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Signaltransduktion
Molekularbiologie und Genetik: Gene und Genome
Wintersemester 2009/2010
Katja Arndt
1
K. Arndt, 2009
Signaltransduktion
•
Signalübertragungsweg / Signaltransduktionsweg
= Prozess, durch den Signal an Zelloberfläche in spezifische
Zellantwort umgesetzt wird, besteht aus mehreren Schritten.
•
Derartige Mechanismen entwickelten sich vermutlich bereits bei den
Urformen der Pro- und Eukaryoten und wurden bei den viel später
entstandenen vielzelligen Organismen für neue Funktionen
abgewandelt.
•
Unsere heutigen Kenntnisse gehen auf die Pionierarbeiten von Earl
W. Sutherland zurück, der 1971 den Nobelpreis erhielt:
”for his discoveries concerning the
mechanisms of the action of hormones. ”
Sutherland untersuchte, wie Adrenalin in Leber- und
Skelettmuskelzellen den Abbau von Glykogen anregt.
Earl W. Jr. Sutherland (1915-1974)
Vanderbilt University, Nashville, TN, USA.
2
K. Arndt, 2009
Überblick
I. Einleitung Signaltransduktion, Zell-Kommunikation
II. Rezeptoren
1. Zelloberflächen-Rezeptoren:
2. Intrazelluläre Rezeptoren
A) Ionenkanal-Rezeptoren
B) G-Protein gekoppelte Rezeptoren
C) Enzymgekoppelte Rezeptoren
III.Signalübertragung und Zellantwort
1. Signalwege über G-Proteine:
A) Adenylatcyclase, cAMP, PKA
B) Phospholipase C, DAG, IP3
2. Signalwege über enzymgekoppelte Rezeptoren:
A) Ras, MAP-Kinase
3
K. Arndt, 2009
Signalübertragungswege
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K. Arndt, 2009
I. Einleitung Signaltransduktion, Zell-Kommunikation
Direkte Zell-Zell Kommunikation
• Direkte Verbindung des Cytoplasmas benachbarter Zellen in
Tieren (Gap junctions) und Pflanzen (Plasmodesmata)
→ erlaubt eine direkte Diffusion von im Cytosol gelösten
Signalmolekülen.
Gap junction: Austausch nur von kleinen
Molekülen, z.B. Ca2+, cAMP, nicht jedoch
Makromoleküle wie Proteine, DNA.
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K. Arndt, 2009
I. Einleitung Signaltransduktion, Zell-Kommunikation
Direkte Zell-Zell Kommunikation
• Tierzellen kommunizieren auch über sich unmittelbar
berührende Oberflächenmoleküle.
• Diese Art der Signalübertragung ist vor allem in der
embryonalen Entwicklung und beim Immunsystem von
Bedeutung.
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K. Arndt, 2009
I. Einleitung Signaltransduktion, Zell-Kommunikation
Lokaler Signalaustausch
Beispiel: Wachstumsfaktoren
• Signale von einer einzigen
Zelle können viele Zellen in
der näheren Umgebung
ansprechen.
 Solche lokal wirkende
Signale bei Tieren sind
Parakrine Faktoren.
 Autokrine Faktoren
wirken auf dieselbe Zelle.
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K. Arndt, 2009
I. Einleitung Signaltransduktion, Zell-Kommunikation
Lokaler Signalaustausch
Beispiel: Neurotransmitter
• Eine Nervenzelle produziert ein
chemisches Signal (Neurotransmitter),
das zu einer einzelnen Zielzelle
diffundiert.
• Ein elektrisches Signal wird über die
gesamte Länge der Nervenzelle
weitergeleitet und löst im
synaptischen Spalt die Ausschüttung
von Neurotransmittern aus.
<100nm
• Ein Signal kann so gezielt über weite
Distanzen weitergeleitet werden.
 Schnelle Diffusion (<1 ms)
 Schnelles präzises Signal
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K. Arndt, 2009
I. Einleitung Signaltransduktion, Zell-Kommunikation
Signalaustausch über weite Entfernung
• Signalaustausch über große
Entfernung erfolgt bei Tieren und
Pflanzen durch Hormone.
 Das Hormonsystem in Tieren wird
endokrines System genannt.
 Endokrines System ist langsamer
(z.B. Signal bewirkt Veränderung der
Genexpression)
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K. Arndt, 2009
I. Einleitung Signaltransduktion, Zell-Kommunikation
Überblick Signaltransduktion
1.Reception / Erkennung.
