Hemuppgift 2: Cancerbehandling Cancerbehandling bygger på att skada celler i snabb tillväxt/delning (såsom cancerceller) så selektivt som möjligt Colchicine, vincristine, och taxol är exempel på potentiella anti-cancer läkemedel som verkar på cytoskelettet Förklara kort vilken/vilka processer/mekanismer i cellen (från dagens föreläsning) som påverkas Varför drabbas cancerceller så mycket hårdare än många andra (normala) celltyper i kroppen. En biverkan av vincristine kan vara nerv-påverkan, ex nedsatt känsel i händer/fötter Rent mekanistiskt, utifrån dagens föreläsning, varför kan denna biverkan ske (dessa nervceller cell-delar sig ju inte)?

Vincristine binder tubulin dimers, Och inhiberar assembly av microtubule structurer Colchicine inhiberar microtubuli polymerisation genom att binda till tubulin, Taxol hyper-stabiliserar microtubuli genom att binda till β subunit av tubulin.

CELLSIGNALERING

CELLSIGNALERING alla levande celler tar emot och skickar signaler encellig organism flercellig organism signaler till/från intracellulär signalering omgivningen förutsättning för att en fungerande organism ska utvecklas

INNEHÅLL Generella principer Signalsubstanser Receptortyper Intracellulära Jonkanalsreceptorer G-proteinkopplade Enzymlänkade Intracellulär signalöverföring second messengers MAP-kinas och JAK/STAT

CELLSIGNALLERING signalerande cell – signalmolekyl - receptor – målcell förändring i målcellen reglerar all cellverksamhet, inkl metabolism, rörelse, tillväxt, överlevnad, differentiering

signalering med membran-bundna molekyler tex. vid embryonalutv. signalering med sekreterade molekyler Figures_Hi-res\ch13\cell3e13010.jpg

Generella principer En cells receptoruppsättning avgör vilka ligander/signaler den svarar på Olika signal-kombinationer kan ge olika svar i samma cell Samma ligand (och receptor) kan ge olika svar i olika celler Signalens varaktighet beror av signalsubstansens halveringstid och spridningsförmåga

SIGNALSUBSTANSER Små hydrofoba molekyler (steroidhormon) NO och CO Neurotransmittorer Peptidhormoner och tillväxtfaktorer Eicosanoider (Växthormoner)

Generella principer: signaleringskaskader överföring förändring amplifiering distribution modulering

Små hydrofoba Diffunderar över membran intracellulära receptorer steroidhormoner tyroidhormoner (sköldkörtelhormoner) vit. D3 retinoider (Nukleära receptorer)

Nukleära receptorer Figures_Hi-res\ch13\cell3e13030.jpg

NO syntetiseras från Arg (eNOS, iNOS) diffunderar till grannceller genom membran binder till enzym i målcellen ACh NO cGMP relaxerad nervceller endotelceller glatta muskelceller CO: verkar på liknar sätt som NO

Neurotransmittorer – små hydrofila molekyler Figures_Hi-res\ch13\cell3e13061.jpg

Ligand-reglerade jonkanaler i nervsynapser

”Gatade” jonkanaler – neurotransmittor öppnar

PEPTIDER- binder membranreceptorer peptidhormoner insulin, glukagon tillväxthormon m.fl. neuropeptider sekreteras av en del nervceller endorfin och enkefalin (samtidigt hormoner) tillväxtfaktorer EGF, NGF, PDGF cytokiner membranförankrade tillväxtfaktorer

EGF Epidermal growth factor INSULIN EGF Epidermal growth factor (Tyrosin kinase receptorer)

EICOSANOIDER Lipider mebranreceptorer autokrin eller parakrin signalering syntetiseras från arakidonsyra, kortlivade stimulerar trombocytaggregering, inflammation, kontraktion av glatt muskulatur acetylsalicylsyra (Aspirin, Treo mfl.) hämmar enzymet cyclooxygenas (syntes av prostaglandiner) – hämmar trombocyter.

