Сигнална трансдукция

Сигнална трансдукция – процес на
регулация на функционална активност и
поведение на клетката, резултат от
промени в генната активност
(long distance communication)

Приемане на сигнала -
взаимодействието рецептор-
лиганд
Вътреклетъчни сигнални
пътища – последователност
от процеси включващи
последователно активиране
на адапторни молекули и
киназни семейства, които
водят до активиране на
транскрипционни фактори.
Клетъчен отговор –
експресия на определени
гени осигуряващи конкретен
адаптивен отговор на
клетката
Основни етапи на
процеса:

Биологични ефекти: Промени в генната експресия,
метаболизма и делене

Рецептори на клетъчната повърхност:
-Сигнални молекули включват пептидни хормони,
катехоламини, инсулин, растежни фактори,
цитокини и т.н.
Някои лиганди са хидрофобни (липофилни) и
преминават през клетъчната мембраната.
Рецепторите за такива лиганди са
вътреклетъчни (стероидни хормони, витамин Д) и
дори вътреядрени.

Видове Рецептори и лиганди:

Сигнали за еукариотните клетки да преминат от G0 в
G1 и да се делят или диференцират са два основни
вида екстрацелуларни лиганди
Митогени –стимулират митотично делене (екзогенен произход).
Растежни фактори – стимулират растежа на клетката и
митотичното делене (ендогенен произход).

1.Рецептори свързани с йонни канали
2.Рецептори свързани с ензими- протеин кинази или
фосфатази
3.Рецептори свързани с G-протеини (нар. се G-протеини
защото хидролизират GTP)
В еукариотните клетки съществуват три
основни типа трансмембранни рецептори

Рецептори свързани с йонни канали
Свързването на лиганда към
рецептора води до конформационни
промени на субединиците на
рецептора. Отваря се йонен канал и
йоните преминават през плазмената
мембрана.
Тези рецептори са характерни за
нервната и мускулна тъкан, като
трансформират химичния сигнал в
електричен и регулират
съкращаването на мускулната клетка.
Ацетил-холиновия рецептор е
типичен йонотропен рецептор.
Са йон се свързва с калмодулина
(CAM), който активира миозина

Кинази- ензими, които
присъединяват фосфатен
остатък към субстрата
Фосфатазите - ензими, които
елиминират фосфатен остатък
от субстрата.
Фосфорилирането е обратима
модификация свързана с
прехода от активно в неактивно
състояние на даден регулаторен
протеин
Рецептори свързани с ензими-протеин кинази или
фосфатази
Протеин
Ф-Протеин
ATФ
АДФ
Киназа
Фосфатаза
- Ф
Тирозин кинази: кинази присъединяващи фосфатен остатък към
аминокиселинният остатът на тирозина (Tyr).
Протеинкиназа В или Akt е киназа присъединяваща фосфатен
остатък към аминокиселинните остатъци на серин (Ser) или
треонин (Thr).

Рецептори свързани с тирозин-киназна активация
Рецептори, които съдържат
тирозин-киназни домени в
цитозолната си част и често се
осъществява
автофосфорилиране.
Свързването на рецептора с
лиганда води до:
1) полимеризиране на
рецептора;
2) активиране чрез
фосфорилиране на Tyr
 Към активния рецептор се присъединяват адапторни молекули -
вътреклетъчни сигнални (фосфо-инозитол-3-киназа, фосфолипаза С и др.)
които усилват и предават сигнала до транскрипционните фактори.
 Тирозин-киназни рецептори са: рецептори за растежни фактори (EGF;
NGF; IGFs, PDGF), инсулиновия рецептор и др.

Цитокинови рецептори
Цитокиновите рецептори са част от рецепторите свързани с
кинази и участват в клетъчната пролиферация и диференциация на
различни клетки основно чрез Jak/STAT сигнална трансдукция.
Много от цитокиновите рецептори предава сигнала чрез
асоцииране с цитозолни тирозин-кинази, напр. JAK (Janus kinase)
Активираната киназа
(JAK-Ф), активира чрез
фосфорилиране други
сигнални молекули
(STATs, signal transducer
and activators of
transcription), които
димеризират и
преминават в ядрото,
където регулират генната
транскрипция.

Основни интрацелуларни каскади
1.The PI3K/Akt/mTOR -
IR
2. The MAP kinase
(MAPK)
Ras/Raf/MEK/ERK
3. IP3/Ca2+
4. AMP /protein kinase
A/CREB
5. The Jak/STAT –
cytokines

Основни посредници ангажирани в
сигналната трансдукция са различни
видове кинази, (MAPK) :
1.ERK-
кинази
2.JNK
кинази
3.Р38
кинази

Рецептори свързани с G-протеинни
адаптори
Рецепторите свързани с G-протеини са
изградени от 7 α-спирали.
Свързването на лиганда към рецептора
“привлича” G-протеина (ГТФ свързващи
протеини), който се активира от GTP.
Активният G-протеин, активира други мембрамно-свързани
ензими (основно аденилат циклаза; фосфолипаза С) и се получават
сигнални молекули- вторични месенджъри- cAMP, IP3, и др.

