IP3-DAG-WEG DER REZEPTORTYROSINKINASE IN DER ZELLSIGNALISIERUNG

4.3. JAK-STAT-Signalweg

Der JAK-STAT-Signalweg vermittelt die Übertragung von Nachrichten oder Signalen von der Zellaußenseite zum Zellkern durch eine große Anzahl von Zytokinen, Hormonen und Wachstumsfaktoren, die eine Veränderung der Transkription bestimmter Gene bewirken. Der Signalweg besteht aus Zytokinrezeptoren, einer Unterart von enzymgebundenen Rezeptoren, die von zytoplasmatischen Kinasen abhängen, um Signale in die Zelle zu übertragen. Die intrazelluläre Aktivierung und Multimerisierung der Rezeptoren erfolgt, wenn Liganden wie Interferon oder Interleukine an den Rezeptor binden. Infolgedessen wird Jaks (eine zytoplasmatische Tyrosinkinase), die mit dem Rezeptor assoziiert ist, aktiviert.

Bei Säugetieren sind vier Arten von Jaks bekannt – Jak1, Jak2, Jak3 und Tyk – und jede ist mit spezifischen Zytokinrezeptoren assoziiert, die aus zwei oder mehr Polypeptidketten bestehen. Die Dimerisierung (in einigen Fällen auch Multimerisierung) bringt die assoziierten Jak (Januskinase) zweier Rezeptoreinheiten in enge Nachbarschaft und unterstützt beide dabei, sich gegenseitig zu phosphorylieren, wodurch die Aktivität ihrer Tyrosinkinasedomänen erhöht wird. Das phosphorylierte Tyrosin fungiert als Andockstelle für STATs und andere Signalübertragungswege. STATs (Signal Transducer and Activator of Transcription) sind latente Transkriptionsfaktoren, die, wenn sie inaktiv sind, auf das Zytoplasma beschränkt sind. Es gibt viele Arten von STATs, die jeweils eine SH2-Domäne besitzen, die eine entscheidende Rolle bei der Signalübertragung spielt. Die SH2-Domäne des STAT bindet an den Phosphotyrosin-Rest des aktivierten Zytokinrezeptors. Anschließend phosphorylieren die Jak den STAT an einem Tyrosinrest am C-Terminus, was zu seiner Freisetzung vom Rezeptor führt. Die SH2-Domäne des freigesetzten STAT erleichtert seine Bindung an einen Phosphotyrosinrest des zweiten STAT-Proteins, wodurch entweder ein Homodimer oder ein Heterodimer gebildet wird. Das STAT-Dimer transloziert in den Zellkern, wo es sich an die spezifischen regulatorischen Sequenzen bindet und deren Transkription für das Überleben, die Proliferation und die Differenzierung der Zelle stimuliert.

Neben den positiven Effektoren gibt es mehrere negative Regulatoren, die die Reaktion oft ausschalten. Einige von ihnen sind wie folgt:

• Suppressoren der Zytokinsignalisierung (SOCs): Der aktivierte STAT initiiert die Transkription von SOCs und schließlich assoziiert das SOCs-Protein mit dem phosphorylierten Jaks und beendet auf diese Weise den Signalweg.
• Protein-Inhibitoren von aktiviertem STAT (PIAS): Das PIAS-Protein bindet an STAT-Dimere und hemmt die Interaktion von STAT mit dem DNA-Reaktions-Element, wodurch die Transkription von Zielproteinen gehemmt wird.
• PTPs (Protein-Tyrosin-Phosphatasen): PTPs dephosphorylieren das Effektormolekül, machen es inaktiv und regulieren so die Signalübertragung negativ.

4.4. TGF-β-Weg

Der transformierende Wachstumsfaktor β ist ein multifunktionales Enzym, das entweder als Hormon, als Effektormolekül oder als lokaler Mediator wirken kann, um viele zelluläre Reaktionen zu regulieren. Der Ligand für die Signalübertragung kann TGFβ selbst, knochenmorphogenetische Proteine (BMPs), Antimüllerianisches Hormon (AMH), Activin und Nodalprotein sein. Diese Proteine werden mit Hilfe von enzymgebundenen Rezeptoren, die eine Serin/Threonin-Kinase-Domäne auf der zytoplasmatischen Seite der Membran enthalten, weitergegeben. Diese Rezeptoren werden hauptsächlich in zwei Klassen eingeteilt – Typ I und Typ II -, die auf spezifische Weise assoziiert werden und für die Signalübertragung benötigt werden. SARA (The SMAD Anchor for Receptor Activation) und HGS (Hepatocyte Growth factor-regulated tyrosine kinase Substrate) sind die Proteine, die den TGF β-Signalweg weiter vermitteln. Der Signalweg verläuft wie folgt:

