G-Protein
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Signaltermination bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren Viele Schalter für ein Signal! SIGNALE: REAKTION: Hormone Stoffwechsel Neurotransmitter Proteinsynthese mRNA Cytokine ZELLE Fettsäurederivate Morphologie Differenzierung Licht Signalweiterleitung Duft BEDEUTUNG der SIGNALTERMINATION . Schutz vor dauerhafter Zellerregung . Adaption der zellulären Antwort auf Änderung von externen Signalen . Integration von verschiedenen Signaltransduktionswegen SIGNALTERMINATION A - kurzfristiges Signal (sec-min) Reversibel Inaktivierung der Signalmoleküle (z.B. chem. Modifikation, zelluläre Umverlagerung, Protein-Protein Interaktion) Schnelle Reaktion auf Signalveränderungen SIGNALTERMINATION A SIGNALTERMINATION B - kurzfristiges Signal (sec-min) - andauerndes Signal – (Stunden-Tage) Reversibel Inaktivierung der Signalmoleküle (z.B. chem. Modifikation, zelluläre Umverlagerung, Irreversibel Inaktivierung der Signalmoleküle (z.B. proteolytischer Abbau, Verminderung der Neusynthese) Protein-Protein Interaktion) Schnelle Reaktion auf Signalveränderungen dauerhafte Umstellung des Zellverhaltens bei chronischen Milieuveränderungen Signaltermination bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren (GPCR) - am besten untersuchtes Rezeptorsystem bezüglich Signaltermination - über 2000 Artikel in den letzten 5 Jahren zu diesem Thema ! Grund: - 100.000 Gene im humanen Genom 1000 Gene für GPCR! - 45% der in den letzten 10 Jahren entwickelten Pharmaka wirken auf GPCR - weites Spektrum von Liganden: Neurotransmitter, Hormone, Chemokine, Prostanoide, Licht, Odorants - beteiligt an Krankheiten: Bluthochdruck, chronische Herzfehler, endzündlichen Krankheiten, HIV, Opiatsucht Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren zirkulierende Signalsubstanzen Externe Signale e NH2- PM i - Rezeptor COOH Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren zirkulierende Signalsubstanzen Externe Signale e NH2- PM i a b g - Rezeptor COOH GDP GTP a G-Protein b g Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren zirkulierende Signalsubstanzen Externe Signale e NH2- PM i a b g - Rezeptor COOH GDP GTP a G-Protein b g Effektor (z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK) Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren zirkulierende Signalsubstanzen Externe Signale e NH2- PM i a b g - Rezeptor COOH GDP GTP a G-Protein b g Effektor (z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK) second messenger (cAMP, IP3, DAG, Ca2+) Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren zirkulierende Signalsubstanzen Externe Signale e NH2- PM i a b g - Rezeptor COOH GDP GTP a G-Protein b g Effektor (z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK) second messenger (cAMP, IP3, DAG, Ca2+) Proteinkinasen (PKA, PKC) Herabsetzen der Hormonkonzentration Abschalten des Signals H e NH2- [HR] = [H] [R] Kd H PM - i Signal COOH Herabsetzen der Hormonkonzentration Abschalten des Signals H e NH2- [HR] = [H] [R] Kd H PM - i COOH Signal externes Signal endokrines System transient [H] Herabsetzen der Hormonkonzentration Abschalten des Signals H e NH2- [HR] = [H] [R] Kd H PM - i COOH Signal externes Signal endokrines System transient [H] [H] liegt im Bereich der Kd des Rezeptors Signal Herabsetzen der Hormonkonzentration Abschalten des Signals H e NH2- [HR] = [H] [R] Kd H PM - i COOH Signal externes Signal endokrines System transient [H] [H] liegt im Bereich