Лекция 9. Тема: «Межклеточное взаимодействие»

Лекция 9. Тема: «Межклеточное взаимодействие».

Межклеточное взаимодействие. Адгезия. Трансмембранные гликопротеиды. Адгезивные гомофильные и гетерофильные САМ-белки. Кадгерины, иммуноглобулины, селектины, интегрины, белки гистосовместимости. Роль различных межклеточных контактов в функционировании клеток и органов. Типы межклеточных контактов.

Жизнь клетки зависит от внешних регуляторных сигналов ( сигналы клеточные), которыми могут быть физические воздействия (температура, электромагнитное излучение) или химические соединения [ Evans ea 1998 ]. Хорошо изученными веществами, которые организм использует для регуляции жизнедеятельности клеток, являются, например, стероидные гормоны , цитокины или факторы роста , которые, достигая клеток-мишеней, вызывают метаболические изменения, связанные с изменением экспрессии групп генов. Не менее сильный и специфический ответ вызывают физиологически активные вещества экзогенного происхождения, например, феромоны или токсины. Чтобы адекватно реагировать на сигналы из окружающей среды, в том числе от других клеток организма, клетка должна их воспринимать и менять свое поведение в соответствии с получаемыми через эти сигналы инструкциями.

В связи с получением сигнала клетка должна решить несколько задач:

Отличить сигнал от множества других Доставить его по назначению Адекватно отреагировать на получение сигнала Выключить системы реагирования сразу, как только сигнал исчезает из окружающей клетку среды.

Задача доставки сигнала по назначению связана со сложностью. Поступающий сигнал слаб и клетка должна его усилить, чтобы он смог быть воспринят внутри клетки внутриклеточными приемниками. Эту проблему клетка решает тем, что использует так называемые каскадные механизмы усиления сигнала .

Сигналы, передающиеся через сигнальные молекулы, являются первичными по отношению к каскадам биохимических реакций, запускающимся в клетках в ответ на их воздействие. Передача сигнала это последовательность реакций, включающих взаимодействие внеклеточных лигандов (сигналы клеточные) с рецепторами на поверхности клетки с последующей активацией рецептора, заключающейся в изменении состояния его внутриклеточного домена. Активация рецептора вызывает каскад событий в клетке, в результате которых клетка адекватно реагирует на внешний сигнал.

Первичные сигналы распознаются клетками благодаря наличию у них специальных молекул-рецепторов белковой природы, взаимодействующих с первичными сигнальными молекулами или с физическими факторами. Первичный сигнал, как правило, не действует прямо на те метаболические процессы в клетке, для регуляции которых он предназначен. Воспринимающий его рецептор инициирует образование в клетке промежуточных химических соединений, запускающих внутриклеточные процессы, воздействие на которые было целью первичного внеклеточного сигнала. Такие промежуточные соединения несут в себе информацию о первичном регуляторном сигнале и являются вторичными его переносчиками, поэтому они получили название вторичных мессенджеров . Ими могут быть различные ионы, циклические нуклеотиды , продукты деградации липидов и целый ряд других химических соединений биогенного происхождения.

Вторичные мессенджеры позволяют усиливать первичный регуляторный сигнал от внеклеточных регуляторных молекул. Группы клеток и тканей приобретают способность к однотипной и одновременной реакции на первичный регуляторный сигнал, например, на действие гормона эндокринной системы. Это обеспечивает возможность быстрой адаптации многоклеточного организма к изменяющимся условиям внутренней и окружающей среды.

Изучение механизмов передачи и усиления сигналов является одной из основных задач биологии клетки. Их знание необходимо для понимания механизмов формирования функционального ответа клеток в норме, его регуляции и коррекции при патологических состояниях. В настоящее время известно около 50 белков-лигандов и 14 семейств рецепторов.

Существует несколько более или менее стандартных способов передачи сигнала от клеточной поверхности внутрь клетки, хотя эта проблема еще далека от окончательного понимания и постоянно появляются новые варианты сигнализации. Например классический обобщенный путь передачи сигнала заключается в цепоче взаимодействий - сигнальная молекула - рецептор на поверхности клетки-внутриклеточный усилительный механизм - включение определенных специфичных для данного сигнала генов. Рис 3 дает упрощенную схему двух возможных путей многостадийного процесса предачи сигнала, которая начинается со взаимодействия некоторого внешнего фактора с рецептором на поверхности клетки. Таким внешним фактором может быть какой либо гормон или какой-нибудь фактор роста, в частности, цитокин.