1. TGF- β-Ligand bindet an das Typ II-Homodimer, was zur Phosphorylierung und Aktivierung des Typ I-Rezeptors führt. Auf diese Weise wird ein tetramerer Komplex gebildet.
2. Bei Aktivierung bindet der Rezeptorkomplex das regulatorische Protein Smad 1, Smad 2 und Smad 3 und phosphoryliert es. Phosphoryliertes Smad dissoziiert vom Rezeptor und verbindet sich mit Smad 4.
3. Der Smad-Komplex dissoziiert und tritt in den Zellkern ein, bindet an die spezifische Stelle in der DNA und reguliert die Expression von Zielgenen.

Die TGF β-Signalübertragung ist an verschiedenen zellulären Prozessen beteiligt, darunter Zellwachstum, Zelldifferenzierung, Proliferation und Apoptose. Der Mechanismus wird durch eine Rückkopplungshemmung über verschiedene Wege wie die Clathrin-vermittelte Endozytose reguliert, die die Bildung des Smad-Komplexes blockiert und so den TGF- β-Signalweg abschaltet.

4.5. Intrazelluläre Hormonrezeptoren

Steroid- und Schilddrüsenhormonrezeptoren wirken als Transkriptionsfaktoren, da sie nach Bindung der Hormone die Genexpression aktivieren. Die Steroid-Schilddrüsenhormon-Rezeptor-Superfamilie Ihre Rezeptoren befinden sich im Zytoplasma und binden ihre lipophilen Hormonliganden in diesem Kompartiment, da diese Hormone in der Lage sind, die hydrophobe Plasmamembran frei zu durchdringen. Nach der Bindung des Liganden wandert der Hormon-Rezeptor-Komplex in den Zellkern und bindet an spezifische DNA-Sequenzen, die als Hormone Response Elements (HREs) bezeichnet werden. Die Bindung des Komplexes an ein HRE führt zu einer veränderten Transkriptionsrate des zugehörigen Gens. Bei der Analyse des menschlichen Genoms wurden 48 nukleare Rezeptorgene entdeckt.

Viele dieser Gene sind in der Lage, mehr als eine Rezeptor-Isoform zu bilden. Die nukleären Rezeptoren enthalten alle eine Ligandenbindungsdomäne (LBD) und eine DNA-Bindungsdomäne (DBD). Steroidrezeptor III bindet als Homodimer an die DNA, z. B. Östrogenrezeptor (ER), Mineralokortikoidrezeptor (MR), Progesteronrezeptor (PR), Androgenrezeptor (AR) und Glukokortikoidrezeptor (GR). Steroidrezeptor I bindet als Heterodimere an die DNA. Die Retinoid-X-Rezeptoren (RXRs), die Leber-X-Rezeptoren (LXRs), die Farnesoid-X-Rezeptoren (FXRs) und die Peroxisom-Proliferator-aktivierten Rezeptoren (PPARs) sind Beispiele für Rezeptoren, die wie Steroidhormonrezeptoren und Schilddrüsenhormonrezeptoren an lipophile Liganden binden.

Die Steroidhormone leiten sich alle vom Cholesterin ab. Außerdem enthalten sie mit Ausnahme von Vitamin D alle denselben Cyclopentanophenanthrenring und dasselbe Ordnungssystem wie Cholesterin. Steroide mit 21 Kohlenstoffatomen werden als Pregnane bezeichnet, während Steroide mit 19 und 18 Kohlenstoffatomen als Androstane bzw. Estrane bezeichnet werden. Retinsäure und Vitamin D leiten sich nicht von Pregnenolon ab, sondern von Vitamin A bzw. Cholesterin. Alle übrigen Steroidhormone leiten sich von Pregnenolon ab.

Alle Steroidhormone üben ihre Wirkung aus, indem sie die Plasmamembran passieren und an intrazelluläre Rezeptoren binden. Der Hormon-Rezeptor-Komplex wirkt als Transkriptionsfaktor. Der Komplex bewegt sich zum Zellkern, bindet an seine DNA-Sequenzen, die als Hormonantwort-Elemente bekannt sind, und aktiviert die Gene.

4.6. Zweikomponentensystem:

In Bakterien und Pflanzen wird die Signaltransduktion durch ein Zweikomponentensystem (TCS) vermittelt, das an der Zell-Zell-Kommunikation beteiligt ist und auf extrazelluläre Signale reagiert. In Bakterien ist das Zweikomponentensystem allgegenwärtig. TCS ist beim Menschen und anderen Säugetieren nicht vorhanden und wird so zum Ziel für Medikamente.

