Jelátviteli folyamatok az immunrendszerben, immunreceptorok

Az előadások a következő témára: "Jelátviteli folyamatok az immunrendszerben, immunreceptorok"— Előadás másolata:

1 Jelátviteli folyamatok az immunrendszerben, immunreceptorok
A jelátvitel alapfogalmai, a jelátadás módjai. G fehérjékhez kötött receptorok jelátvitele Enzimekhez kapcsolt jelátadási mechanizmusok, jelátviteli molekulák szerkezeti egységei: az SH2, SH3, PTB és PH domének Tirozin kinázok, és foszfatázok elmarad A ras/ MAP kináz, PKC és a foszfatidil inozitol foszfátok által közvetített jelátadás. elmarad A B-sejtek antigénfelismerő receptora (BCR), BCR közvetített jelátvitel A T-sejtek antigén felismerő receptor komplexe (TCR) – TCR közvetített jelátvitel Fc receptorok szerkezete és jelátadási módjaik. A citokin receptorok és jelátadási módjaik Toll-szerű receptorok (TLR) jelátviteli mechanizmusai, adhéziós molekulák NK receptorok, az apoptózishoz vezető jelátvitel. Konzultáció

2 A „jelátvitel” gyakorisága közleményekben
1994: A.G.Gilman, M. Rodbell: Nobel díj: G proteinek 10000 1000 100 10 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 Közlemények száma „Jelátvitel” és „sejt” terminológiát használó közlemények aránya 1980 1985 1990 1995 2000

3 Nobel Prize in Physiology or Medicine for 1992 jointly to Edmond H
Nobel Prize in Physiology or Medicine for 1992 jointly to Edmond H. Fischer and Edwin G. Krebs for their discoveries concerning "reversible protein phosphorylation as a biological regulatory mechanism". Alfred G. Gilman and Martin Rodbell for their discovery of "G-proteins and the role of these proteins in signal transduction in cells". 1994 The discoverers of NO as a signal molecule are awarded this year's Nobel Prize. Robert F Furchgott 1998 The Nobel Assembly at Karolinska Institutet has today decided to award The Nobel Prize in Physiology or Medicine for 2000 jointly to Arvid Carlsson, Paul Greengard and Eric Kandel for their discoveries concerning "signal transduction in the nervous system" Voltage gated K+ channel: Roderick MacKinnon using X-ray crystallography won a share of the 2003 Nobel Prize in Chemistry.

4 US National Library of MedicineNational Institutes of Health
The Nobel Prize in Chemistry 2012 was awarded jointly to Robert J. Lefkowitz and Brian K. Kobilka "for studies of G-protein-coupled receptors" US National Library of MedicineNational Institutes of Health Search database Jelenleg Pub Med:: „cell+signaling” :

5 SEJTEK KÖZÖTTI KOMMUNIKÁCIÓ
Szekretált molekulák által közvetített jelátadás (signaling) jeladó sejt célsejt, target sejt receptorok jelátadó molekulák Pl: citokinek – citokin receptorok Jelátadás membránhoz kötött molekulákkal Sejtek közötti jelátadás (intercellular signaling)

6 Pl: ösztrogén receptor
Sejtfelszíni receptor + hidrofil jelátadó molekula A sejten kivüli jelátadó molekulák a sejtfelszíni, vagy intracelluláris receptorokhoz kötődnek kis, hidrofób jelátadó molekula vér hordozó fehérje intracelluláris receptor (sejtmagban, vagy citoplazmában) Pl: ösztrogén receptor

7 A jel FELISMERÉSE : specifikus RECEPTOROKKAL
más sejtekből, vagy a környezetből érkező jelek felfogására RECEPTOROK: -transzmembrán-, vagy GPI horgonyzott fehérjék -intracelluláris receptorok JEL  sejt válasz: -intracelluláris másodlagos jelek láncreakciója -korai aktiválódási génexpresszió -aktiválódás- növekedés és differenciáció -anergia -sejthalál