Die Zelle erkennt einen Signalstoff in ihrer Umgebung. Dies
erfolgt durch Bindung an ein spezifisches Rezeptorprotein, das
sich in der Zellmembran auf der Zelloberfläche ODER im
Zellinneren (Kern, Cytosol) befindet.
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K. Arndt, 2009
I. Einleitung Signaltransduktion, Zell-Kommunikation
Überblick Signaltransduktion
2. Transduction / Übertragung.
Die Bindung des Signalmoleküls bewirkt eine strukturelle Veränderung
des Rezeptors, was eine Übertragung des Signals bewirkt.
In der Regel erfolgt eine Abfolge von Veränderungen in einer ganzen
Kaskade, daher Signalübertragungsweg genannt.
Die einzelnen Moleküle dieses Weges nennt man auch
Überträgermoleküle.
11
K. Arndt, 2009
I. Einleitung Signaltransduktion, Zell-Kommunikation
Überblick Signaltransduktion
3. Response / Antwort.
12
Das Signal löst eine spezifische Antwort der Zelle aus, z.B.
– Katalyse eines Stoffwechselprozesses durch ein Enzym.
– Umbau des Cytoskeletts.
– Aktivierung oder Abschaltung bestimmter Gene.
K. Arndt, 2009
II. Rezeptoren
Typen von Rezeptoren
•
•
•
•
•
Rezeptorproteine meist in der Plasmamembran.
Signalmoleküle oft wasserlöslich und groß und daher nicht membrangängig.
Rezeptor vermittelt Signal von der Zelloberfläche ins Zellinnere durch
Konformationsänderung oder Aggregation.
Wichtigste Typen von Membranrezeptoren auf der Zelloberfläche:
A. Ionenkanal-Rezeptoren
B.
G-Protein gekoppelte Rezeptoren
C.
Enzymgekoppelte Rezeptoren
Rezeptoren im Zellinneren:
D. Rezeptoren für Steroid- und
Schilddrüsenhormone, NO
13
K. Arndt, 2009
II. Rezeptoren – 1. Zelloberflächen-Rezeptoren – A) Ionenkanal Rezeptoren
A) Ionenkanal-Rezeptoren
Ligandengesteuerte Ionenkanäle sind
Proteinporen in der Plasmamembran
Chemisches Signal
Öffnen oder Schließen
des Ionenkanals
Konzentrationsänderung
bestimmter Ionen, z.B. Na+, Ca2+
Antwort der Zelle
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K. Arndt, 2009
II. Rezeptoren – 1. Zelloberflächen-Rezeptoren – A) Ionenkanal Rezeptoren
Beispiel: Chemische Synapse
15
•
Neurotransmitter werden von der
präsynaptischen Zelle ausgeschüttet und
binden den Rezeptor des postsynaptischen
Ionenkanals.
•
Neurotransmitter werden schnell abgebaut
oder von anderen Neuronen aufgenommen, so
dass das Signal kurz und präzise ist.
K. Arndt, 2009
II. Rezeptoren – 1. Zelloberflächen-Rezeptoren – B) G-Protein gekoppelte Rezeptoren
B) G-Protein gekoppelte Rezeptoren
• ... wechselwirken mit einem intrazellulär an der Membran
verankertem G-Protein (= GTP bindendes Protein), das das
Signal weiterleitet.
• ... bilden die größte Familie der ZelloberflächenRezeptoren aus (~1000 involviert in Geruchserkennung).
• ... binden eine Vielzahl von unterschiedlichen
Signalmolekülen.
• ... kommen in verschiedenen Familien vor (z.B. Adrenalin
bindet an mind. 9 verschiedene Rezeptoren).
Nobelpreis 1994 an Gilman
und Rodbell "for their
discovery of G- proteins and
the role of these proteins in
signal transduction in cells".
