4.3. Dráha JAK-STAT
Signalizace JAK-STAT zprostředkovává přenos zprávy nebo signálu z vnější části buňky do jádra prostřednictvím velkého množství cytokinů, hormonů a růstových faktorů, které způsobují změnu transkripce specifických genů. Dráha se skládá z cytokinových receptorů, podtypu receptorů spojených s enzymy, které jsou závislé na cytoplazmatických kinázách pro přenos signálů do buňky. K intracelulární aktivaci a multimerizaci receptorů dochází, když se s receptorem naváže ligand, například interferon, interleukiny. V důsledku toho se aktivuje Jaks (cytoplazmatická tyrozinkináza) spojená s receptorem.
U savců jsou známy čtyři typy Jaks – Jak1, Jak2, Jak3 a Tyk – a každý z nich je spojen se specifickými cytokinovými receptory tvořenými dvěma nebo více polypeptidovými řetězci. Dimerizace (v některých případech multimerizace) přivádí asociované Jak (Janusovy kinázy) dvou receptorových jednotek do těsné blízkosti a napomáhá oběma k vzájemné křížové fosforylaci, čímž se zvyšuje aktivita jejich tyrozinkinázových domén. Fosforylovaný tyrosin funguje jako dokovací místo pro STAT a další signální dráhy. STAT (Signal Transducer and Activator of Transcription) jsou latentní transkripční faktory, které jsou při nečinnosti omezeny na cytoplazmu. Existuje mnoho typů STATs, z nichž každý má doménu SH2, která hraje klíčovou roli v transdukci signálu. Doména SH2 STAT se váže s fosfotyrosinovým zbytkem aktivovaného cytokinového receptoru. Dále Jak fosforyluje STAT na tyrosinovém zbytku na C-konci, což vede k jeho uvolnění z receptoru. SH2 doména uvolněného STAT usnadňuje jeho vazbu s fosfotyrosinovým zbytkem druhého proteinu STAT, což vede k vytvoření homodimeru nebo heterodimeru. Dimer STAT se translokuje do jádra, kde se v něm váže na specifické regulační sekvence a stimuluje jejich transkripci pro přežití, proliferaci a diferenciaci buňky.
Kromě pozitivních efektorů existuje několik negativních regulátorů, které často vypínají odpověď. Některé z nich jsou následující:
- Supresory cytokinové signalizace (SOCs) : Aktivovaný STAT iniciuje transkripci SOCs a nakonec se protein SOCs spojí s fosforylovaným Jaks a tímto procesem ukončí dráhu.
- Proteinové inhibitory aktivovaného STAT (PIAS) : Protein PIAS se váže s dimery STAT a inhibuje interakci STAT s elementem odpovědi DNA, čímž inhibuje transkripci cílových proteinů.
- PTP (Protein Tyrosine Phosphatases): PTPs defosforylují efektorové molekuly, čímž je zneaktivní, a tím negativně regulují signalizaci.
4.4. Dráha TGF-β
Transformační růstový faktor β je multifunkční enzym, který může působit buď jako hormon, efektorová molekula, nebo lokální mediátor regulující mnoho buněčných reakcí. Ligandem pro signalizaci mohou být samotné TGFβ, kostní morfogenetické proteiny (BMP), anti-mülleriánský hormon (AMH), aktivin a nodální protein. Tyto proteiny postupují s pomocí enzymově vázaných receptorů obsahujících serin/treonin kinázovou doménu na cytoplazmatické straně membrány. Tyto receptory se skládají hlavně ze dvou tříd – typu I a typu II, které se spojují specifickým způsobem potřebným pro signalizaci. SARA (The SMAD Anchor for Receptor Activation) a HGS (Hepatocyte Growth factor-regulated tyrosine kinase Substrate) jsou proteiny, které dále zprostředkovávají dráhu TGF β. Signální dráha probíhá následovně:
- Ligand TGF- β se váže na homodimer typu II, což způsobuje fosforylaci a aktivaci receptoru typu I. V případě, že se ligand typu II naváže na homodimer typu II, dochází k jeho fosforylaci a aktivaci. Vytvoří tak tetramerní komplex.