8 Receptorok fajtái: sejten belüli: sejt felszíni:
transzkripciós faktorok aktiválása, génátírás sejt felszíni: vízoldékony ligandum másodlagos hírvivők sejten belüli koncentrációja nő Some hormones bind to intracellular receptors; others, to cell-surface receptors. (a) Steroid hormones, thyroxine, and retinoids, being lipophilic, are transported by carrier proteins in the blood. After dissociation from these carriers, such hormones diffuse across the cell membrane and bind to specific receptors in the cytosol or nucleus. The receptor-hormone complex then acts on nuclear DNA to alter transcription of specific genes. (b) Polypeptide hormones and catecholamines (e.g., epinephrine), which are water soluble, and prostaglandins, which are lipophilic, all bind to cell-surface receptors. This binding triggers an increase or decrease in the cytosolic concentration of second messengers (e.g., cAMP, Ca2+), activation of a protein kinase, or a change in the membrane potential.

9 Az intercelluláris jelátadás típusai
Endokrin Parakrin Autokrin Sejt-sejt General schemes of intercellular signaling in animals. (a – c) Cell-to-cell signaling by extracellular chemicals occurs over distances from a few micrometers in autocrine and paracrine signaling to several meters in endocrine signaling. (d) Proteins attached to the plasma membrane of one cell can interact directly with receptors on an adjacent cell.

10 Endokrin és szinaptikus jelátadás összehasonlítása
                                          Endokrin és szinaptikus jelátadás összehasonlítása . The contrast between endocrine and synaptic signaling. Endocrine cells and nerve cells work together to coordinate the diverse activities of the billions of cells in a higher animal. Endocrine cells secrete many different hormones into the blood to signal specific target cells. The target cells have receptors for binding specific hormones and thereby "pull" the appropriate hormones from the extracellular fluid. In synaptic signaling, by contrast, the specificity arises from the contacts between nerve processes and the specific target cells they signal: usually only a target cell that is in synaptic contact with a nerve cell is exposed to the neurotransmitter released from the nerve terminal (although some neurotransmitters act in a paracrine mode as local mediators that influence multiple target cells in the area). Whereas different endocrine cells must use different hormones in order to communicate specifically with their target cells, many nerve cells can use the same neurotransmitter and still communicate in a specific manner.

11 Signaling via gap junctions
Autocrine signaling Signaling via gap junctions Autocrine signaling. A group of identical cells produces a higher concentration of a secreted signal than does a single cell. Signaling via gap junctions. Cells connected by gap junctions share small molecules, including small intracellular signaling molecules, and therefore can respond to extracellular signals in a coordinated way.

12 Sejten kivüli jelátadó molekulák: ligandumok
Egysejtűek - élesztő: mating faktor (peptid)  haploid partner sejt proliferációját gátolja haploid sejtek fuziója Magasabb rendű élőlények: -fehérjék, aminosavak, nukleotidek, zsirsav származékok, szteroidok, gázok (NO) -jeltadó sejtből exocitózis vagy diffúzió útján szabadulnak fel -kis koncentrációban hatnak (10-8 M) Receptor- ligandum kötődés: Affinitás: kötődés M/l ligandum koncentrációnál - nagy affinitás > 10-8 M ” alacsony affinitás

13 Affinitás jellemzője: Kd: disszociációs konstans
P:protein (receptor), L:Ligandum, C: receptor-ligandum komplex koncentrációja                    Általában:                   [A], [B], koncentráció és [AxBy] az AB komplex koncentrációja Kd: Biotin-avidin: M IgG-FcgRI: 10-7 M IgE-FceRI: M

14 Aviditás: több kötőhely - több determináns

15 Többféle jel együttesen határozza meg egy sejt sorsát
Túlélés Osztódás Differenciálódás Programmozott sejthalál Figure An animal cell's dependence on multiple extracellular signals. Each cell type displays a set of receptors that enables it to respond to a corresponding set of signal molecules produced by other cells. These signal molecules work in combinations to regulate the behavior of the cell. As shown here, an individual cell requires multiple signals to survive (blue arrows) and additional signals to divide (red arrow) or differentiate (green arrows). If deprived of appropriate survival signals, a cell will undergo a form of cell suicide known as programmed cell death, or apoptosis. Bizonyos jelek a túléléshez, más jelek kombinációja sejtosztódáshoz vezet A sejtek jel hiányában elpusztulnak (programmozott sejthalál)

