických
mikrodoménách lipidové dvojvrstvy plasmatické
membrány bohatých na cholesterol a sfingolipidy – tzv.
lipidové rafty a kaveoly. Vazby v těchto mikrodoménách
pomocí kovalentně připojených lipidových molekul
podporují rychlost a účinnost signálního procesu a
usnadňují spojení a interakce signálních molekul.
20
Membránové proteiny
Zakotvené v lipidové dvojvrstvě
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
Pietzsch J et al., Nature Reviews, 2004
Model buněčné membrány
21
Fluidní mozaika – buněčná membrána je komplexní struktura složená z
různých částí – proteinů, fosfolipidů a cholesterolu. Relativní množství těchto
komponent i typy lipidů se liší od membrány k membráně.
Lipidové 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
Tyto struktury jsou funkčně zahrnuty
v kompartmentalizaci, modulaci a integraci buněčných
signálů modulují důležité procesy jako buněčný růst, přežití
a adhezi.
Zahrnují nebo vylučují specifické proteiny.
22
Modulace lipidů (DHA)– lipidové rafty –
modulace signálů TNFR
23
Většina mimobuněčných signálů je zprostředkována hydrofilními
molekulami, které se váží na receptor na povrchu cílové buňky.
Některé signální molekuly jsou dostatečně hydrofobní 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.
24
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 nitroglycerinu,
který je již více než 100 let používán jako lék pro pacienty s anginou
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 mediátor 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.
25
Úloha oxidu dusíku (NO) v relaxaci buněk
hladkého svalstva cévní stěny
26
N
O
Hypotetické schema modulace toku signálu oxidem dusíku (NO) vedoucí ke změnám aktivace
transkripčních faktorů a genové exprese (AP-1 aktivační protein 1, ERK mimobuněčným signálem regulovaná
kináza, JAK Janus protein kináza, MKP-1 mitogenem aktivovaná protein kináza fosfatáza-1, NFkB jaderný faktor kB, O2superoxid,
ONOO- peroxynitrit, p38 p38 mitogeny aktivovaná protein kináza, PTP protein tyrosin fosfatáza, Ras malý GTPvazebný
protein, ROS reaktivní kyslíkové metabolity, RXR retionid X receptor, SAPK stresem aktivované protein kinázy)
NO, ROS,
ONOONitrosation
Oxidation Nitration Metal complexes
Plasma membrane
Protein kinases
SAPK, p38, JAK, ERK
O2 or O2-
Protein
phosphatases
MKP-1, PTP
RAS
Gene transcription
Transcription factors
NFkB, AP-1, C/EBP, Sp-1, RXR
Nucleus
27
Boonstra and Post, Gene 2004
Ovlivnění přenosu signálů a účinky ROS na buněčný cyklus a buněčnou smrt
Účinky jsou závislé na dávce a délce expozice
Nekróza
Apoptóza
Zástava bun.
cyklu
Diferenciace
Proliferace
Hulbert AJ et al., Physiol Rev 2007
The importance of fatty acid composition of membranes in the determination of
maximum lifespan (arrow sickness – relative intensity of the process)
Receptory
Většinou transmembránové proteiny, které váží mimobuněčné signální
molekuly (hydrofilní) – ligandy a jsou-li aktivovány vzniká kaskáda
vnitrobuněčných signálů, které mění chování buňky.
Vnitrobuněčné receptory (v cytoplasmě nebo v jádře) – pro malé
hydrofobní ligandy
Každá buňka mnohobuněčného organismu je exponována stovkami
různých signálů z prostředí a musí na ně reagovat selektivně.
Specifický způsob odpovědi buňky na okolí se liší podle souboru
receptorových proteinů, které buňka má, vnitrobuněčné mašinerie,
kterou buňka reaguje a interpretuje získanou informaci. Tak jedna
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 buněčná smrt
30
Vazba mimobuněčných signálních molekul k
povrchovým nebo vnitrobuněčným receptorům
31
Závislost živočišné buňky na mnohonásobných
mimobuněčných signálech
32
Různé odpovědi indukované
neurotransmiterem acetylcholinem
33
Povrchové receptory
Přenašeče signálů, které přeměňují vnější podnět na jeden 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 1) a 2)
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 - serin/treoninové a tyrosinové 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.
34
Tři typy buněčných povrchových receptorů
35
Vnitrobuněčné receptory
Proteiny regulující transkripci genů – superrodina receptorů 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 ligandu 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 ligandu konformační změny. Mohou se vázat na
DNA i bez ligandu.
Příklad: tyroidní 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.
