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

Signalling types

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.

Ways of cellular communication

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: e.g. cytokine interactions between cells of the immune system

1. Lipophilic signalling molecules:
   • steroid hormones,
   • thyroid hormones,
   • fatty acid derivatives (eicosanoids),
   • retinoids (retinal).
2. Peptide and protein signalling molecules:
   • peptide hormones (e.g., liberins, statins, insulin, glucagon, vasopressin),
   • growth factors and cytokines.
3. Amino acid derivatives:
   • hormones (e.g., adrenaline, noradrenaline),
   • neurotransmitters (e.g., GABA, glutamate, glycine),
   • mediators (e.g., histamine).
4. Malé anorganické molekuly a ionty:
   • NO,
   • CO,
   • Ca²⁺.
5. Nukleotides:
   • cAMP,
   • cGMP.

Mechanism of action of signaling molecules

• It depends on whether the signaling molecule is water soluble (hydrophilic) or fat soluble (hydrophobic).
• Cytoplasmic membrane of cells is permeable to hydrophobic (= lipophilic) signal molecules and to small inorganic molecules such as NO. These molecules bind to cytoplasmic or nuclear receptors, which mostly act as ligand-directed transcription factors and, after binding the signaling molecule, affect gene transcription.
• For hydrophilic signalling molecules (peptides, proteins) and amino acid derivatives, the cytoplasmic membrane is impermeable and therefore their signalling must take place via receptors located in the cytoplasmic membrane of the target cells (so-called membrane receptors). After binding of a signal molecule (ligand) to a membrane receptor, signal transduction occurs; signal transmission from the receptor to the interior of the cell. Intracellular signalling follows, often involving second messengers or specific protein kinases. These subsequently regulate the activity of effector proteins and the behavior of the cell will change. Effector proteins can be enzymes affecting metabolism, transcription factors, components of the cytoskeleton or ion channels.

Signalling stages

1. Production of a signalling molecule by the cell (based on superior stimulation – e.g. hormones controlled by the Hypothalamic-pituitary-gonadal axis, or when the concentration of certain molecules changes – e.g., glucose or ions).
2. Reception of the signal by the target cell → the signaling molecule binds to the receptor.
3. Signal transmission (= signal transduction) – can be one-step or involve a cascade of changes in molecules (the so-called signaling pathway).
4. A signal triggers a specific response.
5. Degradation of the signaling molecule.

Types of membrane receptors

They differ in the signal that is created inside the cell after the binding of the extracellular signal molecule to the receptor.
Only hydrophilic substances bind to membrane receptors. Hydrophobic substances pass through the membrane without specific carriers and bind to their receptors only in the cytoplasm or in the nucleus (the best-known hydrophobic substances are steroids and thyroid hormones).

Enzymotropic receptors (catalytic receptors, enzyme-linked receptors or receptors with intrinsic enzymatic activity)

• Some proteins pass through the phospholipid bilayer of the membrane only once. They consist of an extracellular part of a protein with a binding site for a signaling molecule, a transmembrane α-helix, a cytoplasmic part that either contains its own enzymatic activity or is associated with an enzyme.
• A receptor is either a ligand-directed enzyme, or a protein that binds to the enzyme. Many receptors contain a cytoplasmic portion that functions as a tyrosine protein kinase.
• After binding the signal molecule, 2 receptor proteins join and a dimer is formed. This activates the tyrosine kinase parts of the receptor, which phosphorylate tyrosine (using phosphate groups from ATP) of the receptor itself.
• Phosphorylated tyrosines serve as binding sites for various proteins, which themselves become active after binding.
• For example, the signalling molecule Ras (GTP-binding protein) is activated, which subsequently activates other protein kinases. As a consequence, a change in gene expression occurs. Signal termination is catalyzed by protein-tyrosine-phosphatase, or activated receptors can undergo Endocytosis and be degraded by Lysosomes.
  • E.g., growth factor or insulin, bind to receptors with tyrosine kinase activity (more detail below).
• The group of enzymotropic receptors also includes receptors with serine/threonine kinase, guanylate cyclase or tyrosine phosphatase activity.

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).

Druzí poslové a jejich funkce

__ Druzí poslové

Odkazy

Související články

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