4.3. JAK-STAT-reitti
JAK-STAT-signalointi välittää viestin tai signaalin siirtoa solun ulkopuolelta ytimeen lukuisten sytokiinien, hormonien ja kasvutekijöiden välityksellä aiheuttaen muutoksia tiettyjen geenien transkriptiossa. Reitti koostuu sytokiinireseptoreista, entsyymisidonnaisten reseptorien alatyypistä, joka on riippuvainen sytoplasmakinaaseista signaalien siirtämiseksi soluun. Reseptorien solunsisäinen aktivoituminen ja multimerisaatio tapahtuu, kun ligandit, kuten interferoni ja interleukiinit, sitoutuvat reseptoriin. Tämän seurauksena reseptoriin liittyvä Jaks (sytoplasminen tyrosiinikinaasi) aktivoituu.
Nisäkkäillä tunnetaan neljä erilaista Jaks-tyyppiä – Jak1, Jak2, Jak3 ja Tyk – ja kukin niistä liittyy tiettyihin sytokiinireseptoreihin, jotka koostuvat kahdesta tai useammasta polypeptidiketjusta. Dimerisaatio (joissakin tapauksissa multimerisaatio) tuo kahden reseptoriyksikön assosioituneen Jakin (Janus-kinaasin) lähelle toisiaan ja auttaa molempia ristiinfosforyloimaan toisiaan, mikä lisää niiden tyrosiinikinaasidomeenien aktiivisuutta. Fosforyloitunut tyrosiini toimii telakoitumispaikkana STATeille ja muille signaalireiteille. STATit (Signal Transducer and Activator of Transcription) ovat latentteja transkriptiotekijöitä, jotka inaktiivisina rajoittuvat sytoplasmaan. STAT-tyyppejä on monia, ja jokaisella niistä on SH2-domeeni, jolla on ratkaiseva rooli signaalinsiirrossa. STATin SH2-domeeni sitoutuu aktivoidun sytokiinireseptorin fosfotyrosiinijäämään. Lisäksi Jak fosforyloi STATin tyrosiinijäämällä C-terminaalissa, mikä johtaa sen vapautumiseen reseptorista. Irronneen STATin SH2-domeeni helpottaa sen sitoutumista toisen STAT-proteiinin fosfotyrosiinijäämään, jolloin muodostuu joko homodimeeri tai heterodimeeri. STAT-dimeeri translokoituu tumaan, jossa se sitoutuu spesifisiin säätelysekvensseihin ja stimuloi niiden transkriptiota solun selviytymiseksi, lisääntymiseksi ja erilaistumiseksi.
Positiivisten vaikuttajien lisäksi on olemassa useita negatiivisia säätelijöitä, jotka usein sammuttavat vasteen. Jotkut niistä ovat seuraavat:
- Sytokiinisignaloinnin tukahduttajat (SOCs) : Aktivoitunut STAT käynnistää SOCs:n transkription ja lopulta SOCs-proteiini assosioituu fosforyloituneeseen Jaks:iin ja lopettaa tämän prosessin kautta reitin.
- Protein Inhibitors of Activated STAT (PIAS) : PIAS-proteiini sitoutuu STAT-dimeereihin ja estää STATin vuorovaikutuksen DNA-vaste-elementin kanssa, mikä estää kohdeproteiinien transkriptiota.
- PTP:t (Protein Tyrosine Phosphatases): PTP:t defosforyloivat efektorimolekyylejä tehden niistä inaktiivisia, jolloin ne säätelevät signalointia negatiivisesti.
