4.3. JAK-STAT jelátviteli útvonal
A JAK-STAT jelátvitel számos citokin, hormon és növekedési faktor révén közvetíti az üzenet vagy jel átvitelét a sejten kívülről a sejtmagba, ami specifikus gének transzkripciójának megváltozását okozza. Az útvonal citokinreceptorokból áll, az enzimhez kötött receptorok egy altípusából, amely citoplazmatikus kinázoktól függ a jelek sejtbe történő továbbításában. A receptorok intracelluláris aktivációja és multimerizációja akkor következik be, amikor a ligand, például az interferonok, interleukinok kötődnek a receptorhoz. Ennek eredményeként a receptorhoz kapcsolódó Jaks (citoplazmatikus tirozinkináz) aktiválódik.
Az emlősökben a Jaks négy típusa ismert – Jak1, Jak2, Jak3 és Tyk -, és mindegyikük specifikus, két vagy több polipeptidláncot alkotó citokinreceptorokhoz kapcsolódik. A dimerizáció (egyes esetekben a multimerizáció) a két receptor egységhez kapcsolódó Jak (Janus kináz) szoros közelségbe hozza a két receptor egységet, segítve mindkettőjüket egymás kereszt-foszforilálásában, ezáltal növelve tirozin-kináz doménjeik aktivitását. A foszforilált tirozin dokkolóhelyként működik a STAT-ok és más jelátviteli útvonalak számára. A STAT-ok (Signal Transducer and Activator of Transcription) látens transzkripciós faktorok, amelyek inaktív állapotban a citoplazmába korlátozódnak. A STAT-oknak számos típusa létezik, amelyek mindegyike rendelkezik SH2 doménnel, amely döntő szerepet játszik a jelátvitelben. A STAT SH2 doménje az aktivált citokinreceptor foszfotyrozin-maradványához kötődik. Továbbá a Jak foszforilálja a STAT-ot a C-terminálison lévő tirozin-maradékon, ami a receptorból való felszabadulásához vezet. A levált STAT SH2 doménje megkönnyíti a kötődését a második STAT fehérje foszfotyrozin-maradékával, ami homodimer vagy heterodimer kialakulását eredményezi. A STAT dimer transzlokálódik a sejtmagba, ahol a specifikus szabályozó szekvenciákhoz kötődik és serkenti azok transzkripcióját a sejt túlélése, proliferációja és differenciálódása érdekében.
A pozitív effektorok mellett számos negatív szabályozó is létezik, amelyek gyakran kikapcsolják a választ. Ezek közül néhány a következő:
- A citokin jelátvitel szuppresszorai (SOCs) : Az aktivált STAT elindítja a SOCs transzkripcióját, és végül a SOCs fehérje társul a foszforilált Jaks-szal, és ezzel a folyamattal befejezi az útvonalat.
- Protein Inhibitors of Activated STAT (PIAS) : A PIAS fehérje kötődik a STAT dimerekhez és gátolja a STAT kölcsönhatását a DNS válaszelemmel, ezáltal gátolja a célfehérjék transzkripcióját.
- PTPs (Protein Tyrosine Phosphatases): A PTP-k defoszforilálják az effektor molekulákat, inaktívvá téve őket, így negatívan szabályozva a jelátvitelt.
4.4. A PTP-k a jelátvitelt negatívan szabályozzák. TGF-β útvonal
A transzformáló növekedési faktor β egy multifunkcionális enzim, amely akár hormonként, akár effektor molekulaként, akár helyi mediátorként számos sejtválasz szabályozására képes. A jelátvitel ligandjai lehetnek maguk a TGFβ-k, a csontmorfogenetikai fehérjék (BMP-k), az anti-müllerian hormon (AMH), az aktivin és a nodális fehérje. Ezek a fehérjék a membrán citoplazmatikus oldalán szerin/treonin kináz domént tartalmazó, enzimhez kötött receptorok segítségével haladnak. Ezek a receptorok főként két osztályba tartoznak – I. és II. típusúak -, amelyek a jelátvitelhez szükséges specifikus módon társulnak. A SARA (The SMAD Anchor for Receptor Activation) és a HGS (Hepatocyte Growth factor-regulated tyrosine kinase Substrate) a TGF β útvonalat tovább közvetítő fehérje. A jelátviteli útvonal a következőképpen zajlik:
- TGF- β ligand kötődik a II-es típusú homodimerhez, ami foszforilálja és aktiválja az I-es típusú receptort. Így tetramer komplexet képez.