- Po aktivaci se komplex receptoru naváže a fosforyluje regulační protein, Smad 1, Smad 2, Smad 3. Po aktivaci dochází k fosforylaci receptoru. Fosforylovaný Smad se oddělí od receptoru a spojí se se Smad 4.
- Komplex Smad disociuje a vstupuje do jádra, váže se na specifické místo v DNA a reguluje expresi cílových genů.
Signalizace TGF β se podílí na různých buněčných procesech včetně buněčného růstu, diferenciace, proliferace a apoptózy. Mechanismus je regulován zpětnovazebnou inhibicí prostřednictvím několika cest, jako je endocytóza zprostředkovaná klathrinem, blokování tvorby komplexu Smad, čímž dochází k vypnutí dráhy TGF- β.
4.5. Zpětnovazebná inhibice. Intracelulární hormonální receptory
Receptory rodiny steroidních a tyroidních hormonů fungují jako transkripční faktory, protože po navázání hormonů aktivují genovou expresi. Superrodina receptorů steroidních a tyreoidálních hormonů Jejich receptory se nacházejí v cytoplazmě a vážou své lipofilní hormonální ligandy v tomto kompartmentu, protože tyto hormony jsou schopny volně pronikat hydrofobní plazmatickou membránou. Po navázání ligandu se komplex hormon-receptor přemístí do jádra a naváže se na specifické sekvence DNA označované jako prvky hormonální odpovědi (HRE). Vazba komplexu na HRE vede ke změně rychlosti transkripce příslušného genu. Analýza lidského genomu odhalila 48 genů jaderných receptorů.
Mnoho z těchto genů je schopno dát více než jednu izoformu receptoru. Všechny jaderné receptory obsahují doménu vázající ligand (LBD) a doménu vázající DNA (DBD). Steroidní receptory III se vážou na DNA jako homodimery např. estrogenový receptor (ER), mineralokortikoidní receptor (MR), progesteronový receptor (PR), androgenní receptor (AR) a glukokortikoidní receptor (GR). Steroidní receptor I se váže na DNA jako heterodimery. Retinoidní receptory X (RXR), jaterní receptory X (LXR), farnesoidní receptory X (FXR) a receptory aktivované peroxizomovými proliferátory (PPAR) jsou příkladem receptorů, které se vážou s lipofilními ligandy stejně jako receptory steroidních hormonů a hormonů štítné žlázy.
Stoidní hormony jsou všechny odvozeny od cholesterolu. Navíc s výjimkou vitaminu D všechny obsahují stejný cyklopentanofenantrenový kruh a systém atomového číslování jako cholesterol. Steroidy s 21 atomy uhlíku jsou známé jako pregnany, zatímco ty, které obsahují 19 a 18 atomů uhlíku, jsou známé jako androstany, resp. estrany. Kyselina retinová a vitamin D nejsou odvozeny od pregnenolonu, ale od vitaminu A, resp. cholesterolu, zbývající jsou steroidní hormony odvozeny od pregneolonu.
Všechny steroidní hormony působí tak, že procházejí plazmatickou membránou a vážou se na intracelulární receptory. Komplex hormon – receptor funguje jako transkripční faktor. Komplex se přesouvá do jádra, váže se na své sekvence DNA známé jako elementy hormonální odpovědi a aktivuje geny.
4.6. Reakce na hormonální odpovědi Dvousložkový systém :
U bakterií a rostlin je přenos signálu zprostředkován dvousložkovým systémem (TCS), který se podílí na komunikaci mezi buňkami a na odpovědi na extracelulární signál. U bakterií je dvousložkový systém všudypřítomný. TCS není přítomen u člověka a jiných savců, a tak se stává cílem pro léčiva.
