4.3. JAK-STAT-signalvejen
JAK-STAT-signalering medierer overførsel af budskab eller signal fra cellens yderside til kernen gennem et stort antal cytokiner, hormoner og vækstfaktorer, der forårsager ændring i transkriptionen af specifikke gener. Vejen består af cytokinreceptorer, en undertype af enzymforbundne receptorer, der er afhængige af cytoplasmatiske kinaser til at overføre signaler ind i cellen. Intracellulær aktivering og multimerisering af receptorerne sker, når ligand som f.eks. interferon og interleukiner binder sig til receptoren. Som følge heraf aktiveres Jaks (en cytoplasmatisk tyrosinkinase), der er associeret med receptoren.
I pattedyr er der fire typer Jaks kendt – Jak1, Jak2, Jak3 og Tyk – og de er hver især associeret med specifikke cytokinreceptorer, der består af to eller flere polypeptidkæder. Dimeriseringen (i nogle tilfælde multimerisering) bringer den associerede Jak (Janus kinase) af to receptorenheder tæt på hinanden, hvilket hjælper dem begge til at krydsfosforylerer hinanden og derved øger aktiviteten af deres tyrosinkinase-domæner. Fosforyleret tyrosin fungerer som et dockingsted for STAT’er og andre signalveje. STAT’er (Signal Transducer and Activator of Transcription) er latente transkriptionsfaktorer, som er begrænset til cytoplasmaet, når de er inaktive. Der findes mange typer STAT’er, som hver har et SH2-domæne, der spiller en afgørende rolle i signaltransduktionen. STAT’s SH2-domæne binder sig til fosfotyrosinresterne i den aktiverede cytokinreceptor. Endvidere fosforylerer Jak STAT’en på tyrosinrester på C-terminus, hvilket fører til frigørelse af STAT’en fra receptoren. SH2-domænet af det frigjorte STAT-protein letter dets binding med en fosfotyrosinrest af det andet STAT-protein, hvilket resulterer i dannelsen af enten en homodimer eller en heterodimer. STAT-dimeren translokeres til kernen, hvor den binder sig til de specifikke regulatoriske sekvenser og stimulerer deres transkription med henblik på cellens overlevelse, proliferation og differentiering.
Suden positive effektorer er der flere negative regulatorer, som ofte lukker responsen. Nogle af dem er følgende:
- Suppressors of Cytokine signaling (SOCs) : Den aktiverede STAT initierer transkriptionen af SOCs, og i sidste ende associerer SOCs-proteinet sig med den fosforylerede Jaks og afslutter ad denne vej vejen.
- Protein Inhibitors of Activated STAT (PIAS) : PIAS-proteinet binder sig til STAT-dimere og hæmmer STAT’s interaktion med DNA-responselementet og hæmmer derved transkriptionen af målproteiner.
- PTP’er (Protein Tyrosin Phosphataser): PTP’er dephosphorylerer effektormolekylet, hvilket gør dem inaktive, og dermed regulerer signalgivningen negativt.
4.4. TGF-β-vejen
Den transformerende vækstfaktor β er et multifunktionelt enzym, der enten kan fungere som hormoner, effektormolekyle eller lokale mediatorer til regulering af mange cellulære responser. Liganden for signaleringen kan være TGFβ’s selv, Bone morphogenetic proteins (BMP’er), Anti-müllerian hormon (AMH), Activin og nodal protein. Disse proteiner foregår med hjælp fra enzymforbundne receptorer, der indeholder et serin/threoninkinase-domæne på den cytoplasmatiske side af membranen. Disse receptorer består hovedsageligt af to klasser – type I og type II – som associeres på en specifik måde, hvilket er nødvendigt for signalering. SARA (The SMAD Anchor for Receptor Activation) og HGS (Hepatocyte Growth factor-regulated tyrosine kinase Substrate) er de proteiner, der yderligere medierer TGF β-vejen. Signalvejen forløber som følger:
- TGF- β-ligand binder til type II-homodimeren, hvilket medfører fosforylering og aktivering af type I-receptor. Dermed dannes et tetramerisk kompleks.
- Ved aktivering binder og fosforylerer receptorkomplekset det regulatoriske protein, Smad 1, Smad 2 og Smad 3. Fosforyleret Smad dissocieres fra receptoren og kombineres med Smad 4.
- Smad-komplekset dissocieres og går ind i kernen og binder sig til det specifikke sted i DNA’et og regulerer ekspressionen af målgenerne.
TGF β-signalering er involveret i forskellige cellulære processer, herunder cellevækst, celledifferentiering, proliferation og apoptose. Mekanismen reguleres af feedback-hæmning gennem flere veje såsom clathrin-medieret endocytose, der blokerer dannelsen af Smad-komplekset og dermed slukker for TGF- β-signalerne.
