2. Overview of Cell and Tissue Signalling

Náplň podkapitoly:

  1. Úvod do signalizace
  2. Obecné principy signalizace
  3. Základní typy komunikace mezi buňkami
  4. Receptory a postreceptorové děje
_

Úvod do signalizace

Každý živý organismus musí komunikovat s ostatními jedinci svého druhu. Buď proto, aby si vybudoval a udržel teritoriální dominanci, nebo proto, aby zajistil ideální spolupráci při získávání zdrojů. Mravenci během pohybu za sebou zanechávají feromonovou stopu tak, aby je kterýkoliv jiný člen mraveniště mohl sledovat a zjistit, co právě dělají. Bylo dokázáno, že množství a složení feromonů se v této stopě mění podle činnosti daného mravence. Svou aktivitu překládají do zprávy, která je srozumitelná ostatním, signál takzvaně transdukují. Ve chvíli, kdy najde zdroj potravy, se množství feromonů prudce zvýší. Narazí-li na tento signál jiný trubec, automaticky se po stopě vydá, aby pomohl s odnášením potravy do mraveniště. Kromě toho automaticky udělá ještě jednu věc – modifikuje svou feromonovou stopu a tím signál tzv. amplifikuje. Upoutá další a další mravence, a tak vznikají ony zástupy mravenců táhnoucí se od mraveniště až k nalezené kořisti.

Stejně tak spolu musí komunikovat i buňky v mnohobuněčném organismu. Vysílají informace o koncentraci okolních substrátů, stavu svého buněčného cyklu apod. Vše jen proto, aby existovala optimální synchronizace jednotlivých buněk a byla udržena homeostáza v celém organismu.

_

Obecné principy signalizace

Je nutné si uvědomit, že signál musí být v procesu vlastní buněčné komunikace několikrát přeložen. Koncentrace okolních molekul je zachycena příslušnými receptory. Ty signál převedou (chcete-li přeloží) do vnitřní signalizační dráhy – složité kaskády molekul, o kterých se zmíníme později. Buňka signál vyhodnotí, upraví dle něj své chování. O této změně pak informuje ostatní. Zřejmě zjistíte, že v celém procesu existuje několik míst, kde se mění forma signálu. Tento převod se nazývá transdukce signálu.

Nejlépe lze koncept transdukce demonstrovat na neuronálním vedení. Elektrický signál, který nazýváme akční potenciál, se šíří po axonu nervové buňky. Zcela přesně kóduje určitou informaci. Ve chvíli, kdy se dostane na axonální zakončení, spustí vylití určitého množství kvant neurotransmiteru. A najednou už ona informace není kódována ve frekvenci a počtu elektrických impulsů, ale v koncentraci chemické látky vylité do synaptické štěrbiny.

K vlastní signalizaci jsou v nejobecnějším případě nutné alespoň dvě buňky, jedna signalizující a druhá cílová.

Signalizující buňka produkuje specifický typ signalizačních molekul, které jsou předávány cílové buňce. Signální molekuly jsou látky nejrůznější chemické povahy. Patří k nim např. proteiny, peptidy, aminokyseliny a jejich deriváty, nukleotidy, steroidy, mastné kyseliny a jejich deriváty nebo i rozpuštěné plyny.

Cílová buňka naopak produkuje receptor, který signál zachytí a rozpozná. Receptor je také první molekulou, která zahajuje celou kaskádu transdukčních procesů.

Právě receptor je z hlediska intercelulární komunikace nejvýznamnější molekulou. Pokud jej buňka neexprimuje, tak nebude schopna zachytit sebesilnější signál, který daná molekula kóduje. Říkáme, že je cílová buňka k tomuto signálu hluchá. Na druhou stranu může cílová buňka změnit sílu a význam signálu díky vlastnímu autonomnímu dohledu nad metabolismem receptorů a intracelulárními signalizačními pochody. Obecně hovoříme o senzitizaci a desenzitizaci.

Senzitizace

Senzitizace je obecný pojem pro změnu síly signálu v pozitivním smyslu. Může se odehrávat na dvou úrovních, receptorové a postreceptorové.