16 Receptorok az immunrendszerben:
A felismert molekula szerint: -antigén felismerő receptorok - növekedési faktor receptorok - citokin receptorok - adhéziós molekulák - komplement receptorok - Fc receptorok - NK receptor - killer inhibitor receptor (KIR) - mintázat felismerő receptorok (Toll-szerű receptorok) A receptor felépitése szerint : -egy fehérje lánc -több alegység (Multi subunit Immune Recognition Receptors - MIRR) külön ligandum kötõ és jelátvivõ alegység A kódoló gén szerint: -immunglobulin szupergéncsalád, TNFR család etc.

17 A receptorok körforgása
nem permanensen vannak jelen a plazmamembránban. a ligandum által elfoglalt receptotorok a „clathrin-coated pits”-be kerülnek, amely a receptorokat a sejt belsejébe viszi,  internalizáció (endocitózis). Clathrin-coated pits clathrin-coated vezikulumok, továbbítják az internalizálódott receptorokat az endoszómákba Itt történik a receptor válogatás, „sorting”. A receptorok egy része a lizoszómákba kerül és lebomlik, más részük visszakerül a sejtmembránra (reciklizálódik) Mi a szerepe az endocitózisnak? a válasz mértékének szabályozása (sejtfelszíni / internalizált receptorok) A válasz specifitásának szabályozása (sejtfelszíni és intracelluláris receptorok más jeleket közvetítenek)

18

19 Nature 416, (2002). Switching off signalling: the dual role of the Cbl protein. a, Binding of a growth factor to its receptor is followed by b, receptor dimerization and self-phosphorylation on several tyrosine amino acids. c, Cbl is a signalling protein that anchors at specific phosphorylated tyrosines. It promotes the uptake of activated receptors through internalization of clathrin-coated membrane pits. Two activities of Cbl are needed. d, First, it attracts ubiquitin-loaded E2 molecules, which tag receptors with ubiquitin. The receptors can then be recognized and sorted into clathrin-coated areas. e, Second, Cbl attracts an endophilin–CIN85 complex. Endophilin catalyses the conversion of lysophosphatidic acid to phosphatidic acid. This allows the inner leaflet of the plasma-membrane bilayer to adopt an extreme inward curvature, which might favor invagination and scission. f, The growth-factor–receptor complexes are transported to the lysosome and degraded.

20 A LIGANDUM-RECEPTOR kölcsönhatás -Biológiai hatást vált ki (READOUT)
A jel terjedésének mechanizmusa =>A jeladó komplex aktiválása megváltoztathatja az a jelpálya részét képező effektor fehérjék szerkezetét, elhelyezkedését, vagy funkcióját -A jelpálya a jelátviteli hálózat része => információs vektor Sejtek koherens módon válaszolnak a jelek összességére A LIGANDUM-RECEPTOR kölcsönhatás -Biológiai hatást vált ki (READOUT) .

21 Sejten kívüli ligandum által aktivált, egyszerű, sejten belüli jelpálya
Sejten belüli jelátadó molekulák Figure A simple intracellular signaling pathway activated by an extracellular signal molecule. The signal molecule binds to a receptor protein (which is usually embedded in the plasma membrane), thereby activating an intracellular signaling pathway that is mediated by a series of signaling proteins. Finally, one or more of these intracellular signaling proteins interacts with a target protein, altering the target protein so that it helps to change the behavior of the cell.