Alfred G. Gilman (1941-)
16
University of Texas Southwestern Medical
Center at Dallas, Dallas, TX, USA
Martin Rodbell (1925-1998)
National Institute of Environmental Health
Sciences, Research Triangle Park, NC, USA
K. Arndt, 2009
II. Rezeptoren – 1. Zelloberflächen-Rezeptoren – B) G-Protein gekoppelte Rezeptoren
Struktur des Rezeptors
Sieben Transmembran Helices
Beispiel:
Struktur von Rhodopsin
17
K. Arndt, 2009
II. Rezeptoren – 1. Zelloberflächen-Rezeptoren – B) G-Protein gekoppelte Rezeptoren
G-Proteine als molekularer Schalter
G-Proteine wirken
als ‘Schalter’
– ‘ein’ oder ‘aus’
18
‘aus’
‘ein’
GDP gebunden
GTP gebunden
K. Arndt, 2009
II. Rezeptoren – 1. Zelloberflächen-Rezeptoren – B) G-Protein gekoppelte Rezeptoren
G-Proteine
• G-Proteine bestehen aus drei
Untereinheiten: α, β, γ.
Inaktiver Zustand:
• α und γ Untereinheit sind auf der
cytosolischen Seite der Membran
verankert.
• α Untereinheit bindet GDP oder GTP.
• Verschiedene Typen von G-Proteinen
für bestimmte Rezeptoren und
bestimmte Zielmoleküle.
19
K. Arndt, 2009
II. Rezeptoren – 1. Zelloberflächen-Rezeptoren – B) G-Protein gekoppelte Rezeptoren
Aktivierung der G-Proteine
Bindung eines extrazellulären Signalmoleküls
Konformationsänderung
des Rezeptors
Konformationsänderung
des G-Proteins
Austausch von GDP gegen GTP
Dissoziation
α-Untereinheit
βγ-Untereinheit
Aktivierung weiterer Zielproteine
20
•
Der Rezeptor bleibt aktiv solange ein Signalmolekül gebunden ist.
K. Arndt, 2009
II. Rezeptoren – 1. Zelloberflächen-Rezeptoren – B) G-Protein gekoppelte Rezeptoren
Konformationsänderung der α-Untereinheit
21
K. Arndt, 2009
II. Rezeptoren – 1. Zelloberflächen-Rezeptoren – B) G-Protein gekoppelte Rezeptoren
Aktivierung von Zielmolekülen
22
K. Arndt, 2009
II. Rezeptoren – 1. Zelloberflächen-Rezeptoren – B) G-Protein gekoppelte Rezeptoren
Inaktivierung der G-Proteine
• Schnelle Inaktivierung
durch GTPase Aktivität
der α-Untereinheit
(Hydrolyse von GTP zu
GDP).
• GTPase Aktivität
erhöht durch Bindung
an Zielprotein oder an
einen Modulator RGS
(regulator of G protein
signaling).
23
K. Arndt, 2009
II. Rezeptoren – 1. Zelloberflächen-Rezeptoren – B) G-Protein gekoppelte Rezeptoren
Diversität G-Protein gekoppelter Signalwege
Ca. 60% aller Medikamente
wirken auf die Signalübertragungswege der
G-Proteine.
24
K. Arndt, 2009
II. Rezeptoren – 1. Zelloberflächen-Rezeptoren – B) G-Protein gekoppelte Rezeptoren
Diversität von G-Protein gekoppelten
Signalwegen
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K. Arndt, 2009
II. Rezeptoren – 1. Zelloberflächen-Rezeptoren – C) Enzymgekoppelte Rezeptoren
C) Enzymgekoppelte Rezeptoren
•
Bindung von Wachstumsfaktoren sehr geringer Konzentration (nM - pM).
•
Signalantwort in der Regel langsam (Stunden) und über mehrere Schritte.
•
Einteilung in sechs Klassen:
– Rezeptor Tyrosinkinasen (RTK): Phosphorylieren Tyrosine von spezifischen
intrazellulären Signalproteinen.
– Tyrosinkinase assoziierte Rezeptoren: Assoziieren mit intrazellulären
Proteinen, die Tyrosinkinase Aktivität besitzen.
– Rezeptorähnliche Tyrosinphosphatasen: Entfernen Phosphatgruppen von
Tyrosinsn von spezifischen intrazellulären Signalproteinen.
– Rezeptor Serin/Threoninkinasen: Phosphorylieren spezifische Ser oder Thr
von assoziierten Genregulationsproteinen.
– Rezeptor Guanylyl Cyclasen: Katalysieren direkt die Produktion von cGMP im
Cytosol.
– Histinkinase assoziierte Rezeptoren: Aktivieren einen “zwei Komponenten”
Signalweg, bei dem die Kinase sich selbst phosphoryliert and dann dieses
Phosphat sofort auf ein sekundäres Signalprotein übertragen wird.