7ТМ (седем трансмембранни
домена) рецептори -GPCRs G-
протеин свързани рецептори;
~ 200 функционално известни R
~ 600 функционално
неразпределени рецептори (orphan)
Стотици сензорни R (мирис, вкус
и виждане)
Примери: бета2-адренергичен
рецептор (открит от Лефковиц R;
отговорен за биологичният
отговор: «бий се или бягай»,
отключван от епинефрин /
адреналин
Всички G протеин-свързани
рецептори наподобяват адренергичния
рецептор в тяхната АК секвенция и
мембрана топография
-адренергичен
рецептор

G binding site
(intracellular site)
Вътреклетъчно сигнализиране, медиирано от G протеин-свързан
мембранни рецептори
(Глюкагон, епинефрин и тромбин като сигнални молекули)

G-протеиново семейство
G-протеините са типичен пример за адапторни молекули. Те са
съставени от три субединици и са активни, когато алфа
субединицата се свързва с GTP и активира следващия ефекторен
белтък от сигналната каскада.
G-протеин- участват в сигнални пътища за клетъчната адхезия,
пролиферация, диференциация, миграция и апоптоза.
G-протеинините са открити от Alfred G. Gilman and Martin Rodbell
investigated stimulation of cells by adrenaline ; Нобелова нограда 1994

Аденилатциклазата (аденилил
циклаза) катализира прехода:
АТР = сАМР + PPi
Цикличен AMP в клетката се
счита за вторичен сигнал

Повишената концентрация на
сАМР води до увеличаване на
генната транскрипция.
Активираната РКА влиза в
ядрото и фосфорилира
CREB (cAMP Response
Element Binding protein).
След фосфорилиране CREB
свърза коактиватор СВР
(CREB свързващ протеин).
Този комплекс разпознава
определена промоторна
секвенция и стимулира
генната транскрипция.

GTP-protein activates Adenylate cyclase or Phospholipase C.
Phospholipase C cleaves membrane PIP2 in DAG and IP3 (second
mesendger)
Angiotensin R – G-protein activate protein kinase C

Каскаден принцип на сигналната трансдукция -след
активирането на рецептора, чрез киназа или G-протеин, се
активират други вътреклетъчни протеини, които активират
следващи и т.н.

Чрез сигналната трансдукция,
“сигнала” се усилва и предава към
ядрото на клетките.
В края на сигналната каскада се
активират съответните
транскрипционни фактори.
Транскрипционни фактори са ДНК-
свързващи белтъци, които
разпознават определена секвенция от
5’-регулаторните участъци на гените
_(промотори и енхансери) и
регулират транскрипцията им.
Ключови транскрипционни фактори
са семействата на NF-kB, AP-1,,
Wnt и др.

Ras протеините (спадат към G-
протеините) са участващи в
клетъчното сигнализиране от
растежни фактори
Мутации или амплификация на
гена за Ras, водят до неговата
постоянна активност и са открити
в различни тумори при човек
(меланома, колоректален рак, рак
на панкреаса и др.)
K-ras, H-ras при КРК са свързани с
ефективността от адювантна
терапия
Протоонкогени - гени регулиращи клетъчната пролиферация
Гените на участващите протеини в сигналната трансдукция –
гени за рецептори на растежни фактори (EGF, IGF, TGF), гени за
Ras протеини, гени за тирозин кинази (abl, src) се отнасят към
протоонкогените.
Основен път на регулация на клетъчната пролиферация включван от
Рецептори за разтежни хормони

1. TLR-лиганд
взаимодействие;
2. Белтъци на
трансцукцията: TIR,
MyD88, IRAK
3. Комплекс от инхибитор
и неактивен
транскрипционен
фактор
4. Освобождаване на
активен ТФ и
транслокация в ядрото;
5. Експресия на
инфламаторни
цитокини и
антиапаптотични
фактори, осигуряващи
преживяемостта на
клетката
Основен път на сигнална трансдукция
отговорен за преживяемостта на
клетката : NFkB
основна роля и при вродения
имунитет

Основен път на сигнална
трансдукция отговорен за
метаболитна регулация –
Инсулинов път (Insulin
signaling pathway regulate
glucose and lipid metabolism)
Включва и IGF-R
IR активира phosphoinositol 3-
kinase – Akt –glut (glucose
transporters). Инсулиновото
действие е противоположно на
епинефрина
 IR може да взаимодейства с
киназа, поради което действието
на инсулина включва
разнообразни клетъчни процеси

Levels of blood sugar
(glucose) regulate secretion
of hormones from
the pancreas
Pancreas secretes insulin
when glucose levels are high
Insulin binds to insulin
receptors on fat and
muscle and “promotes”
glucose uptake
Overall effect: blood glucose
levels return to normal

Основен принцип на сигналната трансдукция: един
сигнал – многофакторен отговор
Сигнали от различни
рецептори, от различни
пътища в клетката се
преплитат и влият
взаимно.
Резултата:
координирана генна
експресия на много
функционално свързани
гени

Ras super family
Ras е протеиново суперсемейство на малки GTPases, основните
човешки членовете на която са KRAS, НRAS, и HRAS).
Суперсемейството Ras е разделено на 6 подсемейства:
Ras, Ral, Rit, Rap, Rheb, Rad .
Основна функция на Ras протеините е включване на клетъчна
пролиферация. Ras мутации или генна амплификация на Ras гените,
водещи до постоянна активация са включени в развитието на
тумори (меланома, колоректален рак, рак на панкреаса, и т.н.)..