Dvousložkový systém obsahuje senzor, což je homodimerní transmembránový protein zvaný histidinkináza, který má autofosforylační aktivitu spolu s konzervovaným histidinovým zbytkem, a regulátor odpovědi umístěný za histidinkinázou, který obsahuje konzervovaný aspartátový zbytek. Histidinkináza (HK) má dvě domény, jednu histidinfosfotransferovou doménu, která má specifický histidin, a druhou ATP vazebnou doménu. Regulátor odpovědi (RR) měl také dvě domény, jednu konzervovanou přijímací doménu, která obsahuje konzervovaný aspartát, a druhou efektorovou doménu.
Když přijde ligand a naváže se na N terminál histidinkinázy, následně způsobí aktivaci autofosforylační aktivity histidinkinázy. V důsledku toho dochází k přenosu fosfátového zbytku z ATP na konzervovaný histidin přítomný v kinázové doméně nacházející se na C terminálu. To vede k přenosu tohoto fosfátu z histidinu na konzervovaný aspartát přítomný v konzervované přijímací doméně regulátoru odpovědi. Fosforylace aspartátu má za následek konformační změnu v RR, což způsobí aktivaci efektorové domény RR, v důsledku čehož se vytvoří signál, který zprostředkuje buněčnou odpověď, konkrétně vypnutí nebo zapnutí genové exprese.
Histidinkináza je také přítomna v hybridní formě nazývané hybridní histidinkináza, která obsahuje také jednu vnitřní přijímací doménu, jakmile se ligand naváže na hybridní histidinkinázu, autofosforyluje se z histidinu stejným mechanismem. Poté přenese tento fosfát na aspartátový zbytek vnitřní přijímací domény a následně tento fosfát přenese na histidinfosfotransferový protein nebo histidinfosfotransferázu, která tento fosfát přenese na koncový regulátor odpovědi obsahující konzervovaný aspartátový zbytek. Tento systém se nazývá fosforelayový systém.
4.7. Quorum sensing
Quorum sensing definuje jako mechanismus, jehož prostřednictvím probíhá u bakterií regulace fyziologických procesů (motility, kompetice, konjugace, symbiózy, virulence, sporulace a produkce antibiotik) a kooperativní aktivity, protože řídí expresi genů. Prostřednictvím tohoto mechanismu dochází ke komunikaci mezi bakteriálními buňkami, které vnímají a reagují na vylučovanou malou nízkomolekulární signální molekulu, která je v přírodě difúzní a známá jako autoinduktor, jehož koncentrace určuje hustotu bakteriálních buněk, protože obě mají přímo úměrný vztah. Tento mechanismus pomáhá bakteriím plnit různé funkce, například umožňuje bakteriálním buňkám určit hustotu jejich populace, při tvorbě biofilmů, při kolonizaci bakterií, při ochraně proti konkurentům a poskytuje schopnost přizpůsobit se měnícímu se prostředí. Vibrio fischeri, mořská bioluminiscenční bakterie, je první, u které bylo popsáno kvorum sensing.
Kvorum sensing je zodpovědný za zahájení koordinované aktivity řídící expresi genů, která se provádí, když tyto genové exprese řídící transkripční aktivátor nebo senzor interagují s příslušným autoinduktorem, díky této signalizaci autoinduktor také indukuje vlastní genovou expresi. Quorum sensing se provádí v reakci na hustotu bakteriální populace a mění se v závislosti na fluktuaci bakteriální populace, následně se mění i koordinovaná aktivita řídící expresi genů, protože v této situaci se mění i interakce genové exprese řídící transkripční aktivátor nebo senzor se svým autoinduktorem s ohledem na situaci. Ke změně genové exprese dochází, když je koncentrace autoinduktoru zjištěna jako minimální prahová úroveň stimulační koncentrace. Mechanismus snímání kvora používají gramnegativní i grampozitivní bakterie.