22 Jelátviteli hálózat

23 A jelátviteli mechanizmus összetevõi:
jelátadó molekulák : ligandumok (sejten kívüli jelátadó molekulák) specifikus receptorok sejten belüli jelátadásban résztvevő molekulák : * GTP kötő fehérjék * protein kinázok * protein foszfatázok * más enzimek:PLC, PI3K * adapter molekulák

24 Példa az immunológiából: Fcg receptorok Ligandum: IgG
Különböző sejtek ugyanarra a jelre másként válaszolhatnak: ugyanaz a ligandum más receptorhoz kötődik más jelátvivő rendszerhez kapcsolódó receptorhoz kötődik The same signaling molecule can induce different responses in different target cells. In some cases this is because the signaling molecule binds to different receptor proteins, as illustrated in (A) and (B). In other cases the signaling molecule binds to identical receptor proteins that activate different response pathways in different cells, as illustrated in (B) and (C). In all of the cases shown the signaling molecule is acetylcholine (D). Példa az immunológiából: Fcg receptorok Ligandum: IgG

25 Néha ugyanaz a receptor aktiválhat ellentétes biológiai hatásokhoz vezető jelpályákat is
Proximal components of the tumor necrosis factor (TNF) receptor type 1 (TNFR1), TNF receptor type 2 (TNFR2) and Fas signal-transduction pathways and their relationships to the activation and inhibition of programmed cell death and inflammation. Both TNFR1 and Fas transduce apoptotic and anti-inflammatory signals through the recruitment of Fas-associated death domain protein (FADD) and subsequent recruitment and activation of caspase 8. TNFR1 also mediates anti-apoptotic and inflammatory responses through the recruitment of TNF-receptor-associated factor 2 (TRAF2) and receptor-interacting protein 1 (RIP1). Other members of the TNF receptor family, such as TNFR2, recruit TRAF2 and TRAF1 to transmit their anti-apoptotic and inflammatory signals. Trends in Cell Biology 2001, 11:

26 Különböző receptorok használhatnak azonos jelátviteli elemeket
Specifitás ?

27 A jelátadás dinamikus folyamat
a jelátadó molekulák (egyébként a citoplazmában) a sejtmembrán belső felén elhelyezkedő jeladó (signaling) komplex közelében csoportosulnak a plazma membrán közelében vagy a citoszólban elhelyezkedő fehérjék a sejtmagba helyeződnek át a megfelelő stimulus hatására példák: -Protein kináz C (PKC) áthelyeződik a citoszólból a membránba, amikor a [Ca2+]i és a DAG szint növekszik. -MAPK áthelyeződik a citoszólból a sejtmagba sejten kívüli stimulusok hatására

28 A jelátadás leállítása:
A jelátadás reverzibilis folyamat A sejten kívüli jelek arra késztetik a sejtet, hogy reagáljon és alkalmazkodjon az állandóan változó külső környezethez, ezért a jelnek reverzibilisnek kell lennie A jelátadást leállítja: -foszforiláció/defoszforiláció: protein kinázok és foszfatázok: i. Receptor deszenzitizálás Ser/Thr foszforilációval ii. Receptor inaktiváció (pl. az autofoszforilációs hely tirozin maradékának defoszforilációja) iii. Az effektor kötő hely deszenzitizálása (pl. YMXM motívum) iv. Az effektor molekulák foszforilációja, disszociáció a receptortól (pl. Ser/Thr foszforiláció Grb/Sos, vagy IRS proteinek) v. Az intermedier kinázok (pl. Phosphorylase kinase, MAPK) inaktiválása -A ligandum eltávolítása a keringésből -Receptor lebomlása

29 A receptor deszenzitizálás öt módja
Figure Five ways in which target cells can become desensitized to a signal molecule. The inactivation mechanisms shown here for both the receptor and the intracellular signaling protein often involve phosphorylation of the protein that is inactivated, although other types of modification are also known to occur. In bacterial chemotaxis, which we discuss later, desensitization depends on methylation of the receptor protein. elkülönülés leszabályozás inaktiválás jelátadó molekula gátló fehérje inaktiválása termelése

