SİNYAL AKTARIMI. Yrd. Doç. Dr. Muhammed Kamil TURAN Karabük Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyoloji ve Genetik Anabilim Dalı 2017

Transkript

1 SİNYAL AKTARIMI Yrd. Doç. Dr. Muhammed Kamil TURAN Karabük Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Biyoloji ve Genetik Anabilim Dalı 2017

2 BİZ BU DERSTE Sinyal- reseptör ilişkisinin kavranması Hücre gelişimi sırasında sinyal iletiminin önemini kavramış olması Büyüme faktörleri ve rolleri hakkında bilgi sahibi olması Hücre içi ikinci haberci sisteminin nasıl çalıştığını açıklayabilmeli Belli başlı ikinci habercilerin adlarını ve işleyiş şekillerini söyleyebilmeli Tirozin kinaz reseptör aracılı ve non reseptör Tirozin kinaz aracılı aktarım MAP, MAPKi JAT, STAT, IP3 yolaklarının işleyişi

3 HÜCRE SİNYAL İLETİMİ Tüm hücreler çevrelerindeki sinyalleri alırlar Aldıkları sinyallere karşılık yanıtlar verirler Bu olay hücrenin çevre ile ilişkisini açıklar

4 HÜCRE SİNYAL İLETİMİ Basit bakteriler bile yüksek glukoz ve aminoasid içeren bölgeleri algılarlar ve o bölgelere doğru yüzerler

5 HÜCRE SİNYAL İLETİMİ Sinyal aktarımının temelini bir hücreden salgılanan ya da hücrenin yüzeyinde ifade edilen proteinlerin başka bir hücrede bulunan reseptörü etkilemesi oluşturur.

6 HÜCRE SİNYAL İLETİMİ Sinyal aktarımının temelini bir hücreden salgılanan ya da hücrenin yüzeyinde ifade edilen proteinlerin başka bir hücrede bulunan reseptörü etkilemesi oluşturur.

7 SİNYAL İLETİM TİPLERİ Sinyal iletim proteinleri basit gazlardan çok kompleks protein moleküllerine kadar büyük bir yelpazede bulunurlar 3 tip etkileşim göze çarpar Doğrudan hücre-hücre etkileşimi Bazı proteinler sadece yakınlardaki Bazıları çok uzak hücreleri Bazıları ile kendi kendileri etkiler

8 SİNYAL İLETİM TİPLERİ Pek çok sinyal iletim tipi ve görevli molekül ile hedef hücre ya da hücrelerin verdikleri cevap formları bulunur Etkileme uzaklığına göre sinyal iletim tipleri Endokrin Parakrin Otokrin

9 SİNYAL İLETİM TİPLERİ Etkileme uzaklığına göre sinyal iletim tipleri Endokrin Parakrin Otokrin

10 STEROİD HORMONLAR VE NÜKLEER RESEPTÖR SÜPERAİLESİ Çok zaman sinya yüzey membranın da ekspresse edilen bir reseptör üzerinden etki eder Bazı durumlarda ise bu reseptörler Sitozolde ya da Nukleus da bulunabilir Sitozolde bulunan reseptörler ulaşmak için haberci moleküller Küçük Hidrofobik olmalıdır Bu tip maddelere örnekler Tiroid hormonu Vitamin-D3 Retinoik asit Steroid hormonlar (Testosteron, Östrojen, Progesteron

11 STEROİD HORMONLAR VE NÜKLEER RESEPTÖR SÜPERAİLESİ Glukokortikoid plazma zarından geçer Ligand yokken Hsp90 a bağlı ve inaktifitir Ligand varlığında Hsp90 dan ayrılarak aktiflenir ve dimer oluşturur pordan geçere nükleus içine girerler Histonasetil transferaz (HAT) ı aktifleyerek ilgli genlerin transkripsiyonunu arttırır

12 STEROİD HORMONLAR VE NÜKLEER RESEPTÖR SÜPERAİLESİ Tiroid hormon reseptörü, hormon olsa da olmasa da DNA ya bağlı olarak bulunur Hormon yokluğunda Histon deasetilaz (HDAC) aktivitesine sahip bir kofaktöre bağlıdır ve ilgili genlerin transkripsiyonu baskılanır Hormon olduğunda koaktivatör histon asetilaz (HAT) olur ve gerekli genlerin transkripsiyonunu arttırır

13 SİNYAL MOLEKÜLÜ OLARAK NO VE CO 2 NO basit bir gaz olmasına rağmen Sinir sisteminde Bağışıklık sisteminde Dolaşım sisteminde önemli bir sinyal molekülüdür NO plazma zarından direk difüzyonla sitoplazmaya geçer, burada belirli bazı reseptörlere bağlanmak yerine enzim aktivitesini düzenler

14 SİNYAL MOLEKÜLÜ OLARAK NO VE CO 2 Arjininden, Nitrik oksit sentaz (NOS) enzimi tarafından sentezlenen oldukça karasız bir yapıda, bir iki saniyelik yarılanma ömrüne sahip bir haberci molekül olup çevre hücreleri etkiler Ana hedefi guanilil siklaz enzimidi.