4.5. Intracellulære hormonreceptorer
Steroid- og skjoldbruskkirtelhormonreceptorfamilien fungerer som transkriptionsfaktorer, da de efter hormonernes binding aktiverer genekspressionen. Steroid- og skjoldbruskkirtelhormonreceptorsuperfamilien Deres receptor er placeret i cytoplasmaet og binder deres lipofile hormonligander i dette rum, da disse hormoner er i stand til frit at trænge igennem den hydrofobiske plasmamembran. Ved binding af ligand translokaliseres hormon-receptorkomplekset til kernen og binder sig til specifikke DNA-sekvenser, kaldet hormonresponselementer (HRE’er). Bindingen af komplekset til et HRE resulterer i ændrede transkriptionshastigheder for det tilknyttede gen. En analyse af det menneskelige genom har afsløret 48 nukleare receptorgener.
Mange af disse gener er i stand til at frembringe mere end én receptorisoform. De nukleare receptorer indeholder alle et ligandbindingsdomæne (LBD) og et DNA-bindingsdomæne (DBD). Steroidreceptor III binder til DNA som homodimere, f.eks. østrogenreceptor (ER), mineralokortikoidreceptor (MR), progesteronreceptor (PR), androgenreceptor (AR) og glukokortikoidreceptor (GR). Steroidreceptor I binder til DNA som heterodimere. Retinoid X-receptorerne (RXR), lever X-receptorerne (LXR), farnesoid X-receptorerne (FXR) og de peroxisome proliferator-aktiverede receptorer (PPAR) er eksempler på receptorer, der binder sig til lipofile ligander ligesom steroidhormonreceptorerne og skjoldbruskkirtelhormonreceptorerne.
Steroidhormonerne stammer alle fra kolesterol. Desuden indeholder de, med undtagelse af D-vitamin, alle den samme cyclopentanophenanthrene ring og det samme atomnummereringssystem som kolesterol. Steroider med 21 kulstofatomer er kendt som pregnaner, mens dem med 19 og 18 kulstofatomer er kendt som henholdsvis androstaner og estraner. Retinsyre og D-vitamin er ikke afledt af pregnenolon, men af henholdsvis A-vitamin og kolesterol, mens alle andre steroidhormoner er afledt af pregneolon.
Alle steroidhormoner udøver deres virkning ved at passere gennem plasmamembranen og binde sig til intracellulære receptorer. Hormon-receptorkomplekset fungerer som transkriptionsfaktor. Komplekset bevæger sig til kernen og binder sig til sine DNA-sekvenser, der er kendt som hormonresponselementer, og aktiverer generne.
4.6. To-komponent-system :
I bakterier og planter formidles signaltransduktionen af et to-komponent-system (TCS), der er involveret i celle-cellekommunikation og i at reagere på ekstracellulære signaler. I bakterier er tokomponentsystemer allestedsnærværende. TCS er ikke til stede hos mennesker og andre pattedyr og er derfor blevet mål for lægemidler.
To-komponentsystemet indeholder en sensor, som er et homodimere transmembranprotein kaldet histidinkinase, der har autofosforylerende aktivitet sammen med en bevaret histidinrest, og en responsregulator, der er placeret efter histidinkinase, og som indeholder en bevaret aspartatrest. Histidinkinase (HK) har to domæner, et histidinfosfo-overførselsdomæne, som besidder specifik histidin, og et andet ATP-bindingsdomæne. Responsregulator (RR) havde også to domæne, et bevaret modtagerdomæne, som omfatter bevaret aspartat og andet effektordomæne.
Når en ligand kommer og binder til N-terminalen af histidinkinase, forårsager det til gengæld aktivering af histidinkinase autofosforylerende aktivitet. Som følge heraf forårsager det overførsel af en fosfatrest fra ATP til den bevarede histidin, der er til stede i kinase-domænet, som er til stede ved C-terminalen. Dette fører til overførsel af dette fosfat fra histidinet til den bevarede aspartat, der er til stede i det bevarede modtagerdomæne i responsregulatorens responsregulator. Fosforylering af aspartat resulterer i konformationsændring i RR, hvilket igen forårsager aktivering af RR’s effektordomæne, hvorved signalet genereres til at formidle cellulært respons specifikt ved at slukke eller aktivere genekspression.
Histidinkinase findes også i hybridform kaldet hybridhistidinkinase, som også indeholder et internt modtagerdomæne, og når ligand bindes til hybridhistidinkinase, autofosforylerer den sig selv af histidin ved samme mekanisme. Derefter overføres dette fosfat til det interne modtagerdomænes aspartatrest, hvorefter dette fosfat overføres til histidinphosphotransferprotein eller histidinphosphotransferase, som overfører dette fosfat til den terminale responsregulator, der indeholder en bevaret aspartatrest. Dette system kaldes phosphorelay-system.