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K. Arndt, 2009
II. Rezeptoren – 1. Zelloberflächen-Rezeptoren – C) Enzymgekoppelte Rezeptoren
Rezeptor-Tyrosinkinasen: Subfamilien
•
Transmembranproteine:
– extrazellulärer Ligandbindungsstelle
– eine Transmembranhelix
– cytosolischer Domäne mit Enzymaktivität oder direkt assoziiert mit
Enzym.
•
Klassifizierung in verschiedene Subfamilien.
27
K. Arndt, 2009
II. Rezeptoren – 1. Zelloberflächen-Rezeptoren – C) Enzymgekoppelte Rezeptoren
Rezeptor-Tyrosinkinasen: Aktivierung
• Katalysieren die Übertragung einer Phosphat-Gruppe von ATP
auf spezifische Tyrosinreste im Rezeptormolekül
(Autophosphorylierung) oder in assoziierten intrazellulären
Substratproteinen.
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K. Arndt, 2009
II. Rezeptoren – 1. Zelloberflächen-Rezeptoren – C) Enzymgekoppelte Rezeptoren
Beispiele für Rezeptor “Crosslinking”
A. Platelet-derived growth factor (PDGF): Kovalent verbundenes Dimer
mit zwei Rezeptor-Bindungsstellen.
B. Fibroblast growth factors (FGFs): Monomer, bindet in Klustern an
Proteoglykane und kann darüber Rezeptor vernetzen.
C. Ephrin: Monomer, membrangebunden, Vernetzung durch Kluster in
der Zellmembran.
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K. Arndt, 2009
II. Rezeptoren – 1. Zelloberflächen-Rezeptoren – C) Enzymgekoppelte Rezeptoren
Phosphorylierungskaskade
30
K. Arndt, 2009
II. Rezeptoren – 1. Zelloberflächen-Rezeptoren – C) Enzymgekoppelte Rezeptoren
Der Gegenspieler von Proteinkinasen:
Protein Phosphatasen
• Dephosphorylierung von pSer und pThr durch 4 Typen von
Serin/Threonin-Phosphoprotein Phosphatasen:
– Typ I: Dephosphoryliert die meisten Proteine, die durch PKA
phosphoryliert wurden.
– Typ IIA: sehr breite Spezifität, hebt viele durch
Serin/Threonin-Kinasen verursachte Phosphorylierungen auf.
– Typ IIB (Calcineurin): wird durch Ca2+ aktiviert, vorwiegend im
Gehirn.
– Typ IIC: nicht mit den anderen Typen verwandt.
• Phosphatasen (außer Typ IIC) bestehen aus einer homologen
katalytischen Untereinheit und unterschiedlich vielen
regulatorischen Untereinheiten.
31
K. Arndt, 2009
II. Rezeptoren – 2. Intrazelluläre Rezeptoren
Intrazelluläre-Rezeptoren
• Nicht alle Signalrezeptoren sind Membranproteine.
• Rezeptoren können gelöst im Cytosol oder im Kern
vorliegen.
• Durch Signalmoleküle aktivierte Rezeptoren wirken
in der Regel als Transkriptionsfaktoren.
 Die meisten intrazellulären Rezeptoren sind für
die gesamte Übertragung des Signals
verantwortlich.
Zeitskala der Zellantwort:
Wasserlösliche
Signalmoleküle
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Wasserunlösliche
Signalmoleküle
parakrine
Faktoren
Hormone
SteroidHormone
SchilddrüsenHormone
Sekunden,
Millisekunden
Minuten
Stunden
Tage
K. Arndt, 2009
II. Rezeptoren – 2. Intrazelluläre Rezeptoren
Membrangängige Signalmoleküle
• Signalmoleküle sind hydrophob und binden an spezifische
Trägerproteine für den Transport in extrazellulärer
Flüssigkeit.
• Beispiele für membrangängige Signalmoleküle:
– Steroid Hormone
– Schilddrüsenhormone
– Retinoide
– NO
33
K. Arndt, 2009
II. Rezeptoren – 2. Intrazelluläre Rezeptoren
Wirkungsweise eines Kern-Rezeptors
•
•
•
Alle Kern-Hormonrezeptoren binden DNA als Homo-oder Heterodimere
(hier nur als Monomer gezeigt).
Inaktiv: Rezeptor ist an inhibitorisches Protein gebunden.