15 SİNYAL MOLEKÜLÜ OLARAK NO VE CO 2 Arjininden, Nitrik oksit sentaz (NOS) enzimi tarafından sentezlenen oldukça karasız bir yapıda, bir iki saniyelik yarılanma ömrüne sahip bir haberci molekül olup çevre hücreleri etkiler Ana hedefi guanilil siklaz enzimidir.

16 G PROTEİNİ VE SİKLİK AMP SİNYAL İLETİMİ Hücre yüzey reseptmrüne ligand bağlanır, Bu bağlanma reseptörde bir konformasyon değişmesine yol acar (çok zaman) Konformasyonu değişen reseptör hücrenin cevabını üretir Hücre yüzey reseptörlerinin en büyük ailesi G- Proteini bağlı sistemlerdir. G proteini eşlikli reseptörlerin yapısında transmembranal bir protein oldukları ve zarı yedi kez transvers olarak geçtiği görülür

17 G PROTEİNİ VE SİKLİK AMP SİNYAL İLETİMİ G proteini eşlikli reseptörler Koku alma Tat Görme ile ilgili pek çok sayıda farklı reseptöre sahip bir ailedir. G Proteini Alfa, beta ve gamma alt ünitesinden oluşur Alfa, aktif bölümdür ve direk olarak adenil siklaz aktifler Beta ve Gamma ise GDP bağlar

18 G PROTEİNİ VE SİKLİK AMP SİNYAL İLETİMİ G protein inaktif durumda GDP ile bağlanır GTP nin bağlanması ile alfa ayrılır Gama ve Beta birlikte kalırken alfa aktiflerinir

19 G PROTEİNİ VE SİKLİK AMP SİNYAL İLETİMİ

20 G PROTEİNİ VE SİKLİK AMP SİNYAL İLETİMİ Alfa alt birimi aktiflendiğinde iyon kanalları üzerine etki eder Onların üzerinden taşıdığı GTP den bir P kopartarak aktifler ve kendisi GDP bağlı hal alır GDP bağlı iken aktivitesini kaybeder ve tekrar gamma ve beta dimerine dönerek GDP bağlı G Protein formasyonu kazanır Bu esnada hormon reseptörden kalktı ise resptöre bağlı olarak kalır aksi halde tekrar aktiflenir.

21 SİKLİK AMP YOLAĞI VE PROTEİN FOSFORİLASYONU camp G proteinin ana hedefidir. camp bu nedenle ikincil haberci olarak adlandırılır. Hormonun kendisi birincil habercidir, G proteini aracı ve camp ise ikincil habercidir camp Bağımlı protein kinaz ya da protein kinaz A enzimi üzerinden etki eder.

22 SİKLİK AMP YOLAĞI VE PROTEİN FOSFORİLASYONU Protein kinaz iki (R)egülatör ve iki (C)atalitic unitten oluşur. camp R bölgesine bağlanarak C sahasının proteinden ayrılmasına ve aktiflenmesine neden olur

23 SİKLİK AMP YOLAĞI VE PROTEİN FOSFORİLASYONU Epinefrin ile glikojen yıkımı Epinefrin reseptörüne bağlanır ve bu bağlanma G proteini aktifler, aktive alfa alt birimi, adenil siklazı aktive eder. Akrive adenil siklaz AMP den bir camp oluşturur ve camp ikincil haberci olarak görev yapar camp, proteinaz kinaz A yı fosforila protein kinaz A halinde aktive eder. Aktive protein kinaz A fosforilaz kinaz enzimini fosforilleyerek onu aktifler Aktive edilmiş fosforilaz kinaz glikojen fosforilazı aktive eder Glikojen fosforilaz ile glikone glukoz-1-fosfata çevirir

24

25

26 SİNYAL AMPLİFİKASYONU Her bir molekül epinefrin sadece bir reseptörü aktive eder Her reseptör 100 molekül G proteine kadar proteini aktifler Her molekü aktif G alfa yüzlerce adenil siklazı aktifler Ve camp pek çok protin kinazı aktifler Acrtive protein kinaz A pek çok enzimi aktifler Böylece sinyal amplifiey edilmiş olur

