Sejtmozgás Mechanikus jelek átvitele Dr. habil. Kőhidai László egyetemi docens SE – GSI Kemotaxis Munkacsoport SE-ÁOK - 2017 szeptember 15.

Jelátvitel Jelentőség Típusok Sejtek Törzs- Sejtváz fejlődés Kiváltó anyagok Jelátvitel Klinikum Mechanotaxis Kemotaxis Törzs- fejlődés Típusok

A sejtmozgás jelentősége a biológiában

A sejtmigrációt kiváltó hatások Magnetotaxis Fototaxis Elektrotaxis Termotaxis Tigmotaxis Kemotaxis Geotaxis Duro/Mechanotaxis

A sejtmigrációt kiváltó hatások evolúciója Mágneses terek Elektromosság Nedvesség Fény Hőmérséklet Hidrotaxis Magnetotaxis Elektrotaxis Fototaxis Physical stimuli Termotaxis Fizikai érintkezés Kemotaxis Vegyi anyagok Tigmotaxis Barotaxis Reotaxis Mechanotaxis Geotaxis Nyomás Folyadék áramlás Anyagok keménysége Gravitáció

Galvanotaxis _ +

Kemoattraktáns anyag hatása Kemorepellens anyag hatása

Kemotaxis biológiai jelentősége ! Táplálék molekulák megkülönböztetése/megközelítése Biológiailag ártalmas anyagok elkerülése Petesejt-hímivarsejt egymásra találása Szöveti átalakulási folyamatok Soksejtű szervezetek immunreakciói Tumorok növekedése, áttétképződés

A szervezetben megjelenő tumor kiváltotta sejes védekezés, illetve a tumoros sejtek áttétképzése Egészséges szervezet migrációt mutató sejtjei (ld. Immun rendszer)

A sejtvándorlás lépései és célja ?

A sejtvándorlás lépései és célja ! A sejtvándorlás lépései és célja Sejtmozgásra ható anyag Sejtváz Receptorok

A sejtméret meghatározó jelentősége ! A sejtméret meghatározó jelentősége Baktériumok: A környezet folyamatos „letapogatása” Eukaryota sejtek: Koncentráció gradiens által meghatározott mozgás Nagy D konc. Kicsi D konc.

A sejtmozgás főbb típusai

Random mozgás Vektoriális mozgás

!

Kitapadás Kemotaxis Fagocitózis A kemotaxis egy három lépésből álló sejtélettani folyamatsor tagja. A sejtek kitapadása rendszerint szükséges a migrációhoz. A migráló sejtek legalapvetőbb célreakciója a fagocitózis. Kitapadás Kemotaxis Fagocitózis

Sejtmozgást mutató sejtek Martin Bergert, Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics

3D migráló sejtek baktériumok hímivarsejtek Szabadon a térben elmozduló sejtek hímivarsejtek csillós eukaryoták

2D migráló sejtek amőbák monocita / makrofág fibroblaszt endotél Az elmozduláshoz felszínt igénylő sejtek fibroblaszt endotél

Sejtmozgás az extracellular matrixban (ECM) Pl. tumor sejtek Pl. lymphocyte A legalapvetőbb módja a migrációnak az ECM-ben. Polarizált sejt; Frontális felszínén enzim kibocsátás. Pl. makrofág Sejtek együtt mozgó csoportja, melyeket adhéziós molekulák tartanak össze. BLOOD, 1 NOVEMBER 2007 VOLUME 110, NUMBER 9

„Micromotion” állapot A sejtek – még összefüggő tenyészeti síkban is megfigyelhető – rotációs állapota, melyet a sejt-ECM kapcsolat befolyásol. Mi a zöld ? Lang, O., Kohidai, L., Wegener, J. Electrical noise analysis as a tool for screening the metastatic potential of tumor cells. In prep.

Csilló / Ostor szerkezete és műmödése 9 x 2 + 2 mikrotubulus Csilló

A sejtváz jelentősége biozentrum.unibas.ch

! Mikrotubulus Intermedier filamentum Mikrofilamentum alakváltozás erő aktin filamentum mikrotubulus intermedier filamentum pl. vimentin = szakadás Az intermedier filamentumok „kiegyenlítő” hatása elengedhetetlen

! SLIDING = elcsúszás Globuláris fehérjék Fibrilláris fehérjék Ca2+ ATP A sejtmozgás alapjelensége: globuláris és fibrilláris fehérjék egymáson történő elcsúszása. Energia és Ca2+ igényes folyamat.

