Medcelična signalizacija

Lodish 4: 20.1 - 20.4

Šest stopenj zunajceličnega signaliziranja

•Sinteza signalne molekule v signalizacijski celici

•Sproščanje signalne molekule iz signalizacijske celice

•Transport signalne molekule do tarčnih celic

•Zaznavanje signala z receptorji na tarčnih celicah

•Odziv tarčne celice (sprememba metabolizma, funkcije, proženje razvoja)

•Prekinitev signala – celičnega odziva

Tudi evkariontski mikroorganizmi uporabljajo signaliziranje med celicami, običajno v povezavi s parjenjem ali diferenciacijo v spremenjenih pogojih v okolju. FEROMONI: snovi, ki vplivajo na vedenje ali izražanje proteinov drugih osebkov iste vrste. Višji organizmi uporabljajo zunajcelično signaliziranje znotraj posameznega organizma (hormoni, nevrotransmiterji, faktorji rasti). Pri živalih razlikujemo glede na doseg delovanja signalih molekul 4 tipe zunajceličnega signaliziranja: – endokrino, – parakrino, – avtokrino in – signaliziranje z neposrednim delovanjem v PM-zasidranih proteinov na sosednje celice.

Endokrino signaliziranje

Hormoni: epinefrin, norepinefrin, inzulin, glukagon, trijodotironin, tetrajodotironin, steroidi …

Parakrino signaliziranje

Nevrotransmiterji (acetilholin, glutamat, glicin, serotonin, epinefrin, norepinefrin …), faktorji rasti (EGF, PDGF …), citokini (interlevkini, interferoni), prostaglandini …

Avtokrino signaliziranje

Faktorji rasti (EGF, PDGF …), citokini (interlevkini, interferoni), prostaglandini …

Signaliziranje z neposrednim delovanjem PM-zasidranih proteinov na sosednje celice.

Membranski faktorji rasti (EGF), MHC-antigen kompleksi …

T-cell antigen receptor (TCR)-mediated activation of T lymphocite

(macrophage, dendritic cell, B-cell)

Cytokine secretion T-cell maturation

into helper and cytotoxic c.

Receptorji • ligandna specifičnost

• efektorska specifičnost Različni receptorji lahko specifično vežejo isti ligand (npr. ACh), vezava pa sproži različne odzive v tarčnih celicah (npr. vezava ACh na AChR v

skeletni mišici izzove skrčenje mišice, na AChR v srčni mišici pa upočasni frekvenco krčenja).

Isti receptor na različnih tarčnih celicah lahko ob vezavi istega liganda sproži različen odziv v tarčni celici (npr. vezava ACh na AChR v srčni

mišici upočasni frekvenco krčenja srca, na AChR acinarne celice v pankreasu pa izločanje mešičkov s prebavnimi encimi).

Različni receptorji lahko specifično vežejo različne ligande, vezava pa sproži enak odziv v tarčni celici (npr. tako vezava epinefrina kot

glukagona, vsakega na svoj receptor na jetrni celici, povzroči izločanje glukoze v kri) (sekundarni prenašalci: cAMP)

Signalizacijske molekule

• Male lipofilne snovi, ki pasivno prehajajo membrano in delujejo na znotrajcelične receptorje.

• Hidrofilne molekule, ki se vežejo na površinske receptorje.

• Lipofilne molekule, ki se vežejo na površinske receptorje.

• Plini: NO.

Mali lipofilni hormoni, pasivno prehajajo membrano in se vežejo na znotrajcelične receptorje.

(- or +)

Affected stability

of mRNA.

-

-

Nekaj primerov malih lipofilnih hormonov

• steroidni hormoni (kortizol, progesteron, estradiol, testosteron)

• tiroksin

• retinoidi

Steroidi nastajajo iz holesterola in delujejo nekaj ur ali dni. Pogosto vplivajo na rast in diferenciacijo tkiv.

Tiroksin (dve obliki: tetra- in trijodotironin) nastaja iz

tiroglobulina s proteolitično cepitvijo in se sprošča v kri. Pospešuje izražanje številnih genov za katabolične encime.

Retinoidi nastajajo iz retinola (vitamin A) in imajo zelo raznolike učinke zaradi različnih lastnosti ligandov in receptorjev; sodelujejo pri delitvi, diferenciaciji in

odmiranju celic.

