Hauptsignalwege

Hauptsignalwege
Hauptsignalwege
I. G protein-gekoppelter Rezeptor vermittelter Signalweg
1. Der cAMP Signalweg
(a) Das Enzym Adenylae Cyclase wird durch ein Gs protein aktiviert, das zu einer szezifischen Familie
von G proteinen (S: stimulating) gehört. Das Enzym katalysiert die ATP - cAMP Veränderung. cAMP ist
ein second Messenger, der frei im Zytoplasma diffundiert und an Protein kinase A (PKA) bindet und
diese aktiviert. Anschließend phosphoryliert die PKA eine Reihe von Zielproteinen, wie z.B.
Ionenkanäle. Das Enzym erkennt eine spezifische Aminosäuresequenz der Proteine. Der
Phosphorylationszustand des Ionenkanals bestimmt, ob der Kanal offen oder geschlossen ist. Viele
Kanäle öffnen auf eine Phosphorylierung hin, doch gibt es auch Kanäle die scließen. Ein einziges PKA
Molekül kann mehrere Zielproteine phosphorylieren und somit zu einer Signalverstärkung innerhalb
der Zelle beitragen. Das Phosphodiesterase Enzym baut cAMP ab.
(b) Transkriptionsregulation: Der cAMP/PKA Signalweg ist verglichen zu ionotropen Rezeptoren
langsam, aber schnell verglichen zu dem weiteren Weg, der in der Genexpressions Veränderung
endet. Die aktivierte PKA aktiviert den Transkriptionsfaktor CREB (CRE: cAMP response element;
CREB: CRE binding protein) über Phosphorylierung, der wiederum an CBP (CREB binding protein)
bindet, welches RNA polymerase II aktiviert. Die RNA polymerase II transkribiert Gene, die CRE
Motive in ihren Promotoren beinhalten.
2. Der Phosphoinositol Signalweg Viele Rezeptoren sind über das Gq protein zur Aktivierung
der Phospholipase C gekoppelt. Dieses Enzym spaltet ein kleineres Phospholipid in der inneren
Plasmamembran, Phosphatidylinositol-4,5-Bisphosphate (PIP2), um Diacylglycerol (DAG) und Inositol1,4,5-trisphosphate (IP3), beides Second Messenger, zu ergeben. DAG (hydrophobes Molekül)
diffundiert innerhalb der Lipide, wo es Proteinkinase C (PKC) aktiviert. Diese wiederum
phosphoryliert als Kinase Zielproteine, die den Stoffwechsel, Rereptor und Ionenkanal Funktion
beeinflussen. IP3 ist wasserlöslich und diffundiert frei im Zytosol. Sein Ziel ist der IP3 Rezeptor, ein
grosses IP3–gesteuerter Calciumkanal, der inder Membran des glatten (smooth) endoplasmischen
Reticulums (SER) sich befindet. Das SER in Neuronen funktioniert als intrazellulärer Ca2+ Speicher. Die
Bindung von IP3 an den Rezeptor verursacht die Öffnung der Calciumkanäle, sodas Ca2+ aus dem SER
ins Zytosol gelangen kann. Eine Zunahme an intrazellulärer Calcium Konzentration bewirkt
verschiedenes, das zelltypisch sein kann. Neuronen beinhalten ein Calcium bindendes Protein
genannt Calmodulin (CaM). Bei Ca2+Bindung aktiviert CaM eine Reihe von Enzymen, einschließlich
calcium-calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII). CaMKII, und viele weitere calcium-sensitive
Proteine vermitteln die Effekte von erhöhter intrazellulärer Calcium Konzentration, wie z.B.
Veränderungen in der Membran Durchlässigkeit und Genexpression.
Direkte Bindung des Komplexes γ β an die Ionenkanäle G proteine agieren nicht ausschließlich
durch Regulation der Aktivität membrangebundener Enzyme, die die Konzentration von cAMP oder
Calcium im Zytosol verändern In einigen Signalwegen bindet der βγ Komplex direkt an Ionenkanäle,
die dann permeabel werden.