Aktiv: Ligandenbindung bewirkt Dissoziation des inhibitorischen Proteins
und Bindung eines Co-Aktivators an die Transaktivierungsdomäne.
inaktiv
34
aktiv
K. Arndt, 2009
II. Rezeptoren – 2. Intrazelluläre Rezeptoren
Wirkungsweise von NO
35
•
NO reguliert z.B. Kontraktion der glatten Muskulatur:
•
Acetylcholin aus Nervenzellen stimuliert NO Synthese in Endothelzellen.
•
NO diffundiert zu benachbarten Muskelzellen und bewirkt die Bildung
von cGMP.
•
Halbwertszeit von NO sehr kurz, 5-10 Sekunden.
K. Arndt, 2009
Überblick
I. Einleitung Signaltransduktion, Zell-Kommunikation
II. Rezeptoren
1. Zelloberflächen-Rezeptoren:
2. Intrazelluläre Rezeptoren
A) Ionenkanal-Rezeptoren
B) G-Protein gekoppelte Rezeptoren
C) Enzymgekoppelte Rezeptoren
III.Signalübertragung und Zellantwort
1. Signalwege über G-Proteine:
A) Adenylatcyclase, cAMP, PKA
B) Phospholipase C, DAG, IP3
2. Signalwege über enzymgekoppelte Rezeptoren:
A) Ras, MAP-Kinase
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K. Arndt, 2009
III. Signalübertragung und Zellantwort
Signalübertragungswege
Relay protein: übermittelt Signal zur nächsten
Kompenente des Signalweges.
Adaptor protein: verbindet Signalmoleküle miteinander
ohne selbst an der Signalübertragung beteiligt zu sein.
Amplifier protein: (meist Enzym oder Ionenkanal)
vervielfältigt Signal durch Produktion einer Vielzahl
kleiner Signalmoleküle oder durch Aktivierung von vielen
Signalproteinen. Bei vielen solchen Schritten spricht
man von Signalkaskade.
Transducer protein: konvertiert Signal in andere Form
(z.B. Enzym synthetisiert cAMP).
Messenger protein: übermittelt Signal von einem Teil
der Zelle zu einem anderen (z.B. vom Cytosol zum Kern).
Bifurcation protein: übermitteln Signal von einem
Signalweg zu einem anderen.
Integrator protein: vereinigen Signale aus
verschiedenen Signalwegen.
Latent regulatory protein: wird an der Zelloberfläche
durch aktivierte Rezeptoren stimuliert, wandert in den
Zellkern und stimuliert Gentranskription.
37
K. Arndt, 2009
III. Signalübertragung und Zellantwort
Signalübertragungswege
Modulator protein: modifiziert die Aktivität von
Signalmolekülen und reguliert damit die Stärke des
Signals.
Anchoring protein: hält spezifische Signalmoleküle an
einer bestimmten Stelle in der Zelle durch Anbindung an
eine Membran oder das Cytoskelett.
Scaffold protein: ist ein Adaptor und/oder Anchoring
protein, das verschiedene Signalproteine in einem
funktionalen Komplex vereinigt und häufig an eine
bestimmte Stelle bindet.
38
K. Arndt, 2009
III. Signalübertragung und Zellantwort
Zwei Hauptwege der Signalübertragung
G-Protein gekoppelte
Rezeptoren
39
Signalübertragung
durch G-Proteine
Enzymgekoppelte
Rezeptoren
Signalübertragung
durch Phosporylierung
K. Arndt, 2009
III. Signalübertragung und Zellantwort – 1. Signalwege über G-Proteine
Signalübertragungswege
extrazellulär:
• G-Protein
gekoppelte
Rezeptoren
• Rezeptor
Tyrosin Kinasen
intrazellulär:
• Steroidhormon
Rezeptoren
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K. Arndt, 2009
III. Signalübertragung und Zellantwort – 1. Signalwege über G-Proteine – A) Adenylatcyclase, cAMP, PKA
G-Proteine regulieren Adenylatcyclase
41
K. Arndt, 2009
III. Signalübertragung und Zellantwort – 1. Signalwege über G-Proteine – A) Adenylatcyclase, cAMP, PKA
Sekundäre Botenstoffe
• Nicht alle Komponenten eines Signalweges sind Proteine.
• Sekundäre Botenstoffe (Second Messenger)
= kleine, wasserlösliche Moleküle oder Ionen.
