IP3-DAG PATHWAY VAN RECEPTOR TYROSINE KINASE IN CELSIGNALERING

4.3. De JAK-STAT-route

De JAK-STAT-signalering bemiddelt de overdracht van een boodschap of signaal van de buitenkant van de cel naar de celkern via een groot aantal cytokinen, hormonen en groeifactoren die een verandering in de transcriptie van specifieke genen teweegbrengen. De route bestaat uit cytokinereceptoren, een subtype van met enzymen verbonden receptoren die afhankelijk zijn van cytoplasmakinases om signalen in de cel over te brengen. Intracellulaire activering en multimerisatie van de receptoren vindt plaats wanneer liganden zoals interferon en interleukines zich aan de receptor binden. Als gevolg daarvan wordt Jaks (een cytoplasmatisch tyrosinekinase), dat met de receptor is geassocieerd, geactiveerd.

Bij zoogdieren zijn vier typen Jaks bekend – Jak1, Jak2, Jak3, en Tyk – en elk is geassocieerd met specifieke cytokinereceptoren die twee of meer polypeptideketens vormen. De dimerisatie (in sommige gevallen multimerisatie) brengt de geassocieerde Jak (Janus kinase) van twee receptoreenheden in elkaars nabijheid en helpt hen beiden om elkaar te kruisen-fosforyleren, waardoor de activiteit van hun tyrosinekinasedomeinen toeneemt. Gefosforyleerd tyrosine fungeert als een “docking site” voor STAT’s en andere signaalwegen. STAT’s (Signal Transducer and Activator of Transcription) zijn latente transcriptiefactoren die zich in inactieve toestand tot het cytoplasma beperken. Er zijn vele typen STAT’s, elk met een SH2-domein dat een cruciale rol speelt bij de signaaltransductie. Het SH2-domein van de STAT bindt zich met het fosfotyrosineresidu van de geactiveerde cytokinereceptor. Vervolgens fosforyleert de Jak de STAT op het tyrosineresidu aan de C-terminus, wat leidt tot zijn loslating van de receptor. Het SH2-domein van de losgemaakte STAT vergemakkelijkt zijn binding met een fosfotyrosineresidu van het tweede STAT-eiwit, wat leidt tot de vorming van een homodimeer of een heterodimeer. Het STAT-dimeer transloceert naar de kern, waar het zich bindt aan de specifieke regulerende sequenties en hun transcriptie stimuleert voor de overleving, proliferatie en differentiatie van de cel.

Naast positieve effectoren zijn er verschillende negatieve regulatoren die vaak de respons uitschakelen. Sommige daarvan zijn de volgende:

• Suppressors of Cytokine signaling (SOCs) : De geactiveerde STAT initieert de transcriptie van SOCs en uiteindelijk associeert het SOCs-eiwit zich met het gefosforyleerde Jaks en door dit proces wordt de pathway beëindigd.
• Protein Inhibitors of Activated STAT (PIAS) : Het PIAS-eiwit bindt zich aan STAT-dimeren en remt de interactie van STAT met het DNA-respons-element, waardoor de transcriptie van doeleiwitten wordt geremd.
• PTP’s (Protein Tyrosine Phosphatases): PTP’s defosforyleren het effectormolecuul, waardoor ze inactief worden, waardoor de signalering negatief wordt gereguleerd.

4.4. TGF-β Pathway

De transformerende groeifactor β is een multifunctioneel enzym dat kan fungeren als hormoon, effectormolecuul, of lokale mediatoren om vele cellulaire reacties te reguleren. De ligand voor de signalering kunnen TGFβ’s zelf zijn, Botmorfogenetische proteïnen (BMP’s), Anti-müllerian hormone (AMH), Activin en nodale proteïnen. Deze eiwitten werken met de hulp van aan enzymen gekoppelde receptoren die een serine/threonine kinase domein aan de cytoplasmatische zijde van het membraan bevatten. Deze receptoren bestaan hoofdzakelijk uit twee klassen – type I en type II – die op een specifieke manier geassocieerd worden, hetgeen nodig is voor de signalering. SARA (The SMAD Anchor for Receptor Activation) en HGS (Hepatocyte Growth factor-regulated tyrosine kinase Substrate) zijn de eiwitten die verder de TGF β-route mediëren. De signaleringsroute verloopt als volgt:

