4.3. Szlak JAK-STAT
Sygnalizacja JAK-STAT pośredniczy w przekazywaniu wiadomości lub sygnału z zewnątrz komórki do jądra poprzez dużą liczbę cytokin, hormonów i czynników wzrostu powodujących zmiany w transkrypcji specyficznych genów. Szlak ten składa się z receptorów cytokinowych, podtypu receptorów sprzężonych enzymatycznie, które zależą od kinaz cytoplazmatycznych w celu przekazywania sygnałów do wnętrza komórki. Wewnątrzkomórkowa aktywacja i multimeryzacja receptorów następuje, gdy ligand taki jak interferon, interleukiny zwiąże się z receptorem. W wyniku tego Jaks (cytoplazmatyczna kinaza tyrozynowa) związana z receptorem ulega aktywacji.
U ssaków znane są cztery typy Jaks – Jak1, Jak2, Jak3 i Tyk – i każdy z nich jest związany z określonymi receptorami cytokinowymi stanowiącymi dwa lub więcej łańcuchów polipeptydowych. W wyniku dimeryzacji (w niektórych przypadkach multimeryzacji) dochodzi do bliskiego zbliżenia Jaków (kinaz Janusa) dwóch jednostek receptorowych, co umożliwia im wzajemną fosforylację, a tym samym zwiększa aktywność ich domen kinazy tyrozynowej. Fosforylowana tyrozyna działa jako miejsce dokowania dla STAT i innych szlaków sygnałowych. STAT (Signal Transducer and Activator of Transcription) to utajony czynnik transkrypcyjny, który w stanie nieaktywnym jest zamknięty w cytoplazmie. Istnieje wiele typów STAT, z których każdy posiada domenę SH2, odgrywającą kluczową rolę w transdukcji sygnału. Domena SH2 STAT wiąże się z resztami fosfotyrozynowymi aktywowanego receptora cytokinowego. Następnie Jak fosforyluje STAT na reszcie tyrozynowej na C-końcu, co prowadzi do jego uwolnienia z receptora. Domena SH2 odłączonego STAT ułatwia jego wiązanie z resztami fosfotyrozynowymi drugiego białka STAT, co prowadzi do powstania homo- lub heterodimeru. Dimer STAT translokowany jest do jądra, gdzie wiąże się ze specyficznymi sekwencjami regulatorowymi i stymuluje ich transkrypcję w celu przetrwania, proliferacji i różnicowania komórek.
Poza pozytywnymi efektorami istnieje kilka negatywnych regulatorów, które często wyłączają odpowiedź. Niektóre z nich są następujące:
- Suppressors of Cytokine signaling (SOCs) : Aktywowany STAT inicjuje transkrypcję SOCs i ostatecznie białko SOCs kojarzy się z fosforylowanym Jaks i przez ten proces terminaes ścieżki.
- Białkowe inhibitory aktywowanego STAT (PIAS) : Białko PIAS wiąże się z dimerami STAT i hamuje interakcję STAT z elementem odpowiedzi DNA, hamując w ten sposób transkrypcję białek docelowych.
- PTPs (Protein Tyrosine Phosphatases): PTPs dephosphorylates the effector molecule, making them inactive, thus, negatively regulating the signaling.
4.4. TGF-β Pathway
Transformujący czynnik wzrostu β jest wielofunkcyjnym enzymem, który może działać jako hormon, cząsteczka efektorowa lub lokalny mediator regulujący wiele odpowiedzi komórkowych. Ligandem dla sygnalizacji mogą być same TGFβ, białka morfogenetyczne kości (BMPs), hormon antymüllerowski (AMH), aktywina i białko węzłowe. Białka te zachodzą przy udziale sprzężonych enzymatycznie receptorów zawierających domenę kinazy serynowo-treoninowej po cytoplazmatycznej stronie błony. Receptory te składają się głównie z dwóch klas – typu I i typu II, które wiążą się ze sobą w specyficzny sposób, potrzebny do sygnalizacji. SARA (The SMAD Anchor for Receptor Activation) i HGS (Hepatocyte Growth factor-regulated tyrosine kinase Substrate) są białkami, które dalej pośredniczą w szlaku TGF β. Ścieżka sygnalizacyjna przebiega w następujący sposób:
- Ligand TGF- β wiąże się z homodimerem typu II powodując fosforylację i aktywację receptora typu I. W ten sposób powstaje tetramer. W ten sposób powstaje kompleks tetrameryczny.
