Sejtek közötti és sejten belüli jelfolyamatok Elsődleges jelmolekulák kis, apoláros, labilis vegyületek, kis és nagymolekulájú vízben oldódó anyagok hormonok, parakrin-, autokrin- és juxtakrine (helyben ható, kontaktus-függő) faktorok növekedési-, túlélési-, halál- és differenciálódási faktorok Receptorok: intracelluláris és sejtfelszíni receptorok DNS-kötő receptorok, amelyek génaktivitás szabályzására képesek, G-fehérjéhez kötött (7TM) receptorok, ion csatornához kötött receptorok, enzim-aktivitással rendelkező / enzim kötött receptorok Másodlagos hírvivők (second messengers) sejten belüli jelmolekulák: cAMP, IP3, DAG, Ca ionok, fehérje kinázok/foszfatázok, ubikvitin-ligázok, proteázok, (scaffold fehérjék, citoszkeletális szerkezetek, motor fehérjék) Targetek: DNS – általános transzkripciós faktor komplexek, hisztonok (nukleoszómák), anyagcsere enzimek, RNS érési folyamat (spliceszómák), extracelluláris mátrix

Növekedési-, túlélési- és differenciációs faktorok Biológiai aktivitás alapján megkülönböztethetünk növekedési-, túlélési- és differenciációs faktorokat A növekedési faktorok mitogén hatásúak, sejtosztódást váltanak ki, a túlélési faktorok szükségesek az adott sejttípus életben maradásához, a differencióciós faktorok megfordíthatatlan szerkezeti és működésbeli változásokat okoznak (egyesek halál-faktorok, mert egyes sejtek terminális differenciációja pusztuláshoz vezet) halál-faktorok, programmozott sejthalált (vagy sejtlízis, nekrózis) váltanak ki Ezek a faktorok pleiotrop hatásúak: a sejt típusától, differenciáltsági fokától és más faktorok jelenlététől függ a kiváltott hatás iránya, mértéke. Általános elnevezésel növekedés faktoroknak (growth factors, GF) nevezzük őket

Receptor típusok Ion csatornához kötött receptorok szabályozzák egyes ionok be(ki)áramlását a sejtekbe(ből). A ligand kötődése vezet a csatorna nyitásához. G-protein kötött receptorok a G-fehérjék aktiválásán keresztül másodlagos hírvivő molekulák (cAMP, IP3 és DAG) keletkezését indítják be, ami enzimek és gének aktivitásának változéséhoz vezet. A ligand-kötés a receptor alegységeinek oligomerizációját váltja ki, ami enzime-aktivitás változással, másodlagos hírvivő molekulák termelődésével / aktiválásával jár. Végsősoron itt is gének aktivitása változik meg.

Receptor típusok 1. Receptor tirozin kinázok Számos növekedési faktor receptora rendelkezik protein tirozin kináz aktivitással. A kináz akkor aktiválódik, ha a ligand kötés hatására a receptor alegységei fizikai kapcsolatba kerülnek egymással (dimerizálódnak vagy oligo-merizálódnak). Az eredmény az alegységek kölcsönös foszforilációja. Másodlagos hírvivők vonzódnak a foszfotirozin oldalláncokhoz, ezek is foszforilálódnak, így aktívvá válnak. vérlemez-eredetű növ. faktor PDGF receptor

Receptor típusok 1. Receptor tirozin kinázok Számos növekedési faktor receptora rendelkezik protein tirozin kináz aktivitással. A kináz akkor aktiválódik, ha a ligand kötés hatására a receptor alegységei fizikai kapcsolatba kerülnek egymással (dimerizálódnak vagy oligo-merizálódnak). Az eredmény az alegységek kölcsönös foszforilációja. Másodlagos hírvivők vonzódnak a foszfotirozin oldalláncokhoz, ezek is foszforilálódnak, így aktívvá válnak. Ezekben az esetekben maga a receptor alegysége(i) rendelkezik kináz aktivitással.