Hidrofilne signalizacijske molekule, ki se vežejo na površinske receptorje

• (poli)peptidni hormoni (inzulin, glukagon)

• male nabite molekule (Tyrepinefrin, Hishistamin)

Nekaj primerov hidrofilnih signalizacijskih molekul

Kateholamini

• dopamin

• epinefrin (adrenalin)

• norepinefrin (noradrenalin)

Lipofilni hormoni, ki delujejo na membranske receptorje

• Eikozanoidni hormoni (20 C)

PG delujejo kot lokalni mediatorji z

avto- ali parakrinim signaliziranjem

Vrste receptorjev za signalizacijske molekule na

površini celic

• Receptorji, povezani s Tyr-kinazo

• Z G-proteini povezani receptorji (metabotropni receptorji)

• Receptorji – ionski kanalčki (ionotropni receptorji)

• Receptorji z lastno encimsko aktivnostjo (guanilil ciklazno, fosfatazno, kinazno)

Receptorji za citokine, interferone, HGF …

Receptorji povezani s Tyr-kinazo

Primer: receptor za IgE (FcRI) Signaliziranje pri alergičnem imunskem odzivu

mastocit, bazofilec

Simons & Toomre (2000) Nat. Rev. Molec. Cell Biol. 1, 31-40.

Histamine release alergic response

Medcelična signalizacija (prenos živčnega signala)

Lodish, H. et al.: Nerve cells. In: Molecular cell biology, W.H. Freeman & Co., New York.

Alberts, B. et al.: Membrane transport of small molecules and the electrical properties of membranes. In: Molecular Biology of the Cell, Garland Science, New York.

Structure of typical mammalian neurons

Hippocampal interneurons

green - MAP2

red - synaptotagmin

Neurons communicate with many other cells

A synapse

Reception, conduction and transmission of electric signals

Ion channels in neuronal plasma membrane:

Origin of the resting PM potential in a typical vertebrate neuron

Electric potential (E) across the cell PM

Nernst equation:

Effect of changes in ion permeability on PM potential

Passive spread of depolarization Membrane depolarization spreads passively only over a short distance

Lenght constants

Only resting K+ channels

Voltage-gated ion channels generate action potentials (cycles of membrane depolarization,

hyperpolarization and return to the resting potential)

Ion permeabilities during an action potential

Structure and function of the voltage-gated Na+ channel

Unidirectional conduction of action potential

Myelination of axons

50-100 membrane layers

Formation and structure of a myelin sheath

Myelination increases the velocity of signal conduction from ~1 m/s to 10-100 m/s.

12 µm myelinated vertebrate axon 600 µm unmyelinated squid axon

12 m/s

Radical reduction of neuronal volume & ATP consumption

Evolution of vertebrate brain

Signal transmission at a chemical synapse (frog neuro-muscular junction)

Chemical synapse - schematically

~20 nm

Neurotransmitters

Synaptic vesicle cycle

Excitatory and inhibitory responses in postsynaptic cells

Frog skeletal muscle - nicotinic AChR (ligand-gated ion channel)

Frog heart muscle - muscarinic AChR (G protein-coupled R)

Activation of ligand-gated ion channels at a NM junction

Nicotinic ACh receptor

Fast synapses

Muscarinic ACh receptor (M2) in the heart muscle PM

Slow synapses

Electric synapse - schematically

Ukrivljanje membran

McMahon & Gallop (2005) Nature 438, 590-596.

Mechanisms of membrane deformation

McMahon & Gallop (2005) Nature 438, 590-596.

Phospholipids have different shapes and lipid shape affects membrane curvature

Inverted-cone Cone

Sprong et al. (2001) Nat. Rev. Molec. Cell. Biol. 2, 504-513.

PS Gangliozidi

SM

Lipid shaping

Palmitoyl CoA

CtBP/BARS

Scales & Scheller (1999) Nature 401, 123-124.

- Enzymes that change headgroup size of lipids

- Enzymes that change acyl chain composition of lipids

Role of LPAAT-mediated conversion of LPA to PA in one of the steps of synaptic vesicle formation (fission)

Schmidt et al. (1999) Nature 401, 133-141.

LPAAT

LPAAT

Indirect scaffolding

Direct scaffolding

Epsin (N-BAR)

clathrin PH/PX domain

Amphipatic helix and membrane curvature

McMahon & Gallop (2005) Nature 438, 590-596.

BAR domains

Further reading: McMahon, H.T. and Gallop, J.L. (2005): Membrane curvature and mechanisms of dynamic cell membrane remodelling. Nature 438, 590-596 McMahon, H.T. et al. (2010): Membrane curvature in synaptic vesicle fusion and beyond. Cell 140, 601-605.