Das Zweikomponentensystem enthält einen Sensor, der ein homodimeres Transmembranprotein namens Histidinkinase ist, das eine autophosphorylierende Aktivität zusammen mit einem konservierten Histidinrest aufweist, und einen Reaktionsregulator, der sich nach der Histidinkinase befindet und einen konservierten Aspartatrest enthält. Die Histidinkinase (HK) hat zwei Domänen, eine Histidin-Phospho-Transfer-Domäne, die ein spezifisches Histidin besitzt, und eine zweite ATP-Bindungsdomäne. Response-Regulator (RR) hatte auch zwei Domänen, eine konservierte Empfängerdomäne, die konserviertes Aspartat und zweite Effektor-Domäne umfasst.

Wenn ein Ligand kommt und an das N-Terminal der Histidinkinase bindet, bewirkt dies wiederum die Aktivierung der Autophosphorylierungsaktivität der Histidinkinase. Infolgedessen wird ein Phosphatrest von ATP auf das konservierte Histidin in der Kinasedomäne am C-Terminus übertragen. Dies führt zur Übertragung dieses Phosphats vom Histidin auf das konservierte Aspartat, das in der konservierten Empfängerdomäne des Reaktionsreglers vorhanden ist. Die Phosphorylierung des Aspartats führt zu einer Konformationsänderung im RR, die wiederum die Aktivierung der Effektor-Domäne des RR bewirkt, wodurch ein Signal erzeugt wird, das eine zelluläre Reaktion vermittelt, die spezifisch die Genexpression aus- oder einschaltet.

Die Histidinkinase liegt auch in einer Hybridform vor, die als Hybrid-Histidinkinase bezeichnet wird und ebenfalls eine interne Empfängerdomäne enthält. Dann überträgt sie dieses Phosphat auf den Aspartatrest der internen Empfängerdomäne, woraufhin dieses Phosphat auf das Histidin-Phosphotransferprotein oder die Histidin-Phosphotransferase übertragen wird, die dieses Phosphat auf den terminalen Reaktionsregulator mit dem konservierten Aspartatrest übertragen. Dieses System wird als Phosphorelais-System bezeichnet.

4.7. Quorum sensing

Quorum sensing ist ein Mechanismus, durch den physiologische Prozesse (Motilität, Kompetenz, Konjugation, Symbiose, Virulenz, Sporulation und Antibiotikaproduktion) und kooperative Aktivitäten in Bakterien reguliert werden, da er die Genexpression kontrolliert. Durch diesen Mechanismus findet die Kommunikation zwischen den Bakterienzellen statt, indem ein sekretiertes Signalmolekül mit geringem Molekulargewicht, das in der Natur diffusionsfähig ist und als Autoinduktor bekannt ist, wahrgenommen und beantwortet wird, dessen Konzentration die Dichte der Bakterienzellen bestimmt, da beide direkt proportional korreliert sind. Dieser Mechanismus hilft den Bakterien bei der Ausübung verschiedener Funktionen, z. B. bei der Identifizierung der Populationsdichte der Bakterienzellen, bei der Bildung von Biofilmen, bei der Kolonisierung von Bakterien, beim Schutz vor Konkurrenten und bei der Anpassung an eine sich verändernde Umwelt. Vibrio fischeri, ein marines Biolumineszenzbakterium, ist das erste Bakterium, bei dem Quorum Sensing beschrieben wurde.

Quorum Sensing ist verantwortlich für die Einleitung einer koordinierten Aktivität, die die Genexpression steuert, was geschieht, wenn der die Genexpression steuernde Transkriptionsaktivator oder Sensor mit seinem jeweiligen Autoinduktor interagiert. Quorum Sensing wird als Reaktion auf die Dichte der Bakterienpopulation durchgeführt und ändert sich entsprechend der Fluktuation in der Bakterienpopulation, so ändert sich auch die koordinierte Aktivität, die die Genexpression steuert, weil sich in dieser Situation die Interaktion der Genexpression, die den Transkriptionsaktivator oder Sensor steuert, mit dem jeweiligen Autoinduktor ebenfalls ändert. Eine Änderung der Genexpression findet statt, wenn die Konzentration des Autoinduktors als minimale stimulierende Schwellenkonzentration erkannt wird. Der Quorum-Sensing-Mechanismus wird sowohl von gramnegativen als auch von grampositiven Bakterien genutzt.