Aktin polimerizáció ATP igényes Lassú folyamat

Mikrotubulus Tubulin polimerizáció GTP igényes Gyors folyamat

Strukturális instabilitás modelljei Taposómalom modell Dinamikus instabilitás A „taposómalom modell” a sejtváz elem polimerizálódó és depolimerizálódó pólusai közötti egyensúly eltolódást veszi figyelembe. A „dinamikus instabilitás modell” ugyanazon pólus elemeinek épülésével, illetve bomlásával magyarázza a kialakuló eltéréseket.

Ciklózis Álló citoplazma Mozgó kérgi (cortikális) citoplazma Plazmamembrán Aktin filamentumok Sejtfal Motorproteinek Színtestek Forrás: Lodish, H. et al. Mol. Cell Biol. 2000 A legalapvetőbb sejtmozgási forma. A sejt belső citoszóljának organellumainak felszínén lévő motorproteinek és a kérgi aktin közti sliding eredményezi a kérgi citoplazma áramlását. Jellemző kovamoszatok mozgására; növényi sejtekben is jól megfigyelhető.

! stressz-fibrillumok integrinek receptor „hyalin-sapka” „szökőkút” Monopodium receptor „hyalin-sapka” ! Lobopodium „szökőkút” mechanizmus Polipodium „garat” Reticulopodium aktin hálózat stressz-fibrillumok integrinek © Kohidai, L. 2012

Fokális kontaktus szerkezete aktin filamentum a actinin vinculin paxillin talin integrin fibronektin

Aktinhoz kapcsolódó proteinek kontraktilis köteg a aktinin - stressz fibr. gél-szerű hálózat filamin - cortex „tight” parallel köteg fimbrin - filopódium

Az aktin –kötegek hosszának szabályozása Gelsolin Severin gCap39 CapZ Villin Tropomodulin - +  Cofilin Severin Gelsolin Egyes citoplazmatikus szabályozó fehérjék az aktin molekulák hosszát befolyásolják: a sapkázó proteinek az aktin filamentumok növekedését vagy bomlását gátolhatják más proteinek az aktin szál felszabdalásával a kérgi aktin hálózatra hatnak

A A membrán alakváltozása

Erő kifejtése aktin által F-Aktin Filamin Profilin - G-aktin Arp2/3 sejtmembrán Miozin I. Integrin (Svitkina, TM és mts. J. Cell Biol. 1999 munkája felhasználásával PIP2 Pro gazdag fehérje elágazódó aktin A sejtmembránra belülről ható kérgi aktin váz különböző kapcsoló molekulák révén erőt képes kifejteni és így alakítja ki az állábat.

Intermedier filamentumok szerepe Az IF-k befolyásolják a szöveti kötelékben lévő sejtek elhelyezkedését, polarizálódását és hatnak alakváltozásaikra a migráció során

Intermedier filamentumok Neuro-filamentum – sok keresztkötés Glialis filamentum – kevés keresztkötés A keresztkötések száma jelentős mértékben eltérő, intermedier filamentum típusától függ.

Motor-proteinek szerkezete ! motor domén motor domén asszoc. polipeptidek „nyél” Kinezin Miozin Dynein Partner mol.: Tubulin Aktin Tubulin

Kinezin „séta” a mikrotubuluson ADP ATP ADP ATP ATP – erős kapcsolódás ADP – gyenge kapcsolat ADP ATP ADP ADP-Pi https://www.youtube.com/watch?v=YAva4g3Pk6k

Aktin - Intermedier filamentum – Mikrotubulus kapcsolat Az intermedier filamentumok összeköttetést biztosítanak az aktin filamentumok és a mikrotubulusok között.

Sejtmozgásra ható anyagok Jelátvitel

Kemotaxist kiváltani képes anyagok fő csoportjai szervetlen sók ionjai (K+, Cl-) aminosavak (metionin, szerin) biogén aminok oligopeptidek (bakteriális tripeptidek) hormonok (inzulin) kemokinek (interleukin 8) feromonok szintetikus anyagok (gyógyszerek)

Aminosavak megjelenése az őslevesben és kemotaktikus hatásuk A kemotaktikus válaszkészség alapvető jelentőségűnek tűnik már a molekuláris evolúció korai szakaszában. Növekvő kemotaktikus jelleg Korai megjelenés az „őslevesben” Ktx./Konszenzus szekv. Kemoattraktáns Semleges Kemorepellens

A szignalizáció két modellje: élesztő A kemotaxis-receptorok indukciója, eltérő szignalizációs utakat aktiválva, több sejtválaszt is kiválthat.