U bakterií existují tři třídy snímání kvora, které jsou uvedeny níže:
První třída je řízena systémem LuxI/LuxR, který má jako signální molekulu acyl-homoserin lakton (AHL) a tento typ snímání kvora je přítomen u gramnegativních bakterií. LuxI podobný protein zvaný ALH syntáza je zodpovědný za syntézu acyl-homoserin laktonu (AHL), AHL vzniká spojením homocysteinové části S-adenosylmetioninu (SAM) se specifickým acyl-acyl přenašečovým proteinem (acyl-ACP), při tomto spojení se homocysteinová část spojí s acylovým postranním řetězcem acyl-ACP a laktonizace tohoto meziproduktu vede ke vzniku acyl-HSL spolu s uvolněním methylthioadenosinu. Unikátní AHL je produkován každým bakteriálním druhem v důsledku toho, že určitý člen bakteriálního druhu reaguje a rozpoznává specifickou signální molekulu. Po syntéze se rozptýlí a je rozpoznán a navázán na příbuzný protein LuxR, následně dojde k aktivaci LuxR, pak se komplex AHL-LuxR naváže na promotor cílového genu a spustí se transkripce tohoto genu.
Toto je schéma quorum sensing u gramnegativních bakterií, definovat aktivaci transkripce vyžaduje určitou prahovou koncentraci pro aktivaci transkripce genu, pod touto koncentrací neprobíhá žádná transkripce.
Druhá třída řídí oligopeptidem zprostředkovaný dvousložkový systém, který má jako signální molekulu malý peptid a tento typ quorum sensingu je přítomen u grampozitivních bakterií. U grampozitivních bakterií není autoinduktor schopen projít přes plazmatickou membránu a senzor nebo receptor tohoto induktoru zvaný autoindukující peptid (AIP – 5 až 25 aminokyselin) je transmembránový protein, zde je přítomen dvousložkový systém přenosu signálu, který obsahuje receptor AIP zvaný histidinkinázový protein spolu s cytoplazmatickým regulátorem odpovědi, který zprostředkovává regulaci genové exprese prostřednictvím peptidové signalizace. AIP se vylučuje do vnějšího prostředí z nitra buňky pomocí ABC transpotérů.
Třetí třída se řídí autoinduktorem 2 kódovaným luxS a tento typ kvorum sensingu je přítomen u gramnegativních i grampozitivních bakterií.
PODÍVEJME SE nyní na příkladu Vibrio fischeri, mořské bioluminiscenční bakterie. Vibrio fischeri žije v symbiotickém vztahu s řadou mořských živočišných hostitelů. Vibrio fischeri produkuje světlo produkcí enzymu luciferázy. Proto se nazývá bioluminiscenční a bakterie produkuje luminiscenci, což je modrozelené světlo, když je bakterie přítomna ve velké koncentraci v reakci na kvorum sensing AHL. K produkci světla dochází ve specializovaném orgánu přítomném v mořském organismu, který se nazývá světelný orgán, když se bakterie ve velké koncentraci usídlí v tomto světelném orgánu, ale Vibrio fischeri neprodukuje luminiscenci, když je přítomna ve volném stavu, a tato luminiscence se objevuje ve tmě.