In Bakterien gibt es drei Quorum-Sensing-Klassen, die im Folgenden aufgeführt sind:

Die erste Klasse wird durch das LuxI/LuxR-System gesteuert, das Acyl-Homoserin-Lacton (AHL) als Signalmolekül besitzt, und diese Art von Quorum-Sensing ist in gramnegativen Bakterien vorhanden. Das LuxI-ähnliche Protein namens ALH-Synthase ist für die Synthese von Acyl-Homoserin-Lacton (AHL) verantwortlich. AHL wird durch die Kopplung der Homocystein-Komponente von S-Adenosylmetionin (SAM) an ein spezifisches Acyl-Acyl-Trägerprotein (Acyl-ACP) gebildet, wobei sich die Homocystein-Komponente mit der Acyl-Seitenkette des Acyl-ACP verbindet und die Lactonisierung dieses Zwischenprodukts zur Bildung von Acyl-HSL zusammen mit der Freisetzung von Methylthioadenosin führt. Jede Bakterienart produziert ihr eigenes AHL, wenn ein bestimmtes Mitglied der Bakterienart auf ein spezifisches Signalmolekül reagiert und es erkennt. Nach der Synthese wird es diffundiert und von einem verwandten LuxR-Protein erkannt und gebunden, woraufhin LuxR aktiviert wird und der AHL-LuxR-Komplex an den Promotor des Zielgens bindet und die Transkription dieses Gens beginnt.

Dies ist das Diagramm des Quorum Sensing in Gram-negativen Bakterien, definieren Transkriptionsaktivierung erfordern die bestimmte Schwellenkonzentration, um die Transkription des Gens zu aktivieren, unter dieser Konzentration nicht jede Art von Transkription stattfindet.

Die zweite Klasse regelt das oligopeptidvermittelte Zweikomponentensystem, das ein kleines Peptid als Signalmolekül besitzt, und diese Art des Quorum Sensing ist bei Gram-positiven Bakterien vorhanden. In Gram-positiven Bakterien ist der Autoinducer nicht in der Lage, die Plasmamembran zu durchqueren, und der Sensor oder Rezeptor dieses Induktors, genannt Autoinducing Peptide (AIP – 5 bis 25 Aminosäuren), sind Transmembranproteine. Hier gibt es ein Zweikomponenten-Signaltransduktionssystem, das den Rezeptor von AIP, das Histidinkinaseprotein, zusammen mit einem zytoplasmatischen Reaktionsregulator enthält, der die Signaltransduktion durch die Regulierung der Genexpression über Peptidsignale vermittelt. AIP wird durch ABC-Transporter aus dem Zellinneren in die äußere Umgebung sezerniert.

Die dritte Klasse wird durch den luxS-kodierten Autoinducer 2 gesteuert, und diese Art von Quorum Sensing ist sowohl bei gramnegativen als auch bei grampositiven Bakterien vorhanden.

Nun lasst uns über das Beispiel von Vibrio fischeri sprechen, einem biolumineszenten Meeresbakterium. Vibrio fischeri lebt in symbiotischer Beziehung mit einer Reihe von Meerestieren als Wirt. Vibrio fischeri erzeugt Licht durch die Produktion des Enzyms Luciferase. Das Bakterium ist biolumineszent und erzeugt blaugrünes Licht, wenn das Bakterium als Reaktion auf AHLs Quorum Sensing in großer Konzentration vorhanden ist. Die Lichterzeugung findet in einem spezialisierten Organ statt, das in marinen Organismen als Lichtorgan bezeichnet wird, wenn sich die Bakterien in hoher Konzentration in diesem Lichtorgan ansiedeln, aber Vibrio fischeri erzeugt keine Lumineszenz, wenn es in freiem Zustand vorhanden ist, und diese Lumineszenz erscheint im Dunkeln.

Chemotaxis in Bakterien

Chemotaxis ist ein Phänomen, das die Bewegung von Bakterien als Reaktion auf chemische Reize in eine bestimmte Richtung erklärt. Die Chemotaxis spielt eine wichtige Rolle bei der Geißelbewegung der Bakterien, bei der Nahrungssuche und im Falle des Schutzes, z.B. bei der Wahrnehmung von Giften. Findet die Bewegung in Richtung einer höheren Konzentration einer Chemikalie statt, spricht man von positiver Chemotaxis, umgekehrt wird sie als negative Chemotaxis bezeichnet, wenn die Bewegung in die entgegengesetzte Richtung der höheren Konzentration der Chemikalie erfolgt. Chemotaxis-Auslöser in beweglichen Zellen sind Chemoattraktiva (Chemokine und Formylpeptide) und Chemorepellentien (Aminosäuren, anorganische Salze und einige Chemokine). Liegt ein Chemoattraktivum vor, so bewegt sich die Zelle in Vorwärtsrichtung, liegt ein Chemorepellent vor, so bewegt sich die Zelle in die entgegengesetzte Richtung oder weg von der Chemikalie. Beide Chemikalien führen ihre Signalwirkung durch Interaktion mit ihrem Rezeptor aus, der ein Transmembranprotein ist. Die Chemotaxis wird durch ein Zweikomponentensystem ausgeführt, das ein Histidinkinaseprotein als Transmembranrezeptor und einen zytoplasmatischen Reaktionsregulator enthält, der die Signaltransduktion durch Vermittlung der Regulierung der Genexpression als Reaktion auf eine bestimmte Chemikalie durchführt.