1. TGF- β-ligand bindt aan het homodimeer van type II, waardoor de receptor van type I wordt gefosforyleerd en geactiveerd. Aldus wordt een tetramerisch complex gevormd.
2. Bij activering bindt het receptorcomplex en fosforyleert het regulerende eiwit, Smad 1, Smad 2, Smad 3. Gefosforyleerd Smad dissocieert van de receptor en combineert met Smad 4.
3. Het Smad complex dissocieert en gaat de celkern binnen en bindt zich aan de specifieke plaats in het DNA en reguleert de expressie van doelgenen.

De TGF β signalering is betrokken bij diverse cellulaire processen waaronder celgroei, celdifferentiatie, proliferatie en apoptose. Het mechanisme wordt gereguleerd door feedbackinhibitie via verschillende wegen zoals clathrin gemedieerde endocytose, blokkering van de vorming van Smad-complex, waardoor de TGF β-route wordt uitgeschakeld.

4.5. Intracellulaire hormoonreceptoren

Steroïd- en schildklierhormoonreceptoren werken als transcriptiefactoren, omdat zij na binding van de hormonen de genexpressie activeren. De steroïd-thyroïdhormoon-receptor superfamilie Hun receptoren bevinden zich in het cytoplasma en binden hun lipofiele hormoon-liganden in dit compartiment, aangezien deze hormonen in staat zijn vrij door het hydrofobe plasmamembraan te dringen. Na binding van het ligand verplaatst het hormoon-receptorcomplex zich naar de kern en bindt zich aan specifieke DNA-sequenties die hormoon-responselementen (HRE’s) worden genoemd. De binding van het complex aan een HRE resulteert in een veranderde transcriptiesnelheid van het bijbehorende gen. Analyse van het menselijk genoom heeft 48 nucleaire receptor-genen aan het licht gebracht.

Veel van deze genen kunnen meer dan één receptor-isovorm voortbrengen. De kernreceptoren bevatten alle een ligand-bindend domein (LBD) en een DNA-bindend domein (DBD). Steroïdreceptor III bindt zich aan DNA als homodimeren bv. oestrogeenreceptor (ER), mineralocorticoïdreceptor (MR), progesteronreceptor (PR), androgeenreceptor (AR), en de glucocorticoïdreceptor (GR). Steroïdreceptor I bindt zich als heterodimeren aan DNA. De retinoïde X-receptoren (RXR’s), de lever X-receptoren (LXR’s), de farnesoïde X-receptoren (FXR’s) en de peroxisome proliferator-activated receptoren (PPAR’s) zijn voorbeelden van receptoren die zich binden met lipofiele liganden, net als steroïde hormoonreceptoren en schildklierhormoonreceptoren.

De steroïde hormonen zijn alle afgeleid van cholesterol. Bovendien bevatten ze, met uitzondering van vitamine D, allemaal dezelfde cyclopentanofenantreenring en hetzelfde atoomnummeringssysteem als cholesterol. Steroïden met 21 koolstofatomen staan bekend als pregnanen, terwijl die met 19 en 18 koolstofatomen bekend staan als respectievelijk androstanes en estranen. Retinoïnezuur en vitamine D zijn niet afgeleid van pregnenolon, maar van respectievelijk vitamine A en cholesterol, terwijl alle overige steroïdhormonen zijn afgeleid van pregneolon.

Alle steroïdhormonen oefenen hun werking uit door het plasmamembraan te passeren en zich te binden aan intracellulaire receptoren. Het hormoon – receptor complex werkt als transcriptie factor. Het complex beweegt zich naar de kern en bindt zich aan de DNA-sequenties die bekend staan als hormoonresponselementen en activeert de genen.

4.6. Tweecomponentensysteem:

In bacteriën en planten wordt signaaltransductie bemiddeld door het tweecomponentensysteem (TCS), dat betrokken is bij de cel-celcommunicatie en bij het reageren op extracellulaire signalen. In bacteriën is het tweecomponentensysteem alomtegenwoordig. TCS is niet aanwezig in de mens en andere zoogdieren dus worden doelwit voor drug.

