Signaltransduktion - Logik und Notwendigkeit
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Signaltransduktion Logik und Notwendigkeit Prof. Dr. Albert Duschl Allgemeine Informationen Diese Präsentation ist als pdf-file über die Homepage meiner Arbeitsgruppe erhältlich. Die Vorlesung ist prüfungsimmanent. Sie kommen mindestens einmal mündlich und einmal schriftlich dran. Gute Noten im Bakk-Modul wären nützlich: Sie sind z.B. ein Kriterium zur Zulassung zu Mastermodulen. Einige spezielle Lehrbücher: Krauss: Biochemistry of Signal Transduction and Regulation Finkel and Gutkind: Signal Transduction and Human Disease Gomperts, Kramer and Tatham: Signal Transduction Sie finden diese Bücher alle in der Universitätsbibliothek. Allerdings ist die Vorlesung nicht an eins davon angelehnt, so dass die Informationssuche etwas aufwendig werden kann. Die Vorlesung enthält auch aktuelle Informationen die es noch nicht in Lehrbücher geschafft haben. Signaltransduktion für Biologen Auf dem Gebiet der Signaltransduktion gibt es viele berufliche Gelegenheiten. Pharmaentwicklung und Grundlagenforschung sind beide offensichtlich, aber auch andere Anwendungen, wie Diagnostika oder der Agrarbereich bieten Möglichkeiten. © The New Yorker Smart regulation Wir haben 20-21.000 Gene, aber höchstens 168 haben kein Homolog in Maus oder Hund und nur 12 Gene waren 2007 noch wirklich neu (Clamp et al., PNAS 104:19428 (2007)). Sogar einzellige Eukaryonten haben um die 10.000 Gene. Metazoa haben etwa das Doppelte: Die Seeanemone Nematostrella z.B. hat Vertreter von 7.766 Genfamilien (Putnam et al., Science 317:86 (2007)). Es ist also die Regulation die den wesentlichen Unterschied macht. Expression wird großenteils über externe Signale gesteuert, sogar bei "Housekeeping" Genen. Es ist nicht die Zahl der Gene (und schon gar nicht die Größe des Genoms) die über Komplexität entscheidet. Das größte bekannte Zahl an Genen hat derzeit Daphnia pulex mit ca. 39.000 (Science 324:1252 (2009). © Science Evolutionary kernels Viele Signalwege sind evolutionär sehr alt (prä-kambrisch!). Wnt, Notch und TGF-ß finden sich sogar bei Schwämmen. © both figures: Erwin/Valentine: The Cambrian Explosion. The Construction of Animal Biodiversity Unser Thema: Wie kommt Information von der Außenseite der Zelle in den Zellkern, und auf welche Weise wird dort das Genexpressionsprogramm verändert? Hauptprobleme: Die Membran ist semipermeabel für Substanzen und Informationen, die Distanz Membran Nukleus muss überbrückt werden, und die richtigen Gene müssen gleichzeitig reguliert werden. © Gary Larson: The PreHistory of the Far Side Warum ist Signaltransduktion so kompliziert? Weil die Zelle in ihrem Inneren ein symbolisches Abbild ihrer Umgebung erstellt. © BioSource International Verhalten von Liganden Liganden, z.B. Proteinfaktoren, können unterschiedliche Schicksale haben: Der Ligand bindet an den Rezeptor, stimuliert ihn und wird als Komplex internalisiert (rezeptorvermittelte Internalisierung). Der Ligand bindet an den Rezeptor, stimuliert ihn und dissoziiert wieder ab. Er kann jetzt einen weiteren Rezeptor aktivieren. Der Ligand bindet an den Rezeptor, dissoziiert aber wieder ab bevor es zur Aktivierung kommt. Der Ligand wird über die Nieren ausfiltriert und ausgeschieden. Der Ligand wird abgebaut, etwa durch Serumproteasen oder in der Leber. Der Ligand bindet an ein lösliches Serumprotein und wird dadurch inaktiviert. Der Ligand bindet an ein lösliches Serumprotein und wird dadurch vor Ausscheidung und Proteolyse geschützt, bleibt also länger aktiv. Der Ligand bindet an ein Membranprotein das nicht sein signalübertragender Rezeptor ist. Steroidhormone Cholesterin ist Ausgangspunkt für die Synthese von Steroidhormonen. Steroide sind stark differenzierend wirkende Hormone. Sie stossen also zelluläre Entwicklungsprogramme an und wirken oft proliferationshemmend. Klinische Anwendungen als Entzündungshemmer: Cortison und seine Derivate. © both figures Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry Steroide sind membranpermeabel Steroide sind membranpermeabel. Es gibt also keine Rezeptoren in der Cytoplasmamembran., sondern cytoplasmatische Bindeproteine. Die Rezeptoren für Thyroxin, Calcitriol und Retinsäure sind ebenfalls cytoplasmatisch, und eng mit denen der Steroidhormone verwandt. Die Rezeptoren dieser Gruppe können an DNA binden und wirken als Transkriptionsfaktoren. Sie bewältigen also drei normalerweise getrennte Aufgaben: Spezifische Ligandenerkennung, Signalübertragung, und Transkriptionsregulation. © Stryer: Biochemistry © Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry Steroidhormon-Rezeptoren Steroidhormonrezeptoren haben stark konservierte DNA-Bindungsdomänen und Hormonbindungsdomänen. Die N-terminale Aktivierungsdomäne dient der Interaktion mit anderen Transkriptionsfaktoren. Sie ist nicht konserviert und sehr variabel. © Lodish et al.: Molecular Cell Biology