7.9: Сигналізація

Джерело: BiochemFFA_7_8.pdf. Весь підручник доступний безкоштовно від авторів за адресою http://biochem.science.oregonstate.edu/content/biochemistry-free-and-easy

До цього моменту ми розглядали, як клітини проводять біохімічні реакції та як вони регулюють експресію генів у відповідь на їх внутрішнє та зовнішнє середовище. Інтуїтивно очевидно, що навіть одноклітинні організми повинні вміти відчувати особливості свого середовища, такі як наявність поживних речовин, якщо вони хочуть вижити. Окрім можливості отримувати та реагувати на інформацію з навколишнього середовища, багатоклітинні організми також повинні знаходити способи, за допомогою яких їх клітини можуть спілкуватися між собою.

Координація

Оскільки різні клітини беруть на себе спеціалізовані функції в багатоклітинному організмі, вони повинні вміти координувати діяльність. Клітини ростуть, ділять або диференціюють у відповідь на конкретні сигнали. Вони можуть змінювати форму або мігрувати в інше місце. На фізіологічному рівні клітини багатоклітинного організму, повинні реагувати на все: від щойно з'їденої їжі до травми, загрози або наявності мате. Вони повинні знати, коли ділити, коли піддаватися апоптозу (запрограмованої загибелі клітин), коли зберігати їжу, а коли її розщеплювати. Виникли різноманітні механізми, щоб гарантувати, що клітинно-клітинний зв'язок не тільки можливий, але і дивно швидкий, точний і надійний.

Як передаються сигнали між клітинами? Як і майже все, що відбувається в клітині, сигналізація залежить від молекулярного розпізнавання. Основний принцип клітинно-клітинної сигналізації простий. Конкретний вид молекули, що посилається сигнальної клітиною, розпізнається і зв'язується рецепторним білком в (або на поверхні) клітини-мішені. Молекули сигналу хімічно різноманітні - це можуть бути білки, короткі пептиди, ліпіди, нуклеотиди або катехоламіни, щоб назвати декілька.

Властивості сигналу

Хімічні властивості сигналу визначають, чи знаходяться його рецептори на поверхні клітини або внутрішньоклітинні. Якщо сигнал невеликий і гідрофобний, він може перетнути клітинну мембрану і зв'язувати рецептор всередині клітини. Якщо, з іншого боку, сигнал заряджений, або дуже великий, він не зміг би розсіюватися через плазмову мембрану. Такі сигнали потребують рецепторах на поверхні клітини, як правило, трансмембранних білків, які мають позаклітинну частину, що зв'язує сигнал, і внутрішньоклітинну частину, яка переходить на повідомлення всередині клітини (рис. 7.130).

Рецептори специфічні для кожного типу сигналу, тому кожна клітина має багато різних видів рецепторів, які можуть розпізнавати та зв'язувати багато сигналів, які вона отримує. Оскільки різні клітини мають різні набори рецепторів, вони реагують на різні сигнали або комбінації сигналів. Зв'язування сигнальної молекули з рецептором запускає ланцюжок подій в клітині-мішені. Ці події можуть спричинити зміни різними способами, включаючи, але не обмежуючись цим, зміни метаболічних шляхів або експресії генів у клітині-мішені.

Як зв'язування сигналу з рецептором призводить до зміни клітин - тема цього розділу. Ми розглянемо кілька основних типів рецепторів і наслідки зв'язування сигналу з цими рецепторами. Хоча конкретні молекулярні компоненти різних шляхів трансдукції сигналу відрізняються, всі вони мають деякі загальні риси (рис. 7.131):
• Зв'язування сигналу з його рецептором зазвичай супроводжується генерацією нового сигналу (ів) всередині клітини. Процес, за допомогою якого вихідний сигнал перетворюється в іншу форму і передається всередині комірки, щоб внести зміни, називається передачею сигналу.
• Більшість сигнальних шляхів мають кілька кроків передачі сигналу, за допомогою яких сигнал ретранслюється через ряд молекулярних месенджерів, які можуть посилювати та поширювати повідомлення на різні частини клітини.
• Останній з цих месенджерів зазвичай взаємодіє з цільовим білком (-ами) і змінює свою активність, часто шляхом фосфорилювання.
• Коли сигнал встановлює певний шлях у рух, він діє як перемикач ON. Це означає, що як тільки бажаний результат буде отриманий, осередок повинен мати механізм, який виконує роль вимикача OFF.

Розуміння цієї основної подібності корисно, оскільки вивчення деталей різних шляхів стає лише питанням визначення того, який молекулярний компонент виконує певну функцію в кожному окремому випадку. Ми розглянемо кілька різних шляхів трансдукції сигналу, кожен з яких опосередкований різним типом рецептора.