30 A SEJTMAGBAN LEVŐ RECEPTOROK CSALÁDJA
Ligandum által aktivált gén reguláló fehérjék Figure The nuclear receptor superfamily. All nuclear hormone receptors bind to DNA as either homodimers or heterodimers, but for simplicity we show them as monomers here. (A) The receptors all have a related structure. The short DNA-binding domain in each receptor is shown in green. (B) A receptor protein in its inactive state is bound to inhibitory proteins. Domain-swap experiments suggest that many of the ligand-binding, transcription-activating, and DNA-binding domains in these receptors can function as interchangeable modules. (C) The binding of ligand to the receptor causes the ligand-binding domain of the receptor to clamp shut around the ligand, the inhibitory proteins to dissociate, and coactivator proteins to bind to the receptor's transcription-activating domain, thereby increasing gene transcription. (D) The three-dimensional structure of a ligand-binding domain with (right) and without (left) ligand bound. Note that the bluea helix acts as a lid that snaps shut when the ligand (shown in red) binds, trapping the ligand in place.

31 A SEJTMAGBAN LEVŐ RECEPTOROKHOZ KÖTŐDŐ
jelátadó molekulák Figure Some signaling molecules that bind to nuclear receptors. Note that all of them are small and hydrophobic. The active, hydroxylated form of vitamin D3 is shown. Estradiol and testosterone are steroid sex hormones . Kis hidrofób molekulák

32 Sejtmagban levő hormon receptorok aktiválására elinduló válasz
Figure Responses induced by the activation of a nuclear hormone receptor. (A) Early primary response and (B) delayed secondary response. The figure shows the responses to a steroid hormone, but the same principles apply for all ligands that activate this family of receptor proteins. Some of the primary-response proteins turn on secondary-response genes, whereas others turn off the primary-response genes. The actual number of primary- and secondary-response genes is greater than shown. As expected, drugs that inhibit protein synthesis suppress the transcription of secondary-response genes but not primary-response genes, allowing these two classes of gene transcription responses to be readily distinguished.

33 A SEJTFELSZÍNI RECEPTOROK 3 FAJTÁJA:
Neurotranszmitterek által kapuzott ioncsatornák Figure Three classes of cell-surface receptors. (A) Ion-channel-linked receptors, (B) G-protein-linked receptors, and (C) enzyme-linked receptors. Although many enzyme-linked receptors have intrinsic enzyme activity, as shown on the left, many others rely on associated enzymes, as shown on the right.

34 A jelátadás típusai: . Four classes of ligand-triggered cell-surface receptors. Common ligands for each receptor type are listed in parentheses. (a) G protein – linked receptors. Binding of ligand (maroon) triggers activation of a G protein, which then binds to and activates an enzyme that catalyzes synthesis of a specific second messenger. (b) Ion-channel receptors. A conformational change triggered by ligand binding opens the channel for ion flow. (c) Tyrosine kinase – linked receptors. Ligand binding causes formation of a homodimer or heterodimer, triggering the binding and activation of a cytosolic protein-tyrosine kinase. The activated kinase phosphorylates tyrosines in the receptor; substrate proteins then bind to these phosphotyrosine residues and are phosphorylated. (d) Receptors with intrinsic ligand-triggered enzymatic activity in the cytosolic domain. Some activated receptors are monomers with guanine cyclase activity and can generate the second messenger cGMP (left). The receptors for many growth factors have intrinsic protein-tyrosine kinase activity (right). Ligand binding to most such receptor tyrosine kinase (RTKs) causes formation of an activated homodimer, which phosphorylates several residues in its own cytosolic domain as well as certain substrate proteins. [

35 A két fő intracelluláris jelátadó mechanizmus közös vonásai
Two major intracellular signaling mechanisms share common features. In both cases a signaling protein is activated by the addition of a phosphate group and inactivated by the removal of the phosphate. In (A) the phosphate is added covalently to the signaling protein by a protein kinase; in (B) a signaling protein is induced to exchange its bound GDP for GTP. To emphasize the similarity in the two mechanisms, ATP is shown as APP-P, ADP as APP, GTP as GPPdclcircp, and GDP as GPP. a) Foszforiláció útján b) GTP kötő fehérjék közvetítésével történő jeltátadás

