IP3-DAG-VÄGEN FÖR RECEPTORTYROSINKINAS I CELLSIGNALERING

4.3. JAK-STAT-signalvägen

JAK-STAT-signalering förmedlar överföringen av meddelande eller signal från cellens utsida till kärnan genom ett stort antal cytokiner, hormoner och tillväxtfaktorer som orsakar förändringar i transkriptionen av specifika gener. Vägarna består av cytokinreceptorer, en subtyp av enzymkopplade receptorer som är beroende av cytoplasmatiska kinaser för att överföra signaler in i cellen. Receptorernas intracellulära aktivering och multimerisering sker när ligand, t.ex. interferon och interleukiner, binder till receptorn. Som ett resultat av detta aktiveras Jaks (ett cytoplasmatiskt tyrosinkinas) som är associerat med receptorn.

I däggdjur är fyra typer av Jaks kända – Jak1, Jak2, Jak3 och Tyk – och var och en av dem är associerad med specifika cytokinreceptorer som utgörs av två eller flera polypeptidkedjor. Dimeriseringen (i vissa fall multimeriseringen) för den associerade Jak (Janus kinas) av två receptorenheter i nära anslutning till varandra, vilket hjälper dem båda att korsfosforylera varandra och därigenom öka aktiviteten hos deras tyrosinkinasdomäner. Fosforylerad tyrosin fungerar som en dockningsplats för STATs och andra signalvägar. STATs (Signal Transducer and Activator of Transcription) är latenta transkriptionsfaktorer som är begränsade till cytoplasman när de är inaktiva. Det finns många typer av STATs, var och en med en SH2-domän som spelar en avgörande roll i signaltransduktionen. STAT:s SH2-domän binder till den aktiverade cytokinreceptorns fosfotyrosinrest. Vidare fosforylerar Jak STAT på tyrosinrester vid C-terminalen, vilket leder till att STAT frigörs från receptorn. SH2-domänen hos det separerade STAT-proteinet underlättar dess bindning med en fosfotyrosinrest hos det andra STAT-proteinet, vilket leder till att det bildas antingen en homodimer eller en heterodimer. STAT-dimeren translokeras till kärnan, där den binder till de specifika regleringssekvenserna och stimulerar deras transkription för cellens överlevnad, proliferation och differentiering.

Förutom positiva effektorer finns det flera negativa regulatorer som ofta stänger av svaret. Några av dem är följande:

• Suppressorer av cytokinsignalering (SOCs): Det aktiverade STAT initierar transkriptionen av SOCs och i slutändan associerar SOCs-proteinet med det fosforylerade Jaks och genom denna process avslutas vägen.
• Protein Inhibitors of Activated STAT (PIAS) : PIAS-proteinet binder till STAT-dimerer och hämmar STAT:s interaktion med DNA-responselementet, vilket hämmar transkriptionen av målproteiner.
• PTP:er (Protein Tyrosin Fosfataser): PTPs defosforylerar effektormolekylen, vilket gör dem inaktiva och på så sätt reglerar signaleringen negativt.

4.4. TGF-β-vägen

Den transformerande tillväxtfaktorn β är ett multifunktionellt enzym som antingen kan fungera som hormoner, effektormolekyl eller lokala mediatorer för att reglera många cellulära reaktioner. Liganden för signaleringen kan vara TGFβ själva, benmorfogenetiska proteiner (BMP), antimülleriskt hormon (AMH), aktivin och nodalprotein. Dessa proteiner går vidare med hjälp av enzymbundna receptorer som innehåller en serin/treoninkinasdomän på membranets cytoplasmatiska sida. Dessa receptorer består huvudsakligen av två klasser – typ I och typ II – som associeras på ett specifikt sätt, vilket behövs för signalering. SARA (The SMAD Anchor for Receptor Activation) och HGS (Hepatocyte Growth factor-regulated tyrosine kinase Substrate) är de proteiner som ytterligare medierar TGF β-vägen. Signalvägen går till på följande sätt:

1. TGF- β-liganden binder till typ II-homodimern som orsakar fosforylering och aktivering av typ I-receptorn. På så sätt bildas ett tetrameriskt komplex.
2. Vid aktivering binder och fosforylerar receptorkomplexet regulatoriska proteiner, Smad 1, Smad 2 och Smad 3. Fosforylerad Smad dissocieras från receptorn och kombineras med Smad 4.
3. Smadkomplexet dissocieras och går in i kärnan och binder till den specifika platsen i DNA:t och reglerar uttrycket av målgener.