(Primärer Botenstoff = von außen kommendes Signal.)
• Leichte Ausbreitung durch Diffusion ermöglicht die
Vermittlung des Signals z.B. von der Zellmembran ins
Zellinnere.
• Die häufigsten Sekundären Botenstoffe sind:
– zyklisches AMP (cAMP)
– Calciumionen (Ca2+)
– Diacylglycerin (DAG)
– Inositoltriphosphat (IP3)
42
K. Arndt, 2009
III. Signalübertragung und Zellantwort – 1. Signalwege über G-Proteine – A) Adenylatcyclase, cAMP, PKA
Bildung von cAMP durch Adenylatcyclase
•
cAMP spielt bei vielen G-Protein
vermittelten Signalwegen eine Rolle.
cAMP Aufbau durch Adenylatcyclase
cAMP Abbau durch Phosphodiesterase
43
K. Arndt, 2009
III. Signalübertragung und Zellantwort – 1. Signalwege über G-Proteine – A) Adenylatcyclase, cAMP, PKA
Stimulatorische u. Inhibitorische G-Proteine
Stimulatorische G-Proteine (Gs):
aktivieren Adenylat-Cyclase
44
Inhibitorische G-Proteine (Gi):
inhibieren Adenylat-Cyclase
K. Arndt, 2009
III. Signalübertragung und Zellantwort – 1. Signalwege über G-Proteine – A) Adenylatcyclase, cAMP, PKA
Cholera und Pertussis
Cholera: BakteriumVibrio cholerae
•
Cholera Toxin ist ein Enzym, das ADP-Ribose von NAD+ auf die
α-Untereinheit eines Gs-Proteins überträgt.
•
Dies verhindert die Hydrolyse von gebundenem GTP (G-Protein
immer ‘an’).
•
Aktiviertes G-Protein stimuliert die Adenylat-Cyclase, erhöht
cAMP Konzentration.
•
Erhöhter cAMP Spiegel in den Epithelzellen des Darms
bewirkt starken Einstrom von Cl– und Wasser in den Darm, was
starken Durchfall auslöst.
Pertussis (Keuchhusten): Bakterium Bordetella pertussis
45
•
Pertussis Toxin katalysiert die Übertragung von ADP-Ribose
auf die α-Untereinheit eines Gi-Proteins.
•
Dies verhindert die Interaktion der α-Untereinheit mit dem
Rezeptor, so dass GDP nicht durch GTP ausgetauscht werden
kann (G-Protein immer ‘aus’).
K. Arndt, 2009
III. Signalübertragung und Zellantwort – 1. Signalwege über G-Proteine – A) Adenylatcyclase, cAMP, PKA
Wirkung von cAMP
• cAMP aktiviert cAMP-abhängige
Proteinkinase (PKA).
• cAMP kann auch direkt auf
spezielle Ionenkanäle wirken.
Signalleitung über cAMP kann
sehr schnell sein:
Nervenzellen reagieren auf
Neurotransmitter Serotonin über GProtein gekoppelten Rezeptor mit
einem schnellen Anstieg von cAMP
(von 5x10-8 M auf 10-6 M).
46
K. Arndt, 2009
III. Signalübertragung und Zellantwort – 1. Signalwege über G-Proteine – A) Adenylatcyclase, cAMP, PKA
cAMP abhängige Proteinkinase (PKA)
•
cAMP abhängige Proteinkinase
(PKA) ist ein Komplex aus zwei
katalytischen und zwei
regulatorischen Untereinheiten.
1. cAMP aktiviert katalytische
Untereinheit
2. katalytische Untereinheit
wandert in Kern, aktiviert CREB
(=CRE-binding protein).
3. CREB bindet an CRE (cAMP
responsive element), aktiviert
Gentranskription.