Receptorová úroveň: Up-regulace receptorů

Pokud se dlouhodobě sníží koncentrace signální látky (např. hormonu) v určité tkáni, která je na ni citlivá, jsou její buňky schopny syntetizovat více receptorů a vystavit je na své membráně. Dojde tak ke zvýšení denzity receptorů a tím senzitizaci buňky. Díky většímu množství receptorů na membráně pak stačí dosažení i nižší plazmatické koncentrace hormonu pro adekvátní reakci.

Postreceptorová úroveň: Změny intracelulárních signalizačních kaskád

Intracelulární signalizační kaskády lze pozitivně ovlivnit změnou exprese jejich jednotlivých prvků nebo změnou jejich aktivity (např. pomocí fosforylace / defosforylace).

Desenzitizace

Desenzitizace je obecný pojem pro změnu síly signálu v negativním smyslu. Může se odehrávat na dvou úrovních, receptorové a postreceptorové.

Receptorová úroveň: Down-regulace receptorů

Jde o fenomén, který nastává při dlouhodobě zvýšené koncentraci signálních molekul ve tkáni. Jejím následkem je zvýšená internalizace receptorů a snížení jejich produkce, jež vedou k poklesu denzity vystavených receptorů. Buňky pak vykazují nižší citlivost vůči signální molekule, čímž jsou ochráněny před excesivním působením signální molekuly.

Postreceptorová úroveň: Změny intracelulárních signalizačních kaskád

Intracelulární signalizační kaskády lze negativně ovlivnit změnou genové exprese jejich jednotlivých prvků nebo změnou jejich aktivity (např. pomocí fosforylace / defosforylace).

_

Základní typy komunikace mezi buňkami

Signál je mezi buňkami přenášen na různou vzdálenost a s různou rychlostí. Rozlišujeme pět základních druhů regulací:

1) Nervová regulace: signální molekuly, nazývané neurotransmitery, se uvolňují do synaptické štěrbiny ve chvíli, kdy akční potenciál doputuje k axonálnímu zakončení.

2) Endokrinní regulace: signální molekuly, nazývané hormony, se dostávají k cílové buňce prostřednictvím krevního oběhu. Signál je přenášen i na velké vzdálenosti. Místem jejich tvorby jsou endokrinní žlázy. Tento druh signalizace obvykle kóduje informace o stavu a potřebách celého organismu.

3) Parakrinní regulace: signální molekuly jedné buňky lokálně difundují extracelulárním médiem a působí na buňky, které se nacházejí v nejbližším okolí (lokální mediátory).

4) Dotyková regulace: signální molekula je membránově vázána na signalizující buňce, působí na nejkratší vzdálenost. Hraje velkou roli v imunitních procesech a během embryonálního vývoje. Tyto signály jsou velmi podstatné a často doslova rozhodují o životě a smrti dané buňky. T-lymfocyt je totiž schopen téměř kterékoliv buňce prostřednictvím dotykové signalizace nařídit spuštění apoptózy.

5) Autokrinní: buňka ovlivňuje sebe sama (produkované signální molekuly se váží na receptory na membráně téže buňky). Velmi často se jedná o tzv. udržovací signály – jejich absence vede ke spuštění apoptotických procesů.

Všechny tyto typy signalizace působí současně a doplňují se. Byla by chyba se domnívat, že k buňce dorazí jeden signál a to ještě určitého typu za nějakou časovou jednotku. Buňky mezi sebou komunikují neustále. Nepřetržitě si vyměňují informace všemi výše uvedenými způsoby. Jedna buňka v daném okamžiku zpracovává stovky signálů, které vzájemně integruje a vyhodnocuje. A právě integrace všech signálů z různých zdrojů rozhodne o změně buněčného chování, nebo v setrvání v konstantním stavu.

_

Receptory a postreceptorové děje

Receptory schopné vázat signální molekuly se nacházejí buď na membráně nebo v cytoplazmě (případně jádře) cílových buněk. Receptory na membráně zpravidla vážou látky ve vodě rozpustné. Po navázání takové signální molekuly dojde nejčastěji k ovlivnění biochemických pochodů. Hydrofóbní látky procházejí membránou a váží se na receptor uvnitř buňky, cytoplazmatický či jaderný. Tyto signální molekuly působí na úrovni ovlivnění genové exprese.

