Cell signalling

Cell signaling refers to communication between cells.

Regulates:


 * the development of cells and their organization into tissues
 * cell growth and cell division
 * coordination of cellular functions

Endocrine (hormonal)
Cells secrete signalling molecules (primarily hormones), that enter the blood and the circulatory system to the target cell, to which the receptor binds.


 * Action – remote
 * Speed – in minutes

Paracrine
The cells release chemical substances (e.g. growth factors) into the ECF, which act as local mediators and affect the cells in the immediate vicinity. For example, signalling molecules that regulate inflammation at the site of infection or cell proliferation during wound healing work in this way.

Autocrine
The secreted signaling molecule binds to the receptor of the cell that produced it.

Synaptic
This signaling is specific to the nervous system of animals. A nerve cell produces a chemical signal (neurotransmitter), that is transmitted to another nerve cell through synaptic cleft.


 * Speed − up to 100 m/s.

By direct contact

 * 1) Junctional complexes ensure the continuity of adjacent cells. In animal cells using nexus (gap junctions), in plant cells using plasmodesmata.
 * 2) Interaction of cell surface molecules.

Through signalling molecules
Signal molecules are substances that are capable of transmitting a signal. They can be divided according to their chemical nature into several groups:




 * 1) Lipofilní signální molekuly:
 * 2) *steroidní hormony,
 * 3) *thyroidní hormony,
 * 4) *deriváty mastných kyselin (eikosanoidy),
 * 5) *retinoidy (retinal).
 * 6) Peptidové a proteinové signální molekuly:
 * 7) *peptidové hormony (např. liberiny, statiny, inzulin, glukagon, vazopresin),
 * 8) *růstové faktory a cytokiny.
 * 9) Deriváty aminokyselin:
 * 10) *hormony (např. adrenalin, noradrenalin),
 * 11) *neurotransmitery (např. GABA, glutamát, glycin),
 * 12) *mediátory (např. histamin).
 * 13) Malé anorganické molekuly a ionty:
 * 14) *NO,
 * 15) *CO,
 * 16) *Ca2+.
 * 17) Nukleotidy:
 * 18) *cAMP,
 * 19) *cGMP.

Mechanismus účinku signálních molekul
Závisí na tom, zda je signální molekula rozpustná ve vodě (hydrofilní) nebo v tucích (hydrofobní). Cytoplazmatická membrána buněk je prostupná pro hydrofobní (= lipofilní) signální molekuly a pro malé anorganické molekuly jako např. NO. Tyto molekuly se váží na cytoplazmatické nebo jaderné receptory, které většinou působí jako transkripční faktory řízené ligandy a po navázání signální molekuly ovlivňují transkripci genů. Pro hydrofilní signální molekuly (peptidy, proteiny) a deriváty aminokyselin je cytoplazmatická membrána nepropustná a proto jejich signalizace musí probíhat přes receptory nacházející se v cytoplazmatické membráně cílových buněk (tzv. membránové receptory). Po navázání signální molekuly (ligandu) na membránový receptor dochází k signální transdukci, tedy k přenosu signálu od receptoru do nitra buňky. Následuje intracelulární signalizace, která často zahrnuje druhé posly nebo specifické proteinkinázy. Ty následně regulují aktivitu efektorových proteinů a dojde ke změně chování buňky. Efektorovými proteiny mohou být enzymy ovlivňující metabolismus, transkripční faktory, složky cytoskeletu nebo iontové kanály.

Stádia signalizace

 * 1) Produkce signální molekuly signalizující buňkou (na základě nadřazené stimulace – např. hormony řízené hypothalamo-hypofyzární osou, nebo při změně koncentrace určitých molekul – např. glukosy nebo iontů).
 * 2) Přijetí signálu cílovou buňkou → signální molekula se váže na receptor.
 * 3) Přenos signálu (= signální transdukce) – může být jednokrokový nebo zahrnuje kaskádu změn molekul (tzv. signalizační dráha).
 * 4) Signál spouští specifickou odpověď.
 * 5) Degradace signální molekuly.

Typy membránových receptorů
Liší se signálem, který je vytvářen uvnitř buňky po navázání extracelulární signální molekuly na receptor.