- Po aktywacji kompleks receptorowy wiąże i fosforyluje białka regulatorowe, Smad 1, Smad 2, Smad 3. Fosforylowany Smad dysocjuje od receptora i łączy się z kompleksem Smad 4.
- Kompleks Smad dysocjuje i wchodzi do jądra, wiąże się ze specyficznym miejscem w DNA i reguluje ekspresję genów docelowych.
Sygnalizacja TGF β jest zaangażowana w różne procesy komórkowe, w tym wzrost komórek, różnicowanie komórek, proliferację i apoptozę. Mechanizm ten jest regulowany przez hamowanie zwrotne za pośrednictwem kilku szlaków, takich jak endocytoza z udziałem klatyny, blokowanie tworzenia kompleksu Smad, a tym samym wyłączanie szlaku TGF- β.
4.5. Wewnątrzkomórkowe receptory hormonalne
Receptory z rodziny hormonów steroidowych i tarczycy działają jak czynniki transkrypcyjne, gdyż po związaniu hormonów aktywują ekspresję genów. Nadrodzina receptorów steroidowych hormonów tarczycy Ich receptor znajduje się w cytoplazmie i wiąże swoje lipofilne ligandy hormonalne w tym przedziale, ponieważ hormony te są zdolne do swobodnego przenikania przez hydrofobową błonę plazmatyczną. Po związaniu liganda kompleks hormon-receptor ulega translokacji do jądra i wiąże się ze specyficznymi sekwencjami DNA określanymi jako elementy odpowiedzi hormonalnej (HRE). Wiązanie kompleksu z HRE powoduje zmianę tempa transkrypcji związanego z nim genu. Analiza ludzkiego genomu ujawniła 48 genów receptorów jądrowych.
Wiele z tych genów jest zdolnych do wytworzenia więcej niż jednej izoformy receptora. Wszystkie receptory jądrowe zawierają domenę wiążącą ligand (LBD) i domenę wiążącą DNA (DBD). Receptor steroidowy III wiąże się z DNA jako homodimery, np. receptor estrogenowy (ER), receptor mineralokortykoidowy (MR), receptor progesteronowy (PR), receptor androgenowy (AR) i receptor glikokortykoidowy (GR). Receptor steroidowy I wiąże się z DNA w postaci heterodimerów. Receptory retinoidów X (RXRs), wątroby X receptory (LXRs), farnesoid X receptory (FXRs) i receptory aktywowane proliferatorami peroksysomów (PPARs) są przykładem receptora, który wiąże się z lipofilnych ligandów tak jak receptor hormonów steroidowych i receptory hormonów tarczycy.
Hormony steroidowe są wszystkie pochodzą z cholesterolu. Co więcej, z wyjątkiem witaminy D, wszystkie one zawierają ten sam pierścień cyklopentanofenantrenowy i system numeracji atomowej, co cholesterol. Sterydy o 21 atomach węgla nazywane są pregnanami, natomiast te o 19 i 18 atomach węgla to odpowiednio androstany i estrany. Kwas retinowy i witamina D nie pochodzą z pregnenolonu, ale z witaminy A i cholesterolu odpowiednio pozostałe wszystkie są hormony steroidowe pochodzą z pregneolone.
Wszystkie hormony steroidowe wywierają swoje działanie przechodząc przez błonę plazmatyczną i wiązanie do wewnątrzkomórkowych receptorów. Hormon – receptor kompleks pracy jako czynnik transkrypcyjny. Kompleks przenosi się do jądra, wiąże się z sekwencjami DNA znanymi jako elementy odpowiedzi hormonalnej i aktywuje geny.
4.6. System dwuskładnikowy :
W bakteriach i roślinach, transdukcja sygnału pośredniczy przez system dwuskładnikowy (TCS), zaangażowany w komunikację komórka-komórka i do odpowiedzi na sygnał zewnątrzkomórkowy. U bakterii systemy dwuskładnikowe są wszechobecne. TCS nie występuje u człowieka i innych ssaków, dlatego staje się celem dla leku.