Membránové receptory

Jsou to nejčastěji proteiny zavzaté do cytoplazmatické membrány, které nesou vazebná místa pro signalizační molekuly. Pokud se podíváme na povrch jakékoliv buňky, uvidíme desetitisíce receptorů pro řadu různých působků, jež díky fluidnímu charakteru membrány „plavou” ve fosfolipidové dvojvrstvě. Jejich počet navíc není konstantní. Kdybychom membránu pozorovali déle, uvidíme, jak se dynamicky mění zastoupení jednotlivých typů receptorů i jejich počet doslova z minuty na minutu dle aktuálních potřeb organismu.

Jakmile vznikne komplex receptor-signalizační molekula, je stažen z intersticiálního povrchu cytoplazmatické membrány do cytoplazmy ve formě váčku (čili internalizován). Zde je receptor v závislosti na svém typu buď reaktivován (molekula hormonu je odstraněna z aktivního místa a zničena), nebo váček fúzuje s lyzosomem a působením jeho enzymů je zničen celý komplex.  Nový receptor pak musí být nasyntetizován na ribosomu.

Po navázání signální molekuly je receptor aktivován a signál z aktivovaného komplexu je přepojen na další signalizační molekulu. Toto přepojení je obecně trojí:

1) Spřažení s iontovým kanálem

2) Spřažení s G-proteinem

3) Spřažení s enzymem

1) Spřažení s iontovým kanálem

Pokud je receptor spřažen s iontovým kanálem, je obvykle jeho aktivací docíleno změny membránového potenciálu cílové buňky. Otevřený kanál umožňuje migraci náboje napříč membránou. Tato změna je okamžitá a vede k aktivaci dalších kanálů, které jsou otevírány napětím (tzv. voltage-gated). Aktivita kanálů – jak spřažených s receptory, tak otevřených změnou potenciálu – mění permeabilitu membrány a především mění iontové složení v jejím nejbližším okolí. Charakter této změny závisí na tom, zda je aktivovaný kanál prostupný pro kationty nebo anionty.

Kationtové kanály jsou v závislosti na svém průměru a dalších vlastnostech propustné pro sodík, draslík nebo vápník. Jejich ústí je záporně nabité, což přitahuje kladně nabité ionty a odpuzuje anionty.

Kationt, který hraje hlavní roli v samotné intracelulární signalizaci, je Ca2+. Samotné ionizované kalcium, respektive nárůst jeho koncentrace, totiž spouští vlastní kalcium-kalmodulinový systém. V tomto systému sehrává centrální úlohu cytoplazmatický protein kalmodulin. Ten nese čtyři vazebná místa pro Ca2+. Pokud jsou alespoň tři z nich zaplněna, změní svou konformaci a váže se na tzv. kalmodulin-dependentní proteinkinázy. Ty pak spouštějí signalizační kaskádu opakujících se fosforylací dalších a dalších kináz, kterým je tak měněna enzymatická aktivita. Nakonec, po mnoha přepojeních v intracelulární kaskádě, dojde k ovlivnění specifických funkcí cílové tkáně.

Aniontové kanály umožňují prostupovat zejména chloridům. Hydratované ionty sodíku, draslíku a vápníku jsou příliš velké na to, aby prošly ústím, a proto většina chloridových kanálů nemusí být kladně nabitá.

Aktivace iontových kanálů trvá velmi krátkou dobu a po deaktivaci kanálu mizí jeho účinky v řádu jednotek milisekund. Přepojení signálu na tzv. druhé posly (prostřednictvím G-proteinu) nebo na intracelulární enzymy vyvolává změny, které mohou přetrvat až měsíce.

2) Spřažení s G-proteinem

Serpentinové receptory, jejichž transmembránová doména prochází sedmkrát membránou, jsou spřaženy s tzv. G-proteinem. Jedná se o heterotrimerní GTP-vázající protein, který je v inaktivním stavu asociován s receptorem a složen z podjednotek alfa, beta a gama. Na jednotce alfa je vázáno GDP. Při aktivaci serpentinového receptoru dochází ke konformační změně G-proteinu. Z jednotky alfa je uvolněno GDP a jeho místo zaujme GTP. Tato změna vede k disociaci heterotrimeru. Výsledkem této disociace je monomer alfa a heterodimer beta-gama. Oba produkty difundují podél membrány a spojují se s enzymy, které pro ně nesou vazebná místa. Výsledným efektem může být celá řada jevů od aktivace enzymů až ke změně exprese genů, díky které se dlouhodobě moduluje enzymatická výbava nebo struktura buněk.