- Az aktiváláskor a receptor komplex kötődik és foszforilálja a szabályozó fehérjéket, a Smad 1-et, Smad 2-et, Smad 3-at. A foszforilált Smad disszociál a receptorról és egyesül a Smad 4-gyel.
- A Smad komplex disszociál, belép a sejtmagba és a DNS-ben lévő specifikus helyhez kötődik és szabályozza a célgének expresszióját.
A TGF β jelátvitel számos sejtes folyamatban részt vesz, beleértve a sejtnövekedést, sejtdifferenciálódást, proliferációt és apoptózist. A mechanizmust a visszacsatolásos gátlás szabályozza több útvonalon keresztül, mint például a klatrin közvetítette endocitózis, a Smad-komplex kialakulásának blokkolása, ezáltal a TGF- β útvonal kikapcsolása.
4.5. A TGF- β jelátviteli útvonalon keresztül történő visszacsatolásos gátlás. Intracelluláris hormonreceptorok
A szteroid és pajzsmirigyhormon receptorok családja transzkripciós faktorokként működik, mivel a hormonok megkötése után aktiválják a génexpressziót. A szteroid-pajzsmirigyhormon receptor szupercsalád A receptoruk a citoplazmában található és ebben a kompartmentben kötik meg lipofil hormonligandjaikat, mivel ezek a hormonok képesek szabadon áthatolni a hidrofób plazmamembránon. A ligandum megkötése után a hormon-receptor komplex transzlokálódik a sejtmagba és kötődik a hormonválasz elemeknek (HRE) nevezett specifikus DNS-szekvenciákhoz. A komplex HRE-hez való kötődése a kapcsolódó gén megváltozott transzkripciós sebességét eredményezi. Az emberi genom elemzése 48 nukleáris receptorgént tárt fel.
Ezek közül a gének közül sok képes egynél több receptor izoformát létrehozni. A nukleáris receptorok mind tartalmaznak egy ligandkötő domént (LBD) és egy DNS-kötő domént (DBD). A szteroid receptor III homodimerként kötődik a DNS-hez pl. az ösztrogén receptor (ER), a mineralokortikoid receptor (MR), a progeszteron receptor (PR), az androgén receptor (AR) és a glükokortikoid receptor (GR). A szteroid receptor I heterodimerként kötődik a DNS-hez. A retinoid X receptorok (RXRs), a máj X receptorok (LXRs), a farnesoid X receptorok (FXRs) és a peroxiszóma proliferátor aktivált receptorok (PPAR) a példa a receptorokra, amelyek lipofil ligandumokhoz kötődnek, akárcsak a szteroid hormon receptor és a pajzsmirigyhormon receptorok.
A szteroid hormonok mind koleszterinből származnak. Sőt, a D-vitamin kivételével mindannyian ugyanazt a ciklopentanofenantrén gyűrűt és atomi számrendszert tartalmazzák, mint a koleszterin. A 21 szénatomot tartalmazó szteroidokat pregnánoknak, míg a 19 és 18 szénatomot tartalmazóakat androsztánoknak, illetve ösztrannak nevezik. A retinsav és a D-vitamin nem a pregnenolonból, hanem az A-vitaminból, illetve a koleszterinből származik, a fennmaradó összes szteroidhormon a pregneolonból származik.
A szteroidhormonok mindegyike a plazmamembránon áthaladva és intracelluláris receptorokhoz kötődve fejti ki hatását. A hormon – receptor komplex transzkripciós faktorként működik. A komplex a sejtmagba vándorol, kötődik a DNS szekvenciáihoz, amelyeket hormonválasz elemeknek nevezünk, és aktiválja a géneket.
4.6. Hormonválasz elemek. Kétkomponensű rendszer :
Baktériumokban és növényekben a jelátvitelt kétkomponensű rendszer (TCS) közvetíti, amely részt vesz a sejt-sejt kommunikációban és az extracelluláris jelek megválaszolásában. A baktériumokban a kétkomponensű rendszerek mindenütt jelen vannak. A TCS nincs jelen az emberben és más emlősökben, így a gyógyszer célpontjává válik.