4.4. TGF-β-reitti
Transformoiva kasvutekijä β on monitoiminen entsyymi, joka voi toimia joko hormonina, efektorimolekyylinä tai paikallisena välittäjänä säätelemässä monia soluvasteet. Signaalin välittämisen ligandina voivat olla itse TGFβ:t, luun morfogeneettiset proteiinit (BMP:t), anti-müllerinen hormoni (AMH), aktiviini ja nodaaliproteiini. Nämä proteiinit etenevät entsyymiin sidottujen reseptorien avulla, jotka sisältävät seriini/treoniinikinaasidomeenin kalvon sytoplasmapuolella. Nämä reseptorit koostuvat pääasiassa kahdesta luokasta, tyypistä I ja tyypistä II, jotka assosioituvat erityisellä tavalla, jota tarvitaan signalointiin. SARA (The SMAD Anchor for Receptor Activation) ja HGS (Hepatocyte Growth factor-regulated tyrosine kinase Substrate) ovat proteiineja, jotka edelleen välittävät TGF β -reittiä. Signaalireitti etenee seuraavasti:
- TGF- β-ligandi sitoutuu tyypin II homodimeeriin, joka aiheuttaa tyypin I reseptorin fosforylaation ja aktivoinnin. Näin muodostuu tetrameerinen kompleksi.
- Aktivaatiossa reseptorikompleksi sitoutuu ja fosforyloi säätelyproteiinia, Smad 1, Smad 2, Smad 3. Fosforyloitunut Smad dissosioituu reseptorista ja yhdistyy Smad 4:n kanssa.
- Smad-kompleksi dissosioituu ja kulkeutuu tumaan ja sitoutuu DNA:ssa olevaan spesifiseen paikkaan ja säätelee kohdegeenien ilmentymistä.
TGF β:n signalointi on osallisena erilaisissa soluprosesseissa, kuten solun kasvussa, solujen erilaistumisessa, proliferaatiossa ja apoptoosissa. Mekanismia säädellään takaisinkytkennällä useiden reittien, kuten klatriinivälitteisen endosytoosin, kautta, joka estää Smad-kompleksin muodostumisen ja siten sulkee TGF- β-reitin pois päältä.
4.5. Solunsisäiset hormonireseptorit
Steroidi- ja kilpirauhashormonireseptoriperheen reseptorit toimivat transkriptiotekijöinä, sillä hormonien sitoutumisen jälkeen ne aktivoivat geeniekspression. Steroidi- ja kilpirauhashormonireseptorien superperheen reseptori Niiden reseptori sijaitsee sytoplasmassa ja sitoo lipofiiliset hormoniligandinsa tässä lokerossa, koska nämä hormonit kykenevät vapaasti läpäisemään hydrofobisen plasmakalvon. Sitouduttuaan ligandiin hormoni-reseptorikompleksi siirtyy tumaan ja sitoutuu tiettyihin DNA-sekvensseihin, joita kutsutaan hormonivaste-elementeiksi (HRE). Kompleksin sitoutuminen HRE:hen johtaa siihen liittyvän geenin muuttuneeseen transkriptionopeuteen. Ihmisen genomin analyysi on paljastanut 48 ydinreseptorigeeniä.
Monet näistä geeneistä pystyvät tuottamaan useamman kuin yhden reseptorin isoformin. Ydinreseptorit sisältävät kaikki ligandia sitovan domeenin (LBD) ja DNA:ta sitovan domeenin (DBD). Steroidireseptori III sitoutuu DNA:han homodimeereinä esim. estrogeenireseptori (ER), mineralokortikoidireseptori (MR), progesteronireseptori (PR), androgeenireseptori (AR) ja glukokortikoidireseptori (GR). Steroidireseptori I sitoutuu DNA:han heterodimeereinä. Retinoidi-X-reseptorit (RXR), maksa-X-reseptorit (LXR), farnesoidi-X-reseptorit (FXR) ja peroksisomeja aktivoivat proliferaattorireseptorit (PPAR) ovat esimerkki reseptoreista, jotka sitoutuvat lipofiilisiin ligandeihin aivan kuten steroidihormonireseptori ja kilpirauhashormonireseptorit.