Chemotaxis in bacteria
Chemotexis je jev, který vysvětluje pohyb bakterií v reakci na chemický podnět, a to určitým směrem. Chemotaxe hraje důležitou roli při pohybu bičíků bakterií, při hledání potravy a v případě ochrany, jako je cit pro jedy. Pokud pohyb probíhá směrem k vyšší koncentraci chemické látky, nazývá se pozitivní chemotaxe, a naopak, pokud pohyb probíhá opačným směrem od vyšší koncentrace chemické látky, nazývá se negativní chemotaxe. Induktory chemotaxe v pohyblivé buňce se nazývají chemoatraktanty (chemokiny a formylpeptidy) a chemorepelenty (aminokyseliny, anorganické soli a některé chemokiny), pokud je přítomen chemoatraktant, buňka se pohybuje směrem dopředu, a pokud je přítomen chemorepelent, pak se buňka pohybuje opačným směrem nebo od chemické látky. Obě chemické látky provádějí svou signalizaci interakcí se svým receptorem, což je transmembránový protein. Chemotaxe se uskutečňuje pomocí dvousložkového systému, který obsahuje histidinkinázový protein jako transmembránový receptor spolu s cytoplazmatickým regulátorem odpovědi, který zprostředkovává přenos signálu regulací genové exprese v reakci na určitou chemickou látku.
Rotace bičíků v E.Coli se řídí chemotaxí a pohyb bičíků koreluje s plaveckým chováním bakterií, při rotaci bičíků proti směru hodinových ručiček se bakterie pohybují směrem dopředu, což se také nazývá běh, spolu s tím bakterie plavou v přímce, tohoto typu pohybu se dosahuje, protože rotace proti směru hodinových ručiček způsobuje vyrovnání bičíků do jednoho rotujícího svazku. Při rotaci bičíků ve směru hodinových ručiček se bakterie přestanou pohybovat směrem dopředu a zároveň se převrátí na místě. K tomuto typu pohybu dochází proto, že při rotaci ve směru hodinových ručiček se svazek bičíků rozdělí a každý bičík směřuje samostatně. Pokud není přítomen chemický gradient, je pohyb bakterií náhodný, v tomto případě se bakterie pohybuje dopředu / běží. Takto plave a po určité době se zastaví, čímž se dostane do pádu. Pokud je přítomen chemický gradient, v případě přítomnosti chemoatraktantu je pád méně častý a dochází k delšímu běhu nebo v případě přítomnosti chemorepelentu dochází k delšímu běhu v opačném směru spolu s menším pádem.
K pohybu bičíků dochází pomocí dvousložkového systému, jak je uvedeno výše, zde je receptor znám jako methyl-akceptující chemotaxický protein (MCP) a methylace receptoru se provádí pomocí methyltransferázy s názvem CheR, CheW adaptorový protein se váže na receptor na jedné straně a váže se na CheA na druhé straně , čímž se CheA spojuje se senzorovým proteinem. CheA je senzorová histidinkináza s konzervativním histidinovým zbytkem. Když přijde chemorepelent a naváže se na MCP, aktivuje MCP, který aktivuje CheW a ten kaskádovitě aktivuje CheA, aktivovaná CheA způsobí autofosforylaci svého vlastního konzervativního histidinového zbytku a poté CheA přenese fosfát na CheY, který je regulátorem odpovědi a má konzervativní aspartátový zbytek, v důsledku čehož dochází k difuzi ChsY a jeho interakci s bičíkovým spínacím proteinem FliM nebo bičíkovým motorickým proteinem, což vede ke změně rotace bičíku z proti směru hodinových ručiček na pravotočivou.
CheY je zodpovědný za řízení bičíkového motoru. Jakmile dojde ke změně rotace jednotlivého bičíku, způsobí to narušení celého svazku bičíků, což má za následek pád. Fosforylační stav CheY přetrvává několik sekund a CheY se defosforyluje pomocí CheZ, který je zodpovědný za ukončení signálu a je známý jako Asp specifická fosfatizace. Inaktivaci CheY provádí CheZ. Vazba atraktantu má opačný účinek, způsobí inaktivaci receptoru, následně se sníží fosforylace CheA a CheY, v důsledku čehož dojde k rotaci bičíku proti směru hodinových ručiček, a bakterie tak běží a plave směrem vpřed. Bakterie se desenzitizují, pokud je přítomna vyšší koncentrace ligandu, která je vyšší než obvyklá vyšší koncentrace.
DalšíPředchozí