Cellesignalisering II: Cytosoliske kinaser, Cellesignalisering II: Cytosoliske kinaser, integrering av signal, og signalveier fra integrering av signal, og signalveier fra

plasmamembranen til kjernenplasmamembranen til kjernen

Introduksjon Definisjon og klassifisering Kinasefamilier: Receptor/cytosol MAP kinase signalveier Cellulære responser regulert av MAPKer Protein kinase C Gjær to-hybridsystem Plante MAP kinaser Bakterielle kinaser Integrering og regulering av signalveier Lipid sekundære budbringere Fra plasmamembranen til kjernen Konklusjoner

IntroduksjonIntroduksjon

Vekstfaktorer stimulerer celler til deling og differensiering

Dette omfatter bl.a. dublisering av DNA i kjernen og mitose

Ekstracellulære signalmolekyl fester på celleoverflata, hvordan formidles beskjeden til kjernen?

20.5 Signals pass from activated Ras to a 20.5 Signals pass from activated Ras to a cascade of protein kinasescascade of protein kinases

Figure 20-28

Definisjon kinaser:enzymatisk phosphorylering

av proteiner eller fosfolipider

protein

kinase

phosphatase

protein

P

Not phosphorylated PhosphorylatedInactive Active

KlassifiseringKlassifisering

Kinaser grupperes etter hvilke aminosyrer de fosforylerer, to klasser:

tyrosin-kinasergjenkjennelsessekvens: lys/arg-X-X-asp/glu-X-X-X-Tyr

serine/threonin-kinasergjenkjennelsessekvens: arg-arg-X-Ser-X- eller

arg-arg-X-Thr-X

Fosforylering av Ser og TyrFosforylering av Ser og Tyr

donasjon av fosfat fra ATPdonasjon av fosfat fra ATP

Kinase familierKinase familier Ser/Thr kinaser omfatter:

cAPK (eller protein kinase A, PKA), cGMP-avhengig protein kinase, protein kinase B (PKB), protein kinase C (PKC), G protein koblet receptor kinase (ARK, rhodopsin kinase)

Tyr kinaser omfatter:Receptor tyr kinaser = intern kinaseaktivitet i receptor cytosolisk domene (eks vekstfaktor R), cytosoliske: JAK1, JAK2, Tyk. JAKs involvert i cytokin rec sign, aktiverer STAT (transkripsjonsfaktor)

Duale kinaser, involverer både Thr og Tyr:Mitogen aktiverte kinaser, MAPKs

for fullstendige lister se: http://www.sdsc.edu/Kinases/pk_home.html

20.5 Phosphorylation of a tyrosine and a 20.5 Phosphorylation of a tyrosine and a threonine activates MAP kinasethreonine activates MAP kinase

Figure 20-30

Protein fosfataserSer/thr fosfataser:

-PP1, PP2A, PP2B... -PP1 reguleres indirekte ved cAPK

fosforylering, mens PP2A er Ca2+-avhengig, og PP2B avhengig av Mg2+

-PP1 og PP2A hemmes av okadinsyreTyr fosfataser:

-to klasser: receptor bundne og intracellulære

-PTP 1B, PTP 1C...-PTP 1B reguleres ved lokalisering,

f.ex. ER/cytosolDual spesifikke fosfataser, DSPs:

-inkluderer bl.a MAPK fosfataser (MKP)-MKPs kodes for av minst 10

forskjellige gener

MAP kinase familienMAP kinase familien

Alle Ras-koblede RTKs i mammalske celler aktiverer en høyt konservert kinase cascade som til slutt ender i aktivering av MAP kinase (mitogen aktivert protein eller ERK)

MAPK aktiveres ved fosforylering av thr/tyr-kinase MAPKK (MEK)

Mammaler uttrykker 4 grupper MAPKs hvor hver gruppe aktiveres av distinkte MEKs:

-ERK1/2 (p42, p44)-p38 (p38)-jun aminoterminal kinases (JNK 1/2/3)-ERK5

MAP kinase signalveierMAP kinase signalveier

Studier i gjær, rundorm, bananflue og mammaler har avdekket en høyt konservert kaskade av protein kinaser som fungerer nedstrøms Ras:

Aktivert Ras binder til N-terminal domene av Raf, en ser/thr kinase

Raf binder og fosforylerer MEK, en kinase som fosforylerer tyr og ser

MEK fosforylerer og aktiverer MAP kinase, en ser/thr kinase MAP kinase fosforylerer mange forskjellige protein inkludert

transkripsjonsfaktorer, som medierer cellulære responser

MAP kinase MAP kinase kaskade kaskade aktivert aktivert

nedstrøms Rasnedstrøms Ras

Cellulære responser regulert av MAPK

cellulære responser regulert av MAPKs:-kontroll av genuttrykk-celleproliferasjon-programmert celledød, apoptose

eksperimentell tilnærming i mammaler:-geninaktivering-selektive hemmere

mekanisme:-transkripsjon ved aktivering av

transkripsjonsfaktorer allerede bundet til DNA eller ved dimerisering av transkripsjonsfaktorer

-mRNA stabilisering i cytosol-translasjon ved fosforylering av

translasjons initierings faktor 4

20.5 Multiple MAP kinase pathways are 20.5 Multiple MAP kinase pathways are found in eukaryotic cellsfound in eukaryotic cells

Figure 20-32

20.5 The yeast two-hybrid system can be used to 20.5 The yeast two-hybrid system can be used to demonstrate interaction of components in the pathwaydemonstrate interaction of components in the pathway

Figure 20-29

Protein kinase C, PKC

Protein kinase C regulerer vekst, differensiering og membran prosesserPKC familien inkluderer 11 subtyper Alle isoformer PKC består av regulatorisk domene og katalystisk domenePKC kan aktiveres fra bl.a. PI-3K, PLC, PLCDe 11 PKC subtypene kan deles inn i 3 klasser:

-cPKC - Ca2+, DAG-nPKC - DAG, FFA-aPKC - PS, FFA

Plante MAP kinaser

MAP kinase signalisering viktig i planters vekst og utvikling

MAP kinase homologer er identifisert i planter, så som MAPKs, MAP2Ks, MAP3Ks og MAP4Ks

biologiske responser regulert av MAPK signalveier i planter inkluderer:

-respons til etylen, abscisinsyre, patogener og skade

Bakterielle kinaser

Histidine og asparagin fosforyleres i bakterier

To-komponent signaliseringssystem

-deteksjon av stimulus fører til fosforylering av detektor protein i His-enhet

-fosforylgruppe overføres så til respons regulator protein som fosforyleres på asp

-dette endrer funksjon av sistnevnte protein, f.ex. økt DNA-binding og endring av transkripsjonsrate

To-komponent signaliseringsvei som tillater kjemotakse-reseptorer å kontrollere flagellbevegelse ved kjemotakse

20.7 Interaction and regulation of 20.7 Interaction and regulation of signaling pathwayssignaling pathways

The effects of activation of GPCRs and RTKs is more complicated than a simple step-by-step cascade

Stimulation of either GPCRs or RTKs often leads to production of multiple second messengers, and both types of receptors promote or inhibit production of many of the same second messengers

The same cellular response may be induced by multiple signaling pathways

Interaction of different signaling pathways permits fine-tuning of cellular activities

20.7 Multiple G proteins transduce 20.7 Multiple G proteins transduce signals to different effector proteinssignals to different effector proteins

20.7 Regulation of certain effectors by G20.7 Regulation of certain effectors by G and and

various Gvarious G ·GTP complexes contributes to ·GTP complexes contributes to

integration of cellular metabolismintegration of cellular metabolism

Figure 20-43

Lipid sekundære budbringereLipid sekundære budbringere

Membran fosfolipider viktig lager for lipid sekundære budbringere i ustimulerte celler

Membran fosfolipider omfatter fosfolipider (PI, PE, PC) og sfingomyelin

Produksjon av lipid sekundære budbringere reguleres av fosfolipase A2, C og D; og sfingomyelinase

Prinsipielt to typer sek. budbringere:-lipid-derivater-forskjellige fosforyleringsformer av PI utført av

lipid kinaser (f.ex. PI-3K, PI-4K)

Intra/inter-cellulære lipid sek. Intra/inter-cellulære lipid sek. budbringerebudbringere

Intercellulære lipid budbringere:-plateaktiverende faktor (PAF)-lysofosfatidic acid (LPA)-eicosanoider (parakrin mekanisme)

Intracellulære lipid budbringere-fosfatidylinositol fosfat (PIPs)-diacylglycerol (DAG)-ceramid-eicosanoider (autokrin mekanisme)

Enzymer involvert:-PLA2, PI-PLC, PLD, SMase, PI-kinaser

Arachidonatkaskaden

Fosfolipase A2Fosfolipase A2

frigjør umettede fettsyrer fra sn-2-posisjon i membran fosfolipider, regulerer produksjon av lyso-fosfolipid og umettede fettsyrer

umettede fettsyrer omsettes momentant til eicosanoider via bl.a. cyclooksygenaser og lipoksygenaser

11 forskjellige typer PLA2 enzymer, kan deles inn i tre grupper:

-sekretoriske PLA2-cytosoliske, calsiumavhengige PLA2-cytosoliske, calsiumuavhengige PLA2

3 PLA2-enzymer involvert i cellulær signalisering: gruppe IIA, IV og V

Funksjon:-de/re-acylering av membr. fosfolipider-eicosanoid, lPC-produksjon: prostaglandiner, leukotriener, lysofosfatid-syre (LPA)

Regulering av signaliserings PLA2 enzymer:-sekretoriske: sekresjon, substrattilgang -cytosoliske: økning i intracellulær Ca2+, fosforylering (ser 505, 727), PIP2 (Huwiler et al, 2000)

Cellulære responser:-inflammasjon-proliferasjon-genregulering (NF-B)

Fosfolipase C og DFosfolipase C og D

fosfatidyl-spesifikk fosfolipase C, PI-PLC spalter PI i diacylglycerol (DAG) og inositol 3-fosfat (IP3)

PI-PLC, hovedsaklig 3 former, men flere versjoner av hver form:

-PLC--PLC--PLC-

regulert via heterotrimere G-protein () eller reseptor tyr kinaser ()

fosfolipase D, PLD, substrat er fosfatidylcholin PC to mammalske PLD klonet, PLD1 og PLD2 regulering: PLC eller PKC, heterotrimere/monomere G-prot

(rho)

Forskjellige fosforyleringsformer av Forskjellige fosforyleringsformer av fosfatidylinositol (PI)fosfatidylinositol (PI)

Cellulære responser regulert av Cellulære responser regulert av lipid sek. budbringerelipid sek. budbringere

Arachidonyl-deriverte eicosanoider, LTB4, PGE2, HETEs etc. samt LPA og PAF virker via distinkte trimere G-protein-koblede reseptorer

aktivering av disse reseptorer initierer intracellulære kinase-kaskader som omfatter PKC, MAPK, ... etc.

PI sentralt reguleringspunkt i intracellulære signalresponser ved at forskjellige fosforyleringsformer utført av PI-kinaser regulerer kons av membranens innhold av PIP, PIP2, PIP3

PIP2 viktig som substrat for PI-PLC, PI-3K og som regulator av cPLA2 membranassosiasjon

biologiske responser regulert av lipid sek. budbringere og PIPs, se fig.

Fem paralelle signalveier aktivert av G-protein reseptorer, reseptor tyrosin kinaser, eller begge

20.8 From plasma membrane to nucleus20.8 From plasma membrane to nucleus

Many cellular responses induced by water-soluble hormones, growth factors, and neurotransmitters result from their effects on gene expression

Such pathways usually involve activation of protein kinases that directly or indirectly phosphorylate specific transcription factors

20.8 CREB links cAMP signals to 20.8 CREB links cAMP signals to transcriptiontranscription

Figure 20-48a

20.8 MAP kinase regulates the activity of 20.8 MAP kinase regulates the activity of many transcription factorsmany transcription factors

Figure 20-48b

20.8 Phosphorylation-dependent protein 20.8 Phosphorylation-dependent protein degradation regulates NF-degradation regulates NF-BB

Figure 20-49

Patient suffering Patient suffering from psoriasisfrom psoriasis

Secretory group IIa PLA2 is Secretory group IIa PLA2 is overexpressed in differentiated overexpressed in differentiated keratinocytes in psoriatic skinkeratinocytes in psoriatic skin

Andersen et al., Inflammation, 18,1,1994.

TNF-R1 IL-1-R1

MAP3K/NIK

IKK

NF

NFB

TRAF2 RIP

IB P

Plasma membrane

Nucleus NF-B binding to DNA

TRAF6 IRAK

snpPLA2

AA

AA

LTB4

LTB4

cPLA2 P

PLA2: ???

Plasma membrane

TNF-R1 IL-1-R1

MAP3K/NIK

IKK

NF

NFB

TRAF2 RIP

IB P

Nucleus NF-B binding to DNA

TRAF6 IRAK

snpPLA2 BLTR receptor

AAPI 3-kinase

AA

LTB4

LTB4

cPLA2 P

PKC

p38 MAPK

Membr.rearr.

Anthonsen et al., J.Biol.Chem.276,38,35344,2001.

KonklusjonerKonklusjoner

protein og lipid kinaser formidler extracellulære signal intracellulært

signalet ender som regel opp I kjernen med aktivering av transkripsjonsfaktorer

reseptor stimulering aktiverer vanligvis multiple signalveier, med mulighet for gjensidig vekselvirkning, og ender opp med aktivering av flere typer transkripsjonsfaktorer