Figures_Hi-res\ch13\cell3e13081.jpg

RECEPTORER intracellulära membranreceptorer Jonkanalsreceptorer G-proteinkopplade Enzymlänkade

INTRACELLULÄRA RECEPTORER I cytoplasman eller i kärnan Transkriptionsfaktorer – Ligandbindande domän DNA-bindande domän Transaktiverande domän (reglerar transkription) Påverkar genutryck (dvs långsamt svar!)

Östrogenreceptorn Figures_Hi-res\ch13\cell3e13030.jpg

MEMBRANRECEPTORER

MEMBRANRECEPTORER Signalsubstanser kan inte passera cellmembran neurotransmittorer peptidhormoner, neuropeptider, tillväxtfaktorer eicosanoider Kan blockeras, inaktiveras eller överstimuleras av främmande substanser, nikotin, valium, morfin Farmaka (läkemedel) och toxiner (gifter) snabbt svar (sekunder-minuter) förändrad proteinfunktion långsamt svar (minuter-timmar) förändring i proteinsyntes

Jonkanallänkad receptor Ligand-gated ion channel neurotransmittor binder till receptorn – som är en jonkanal jonkanalen öppnas joner strömmar in i/ut ur cellen spänningen över cellmembranet ändras

G-PROTEINKOPPLADE RECEPTORER största gruppen membranreceptorer Neurotransmittorer peptider, eicosanoider 7 a-helices genom membranet

G-proteinkopplade receptorer 'guanine nukleotide-binding proteins’ heterotrimer – a, b, g subenheter subenhet a binder GTP/GDP reglerar G-proteinets aktivitet Stor familj G-protein, ex: reglerar K+-kanaler i myokardiet aktiverar membranbundna enzymer Figures_Hi-res\ch13\cell3e13100.jpg

Ex: G-proteinet aktiverar adenylatcyclase -> cAMP (intracellulär 2nd messenger) cell4e-fig-15-12-0.jpg Animation

cell4e-fig-15-13-0.jpg

ENZYMLÄNKADE RECEPTORER intracellulärt enzym eller associerad med ett enzym extracellulär ligandbindande domän Intracellulär enzymatiskt domän snabba svar påverkar ex. cytoskelettet -> cellrörelse långsamma svar på tillväxtfaktorer, t.e.x. EGF, PDGF, NGF

Tyrosin-kinasreceptorer fosforylerar tyrosin-grupper på målproteinet extracellulärt N-terminal binder ligand transmembran a-helix intracellulärt C-terminal med tyrosinkinasaktivitet

Ligandbindning -> 1. Dimerisering och autofosforylering Figures_Hi-res\ch13\cell3e13140.jpg

2) Vidareöverföring av signal - nedströms signalmolekyler binder auto-fosforylerade tyrosingrupper Figures_Hi-res\ch13\cell3e13150.jpg

Avstängning av signal tyrosinfosfataser som plockar bort fosfatgrupperna Eller: endocytos av hela receptorn och degradering i endosomer/ lysosomer p

Fler enzymlänkade receptorer protein tyrosin-fosfataser Receptorassocierade proteaser protein-serin/threonin kinas guanylylcyklas ligandbindning ger cyklas-aktivitet GTP -> cGMP cGMP skickar signalen vidare i cellen

INTRACELLULÄR SIGNALÖVERFÖRING ligand binder receptorn Intiterar kedja av molekylära händelser receptorn förändras (ev. interagerar med enzym) intracellulära budbärarmolekyler för signalen vidare Adenylylcyklas - cAMP Guanylylcyklas - cGMP Fosfolipas C - inositoltrifosfat (IP3) - diacylglycerol (DAG) PI3-kinas - fosfatidylinositoltrifosfat (PIP3) MÅl: Gentranskription Cytoskelett organisation (form, rörelse, vidhäftning) Metabol aktivitet Sekretion …

cAMP - en 2nd messenger

Generell mekanism: Fosforylering och defosforylering styr enzym-aktivitet Animation signal amplifiering

Ex2: Cykliskt AMP-inducerad genexpression CRE = cAMP response element CREB = CRE-binding protein Figures_Hi-res\ch13\cell3e13210.jpg cAMP kan även påverka jonkanaler direkt

phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate diacylglycerol Phospholipase C – PLC Kan aktiveras av G-protein kopplade och tyrosin kinase receptorer => DAG och IP3 (2nd messengers) Figures_Hi-res\ch13\cell3e13240.jpg phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate diacylglycerol inositol 1,4,5-trisphosphate