TGF β-signaleringen är involverad i olika cellprocesser, inklusive celltillväxt, celldifferentiering, proliferation och apoptos. Mekanismen regleras av återkopplingshämning genom flera vägar, t.ex. clathrinmedierad endocytos, som blockerar bildandet av Smad-komplexet och därmed stänger av TGF- β-signalvägen.

4.5. Intracellulära hormonreceptorer

Receptorerna i familjen av steroid- och sköldkörtelhormonreceptorer fungerar som transkriptionsfaktorer eftersom de efter hormonernas bindning aktiverar genuttrycket. Steroid- och sköldkörtelhormonreceptorernas superfamilj Deras receptor är belägen i cytoplasman och binder sina lipofila hormonligander i denna avdelning eftersom dessa hormoner har förmåga att fritt tränga igenom det hydrofoba plasmamembranet. Vid bindning av liganden translokeras hormonreceptorkomplexet till kärnan och binder till specifika DNA-sekvenser som kallas hormonresponselement (HRE). Komplexets bindning till en HRE resulterar i förändrad transkription av den associerade genen. Analyser av den mänskliga arvsmassan har avslöjat 48 kärnreceptorgener.

Många av dessa gener kan ge upphov till mer än en receptorisoform. Kärnreceptorerna innehåller alla en ligandbindande domän (LBD) och en DNA-bindande domän (DBD). Steroidreceptor III binder till DNA som homodimerer, t.ex. östrogenreceptorn (ER), mineralokortikoidreceptorn (MR), progesteronreceptorn (PR), androgenreceptorn (AR) och glukokortikoidreceptorn (GR). Steroidreceptor I binder till DNA som heterodimerer. Retinoid X-receptorer (RXR), lever X-receptorer (LXR), farnesoid X-receptorer (FXR) och peroxisom proliferatoraktiverade receptorer (PPAR) är exempel på receptorer som binder till lipofila ligander precis som steroidhormonreceptorer och sköldkörtelhormonreceptorer.

Steroidhormonerna härrör alla från kolesterol. Dessutom innehåller de alla, med undantag för D-vitamin, samma cyklopentanofenanthrenring och atomnummersystem som kolesterol. Steroider med 21 kolatomer kallas pregnaner, medan de som innehåller 19 och 18 kolatomer kallas androstaner respektive estraner. Retinsyra och D-vitamin härrör inte från pregnenolon, utan från A-vitamin respektive kolesterol, men alla andra steroidhormoner härrör från pregneolon.

Alla steroidhormoner utövar sin verkan genom att passera genom plasmamembranet och binda till intracellulära receptorer. Hormon-receptorkomplexet fungerar som en transkriptionsfaktor. Komplexet rör sig till kärnan och binder till sina DNA-sekvenser som kallas hormonresponselement och aktiverar generna.

4.6. Tvåkomponentsystem :

I bakterier och växter förmedlas signaltransduktionen av ett tvåkomponentsystem (TCS), som är involverat i kommunikation mellan celler och celler och svarar på extracellulära signaler. I bakterier är tvåkomponentsystem allestädes närvarande. TCS finns inte hos människor och andra däggdjur och blir därmed mål för läkemedel.

Tvåkomponentsystemet innehåller en sensor, som är ett homodimärt transmembranprotein som kallas histidin-kinas och som har autofosforylerande aktivitet tillsammans med en bevarad histidinrest, och en responsregulator som är placerad efter histidin-kinas och som innehåller en bevarad aspartatrest. Histidin kinas (HK) har två domäner, en histidinfosfoöverföringsdomän, som har specifik histidin, och en andra ATP-bindningsdomän. Svarsregulator (RR) hade också två domäner, en bevarad mottagardomän, som innehåller bevarad aspartat och andra effektordomän.

När en ligand kommer och binder till N-terminalen av histidin kinas, orsakar det i sin tur aktivering av histidin kinas autofosforylerande aktivitet. Som ett resultat orsakar det överföring av en fosfatrest från ATP till den konserverade histidin som finns i kinasdomänen som finns vid C-terminalen. Detta leder till att fosfatet överförs från histidinet till den bevarade aspartat som finns i den bevarade mottagardomänen hos responsregulatorn. Fosforylering av aspartat leder till konformationsförändring i RR, vilket i sin tur orsakar aktivering av RR:s effektordomän, vilket leder till att en signal genereras för att förmedla cellulär respons som specifikt stänger av eller aktiverar genuttryck.

Histidin-kinas finns också i hybridform som kallas hybrid-histidin-kinas, vilket histidin-kinas också innehåller en intern mottagardomän, när en ligand binds till hybrid-histidin-kinaset autofosforylerar det sig självt av histidin genom samma mekanism. Därefter överförs detta fosfat till den interna mottagardomänens aspartatrest, varefter detta fosfat överförs till histidinfosfotransferprotein eller histidinfosfotransferas, som överför detta fosfat till den terminala responsregulatorn som innehåller en bevarad aspartatrest. Detta system kallas fosforrelay-system.