Но вот появляется такая например информация: [E. Strauss, 1998 ]. По крайней мере один классический сигнал, WNT (wingless) белок , может управлять развитием без включения и выключения генов. На критической стадии развития WNT побуждает раннюю клетку ассиметрично делиться на две дочерние клетки, дающие различные наборы тканей. Возможно WNT действует на цитоскелет, минуя модуляцию работы генов. Этот результат устанавливает новый modus operandi в представлениях о сигнальных путях в биологии развития. До этого WNT считался классической сигнальной молекулой, передающей сигнал в ядро. Это открытие сделано на черве C. elegans.

Рецепторы: трансмембранный перенос первичных сигналов

  Для того, чтобы первичный регуляторный сигнал достиг ядра и оказал воздействие на экспрессию генов-мишеней, он должен пройти через двухслойную мембрану клеток , которым он предназначен. Это достигается благодаря наличию на поверхности клеток рецепторов белковой природы, специфически выбирающих из окружающей среды сигналы, распознать которые они в состоянии. Когда в качестве низкомолекулярных регуляторов выступают гидрофобные химические соединения, растворимые в липидах мембран (например, стероидные гормоны), для их переноса не используются рецепторы, и они проникают в клетку путем диффузии. Внутри клеток такие соединения специфически взаимодействуют с белковыми рецепторами, а образующийся комплекс переносится в ядро. 

  Рецепторы мембран, ориентированные во внеклеточное пространство, осуществляют транспорт лиганда-регулятора внутрь клеток посредством эндоцитоза комплекса лиганд-рецептор в составе мембранных везикул. Такой механизм используется для переноса молекул холестерина, ассоциированных с рецепторами липопротеинов низкой плотности. Другой тип рецепторов, ориентированных на внеклеточные лиганды, - это трансмембранные молекулы или группа молекул. Взаимодействие с лигандом внешней части таких молекул сопровождается индукцией ферментативной активности, ассоциированной с внутриклеточной частью того же самого полипептида. Примерами подобных рецепторов, обладающих активностью тирозиновых протеинкиназ , являются рецепторы инсулина , эпидермального фактора роста или фактора роста тромбоцитов . В синапсах нейронов и местах контакта нейромышечных тканей лиганды-нейромедиаторы (например, ацетилхолин или гамма-аминомасляная кислота ) взаимодействуют с трансмембранными ионными каналами . В ответ на это происходит открытие ионных каналов, сопровождаемое перемещением ионов через мембрану и быстрым изменением трансмембранного электрического потенциала. Другие трансмембранные рецепторы осуществляют связь белков внеклеточного матрикса с микрофиламентами цитоскелета клеток и регуляцию формы клеток, зависящую от внеклеточного матрикса, их подвижности и роста. Большая группа внеклеточных сигналов распознается рецепторами, ассоциированными на внутренней поверхности мембраны с GTP-связывающими белками, ( G белки ) которые в ответ на первичный сигнал начинают синтез вторичных мессенджеров, регулирующих активность внутриклеточных белков.

G Белки

Сигнальные G-белки являются универсальными посредниками при передаче гормональных сигналов от рецепторов клеточной мембраны к эффекторным белкам , вызывающим конечный клеточный ответ.

Они являются объектом интенсивного изучения в связи с их участием во многих важных физиологических процессах (см. обзоры Gilman, 1987 ; Neer, Clapham, 1988 ; Freissmuth et al.,1989 , ea, 1992 ). G-белки, участвующие в передаче сигнала, являются членами большого надсемейства гуанин-связывающих белков. G - белки - это прецизионные регуляторы, включающие или выключающие активность других молекул.

Примерно 80% первичных мессенджеров (гормоны, нейротрансмиттеры, нейромодуляторы) взаимодействуют со специфическими рецепторами, которые связаны с эффекторами через G-белки.