47
K. Arndt, 2009
Signalkaskaden verstärken das Signal
Beispiel: Adrenalin
vermittelter
Glykogenabbau
48
K. Arndt, 2009
III. Signalübertragung und Zellantwort – 1. Signalwege über G-Proteine – B) Phopholipase C, DAG, IP3
Signalübertragungswege
extrazellulär:
• G-Protein
gekoppelte
Rezeptoren
• Rezeptor
Tyrosin Kinasen
intrazellulär:
• Steroidhormon
Rezeptoren
49
K. Arndt, 2009
III. Signalübertragung und Zellantwort – 1. Signalwege über G-Proteine – B) Phopholipase C, DAG, IP3
G-Proteine regulieren Phospholipase CAktivität
50
K. Arndt, 2009
III. Signalübertragung und Zellantwort – 1. Signalwege über G-Proteine – B) Phopholipase C, DAG, IP3
Phopholipase C bildet zwei sekundäre
Botenstoffe (DAG, IP3)
DAG
IP3
51
K. Arndt, 2009
III. Signalübertragung und Zellantwort – 1. Signalwege über G-Proteine – B) Phopholipase C, DAG, IP3
Wirkungsweise von IP3
• IP3 diffundiert von der Membran durch das Cytosol zum ER
und öffnet Ca2+-Kanäle.
Deaktivierung der IP3
Wirkung durch:
– Dephosphorylierung
von IP3 zu IP2.
– Phosphorylierung von
IP3 zu IP4.
– Entfernen von Ca2+.
52
K. Arndt, 2009
III. Signalübertragung und Zellantwort – 1. Signalwege über G-Proteine – B) Phopholipase C, DAG, IP3
Phospholipase C
• G-Proteine können membrangebundene Phospholipase C β
aktivieren.
EF-hand: Bindung von Ca2+
PH: Bindung von
Inositolphosphat
53
C2: Bindung von Phospholipiden
K. Arndt, 2009
Protein Interaktionsdomänen
54
http://pawsonlab.mshri.on.ca/
→domains - map
K. Arndt, 2009
III. Signalübertragung und Zellantwort – 1. Signalwege über G-Proteine – B) Phopholipase C, DAG, IP3
Wirkungsweise von DAG
Diacylglycerin (DAG)
–
–
In der Membran verankert.
Zwei potentielle Signalwege:
A. Abspaltung von Arachidonsäure:
– wirkt direkt als Signalgeber.
– wird für die Synthese von Eicosanoiden verwendet (z.B.
Prostaglandin).
B. DAG aktiviert Serin/Threonin-Proteinkinase C (PKC)
Serin/Threonin-Proteinkinase C (PKC)
–
55
Phosphoryliert verschiedene
Zielproteine (abhängig vom Zelltyp).
K. Arndt, 2009
III. Signalübertragung und Zellantwort – 2. Signalwege über enzymgekoppelte Rezeptoren
Signalübertragungswege
extrazellulär:
• G-Protein
gekoppelte
Rezeptoren
• Rezeptor
Tyrosin Kinasen
intrazellulär:
• Steroidhormon
Rezeptoren
56
K. Arndt, 2009
III. Signalübertragung und Zellantwort – 2. Signalwege über enzymgekoppelte Rezeptoren – A) Ras, MAP-Kinase
Signalprotein Ras
•
•
•
•
Gehört zur Ras-Superfamilie monomerer GTPasen.
Aktiviert durch Guanine nucleotide exchange factors (GEF): Austausch von GDP
zu GTP (z.B. Sos).
Inaktiviert durch GTPase-activating proteins (GAP): beschleunigen Katalyse von
gebundenem GTP.
Adaptorprotein (z.B. Grb-2) stellt Verbindung zwischen Rezeptor-Tyrosinkinase
und Ras her:
– Grb-2 bindet über SH2-Domäne an pTyr von RTK und über SH3-Domäne an
Pro-reiche Regionen in GEF Sos.
Grb-2 Struktur
(z.B. Sos)
57
z.B. MAP-Kinase Weg
K. Arndt, 2009
III. Signalübertragung und Zellantwort – 2. Signalwege über enzymgekoppelte Rezeptoren – A) Ras, MAP-Kinase
Ras aktiviert MAP-Kinase
Phosphorylierungskaskade
•
Kurzlebige Signale (RTK, Ras) müssen
in längerlebige Signale umgewandelt
werden.
•
Aktiviertes Ras triggert dies durch
Aktivierung verschiedener Ser-/ThrKinasen.
•
3 Kern-Module in der
Phosphorylierungskaskade:
1. MAP (mitogen-activated protein)
Kinase wird spezifisch durch MAPKinase-Kinase aktiviert
(Phosphorylierung von Ser und Tyr).
Ras
pTyr+pSer
2. MAP-Kinase-Kinase wird durch MAPKinase-Kinase-Kinase aktiviert.
3. MAP-Kinase-Kinase-Kinase wird durch
Ras aktiviert.