System dwuskładnikowy zawiera czujnik, który jest homodimerycznym transmembranowym białkiem zwanym kinazą histydynową umieszczoną, która ma aktywność autofosforylującą wraz z konserwowaną resztą histydynową i regulatorem odpowiedzi znajdującym się za kinazą histydynową, która zawiera konserwowaną resztę asparaginianową. Kinaza histydynowa (HK) ma dwie domeny, jedną histydynową fosfotransferową, która posiada specyficzną histydynę i drugą domenę wiążącą ATP. Regulator odpowiedzi (RR) również miał dwie domeny, jedną konserwowaną domenę odbiornika, która zawiera konserwowaną resztę asparaginianową i drugą domenę efektora.
Gdy ligand przychodzi i wiąże się z terminalem N kinazy histydynowej, z kolei powoduje aktywację aktywności autofosforylującej kinazy histydynowej. W rezultacie powoduje to przeniesienie reszty fosforanowej z ATP na konserwowaną histydynę obecną w domenie kinazowej obecnej przy terminalu C. Prowadzi to do przeniesienia tego fosforanu z histydyny do konserwatywnego asparaginianu obecnego w konserwatywnej domenie odbiorczej regulatora odpowiedzi. Fosforylacja asparaginianu skutkuje zmianą konformacyjną w RR, co z kolei powoduje aktywację domeny efektorowej RR, w wyniku czego generowany jest sygnał pośredniczący w odpowiedzi komórkowej, w szczególności wyłączenie lub włączenie ekspresji genów.
Kinaza histydynowa występuje również w formie hybrydowej zwanej hybrydową kinazą histydynową, która zawiera również jedną wewnętrzną domenę odbiornika, ponieważ ligand wiąże się z hybrydową kinazą histydynową, ulega ona autofosforylacji histydyny w tym samym mechanizmie. Następnie przenosi ten fosforan do wewnętrznej reszty asparaginianowej domeny odbiornika, po czym przenosi ten fosforan do białka fosfotransferowego histydyny lub fosfotransferazy histydyny, która przenosi ten fosforan do terminalnego regulatora odpowiedzi zawierającego konserwowaną resztę asparaginianową. System ten nazywany jest systemem fosforelay.
4.7. Quorum sensing
Quorum sensing definiuje się jako mechanizm, dzięki któremu u bakterii zachodzi regulacja procesów fizjologicznych (ruchliwość, kompetencja, koniugacja, symbioza, wirulencja, sporulacja i produkcja antybiotyków) oraz aktywność kooperacyjna, ponieważ kontroluje on ekspresję genów. Dzięki temu mechanizmowi komunikacja między komórkami bakteryjnymi zachodzi poprzez wyczuwanie i reagowanie na wydzielane małe, niskocząsteczkowe cząsteczki sygnałowe, które są w naturze dyfuzyjne i znane jako autoinduktory, których stężenie określa gęstość komórek bakteryjnych, ponieważ oba te czynniki wykazują wprost proporcjonalną korelację. Mechanizm ten pomaga bakteriom w pełnieniu różnych funkcji, np. pozwala komórkom bakteryjnym na określenie gęstości ich populacji, w tworzeniu biofilmów, w kolonizacji bakterii, podczas ochrony przed konkurentami oraz zapewnia zdolność adaptacji do zmieniającego się środowiska. Vibrio fischeri, morska bakteria bioluminescencyjna, jest pierwszą, u której opisano zjawisko quorum sensing.
Quorum sensing odpowiada za inicjację skoordynowanej aktywności regulującej ekspresję genów, co ma miejsce, gdy te regulujące ekspresję genów aktywatory transkrypcyjne lub czujniki wchodzą w interakcje z odpowiednimi autoinduktorami, dzięki temu autoinduktorowi sygnalizacyjnemu również indukują ekspresję własnych genów. Quorum sensing przeprowadza się w odpowiedzi na gęstość populacji bakterii i zmiana w zależności od fluktuacji ma miejsce w populacji bakterii, z kolei zmiana skoordynowanej aktywności regulującej ekspresję genu również ma miejsce, ponieważ w tej sytuacji interakcja ekspresji genu regulującego aktywator transkrypcji lub czujnik z jego autoinduktorem również zmienia się w zależności od sytuacji. Zmiana w ekspresji genów następuje, gdy stężenie autoinduktora zostanie wykryte jako minimalny progowy poziom stężenia stymulującego. Mechanizm quorum sensing jest używany zarówno przez bakterie gram ujemne jak i gram dodatnie.