Steroidihormonit ovat kaikki peräisin kolesterolista. Lisäksi D-vitamiinia lukuun ottamatta ne kaikki sisältävät saman syklopentaanifenantreenirenkaan ja atominumerojärjestelmän kuin kolesteroli. Steroideja, joissa on 21 hiiliatomia, kutsutaan pregnaaneiksi, kun taas steroidit, joissa on 19 ja 18 hiiliatomia, tunnetaan androstaneiksi ja estraneiksi. Retinohappo ja D-vitamiini eivät ole peräisin pregnenolonista, vaan vastaavasti A-vitamiinista ja kolesterolista jäljellä olevat kaikki ovat steroidihormoneja, jotka ovat peräisin pregnenolonista.
Kaikki steroidihormonit vaikuttavat kulkemalla plasmakalvon läpi ja sitoutumalla solunsisäisiin reseptoreihin. Hormoni – reseptorikompleksi toimii transkriptiotekijänä. Kompleksi siirtyy ytimeen, sitoutuu sen DNA-jaksoihin, joita kutsutaan hormonivaste-elementeiksi, ja aktivoi geenejä.
4.6. Kaksikomponenttijärjestelmä :
Bakteereissa ja kasveissa signaalinsiirtoa välittää kaksikomponenttijärjestelmä (TCS), joka osallistuu solun ja solun väliseen viestintään ja solunulkoiseen signaaliin vastaamiseen. Bakteereissa kaksikomponenttijärjestelmät ovat yleisiä. TCS ei esiinny ihmisessä ja muissa nisäkkäissä, joten siitä tulee lääkekohde.
Kaksikomponenttinen järjestelmä sisältää anturin, joka on homodimeerinen transmembraaniproteiini nimeltä histidiinikinaasi, jolla on autofosforyloiva aktiivisuus yhdessä konservoidun histidiinijäännöksen kanssa, ja vastesäätäjä, joka sijaitsee histidiinikinaasin jälkeen ja joka sisältää konservoidun aspartaattijäämän. Histidiinikinaasilla (HK) on kaksi verkkotunnusta, yksi histidiinifosforinsiirtotunnus, jolla on spesifinen histidiini ja toinen ATP:tä sitova verkkotunnus. Vastesäätimellä (RR) oli myös kaksi domeenia, yksi konservoitu vastaanottodomeeni, joka sisältää konservoitua aspartaattia ja toinen efektidomeeni.
Kun ligandi tulee ja sitoutuu histidiinikinaasin N-terminaaliin, se puolestaan aiheuttaa histidiinikinaasin autofosforyloivan aktiivisuuden aktivoitumisen. Tämän seurauksena se aiheuttaa fosfaattijäämän siirtymisen ATP:stä C-terminaalissa sijaitsevassa kinaasidomeenissa olevaan konservoituneeseen histidiiniin. Tämä johtaa tämän fosfaatin siirtymiseen histidiinistä konservoituneeseen aspartaattiin, joka on läsnä vastesäätimen konservoituneessa vastaanottodomeenissa. Aspartaatin fosforylaatio johtaa RR:n konformaatiomuutokseen, joka puolestaan aiheuttaa RR:n efektidomeenin aktivoitumisen, minkä seurauksena syntyy signaali, joka välittää soluvasteen spesifisesti pois päältä tai päälle geeniekspressiota.
Histidiinikinaasi esiintyy myös hybridimuodossa, jota kutsutaan hybridi-histidiinikinaasiksi, joka histidiinikinaasi sisältää myös yhden sisäisen vastaanotin-domeenin, ja kun ligandi sitoutuu hybridi-histidiinikinaasiin, se fosforyloi itse itsensä itselleen histidiinistä samalla mekanismilla. Sitten tämä fosfaatti siirretään sisäisen vastaanottajadomeenin aspartaattijäämään, jonka jälkeen tämä fosfaatti siirretään histidiinifosfotransfer-proteiiniin tai histidiinifosfotransferaasiin, joka siirtää tämän fosfaatin terminaaliseen vastesäätimeen, joka sisältää konservoituneen aspartaattijäämän. Tätä järjestelmää kutsutaan nimellä fosforireleajärjestelmä.