Ліганд-горовані рецептори іонних каналів

Найпростіший і швидкий з сигнальних шляхів видно у випадку сигналів, рецептори яких є закритими іонними каналами (рис. 7.132). Закриті іонні канали складаються з декількох трансмембранних білків, які створюють пори, або канал, в клітинній мембрані. Залежно від його типу, кожен іонний канал специфічний для проходження певного іонного виду. Термін «закритий» відноситься до того факту, що іонний канал управляється «затвором», який повинен бути відкритий, щоб іони пропустили. Ворота відкриваються шляхом зв'язування вхідного сигналу (ліганду) з рецептором, що дозволяє практично миттєво проходити мільйони іонів з одного боку мембрани в іншу. Таким чином, зміни у внутрішньому середовищі клітини відбуваються в мікросекундах і за один крок.

Швидка реакція

Цей тип швидкої відповіді спостерігається, наприклад, в нервово-м'язових з'єднаннях, де м'язові клітини реагують на повідомлення сусідньої нервової клітини (рис. 7.133). Нервова клітина випускає сигнал нейромедіатора в синаптичну щілину, яка є простором між нервовою клітиною і м'язовою клітиною, з якою вона «розмовляє». Прикладом такого нейромедіаторного сигналу є ацетилхолін. Коли молекули ацетилхоліну вивільняються в синаптичну щілину, вони швидко дифузно, поки не досягають своїх рецепторів на мембрані м'язової клітини. Зв'язування ацетилхоліну з його рецептором, іонним каналом на мембрані м'язової клітини, викликає відкриття воріт в іонному каналі. Отриманий іонний потік по каналу може відразу змінити мембранний потенціал клітини. Це, в свою чергу, може спровокувати інші зміни в клітці.

Швидкість, з якою відбуваються зміни в сигналізації нейромедіатора, очевидна, коли ви думаєте про те, як швидко ви видаляєте руку з гарячої поверхні. Сенсорні нейрони несуть інформацію в мозок з вашої руки на гарячій поверхні, а рухові нейрони сигналізують вашим м'язам, щоб рухати рукою, за менший час, ніж вам знадобилося, щоб прочитати це речення!

Рецептори ядерних гормонів

Рецептори для сигналів, таких як стероїдні гормони, є частиною великої групи білків, відомих як суперсімейство рецепторів ядерного гормону. Ці рецептори розпізнають і пов'язують не тільки стероїдні гормони, але і ретиноєву кислоту, гормон щитовидної залози, вітамін D і інші сигнали. Підмножина рецепторів ядерного гормону, які зв'язують стероїдні гормони, є внутрішньоклітинні білки. Стероїдні гормони (рис. 7.135), як вам відомо, відносяться до холестерину, і як гідрофобні молекули вони здатні самі по собі перетнути клітинну мембрану. Це незвично, оскільки більшість сигналів, що надходять до клітин, не здатні перетинати плазматичну мембрану, а значить, повинні мати рецептори поверхні клітин.

Потрапивши всередину клітини, стероїдні гормони зв'язуються зі своїми рецепторами, які можуть перебувати в цитоплазмі або в ядрі. Рецептори стероїдних гормонів є білки з подвійним життям: вони фактично сплячі регулятори транскрипції, які є неактивними, поки стероїдний гормон зв'язується і викликає конформаційні зміни в них. Коли це відбувається, рецептори, зі зв'язаним гормоном, зв'язуються з регуляторними послідовностями в ДНК і модулюють експресію генів. Оскільки рецептори стероїдних гормонів діють шляхом модуляції експресії генів, реакції на стероїдні гормони відносно повільні. (Існують також деякі ефекти стероїдних гормонів, які не передбачають транскрипційної регуляції, але більшість працюють через зміну експресії генів.) Як і інші транскрипційні активатори, стероїдні рецептори мають ДНК-зв'язуючий домен (ДБД) і домен активації. Вони також мають ліганд-зв'язуючий домен (ЛБД), який зв'язує гормон.

глюкокортикоїдний рецептор

Прикладами таких сигнальних шляхів є ті, що опосередковані глюкокортикоїдним рецептором (рис. 7.136 та 7.137). Глюкокортикоїди, іноді описувані як гормони стресу, виробляються і секретуються корою надниркових залоз. Фізіологічно вони служать для підтримки гомеостазу в умовах стресу і проявляють сильні протизапальні та імуносупресивні властивості. Через цих ефектів синтетичні глюкокортикоїди застосовуються при лікуванні цілого ряду захворювань від астми і ревматоїдного артриту до розсіяного склерозу. Всі ці ефекти опосередковані через сигнальний шлях, який починається з зв'язування глюкокортикоїдного гормону з його рецептором. Нагадаємо, що стероїди можуть перетинати плазматичну мембрану, тому глюкокортикоїди можуть дифузіроваться в клітину і зв'язувати свої рецептори, які знаходяться в цитоплазмі.