Receptor típusok 2. Tirozin-kinázhoz kapcsolt receptorok Más növekedési faktor receptorok kináz enzimekhez kapcsoltan működnek. A kináz egy különálló molekula, amely a receptor ligand-indukálta oligomerizációját követően kapcsolódik a a receptorhoz A kinázok foszforilálják egymást, a receptort, majd a receptorhoz vonzott másodlagos hírvivő molekulákat (aktiválva azokat) A receptor alegységeknek nincs kináz aktivitásuk: a receptor aktiválódása vezet a kináz működéséhez

Ion csatornához kötött receptorok E receptorok ligand jelenlétében ion csatornák megnyílását okozzák, gyakran maguk működnek csatornaként. Ilyen receptorok mind a sejthártyában, mind a belső membránokon előfordulhatnak (pl.: D3 vitamin receptor, IP3 receptor) ATP-hatására aktiválódó (ATP-gated) recep- torok, pl. a P2X fontos szerepet játszanak a kontraktilitásban, a tónus kialakításában, a fájdalom és kéjérzésben P2X vitamin D3 receptor

Ion csatornához kötött receptorok (ligand-gated channels) Számos neurotranszmitter receptora rendelkezik ion csatorna aktivitással (cys- loop típusú receptorok). Lehetnek anion (Cl ion, pl. GABA receptorok, hisztamin receptor) vagy kation specifikusak (pl. nikotin-acetilkolin R, 5HT).

Ion csatornához kötött receptorok (ligand-gated channels) AZ NMDA (N-metil-D-aszparaginsav) receptor A glutamát receptor család egyik tagja. Az aktív alegységnek 4 transzmembrán doménje van. Eltérő splice variánsok találhatók a különböző szövetekben. Aktív formája Ca(Na)/K pumpa.

Mitogén faktorok Minden sejttípusnak saját növekedési faktora van, a sejt csak ennek jelenlétében képes osztódni. A mitogén faktorok nagyon specifikusak. Más sejttípusokra is kifejthetnek hatást, de az rendszerint eltérő hatás (pleiotrópia). (Pl. a tumor nekrózis faktor, a TNF mitogén faktor fibroblasztok számára, de citosztatikus melanóma sejtekre, differenciálódást vált ki mieloid sejteken és dedifferenciáltatja a kondrocitákat és apoptózist vált ki endotélben, oligodendrocitákban vagy egyes tumor sejttípusokban. Jellegzetes mitogén faktorok: interleukin-2 (IL-2): T-sejtek, IL-6: B-sejtek, colony stimulating factors (CSF): mieloid, IL-7: limfoid progenitor sejtek számára

Jelösvények (signaling pathways) A receptorok gyakran több jelfolyamatot is elindítanak, amelyek erősíthetik, módosíthatják vagy gyengíthetiks egymás hatását. Az egyes jelösvények jellemzők lehetnek egyes sejttípusokra. A membrán-kötött fehérjék igen fontosak a jelfolyamatok kiala- kulásában Mitogén faktorok a mitogén-aktivált protein-kináz (MAPK) utat (is) aktiválják A parallel utak más feladatokat látnak el, végül általában transzkripciós faktorokat aktiválnak (pl. Ap1)

A jelfolyamat egy sok lépcsős jel-erősítő kaszkád A lépések során egyre több aktivált molekula keletkezik A megfordítható módosítások (pl. foszforiláció / defoszforiláció) igen fontos részét képezik a jelfolyamatoknak. A kinázok foszforilálják a fehérjék tirozin, szerint és treonin amino- sav (OH-) oldalláncait Az aktivált fehérjék utóbb vagy defoszforilálódnak, vagy ubikvitinálás után lebontásra kerülnek

A receptor tirozin kinázok jelfolyamatai A mitogén-aktivált protein kináz jelutakat a mitogén (növekedési) faktorok aktiválják. A MAPK ösvények egymást aktiváló kinázok sorozatát jelentik, a végső szubsztrát mindíg transzkripciós faktor.

