BUNEČNÁ KOMUNIKACE > b lili éc íl ýľíi organizmu rrKHI Cesta od jednobuněčných k mnoho) jména potřebou vytvoření signamicn mecnanismu, Které umožňuji vzájemnou xcomunikaci buněk, aby chování buněk mohlo být správně koordinováno. Selhání této kontroly - patologické stavy, např. vznik nádorového onemocnění Organizace tkané je zachovaná diky trém faktorům: 1. Buněčná komunikace - buňky kontrolují své okolí a vnímají signály od ostatních iřežití). Nové buňky vznikají pouze tehdy a tar kde je třeba. 2. Selektivní mezibuněčná adheze různé buňky mají na povrchu různé adhezívní molekuly, které mají tendence vázat se k buňkám stejného typu, s určitými jinými buněčnými typy nebo specifickými složkami extracelulámí matrix. Zabraňuje chaotickému míchání různých buněčných typť Buněčná paměť - speciální formy genové exprese vzniklé během embryonální^ /voje jsou stabilně udržovány potomstvo. \/ r \/ • r Chování buněk a rovnováha v buněčných populacích jsou regulovány komplexním integrovaným komunikačním systémem, který zahrnuje signály mimobuněčné, mezibuněčné a vnitrobuněčné. smnálv iinvch buněk liimmreauiíiifgfil cvtoplasmě nebo v iádře), proteinové kinázv, fosfatázv, proteiny vážící se na GTP a řadu dalších vnitrobuněčnvch proteinů, se ktervmi tvto sisnál Nongenotoxic chemicals (e.g.: TPA, DDT and Phenobarbital) Cell adhesion molecules r N /I Endogenous regulators (e.g.: hormones, growth factors, neurotransmiters) Extracellular Free pH radicals P Inactive! protein Active Q protein Gap junction Intercellular communication! Cytoplasmic receptor Second messages Intracellular communication A alters membrane function B activates inactive proteins C modulates GJ function D modulates gene expression According to: J.E.Trosko: Environmental Health Perspectives; 106: 331 - 339, 1998 r o TYPY SIGNÁLU Synaptické - nervové buňky nebo neurony, produkce neurotransmiteru. Působí méně ve vyšších konc.(5xl0-4 M) a jejich receptory mají relativně nízkou afinitu ke svým ligandům. Endokrinní - hormony přecházejí krevním řečištěm k cílovým buňkám. Tyto signály jsou relativně pomalé proti nervovým signálům, působí však ve velmi nízkých koncentracích (méně než 10-8 M) Parakrinní - lokální ovlivňování buněk na krátké vzdálenosti (cytokiny, eikosanoidy) Autokrinní - buňka vysílá signál, který se váže zpětně na její receptor. Důležité při raném vývoji a odpovědi na diferenciační signály a u eikosanoidů. Formy mezibunecných signálů {A) CONTACT-DEPENDENT signaling cell target cell membrane-bound signal molecule {Q SYNAPTIC neuron axon synapse (B) PARACRINE signaling cell local mediator \«V target ^>š£s cells target cell neurotransmitter (D) ENDOCRINE , ., receptor endocrine cell v target ceil hormone £ bloodstream ^Vfci target cell iěJ {A) ENDOCRINE SIGNALING endocrine cells hormones s' * \^>^%s^ xbloodstream target cells {B} SYNAPTIC SIGNALING neurons neurotransmitter target cells Fiaure 15-5 part 1 of 2. Molecular Biology of the Cell, 4th Editior Autokrinní signál A SINGLE SIGNALING CELL RECEIVES A WEAK AUTOCRINE SIGNAL IN A GROUP OF IDENTICAL SIGNALING CELLS, EACH CELL RECEIVES A STRONG| AUTOCRINE SIGNAL r o TRANSDUKCE SIGNÁLU Zpráva přijatá na povrchu buňky je předávána od jednoho souboru vnitrobunecných signálních molekul ke druhému, přičemž každý soubor vyvolává tvorbu dalšího. Klíčové vnitrr převeden signalizace fosforyl signaliza^ GDP ^BJHHSB ^mm -ISO' .ovai. aktivace kinázou a inaktivace fosfatázou ktivace r Nakonec j e nap, ^skelet ^^í^gTOS^^JSIj ován metabolický enzym, zahájena exprese genu nebo změněi ikem je biologická odpoveď bun; Zjednodušené schéma vnitrobuněčné signálni dráhy aktivované mimobuněčnou signálni molekulou EXTRACELLULAR SIGNAL MOLECULE RECEPTOR PROTEIN INTRACELLULAR SIGNALING PROTEINS TARGET PROTEINS metabolic gene regulatory cytoskeletal enzyme protein protein I I I altered metabolism altered gene expression altered cell shape or movement JFigure 15-1. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. ZÁKLADNI FUNKCE SIGNÁLNI KASKÁDY VNITROBUNĚČNÝCH MOLEKUL Fyzicky přenášejí signál z bodu, kde byl přijat, do buněčného aparátu, který vytvoří Transformují signál do molekulární podoby, která může odpověď stimulovat V^IOTfl KjitfswramKiiiiraii Signální kaskády mohou signál r být předán různým cílům u odpověď TrZtranlIflSi !.■—. I «iinami :y - rozvetvený to ompj gfm aždý krok signální kaskády je otevřen působení dalších faktoru a přenos signálu muže být modulován Různé typy vnitrobuněčných signálních proteinů účastnících se signální dráhy od receptoru na povrchu buňky k jádru receptor protein Iplasma extracellular signal molecule latent gene regulatory protein| CYTOSOL Í7jív> relay proteins adaptor protein scaffold protein bifurcation protei —ft- amplifier and transducer protein J U ť I U I mediator O O O O O O O Cr integrator protein \ small intracellular *- /7>Janchoring ! protein HQCT 711 modulator protein \ nuclear envelope '* U messenger protein target protein \ signal response element activated gene I _______ GENE TRANSCRIPTION! JFigure 16-16. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. Signální proteiny a vnitrobuněčné mediatory předávají mimobuněčný signál do buňky a způsobují změny genové exprese. »H1IKWM edávat dál (rel? 2) přen (messe oho místa buňkv 3) Vázat navzájem signální proteiny (adap ^jl mu (transducer) Rozděl Integrov sTiaiiTrciOMsTFlTSI Kromě toho existují proteiny modulující (modulator), ukotvující (anchorage) nebo spojující (scaffold) signální molekuly Integrace signálu (A) (B) DOWNSTREAM SIGNALS DOWNSTREAM SIGNALS [Figure 15-18. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. (A) PREFORMED SIGNALING COMPLEX ON SCAFFOLD inactive receptor CYTOSOL scaffold protein " signal molecule activated receptor ÍB) ASSEMBLY OF SIGNALING COMPLEX FOLLOWING RECEPTOR ACTIVATION signal molecule inactive receptor ..... nactive intracellu signaling nactive intracellu signaling inactive intracellu signaling lar protein 1 lar protein 2 lar protein 3 ^J activated c£lV intracellular J^X signaling protein 1 1s~% activated 2 [-intracellular inactive IV* signaling protein 2 intracellular Sr\? activated signaling-r^T |Lji 3 j— intracellular proteins V_^ Js^J signaling protein 3 V downstream signals activated intracellular signaling proteins downstream signals activated receptor Vytváření stabilních a přechodných signálních komplexů závisí na řadě vysoce konzervovaných, malých vazebných domén nalezených u mnoha vnitrobun. signálních proteinů (Src homologní 2 a 3 domény - SH2, SH3, phosphotyrosine-binding (PTB) domény"* Některé povn ve specifických mikrodo* bohatých na cholesterc. pomocí kovalentně při signálního procesu a usnadňují s1 Dior/ a BM^^Q^flmf^g^ se fif^Vlf*)^"^"* ÍIIEíÍBBilMIlyllítMEMilSítlMtMžiMiMllEISÍÍ latické m MMlTíTttiV v těr.l mitHglKMIBIimiU^K Uli DULI DUTI I ce signálních mol' LIPIDOVE RAFTY malé oblasti proteinů a lipidů v membráně s unikátním složením lipidů - bohaté na cholestero1 -r-. .*_ .X......X = ■■ i funkčně zahrnúť' SHUKWraKitH v kompartmentahzaci, modulaci a integraci signálů a tak modulují důležité procesy jak buněčný růst, přežití a adhezi necny JJ Water —Hydrophobic tails Hydro p hi He head Water Figure 1 | Basic structure of trie lipid bilayer. Phospholipids, the type of lipid that makes up the majority of lipids found in the cell membrane, are made up from a phosphate head [circles) that likes water and a fatty-acid, or lipid, tail (lines) that hates it. In an aqueous environment, such as that found in cells, these lipids line up so as to limit the exposure of tine hydrophobic portions to water, thus forming a membrane layer. Saturated n HHHHHHHHH u. II- II i .C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-H nr i i i i ..... HHHHHHHHH H Unsaturated o H H H H H H ř* !