При відсутності сигналу виявляються глюкокортикоїдні рецептори, пов'язані з білком шапероном Hsp90 (рис. 7.137). Це утримує рецептори від транспортування до ядра. Коли молекула глюкокортикоїду зв'язує рецептор, рецептор зазнає конформаційних змін і дисоціює від Hsp90. Потім рецептор, зі зв'язаним гормоном, транслокується в ядро. У ядрі він може збільшити транскрипцію генів-мішеней шляхом зв'язування зі специфічними регуляторними послідовностями (мічені HRE для елементів гормон-відповіді). Зв'язування гормон-рецепторного комплексу з регуляторними елементами гормон-чутливих генів модулює їх експресію. Багато з цих генів кодують протизапальні білки, а їх підвищене виробництво пояснює фізіологічний ефект кортикостероїдної терапії.

Шляхи стероїдних рецепторів відносно прості і мають лише пару кроків (рис. 7.138). Більшість інших сигнальних шляхів включають кілька кроків, в яких вихідний сигнал передається і посилюється через ряд проміжних кроків, перш ніж комірка реагує на сигнал.

Рецептори поверхні клітин

Тепер ми розглянемо два сигнальні шляхи, кожен з яких опосередкований основним класом рецепторів поверхні клітин - рецепторами, пов'язаними з G-білком (GPCR) та рецепторними тирозинкіназами (RTK). Хоча конкретні деталі сигнальних шляхів, які слідують за зв'язуванням сигналів до кожного з цих типів рецепторів, різні, легше їх вивчити, коли ви можете побачити, що спільні шляхи, а саме взаємодія сигналу з рецептором, з подальшим ретрансляцією та посиленням сигнал через змінну кількість проміжних молекул, причому остання з цих молекул взаємодіє з мішенню або мішенню білків і модифікує їх активність в клітині.

G-білкові зв'язані рецептори

G-білкові зв'язані рецептори (GPCR) беруть участь у реакціях клітин на багато різних видів сигналів, від адреналіну, до запахів, на світло. Насправді різноманітні фізіологічні явища, включаючи зір, смак, запах та реакцію боротьби чи польоту, опосередковані GPCR. Що таке рецептори, пов'язані з G-білком?

G-білкові зв'язані рецептори - це рецептори поверхні клітин, які передають сигнали, які вони отримують за допомогою гуанінових нуклеотидних зв'язуючих білків (вони ж G-протеїни). Перш ніж думати далі про сигнальні шляхи нижче за течією GPCR, необхідно знати кілька важливих фактів про ці рецептори та G-білки, які їм допомагають.

Хоча існують сотні різних рецепторів, пов'язаних з G-білком, всі вони мають однакову основну структуру (рис. 7.139):

Всі вони складаються з єдиного поліпептидного ланцюга, яка сім разів нитки вперед і назад через ліпідний бішар плазматичної мембрани. З цієї причини їх іноді називають семипрохідними трансмембранними (7TM) рецепторами. Один кінець поліпептиду утворює позаклітинний домен, який пов'язує сигнал, а інший кінець знаходиться в цитозолі клітини.

Коли ліганд (сигнал) зв'язує позаклітинний домен GPCR, рецептор зазнає конформаційних змін на його цитоплазматичній стороні, що дозволяє йому взаємодіяти з G-білком, який потім передасть сигнал іншим проміжним продуктам сигнального шляху.

G-протеїни

Що таке G-протеїн? Як зазначалося вище, G-білок - це гуанін-нуклеотидзв'язуючий білок, який може взаємодіяти з рецептором, пов'язаним з G-білком. G-білки пов'язані з цитозольної стороною плазматичної мембрани, де вони ідеально розташовані для взаємодії з хвостом GPCR, коли сигнал зв'язується з GPCR. Існує багато різних G-білків, всі з яких мають характерну структуру- вони складаються з трьох субодиниць, званих α, β і γ (рис. 7.140). Через це їх іноді називають гетеротримерними білками G (гетеро=різні, тримерні = мають три частини).

в'язка ліганду

Місце зв'язування гуанін-нуклеотидів знаходиться на α субодиниці G-білка. Цей сайт може прив'язати ВВП або GTP. Субодиниця α також має активність GTPase, тобто вона здатна гідролізувати пов'язану з нею молекулу GTP в ВВП.

У нестимульованому стані клітини, тобто при відсутності сигналу, пов'язаного з GPCR, G-білки виявляються в тримерній формі (α-β-γ пов'язані між собою) і α субодиниця має пов'язану з нею молекулу ВВП. У такому вигляді α субодиниця неактивна. З цим фоном на структурі та загальних властивостях GPCR та G-білків тепер ми можемо подивитися, що відбувається, коли сигнал надходить на поверхню клітини і зв'язується з GPCR (рис. 7.141).

Сигнальний шлях

Зв'язування сигнальної молекули позаклітинною частиною рецептора, пов'язаного з G-білком, змушує цитозольний хвіст рецептора взаємодіяти з і змінювати конформацію G-білка, пов'язаного з внутрішньою поверхнею плазматичної мембрани.
Це має два наслідки. По-перше, α субодиниця G-білка втрачає свій ВВП і зв'язує GTP, замість цього. По-друге, G-білок розпадається на GTP-зв'язану α частину і β-γ частина.

