Signaltransduktion

Signaltransduktion Logik und Notwendigkeit
Prof. Dr. Albert Duschl
Allgemeine Informationen
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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.
Ich empfehle Ihnen, alle elektronischen Geräte auszuschalten.
Berufsfelder
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Auf dem Gebiet der
Signaltransduktion gibt es viele
berufliche Gelegenheiten.
Pharmaentwicklung und
Grundlagenforschung sind
offensichtlich, aber auch andere
Anwendungen, wie Diagnostika oder
der Agrarbereich bieten
Möglichkeiten.
Ein Aspekt der nicht zu
unterschätzen ist sind die
verfügbaren Stellen
(~ verfügbare Gelder).
Interessant ist welche Krankheiten
sehr viel beforscht werden (und
welche eher nicht).
© Science 344:546; 9. May 2014
Smart regulation
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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
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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:
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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
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Liganden, z.B. Proteinfaktoren, können unterschiedliche Schicksale haben:
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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.
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Steroidhormone
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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