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Grundanforderung
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II. Enzym-gekoppelte Rezeptor vermittelte Signalwege
1. Ras-vermittelte MAP-kinase Phosphorylierung Mitogen-activated protein (MAP) kinasen sind
Serin/Threonin-specifische Proteinkinasen, die auf extrazelluläre Stimuli reagieren (Mitogene,
osmotischer Stress, Hitzeschock und Pro-entzündliche Zytokine) und regulieren verschiedene
zelluläre Aktivitäten, wie Genexpression, Mitosie, Differenzierung, Proliferation, und
Zellüberleben/Apoptose. Einige dieser Proteine, die durch eine aktivierte Tyrosinkinase rekrutiert
wurden, funktionieren als Adapter; diese helfen eine grosse Signalkaskade durch Aggregation zu
bilden. Eines der Schlüsselproteine ist Ras (ein kleines, membrangebundenes Protein). So ziemlich
alle Rezeptor Tyrosinkinasen aktivieren Ras über PDGF (platelet-derived growth factor) Rezeptoren.
Das Ras Protein ist ein Mitglied der grossen Familie von GTP bindenden Proteinen: Ras ist ein
monomeres GTP-bindendes Protein (G proteine sind trimere GTP-bindende Proteine). Ras ähnelt der
Untereinheit der α-Untereinheit des G proteins und funktioniert als molekularer Schalter. Interaktion
mit einem aktivierenden Protein, veranlasst Ras GDP für GTP auszutauschen, was Ras in einen
aktiven Zustand versetzt. Im aktiven Zustand fördert Ras die Aktivierung einer
Phosphorylierungskaskade in welcher eine Reihe von Proteinkinasensich gegenseitig phosphoryliert
und aktiviert, vergleichbar mit einem intrazellulären Dominospiel. Das Relaysystem, welches das
Signal von der Plasmamembran in den Nukleus überträgt, wird MAP-kinase cascade (MAP: mitogenactivated protein) genannt. In dieser Kaskade wird MAP-kinase phosphoryliert und aktiviert durch
MAP Kinase-kinase, die wiederum von der MAP Kinasekinasekinase aktiviert wurde.
MAPKinasekinasekinase wird von Ras aktiviert. Am Ende der Signalkaskade phosphoryliert
MAPkinase bestimmte Genregulatorproteine (an Serin und threonin), verändert dabei die Fähigkeit
der Kontrolle über Gentranskription und somit eine Veränderung im Muster der Genexpression.
Diese Verschiebung mag die Zell Proliferation stimulieren, Zellüberleben fördern oder Zell
Differenzierung induzieren: das präzise Endresultat hängt davon ab, welche Gene aktiv sind und
welche Signale die Zelle erreichen. Eine spezifische Mutation kann in Tumor Formation enden.
Medikamente, die selektiv MAPK Kaskaden herrunterregulieren können, könnten nützliche
Therapieansätze sein. Die MAPK Kaskade ist hochkonserviert in der Evolution von der Hefe bis hin
zum Menschen.
Signalwege sind stark miteinnader verflochten. Dieses Bild zeigt Interaktionen zwischen
Signalwegen kontrolliert durvh G-Protein-gekoppelte Rezeptoren und Rezeptor Tyrosinkinasen.
Der JAK/STAT Signalweg Nicht alle enzym-gebundende Rezeptoren lösen eine komplexe Kaskadeaus,
die die Kooperation einer Sequenz von Proteinkinasen benötigt, um die Nachricht in den Nukleus zu
bringen. Einige Rezeptoren verwenden eine direktere Route zur Kontrolle der Genexpression. Dieser
direkte Weg wird z.B. von Interferonen genutzt, die Zytokine sind und die Zelle instruieren, mehr
Proteine zu produzieren, die die Zelle besser gegen Viren schützt. Im Gegensatz zu den Tyrosinkinase
Rezeptoren haben die Zytokin Rezeptoren keine intrinsische Enzym (Kinase) Aktivität. Sie sind
dagegen mit zytoplasmischen Tyrosinkinasen genannt JAKs (Janus kinases) assoziiert, die durch eine
Zytokin aktiviert werden. Einmal aktiviert phosphorylieren und aktivieren JAKs zytoplasmische
Genregulatorproteine genannt STATs (signal transducers and activators of transcription), welche
dann in den Nukleus wandern und dort die Transkription von spezifischen Zielgenen stimulieren.
Verschieden Zytokinrezeptoren bewirken verschiedene zelluläre Antworten durch Aktivierung
verschiedener STATs.