Зв'язування ГТП з α субодиницею і її дисоціація від β-γ субодиниць активують α субодиницю. Активована α субодиниця може вільно дифузувати уздовж цитозольної поверхні плазматичної мембрани і впливати на її мішені. (Блок β-γ також здатний активувати власні цілі.)

Що відбувається, коли G-білки взаємодіють зі своїми цільовими білками? Це залежить від того, яка мета. G-білки взаємодіють з різними видами білків-мішеней, з яких ми розглянемо дві основні категорії:

Іонні канали

Раніше ми бачили, що деякі закриті іонні канали можуть бути відкриті або закриті шляхом прямого зв'язування нейромедіаторів з рецептором, який є іонно-канальним білком. В інших випадках іонні канали регулюються зв'язуванням G-білків. Тобто замість сигналу безпосередньо зв'язується з іонним каналом, він зв'язується з GPCR, який активує G-білок, який потім може викликати відкриття іонного каналу, або безпосередньо, зв'язуючись з каналом, або побічно, через активацію інших білків, які можуть зв'язуватися з каналом. Зміна розподілу іонів по плазматичній мембрані викликає зміну мембранного потенціалу.

Активація ферментів

Взаємодія G-білків з їх цільовими ферментами може регулювати активність ферменту, або підвищуючи, або знижуючи його активність. Зміна активності ферменту-мішені, в свою чергу, призводить до змін інших білків у клітині, і змінює метаболічний стан клітини. Це найкраще зрозуміти, вивчивши добре вивчену відповідь клітин на адреналін, опосередкований через β-адренергічний рецептор, тип рецептора, пов'язаного з G-білком.

Епінефрин (рис. 7.142), також відомий як адреналін, - це катехоламін, який відіграє важливу роль у реакції організму «боротьба або політ». У відповідь на стресові подразники адреналін виділяється в кров, який переноситься до органів-мішеней, клітини яких будуть реагувати на цей сигнал. Якби ви йшли по темній алеї в іффічному районі, і ви чули кроки позаду вас, ваш мозок реагував би на потенційну небезпеку, посилаючи сигнали, які в кінцевому підсумку змушують кору надниркових залоз виділяти адреналін у кров. Адреналін циркулює у вашій системі має багато ефектів, включаючи збільшення частоти серцевих скорочень, але серед його основних цілей є ваші м'язові клітини. Причина цього в тому, що ваші м'язові клітини зберігають енергію у вигляді глікогену, полімеру глюкози. Якщо вам потрібно бігти або відбити нападника, вашим клітинам знадобиться енергія у вигляді глюкози.

Але як адреналін змушує ваші клітини розщеплювати глікоген на глюкозу? Зв'язування адреналіну з β-адренергічним рецептором на поверхні клітин змушує рецептор активувати G-білок, пов'язаний з його цитоплазматичним хвостом. Як описано вище, це призводить до того, що α субодиниця обмінює свій ВВП на GTP і дисоціює від β-γ субодиниць. Потім активована α субодиниця взаємодіє з ферментом аденілатциклазою (також відомою як аденілілциклаза), стимулюючи її виробляти циклічний АМФ (цАМФ) з АТФ. Циклічний AMP часто описується як «другий месенджер», в тому, що він служить для поширення сигналу, отриманого осередком. Як це робить cAMP?

Молекули цАМФ зв'язуються, і активують фермент, протеїнкіназу А (РКА - рис. 7.145). PKA складається з двох каталітичних і двох регуляторних субодиниць, які щільно пов'язані між собою. При зв'язуванні цАМФ каталітичні субодиниці звільняються від регуляторних субодиниць, дозволяючи ферменту виконувати свою функцію, а саме фосфорилюючи інші білки. Таким чином, цАМФ може регулювати активність ПКА, який, в свою чергу, шляхом фосфорилювання інших білків може змінювати свою активність. При цьому відповідним білком, який активується, є фермент, фосфорилазакіназа. Потім цей фермент може фосфорилювати і активувати глікогенфосфорилазу, фермент, в кінцевому рахунку, відповідальний за розщеплення глікогену на глюкозо-1-фосфат - легко перетворюється в глюкозу. Активація глікогенфосфорилази постачає клітини необхідною глюкозою, що дозволяє боротися або тікати, як ви можете вважати за потрібне. Одночасно ПКА також фосфорилює інший фермент - глікогенсинтазу. У випадку глікогенсинтази фосфорилювання інактивує її та запобігає використанню вільної глюкози для синтезу глікогену, гарантуючи, що ваші клітини в достатній мірі забезпечуються глюкозою (рис. 7.146).

Загальний візерунок

Хоча описані вище кроки здаються складними, вони дотримуються простої закономірності, викладеної на початку цього розділу:
• Зв'язування сигналу з рецептором
• Кілька кроків, де сигнал передається через проміжні молекули (G-білки, аденілатциклаза, цАМФ і нарешті, PKA)
• Фосфорилювання білків-мішеней кіназою, що призводить до змін в клітині. Специфічні зміни залежать від білків, які фосфорилюються ПКА.