4.7. Quorum sensing

Quorum sensing definieras som en mekanism genom vilken reglering av fysiologiska processer (motilitet, kompetens, konjugering, symbios, virulens, sporulering och antibiotikaproduktion) och samarbetsaktivitet äger rum i bakterier eftersom den styr genuttrycket. Genom denna mekanism sker kommunikationen mellan bakteriecellerna genom att de känner av och reagerar på en utsöndrad liten signalmolekyl med låg molekylvikt, som är diffusibel i naturen och kallas autoinducer, vars koncentration definierar bakteriecellernas täthet, eftersom båda har ett direkt proportionellt samband. Denna mekanism hjälper bakterier att utföra olika funktioner, t.ex. att låta bakteriecellerna identifiera sin populationstäthet, att bilda biofilmer, att kolonisera bakterier, att skydda sig mot konkurrenter och att ge dem förmåga att anpassa sig till en föränderlig miljö. Vibrio fischeri, en marin bioluminescent bakterie, är den första som beskriver quorum sensing.

Quorum sensing är ansvarig för initiering av samordnad aktivitet som styr genuttrycket, vilket sker när dessa genuttryck som styr transkriptionsaktivatorn eller sensorn interagerar med sin respektive autoinducer, på grund av denna signalering inducerar autoinducer också sitt eget genuttryck. Quorum sensing utförs som svar på bakteriepopulationens täthet och förändras beroende på hur bakteriepopulationen fluktuerar, vilket i sin tur leder till att den samordnade aktiviteten som styr genuttrycket också förändras, eftersom interaktionen mellan genuttrycket som styr transkriptionsaktivatorn eller sensorn och dess autoinduktör också förändras med hänsyn till situationen. En förändring av genuttrycket sker när koncentrationen av autoinducerare upptäcks som en minimal stimulerande tröskelkoncentration. Korum sensing-mekanismen används av både gramnegativa och grampositiva bakterier.

I bakterier finns tre klasser av quorum sensing som nämns nedan:

Den första klassen styrs av LuxI/LuxR-systemet som har acyl-homoserinlakton (AHL) som signalmolekyl, och denna typ av quorum sensing finns i gramnegativa bakterier. AHL bildas genom koppling av homocysteindelen av S-adenosylmetionin (SAM) till ett specifikt acyl-acylbärarprotein (acyl-ACP). Vid denna koppling förenas homocysteindelen med acylsidekedjan i acyl-ACP och laktonisering av denna intermediär resulterar i bildandet av acyl-HSL tillsammans med frisättning av metylthioadenosin. Unikt AHL produceras av varje bakterieart som ett resultat av att en viss bakterieartmedlem reagerar och känner igen en specifik signalmolekyl. Efter syntesen sprids det och identifieras och binds av ett motsvarande LuxR-protein, vilket i sin tur aktiverar LuxR, varefter komplexet AHL-LuxR binds till målgenens promotor och transkriptionen av den genen startar.

Detta är diagrammet över quorum sensing hos gramnegativa bakterier, som definierar transkriptionell aktivering kräver en viss tröskelkoncentration för att aktivera transkriptionen av en gen, under denna koncentration sker ingen transkription.

Den andra klassen styr oligopeptidmedierade tvåkomponentsystem som har en liten peptid som signalmolekyl och denna typ av quorum sensing förekommer i Gram-positiva bakterier. I grampositiva bakterier kan inte autoinduceraren passera plasmamembranet och sensorn eller receptorn för denna inducerare, som kallas autoinducerande peptid (AIP – 5-25 aminosyror), är ett transmembranprotein. Här finns ett tvåkomponentssignaltransduktionssystem som innehåller AIP:s receptor, som kallas histidin-kinas-protein, och en cytoplasmatisk responsregulator, som fortsätter signaltransduktionen genom att förmedla regleringen av genuttrycket via peptidsignalering. AIP utsöndras till den yttre miljön från cellens inre genom ABC-transpoter.

Den tredje klassen styrs av luxS-kodad autoinducer 2, och denna typ av quorum sensing förekommer både hos gramnegativa och grampositiva bakterier.