W bakteriach występują trzy klasy quorum sensing, które są wymienione poniżej:
Pierwsza klasa jest zarządzana przez system LuxI/LuxR, który posiada acylo-homoserynowy lakton (AHL) jako cząsteczkę sygnałową i ten typ quorum sensing występuje u bakterii Gram-ujemnych. Białko podobne do LuxI zwane syntazą ALH odpowiedzialne jest za syntezę laktonu acylo-homoserynowego (AHL), AHL powstaje w wyniku sprzężenia homocysteinowej cząsteczki S-adenozylometioniny (SAM) ze specyficznym acylo-acylowym białkiem nośnikowym (acyl-ACP), w tym sprzężeniu homocysteinowa cząsteczka łączy się z acylowym łańcuchem bocznym acylo-ACP i w wyniku laktonizacji tego pośredniego elementu powstaje acyl-HSL wraz z uwolnieniem metylotioadenozyny. Unikalny AHL jest wytwarzany przez każdy gatunek bakterii w wyniku reakcji danego gatunku bakterii na specyficzną cząsteczkę sygnałową. Po syntezie ulega on rozproszeniu, zostaje rozpoznany i związany przez białko LuxR, co powoduje aktywację LuxR, następnie kompleks AHL-LuxR wiąże się z promotorem genu docelowego i rozpoczyna się transkrypcja tego genu.
To jest schemat quorum sensing u bakterii Gram-ujemnych, definicja aktywacji transkrypcyjnej wymaga określonego stężenia progowego do aktywacji transkrypcji genu, poniżej tego stężenia nie zachodzi żaden rodzaj transkrypcji.
Druga klasa rządzi oligopeptydowym pośredniczącym systemem dwuskładnikowym, który posiada mały peptyd jako cząsteczkę sygnałową i ten typ quorum sensing występuje u bakterii Gram-dodatnich. U bakterii Gram-dodatnich autoinduktor nie jest w stanie przekroczyć błony plazmatycznej, a sensor lub receptor tego induktora zwany peptydem autoindukującym (AIP- 5 do 25 aminokwasów) jest białkiem transmembranowym, tutaj obecny jest dwuskładnikowy system transdukcji sygnału, który zawiera receptor AIP zwany białkiem kinazy histydynowej wraz z cytoplazmatycznym regulatorem odpowiedzi, który kontynuuje transdukcję sygnału poprzez pośredniczenie w regulacji ekspresji genów poprzez sygnalizację peptydową. AIP są wydzielane do środowiska zewnętrznego z wnętrza komórki przez transporter ABC.
Trzecią klasą rządzi kodowany przez luxS autoinduktor 2 i ten typ quorum sensing występuje u bakterii Gram-ujemnych jak i Gram-dodatnich.
Teraz porozmawiajmy o przykładzie Vibrio fischeri, morskiej bakterii bioluminescencyjnej. Vibrio fischeri żyje w symbiotycznym związku z wieloma morskimi zwierzętami-gospodarzami. Vibrio fischeri wytwarza światło poprzez produkcję enzymu lucyferazy. Tak zwane bioluminescencyjne i bakterie produkują luminescencję, która jest niebiesko-zielone światło, gdy bakterie jest obecny w dużym stężeniu w odpowiedzi na AHLs quorum sensing. Produkcja światła ma miejsce w wyspecjalizowanym organie obecnym w organizmie morskim zwanym organem świetlnym, gdy bakterie zostają skolonizowane w wysokim stężeniu w tym organie świetlnym, ale Vibrio fischeri nie produkuje luminescencji, gdy jest obecny w stanie wolnym i ta luminescencja pojawia się w ciemności.