4.7. Fosforirelejärjestelmä. Quorum sensing
Quorum sensing määritellään mekanismiksi, jonka avulla bakteereissa tapahtuu fysiologisten prosessien (motiliteetti, kompetenssi, konjugaatio, symbioosi, virulenssi, sporulaatio ja antibioottituotanto) ja yhteistoiminnan säätelyä, koska se kontrolloi geeniekspressiota. Tämän mekanismin kautta bakteerisolujen välinen viestintä tapahtuu aistimalla ja reagoimalla erittyneeseen pienimolekyyliseen signaalimolekyyliin, joka on luonteeltaan diffuusi ja joka tunnetaan nimellä autoinduktori, jonka pitoisuus määrittelee bakteerisolujen tiheyden, koska molemmilla oli suoraan verrannollinen korrelaatio. Tämä mekanismi auttaa bakteereja suorittamaan erilaisia toimintoja, kuten sallii bakteerisolujen tunnistaa populaatiotiheytensä, biokalvojen muodostamisessa, bakteerien kolonisaatiossa, suojautumisessa kilpailijoilta ja antaa kyvyn sopeutua muuttuvaan ympäristöön. Vibrio fischeri, meren bioluminesenssi, on ensimmäinen, johon quorum sensing kuvataan.
Quorum sensing vastaa koordinoidun toiminnan aloittamisesta, joka ohjaa geenin ilmentymistä, mikä tapahtuu, kun nämä geenin ilmentymistä ohjaavat transkriptioaktivaattorit tai anturit ovat vuorovaikutuksessa vastaavien autoinduktoreiden kanssa, koska tämä signalointi autoinduktori indusoi myös omaa geenin ilmentymistä. Quorum sensing toteutetaan vastauksena bakteeripopulaation tiheyteen, ja bakteeripopulaatiossa tapahtuu vaihtelua, ja bakteeripopulaatiossa tapahtuu muutosta, mikä puolestaan muuttaa myös geenin ilmentymistä säätelevää koordinoitua toimintaa, koska tässä tilanteessa transkriptionaalista aktivaattoria tai anturia säätelevien geenien ilmentymistä säätelevien geenien vuorovaikutus autoinduktorinsa kanssa muuttuu myös tilanteen mukaan. Geeniekspression muutos tapahtuu, kun autoinduktorin pitoisuus havaitaan vähimmäiskynnyksenä stimuloivalle pitoisuustasolle. Quorum sensing -mekanismia käyttävät sekä gramnegatiiviset että grampositiiviset bakteerit.
Bakteereissa esiintyy kolmea quorum sensing -luokkaa, jotka mainitaan seuraavassa:
Ensimmäistä luokkaa hallitsee LuxI/LuxR-järjestelmä, jolla on signaalimolekyylinä asyylihomoseriinilaktoni (AHL), ja tämäntyyppistä quorum sensing -mekanismia esiintyy gramnegatiivisissa bakteereissa. LuxI:n kaltainen proteiini nimeltä ALH-syntaasi vastaa asyyli-homoseriinilaktonin (AHL) synteesistä, AHL muodostuu kytkemällä S-adenosyylimetioniinin (SAM) homokysteiiniryhmä tiettyyn asyyliasyyli-kuljettajaproteiiniin (asyyli-ACP), tässä kytkennässä homokysteiiniryhmä liittyy asyyli-ACP:n asyylisivuketjuun ja tämän välituotteen laktonisoituminen johtaa asyyli-HSL:n muodostumiseen yhdessä metyylitioadenosiinin vapautumisen kanssa. Kukin bakteerilaji tuottaa ainutlaatuista AHL:ää, kun tietty bakteerilajin jäsen reagoi ja tunnistaa tietyn signaalimolekyylin. Synteesin jälkeen se leviää, tunnistetaan ja sidotaan LuxR-proteiiniin, jolloin LuxR aktivoituu ja AHL-LuxR-kompleksi sitoutuu kohdegeenin promoottoriin ja geenin transkriptio alkaa.