30% aller menschlicher Tumore
haben hyperaktive ras Mutation.
58
z.B. Gen für G1 cyclin (→Zellvermehrung)
K. Arndt, 2009
III. Signalübertragung und Zellantwort – 2. Signalwege über enzymgekoppelte Rezeptoren – A) Ras, MAP-Kinase
Verschiedene MAP-Kinase Wege
59
K. Arndt, 2009
Beispiel: Synthetischer Rezeptor
Projekt mit Studierenden (5.-9.Semester)
durchgeführt im Rahmen von:
iGEM (international Genetically Engineered Machine)
Competition
Annual, world-wide competition of untergraduates
in Synthetic Biology (MIT)
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K. Arndt, 2009
iGEM: Das GROSSpraktikum...
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K. Arndt, 2009
...mit Finale am MIT in Boston
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K. Arndt, 2009
DNA Origami: Forcing DNA in Shapes
Folded origami structure
T↓
Long (7256 nt) ssDNA
216 staple oligonucleotides
(P. Rothemund, 2006)
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6 nm grid
K. Arndt, 2009
DNA Origami: Forcing DNA in Shapes
M13 ssDNA,
Länge 7256 nt
Rectangle
width: 103.7 nm, 27 turns, (288 nt)
height: approx. 60 nm, 24 helices
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Atomic Force Microscopy (AFM)
K. Arndt, 2009
iGEM Competition 2008
Freiburg iGEM team 2008
http://2008.igem.org/Team:Freiburg
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K. Arndt, 2009
iGEM 2008: Synthetic Receptors
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K. Arndt, 2009
iGEM 2008: Synthetic Receptors
Activation of receptors by ligands coupled to DNA origami
Inactive state,
split enzyme
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Active state,
restored enzyme
K. Arndt, 2009
Receptor Activation by Origami
Inactive
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Active
K. Arndt, 2009
Vize-Weltmeister 2008!
iGEM 2008:
84 Teams aus 21 Ländern
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K. Arndt, 2009
Interesse an iGEM?
Freiburg iGEM 2009 Teams:
Bioware und Software
Mehr Infos nächsten Dienstag
oder
[email protected]
[email protected]
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K. Arndt, 2009
Fast fertig …
Zusammenfassung: Signaltransduktion am Beispiel
Adrenalin aktivierter G-Proteine
The Tao of Hormones
Text:
Kevin Ahern
Performance: Tim Karplus
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Song:
“Sounds of Silence”,
(Simon & Garfunkel)
Animation:
Katja Arndt
K. Arndt, 2009
Adrenalin (epinephrine)
Biochemistry my friend
It's time to study you again
Mechanisms that I need to know
Are the things that really stress me so
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K. Arndt, 2009
"Get these pathways planted firmly
in your head,"
Ahern said
Let's start with
EPINEPHRINE
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K. Arndt, 2009
Membrane proteins are well known
Changed on binding this hormone
Rearranging (them)selves without protest
Stimulating a G alpha S (GSα)
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K. Arndt, 2009
To go open up and displace its GDP
With GTP
Because of
EPINEPHRINE
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K. Arndt, 2009
Active G then moves aways
Stimulating
ad-(enyl)-cyclase
So a bunch of cyclic AMP
Binds to kinase and then sets it free
All the active sites of the kinases
await
Triphosphate
Because of EPINEPHRINE
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K. Arndt, 2009
Muscles are affected then
Breaking down their glycogen
So they get a wad of energy
In the form of lots of G-1-P
And the synthases that could make
a glucose chain
All refrain
Because of
EPINEPHRINE
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K. Arndt, 2009
Now I've reached the pathway end
Going from adrenalin
Here's a trick I learned to get it right
Linking memory to flight or fright
So the mechanism that's the
source of anxious fears
Reappears
When I make
EPINEPHRINE
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K. Arndt, 2009
Literatur
• Homepage: Skript (http://www.molbiotech.uni-freiburg.de/ka/lehre/lehre.html)
• Bücher:
online: National Center for Biotechnology
Information (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)
• Signaltransduktionswege im Internet:
– Sigma/Aldrich (http://www.sigmaaldrich.com/life-science/cell-biology/scientificresources/pathway-slides-charts.html)
– Calbiochem (http://www.emdbiosciences.com/html/EMD/interactivepathways.htm)
– Biocarta (http://www.biocarta.com/genes/allpathways.asp)
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K. Arndt, 2009