27 SİNYAL AMPLİFİKASYONU Her bir molekül epinefrin sadece bir reseptörü aktive eder Her reseptör 100 molekül G proteine kadar proteini aktifler Her molekü aktif G alfa yüzlerce adenil siklazı aktifler Ve camp pek çok protin kinazı aktifler Acrtive protein kinaz A pek çok enzimi aktifler Böylece sinyal amplifiye edilmiş olur

28 SİKLİK AMP YE TANIT OLARAK GEN TRANSKRİPSİYONUNUN ARTMASI camp nin artışı CRE (cyclic amp response element) geninin transkripsiyonunu aktifleştirir CRE koaktivatörünün fosforillenmesi protein kinaz a tarafından yapılır ve CREB (cre bağlayan protein) yi fosforile ederek aktifler CREB, camp artışlı ile ilgli olan genlerin transkripsiyonunu düzenleyen bir fsktördür.

29 SİKLİK AMP YE TANIT OLARAK GEN TRANSKRİPSİYONUNUN ARTMASI camp nin artışı CRE (cyclic amp response element) geninin transkripsiyonunu aktifleştirir CRE koaktivatörünün fosforillenmesi protein kinaz a tarafından yapılır ve CREB (cre bağlayan protein) yi fosforile ederek aktifler CREB, camp artışlı ile ilgli olan genlerin transkripsiyonunu düzenleyen bir fsktördür.

30 PROTEİN KİNAZ A VE PROTEİN FOSFATAZ-1 Protein kinaz A gibi protein kinazlar sitoplazmada serbest olarak işlev yapar Hedef proteinlerin serin ve treonin rezidülerini fosforilleyerek onları akrifler Bu nedenle aktivitesinin düzenlenmesi gerekir Protein kinaz A, protein fosfotaz-1 tarafından hızlı bir şekilde dengelenir Protein fosfotaz 1 enzimi serin ve treonin rezidülerinin fosfat gruplarını uzaklaştırarak onları deaktive eder.

31 SİKLİK GMP cgmp de camp gibi bir ikincil habercidir cgmp nin çok iyi aydınlatılmış aracılı olduğu sinyal iletim yolağı omurgalıların gözlerinde tanılanmıştır Retinada bulunan rodopsin, g protein ile ilişkili bir reseptördür Rodopsin yapısında küçük bir molekül olan 11-cis-retinal proteini içerir ve bu protein ışığı absorbe ederek all-trans-retinale dönüşür bu da rodopsin molekülünü aktifler G Proteinin alfa subuniti GTP bağlar ve aktiflenerek plazma zarındaki cgmp Fosfodiesteraz enzimini aktifler ve sonunda bu enzim cgmp moleküllerini hedef alarak onları GMP ye dönüştürür Net etki cgmp miktarının azalmasıdır

32 SİKLİK GMP cgmp de camp gibi bir ikincil habercidir cgmp nin çok iyi aydınlatılmış aracılı olduğu sinyal iletim yolağı omurgalıların gözlerinde tanılanmıştır Retinada bulunan rodopsin, g protein ile ilişkili bir reseptördür Rodopsin yapısında küçük bir molekül olan 11-cis-retinal proteini içerir ve bu protein ışığı absorbe ederek all-transretinale dönüşür bu da rodopsin molekülünü aktifler G Proteinin alfa subuniti GTP bağlar ve aktiflenerek plazma zarındaki cgmp Fosfodiesteraz enzimini aktifler ve sonunda bu enzim cgmp moleküllerini hedef alarak onları GMP ye dönüştürür Net etki cgmp miktarının azalmasıdır cgmp iyon kanallarını kontrol eden bir moleküldür ve miktarı Azaldığından bir potansiyel farkının oluşmasına neden olur. Bu fark Bir sinir impulsu olarak karşımıza çıkar

33 FOTOAKTİVASYON Phosphodiest erase 6 (PDE6) is highly concentrated in the retina

34 RESEPTÖR TİROZİN KİNAZLAR Tirozin kinazlar hedef proteinlerini tirozin rezidülerinde fosforilleyen moleküllerdir. G proteini gibi aracı bir moleküle bağlı değildirler Direk olarak hücre içi enzim aktivitesini düzenlerler Özellikle Hücre büyümesi ve farklılaşması

35 RESEPTÖR TİROZİN KİNAZLAR İnsan genomunda NGF, EGF, PDGF gibi büyüme hormonları ile 58 faktör daha reseptör tirozin kinaz yolağı ile hücre aktivitesini düzenler Genel olarak reseptör yapısı Amino ucu extracellular ligand bağlanma alanıdır Membranı tek alfa heliks yapısı olarak geçer Sitozolik uçta karboksi terminale gelmeden tirozince zengin bir bölge içerir Karboksi ucu sitozoldedir ve direk olarak enzimler ile ilişki kurar

36 RESEPTÖR TİROZİN KİNAZLAR Çoğu reseptör kinaz tek bir peptit şeklinde iken insülin alfa ve beta alt birimlerinden oluşan dimerik yapısı ile ayrılır.

