Signaltransduktion - Institut für Biochemie

Prof. Dr. KH. Friedrich, Institut für Biochemie II
Fakten und Fragen zur Vorbereitung auf das
Seminar „Signaltransduktion“
Voraussetzung für einen produktiven und allseits erfreulichen Ablauf des Seminars
ist, dass Sie sich vorbereitend mit den hier gegebenen Informationen (und dem Inhalt
der Vorlesung...) beschäftigen.
Sie sollten in der Lage sein (wird erwartet...), sich aktiv an am Seminar zu beteiligen.
Beispielhaft sind einige Fragen zur Thematik weiter unten angeführt.
Grundlagen und Prinzipien der Signaltransduktion
„Signaltransduktion“ beschreibt die Erzeugung, Weiterleitung und Wirkung von
Information in lebenden Systemen. Wir können Signaltransduktion auf verschiedenen
Organisationsebenen (Moleküle, Zellen, Gewebe, der Gesamtorganismus)
beobachten und unterscheiden „chemische“ und „elektrische“ Übertragung von
Information. Für die Medizin ist das Gebiet von grundlegender Bedeutung, weil viele
(wenn nicht letztlich alle) Krankheiten mit fehlerhaften Signaltransduktions-Prozessen
assoziiert sind, deren gezielte pharmazeutische Beeinflussung zu den Zielen der
angewandten Forschung gehört. Vielversprechende Entwicklungen gibt es etwa bei
neurologischen und Tumorerkrankungen oder chronischen Entzündungsprozessen.
Signalvermittelnde
Botenstoffe
gehören
unterschiedlichen
chemischen
Substanzklassen an. Bei vielen handelt es sich um Proteine oder Peptide. Manche
Signalstoffe sind niedermolekulare Substanzen wie Aminosäure-Abkömmlinge oder
Fettsäure-Derivate. Steroide stammen vom Cholesterol ab. Sie sind aufgrund ihres
lipophilen Charakters fähig, Membranen zu durchdringen und finden ihre Rezeptoren
im Cytoplasma, die meisten anderen Signalmoleküle bedienen sich jedoch
membranständiger Rezeptoren zur Signalvermittlung ins Zellinnere.
Rezeptoren und Liganden: Signalauslösung
Rezeptoren lassen sich in Familien mit gemeinsamen strukturellen und funktionellen
Eigenschaften gruppieren. Eine grundsätzliche Unterscheidung ist zunächst die in
membranständige und intrazelluläre Rezeptoren.
Intrazelluläre Rezeptoren sind solche für lipophile und damit membrangängige
Liganden wie Steroide. Sie werden durch Bindung des Liganden in ihrer
Konformation verändert und können dadurch in den Zellkern wandern. Dort wirken
sie als Genregulatoren.
Bei den Membranrezeptoren kennt man ligandenabhängige Ionen-Kanäle und
Membranproteine, die direkt Signale ins Zellinnere weiterleiten. Sie tun dies
entweder, indem durch ligandeninduzierte Aktivierung eine intrinsische enzymatische
Aktivität angeschaltet oder durch Vermittlung von intrazellulären G-Proteinen die
Bildung von „Second Messengern“ im Zellinneren ausgelöst wird.
Signalvermittelnde Liganden gehen spezifische, hochaffine Wechselwirkungen mit
den Rezeptoren ein. Durch die Ligandenbindung werden die Rezeptoren “aktiviert”,
was mit Di- oder Oligomerisierungsvorgängen und/oder Konformationsänderungen
einhergeht. Typisch für enzymatisch aktive Rezeptoren ist die Aktivierung durch
ligandeninduzierte Dimerisierung. G-Protein-gekoppelte Rezeptoren haben sieben
Transmembrandomänen und werden durch die Bindung des Liganden in ihrer
Konformation so verändert, dass sie ihrerseits intrazelluläre G-Proteine aktivieren
können.