Чому так багато кроків? Якщо потрібно активувати глікогенфосфорилазу для розщеплення глюкози в поспіху, чому б не мати системи, в якій зв'язування сигналу з рецептором безпосередньо активується фермент-мішень?

Відповідь на цю головоломку проста: відбувається посилення сигналу на кожному кроці шляху. Одна сигнальна молекула зв'язування з рецептором приводить в рух каскад реакцій, при цьому сигнал стає більшим на кожному кроці, так що зв'язування однієї молекули адреналіну з його рецептором призводить до активації мільйона молекул ферменту глікогенфосфорилази!

Вимкнення сигналів

Якщо зв'язування сигналу з рецептором служить перемикачем, який приводить ці події в рух, повинні бути механізми відключення шляху. Перший знаходиться на рівні самого рецептора. Кіназа під назвою G-протеїнова рецепторкіназа (ГРК) фосфорилює цитоплазматичний хвіст рецептора. Потім фосфорильований хвіст зв'язується білком під назвою аррестин, запобігаючи подальшій взаємодії з G-білком.

Наступна точка контролю - у G-протеїну. Нагадаємо, що α субодиниця G-білка знаходиться у вільному та активованому стані, коли вона пов'язана з GTP, і що вона асоціюється з β-γ субодиницями і має пов'язаний ВВП, коли він неактивний. Ми також знаємо, що субодиниця α має активність, яка дозволяє їй гідролізувати GTP до ВВП. Ця GTP-гідролізуюча активність дає можливість α субодиниці, як тільки вона виконає своє завдання, повернутися до свого пов'язаного з ВВП стану, повторно асоціюватися з β-γ частиною і знову стати неактивною.

Третій «вимикач» знаходиться далі по сигнальному шляху і контролює рівень цАМФ. Ми щойно відзначили, що рівень цАМФ збільшується, коли активується аденілатциклаза. Коли його робота виконана, цАМФ розщеплюється ферментом під назвою фосфодіестераза (рис. 7.147). Коли рівень цАМФ падає, PKA повертається до свого неактивного стану, припиняючи зміни, спричинені активацією аденілатциклази активованим G-протеїном.

Ще один спосіб, яким можна відключити вплив цього шляху, - це рівень фосфорильованих білків-мішеней. Ці білки, які активуються фосфорилированием, можуть бути повернуті в неактивний стан шляхом видалення фосфатів фосфатазами.

Рецепторні тирозинкінази

Іншим основним класом рецепторів поверхні клітин є рецепторні тирозинкінази або РТК. Як і GPCR, рецепторні тирозинкінази зв'язують сигнал, потім передають повідомлення через ряд внутрішньоклітинних молекул, остання з яких діє на білки-мішені для зміни стану клітини.

Як випливає з назви, рецептор тирозинкінази - це рецептор поверхні клітин, який також має активність тирозинкінази. Сигнальний зв'язуючий домен рецепторної тирозинкінази знаходиться на поверхні клітини, в той час як ферментативна активність тирозинкінази знаходиться в цитоплазматичної частини білка (рис. 7.148). Трансмембранна α спіраль з'єднує ці дві області рецептора.

Що відбувається, коли сигнальні молекули зв'язуються з рецепторними тирозинкіназами? Зв'язування сигнальних молекул з позаклітинними доменами рецепторних білків тирозинкінази змушує димеризуватися дві молекули рецепторів (збираються разом і асоціюються - рис. 7.149). Це наближає цитоплазматичні хвости рецепторів близько один до одного і призводить до включення активності тирозинкіназ цих хвостів. Потім активовані хвости фосфориліруют один одного на кілька залишків тирозину (рис. 7.150). Це називається аутофосфорилирование.

Фосфорилювання тирозинів на хвостах рецепторів запускає збірку внутрішньоклітинного сигнального комплексу на хвостах. Нещодавно фосфорильовані тирозини служать сайтами зв'язування для різних сигнальних білків, які потім передають повідомлення ще іншим білкам, щоб викликати зміни в клітині. Рецепторні тирозинкінази опосередковують відповіді на велику кількість сигналів, включаючи пептидні гормони, такі як інсулін та фактори росту, такі як епідермальний фактор росту (EGF). Ми розглянемо, як інсулін і EGF діють на клітини шляхом зв'язування з рецепторами тирозинкіназ.

Інсуліновий рецептор

Інсулін відіграє центральну роль у поглинанні глюкози з крові. Він збільшує поглинання глюкози, стимулюючи рух рецептора глюкози GLUT4 до плазматичної мембрани клітин.