Activation of phospholipase C by protein-tyrosine kinases cell4e-fig-15-26-0.jpg

IP3 och Ca2+ IP3 binder till receptorer (jonkanallänkad) på ER Jonkanal öppnar Ca2+ flödar ut från ER Ca2+ binder till Ca 2+ -bindande proteiner som ändrar form– (akt. enzym) Figures_Hi-res\ch13\cell3e13270.jpg

DAG och IP3 DAG och Ca2+ samverkar DAG rekryterar och aktiverar proteinkinas C (PKC) PKC translokeras från cytoplasman till plasma-membranet PKC fosforylerar sina olika målprotein (varierar beroende på celltyp) DAG IP3

Calmodulin ett exempel på Ca 2+-bindande protein som aktiverar målproteiner CaM-kinaser fosforylerar i sin tur sina målproteiner: metabola enzym, jonkanaler, transkriptionsfaktorer etc. Figures_Hi-res\ch13\cell3e13280.jpg

intracellulär Ca2+-koncentration en mycket viktig signal exciterbara celler: nervceller och muskelceller Sekretion, aggregering. Embryonalutvecklingen

MAP kinase pathway Mitogen-activated protein kinases kaskad av proteinkinaser styr cellens olika svar på signaler, celltillväxt, differentiering, etc Receptor –> Ras –> Raf –> MEK –> ERK –> målprotein

Aktivering av ERK MAP Kinases Figures_Hi-res\ch13\cell3e13320.jpg Raf – ett kinas som fosforylerar MEK – (MAP-kinas/ERK-kinas) ett kinas som fosforylerar ERK – ett kinas som fosforylerar andra kinaser, transkriptionsfaktorer etc.

ERK inducerar gener ERK – extracellular signal-regulated kinase aktiverar proteiner i både cytoplasman och i kärnan Figures_Hi-res\ch13\cell3e13350.jpg

Ras-aktivering via Tyrosinkinas-receptor Figures_Hi-res\ch13\cell3e13340.jpg SH-domain på Grb2 binder aktiverad receptor Grb2-SOS-komplex aktiverar Ras Ras-GTP interagerar med olika proteiner som rekryterar Raf, som aktiveras genom fosforyleringar

cell4e-fig-15-35-0.jpg

Integrin signaling cell4e-fig-15-46-0.jpg

signaling networks cell4e-fig-15-51-0.jpg

Fyra parallella intracellulära signalvägar och förbindelserna mellan dem transmembranreceptor tyrosinkinasreceptor G-protein G-protein fosfolipas C adaptorprotein adenylatcyklas IP3 DAG Ras-aktiverande protein cAMP Ca2+ Ras calmodulin Raf MEK A-kinas CaM-kinas C-kinas ERK Genregulatoriska proteiner Övriga målproteiner

A mammalian signaling network cell4e-fig-15-52-0.jpg

SAMMANFATTNING Cellsignallering på olika avstånd och med olika signalsubstanser Signalreglering, signalintegration Signalsubstanser Receptortyper Intracellulära Jonkanalsreceptorer G-proteinkopplade Enzymlänkade Intracellulär signalöverföring second messengers: cAMP, cGMP, IP3, DAG, Ca 2+, PIP3 MAP-kinas och JAK/STAT

Ex på tentafrågor Vilken är de principiella skillnaderna mellan endokrin, parakrin och neuronal (synaptisk) signallering? ) Nämn en signalsubstans för var och en Två olika sekundär budbärare (second messengers) syntetiseras då fosfolipas C aktiveras. Vilka? Ökad halt av en av dessa sekundära budbärare (second messengers) leder till ökad cytosolhalt av en jon. Vilken second messenger? Vilken jon? Förklara hur integrering av två signaler som cellen mottager samtidigt via två olika receptorer för två olika signalmolekyler kan ske. Vilka är de tre huvudtyper av ytreceptorer som finns? Ge en schematisk beskrivning av var och en av dem. Rita gärna