A kétkomponensű rendszer tartalmaz egy szenzort, amely egy homodimer transzmembrán fehérje, az úgynevezett hisztidin-kináz, amely autofoszforiláló aktivitással rendelkezik egy konzervált hisztidin-maradékkal együtt, és a hisztidin-kináz után található válaszregulátor, amely egy konzervált aszpartát-maradékot tartalmaz. A hisztidin-kináz (HK) két doménnel rendelkezik, egy hisztidin-foszfo-transzferdoménnel, amely specifikus hisztidinnel és egy második ATP-kötő doménnel rendelkezik. A válaszregulátor (RR) szintén két doménnel rendelkezik, egy konzervált vevő doménnel, amely konzervált aszpartátot és egy második effektor domént tartalmaz.
Amikor egy ligandum érkezik és kötődik a hisztidin-kináz N-terminálisához, az viszont a hisztidin-kináz autofoszforiláló aktivitásának aktiválódását okozza. Ennek eredményeképpen egy foszfátmaradék átvitelét okozza az ATP-ből a C-terminálison lévő kinázdoménben jelen lévő konzervált hisztidinre. Ez a foszfátnak a hisztidinről a válaszszabályozó konzervált vevő doménjében lévő konzervált aszpartátra történő átviteléhez vezet. Az aszpartát foszforilációja az RR konformációs változását eredményezi, ami viszont az RR effektor doménjének aktiválódását okozza, aminek eredményeként jel keletkezik a sejtválasz közvetítésére, amely specifikusan kikapcsolja vagy bekapcsolja a génexpressziót.
A hisztidin kináz hibrid formában is jelen van, amelyet hibrid hisztidin kináznak neveznek, amely hisztidin kináz tartalmaz egy belső vevő domént is, mivel a ligandum a hibrid hisztidin kinázhoz kötődik, az ugyanezen mechanizmus révén autofoszforilálja magát a hisztidint. Ezután ezt a foszfátot átviszi a belső vevő domén aszpartát maradékára, majd ez a foszfát átkerül a hisztidin foszfotranszfer fehérjéhez vagy hisztidin foszfotranszferázhoz, amely ezt a foszfátot a konzervált aszpartát maradékot tartalmazó terminális válaszregulátorhoz viszi. Ezt a rendszert foszforelay-rendszernek nevezik.
4.7. Quorum érzékelés
A quorum érzékelést olyan mechanizmusként definiáljuk, amelyen keresztül a baktériumokban fiziológiai folyamatok (motilitás, kompetencia, konjugáció, szimbiózis, virulencia, sporuláció és antibiotikum termelés) és kooperatív tevékenység szabályozása zajlik, mivel a génexpressziót szabályozza. E mechanizmus révén a baktériumsejtek közötti kommunikáció egy szekretált kis molekulatömegű, kis molekulatömegű, természetben diffundáló, autoinduktornak nevezett jelzőmolekula érzékelésével és válaszadásával történik, amelynek koncentrációja meghatározza a baktériumsejtek sűrűségét, mivel a kettő között egyenesen arányos összefüggés áll fenn. Ez a mechanizmus segít a baktériumoknak különböző funkciókat ellátni, például lehetővé teszi a baktériumsejtek számára, hogy azonosítsák populációjuk sűrűségét, a biofilmek kialakításában, a baktériumok kolonizációjában, a versenytársak elleni védelem során, és biztosítja a változó környezethez való alkalmazkodás képességét. A Vibrio fischeri, egy tengeri biolumineszcens, az első, amelybe a kvórumérzékelést leírják.
A kvórumérzékelés felelős a génexpressziót szabályozó összehangolt tevékenység elindításáért, ami akkor történik, amikor a transzkripciós aktivátor vagy szenzor transzkripciós expressziót szabályozó gének kölcsönhatásba lépnek a megfelelő autoinduktorral, ennek a jelzésnek köszönhetően az autoinduktor a saját génexpresszióját is indukálja. A kvórumérzékelés a bakteriális populáció sűrűségének függvényében történik, és a bakteriális populációban bekövetkező ingadozásnak megfelelően változik, viszont a gén kifejeződését szabályozó koordinált aktivitás is megváltozik, mivel ebben a helyzetben a transzkripciós aktivátor vagy szenzor és az autoinduktor közötti kölcsönhatás szintén változik a helyzet függvényében. A génexpresszió megváltozása akkor következik be, amikor az autoinduktor koncentrációja minimális küszöbszintű stimuláló koncentrációként érzékelhető. A kvórumérzékelési mechanizmust mind a gram-negatív, mind a gram-pozitív baktériumok használják.