Aktivierung des GR-Rezeptors Im inaktiven Zustand wird der Glucocorticoidrezeptor durch Bindung an Hitzeschockprotein 90 im Cytoplasma zurückgehalten. Bindung des Liganden führt zur Ablösung von HSP90 und zur Kerntranslokation. Die Hormonbindungsdomäne blockiert DNA-Bindung. Bei Bindung eines Hormons wird diese Funktion nicht mehr ausgeführt und der Rezeptor kann jetzt DNA binden. Die Aktivierungsdomäne wird mit anderen Transkriptionsfaktoren interagieren und den Promotor aktivieren. © Lodish et al.: Molecular Cell Biology Zink-Finger Wie viele andere Transkriptionsfaktoren (aber keineswegs alle) sind Steroidrezeptoren als Dimere aktiv. In jedem Rezeptormonomer sind 2 Zinkatome gebunden, die für DNA-Bindung wichtig sind. Sie binden nicht selbst an DNA, stabilisieren aber ein DNA-bindendes Strukturmotiv. Solche Zinkfinger finden sich auch in anderen DNA-bindenden Proteinklassen. Zink wird entweder durch 4 Cys, oder durch 2 Cys und 2 His komplexiert. © Stryer: Biochemistry DNA-Bindungsstellen Die Bindungsstellen in der DNA sind meist Dimere (invertiert oder nicht), da die Transkriptionsfaktoren dieser Familie ja auch Dimere sind. Die Bindungsstelle von GR ist etwa AGAACA (N)3 TGTTCT – ein inverted repeat, mit anderen Worten ein Palindrom. © Helmreich: The Biochemistry of Cell Signaling Steroide Der Mensch hat 6 zentrale Steroidhormone: Progesteron, Cortisol, Aldosteron, Testosteron, Estradiol (=Östradiol) und Calcitriol (=Calciferol). Mit Ausnahme von Calcitriol sind alle diese Hormone dem Cholesterin strukturell sehr ähnlich, haben aber nur noch eine kurze (2 C-Atome) oder keine Seitenkette. Testosteron ist eine Synthesevorstufe von Estradiol, so daß auch Frauen Testosteron benötigen (10% des Serumwerts von Männern). Tamoxifen ist strukturanalog und kompetitiv inhibitorisch zu Estradiol. Steroidhormone sind evolutionär alt. Ecdyson, das Häutungshormon der Insekten, ist ein Steroidhormon. © Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry Calcitriol (=Calciferol) Calcitriol (1,25-Dihydroxycholecalcitriol) ist ein Derivat von Vitamin D3 (Cholecalcitriol). Squalen, eine Synthesevorstufe des Cholesterin, wird in der Leber zu 7-Dehydrocholesterin (Provitamin D3) umgebaut. Die Leber ist besonders reich an Calciferolen (Lebertran). Die Synthese der aktiven Form der Calciferole (1,25Dihydroxycholecalciferol) erfordert eine UV-Lichtkatalysierte Ringspaltung. Lichtmangel führt zu Mineralisierungsstörungen im Skelettsystem (Rachitis), da aktives Vitamin D für effiziente Ca++Resorption im Darm benötigt wird. Da der menschliche Körper zur Vollsynthese von 1,25-Dihydroxycholecalciferol fähig ist, handelt es sich strenggenommen nicht um ein Vitamin. Pflanzliches Ergosterol kommt als alternatives Provitamin in Frage. © Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie Retinsäure Retinsäure ist ein Isoprenoid das hauptsächlich aus ß-Carotin (Provitamin A) gewonnen wird. Retinal (Vitamin A) ist in Form von alltrans-Retinal und 11-cis-Retinal eine Komponente von Rhodopsin. Die davon abgeleiteten Retinoide haben Hormonwirkungen. Dies gilt für all-trans- und 9-cis-Retinoat (=Retinsäure). Vitamin A Mangel führt zu Wachstumsstörungen, Knochenbildungsstörungen sowie Nachtblindheit mit Verhornung der Cornea bis zur Blindheit (sehr häufig in Entwicklungsländern, "golden rice"). © Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie Thyroxin Die Schilddrüse nimmt über eine Jodidpumpe aktiv Jod aus dem Blutplasma auf und jodiert Tyrosinreste des Trägerproteins Thyreoglobulin. Hormonwirkung haben T4 (Tetrajodthyronin =Thyroxin) und T3 (Trijodthyronin). Reverses T3 ist inaktiv. Thyroxinbindendes Globulin dient im Blut als Trägerprotein. T4 kann peripher in das aktivere T3 umgewandelt werden. Die Schilddrüsenhormone aktivieren KH- und Lipid-Stoffwechsel, induzieren Wachstumsfaktoren (GH, EGF) und verstärken die Kreislaufaktivität. © Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie Hormonelle Hierarchie Steoroidhormone und Thyroxin sind Teil einer hierarchischen Hormonkaskade, die über zentrales Nervensystem, Hypothalamus, Hypophyse und periphere Hormondrüsen zu den Effektorgeweben verläuft. CRH: Corticotorpin releasing hormone GRH, Growth hormone releasing hormone TRH: Thyrotopin releasing hormone ACTH: Corticotropin GH: Growth hormone TSH: Thyrotropic hormone © Krauss: Biochemistry of Signal Transduction and Regulation Lipophile Liganden Liganden der cytoplasmatischen Hormonrezeptoren sind lipophil. Sie benötigen Trägerproteine im Blut, wie Albumin oder thyroxinbindendes Globulin. Die Zellmembran stellt keine Barriere dar, da die Liganden lipidlöslich sind. Intrazellulär müssen Bindungspartner vorliegen. Das können direkt die Rezeptoren sein, oder andere Trägerproteine. Wichtige Medikamente: Vitamine A und D bei Hypovitaminosen, Cortison und seine Derivate bei Entzündung, Anabolika bei Niederlagen. © Harley Schwadron from cartoonbank.com