Nu kan vi prata om exemplet Vibrio fischeri, som är en marin bioluminescent. Vibrio fischeri lever i ett symbiotiskt förhållande med ett antal marina djur som värdar. Vibrio fischeri producerar ljus genom produktion av enzymet luciferas. Bakterierna producerar luminescens, som är blågrönt ljus, när bakterierna finns i stor koncentration som svar på AHLs quorum sensing. Ljusproduktionen sker i ett specialiserat organ som finns i marina organismer och som kallas ljusorgan när bakterier koloniseras i hög koncentration i detta ljusorgan, men Vibrio fischeri producerar inte luminescens när den finns i fritt tillstånd och denna luminescens uppträder i mörker.

Chemotaxis i bakterier

Chemotaxis är ett fenomen som förklarar bakteriers förflyttning som svar på en kemisk stimulans, i en specifik riktning. Chemotaxis spelar en viktig roll i bakteriernas flagellarörelse, i sökandet efter föda och i fall av skydd, t.ex. för att känna efter gifter. Om rörelsen sker i riktning mot en högre koncentration av en kemikalie kallas det för positiv kemotaxis, och omvänt, om rörelsen sker i motsatt riktning från den högre koncentrationen av en kemikalie kallas det för negativ kemotaxis. Kemotaxisinducerare i rörliga celler kallas kemoattraktanter (kemokiner och formylpeptider) och kemorepellenter (aminosyror, oorganiska salter och vissa kemokiner). Om kemoattraktant förekommer rör sig cellen framåt och om kemorepellent förekommer rör sig cellen i motsatt riktning eller bort från kemikalien. Båda kemikalierna utför sin signalering genom att interagera med sin receptor, som är ett transmembranprotein. Chemotaxis utförs av ett tvåkomponentsystem som innehåller histidin kinas-protein som transmembranreceptor tillsammans med en cytoplasmatisk responsregulator som fortsätter signaltransduktionen genom att förmedla regleringen av genuttrycket som svar på en viss kemikalie.

Flagellär rotation i E.coli styrs av kemotaxis och flagellans rörelse korrelerar med bakteriernas simbeteende, under flagellarrotation moturs rör sig bakterierna framåt vilket också kallas springa tillsammans med detta bakterier simmar i rak linje, denna typ av rörelse uppnås eftersom rotation moturs orsakar anpassning av flagellerna till ett enda roterande buntband. Under flagellarrotationen medurs upphör bakteriernas rörelse i framåtriktad riktning och bakterien tumlar på plats. Denna typ av rörelse sker eftersom rotation medurs bryter flagellabunten separat, här pekar varje flagellum i en separat riktning. Om det inte finns någon kemisk gradient är bakteriernas rörelse slumpmässig, i detta fall rör sig bakterierna framåt. Bakterien simmar alltså och efter en tid stannar den upp och tumlar. Om det finns en kemisk gradient är tumlingen mindre frekvent och det sker en längre löpning, eller om det finns ett kemorepellerande ämne sker en längre löpning i motsatt riktning tillsammans med en mindre tumling.

Flagellär rörelse sker genom ett tvåkomponentsystem som nämns ovan, här är receptorn känd som Methyl-accepting Chemotaxis protein (MCP) och metylering av receptorn sker med hjälp av ett metyltransferas med namnet CheR, CheW är ett adapterprotein som binder sig till receptorn på ena sidan och binder sig till CheA på den andra sidan, och på så sätt kopplar CheA till ett sensorprotein. CheA är ett sensorhistidin-kinas som har en bevarad histidinrest. När ett kemorepellent ämne kommer och binder till MCP aktiveras MCP i sin tur, vilket aktiverar CheW som aktiverar CheA i kaskadform, aktiverat CheA orsakar autofosforylering av sin egen bevarade histidinrest och därefter överför CheA fosfatet till CheY, som är en responsregulator och har en bevarad aspartatrest, vilket resulterar i att ChsY sprids och interagerar med flagellära omkopplingsprotein FliM eller flagellära motorprotein, vilket leder till att flagellans rotation ändras från motsols till medurs.

CheY är ansvarig för kontrollen av flagellarmotorn. När förändringen av rotationen hos en enskild flagellum sker, orsakar det störningar i hela flagellabunten, vilket resulterar i tumling. CheY:s fosforyleringstillstånd kvarstår i några sekunder, och CheY avfosforyleras av CheZ, vilket är ansvarigt för signalavslutning och är känt som Asp-specifik fosforylering. CheY inaktiveras av CheZ. Bindning av attraktionsämnet har motsatt effekt, det orsakar inaktivering av receptorn, vilket i sin tur minskar fosforyleringen av CheA och CheY, vilket leder till att flagellerna roterar i motsatt riktning mot klockan, vilket innebär att bakterierna springer och simmar framåt. Bakterier desensibiliseras om det finns en högre koncentration av ligand som är högre än den vanliga högre koncentrationen.

NästaPrevious