Signaling of receptor tyrosine kinases A jel lépésenként erősödik. A kinázok a következő kináz melett más enzimek aktivitását is megváltoztatják, végül a génaktivitási mintázat megváltoztatásához vezetnek.

A receptor vagy jel molekula mutációja betegséget okozhat Az FGF család (fibroblaszt GF) tagjai homo- és heterodimereket alkothatnak, eltérő ligand specificitással. A ligand-kötő domén mutációi súlyos tünetekkel járhatnak.

A kináz-kötött receptorok jelfolyamatai Ligand-kötés aktiválja a receptort, ez vezet a kináz asszociációjához. A "kétarcú" (gátló/aktiváló) Janus-kináz (JAK), foszforilálja a receptort is és az ahhoz kapcsolódó adapter molekulákat (pl. STAT) is. Az aktivált STAT dimerizál és transzlokalizálódik a magba. A STAT, mint DNS kötő fehérje és transzkripciós faktor számos gén aktivitását szabályozza

A kináz-kötött receptorok jelfolyamatai

A kináz-kötött immun receptorok jelfolyamatai Ligand-specifikus és szignálkeltő alegységek építik fel a receptort. A szignálkeltő alegységek számos ligand specifikus lánccal alkothatnak heterodimert. Ez a ligandok versengéséhez, egymás hatásának gátlásához vezethet.

Insulin receptor és jelfolyamat Az inzulin receptor kiváltja a PI fooszforilációját. A PIP3-hoz kapcsolódva jel-komplex alakulhat ki a membrán belső felszínén. Az aktivált kináz számos enzim aktivitását változ- tatja közvetlenül vagy áttételesen, a glukagon hatásá- val ellentétes irányban

Differenciálódási faktorok A differenciációs faktorok – a mitogén faktorokhoz hasonlóan – nagyon sejt-típus specifikusak Receptoraik csak a differenciálódás bizonyos lépései során jelennek meg, majd később eltűnhetnek A transforming growth factor (TGF) család tagjai (activins, inhibins, TGFs, bone morphogeic proteins, BMPs, stb.) igen ősi, jól konzervált molekulák, amelyek számos differenciálódási lépést képesek kiváltani

A TGF/TGF.R jelút Ligand kötés aktiválja a receptort (ligand-induced dimerization). Adapter molekulák (SMAD-ok) kapcsolódnak a foszforilálódó receptorhoz, maguk is aktiválódnak, di- majd trimerizálódnak és a magba jutva génaktivitást szabályzó faktorokként működnek. TGF.R családtagok más-más SMAD kombinációkat használnak Smad1, 2, 3 és 5 jelmolekulák, a Smad4 co-Smad, a Smad6 és 7 gátolja a jel- folyamatokat

Túlélési faktorok és receptorok A sejtek csak növekedési faktorok jelenlétében osztódnak, de túlélésükhöz általában nem kell jel. Egyes sejttípusok életben maradása csak túlélési faktorok jelenlétében biztosított. Más sejtek folyamatos osztódása és életben maradása egyaránt faktor függő E sejtek apoptozisa csak túlélési faktorokkal biztosítható Hemopoetikus őssejteknek (HSC) össejt faktorra (SCF), interleukin-3-ra (IL-3) és flt-3 ligandra (FL) van szüksége a túléléshez. Hiányuk nem az osztódás végéhez, hanem sejthalálhoz vezet. Túlélési faktorok: NGF (nerve GF): neuronok, IGF-1 (insulin-like GF): számos sejttípus, endothelin: endotél sejtek, BAFF: B sejtek, leptin: eozinofil granulociták, neurotrofinok: neuronok, embrio őssejtek, VEGF (vascular endothelial growth factors): kapilláris ill. retina endotél

Túlélési faktorok és receptorok A túlélési faktorok ezekben a sejtekben a pro-apoptotikus jelutak működését függesztik fel

Halál receptorok Más sejttípusokban az apoptózist jelmolekuláknak kell kiváltani A halál receptorok aktiválódása apoptózishoz vezethet – sejttípustól függő módon death pathway survival pathway proliferation

Wnt jelút: egy egyedi differenciálódási szignál Wnt jel az egyedfejlődés során differenciálódást vált ki (pl. ventral-dorsal) A receptor egy 7TM domén GPCR, amely több jelutat is aktivál A ligand távollétében béta-katenin lebomlik. A receptor aktiválása stabilizálja a katenint, ami a magba jutva génaktivitás válto- zásokat vált ki.