36
Některé signální molekuly vážící se
k molekulárním receptorům
37
Superrodina vnitrobuněčných receptorů
(A) Podobná struktura receptorů s vazebnou doménou
(B) Receptorový protein v inaktivní formě vázán na inhibiční proteiny
(C) Po vazbě ligandu disociace inhibičního 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
38
Odpovědi indukované aktivací hormonálních
receptorů
39
Pět způsobů ztráty citlivosti cílové buňky k
signální molekule
40
HRE
jaderná membrána
jádro
transkripce
odpověď
buňky
AAAA
mRNA
fosforylace
kináza
efektor / kanálG proteinreceptor
receptor
tyrosin
kináza
cytoplazma
tyrosin
kináza
vazba na
G protein
steroid
plazmatická
membrána
receptor
hsp90
fosforylace
STIMULACE ESTROGENNÍHO RECEPTORU
GF – růstový faktor, E2 – estradiol, R-E2 – estrogenní receptor,
ERE – responsivní element DNA, AP-1 –transkripční faktor
PPR
Důležitost PPARs v
buněčné proliferasci,
diferenciaci a
apoptóze.
Po aktivaci, PPAR a
RXR tvoří
heterodimery, které
se vážou na
regulační sekvence
cílových genů
prostřednictvím
PPRE na DNA.
Kontrola transkripční
aktivity cílových
genů PPAR vede k
biologickým účinkům
ovlivňujícím lidské
zdraví.
LTB4, leukotrien B4;
PGJ2, prostagladin
J2; PP, peroxisom.
proliferátor; PPAR,
receptor aktivovaný
PP; PPRE, responsivní
element pro
PP; 9-cis-RA, 9-cisretinová
kyselina;
RXR, receptor pro 9cis
RA.
Peroxisomové
proliferátory
(fibráty, ftaláty
apod.)
Mastné kyseliny
(PGJ2, LTB4)
Výživa
PP
Trankripce
9-cis-RA
RXR
Specifické buněčné odpovědi
Proliferace Diferenciace a zrání Apoptóza
Medical relevance
* Klonální expanze
preadipocytů
podporující
adipogenesi (účast
PPARγ.)
* Hypotetické riziko
buněčné růstové
stimulace aktivací
PPARs.
* Diferenciace monocytů /
macrofágů (podíl
PPARγ)vedoucí k
urychlené ateroskleróze
* Zvýšená exprese
PPARγ by mohla vést k
apoptóze nádorových
buněk a představuje
možný terapeutický
protinádorový přístup* Ochranné účinky
PPARα.
* Diferenciace adipocytů
odpovědná za obezitu a
další poruchy (podíl
PPARα.)
Cílové geny
RXRPPAR
43
Schéma signálních drah PPAR
L
PPAR
PPARPPAR
RXR
RXR RXR
CoRep
CoActCoRep
CoAct
CoRep?
L
PPRE PPRE
PPARs fungují jako heterodimery s jejich obvyklým partnerem – retinoidním
receptorem (RXR)
CoRep korepresor, Co Act koaktivátor,RXR receptor pro retinovou kyselinu X, PPRE responsivní element pro PP
44
Feige JN et al., Progress in Lipid Res 2006, 45:120
Změny korepresorů/koaktivátorů závislé na ligandu
Voutsadakis IA, J Cancer Res Clin Oncol 2007, 133:917
Důležité signální dráhy a molekuly indukované či inhibované PPAR
PPARγ indukuje fosfatázu PTEN vedoucí k inhibici kinázy Akt.
Akt má antiapoptické účinky (inhibice kaspázy-9).
PPARγ způsobuje zástavu bun. cyklu represí cyklinu D, indukcí p18, p21,
p27 a interakcí s Rb. PPARγ rovněž potlačuje beta-katenin a COX-2
podporující karcinogenezi kolonu.
(a)
IkB-závislá a -nezávislá regulace aktivity NF-kB
(a) NFkB je aktivován následně aktivaci IkB kinázy (IKK). Fosforylace těmito
kinázami vede k degradaci IkB a k translokaci NF-kB do jádra.
(b) Současně je samotný NF-kB fosforylován cytosolickými nebo jadernými
protein kinázami, které zvyšují účinnost genové exprese indukované NF-kB.
Zkratky: IkB, inhibitor NF-kB; NF-kB, jaderný faktor kB.
Aktivační signál pro NFkB
Genová exprese závislá na NFkB
Activace IkB
kináz
(b)
Fosforylace NF-kB
Konformační
změny
Fosforylace,
ubiquitinace a
degradace IkB
Jaderná translokace a vazba
NF-kB na DNA
Modulace jaderného importu, vazby na
DNA, interakce protein-protein s
koaktivátory nebo korepresory, účinky na
transaktivaci
47
Molekulární interakční mapa NFκB/I κB
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.
EXTRACELULLAR
STIMULI
hormones,
growth factors,
cytokines
environm. chemicals,
drugs, radiation,
dietary PUFAs, fiber
changes of membrane
properties
INTRACELULLAR
SIGNALLING
PATHWAYS
cytosolic receptors,
transcription factors
(AhR, NFkB etc.)
prooxidative/
antioxidative
balance
nuclear receptors (PPARs, RXR, etc.)
transcription factors (AP-1, etc.)
histone acetylation/
deacetylation
DNA methylation
ALTERED GENE EXPRESSION
on transcription, translational or post-translational levels
Main epigenetic (non-genotoxic) mechanisms involved in carcinogenesis
membrane
receptorsdrug-and hormone
metabolizing enzymes
RE