Twee componenten systeem bevat een sensor, dat is een homodimeer transmembraan eiwit genaamd Histidine kinase geplaatst, die autofosforylerende activiteit samen met een geconserveerd histidine residu en een respons regulator gelegen na histidine kinase, die een geconserveerde aspartaat residu bevat. Histidinekinase (HK) heeft twee domeinen, een histidinefosfosfo-transferdomein, dat een specifiek histidine bezit en een tweede ATP-bindend domein. Response regulator (RR) heeft ook twee domeinen, één geconserveerd receptordomein, dat geconserveerd aspartaat omvat en tweede effectordomein.

Wanneer een ligand komt en bindt aan de N-terminal van histidine kinase, veroorzaakt dit op zijn beurt de activering van histidine kinase autofosforylerende activiteit. Dit leidt tot de overdracht van een fosfaatresidu van ATP naar het geconserveerde histidine dat aanwezig is in het kinasedomein op de C-terminal. Dit leidt tot de overdracht van dit fosfaat van het histidine naar het geconserveerde aspartaat dat aanwezig is in het geconserveerde receptordomein van de responsregulator. Fosforylering van aspartaat resulteert in conformationele verandering in RR, op zijn beurt veroorzaakt de activering van effector domein van RR, als gevolg signaal gegenereerd te bemiddelen cellulaire respons specifiek uit of op genexpressie.

Histidine kinase ook aanwezig in hybride vorm genoemd hybride histidine kinase, die histidine kinase bevat ook een interne ontvanger domein, als ligand binden aan de hybride histidine kinase, het autofosforyleert zelf van histidine door hetzelfde mechanisme. Vervolgens wordt dit fosfaat overgedragen aan het aspartaatresidu van het interne receptordomein, waarna dit fosfaat wordt overgedragen aan het histidinefosfotransfereiwit of histidinefosfotransferase, dat dit fosfaat overdraagt aan de terminale reactieregelaar die een geconserveerd aspartaatresidu bevat. Dit systeem wordt fosforelay-systeem genoemd.

4.7. Quorum sensing

Quorum sensing wordt gedefinieerd als een mechanisme waarmee regulering van fysiologische processen (motiliteit, competentie, conjugatie, symbiose, virulentie, sporulatie en antibioticaproduktie) en coöperatieve activiteit plaatsvindt in bacteriën omdat het de genexpressie controleert. Via dit mechanisme vindt communicatie tussen bacteriecellen plaats door detectie en reactie van een afgescheiden signaalmolecuul met een klein laag molecuulgewicht, dat diffundeerbaar is in de natuur en bekend staat als auto-inducer, waarvan de concentratie de dichtheid van de bacteriecellen bepaalt, omdat beide een recht evenredige correlatie hebben. Dit mechanisme helpt bacteriën verschillende functies uit te voeren, zoals bacteriële cellen in staat stellen hun populatiedichtheid te bepalen, bij de vorming van biofilms, bij de kolonisatie van bacteriën, bij de bescherming tegen concurrenten en bij het vermogen zich aan te passen aan een veranderende omgeving. Vibrio fischeri, een mariene bioluminescente, is de eerste waarin quorum sensing wordt beschreven.

Quorum sensing verantwoordelijk voor de initiatie van gecoördineerde activiteit die genexpressie regelt, wat wordt gedaan wanneer die genexpressie regerende transcriptionele activator of sensor interageren met zijn respectievelijke autoinducer, als gevolg van deze signalering autoinducer ook induceren zijn eigen genexpressie. Quorum sensing wordt uitgevoerd in reactie op de bacteriële populatie dichtheid en verandering volgens de fluctuatie plaatsvindt in bacteriële populatie, op zijn beurt de gecoördineerde activiteit regerende genexpressie vindt ook plaats, omdat in deze situatie interactie van genexpressie regerende transcriptionele activator of sensor met zijn auto-inducer ook veranderen met betrekking tot de situatie. Verandering in genexpressie vindt plaats wanneer de concentratie van de auto-inducer wordt gedetecteerd als minimale drempel stimulerende concentratie niveau. Quorum sensing mechanisme wordt gebruikt door zowel Gram-negatieve en Gram-positieve bacteriën.