A béta-katenin egy többfunkciós fehérje A béta katenin citoszkeletális szerkezetekhez kapcsolódva biztosítja a szomszédos sejtek közti kapcsolatot Az Axin-APC-GSK komplex (foszforiláció és ubikvitinálás után) a szabad béta-katenin lebomlását okozza, nem interferálva a fehérje morfológiai működésével

Wnt jel és differenciáció A Wnt képtelen aktiválni receptorát az embrió anterior szegmentjében, mert más faktorok kötődnek hozzá

Raftok szerepe és a kinázok és foszfatázok egyensúlya A jel kialakulását a kinázok és foszfatázok egyensúlya befolyásolja A raftok (membrán mikrodomének) megváltoztathatják az egyensúlyt: a kinázok raft-kötöttek, a foszfatázok nem A raft a jelmolekulák gyűjtőhelye: intenzív, gyors kölcsönhatásokat biztosít

A kinázok és foszfatázok egyensúlya A jel kialakulását a kinázok és foszfatázok egyensúlya befolyásolja. A két enzimtípus szintje függ a sejt típusától. Az aktív foszfatáz még a ligand jelenlétében is megakadályozhatja a jel kialakulását Az SHP-1 enzime de- foszforilálja a receptor alegységeit és a jelmolekulákat

Scaffold fehérjék A scaffold fehérjék felszínén találnak egymásra a jelfolyamat molekulái. Számos kötőhellyel rendelkező fehérjék, gyorsítják a jel terjedését A hősokk fehérjék az ellenkező módon hatnak: lassítják a jelet, meggátolják a fals jel kialakulását

A TNF.R jelfolyamata A genom kb. 25-30 ezer fehérjéjéből több, mint ezernek a működését megváltoztatja egyetlen jelmolekula kötődése

Differenciálódási lépések A differenciálódási lépések során a jelfolyamat megváltoztat(hat)ja a sejtekben - a transzkripciós faktorok aktivitását, - az aktív gének mintázatát - a hnRNS-ek érési folyamatát: új splice faktorok, új alternatív splice variánsok termelődését, - a fehérjék érési folyamatát: másképp módosított fehérjék más aktivitással rendelkeznek, - ez jellegzetes változásokat okoz a sejtek morfológiájában, metabolikus aktivitásában, a sejtek funkcióiban, megváltozik a fehérjék stabilitása, élettartama más fehérjék kerülnek kiválasztásra, más fehérjékből fog állni az extracelluláris mátrix más receptorok kerülnek ki a sejt felszínére

Signal and co-signal In cell-fate decisions signals frequently need a corroborating co-signal to be effective In other cases, the presence of a co-signal alters the meaning of the original signal In immune cells: antigen + co-signal: survival, activation, proliferation antigen alone: apoptosis or anergy

Juxtacrine signal and ECM signal In cell differentiation ligands originating from neighboring cells (cell adhesion molecules, juxtacrine factors) or the extracellular matrix (ECM) play very important roles The signal is usually bi-directional. Both cells differentiate (in the same or different directions)

ECM-triggered signaling

ECM-triggered signaling The cells produce cell-type specific ECM molecules. These proteins activate different signaling pathways in the signaling and the neighboring cells. These signals harmonize cells of a certain tissue, create links between different cell types or induce differentiation of cells. Similar cells are linked together by homofil-, different cell types by heterofil cell adhesion molecules (CAMs)

Cross-talk of signaling pathways Cells are exposed to simultaneous signals. The signaling pathways and signaling molecules modulate each other: they synergize, interfere or modify each other. The effect of a certain factor depends on the presence of all other factors

Alternative pathways result in different effects

The EGF.R signaling pathways