Як інсулін підвищує концентрацію GLUT4 в клітинній мембрані? Зв'язування інсуліну з рецептором інсуліну (ІР - рис. 7.151) призводить до димеризації мономерів рецепторів і подальшого аутофосфорилювання доменів цитозолічних кіназ. Активовані домени тирозинкінази також фосфорилюють внутрішньоклітинні білки, які називаються субстратами рецепторів інсуліну або білками IRS. Ці білки взаємодіють і активують іншу кіназу під назвою PI3-кіназа. Пі3-кіназа потім каталізує утворення ліпідної молекули PIP3, яка служить для активації ще однієї кінази, PDK1, яка, в свою чергу, активує групу кіназ Akt. Саме ця група ферментів, як видається, збільшує транслокацію GLUT4 до плазматичної мембрани (рис. 7.152), оскільки клітини, яким не вистачає функціональних Актс, виявляють погане поглинання глюкози та резистентність до інсуліну.

Шляхи EGFR

Епідермальний фактор росту, EGF, є важливою сигнальною молекулою, що бере участь у зростанні, проліферації та диференціації клітин ссавців. EGF діє через рецептор EGF, EGFR, рецептор тирозинкінази (рис. 7.153). Через свою роль у стимулюванні проліферації клітин і через те, що надмірна експресія EGFR пов'язана з деякими видами раку, EGFR є мішенню для багатьох протиракових методів терапії. Ми можемо простежити шлях передачі сигналу від зв'язування EGF з його рецептором до стимуляції поділу клітин.

Зв'язування EGF з EGFR супроводжується димеризацією рецепторів і стимуляцією активності тирозинкінази цитозольних доменів EGFR. Аутофосфорилювання хвостів рецепторів супроводжується складанням сигнального комплексу, зародженого зв'язуванням білків, які розпізнають залишки фосфотірозину. Важливий білок, який згодом активується сигнальними комплексами на рецепторних тирозинкіназах, називається Рас (рис. 7.154). Білок Ras - це мономерний гуанін-нуклеотидний зв'язуючий білок, який пов'язаний з цитозольної поверхнею плазматичної мембрани
(насправді він багато в чому схожий на α субодиницю тримерних G-білків). Так само, як α субодиниця G-білка, Ras активний, коли GTP пов'язаний з ним, і неактивний, коли ВВП пов'язаний з ним. Також, як і субодиниця α, Рас може гідролізувати ГТП до ВВП.

Активація Ras

Активація Рас супроводжує обмін ВВП, прив'язаного до неактивного Ras на GTP. Активоване Ras запускає фосфорилірующий каскад з трьох протеїнкіназ, які ретранслюють і розподіляють сигнал. Ці білкові кінази входять до групи, яка називається MAP кінази (Mitogen Activated Proteint-kinases). Кінцева кіназа в цьому каскаді фосфорилює різні білки-мішені, включаючи ферменти і транскрипційні активатори, які регулюють експресію генів.

Фосфорилювання різних ферментів може змінювати їх діяльність та запускати нові хімічні реакції в клітині, тоді як фосфорилювання активаторів транскрипції може змінювати, які гени виражені. Комбінований ефект змін експресії генів та активності білка змінює фізіологічний стан клітини та сприяє поділу клітин.

Знову ж таки, слідуючи шляху трансдукції сигналу, опосередкованого RTK, можна розрізнити ту саму основну картину подій: сигнал пов'язаний позаклітинними доменами рецепторних тирозинкіназ, що призводить до димеризації рецепторів та аутофосфорилювання цитозольних хвостів, таким чином передаючи повідомлення в інтер'єр клітини.

Потім повідомлення передається через сигнальний комплекс білкам, які стимулюють серію кіназ. Термінальна кіназа в каскаді діє на білки-мішені і призводить до зміни білкової активності.

Що таке вимикач OFF для РТК? Виявляється, РТК з зв'язаним сигналом можуть бути ендоцитозірованние в клітку і розбиті. Тобто область плазматичної мембрани, на якій знаходиться RTK, може бути внутрішньо затиснута в везикулу, що містить ліганд-зв'язаний рецептор, який потім націлений на деградацію.

Рас, який активується зв'язуванням GTP, також може бути деактивований гідролізом ГТП до ВВП. Важливість цього механізму для відключення шляху очевидна в клітині, які мають мутантний ген ras, що кодує білок Ras з дефектною активністю GTpase. Не в змозі відключити Рас, клітини продовжують отримувати сигнал на проліферацію. Національний інститут раку оцінює, що більше 30% раку людини обумовлені мутаціями в генах ras.

Описи вище дають дуже простий ескіз деяких основних класів рецепторів і стосуються в першу чергу механістичних деталей кроків, за допомогою яких сигнали, отримані різними типами рецепторів, викликають зміни в клітині. Основним заняттям додому є істотна схожість різних шляхів. Ще один момент, який слід пам'ятати, полягає в тому, що, хоча ми розглядали кожен окремий шлях ізольовано, клітина в будь-який момент часу отримує кілька сигналів, які одночасно запускають різноманітні різні відповіді (рис. 7.155). Описані вище шляхи показують значну ступінь «перехресного розмови», і на реакцію на будь-який заданий сигнал впливають інші сигнали, які клітина отримує одночасно. Безліч різних рецепторів, сигналів і їх комбінацій є засобами, за допомогою яких клітини здатні реагувати на величезну різноманітність різних обставин.