* w -C-C-C-C-C-C-c^ o' ' ' ' * ■ H H H H H H ^C- H Box 1 | What are lipid rafts? Lipid rafts are spliingolipid- and cholesterol-rich membrane microdomains in the outer leaflet of the plasma membrane. The plasma membrane is composed primarily of sphingolipids» phospholipids and cholesterol. Sphingolipids differ from most phospholipids in that they have long» largely saturated acyi chains that allow them to pack tightly in a bilayer, forming a gel phase in which there is very little lateral movement or diffusion. The gel phase of the sphingolipids is altered by the association of cholesterol, which condenses the packing of the sphingolipids by occupying the spaces beUveen the acyl chains. So* cholesterol-containing spliingolipid microdomains exist in a liquid-ordered phase that is significantly more fluid than the gel phase. By contrast* phospholipids are rich in unsaturated acyl cha ins that tend to be kinked and consequently to pack loosely into a liquid-disordered phase that is considerably more fluid» allowing rapid lateral movement within the bilayer. The different packing of the sphingolipids and phospholipids probably leads to their phase separation in membrane bilayers. Spliingolipid microdomains float in a phospholipid bilayer» leading to the coining of the term lipid raftŕ. Cholesterol preferentially partitions into the liquid-ordered phase rather than the liquid-disordered phospholipid bilayer and is essential for the maintenance of the two phases. The membrane outer leaflet rafts are believed to be linked to an inner leaflet that is probably rich in phospholipids with saturated fatty acids and cholesterol. The size of rafts and their lifetimes hi the membranes of resting cells are uncertain. Current evidence indicates that the elemental rafts might be small (26-70 nm in diameter), containing only several thousand molecules and therefore accommodating only a few proteins. Rafts were shown selectively to include some proteins and to exclude otherst so rafts provide a mechanism for the lateral sorting of proteins in the membrane. Modified from Pierce, S. K. Lipid rafts and B-cell activation. NatureRew Immunol 2,96-105 (2002)©Macmillan Magazines Ltd Phospholipids O II R — C — O — CH? Phospholipid with saturated tall R1- CH o o H2C—O— P—O— R" ft Phospholipid Sphingolipids H^C- H H H ■ (OH2)12 — C = C — C — C — CH2 HO NH — O— R" H í Sphlngollpld Cholesterol Cholesterol RH R1, Hydrocarbon chains of tatty acids R", Head group GPI, glycosylphosphatldyl Inositol a h Cytosol Figure 3 | Membrane proteins. Cell surface membranes contain proteins embedded in the lipid bilayer for the regulation of cell behaviour and the organization of cells in tissues. These proteins can be adhesion proteins, which keep cells together (a), and span the membrane once. Alternatively, they can be receptor proteins (b)ř which can span the membrane once or multiple times. Binding of a signalling molecule to the receptor initiates a response on the other side, which resufts in the convertsion of one kind of signal or stimulus into another, known as signal transduction. To exist within the inner membrane all these proteins need to have long sequences of hydrophobic (barrels) rather than water-loving (lines) amino acids. 09 Většina mimobuněčných signálů je zprostředkována hydrofílními molekulami. M r 1 \s * Některé signální molekuly jsou dostatečně hydrofobní nebo malé, že snadno projdou přes plasmatickou membránu a uvnitř pak přímo regulují aktivitu specifických vnitrobuněčných pí Např. molekuly některých plynů jako je oxid dusíku (NO) nebo uhlíku (CO). enzymem NO syntázou deaminací aminokyseliny argininu. N jiduje skrz membránu buňky, která jej tvoří a prochází do sousedních buně Funguje jen lokálně, protože má krátký poločas života, pouze 5-10 vteřin, a v mimobuněčném prostoru je přeměňován na nitráty nebo nitrity. V mnoha cílových buňkách např. v endoteliálních, reaguje NO s železem v aktivním místě enzymu guanylyl cyklázy a stimuluje produkci vnitrobuněčného mediátoru cyklického Gľ' Podobně rung NO - důležitá signální molekula pro působení acetylcholinu uvolňovaného autonomním nervstvem ve stěnách krevních cév. Uvolněný NO funguje jako relaxační signál a způsobuje uvolnění hladkého svalstva ve stěnách cév. Tento účinek NO na krevní