Hemmung des JAK/ STAT-Signalwegs JAKs können negativ durch SOCS Proteine, PTPs, und ubiquitinvermittelte Protein Degradation reguliert werden. SOCS Proteine, die von Zytokinen induziert werden, agieren
als eine negative Rückkopplungsschleife, um die Aktivität der JAKs abzuschalten. SOCS1 bindet direkt an
tyrosin-phosphorylierte JAKs durch die SH2 Domäne, was in der Hemmung der Kinaseaktivitä resultiert. SOCS3
hemmt JAKs durch Bindung an den Rezeptor. Dagegen beeinträchtigt CIS nicht die Aktivität der JAKs, sondern
hemmt STATs über kompetitive Hemmung an der Andockstelle des Rezeptor der STATs. Viele PTPs nehmen in
der Regulation der JAKs teil. STATs können durch PTPs negativ sowohl im Zytoplasma als auch im Nukleus
reguliert werden. PTP entfernen Phosphate vom Zytokinrezeptoren und aktivieren STATs. PIAS Proteine
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interagieren mit STATs als Antwort auf Zytokin Stimulation und hemmen die transkriptionale Aktivität des
STATs über bestimmte Mechanismen: (1) PIAS1 und PIAS3 blockieren die DNA-bindende Aktivität der STAT
Dimere. (2) PIASX und PIASY mögen als transkriptionale Co-repressoren der STATs agieren über Rekrutierung
anderer Co-repressor Proteine wie z.B. HDAC. (3) PIAS Proteine können die Konjugation vom kleinen SUMO
zum STAT1 fördern.
ABKÜRZUNGEN:
STAT (signal transducers and activators of transcription)
SOCS (suppressor of cytokine signaling)
PIAS (protein inhibitors of activated STATS)
PTP (protein tyrosine phosphatases)
CIS (cytokine-inducible SH2-protein)
HDAC (histone deacetylase)
SUMO (ubiquitin-related modifier)
Der TGF-β
β/SMAD Signalweg Ein noch direkterer Signalweg wird von einer anderen Klasse von
enzymgekoppelten Rezeptor serine/threonine Kinasen verwendet, die direkt zytoplasmische
Genregulatoproteine genannt SMADs, nach Stimulation durch ein extrazelluläres Signalmolekül. Die
Hormone und lokalen Mediatoren, die diese Rezeptoren aktivieren, gehören zur TFG-β (transforming
growth factor) Superfamilie, die eine besonders wichtige Rolle in der Entwicklung spielen. Die SMADS
dissoziieren dann vom Rezeptor und binden an andere SMADs, und die Komplexe wandern
anschließend in den Nukleus, wo sie die Transkription spezifischer Zielgene stimulieren. Der TGFβ
Signalweg ist in vielen zellulären Prozessen sowohl in adulten als auch in sich entwickelnden
Organismen, einschließlich Zellwachstum, Zelldifferenzierung, Apoptose von Bedeutung.
Der NF-κ
κB Signalweg Die NF-κB Proteine sind in den meisten Tierzellen vorhanden und von zentraler
Bedeutung in vielen Stress-, entzündlichen und immunbasiersten Situationen. Verschiedene
Zelloberflächenrezeptoren aktivieren NF-κB Signalwege in Tierzellen. Toll-ähnliche Rezeptoren in
Vertebraten erkennen Pathogene und aktivieren diesen Weg im angeborenen Immunsystem. Die
Rezeptoren für tumor necrosis factor α (TNFα) und interleukin-1 (IL1), die zu den vertebraten
Zytokinen gehören und besonders wichtig in der Entzündungsauslösung sind, aktivieren diesen
Signalweg. Beide TNFα und sein Rezeptor sind Trimere. Die Bindung von TNFα verursacht
eine Neuanordnung von geclusterten zytosolischen Schwänzen des Rezeptors, die
verschiedene Signalproteine rekrutieren können und in die Aktivierung von
Serin/threonin Proteinkinase (nicht direktl) resultieren. Das führt zur Phosphorylierung und
Aktivierung von Iκ-B kinase (IKK). IKK ist ein Heterotrimer, bestehend aus zwei
Kinaseuntereinheiten (IKKα and IKKβ) und eine Regulatoruntereinheit genannt
Nemo. Das NF-κB bildet eine Dimerstruktur, und ist inaktiv im Zytoplasma wegen der
Bindung des DImers an einHemmprotein genannt IκB. Aktiviertes IKKβ
phosphoryliert Iκ-B an zwei Serinen, was das Protein zur Ubiquitylation und
Degradation im Proteasom überlässt. Das freigesetzte NF-κB translokiert in den Nukleus, wo,
in Kollaboration mit Koaktivator Proteinen, es die Transkription der Zielgene stimuliert.