4.7. Quorum sensing
Quorum sensing defineres som en mekanisme, hvorigennem regulering af fysiologiske processer (motilitet, kompetence, konjugation, symbiose, virulens, sporulation og antibiotikaproduktion) og kooperativ aktivitet finder sted i bakterier, fordi den styrer genekspression. Gennem denne mekanisme sker kommunikationen mellem bakteriecellerne ved at opfatte og reagere på et lille signalmolekyle med lav molekylvægt, som er diffunderbart i naturen og kendt som autoinducer, hvis koncentration definerer bakteriecelletætheden, fordi begge dele har en direkte proportional korrelation. Denne mekanisme hjælper bakterier med at udføre forskellige funktioner, f.eks. gør det muligt for bakteriecellerne at identificere deres befolkningstæthed, dannelse af biofilm, kolonisering af bakterier, beskyttelse mod konkurrenter og evne til at tilpasse sig skiftende miljøforhold. Vibrio fischeri, en marin bioluminescent bakterie, er den første, hvor quorum sensing bliver beskrevet.
Quorum sensing er ansvarlig for initiering af koordineret aktivitet, der styrer genekspression, hvilket sker, når disse genekspressionsstyrende transkriptionelle aktivatorer eller sensorer interagerer med deres respektive autoinducer, og på grund af denne signalering inducerer autoinducer også deres egen genekspression. Quorum sensing udføres som reaktion på bakteriepopulationens tæthed og ændres i overensstemmelse med de udsving, der finder sted i bakteriepopulationen, hvorved den koordinerede aktivitet, der styrer genekspressionen, også ændres, fordi interaktionen mellem genekspressionen, der styrer transkriptionel aktivator eller sensor, og dens autoinducer også ændres i forhold til situationen. Der sker en ændring i genekspressionen, når autoinducerkoncentrationen påvises som minimalt stimulerende tærskelkoncentrationsniveau. Quorum sensing-mekanismen anvendes af både gramnegative og grampositive bakterier.
I bakterier findes der tre quorum sensing-klasser, som er nævnt nedenfor:
Første klasse styres af LuxI/LuxR-systemet, der har acyl-homoserinlacton (AHL) som signalmolekyle, og denne type quorum sensing findes i gramnegative bakterier. LuxI-lignende protein kaldet ALH-syntase, der er ansvarlig for syntesen af acyl-homoserinlacton (AHL), AHL dannes ved kobling af homocysteindelen af S-adenosylmetionin (SAM) til et specifikt acyl-acylbærerprotein (acyl-ACP), hvor homocysteindelen i denne kobling går sammen med acylsidekæden af acyl-ACP, og lactonisering af dette mellemprodukt resulterer i dannelsen af acyl-HSL sammen med frigivelse af methylthioadenosin. Hver bakterieart producerer en unik AHL som følge af, at et bestemt bakterieartmedlem reagerer og genkender et specifikt signalmolekyle. Efter syntesen spredes det og genkendes og bindes af et beslægtet LuxR-protein, hvorefter LuxR aktiveres, hvorefter komplekset af AHL-LuxR binder sig til promotoren af målgenet, og transkriptionen af det pågældende gen påbegyndes.
Dette er diagrammet over quorum sensing i Gram-negative bakterier, der definerer transkriptionel aktivering kræver en bestemt tærskelkoncentration for at aktivere transkriptionen af et gen, og under denne koncentration finder der ikke nogen form for transkription sted.
Den anden klasse er det oligopeptidmedierede tokomponentsystem, der har små peptider som signalmolekyle, og denne type quorum sensing findes i Gram-positive bakterier. I Gram-positive bakterier er autoinducer ikke i stand til at krydse plasmamembranen, og sensoren eller receptoren for denne inducer kaldet autoinducerende peptid (AIP – 5 til 25 aminosyrer) er transmembranprotein, og her er der et tokomponent-signaltransduktionssystem til stede, som indeholder receptoren for AIP kaldet histidinkinaseprotein sammen med en cytoplasmatisk responsregulator, som fortsætter signaltransduktionen ved at formidle regulering af genekspression via peptid-signalering. AIP udskilles til det ydre miljø fra cellens indre af ABC-transpoter.
Den tredje klasse styres af luxS-kodet autoinducer 2, og denne type quorum sensing findes hos Gram-negative såvel som Gram-positive bakterier.
Nu skal vi tale om Vibrio fischeri, en marine bioluminescerende bakterie. Vibrio fischeri lever i et symbiotisk forhold med en række marine værtsdyr. Vibrio fischeri producerer lys ved at producere luciferase-enzym. Det kaldes således bioluminescens, og bakterierne producerer luminescens, som er blågrønt lys, når bakterierne er til stede i stor koncentration som reaktion på AHL’s quorum sensing. Lysproduktionen finder sted i et specialiseret organ, der findes i marine organismer, kaldet lysorgan, når bakterier koloniseres i høj koncentration i dette lysorgan, men Vibrio fischeri producerer ikke luminescens, når den findes i fri tilstand, og denne luminescens forekommer i mørke.