der Kd des Rezeptors Signal [H] [HR] Abschalten des Signals Agonisten-Entfernung aus dem Extrazellulärraum - Mechanismen 1. Verdünnung 2. Aufnahme durch spezifische Transporter 3. Extrazellulärer Abbau 4. Rezeptor-vermittelte Endozytose Aktive Entfernung des Agonisten aus dem Extrazellulärraum (Synapse) Kokain Sarin Aktive Entfernung des Agonisten aus dem Extrazellulärraum (Synapse) Kokain Sarin Aktive Entfernung des Agonisten aus dem Extrazellulärraum (Synapse) Kokain Sarin Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren zirkulierende Signalsubstanzen Externe Signale e NH2- PM i a b g - Rezeptor COOH GDP GTP a G-Protein b g Effektor (z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK) second messenger (cAMP, IP3, DAG, Ca2+) Proteinkinasen (PKA, PKC) Desensitisierung von G-Protein gekoppelten Rezeptoren (GPCR) Signaltermination am Rezeptor • Homologe Desensitisierung - Exclusive Hemmung des aktiven, Liganden-besetzten Rezeptors Desensitisierung von G-Protein gekoppelten Rezeptoren (GPCR) Signaltermination am Rezeptor • Homologe Desensitisierung - Exclusive Hemmung des aktiven, Liganden-besetzten Rezeptors • Heterologe Desensitisierung - Hemmung eines Rezeptors nach Aktivierung eines anderen, heterologen Rezeptors Desensitisierung und Phosphorylierung von GPCR Beispiel: Angiotensin II Rezeptor: Ligand: Angiotensin II Funktion: potenter Regulator des Blutdrucks G-Protein: Gq second-messenger: InsP3 , Ca2+ Rezeptordesensitisierung: Desensitisierung und Phosphorylierung von GPCR Beispiel: Angiotensin II Rezeptor: Ligand: Angiotensin II Funktion: potenter Regulator des Blutdrucks G-Protein: Gq second-messenger: InsP3 , Ca2+ Rezeptordesensitisierung: Rezeptorphosphorylierung: G-Protein gekoppelte Rezeptor Kinasen (GRKs) Rezeptorerkennung Membrantargeting GRK-Eigenschaften Name Intrazelluäre Lokalisation Rezeptorsubstrat Gewebe GRK 1 Rhodopsin Kinase Plasmamembran Rhodopsin (ß2-AR) GRK 2 ßARK 1 Cytosol ß2-AR, a2-AR, m2-ACh-R, Leukozyten, Herz, Gehirn, Lunge, Niere Thr-R, AT II-R etc. GRK 3 ßARK 2 Cytosol ß2-AR, a2-AR, m2-ACh-R, Milz, Herz, Gehirn, Lunge, Niere Thr-R, AT II-R etc. GRK 4 - Plasmamembran ß2-AR, LH-R Testis, (Gehirn) GRK 5 - Plasmamembran ß2-AR, Rhodopsin Muskel, Herz, Leber Gehirn, Lunge, Niere GRK 6 - Plasmamembran ß2-AR, Rhodopsin Muskel, Herz, Leber Gehirn, Lunge, Niere Retina Translokation von GRK2/3 Regulation der GRK-Phosphorylierung Aktivierter Rezeptor A 1 2 3 4 5 6 7 GRK 5/6 S/T S/T P P b g GRK 2/3 + GRK 2/3 Regulation der GRK-Phosphorylierung Aktivierter Rezeptor A 1 + 2 3 4 5 6 7 GRK 5/6 S/T S/T P P b g GRK 2/3 + GRK 2/3 Regulation der GRK-Phosphorylierung Aktivierter Rezeptor A 1 + 2 3 4 5 6 7 GRK 5/6 S/T S/T P P b g GRK 2/3 + GRK 2/3 PIP2 + Regulation der GRK-Phosphorylierung Aktivierter Rezeptor A 1 + 2 3 4 5 6 7 GRK 5/6 S/T S/T GRK 2/3 PIP2 + P P + b PKC g GRK 2/3 + Heterologe Rezeptor Desensitisierung und Phosphorylierung Beispiel: ß2-adrenerger- und M3-muscarinischer Rezeptor Ligand: ß2-AR: Isoproterenol M3-R: Carbachol G-protein: ß2-AR: Gs, cAMP M3-R: Gq, IP3, Ca2+ Heterologe Rezeptor Desensitisierung und Phosphorylierung Beispiel: ß2-adrenerger- und M3-muscarinischer Rezeptor Ligand: ß2-AR: Isoproterenol M3-R: Carbachol Heterologe Rezeptordesensitisierung 1. 2. Prä-Stimulus: Carbachol Stimulus: Isoproterenol Prä G-protein: ß2-AR: Gs, cAMP M3-R: Gq, IP3, Ca2+ Heterologe Rezeptor Desensitisierung und Phosphorylierung Beispiel: ß2-adrenerger- und M3-muscarinischer Rezeptor Ligand: ß2-AR: Isoproterenol M3-R: Carbachol Heterologe Rezeptordesensitisierung 1. 