Enzymotropní receptory (katalytické receptory, receptory spojené s enzymy nebo receptory s vlastní enzymatickou aktivitou)
Jsou to proteiny, které prochází fosfolipidovou dvojvrstvou membrány pouze jednou. Skládají se z extracelulární části proteinu s vazebným místem pro signální molekulu, transmembránového α-helixu, cytoplazmatické části, která buď obsahuje vlastní enzymatickou aktivitu, nebo je spojena s enzymem. Receptor je buď ligandem řízený enzym, nebo protein, který se spojuje s enzymem. Mnoho receptorů obsahuje cytoplazmatickou část, která funguje jako tyrosinová proteinkináza. Po navázání signální molekuly se spojí 2 receptorové proteiny a vytvoří se dimer. Tím se aktivují tyrosinkinázové části receptoru, které fosforylují tyrosiny (pomocí fosfátových skupin z ATP) vlastního receptoru. Fosforylované tyrosiny slouží jako vazebná místa pro různé proteiny, které se po navázání stávají sami aktivními. Dochází tak například k aktivaci signální molekuly Ras (GTP-vázající protein), která následně aktivuje další proteinkinázy a ve finále nastává změna genové exprese. Ukončení signálu je katalyzováno protein-tyrosin-fosfatázou, nebo mohou být aktivované receptory endocytovány a odbourány v lyzosomech. Na receptory s tyrosinkinázovou aktivitou se váží např. růstové faktory nebo inzulin, podrobněji níže. Do skupiny enzymotropních receptorů patří i receptory s serin/threonin kinasovou, guanylátcyklasovou či tyrosinfosfatasovou aktivitou.

Receptory s tyrosinkinasovou aktivitou
Jsou převážně receptory většiny růstových a diferenciačních faktorů jako je například EGF (epidermální růstový faktor), PDGF (od destiček odvozený růstový faktor), IGF-1 (insulinu podobný růstový faktor) a receptor pro insulin. Po vazbě ligandu k receptoru dochází k jeho aktivaci a k přenosu fosfátové skupiny z ATP na specifické tyrosiny. Fosforylovány jsou buď tyrosiny samotných receptorových proteinů (autofosforylace) nebo tyrosiny specifických buněčných proteinů (nitrobuněčných proteinkinas). Tím je zahájena kaskáda nitrobuněčného přenosu signálu.

Ras proteiny patří mezi významné intracelulární signální proteiny, které se prvořadě podílejí na přenosu signálu od receptoru s tyrosinkinasovou aktivitou do nitra buňky, kde se uvádějí v činnost serin/threoninovou fosforylační kaskádu. Ras proteiny jsou ukotveny v cytoplazmatické části plasmatické membrány. Patří do rodiny monomerických GTPas (na rozdíl od G proteinů – trimerické GTPasy). Aktivace a funkce monomerických a trimerických GTPas je však obdobná. Nacházejí se v neustálém přechodu mezi aktivním stavem, kdy je na ně vázán GTP, a inaktivním stavem, kdy je vázán GDP. Ras proteiny jsou fosforylovány (aktivovány) receptorovými tyrosinkinasami, inaktivovány fosfatasami a hydrolýzou GTP, kterou samy uskutečňují.

Fosforylace tyrosinů Ras proteinů, kterou vykonávají receptorové tyrosinkinasy na cytoplasmatické straně plasmatické membrány, je záhy ukončena defosforylací specifickými tyrosinfosfatasami. Aktivované proteiny Ras se také samy inaktivují hydrolýzou navázaného GTP na GDP. Stimulace buněk k proliferaci a diferenciaci však vyžaduje dlouhodobou signalizaci. Další přenos signálu je zajištěn fosforylací serinů a threoninů MAP-proteinkinas (mitogen-activated protein kinases). Fosforylace serinů a threoninů má delší trvání než fosforylace tyrosinů proteinů Ras.

Aktivní komplex Ras/GTP se váže k Raf-kinase (MAP-kinasa 1) a aktivuje ji fosforylací serinů a threoninů.

Do regulace aktivity Raf-kinasy jsou také zapojeny další proteinkinasy:


 * 1) aktivaci Raf-proteinkinasy zvyšuje Src-proteinkinasa fosforylací thyrosinů;
 * 2) proteinkinasa C fosforylací serinů;
 * 3) fosforylace serinů proteinkinasou A má inhibiční účinek

Aktivní Raf-kinasa aktivuje fosforylací MAP-kinasu 2 a ta aktivuje MAP-kinasu 3, která vstupuje do jádra. Zde dochází k aktivaci regulačního proteinu, který stimuluje aktivitu genů podílejících se zejména na regulaci buněčné proliferace.

Aktivované Ras proteiny fosforylují a tím aktivují kaskádu tří typů MAP-kinas. Navázáním první MAP-kinasy (označované Raf) k aktivovanémuu Ras proteinu dojde k její fosforylaci a tím aktivaci. Ta pak katalyzuje serin/threoninovou fosforylaci další MAP-kinasy a tento enzym aktivuje další (třetí) MAP-kinasu Aktivace poslední MAP-kinasy v kaskádě fosforylací MAP- kinas vyžaduje fosforylaci jak threoninu, tak tyrosinu. Takto aktivovaná třetí MAP-kinasa po vstupu do jádra fosforyluje nejprve regulační protein, který je vázán ke krátké sekvenci DNA v regulační oblasti genů časné odpovědi – genu myc, jun a fos. Tím dochází k jejich transkripci.