36 Szignál integráció Signal integration. In (A) signals A and B activate different cascades of protein phosphorylations, each of which leads to the phosphorylation of protein Y but at different sites on the protein. Protein Y is activated only when both of these sites are phosphorylated, and therefore it is active only when signals A and B are simultaneously present. In (B) signals A and B lead to the phosphorylation of two proteins, a and b, which then bind to each other to create the active protein ab. In both of the examples illustrated the proteins themselves are phospho-rylated: an equivalent form of control can also occur, however, by the exchange of GTP for GDP on a GTP-binding protein ( Az aktiváció előfeltétele a két különböző helyen történő foszforiláció Az aktív jeltovábbító fehérje kialakulásához két foszforilált fehérje dimerizálódása kell

37 Különböző, sejten belüli molekulák a jelpálya mentén - a sejtmembrán receptortól a sejtmagig
Figure Different kinds of intracellular signaling proteins along a signaling pathway from a cell-surface receptor to the nucleus. In this example, a series of signaling proteins and small intracellular mediators relay the extracellular signal into the cell, causing a change in gene expression. The signal is amplified, altered (transduced), and distributed en route. Many of the steps can be modulated by other extracellular and intracellular signals, so that the final result of one signal depends on other factors affecting the cell (see Figure 15-8). Ultimately, the signaling pathway activates (or inactivates) target proteins that alter cell behavior. In this example, the target is a gene regulatory protein.

38 A sejten belüli jelátadó komplexek két fajtája
Figure Two types of intracellular signaling complexes. (A) A receptor and some of the intracellular signaling proteins it activates in sequence are preassembled into a signaling complex by a large scaffold protein. (B) A large signaling complex is assembled after a receptor has been activated by the binding of an extracellular signal molecule; here the activated receptor phosphorylates itself at multiple sites, which then act as docking sites for intracellular signaling proteins.

39 Egy hipotetikus jelpálya
Figure A hypothetical signaling pathway using modular binding domains. Signaling protein 1 contains three different binding domains, plus a catalytic protein kinase domain. It moves to the plasma membrane when extracellular signals lead to the creation of various phosphorylated docking sites on the cytosolic face of the membrane. Its SH2 domain binds to phosphorylated tyrosines on the receptor protein, and its PH domain binds to phosphorylated inositol phospholipids in the inner leaflet of the lipid bilayer. Protein 1 then phosphorylates signaling protein 2 on tyrosines, which allows protein 2 to bind to the PTB domain on protein 1 and to the SH2 domain on an adaptor protein. The adaptor protein then links protein 2 to protein 3, causing the phosphorylation of protein 3 by protein 2. The adaptor protein shown consists of two binding domains an SH2 domain, which binds to a phosphotyrosine on protein 2, and an SH3 domain, which binds to a proline-rich motif on protein 3. Moduláris kötő domének

40 Serine/threonine kinases
Examples of signal transduction inhibitors in clinical or preclinical trials Stem Cells 19, , 2001 Targets Inhibitors Compounds Tyrosines kinases HER2 monoclonal antibody Herceptin (Trastuzumab) EGF receptor monoclonal antibody C225, E7.6.3 kinase inhibitor ZD-1839, CP , PD PDGF receptor kinase inhibitor SU-101, STI571, AG1295 IGF-I receptor antisense oligonucleotide AS ODN, ISIS-2503 VEGF receptor kinase inhibitor SU5416, PTK787/ZK222584 Bcr-Abl kinase inhibitor STI571 (Imatinib) GTP-binding protein Ras farnesyltransferase inhibitor R115777, SCH66336, L Serine/threonine kinases Raf antisense oligonucleotide ISIS-5132 kinase inhibitor ZM336372, L MEK kinase inhibitor PD , U0126 PKC antisense oligonucleotide ISIS-3521 kinase inhibitor CGP41251, UCN-01 Lipid kinase PI3'-kinase kinase inhibitor LY294002