A baktériumokban három kvórumérzékelési osztály van jelen, amelyeket az alábbiakban említünk:
Az első osztályt a LuxI/LuxR rendszer irányítja, amely jelzőmolekulaként acil-homoszerin-laktont (AHL) használ, és ez a fajta kvórumérzékelés a Gram-negatív baktériumokban van jelen. A LuxI-szerű fehérje, az ALH-szintáz felelős az acil-homoszerin-lakton (AHL) szintéziséért, az AHL az S-adenozilmetionin (SAM) homocisztein-részének egy specifikus acil-acil-hordozó fehérjéhez (acil-ACP) való kapcsolódásával jön létre, ebben a kapcsolódásban a homocisztein-rész az acil-ACP acil-oldalláncával egyesül, és ennek a köztes terméknek a laktonizációja acil-HSL képződését eredményezi a metil-tioadenozin felszabadulásával együtt. Egyedi AHL-t minden baktériumfaj termel, mivel egy adott baktériumfaj tagja reagál és felismer egy adott jelzőmolekulát. A szintézis után diffundál, felismeri és megköti egy rokon LuxR fehérje, a LuxR aktiválódik, majd az AHL-LuxR komplex a célgén promóteréhez kötődik, és megkezdődik a gén transzkripciója.
Ez a Gram-negatív baktériumok kvórumérzékelésének diagramja, a transzkripciós aktiválás meghatározásához egy adott küszöbkoncentrációra van szükség a gén átírásának aktiválásához, e koncentráció alatt nem történik semmiféle átírás.
A második osztály az oligopeptid közvetítésű két komponensű rendszert szabályozza, amely kis peptiddel rendelkezik, mint jelzőmolekulával, és ez a fajta quorum érzékelés jelen van a Gram-pozitív baktériumokban. A Gram-pozitív baktériumokban az autoinduktor nem képes áthatolni a plazmamembránon, és az autoindukáló peptid (AIP – 5-25 aminosav) nevű induktor szenzora vagy receptora transzmembrán fehérje, itt kétkomponensű jelátviteli rendszer van jelen, amely tartalmazza az AIP receptorát, az úgynevezett hisztidin-kináz fehérjét, valamint egy citoplazmatikus válaszregulátort, amely a jelátvitelt a génexpresszió szabályozását peptidszignálokon keresztül közvetíti. Az AIP a sejt belsejéből az ABC transzpoter segítségével szekretálódik a külső környezetbe.
A harmadik osztályt a luxS kódolt autoinduktor 2 szabályozza, és ez a fajta kvórumérzékelés mind a Gram-negatív, mind a Gram-pozitív baktériumokban jelen van.
Most beszéljünk a Vibrio fischeri, egy tengeri biolumineszcens baktérium példájáról. A Vibrio fischeri számos tengeri állati gazdával él szimbiózisban. A Vibrio fischeri fényt termel a luciferáz enzim termelésével. Így nevezik biolumineszcensnek, és a baktériumok lumineszcenciát termelnek, amely kék-zöld fény, amikor a baktériumok nagy koncentrációban vannak jelen, válaszul az AHL-kvórumérzékelésre. A fénytermelés a tengeri szervezetben jelen lévő speciális szervben, az úgynevezett fényszervben történik, amikor a baktériumok nagy koncentrációban megtelepednek ebben a fényszervben, de a Vibrio fischeri nem termel lumineszcenciát, amikor szabad állapotban van jelen, és ez a lumineszcencia sötétben jelenik meg.