In bacteriën drie quorum sensing klassen aanwezig die hieronder worden vermeld:

De eerste klasse wordt geregeld door LuxI/LuxR systeem dat acyl-homoserine lactone (AHL) bezit als hun signaal molecuul en dit type van quorum sensing aanwezig in Gram-negatieve bacteriën. LuxI-achtig eiwit, ALH synthase genaamd, is verantwoordelijk voor de synthese van acyl-homoserine lactone (AHL), AHL wordt gevormd door de koppeling van homocysteengedeelte van S-adenosylmetionine (SAM) aan een specifiek acyl-acyl carrier proteïne (acyl-ACP), bij deze koppeling verbindt homocysteengedeelte zich met acyl-zijketen van acyl-ACP en lactonisatie van dit tussenproduct resulteert in de vorming van acyl-HSL samen met het vrijkomen van methylthioadenosine. Unieke AHL wordt door elke bacteriesoort geproduceerd als gevolg van het feit dat een bepaald lid van de bacteriesoort reageert en een specifieke signaalmolecule herkent. Na de synthese wordt het verspreid, herkend en gebonden door een LuxR-eiwit, waarna activering van LuxR plaatsvindt en het complex van AHL-LuxR zich bindt aan de promotor van het doelgen en de transcriptie van dat gen begint.

Dit is het schema van quorum sensing in Gram-negatieve bacteriën, definiëren transcriptionele activering vereisen de bepaalde drempelconcentratie om de transcriptie van genen te activeren, onder die concentratie niet elke vorm van transcriptie plaatsvindt.

De tweede klasse regelt oligopeptide gemedieerde twee componenten systeem dat kleine peptide bezit als hun signaal molecuul en dit type van quorum sensing aanwezig in Gram-positieve bacteriën. Bij Gram-positieve bacteriën kan de auto-inducer het plasmamembraan niet passeren en de sensor of receptor van deze inducer, auto-inducing peptide (AIP- 5 tot 25 aminozuur) genoemd, zijn transmembraaneiwitten. Hier zijn tweecomponentensignaaltransductiesystemen aanwezig die de receptor van AIP bevatten, histidinekinase-eiwit genoemd, samen met een cytoplasmatische responsregulator die de signaaltransductie voortzet door te bemiddelen bij de regulering van genexpressie via peptidesignalering. AIP wordt van binnenuit de cel naar buiten uitgescheiden door ABC-transpoter.

Derde klasse wordt geregeld door luxS gecodeerde auto-inducer 2 en dit type quorum sensing is aanwezig bij zowel Gram-negatieve als Gram-positieve bacteriën.

Laten we het nu hebben over het voorbeeld van Vibrio fischeri, een mariene bioluminescente bacterie. Vibrio fischeri heeft een symbiotische relatie met een aantal gastheren van zeedieren. Vibrio fischeri produceert licht door de productie van het enzym luciferase. Dit wordt bioluminescentie genoemd en de bacterie produceert luminiscentie in de vorm van blauwgroen licht, wanneer de bacterie in grote concentraties aanwezig is als reactie op AHL’s quorum sensing. De lichtproductie vindt plaats in een gespecialiseerd orgaan in mariene organismen, lichtorgaan genaamd, wanneer bacteriën in hoge concentratie in dit lichtorgaan worden gekoloniseerd, maar Vibrio fischeri produceert geen luminescentie wanneer deze in vrije toestand aanwezig is en deze luminescentie verschijnt in het donker.