Tämä on Gram-negatiivisten bakteerien quorum sensing -kaavio, jossa määritellään transkriptionaalinen aktivaatio, joka vaatii tietyn kynnyspitoisuuden geenin transkription aktivoimiseksi, ja tämän pitoisuuden alapuolella transkriptiota ei tapahdu.
Toinen luokka hallitsee oligopeptidivälitteistä kaksikomponenttista järjestelmää, jolla on pieni peptidi signaalimolekyylinä, ja tämäntyyppinen quorum sensing esiintyy grampositiivisissa bakteereissa. Gram-positiivisissa bakteereissa autoinduktori ei pysty läpäisemään plasmakalvoa, ja tämän induktorin anturi tai reseptori, jota kutsutaan autoindusoivaksi peptidiksi (AIP – 5-25 aminohappoa), on transmembraaniproteiini, ja tässä tapauksessa on läsnä kaksikomponenttinen signaalinsiirtojärjestelmä, joka sisältää AIP:n reseptorin, jota kutsutaan histidiinikinaasiproteiiniksi, sekä sytoplasman vastesäätäjän, joka jatkaa signaalinsiirtoa välittämällä geenien ilmentymisen säätelyä peptidien signaloinnin kautta. AIP erittyy ulkoiseen ympäristöön solun sisältä ABC-transpotterin avulla.
Kolmatta luokkaa hallitsee luxS-koodattu autoinduktori 2, ja tämäntyyppinen quorum sensing on läsnä sekä gramnegatiivisissa että grampositiivisissa bakteereissa.
Keskustellaanpa nyt esimerkkinä Vibrio fischeri -bakteerista, joka on meressä elävä bioluminesenssi. Vibrio fischeri elää symbioottisessa suhteessa useiden merieläinten kanssa. Vibrio fischeri tuottaa valoa tuottamalla luciferaasientsyymiä. Näin ollen sitä kutsutaan bioluminesenssiksi, ja bakteerit tuottavat luminesenssia, joka on sinivihreää valoa, kun bakteereja on läsnä suurina pitoisuuksina vastauksena AHL:n kvorum sensingiin. Valontuotanto tapahtuu erikoistuneessa elimistössä, jota kutsutaan valoelimeksi, kun bakteereja asettuu suurina pitoisuuksina tähän valoelimeen, mutta Vibrio fischeri ei tuota luminesenssia, kun se on vapaassa tilassa, ja tämä luminesenssi näkyy pimeässä.
Kemotaksis bakteereissa
Kemotaksis on ilmiö, joka selittää bakteerien liikkumisen vasteena kemiallisiin ärsykkeisiin tiettyyn suuntaan. Kemotaksiksella on tärkeä rooli bakteerien lippulaivojen liikkeessä, ravinnon etsimisessä ja suojautumisessa, kuten myrkkyjen aistimisessa. Jos liike tapahtuu kohti korkeampaa kemikaalipitoisuutta, sitä kutsutaan positiiviseksi kemotaksiaksi, ja jos liike tapahtuu päinvastaiseen suuntaan korkeammasta kemikaalipitoisuudesta, sitä kutsutaan negatiiviseksi kemotaksiaksiaksi. Kemotaksista indusoijaa liikkuvassa solussa kutsutaan kemoattraktantiksi (kemokiinit ja formyylipeptidit) ja kemorepellentiksi (aminohappo, epäorgaaniset suolat ja jotkin kemokiinit), jos kemoattraktanttia esiintyy, solu liikkuu eteenpäin ja jos kemorepellentti on läsnä, solu liikkuu vastakkaiseen suuntaan tai poispäin kemikaalista. Molemmat kemikaalit välittävät signaalinsa vuorovaikutuksessa reseptorinsa kanssa, joka on transmembraaniproteiini. Kemotaksis toteutetaan kaksikomponenttisella järjestelmällä, joka sisältää histidiinikinaasiproteiinin transmembraanireseptorina sekä sytoplasmisen vastesäätimen, joka jatkaa signaalinsiirtoa välittämällä geeniekspression säätelyä vasteena tietylle kemikaalille.