Kémotaxis a baktériumokban
A kemotaxis olyan jelenség, amely magyarázza a baktériumok mozgását kémiai ingerre adott irányban. A kemotaxis fontos szerepet játszik a baktériumok flagellák mozgásában, a táplálék keresésében és védelem esetén, mint például a mérgek megérzése. Ha a mozgás a magasabb kémiai koncentráció felé történik, akkor pozitív kemotaxisnak nevezzük, és fordítva, ha a mozgás a magasabb kémiai koncentrációval ellentétes irányba történik, akkor negatív kemotaxisnak nevezzük. A kemotaxist kiváltó induktorok a mozgékony sejtekben kemoattraktánsok (kemokinek és formil peptidek) és kemorepellensek (aminosav, szervetlen sók és néhány kemokin), ha kemoattraktáns van jelen, a sejt előrefelé mozog, ha pedig kemorepellens van jelen, akkor a sejt az ellenkező irányba mozog, vagy távolodik a vegyszertől. Mindkét vegyi anyag a jelátvitelt a receptorával kölcsönhatásba lépve végzi, amely egy transzmembrán fehérje. A kemotaxist kétkomponensű rendszer hajtja végre, amely tartalmaz egy hisztidin-kináz fehérjét, mint transzmembrán receptort, valamint egy citoplazmatikus válaszregulátort, amely a jelátvitelt a génexpresszió szabályozásának közvetítésével folytatja az adott vegyszerre adott válaszként.
Flagellar rotáció az E.coli által szabályozott kemotaxis és a flagellák mozgása korrelál a baktériumok úszási viselkedésével, az óramutató járásával ellentétes irányú flagelláris forgás során a baktériumok előrefelé mozognak, amit futásnak is neveznek, ezzel együtt a baktériumok egyenes vonalban úsznak, ez a fajta mozgás azért érhető el, mert az óramutató járásával ellentétes forgás a flagellák egyetlen forgó köteggé történő összehangolását okozza. Az óramutató járásával megegyező irányú flagelláris forgás során a baktériumok előrefelé irányuló mozgása megszűnik, ezzel együtt a baktérium a helyén bukdácsol. Ez a fajta mozgás azért történik, mert az óramutató járásával megegyező irányú forgás külön-külön megszakítja a flagellák kötegét, itt minden flagellum külön irányba mutat. Ha nincs kémiai gradiens, a baktériumok mozgása véletlenszerű, ebben az esetben a baktériumok előrefelé mozognak/futnak. Így úszik és egy idő után megáll, tehát bukfencezik. Ha kémiai gradiens van jelen, kemoattraktáns jelenléte esetén a tumuláció ritkább és hosszabb futás történik, vagy kemorepellens jelenléte esetén hosszabb futás történik az ellenkező irányba, kevesebb tumulációval együtt.
A flagelláris mozgást a fent említett két komponensű rendszer végzi, itt a receptor a metil-elfogadó kemotaxis fehérje (MCP) és a receptor metilálása a CheR nevű metil-transzferáz által történik, a CheW egy adaptor fehérje az egyik oldalon kötődik a receptorhoz, a másik oldalon pedig a CheA-hoz, így a CheA-t egy szenzorfehérjéhez kapcsolja. A CheA egy érzékelő hisztidin-kináz, amely egy konzerváló hisztidin-maradékkal rendelkezik. Amikor egy kemorepellens jön és kötődik az MCP-hez, az viszont aktiválja az MCP-t, amely aktiválja a CheW-t, és amely kaszkádszerűen aktiválja a CheA-t, az aktivált CheA a saját konzerváló hisztidin-maradékának autofoszforilációját okozza, és ezt követően a CheA átadja a foszfátot a CheY-nak, amely egy válaszreagáló szabályozó, és rendelkezik egy konzerváló aszpartát-maradékkal, ennek eredményeként a ChsY diffúziója megtörténik, és kölcsönhatásba lép a flagelláris kapcsolófehérje FliM vagy flagelláris motorfehérjével, ez a flagellum forgásának az óramutató járásával ellentétes irányúról az óramutató járásával megegyező irányúra történő megváltozásához vezet.
A ChsY felelős a flagellermotor szabályozásáért. Ahogy az egyes flagellák forgásának megváltozása bekövetkezik, az a teljes flagellaköteg megszakadását okozza, ami bukfencet eredményez. A CheY foszforilációs állapota néhány másodpercig fennmarad, és a CheY-t a CheZ defoszforilálja, ami a jel megszüntetéséért felelős, és Asp-specifikus foszfatizálásként ismert. A CheY inaktiválása a CheZ által történik. A vonzóanyag megkötése ellentétes hatást fejt ki, a receptor inaktiválását okozza, a CheA és a CheY foszforilációja pedig csökken, aminek következtében a flagellák óramutató járásával ellentétes irányú forgása következik be, így a baktérium előrefelé halad és úszik. A baktériumok deszenzibilizálódnak, ha a ligandum nagyobb koncentrációban van jelen, és ez több, mint a szokásos magasabb koncentráció.
NextPrevious