Sejtmozgás Mechanikus jelek átvitele

Az előadások a következő témára: "Sejtmozgás Mechanikus jelek átvitele"— Előadás másolata:

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

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

3 A sejtmozgás jelentősége a biológiában

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

5 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

6 Galvanotaxis _ +

7 Kemoattraktáns anyag hatása
Kemorepellens anyag hatása

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

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

10 A sejtvándorlás lépései és célja
?

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

12 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.

13 A sejtmozgás főbb típusai

14 Random mozgás Vektoriális mozgás

15 !

16 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

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

18 3D migráló sejtek baktériumok hímivarsejtek
Szabadon a térben elmozduló sejtek hímivarsejtek csillós eukaryoták

19 2D migráló sejtek amőbák monocita / makrofág fibroblaszt endotél
Az elmozduláshoz felszínt igénylő sejtek fibroblaszt endotél

20 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 VOLUME 110, NUMBER 9

21 „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.

22 Csilló / Ostor szerkezete és műmödése
9 x mikrotubulus Csilló

23 A sejtváz jelentősége biozentrum.unibas.ch

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

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

26 Aktin polimerizáció ATP igényes Lassú folyamat

27 Mikrotubulus Tubulin polimerizáció
GTP igényes Gyors folyamat

28 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.

29

30 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.

31 ! 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

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

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

34 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

35 A A membrán alakváltozása

36 Erő kifejtése aktin által
F-Aktin Filamin Profilin - G-aktin Arp2/3 sejtmembrán Miozin I. Integrin (Svitkina, TM és mts. J. Cell Biol 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.

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

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

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

40 Kinezin „séta” a mikrotubuluson
ADP ATP ADP ATP ATP – erős kapcsolódás ADP – gyenge kapcsolat ADP ATP ADP ADP-Pi

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

42 Sejtmozgásra ható anyagok
Jelátvitel

43 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)

44 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

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

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

47 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

48 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.

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

50 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.

51 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.

52 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

53 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

54 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.

55 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.

56 ! 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.

57 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

58 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.

59 Mechanotaxis

60 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

61 ! 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

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

63 Klinikum

64 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.

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

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

67 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

68 ! 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.

69 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.

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

71 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, (2002)

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

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

74 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.

75 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