Dnes rozeznáváme tři základní typy G-proteinů:

a) Gs-protein

Aktivuje adenylátcyklázu (AC), čímž dojde k nárůstu intracelulární koncentrace cAMP. Tento jev mění aktivitu cAMP-dependentní proteinkinázy (tzv. proteinkináza APKA) a spouští tak různé signalizační systémy v závislosti na specifikách buňky.

b) Gi-protein

Inaktivuje adenylátcyklázu, což vede k postupnému snížení koncentrace cAMP v cílové buňce. Výsledkem je oslabení cAMP-dependentních procesů.

c) Gq-protein

Působí na fosfolipázu C (PLCβ). Ta přeměňuje fosfatidylinositolbisfosfát (PIP2) přítomný v cytoplazmatické membráně na inositoltrifosfát (IP3) a diacylglycerol (DAG). IP3 uvolňuje zásoby vápenatých iontů z endoplazmatického retikula (a částečně z mitochondrií), které pak spouští kalcium-kalmodulinovou kaskádu (aktivace kalmodulin-dependentních proteinkináz). DAG v cytoplazmě spolu s kalciem aktivuje proteinkinázu C (PKC).

Inaktivace G-proteinu

Podjednotka alfa má GTPázovou aktivitu, takže po určitém časovém intervalu dojde k rozštěpení GTP na GDP a anorganický fosfát. Tato změna směřuje k reasociaci monomeru alfa a heterodimeru beta-gama do původního trimeru spřaženého s receptorem.

3) Spřažení s enzymem

Některé membránové receptory jsou spřaženy s enzymem, a to buď ve formě asociované molekuly enzymu aktivované spolu s receptorem, nebo vykazují vlastní enzymatickou aktivitu.

Pokud je receptor sám enzymaticky aktivní, jedná se často o kinázu, jež fosforyluje další molekuly receptoru. Celý proces probíhá tak, že aktivované komplexy homodimerizují a vzájemně si fosforylují některé aminokyseliny (nejčastěji tyrosin nebo threonin / serin, tzv. autofosforylace). Tím vzniknou na cytoplazmatických doménách receptorů vazebná místa pro další enzymaticky aktivní proteiny a dochází ke spuštění signalizačních systémů.

Cytoplazmatické receptory

Jde o receptory přítomné v cytoplazmě buněk citlivých na lipofilní signální molekuly, které díky svým chemickým vlastnostem procházejí membránou. Aktivovaný komplex zde funguje jako transkripční faktor, který je rozpoznán přenašečem v pórech jaderné obálky a transportován do jádra. Na DNA se pak váže na tzv. HRE oblasti (hormon-responding element), jež nejsou ničím jiným než promotorovými sekvencemi. Tímto mechanismem dojde ke změně genové exprese, tedy k aktivaci nebo inaktivaci jejich transkripce, a v konečném důsledku k alteraci buněčných funkcí nebo ke vzniku funkcí úplně nových.

Intracelulární signalizační systémy

Signály jsou z druhých poslů převedeny na kinázy a fosfatázy, které jsou volně rozpuštěny v cytoplazmě. Ty obvykle tvoří dlouhý řetězec několika vzájemně se fosforylujících a defosforylujících proteinů, takzvanou kaskádu kináz. Navázání nebo odštěpení fosfátu mění aktivitu dalšího enzymu v řadě. Nejde přitom paušálně říci, že fosforylace aktivuje enzym a defosforylace jej naopak deaktivuje. Vyvolaná změna je specifická pro daný enzym.

Význam kaskády je v podstatě trojí:

1) Amplifikují signál, takže postupným přepojováním na více a více signálních molekul může i slabý vstupní signál vyvolat významnou změnu buněčného chování.

2) Divergují signál na několik cílových míst, a tak jeden aktivovaný receptor může ovlivnit několik funkcí cílové buňky.

3) Konvergují signály, a proto i dva slabé signály různého původu mohou vyvolat změnu koncentrace určité signální molekuly dostatečnou pro vyvolání specifického účinku.

Na konci dráhy dojde buď ke změně exprese genů, úpravě biochemických pochodů, nebo zachování současného stavu. Tyto změny souhrnně v molekulární biologii označujeme jako úpravu buněčného chování.

Autoři podkapitoly: Patrik Maďa a Josef Fontana

cc-by-sa