G-белки - белки, связывающие гуанозиновые нуклеотиды. G-белки, ассоциированные с рецепторами, связаны с мембраной [ Hamm, ea 1996 ]. В неактивном состоянии они связаны с GDP. При связывании рецептора с лигандом GDP замещается на GTP, в результате чего происходит активация. Процесс этот сравнительно медленный, протекающий в течение секунд - десятков секунд.

Итак, G-белки - регуляторные белки, связывающие при активации ГТФ . Связывание агониста (гормона, нейромедиатора и др.) с соответствующим рецептором приводит к белок-белковому взаимодействию между рецептором и G-белком и ускоряет диссоциацию ГДФ. В результате образуется короткоживущий комплекс агонист - рецептор - G-белок, не связанный ни с каким нуклеотидом. Связывание с этим комплексом молекулы ГТФ снижает сродство рецептора к G-белку, что приводит к диссоциации комплекса и высвобождению рецептора. Потенциально рецептор может активировать большое количество молекул G-белка, обеспечивая, таким образом, высокий коэффициент усиления внеклеточного сигнала на данном этапе. Активированная альфа-субъединица G-белка (альфа* ГТФ Мg). [ Bourne, ea 1997 ] диссоциирует от бета-гамма-субъединиц и вступает во взаимодействие с соответствующим эффектором, оказывая на него активирующее или ингибирующее воздействие.

Впоследствии ГТФ, связанный с альфа-субъединицей G-белка, подвергается гидролизу, причем ферментом, катализирующим этот процесс, является сама альфа-субъединица. Это приводит к диссоциации альфа-субъединицы от эффектора и реассоциации комплекса альфаГДФ с бета-гамма-субъединицами. Спонтанная активация G-белка, связанного с ГДФ - весьма маловероятный процесс.

Этот же механизм лежит в основе гормональной регуляции фосфоинозитид-специфичной фосфолипазы С ( Boyer et al., 1989 ) и фосфолипазы А2 ( Axelrod et al., 1988 ). Кроме того, было показано, что G белки могут непосредственно активировать ионные каналы ( Sternweis, Pang, 1990 ).

STAT белки

STAT белки - это семейство факторов транскрипции эукариот, которые участвуют в передаче сигнала от большого числа цитокинов и факторов роста. Белки этого семейства имеют значительное сходство аминокислотной последовательности и близкую молекулярную массу [ Hou J. et al., 1994 ]. Индуцируемые цитокинами факторы STAT связываются с сайтами, имеющими частичную гомологию с GAS, например, APRE или IL-6RE для IL-6 и сайт SIE для факторов роста . В результате взаимодействия родственных факторов со сходными элементами ДНК обеспечивается пересечение путей активации генов различными цитокинами [ Larner A. C. et al., 1993 , Seidel H. M. et al., 1995 ].К концу 90-х гг было идентифицировано 7 генов STAT у млекопитающих. Эти белки гомологичны на 20-50% при попарном сравнении. STAT белки содержат SH2 домен , который связывается с фосфотирозином рецептора. После этого они фосфорилируются либо рецептором, либо ассоциированной с ним JAK киназой . Фосфорилированные STAT диссоциируют от рецептора. По-видимому за счет взаимодействия SH-2 доменов у одних молекул STAT с фосфотирозин-содержащими последовательностями других молекул STAT образуются гомо - и гетеродимеры. Димеры проникают в ядро. Там они сами или с участием других белковых факторов индуцируют транскрипцию тех генов, которые должны индуцироваться данным цитокином. Индукция происходит поскольку димеры STAT взаимодействуют в этих генах со специфическими, обычно нанонуклеотидными последовательностями с консенсусом TTCCGGGAA . Каждый цитокин активирует характерный для него набор STAT и, следовательно индуцирует характерный именно для него набор генов. Вы видите, что это совершенно другой путь передачи сигнала. Помимо того, что существует множество путей передачи сигнала, сложность этих процессов возрастает еще и потому что участники разных путей взаимодействуют друг с другом, цепочки разветвляются и образуют уже не пути, а сети передачи сигналов. JAK может фосфорилировать и активировать не только STAT, но и другие сигнальные белки. В свою очередь STAT могут активироваться другими протеинкиназами.

Литература:

и др, 1994,

, , 2006