Produkty genů pozdní odpovědi se účastní regulace buněčné proliferace. Patří mezi ně například hlavní složky řídícího systému buněčného cyklu – cykliny a cyklin-dependentní proteinkinasy.

Receptory s tyrosinfosfatasovou aktivitou
Specifická aktivita těchto enzymů zajišťuje, že fosforylace tyrosinů trvá velmi krátkou dobu, a že v klidových buňkách je tyrosinů fosforylováno jen malé množství. Příkladem receptoru s tyrosinfosfatasovou aktivitou je membránový glykoprotein CD45, který se nachází na povrchu bílých krvinek. Účastní se aktivace T a B lymfocytů po setkání s cizími antigeny.

Receptory s guanylátcyklasovou aktivitou
Jde například o receptor vázající atriální natriuretické peptidy (ANPs), což je skupina peptidových hormonů. Nacházejí se v buňkách ledvin a v buňkách hladké svaloviny krevních cév. Atriální natriuretické peptidy jsou secernovány svalovými buňkami srdeční předsíně při vzestupu krevního tlaku. Stimulují ledviny k exkreci Na+ a vody a navozují relaxaci svalových buněk ve stěnách krevních cév. Oba tyto účinky vedou ke snížení krevního tlaku.

Receptory mají extracelulární oblast pro vazbu ANPs a intracelulární guanylátcyklasovou katalytickou doménu. Vazba ligandu s receptorem aktivuje cyklasu k produkci cyklického 3‘,5‘-GMP (cGMP). cGMP se váže k cGMP-dependentní proteinkinase a tím ji aktivuje k fosforylaci serinů a threoninů specifických proteinů, které se podílejí na dalším přenosu signálu a realizaci konečného projevu.

Receptory s připojenou tyrosinkinasovou aktivitou
Liší se od receptorů s tyrosinkinasovou aktivitou tím, že tyrosinkinasa je v tomto případě kódována dalším samostatným genem (např. protoonkogenem src) a je nekovalentně připojena k cytoplasmatické části receptorového polypeptidického řetězce. Tyto receptory tvoří velkou heterogenní skupinu. Jsou to například receptory pro většinu cytokinů, které regulují proliferaci a diferenciaci buněk hemopoetického systému; antigen-specifické receptory na T a B lymfocytech; receptory hormonů (např. růstový hormon, prolaktin) a další.

Antigen je prezentován molekulami MHC a rozeznán receptory T lymfocytů (TCR); TCR je aktivován a předává signál prostřednictvím signálních molekul do jádra. Následně dochází k expresi cytokinů.

Sekretovaný cytokin se váže a aktivuje membránový receptor B lymfocytu s připojenou tyrosinkinasovou aktivitou. Tyrosinkinasa je kódována protoonkogenem src.

Receptory spojené s iontovými kanály (ionotropní receptory)
right| 250px Některé receptorové proteiny regulují navázáním signální molekuly činnost iontových kanálů. Jejich otevírání a zavírání je vlastní signalizační odpovědí. Po navázání nervového mediátoru se změní konformace receptoru a iontový kanál se uzavře nebo naopak otevře pro specifické ionty, které se pohybují po svém elektrochemickém gradientu a dochází ke změně membránového potenciálu. Tento typ buněčné signalizace se vyskytuje v tzv. vzrušivých tkáních - nervové soustavě a svalech.

Receptory spojené s G-proteinem (GPCR = G-protein–coupled receptor)
right |250px Receptor je polypeptidový řetězec, který sedmkrát prochází membránou. V klidovém stavu se G-protein s receptorem pravděpodobně ani nedotýká. Je tvořen třemi podjednotkami α, β, γ. Na α podjednotce je v klidu navázán GDP. Po navázání ligandu se receptor spojí s G-proteinem a GDP je nahrazeno GTP. Ukončení signálu je doprovázeno hydrolýzou GTP zpět na GDP (α podjednotka má GTPázovou aktivitu). Cílem působení aktivovaného G-proteinu (jeho disociované α podjednotky nebo βγ komplexu) mohou být iontové kanály nebo enzymy v membráně. Nejčastěji je aktivována adenylátcykláza (tvorba cAMP) a fosfolipáza C (tvorba IP3 a DAG).

Obecné schéma signální dráhy
Hormon → membránový receptor → G-protein → adenylátcykláza → cAMP → proteinkináza A → 


 * 1) fosforylace enzymů ovlivňujících metabolismus (rychlé účinky);
 * 2) fosforylace genových regulačních proteinů → ovlivnění transkripce genů (pomalé účinky).

Související články

 * Hormony
 * G-protein
 * Inzulin
 * Cytokiny
 * Růstové faktory
 * Druzí poslové

Použitá literatura