37 RESEPTÖR TİROZİN KİNAZLAR NGF ve PDGF reseptörleri kendilerine identik olan diğer bir reseptör iile dimerik yapı göstererek ative olurlar. Ligand her halükarda iki ayrı reseptöre bağlanlanrak bu yapıyı oluşturabilir. Reseptör dimerizasyonundan sonra otofosforilasyon olur. Otofosforilasyon reseptör trizon kinazın bir özelliğidir Başka bir moleküle ihtiyaç yoktur.

38 RESEPTÖR TİROZİN KİNAZLARIN OTOFOSFORİLASYONU Bu fosforilasyon iki önemli rol oynar Tirozince zengin kısımların karşılıklı olarak birbirlerini fosforillemesi protein kinaz aktivitesini arttırır Katalitik bölge dışındaki tirozin rezidülerinin fosforilasyonu ise hücre içinde sinyalin aşağı yönde sinyal ileten moleküllere bağlanması arttırır Bu artış ek rezidülerin fosforillenmesinin bu proteinlere bağlanacak özgün yerler oluşturmasından kaynaklanır.

39 RESEPTÖR TİROZİN KİNAZLARIN OTOFOSFORİLASYONU Bu fosforilasyon iki önemli rol oynar Tirozince zengin kısımların karşılıklı olarak birbirlerini fosforillemesi protein kinaz aktivitesini arttırır Katalitik bölge dışındaki tirozin rezidülerinin fosforilasyonu ise hücre içinde sinyalin aşağı yönde sinyal ileten moleküllere bağlanması arttırır Bu artış ek rezidülerin fosforillenmesinin bu proteinlere bağlanacak özgün yerler oluşturmasından kaynaklanır.

40 RESEPTÖR OLMAYAN TİROZİN KİNAZLAR Bunlar içsel enzimatik aktiviteye sahip değildirler Hücre için protein tirozin kinazları uyarak etki gösterirler Genel olarak sitokin reseptör süper ailesi ile gelen sinyallerin aktarımından sorumludurlar. Reseptör yapısı Extracellular sahada amino ucu bulunur Membranı tek alfa heliksa katlanma ile geçer Karboksi ucu sitozolik yüzdedir Bu ucun herhangi bir katalitik aktivitesi yoktur. Bunun yerine nonreseptör tirozin kinaz ile etkileşime girebilen proteinlerin bağlanma sahaları vardır.

41 JAK Sitokin reseptörü ile ilintili reseptör olmayan tirozin kinaz sitozolik yüzde enzimatik aktivetesi olmayan karboksi ucuna bağlı JAK (jenus kinaz ailesi) proteinleri bulundurur JAK, tirozin rezidülerini fosforilleyebilen bir kinazdır JAK, ligand sirokinin resetöre bağlanması ile aktive olur

42 STAT STAT SH2 domaine sahip 7 trasnkripsiyon faktörünü içeren büyük bir ailedir İlgili genlerin transkripyonlarının düzenlenmesinden sorumludur Sonra STAT moleküllerini aktive eder STAT dimerizasyonu ile aktive olur STAT, nukleus içinde ilgli genlerin trasnkripsiyonlarını arttırır

43 JAK/STAT

44 JAK/STAT

45 JAK/STAT

46 MAP KİNAZYOLAKLARI MAP kinaz yolağı hem tirozin kinaz hem de reseptör olmayan tirozin kinaz ailesi ile çalışan Sinyalin aşağı yönde iletiminde görev alan Yolak merkezinde çok sayıda büyüme hormonu ile çalışam ve mitajen tarafından aktive edilen protein kinaz olan MAP ı bulunduran protein serin-tirozin kinaz ailesi anlaşılır Genel olarak bakıldığında MAP Kinaz yolağı Hücre büyüme Hücre farklılaşmasından sorumludur

47 MAP KİNAZYOLAKLARI MAP kinaz yolağı hem tirozin kinaz hem de reseptör olmayan tirozin kinaz ailesi ile çalışan Sinyalin aşağı yönde iletiminde görev alan Yolak merkezinde çok sayıda büyüme hormonu ile çalışam ve mitajen tarafından aktive edilen protein kinaz olan MAP ı bulunduran protein serin-tirozin kinaz ailesi anlaşılır Genel olarak bakıldığında MAP Kinaz yolağı Hücre büyüme Hücre farklılaşmasından sorumludur