Flagellar rotation in E.coli säätelee kemotaksia ja lippulaivojen liike korreloi bakteerien uintikäyttäytymisen kanssa, vastapäivään tapahtuvan lippulaivakierron aikana bakteerit liikkuvat eteenpäin, jota kutsutaan myös juoksuksi, ja tämän bakteerit uivat suorassa linjassa, tämäntyyppinen liike saavutetaan, koska vastapäivään tapahtuva kierto saa aikaan lippulaivojen suuntautumisen yhdeksi pyöriväksi nipuksi. Kellon ympäri tapahtuvan lippusolujen pyörimisen aikana bakteerien liike eteenpäin lakkaa ja bakteeri pyörii paikallaan. Tämäntyyppinen liike tapahtuu, koska myötäpäivään tapahtuva pyöriminen katkaisee lippukimput erikseen, jolloin kukin lippukimppu osoittaa erilliseen suuntaan. Jos kemiallista gradienttia ei ole, bakteerien liike on satunnaista, jolloin bakteerit liikkuvat eteenpäin/juoksevat. Näin ollen se ui ja jonkin ajan kuluttua pysähtyy, jolloin se kaatuu. Jos kemiallinen gradientti on olemassa, kemoattraktiivisen aineen läsnä ollessa pyöriminen on harvinaisempaa ja juoksu on pidempää tai kemorepellentin läsnä ollessa juoksu on pidempää vastakkaiseen suuntaan ja pyöriminen on vähäisempää.
Flagellaarinen liike tapahtuu kahden komponentin järjestelmällä, kuten edellä mainittiin, tässä reseptori tunnetaan nimellä metyyliä hyväksyvä kemotaksisproteiini (MCP) ja reseptorin metylointi tapahtuu metyylitransferaasilla, jonka nimi on CheR, CheW, joka on adaptaatioproteiini, joka sitoutuu reseptoriin toiselta puolelta ja CheA:han toiselta puolelta, ja joka näin ollen yhdistää CheA:n sensoriproteiiniin. CheA on sensorihistidiinikinaasi, jolla on konservatiivinen histidiinijäännös. Kun kemorepellentti tulee ja sitoutuu MCP:hen, se puolestaan aktivoi MCP:n, joka aktivoi CheW:n ja joka aktivoi CheA:n kaskadinomaisesti, aktivoitunut CheA aiheuttaa oman konservoivan histidiinijäännöksensä autofosforylaation ja sen jälkeen CheA siirtää sen fosfaatin CheY:lle, joka on vastesäätäjä ja jolla on konservoiva aspartaattijäännös, minkä seurauksena ChsY:n diffuusio tapahtuu ja se vuorovaikuttaa lippusolun kytkinproteiinin FliM:n tai lippusolun moottoriproteiinin kanssa, mikä johtaa lippusolun kiertymisen muuttumiseen vastapäivään suuntautuvasta myötäpäivään suuntautuvaksi.
CheY on vastuussa flagellin moottorin ohjauksesta. Kun yksittäisen flagellumin rotaation muutos tapahtuu, se aiheuttaa koko flagellanipun katkeamisen, mikä johtaa tumbleen. CheY:n fosforylaatiotila säilyy muutaman sekunnin ajan, ja CheZ defosforyloi CheY:n, mikä on vastuussa signaalin päättymisestä ja tunnetaan Asp-spesifisenä fosfatisaationa. CheY:n inaktivointi tapahtuu CheZ:n toimesta. Houkuttimen sitoutumisella on päinvastainen vaikutus, se aiheuttaa reseptorin inaktivoitumisen, jolloin CheA:n ja CheY:n fosforylaatio vähenee, minkä seurauksena lippulaivojen kierto tapahtuu vastapäivään, jolloin bakteeri kulkee ja ui eteenpäin. Bakteerit desensitoituvat, jos ligandin pitoisuus on suurempi kuin tavanomainen korkeampi pitoisuus.
NextPrevious