Die Rotation der Flagellen in E.coli durch Chemotaxis und Bewegung der Flagellen mit dem Schwimmverhalten der Bakterien korreliert, während gegen den Uhrzeigersinn Flagellar Rotation, Bakterien bewegen sich vorwärts Richtung, die auch als laufen mit diesem Bakterien schwimmen in gerader Linie, diese Art der Bewegung erreicht werden, weil gegen den Uhrzeigersinn Rotation verursacht Ausrichtung der Flagellen in einem einzigen rotierenden Bündel. Während der Rotation der Geißeln im Uhrzeigersinn wird die Vorwärtsbewegung der Bakterien gestoppt und die Bakterien taumeln an ihrem Platz. Diese Art der Bewegung findet statt, weil die Rotation im Uhrzeigersinn das Geißelbündel separat aufbricht, wobei jede Geißel in eine andere Richtung zeigt. Wenn kein chemisches Gefälle vorhanden ist, ist die Bewegung der Bakterien zufällig, in diesem Fall bewegen sich die Bakterien vorwärts/laufen. Es schwimmt also und kommt nach einiger Zeit zum Stillstand, wird also taumelnd. Wenn ein chemischer Gradient vorhanden ist, kommt es bei Vorhandensein eines chemoattraktiven Stoffes seltener zu einem Taumel und zu einem längeren Lauf oder bei Vorhandensein eines chemorepellenten Stoffes zu einem längeren Lauf in die entgegengesetzte Richtung und zu einem geringeren Taumel.

Die Bewegung der Flagellare erfolgt durch ein Zweikomponentensystem, wie oben erwähnt, wobei der Rezeptor als Methyl-akzeptierendes Chemotaxisprotein (MCP) bekannt ist und die Methylierung des Rezeptors durch eine Methyltransferase namens CheR erfolgt, CheW, ein Adaptorprotein, bindet an den Rezeptor auf der einen Seite und bindet an CheA auf der anderen Seite, wodurch CheA mit einem Sensorprotein verbunden wird. CheA ist eine Sensor-Histidin-Kinase, die einen konservierten Histidinrest besitzt. Wenn ein Chemorepellent eintrifft und an das MCP bindet, wird das MCP aktiviert, das wiederum das CheW aktiviert, das wiederum die CheA kaskadenartig aktiviert. Die aktivierte CheA bewirkt eine Autophosphorylierung ihres eigenen konservierten Histidinrests, woraufhin die CheA ihr Phosphat auf CheY überträgt, welches ein Reaktionsregulator ist und einen konservierten Aspartatrest besitzt, als Ergebnis findet eine Diffusion von ChsY statt und es interagiert mit dem Geißelschalterprotein FliM oder dem Geißelmotorprotein, dies führt zur Änderung der Geißelrotation von gegen den Uhrzeigersinn in den Uhrzeigersinn.

CheY ist für die Steuerung des Flagellenmotors verantwortlich. Wenn sich die Rotation einer einzelnen Geißel ändert, führt dies zu einer Unterbrechung des gesamten Geißelbündels, was zu einem Taumel führt. Der Phosphorylierungszustand von CheY hält für einige Sekunden an, und CheY wird durch CheZ dephosphoryliert, was für die Signalbeendigung verantwortlich ist und als Asp-spezifische Phosphatierung bekannt ist. Die Inaktivierung von CheY erfolgt durch CheZ. Die Bindung des Lockstoffs hat den gegenteiligen Effekt, er bewirkt die Inaktivierung des Rezeptors, wodurch die Phosphorylierung von CheA und CheY verringert wird, was zu einer gegenläufigen Rotation der Geißel führt, so dass die Bakterien in Vorwärtsrichtung laufen und schwimmen. Die Bakterien werden desensibilisiert, wenn eine höhere Ligandenkonzentration vorhanden ist, die über der üblichen höheren Konzentration liegt.

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