48 MAPK/RAS Plazma zarında Ras GDP bağlı iken inaktiftir Ras, GTP bağlı iken ise aktiftir Ligand bağlanması GEF (guanin nükelotid değişim faktörü) tarafından Ras ının GDP sinin GTP ileş değişimi tetikler

49 MAPK/RAS GTP Bağlı Ras plazmada pek çok proteini etkiler, Bu etkiler proliferasyon ve büyüme yönündedir Dengede tutulabilmesi ile GAP (GTPaz aktive eden protein) tarafından GTP sinin GDP ile değişimi sağlanmalıdır

50 MAPK/RAS İnsan kanserlerinde Ras proteini GTP hidrolizini inhibe eden bir mutasyona kurban gider Bu nedenle sürekli aktif kalır Sürekli aktivite beraberinde ciddi büyüme proliferasyon ve mitozu getirir. Bu durumda hücre büyüme hormonuna ihtiyaç duymadan düzensiz bir biçimde bölünür

51 MAPK/RAS/MEK/ERK YOLAĞI Reseptör tirozin kinaza bir ligand bağlanaması ve sinyalin aşağı yönde Ras, Raf ve ERK ile aktarılması Yolağı Çalışması 1. Reseptöre ligand bağlanır 2. Reseptörde otofosforilasyon olur 3. SH2 Domain aktiflenir 4. GEF bu nedenle plazma zarı üzerine toplanır 5. GEF/Ras üzerindeki GDP ti GTP yapar 6. Ras-GTP aktiftir ve Raf protein kinazı aktifler 7. Aktif Raf MEK i fosforiller ve Aktif MEK, ERK yı aktifler

52 MAPK/RAS/MEK/ERK YOLAĞI Yolağı Çalışması Aktive edilen ERK nukleus İçine girer ve burada acil Erken genler olarak adlandırılan Bir grup genin transkripsiyonu tetikler.

53 RAS/MEK/ERK BİR İSKELEDE BAĞLIDIR

54 PI3-KİNAZ/AKT VE MTORYOLAKLARI Protein tirozin kinaz aracılı sinyal iletiminde aşağı sinyal iletimi için PIP2 (bir zar fosfolipidi olan fosfotidilinozitol 4,5 bifosfat) da sıkça kullanılan yolaklardan birisidir PIP2 nin 3.pozisyondaki inositolünün fosfatlanması ile fosfotidilinosital 3,4,5 trifosfat oluşumu yolağın temelidir Bu işlem PI-3-Kinaz tarafından yapılır PI3K nin SH-2 domain i reseptörün aktivasyonu ile fosforillenir ve aktif hale geçer

55 PI3-KİNAZ/AKT VE MTORYOLAKLARI Aktive olan PI3K,PIP2 yi PIP3 haline dönüştürür ve PIP3 ün önemli bir hedefi ise Akt yı aktifler Akt; hücrenin hayatta kal sinyalidir Bu yolak hücreye hayatta kal emrini veren yolaktır

56 PI3-KİNAZ/AKT VE MTORYOLAKLARI Akt, direk olarak fosforillenmez PIP3 bağlı PDK1 ve mtorc2 tarafından fosforilenmeyi gerektiri Akt bir kere aktiflendiğinde hücre sağkalımınını doğrudan düzenleyicileri, TFs ve pek çok proteini fosforile ederecek aktifler

57 PI3-KİNAZ/AKT VE MTORYOLAKLARI

58 FOSFOLİPAZ C VE KALSİYUM PIP2 nin fosfolipaz c ile iki ayrı ikincil haberciye hidrolizi temeline dayan bir yolaktır Bu yolakta PIP2 DAG Inositon 1,4,5 Trifosfat Hem tirozin kinaz reseptörü hem de G proteini aracılı sinyal aktarıma örnektir.

59 FOSFOLİPAZ C VE KALSİYUM PLC gama alt birimi aktif birimdir SH2 domain i reseptör kinazın aktiflenmesi ile (otofosrile olması) PLC-Gamma yı aktifler Aktif PLC PIP2 yi iki moleküle hidrolize eder PIP2 ER lümeninden sitozole Ca çıkışan neden olur. Kas kasılması Vezikülleri sekresyonu Mörotransmitter sentezi ve salınımı DAG Hücre zarına yapışık olarak kalır Hücre büyümesi Hücre farklılaşması faktörleri regüle eder