Chemotaxis i bakterier
Chemotexis er et fænomen, der forklarer bakteriers bevægelse i en bestemt retning som reaktion på en kemisk stimulus. Chemotaxis spiller en vigtig rolle i bakteriers flagelbevægelse, søgning efter føde og i tilfælde af beskyttelse som f.eks. følelsen for giftstoffer. Hvis bevægelsen foregår i retning af en højere koncentration af et kemisk stof, kaldes det positiv kemotaxis, mens den omvendte bevægelse, hvis den foregår i modsat retning fra den højere koncentration af et kemisk stof, kaldes negativ kemotaxis. Chemotaxis inducerer i bevægelige celler kaldet kemoattraktant (kemokiner og formylpeptider) og kemorepellent (aminosyre, uorganiske salte og nogle kemokiner), hvis kemoattraktant er til stede, bevæger cellen sig fremad, og hvis kemorepellent er til stede, bevæger cellen sig i den modsatte retning eller væk fra det kemiske stof. Begge kemikalier udfører deres signalering ved at interagere med deres receptor, som er et transmembranprotein. Chemotaxis udføres af et tokomponentersystem, der indeholder histidinkinaseprotein som transmembranreceptor sammen med en cytoplasmatisk responsregulator, som fortsætter signaltransduktionen ved at formidle regulering af genekspression som reaktion på et bestemt kemikalie.
Flagellar rotation i E.coli styres af kemotaxis og flagellas bevægelse korrelerer med bakteriernes svømmeadfærd, under flagellarrotation mod uret bevæger bakterierne sig fremad, hvilket også kaldes at løbe sammen med denne bakterie svømmer i lige linje, denne type bevægelse opnås, fordi rotation mod uret forårsager tilpasning af flagellerne til et enkelt roterende bundt. Under flagellar rotation med uret bliver bakteriernes bevægelse i fremadgående retning ophørt sammen med denne bakterie bliver tumlet på plads. Denne type bevægelse finder sted, fordi rotation med uret bryder flagellabunken separat, og her peger hvert flagellum i hver sin retning. Hvis der ikke er nogen kemisk gradient til stede, er bakteriernes bevægelse tilfældig, og i dette tilfælde bevæger bakterierne sig fremad/løber. Svømmer således og bliver efter et stykke tid stoppet, og bliver således tumlet. Hvis der er en kemisk gradient til stede, er der ved tilstedeværelse af et kemotiltrækkende stof mindre hyppig tumling og længere løb, og ved tilstedeværelse af et kemorepellent stof er der længere løb i den modsatte retning sammen med mindre tumling.
Flagellar bevægelse sker ved hjælp af et system med to komponenter som nævnt ovenfor, her er receptoren kendt som Methyl-accepting Chemotaxis protein (MCP), og methylering af receptoren sker ved hjælp af en methyltransferase ved navn CheR, CheW er et adaptorprotein, der binder sig til receptoren i den ene side og binder sig til CheA i den anden side, hvorved CheA forbindes med et sensorprotein. CheA er en sensorhistidinkinase, der har en bevaret histidinrest. Når et kemorepellent stof kommer og binder sig til MCP, aktiveres MCP, der igen aktiverer CheW, som aktiverer CheA i kaskadeform, aktiveret CheA forårsager autofosforylering af sin egen bevaringshistidinrest, hvorefter CheA overfører fosfat til CheY, som er en responsregulator og har en bevaret aspartatrest, hvorved ChsY spredes og interagerer med flagellar switch-protein FliM eller flagellar motorprotein, hvilket fører til ændring af flagellums rotation fra mod uret til urets retning.
CheY er ansvarlig for styringen af flagellermotoren. Når ændringen i rotationen af et enkelt flagellum sker, medfører det en afbrydelse af hele flagelbundtet, hvilket resulterer i tumling. CheY’s fosforyleringstilstand fortsætter i få sekunder, og CheY affosforyleres af CheZ, som er ansvarlig for signalafslutning og er kendt som Asp-specifik fosforylering. Inaktivering af CheY foretages af CheZ. Binding af tiltrækkende stof har modsat virkning, idet det forårsager inaktivering af receptoren, hvorved fosforyleringen af CheA og CheY falder, hvilket resulterer i mod urets rotation af flagellerne, hvorved bakterierne løber og svømmer i fremadgående retning. Bakterier bliver desensibiliseret, hvis der er en højere koncentration af ligand til stede, og som er mere end den sædvanlige højere koncentration.
NæstePræcedent