cévy je podstatou působení nitroglycerínu, který je ji více než 100 let používán jako lék pro pacienty s angínou pectoris trpících bolesi způsobenou nedostatečným zásobováním srdečního svalu krví. Nitroglycerin je Dřeměňován na NO, který uvolňuje svaly cév, čímž redukuje nápor na srdce a snižuje tak požadavek srdečního svalu na kyslík. NO je produkován také jako lokální mediator aktivovanými makrofágy a neutrofily a pomáhá jim zabíjet mikroorganismy. NO je využíván řadou typů nervových buněk pro signálování sousedním buňkám: je uvolňován např. autonomním nervstvem v penisu a způsobuje lokální dilataci krevních cév odnově"1 I activated I nerve terminal O-------- acetylcholine activated NO synthase endothelial cell NO bound to guanylyl cyclase RAPID DIFFUSION OF NO ACROSS MEMBRANES RAPID RELAXATION OF SMOOTH MUSCLE CELL smooth musctecell Figure 15-11. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. RECEPTORY Většinou transmembránové proteiny, které váží mimobun. signální molekuly (hydrofilní) - Ugandy a jsou-li aktivovány vzniká kaskáda vnitrobuněčných signálů, které mění chování buňky. Vnitrobunecné receptory (v cytoplasmě nebo v jádře) - pro malé hydrofobní ligandy Každá buňka mnohobuněčného organismu je exponována stovkami různých signálů IlJiilylMM^ e 1) souboru receptorových cterou buňka reaguje a interpretuje získanou informaci. Tak jedna signální molekula může mít často rozdílné účinkv na různé cílové buň specif, funkcí. JmwĚMwESSaiusSsSMaLaSÚ vykonávání Signály pro přežití - absence signálů - programovaná bun. smrt Vazba mimobunecných signálních molekul k povrchovým nebo vnitrobuněčným receptorům CELL-SURFACE RECEPTORS cell-surface PÍasma membrane receptor hydrophilic signal molecule INTRACELLULAR RECEPTORS small hydrophobic signal molecule carrier protein intracellular receptor nucleus Figure 15-3. Molecular Biology of the Cell, 4-th Edition. Závislost živočišné buňky na mnohonásobných mimobunecných signálech N ./ X SURVIVE B ®- DIVIDE < y i \ (•) x B DIFFERENTIATE (•)- D1E apoptotic [Figure 15-8. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. (A) heart muscle cell 9 acetylcholine • iwl DECREASED RATE AND FORCE OF CONTRACTION (B) salivary gland cell receptor protein RETÍON (C> skeletal muscle cell CONTRACTION (D) acetylcholine O CH3 H3C— C—O—CH2—CH2—N1- CH3 CH3 POVRCHOVÉ RECEPTORY Přenašeče signálů, které přeměňují vnější podnět najeden nebo více vnitrobuněčných signálů. Tři základní typy: 1) vázané na iontové kanály - pro rychlé synaptické signály el. vybuditelných buněk - nervové buňky, neurotransmitery HiSlsH^mnswnnmmn\ 3) vázané na enzym Adl)a2) Po aktivaci proteinů je zahájena fosforvlační kaskáda, kterou je signál přenášen do jádra, kde se mě1 % genomu^ kombinací signálů než iedním samostatnvm signálem. Buňka musí integrovat informaci přicházející s jednotlivými signály, aby mohla příslušně reagovat - žít či uhynout, proliferovat či zůstat v klidu nebo diferencovat. Integrace i e závislá na interakci mezi různvmi fosforvlačními kas] aktivovány různými vnějšími signály. ígjaTčgjn Tři typy buněčných povrchových receptoru 1(A) ION CHANNEL-LINKED RECEPTORS plasma * membrane ions signal molecule ^ (B) G-PROTEIN-LINKED RECEPTORS signal molecule enzyme activated G protein G protein 1(C) ENZYME-LINKED RECE signal molecule in form of a dimer inactive catalytic domain OR active catalytic domain activated enzyme .signal molecule activated I enzyme |Ftgure 15-1 5 part 2 of 2. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. v v r VNITROBUNECNE RECEPTORY Proteiny regulující transkripci genů - superrodina receptoru pro steroidní hormony. Ligandy jsou malé hydrofóbní signální molekuly - steroidní a tyroidní hormony, retinoidy a vitamín D. Tvd I: lokalizovány v cvtoplazmě v inaktivní formě (často spojeny s tzv. "heat shock Jříklad: receptory pro steroidní hormony (glukokortikoidy, androgen, progesteron, estrogen, dioxinový Ah receptor (vazba s proteinem Arnt) Typ II: lokalizovány v jádře. Po vazbě ligandu konformační změny. Mohou se vázat na DNA i bez ligandu. Příklad: thyroidní receptory (TR), receptory pro kys. retinovou (RAR, RXR) (VDR), peroxisomové proliferátory (PPAR) Dochází k propojení drah signálové transdukce ("cross-ta^^ Tvorba homo- a heterodimeru: PPAR-RXR, TR-RAR Aktivované receptory se váži na specifické sekvence DNA - responsivní elemem Dvoustupňová reakce: a) přímá indukce transkripce malého množství specifických gei T těchto genů pak aktivují další gei vyvolávají zpožděnou sekundární odpověď. ' idukce charakteristické odpovědi u organismu: 1) jen určité typy buněk mají příslušné receptory, 2) každá z těchto buněk obsahuje různou kombinaci jiných (pro buněčný typ specifických) geny regulujících proteinů, které spolupracují s aktivovaným receptorem ? ovlivňuji tr? 09 Některé signální molekuly vážící se k molekulárním receptorum Cortisol testosterone II i HÜ—f VO^f VCH ľ I thyroxine Figure 15-12 part 1 of 2. Molecular Biology of the CeJI, 4th Edition. OH vitamin D3 H3C CH3 retinoic acid Figure 15-12 part 2 of 2. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. Superrodina vnitrobuněčných receptoru N- N- (A) DNA-binding domain •c Cortisol receptor N- estrogen receptor progesterone receptor N--------------------C vitamín D receptor N---------------------C thyroid hormone receptor N- retinoic acid receptor lígand-binding domain transcription-activating domain DNA-binding domain inhibitory proteins (B) INACTIVE RECEPTOR COOH DNA coactivatorl proteins ligand ! ligand ÍD) Figure 15-13 part 2 of 2. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition.| receptor-binding transcription of element target genes ÍC) ACTIVE RECEPTOR iFigure 15-13 part 1 of 2. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. Podobná struktura receptoru s vazebnou doménou Receptorový protein v inaktivní formě vázán na inhibiční proteiny Po vazbě ligandu disociace inh. proteinu a navázání koaktivátoru k transkripci aktivující doméně receptoru Trojrozměrná struktura domény vážící ligand bez a s navázaným ligandem. Alpha helix (modře) funguje jako víčko zajišťující polohu ligandu (A) EARLY PRIIVIARY RESPONSE TO STEROID HORMONE (B) DELAYED SECONDARY RESPONSE TO STEROID HORMONE steroid hormone steroid hormone receptor A r secondary-response proteins □o °o DNA 1 steroid-hormone-receptor cornpfexes activate primary-response genes DNA induced synthesis of a few different proteins in the primary response a primary-response protein shuts off primary-response genes a primary-response protein turns on secondary-response genes Pět způsobů ztráty citlivosti cílové buňky k signální molekule receptor signal protein molecule endosome RECEPTOR SEQUESTRATION lysosome RECEPTOR DOWN-REGULATION í RECEPTOR INACTIVATION intracellular signaling protein inhibitory protein INACTIVATION OF PRODUCTION OF SIGNALING PROTEIN INHIBITORY PROTEIN Každá volba buňky zahrnuje epigenetické (negenotoxické) mechanismy, které mohou měnit expresi genů na transkripění, translaění nebo postranslaění úrovni. Modulace mimobuněěné komunikace buď genetickou imbalancí růstových faktorů, hormonů, neurotransmiterů nebo látkami z vnějšího prostředí (dieta, chem. látky) může spustit signální vnitrobuněčnou transdukci. Tyto signály pak modulují expresi genů a modulují též GJIC (gap junctional intercellular communication). V mnohobun. organismu zahrnuje homeostatická kontrola regulaci bun. proliferaa diferenciace programované bun, smrti a adaptivní odpovědi diferencovaných bui Když se oplodněné vajíčko vyvíjí v embryo, fetus a dospělý organismus, totipotentní buňky jsou směrovány do pluripotentních kmenových buněk, které proliferují, tvoří progenitorové buňky a pak diferencují, adaptivně reagují a hynou apoptózo 11 Geny jsou selektivně transkribovány nebo reprimovány během diferenciace, bun. cyklu, zástavy bun. cyklu, během progr. bun. smrti. Vše jsou to děje řízené epigenetick ALTERED GENE EXPRESSION on transcription, translational or post-translational levels obora t oř Vlokinelikv ItioFysí kôlni ústnv flVČnr MNO