A szignalizáció két modellje: Dictyostelium Eltérő molekulák intracelluláris szignalizációs útvonalai közötti kapcsolat szintén eredményezhet kemotaktikus választ.

Kemotaxis +cAMP Az aktin filamentumok mennyiségének változása cAMP adását követően Dictyosteliumban Kemotaxis Az aktin hálózat kialakulásának két aktív fázisa, melyben először kérgi aktin növekszik, majd az álláb-képzés indul be. +cAMP

Formil-Met-Leu-Phe (fMLF) A bakteriális tripeptid (fMLF) kemotaktikus hatását e célra szelektálódott, a felszíni membránt hétszer átérő receptoron (FPR) keresztül fejti ki, melynek meghatározott részei (piros és barna) a peptid kötéséért, más részek (15AA hurok) a jel továbbításért felelősek.

Formil-Met-Leu-Phe (fMLF) szignalizációja Az FPR szignalizációja különböző utakon keresztül is kialakulhat.

Komplement rendszer – C5a receptor C5a alkotórészek szerepe: Ligandum kötése Szignalizáció (pl. G-proteinhez) Glikoziláció Feltételesen van szerepe a kötésben/szignalizációban Extracelluláris tér Sejt- membrán A komplement C5a receptora szintén 7TM szerkezet. Extracelluláris hurkai (piros) a C5a kötésért felelősek, intracelluláris 18AA és 16AA hurkai a jelet továbbítják.

Komplement rendszer – C5a C5a receptorhoz kapcsolódó domainek: Lys12-Lys20 – loop1 (4 lizin) Lys20-Arg37 – helix II. Ala39-Arg46 – loop 3 a C terminálison 6-8 aminosav diszulfid híd receptort aktiváló pentapeptid 70-74 Komplement 5a (C5a) molekula a rendszer leghatásosabb kemoattraktáns eleme, melynek hatásáért a molekula C-terminális részén található pentapeptid (piros) a felelős, míg a molekula többi része az optimális konformáció kialakulásáért felelős.

Baktériumok kemotaxist gátló molekulái ? CHIPS = CHIPS = chemotaxis inhibitory protein of Staphylococci C5a receptor CHIPS Neutrofil gr.c. C5a Baktérium CHIPS Formil peptid receptor fMLF A C5a és fMLF receptorok gátlása. A neutrofil grc. Válasz gátlása. A baktériumok túlélése az emberi szervezetben. Forrás: Foster TJ. Nature Reviews Microbiology 2005

Baktériumok kemotaxist gátló molekulái CHIPS -NH2 CHIPS -NH2 Formil-peptid receptor C5a receptor -COOH -COOH Ugyanaz a gátló molekula két különböző kemotaxis-receptort is gátolni képes Forrás: Foster TJ. Nature Reviews Microbiology 2005

Kemokinek osztályozása ! Kemokinek osztályozása C kemokinek CC kemokinek CXC kemokinek CX3C kemokinek peptidlánc diszulfid- híd mucin-szerű domén hidrofób A szervezet számos migrációra képes sejtjének (pl. neutrofil grc., monocita, limfocita) kemotaxisát kiváltó molekulacsoport. A CX3C alosztály haptotaxis kivátására képes, mivel a sejtmembránhoz kötődő molekula.

Kemokinek 3D szerkezete (IL-8) Cys-Cys közötti diszulfid hidak 30s hurok N-hurok antiparallel b-lemezek a-helix 40s hurok © Kohidai, L. 2000 Az egyik leghatásosabb CXC kemokin 3D szerkezete, mely 3 béta lemez és egy alfa helikális részből, valamint az összekötő hurkokból áll.

! Kemokin receptorok G-protein foszforiláció kemokin NH2- receptor HOOC- GAG G-protein Cellular and Molecular Immunology 1999 foszforiláció A kemokin és receptorának összekapcsolódása mutatja, hogy a ligandumnak csupán egyes részei vesznek részt a kapcsolat kialaításában, valamint azt, hogy más membrán elemekkel (ld. GAG) is kapcsolódik a kemokin. Az intracelluláris C-ter minális receptor rész foszforilációja és a G proteinek indukciója jelenti a szignal továbbítást.

Ligand specificitás - Átfedő hatások A több receptoron is ható kemokin, illetve több kemokin által is indukált receptor – egy szignalizációs hálózat kialakításával - a migráció szabályozásának finom hangolását teszi lehetővé

Kemokin indukálta válaszok sokfélesége Wortmannin U73122 Kemotaxis Adh. mol. expr. Proliferáció Citokin felszab. IL-2 rec. expr. HIV fert. védelem Uropodium képzés FUNKCIONÁLIS VÁLASZOK A kemotaxis receptorok indukciója számos a migrációhoz kötött és attól független funkcionális válasz kiváltását eredményezheti.