2. Prä-Stimulus: Carbachol Stimulus: Isoproterenol G-protein: ß2-AR: Gs, cAMP M3-R: Gq, IP3, Ca2+ Heterologe Rezeptorphosphorylierung 1. Phosphorylierung des ß2-AR durch Stimulation mit Carbachol Arrestin - Adaptor bei der GPCR-Desensitisierung Arrestine: Gewebe Lokalisation Vis. Arrstin Retina Cytosol ß-Arrestin 1 und 2 ubiquitär (NS, Lymph. Gewebe) Cytosol cone-Arrestin Retina, Lunge Cytosol D- E-Arrestin ubiquitär Cytosol Struktur Erkennung des akt. Rezeptors 48 kD Phosphorylierungserkennung Clathrinbindung Arrestin - Adaptor bei der GPCR-Desensitisierung Arrestine: Gewebe Lokalisation Vis. Arrstin Retina Cytosol ß-Arrestin 1 und 2 ubiquitär (NS, Lymph. Gewebe) Cytosol cone-Arrestin Retina, Lunge Cytosol D- E-Arrestin ubiquitär Cytosol Struktur Erkennung des akt. Rezeptors 48 kD Phosphorylierungserkennung Clathrinbindung Agonisten-induzierte Sequestrierung von GPCR Beteiligung von Arrestin Beispiel: Adenosin-R G-Protein: Gs Lokalisation von Rezeptor u. Arrestin Rezeptor Arrestin-GFP Rezeptor + Arrestin-GFP Rezeptor Arrestin Rezeptor + Arrestin Agonisten-induzierte Sequestrierung von GPCR Beteiligung von Arrestin Beispiel: Adenosin-R G-Protein: Gs Lokalisation von Rezeptor u. Arrestin Rezeptor Arrestin-GFP Rezeptor + Arrestin-GFP Rezeptor Arrestin-GFP Rezeptor + Arrestin-GFP Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren zirkulierende Signalsubstanzen Externe Signale e NH2- PM i a b g - Rezeptor COOH GDP GTP a G-Protein b g Effektor (z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK) second messenger (cAMP, IP3, DAG, Ca2+) Proteinkinasen (PKA, PKC) GTPase-Funktion SIGNALTERMINATION bei G-Proteinen Regulators of G protein Signalling GTPase Activating Protein SIGNALTERMINATION bei G-Proteinen Regulators of G protein Signalling RGS-Proteine beschleunigen die Umwandlung von Ga-GTP zu Ga-GDP GTPase Activating Protein SIGNALTERMINATION bei G-Proteinen Regulators of G protein Signalling GTPase Activating Protein SIGNALTERMINATION bei G-Proteinen Regulators of G protein Signalling alle RGS-Proteine wirken als GAPs!! GTPase Activating Protein gemeinsame Struktur aller RGS-Proteine 120 AA RGS-Domäne Funktionsmechanismus von RGS-Proteinen Stabilisierung des pentavalenten Überganszustandes durch RGS Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren zirkulierende Signalsubstanzen Externe Signale e NH2- PM i a b g - Rezeptor COOH GDP GTP a G-Protein b g Effektor (z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK) second messenger (cAMP, IP3, DAG, Ca2+) Proteinkinasen (PKA, PKC) Inaktivierung von second-messengern Phosphatase (durch Li gehemmt) inaktiv inaktiv Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren zirkulierende Signalsubstanzen Externe Signale e NH2- PM i a b g - Rezeptor COOH GDP GTP a G-Protein b g Effektor (z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK) second messenger (cAMP, IP3, DAG, Ca2+) Proteinkinasen (PKA, PKC) ZUSAMMENFASSUNG Signaltermination findet auf allen Stufen der Signaltransduktion statt 1. Agonist: - Verdünnung, Aufnahme, Abbau 2. Rezeptor: - Phosphorylierung, Entkopplung vom G-Protein, Internalisierung, Recycling, Abbau,Verminderung der Neusynthese 3. G-Protein: GTPase Funktion, GAPs und RGS-Proteine ZUSAMMENFASSUNG Signaltermination findet auf allen Stufen der Signaltransduktion statt 4. second-Messenger: Hydrolyse, Dephosphorylierung, Reveresterung 5. Verstärkerenzyme (Kinasen): Feedback-Inhibition