РТК, лікування раку та раку

Як описано вище, зв'язування EGF з його рецептором запускає сигнальний шлях, що призводить до активації серії активованих мітогеном протеїнкіназ (MAP кіназ). Ці кінази так називаються, оскільки вони активуються мітогеном, молекулою, як EGF та іншими факторами росту, що стимулює мітоз або поділ клітин. Кінцева кіназа в МАП-кіназі каскаду фосфорилює ряд білків-мішеней, багато з яких транскрипційні фактори, які при активації збільшують експресію генів, пов'язаних з проліферацією клітин.

Враховуючи, що шлях EGF-рецепторів нормально функціонує для стимуляції поділу клітин, не дивно, що збої в шляху можуть призвести до неконтрольованої проліферації клітин або раку. Далі ми коротко розглянемо деякі приклади таких дефектів.

ЇЇ 2

Сімейство рецепторів EGF людини (HER) має чотири члени, HER1, HER2, HER3 та HER4. Це все рецепторні тирозинкінази, рецептори поверхні клітин, які зв'язують ЕГФ (рис. 7.157) і стимулюють проліферацію клітин.

Вирішальним кроком у шляху передачі сигналу є димеризація рецепторів після зв'язування сигналу, EGF, з рецептором. У той час як HER1, HER3 і HER4 повинні зв'язувати сигнал для димеризації, структура рецептора HER2 може, мабуть, дозволити мономерам рецепторів димеризуватися незалежно від зв'язування EGF.

Це означає, що події, що знаходяться нижче за течією сигнального шляху, можуть бути спровоковані навіть за відсутності сигналу зростання. У нормальних клітині на поверхні клітини виражається лише кілька рецепторів HER2, тому ця властивість HER2 відіграє відносно незначну роль у стимулюванні поділу клітин. Однак приблизно у чверті хворих на рак молочної залози рецептори HER2 надмірно виражені, що призводить до посилення димеризації і подальшої неконтрольованої проліферації клітин.

Рак молочної залози, який є HER2-позитивним, може бути більш агресивним з більшою схильністю до метастазування (поширення), тому терапія, яка блокує сигналізацію HER2, є ключовою для успішного лікування таких видів раку. Герцептин, моноклональне антитіло проти рецептора HER2, було показано як ефективне лікування проти HER2-позитивних раку молочної залози. Герцептин працює шляхом зв'язування конкретно з позаклітинним доменом рецептора HER2 (рис. 7.158). Це запобігає димеризації рецептора і, таким чином, блокує сигналізацію нижче за течією. Крім того, зв'язування антитіла Герцептину з рецептором сигналізує імунній системі про руйнування HER2-позитивних клітин.

BCR-Абл

Іншим прикладом раку, спричиненого дефектами сигнального шляху RTK, є хронічний мієлоїдний лейкоз (ХМЛ). Пацієнти з ХМЛ мають аномальну рецепторну тирозинкіназу, яка є продуктом гібридного гена під назвою bcr-abl, утвореного розривом і повторним з'єднанням хромосом 9 і 22. Ця аномальна тирозинкіназа конституційно димеризується, навіть коли сигнал не пов'язаний. В результаті він безперервно сигналізує клітинам про поділ, що призводить до масової проліферації типу клітин крові, званих гранулоцитами.

Як і у випадку з HER2, проблемою в CML є рецепторна тирозинкіназа, яка димеризується за відсутності сигналу зростання. Підхід у цьому випадку полягав у націленні на наступний крок у сигнальному шляху. Як відомо, димеризація РТК активує тирозинкіназний домен рецептора, в результаті чого відбувається аутофосфорилювання цитоплазматичних доменів обох мономерів. Фосфорильовані тирозини служать для набору ряду інших сигнальних білків, які передають сигнал всередині клітини.

У випадку з bcr-abl RTK препарат Глевек (іматиніб) був розроблений для зв'язування поблизу АТФ-вузла зв'язування домену тирозинкінази. Це «блокує» ділянку в конформації, яка пригнічує ферментативну активність тирозинкінази і, таким чином, блокує сигналізацію нижче за течією. При відсутності сигналу «рости», клітини припиняють розмноження.

Обробка інформації: Сигналізація

827

Лекції YouTube

by Кевін

ТУТ & ТУТ

828

Малюнок 7.130 - Схематичне зображення білка трансмембранного рецептора. Е = позаклітинний; Р = плазматична мембрана; I = внутрішньоклітинний

Вікіпедія

Малюнок 7.129 - Деякі приклади сигнальних молекул

829

Малюнок 7.132 - Відкриття рецептора іонного каналу лігандом у відповідь на сигнал (ліганд)

Вікіпедія

Малюнок 7.131 Загальні особливості шляхів передачі сигналів

830

Малюнок 7.133 - Нервово-м'язова сигналізація - А = аксон моторного нейрона; B = аксон термінальний; C = синаптична щілина; D = м'язова клітина; Е = міофібрила. Етапи процесу - 1) потенціал дії досягає терміналу аксона; 2) залежні від напруги кальцієві ворота відкриваються; (3) нейромедіаторні везикули зливаються з пресинаптичною мембраною і ацетилхолін (AH), що виділяється в синаптичну щілину; (4) AH зв'язується з постсинаптичними рецепторами на сарколемі; (5) зв'язування AH змушує іонні канали відкриватися і дозволяє іонам натрію протікати через мембрану в м'язову клітину; 6) потік іонів натрію через мембрану в м'язову клітину генерує потенціал дії, який рухається до міофібрили і призводить до скорочення м'язів.