Mechanotaxis

A mechanotaxisban a sejtváz kiemelt szereppel bír A sejt és környezete között kialakuló kapcsolat – a sejtvázra hatva befolyásolja a sejtmozgást. Eltérő mechanikai jellemzőjű anyagai a sejt környezetének más-más választ eredményeznek. sejtváz mechanotranszdukció anyag - sejtváz sejtváz - sejtválasz anyag - sejtválasz biokémiai, topográfiai és mechanikai jelek sejtválasz sejtkörnyéki anyagok

! A migráló sejt preferenciái Haladó oldal Elmaradó oldal Kemény alap - az adhéziós proteinek nagyobb denzitása - az F-aktin retrográd mozgása Elmaradó oldal - az adhéziós proteinek kisebb denzitása - az F-aktin anterográd mozgása Kemény alap Az adhéziós molekulákra kifejtett nagyobb ellenállás Lágy alap kisebb ellenállás

A migráló sejt mechanikai preferenciái – Szöveti eltérések Egyes szövetek sejtjei eltérő mechanikai preferenciát mutatnak

Klinikum

Megtermékenyítés: kemotaxis mint irányító faktor ! Megtermékenyítés: kemotaxis mint irányító faktor A megtermékenyítés során a spermiumokat eltérő hatású kémiai jelek vezetik a petesejthez. A lépcsőzetes folyamat a spermiumok szelekcióját is eredményezi.

A spermium csapás membránszintű szabályozása A spermium ostorának csapása egy receptor indukciót követő membrán hiper- és depolarizáció eredménye, mely ioncsatornák működtetésének következménye.

Kemotaxis jelentősége - Gyulladás calor - rubor - tumor - dolor + functio laesa Celsus (Kr.e. 3０～Kr. u ３８) Virchow (1821-1902)

Ér endothel – neutrofil grc. kapcsolódás kettős szabályozása Az ér endothel és a neutrofil grc. közötti kapcsolat kialakulását a tumor nekrózis faktor (TNF) két célponton hatva szabályozza: Hat a neutrofil grc. kemoattraktáns komplement 5a (C5a) termelésére Az endothelen interleukin 1 (IL-1) termelés révén új receptorok megjelenését váltja ki

! Gyulladás - Migráció A gyulladás során a sejtek átlépik az érfalat. Ez több-lépcsős folyamat, mely során adhéziós molekulák (pl. szelektin, integrin) és receptoraik (pl. PAF receptor) jelennek meg és válnak aktívvá.

Klinikum: kemokinek jelentősége Számos gyakran előforduló, súlyos betegség hátterében kemokinek által szabályozott gyulladásos folyamat áll. Az egyes megbetegedések más-más kemokin és célsejt aktiválódásával jellemezhető.

Klinikum: Fertőzések - Kolera Egyes fertőzések (ld. kolera) kialakulása a kórokozó kemotaktikus képességétől, illetve annak hiányától függ.

Klinikum: Atherosclerosis monocita a vérben ‘rolling’ szoros adhézió migráció endotél sejtek tunica intima media makrofág differenciálódás scavenger receptorok Az érelmeszesedés hátterében kóros jelre bekövetkező makrofág migráció áll. Az endothelen átjutó sejtek „csapdába” esnek és kóros anyagcserefolyamataik révén ú.n. habos sejtek tömegei alkotják a lerakódást. Nature Medicine  8, 1235 - 1242 (2002)

Tumor sejtek A tumorsejtek eltérő adhéziós és migrációs jelleget mutatnak a primer tumorban és az áttéti tumor esetében.

Tumor sejtek – Áttétképződés 1 Tumorok áttétképzése során meghatározó a tumorsejt adhéziós és migrációs képességének viszonya

Tumor sejtek – Áttétképződés 2 ! Tumor sejtek – Áttétképződés 2 Az áttétképzést irányító tényező a tumorsejt kemokin receptorának és az áttét helyét adó szövet kemokin termelésének egyezősége.

Klinikum: Kezelések – Sejtek irányítása Maxilla/mandibula pótlás kemoattraktáns anyagot (PDGF) kibocsátó anyaggal Osteoblastok, fibroblastok és cementoblastok fokozott migrációja és osztódása a csont felépülést és a crevivuláris szerkezet kialakulását segíti elő