Chemotaksja u bakterii
Chemotaksja jest zjawiskiem, które wyjaśnia ruch bakterii w odpowiedzi na bodziec chemiczny, w określonym kierunku. Chemotaksja odgrywa ważną rolę w ruchu flagelli bakterii, poszukiwaniu pożywienia oraz w przypadku ochrony, jak np. wyczuwanie trucizn. Jeśli ruch odbywa się w kierunku wyższego stężenia substancji chemicznej, nazywa się to chemotaksją pozytywną, jeśli zaś ruch odbywa się w kierunku przeciwnym do wyższego stężenia substancji chemicznej, nazywa się to chemotaksją negatywną. Czynniki indukujące chemotaksję w komórkach ruchliwych zwane chemoatraktantami (chemokiny i peptydy formylowe) i chemorepellentami (aminokwasy, sole nieorganiczne i niektóre chemokiny), jeśli chemoatraktant jest obecny komórka porusza się w kierunku do przodu, a jeśli chemorepellent jest obecny to komórka porusza się w kierunku przeciwnym lub z dala od substancji chemicznej. Oba związki chemiczne wykonują swoją sygnalizację poprzez interakcję ze swoim receptorem, który jest białkiem transmembranowym. Chemotaksja wykonywana jest przez system dwuskładnikowy, który zawiera białko kinazy histydynowej jako receptor transmembranowy wraz z cytoplazmatycznym regulatorem odpowiedzi, który kontynuuje transdukcję sygnału poprzez pośredniczenie w regulacji ekspresji genów w odpowiedzi na dany związek chemiczny.
Obrót flagi u E.Podczas rotacji flagelli w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, bakterie poruszają się do przodu, co jest również nazywane biegiem, wraz z tym bakterie pływają w linii prostej, ten rodzaj ruchu uzyskuje się, ponieważ rotacja w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara powoduje ułożenie flagelli w pojedynczą wirującą wiązkę. Podczas rotacji zgodnej z ruchem wskazówek zegara, ruch bakterii w kierunku do przodu zostaje przerwany, a bakteria ta stacza się w miejscu. Ten rodzaj ruchu ma miejsce, ponieważ rotacja zgodna z ruchem wskazówek zegara powoduje oddzielne rozerwanie wiązki flageli, a każda flagella skierowana jest w inną stronę. Jeśli gradient chemiczny nie jest obecny, ruch bakterii jest przypadkowy, w tym przypadku bakteria porusza się do przodu / biegnie. W ten sposób pływa, a po pewnym czasie zatrzymuje się, przez co staje się tumble. Jeśli gradient chemiczny jest obecny, to w przypadku obecności chemoatraktantu ruch jest rzadszy i występuje dłuższy bieg lub w przypadku obecności chemorepelentu występuje dłuższy bieg w przeciwnym kierunku wraz z mniejszym biegiem.
Ruch flagellarny odbywa się za pomocą systemu dwuskładnikowego, jak wspomniano powyżej, tutaj receptor jest znany jako metyloakceptorowe białko chemotaksji (MCP) i metylacja receptora dokonywana przez metylotransferazę o nazwie CheR, CheW białko adaptorowe wiąże się z receptorem z jednej strony i wiąże się z CheA z drugiej strony, łącząc w ten sposób CheA z białkiem sensorowym. CheA jest sensoryczną kinazą histydynową posiadającą konserwatywną resztę histydynową. Kiedy pojawia się chemorepelent i wiąże się z MCP, aktywuje MCP, który z kolei aktywuje CheW, a ten z kolei kaskadowo aktywuje CheA, aktywowany CheA powoduje autofosforylację własnej konserwatywnej reszty histydynowej, po czym CheA przekazuje fosforan do CheY, który jest regulatorem odpowiedzi i posiada konserwatywną resztę asparaginianową, w wyniku czego dochodzi do dyfuzji ChsY, który oddziałuje z białkiem przełącznika flagowego FliM lub flagowym białkiem motorycznym, co prowadzi do zmiany rotacji flagellum z przeciwnej do ruchu wskazówek zegara na zgodną z ruchem wskazówek zegara.
CheY jest odpowiedzialny za kontrolę silnika flagowego. Zmiana rotacji pojedynczego flagellum powoduje rozerwanie całej wiązki flagowej, co w konsekwencji prowadzi do jej rozpadu. Stan fosforylacji CheY utrzymuje się przez kilka sekund, po czym CheY ulega deposforylacji przez CheZ, co jest odpowiedzialne za zakończenie sygnału i określane jako fosforylacja specyficzna dla Asp. Inaktywacja CheY odbywa się przez CheZ. Wiązanie atraktanta wywołuje efekt przeciwny do zamierzonego, powoduje inaktywację receptora, fosforylacja CheA i CheY ulega zmniejszeniu, w wyniku czego następuje obrót flagelli w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, co powoduje, że bakteria porusza się i pływa do przodu. Bakterie ulegają desensybilizacji, jeśli obecne jest wyższe stężenie ligandu, które jest większe niż zwykle wyższe stężenie.
NextPrevious