Chemotaxis in bacteriën

Chemotexis is een verschijnsel dat de beweging van bacteriën verklaart als reactie op chemische prikkels, in de specifieke richting. Chemotaxis speelt een belangrijke rol bij de beweging van de flagellen van bacteriën, het zoeken van voedsel en in geval van bescherming zoals het aanvoelen van vergiften. Als de beweging in de richting van een hogere concentratie chemicaliën gaat, wordt dit positieve chemotaxis genoemd, en omgekeerd, als de beweging in de tegenovergestelde richting van de hogere concentratie chemicaliën gaat, wordt dit negatieve chemotaxis genoemd. Chemotaxis inducer in beweeglijke cel genaamd chemoattractant (chemokinen en formyl peptiden) en chemorepellent (aminozuur, anorganische zouten en sommige chemokinen), als chemoattractant aanwezig is beweegt cel in voorwaartse richting en als chemorepellent aanwezig is dan beweegt cel in tegengestelde richting of weg van de chemische stof. Beide stoffen geven hun signaal af door interactie met hun receptor, die een transmembraaneiwit is. Chemotaxis wordt uitgevoerd door twee componenten systeem, dat histidine kinase eiwit als transmembraan receptor bevat, samen met een cytoplasmatische respons regulator die de signaaltransductie voortzet door te bemiddelen bij de regulatie van genexpressie in reactie op bepaalde chemische stoffen.

Flagellaire rotatie in E.coli beheerst door chemotaxis en beweging van flagella gecorreleerd met het zwemgedrag van bacteriën, tijdens linksom flagellaire rotatie, bacteriën bewegen voorwaartse richting die ook wel run samen met deze bacteriën zwemmen in een rechte lijn, dit type van beweging te krijgen bereikt omdat tegen de klok in rotatie veroorzaakt uitlijning van flagella in een enkele roterende bundel. Tijdens de met de klok mee flagellaire rotatie, bacteriën beweging in voorwaartse richting te staken samen met deze bacterie krijgen tuimelen op zijn plaats. Dit type van beweging vindt plaats omdat rotatie met de klok mee de flagella bundel afzonderlijk breekt, hier elk flagellum wijst in afzonderlijke richting. Als er geen chemische gradiënt aanwezig is, is de beweging van de bacterie willekeurig, in dit geval beweegt de bacterie voorwaarts / loopt. Dus zwemt en na enige tijd tot stilstand komt, dus tuimelt. Als er een chemische gradiënt aanwezig is, wordt er bij aanwezigheid van een chemo-attractant minder vaak getuimeld en wordt er langer gerend, of bij aanwezigheid van een chemorepellent wordt er langer in tegengestelde richting gerend en minder getuimeld.

Flagellaire beweging wordt veroorzaakt door twee componenten systeem zoals hierboven vermeld, hier de receptor is bekend als Methyl-accepting Chemotaxis protein (MCP) en methylering van de receptor gedaan door een methyltransferase naam CheR, CheW een adaptor eiwit bindt aan de receptor aan de ene kant en binden aan CheA aan de andere kant, waardoor de koppeling van de CheA met een sensor-eiwit. CheA een sensor histidine kinase bezitten een geconserveerde histidine residu. Wanneer een chemorepellent komt en zich bindt aan de MCP activeert deze op zijn beurt de MCP, die de CheW activeert en die de CheA activeert op cascade wijze, geactiveerde CheA veroorzaakt autofosforylering van zijn eigen geconserveerde histidine residu en daarna draagt CheA het fosfaat over aan CheY, die een reactieregelaar is en een geconserveerd aspartaatresidu bezit, als gevolg daarvan vindt diffusie van ChsY plaats en het gaat een wisselwerking aan met flagellaire schakeleiwit FliM of flagellair motoreiwit, dit leidt tot de verandering van flagellumrotatie van linksom naar rechtsom manier.

CheY is verantwoordelijk voor de controle van de flagellermotor. Als de verandering in rotatie van enkele flagellum optreedt, veroorzaakt het verstoring van gehele flagella bundel, die resulteren in tuimelen. De fosforylering van CheY houdt enkele seconden aan, en CheY wordt gedefosforyleerd door CheZ, dat verantwoordelijk is voor signaalbeëindiging en bekend staat als Asp-specifieke fosfatering. Inactivatie van CheY gebeurt door CheZ. Het binden van een lokstof heeft een tegengesteld effect, het veroorzaakt inactivatie van de receptor, op zijn beurt wordt de fosforylering van CheA en CheY verminderd, met als gevolg dat de flagella tegen de klok in roteert, waardoor de bacterie in voorwaartse richting loopt en zwemt. Bacteriën worden gedesensibiliseerd als er een hogere concentratie ligand aanwezig is dan de gebruikelijke hogere concentratie.

NextPrevious