III.Andere Signalwege
Hedgehog Signalweg in Vertebraten Sonic hedgehog (SHH) wird als ein ~45kDa precursor translatiert und
untergeht autokatalytisches Processing, um eine ~20kDa N-terminal Signaling Domain (referred to as SHH-N)
und eine ~25kDa C-terminale Domain mit bisher unbekannter Signalfunktion zu produzieren. Während dieser
Spaltung wird ein Cholestrol Molekül an das Carboxylende der N-terminalen Domäne gehängt, die in
Zellverkehr, Sekretion und Rezeptorinteraktion des Liganden involviert ist. SHH kann in autokrine Weise
funktionieren, sodass die Zelle, die es produziert auch die Wirkung erfährt. Sekretion und konsequente
parakrine hedgehog Signale benötigen die Teilnahme von Dispatched protein (DISP), dessen exakte Funktion
noch aufgeklärt werden muss. Wenn SHH seine Zielzelle erreicht, bindet es an den Patched-1 (PTCH1)
Rezeptor. In der Abwesenheit des Liganden hemmt PTCH1 Smoothened (SMO- ein downstream Protein im
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Signalweg). Die Bindung von SHH hebt SMO Hemmung auf, was zur Aktivierung von GLI transkription Faktoren
führt. Aktiviertes GLI staut sich im Nukleus und kontrolliert die Transkription von hedgehog Zielgenen.
Mitglieder der hedgehog Familie spielen eine Schlüsselrolle in der weiten Variabilität von
Entwicklungsprozessen. Eines der besterforschten Beispiele ist die Wirkung von Sonic hedgehog während der
Entwicklung von vertebraten Extremitäten. Das klassische Experiment zur Entwicklung der HähnchenExtremitäten-Knospe bildete die Basis des morphogene Konzepts (von Saunders und Gasseling, 1968!). Sie
zeigten, dass die Identität der Finger in den Hähnchen-Extremitäten durch einen diffusierenden Faktor
bestimmt wurden, der von der sogenannten „zone of polarizing activity (ZPA)”, einer kleinen Geweberegion am
posterioren Rand der Extremität gebildet wird. Säugetier Entwicklung erscheint nach dem gleichen Prinzip
abzulaufen. Dieser diffusierende Faktor wurde später als Sonic hedgehog benannt nachgewiesen. Dennoch war
es bis vor kurzem nicht ganz genau bekannt, wie SHH die Fingeridentität bestimmt. Das aktuelle Modell wurde
von Harfe und Mitarbeitern entworfen und beschreibt, das beides, Konzetration und Zeit der SHH Aussetzung,
die Gewebe in den jeweiligen Finger einer Maus differenzieren last.
Der Delta-Notch Signalweg: Laterale Inhibition vermittelt durch Notch und Delta während der
Nerventwicklung. Dieser Signalweg ist weit verbreitet, aber besonders gut erforscht an der Drosophila, deshalb
zeigen wir diesen Weg an diesem Beispiel. Der Notch Signalweg ist wichtig in der Zell-Zell-Kommunikation, was
die Genregulation involviert, die für multiple Zelldifferenzierung zuständig ist. Notch Signale haben auch
folgende Aufgaben: Wenn eine Vorläuferzelle eine Nervenzelle wird, signalisiert sie es den direkten
Nachbarzellen, damit diese nicht das gleiche tun. Die gehemmten Zellen entwickeln sich anstelle zu
Epithelzellen. Diese hemmenden kontaktabhängigen Signale werden durch den Liganden Delta vermittelt, der
auf der Oberfläche der zukünftigen Nervenzelle erscheint und an den Notchrezeptor der benachbarten Zelle
bindet. Die numerierten roten Pfeile auf dem Bild indizieren die Stellen an den proteolytische Spaltung
stattfindet. Die erste Spaltung entsteht innerhalb des trans-Golgi Netzwerks, um einen reifen heterodimeren
Notchrezeptor zu generieren., der anschließend in der Zelloberfläche eingebaut wird. Die Bindung von Delta,
die an den Nachbarzellen angezeigt wird, lost die beiden folgenden proteolytischen Schritte aus. Der
resultierende Notch-Schwanz wandert zum Nukleus , woe r das sogenannte rbpsuh Protein bindet und es von
einem transkriptionalen Repressor in einen transkriptionalen Aktivator umwandelt, der dann die eigentliche
Transkription aktiviert. Merke: andere Faktoren werden auch zur Aktivierung benötigt.
Die weiteren Texte zum Thema sind für Extrawissen und Eigeninteresse bestimmt.Wer
darüberhinaus nich Fragen hat, möchte mich bitte kontaktieren ! <[email protected]>
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