Вікіпедія

831

Малюнок 7.134 - Нервові системи

Вікіпедія

832

Малюнок 7.135 - Структури стероїдних гормонів, з назвами їх рецепторів

Вікіпедія

Лекції YouTube

by Кевін

ТУТ & ТУТ

833

Малюнок 7.136 - Глюкокортикоїдний рецептор з трьома його доменами - ДНК-зв'язування (зліва), домен-активатор (зверху) і лігандзв'язуючий домен (в коробці).

Вікіпедія

Малюнок 7.137 - Глюкокортикоїдний сигнальний шлях

Вікіпедія

834

Малюнок 7.138 - Сигналізація стероїдних гормонів

Зображення Алеї Кім

835

Малюнок 7.139 - Структура рецептора, пов'язаного з G-білком

Вікіпедія

836

Рисунок 7.140- Гетеротримерний G-білок: α субодиниця синього кольору, βγ субодиниці червоного та зеленого кольору

Інтерактивне навчання

Модуль

ТУТ

837

Малюнок 7.141 - Цикл активації G-білка - 1) зв'язування ліганду; 2) зміна рецепторної структури; 3) стимуляція α-субодиниці; 4) зв'язування ГТП, вивільнення ВВП; 5) відділення α-субодиниці від β-γ; 6) гідроліз ГТП α-субодиницею і повернення в неактивний стан.

Вікіпедія

Лекції YouTube

by Кевін

ТУТ & ТУТ

838

Малюнок 7.142 - β2-адренергічний рецептор, вбудований в мембрану (сірий)

Вікіпедія

Малюнок 7.143 - Адреналін

Вікіпедія

839

Малюнок 7.144 - рецептор, пов'язаний з G-білком. Сигнал починається з зв'язування ліганда (помаранчевий коло). Gs = G-білок; AC = аденілатциклаза.

Вікіпедія

Малюнок 7.145 - Активація протеїнкінази А за допомогою цАМФ

Зображення Марти Бейкер

840

Малюнок 7.146 - Одночасна активація розпаду глікогену і пригнічення синтезу глікогену шляхом адреналінового зв'язування b-адренергічного рецептора. Червоні назви ферментів = активовані форми; чорні назви ферментів = інактивовані форми; GPB = глікогенфосфорилаза b; ГПа = глікогенфосфорилаза а.

Зображення Пенелопи Ірвінг

841

β-адренергічні вимикачі сигналізації

1. Хвіст рецепторів фосфорилатів GRK

Хвіст рецептора, пов'язаний арестином

2. α Субодиниця G-білка розщеплює GTP до ВВП

β-γ субодиниці Пов'язати з α субодиницею

3. цАМФ гідролізований фосфодіестеразою

PKA стає неактивним

4. Дефосфорилювання фосфорильованих білків фосфопротеїновою фосфатазою

β-адренергічна сигналізація на комутаторах

1. Зв'язування молекули сигналу з рецептором

2. Проходження сигналу через кілька молекул (G-білки, аденілатциклаза, цАМФ, ПКА)

3. Фосфорилювання цільових білків

842

Малюнок 7.147 - Циклічний АМП розщеплюється фосфодіестеразою

Малюнок 7.148 - Структура рецепторної тирозинкінази

Лекції YouTube

by Кевін

ТУТ & ТУТ

843

Малюнок 7.149 - Сигнальне зв'язування призводить до димеризації рецепторів і активації активності тирозинкінази

Малюнок 7.150 - Активовані тирозинкінази фосфорилаттирозини на хвостах рецепторів.

Малюнок 7.151 -Інсуліновий рецептор, рецептор тирозинкінази

Вікіпедія

Малюнок 7.152 - Ефекти зв'язування інсуліну з його рецептором тирозинкінази: 1) зв'язування інсуліну; 2) активація каскадів активації білка. До них відносяться: 3) транслокація переносника Glut-4 до плазматичної мембрани і приплив глюкози; 4) синтез глікогену; 5) гліколіз; і 6) синтез жирних кислот.

Вікіпедія

844

Інтерактивне навчання

Модуль

ТУТ

845

Малюнок 7.153 - сигналізація EGFR, що починається зверху з зв'язування EGF, димеризації рецептора, передачі сигналу через білки, активації кіназ, фосфорилювання факторів транскрипції і впливу на транскрипцію

Зображення Алеї Кім

Малюнок 7.154 - Рас з прив'язкою GTP

Вікіпедія