Wege intrazellulärer Signaltransduktion: Protein-Phosphorylierung,
Proteinkomplexe, Second Messenger
Aktivierte Rezeptoren tragen Signale ins Zellinnere, indem sie nachgeschaltete
Reaktionswege starten und modulieren. Am Ende derartiger „Pathways“ erreicht das
Signal den Zellkern und die DNA. Es kommt zur spezifischen Beeinflussung der
Transkription von Zielgenen und zur Realisierung zellulärer Programme wie
Proliferation, Differenzierung und Zelltod. So kompliziert die zelluläre
Signalverarbeitung auch erscheinen mag, beruht sie doch auf wenigen generellen
Mechanismen:
Reversible kovalente Protein-Modifikation
Ihre wichtigste Art ist die Phosphorylierung. Reversible Proteinphosphorylierung von
Serin/Threonin- und Tyrosin-Resten durch Kinasen und Phosphatasen ist in
eukaryontischen Zellen die vorherrschende Strategie, die Aktivität von Proteinen zu
kontrollieren.
Reversible Bildung von Multiprotein-Komplexen
Vorübergehendes Zusammenlagern von Signalproteinen (etwa im Komplex mit
aktivierten Rezeptoren) ist ein Weg, Signale gezielt auf spezifischen Wegen
weiterzuleiten. Viele an der Signaltransduktion beteiligte Proteine sind “modular”
aufgebaut: Charakteristische Proteindomänen und Sequenzmotive tauchen in
verschiedenen Kombinationen immer wieder auf und haben spezielle
Bindungseigenschaften. Besonders wichtig ist die sehr verbreitete SH2- („Src
homology 2“-) Domäne. SH2-Domänen sind für die spezifische Wechselwirkung von
Proteinen mit phosphorylierten Tyrosinen und ihrer jeweiligen Umgebung in den
jeweiligen Bindungspartnern verantwortlich und haben daher eine zentrale
Bedeutung für Signalprozesse, die mit Tyrosinphosphorylierungen einhergehen.
Reversible Aktivierung von Schalterproteinen
G-Proteine sind Beispiele für molekulare Schalter. Wenn sie GTP gebunden haben,
befinden sie sich in einer aktiven Konformation und können Signale weiterleiten,
haben sie jedoch statt dessen GDP gebunden (das durch Hydrolyse des GTP
entsteht), sind sie inaktiv.
Erzeugung intrazellulärer „Second Messenger“
Manche Rezeptoren bedienen sich sogenannter “Second Messenger”, kleiner
Moleküle, die in der Zelle die Aktivität nachgeschalteter Enzyme steuern. Der
bekannteste Second Messenger ist cyclisches AMP (cAMP).
Funktionsweise von Rezeptoren mit Tyrosinkinase-Aktivität und von G Proteingekoppelten Rezeptoren
Viele Rezeptoren, insbesondere solche für Wachstumsfaktoren, leiten Signale
weiter, indem bei ihrer Aktivierung eine intrazelluläre, enzymatische Aktivität
angeschaltet wird. Es handelt sich dabei um eine Tyrosinkinase-Aktivität, die zur
Phophorylierung von Substratproteinene an Tyrosinresten führt. Sie zeigen als
membranständige Proteine zwei Domänen: die extrazelluläre, ligandenbindende
Domäne ist über einen zellmembran-durchspannenden Teil mit der intrazellulären,
katalytischen Domäne verbunden ist. Die Rezeptoren werden durch die Bindung des
extrazellulären Liganden dimerisiert. Die Dimerisierung pflanzt sich zur
cytoplasmatischen Domäne fort und führt dort durch die Annäherung der
Tyrosinkinase-Domänen zu deren gegenseitiger Aktivierung. Das Ergebnis ist eine
Trans-Phosphorylierung
der
Rezeptormoleküle
an
Tyrosin-Resten,
eine
Voraussetzung für anschließende Signalprozesse. Die phosphorylierten Rezeptoren
dienen nun als Bindungspartner für SH2 Domänen-Proteine, die dann das Signal ins
Zellinere weitertragen.
Ganz anders arbeiten G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GCRs). Typisch für
die Aktivität von GCRs ist die Entstehung von „Second Messengers“. Die
Signalvermittler von GCRs sind heterotrimere G-Proteine, bestehend aus α-, β- und
γ-Untereinheit. Die Bezeichnung der G-Proteine rührt daher, dass gebundene
Guanosin-Nucleotide ihre Aktivität regulieren. Die α-Untereinheit kann GTP oder
GDP binden, wobei die GTP-bindende Form die aktive ist. Die Aktivierung von GCRs
durch ihre Liganden bewirkt, dass die α-Untereinheiten von G-Proteinen bevorzugt
GTP binden, dadurch von den β- und γ-Untereinheiten abdissoziieren und in diesem
Zustand Effektorenzyme regulieren können, die wiederum Second Messenger wie
cAMP und Inositoltrisphosphat/Diacylglycerol produzieren.
Die aktivierte, GTP-beladene α-Untereinheit vieler G-Proteine kann die
membranassoziierte Adenylatcyclase stimulieren, die aus ATP cAMP bildet.
Wichtigste Zielstruktur des Second Messengers ist nun die Proteinkinase A (PKA),
deren Aktivität durch cAMP angeschaltet wird. Die PKA spielt u.a. eine zentrale Rolle
bei der Kontrolle des Glycogen-Stoffwechsels, indem sie u.a. eine positive
Regulation glycogen-abbauender Enzyme bewirkt.
Es gibt ein weiteres wichtiges Second Messenger-System, das aus zwei
Komponenten besteht: Das Membranlipid Phosphatidylinositid-bisphosphat (PIP2) ist
Ausgangssubstanz für die beiden Signalmoleküle Diacylglycerol (DAG) und Inositidtris-phosphat (IP3), die durch die Phospholipase C (PLC) aus PIP2 gebildet werden.
Die PLC wird, analog zur Adenylatcyclase (s.o.) durch GTP-beladene G-Proteine
aktiviert. Ähnlich dem cAMP beeinflussen DAG und IP3 nachgeschaltete Enzyme.
Das membraneingelagerte DAG aktiviert die membranständige Proteinkinase C,
deren Substrate an der Kontrolle der Zellproliferation beteiligt sind. Das lösliche IP3
ist hingegend von großer Bedeutung für die Regulation der intrazellulären
Konzentration von Ca2+, indem es z.B. Ca2+-Kanäle in den Membranen von
cytoplasmatischen Calcium-Speichern beeinflusst.
Es gibt verschiedene Mechanismen, die schließlich wieder zum Abbau von
Second Messengers und damit zu einer Signalbegrenzung führen. So wird cAMP
durch das Enzym cAMP-Phosphodiesterase wieder entfernt, d.h. zu AMP abgebaut.
G-Proteine besitzen zudem eine intrinsische GTPase-Aktivität, die sie ständig mit
einer gewissen Rate in den inaktiven, GDP-gebundenen Zustand zurückführt.
Fragen zum Verständnis und zur Selbstkontrolle:
1.)
Wie wird eine Rezeptor-Tyrosinkinase aktiviert und wie gibt sie Signale ins
Zellinnere weiter?
2.)
Welche Aminosäuren in Proteinen können phosphoryliert werden?
Kennen Sie Beispiele für die funktionelle Bedeutung solcher Aminosäurespezifischen Phosphorylierung in Signaltransduktion und Zellphysiologie?
3.)
Wie ist die Funktionsweise von heterotrimeren G-Proteinen?
4.)
Was sind und tun Adenylatcyclase und Proteinkinase A?
5.)
Welche Funktion hat die Phospholipase C?
6.)
Welche Wirkungen haben die second messenger cAMP, DAG und IP3 ?
7.)
Wie wird die WIrkung von second messengern begrenzt und beendet?
8.)
Wichtig: Welche Beispiele von krankheitsauslösenden Fehlfunktionen der
Signaltransduktion kennen Sie? Gibt es therapeutische Möglichkeiten?