Segnalazione Cellulare e Comunicazione Cellulare PDF

BIOLOGIA SEGNALAZIONE CELLULARE E COMUNICAZIONE CELLULARE (Sbobinatori) Diego Krasniqi, Alessio Formiconi, Maria Giovanna Dragos (Revisori) Lucia Li, Martina Falcone, Alessia Elezaj...

BIOLOGIA SEGNALAZIONE CELLULARE E COMUNICAZIONE CELLULARE (Sbobinatori) Diego Krasniqi, Alessio Formiconi, Maria Giovanna Dragos (Revisori) Lucia Li, Martina Falcone, Alessia Elezaj 20.12.2024 TRASCRIZIONE Precedentemente abbiano visto alcuni tipi di recettori che innescano una cascata di trasduzione del segnale, che portano a un cambiamento della cellula a livello di attività differenti, attraverso un controllo della questione genica. In primo luogo, con la capacità di controllare l'esposizione genica nel nucleo, ma anche con la possibilità di lavorare direttamente sulle molecole funzionali all'interno della stessa cellula, quindi già presenti, questo per raggiungere il medesimo risultato, con “elementi” già prodotti; i fini possono essere vari, come il differenziamento cellulare, la proliferazione delle varie cellule e così via. RECETTORI CON ATTIVITÀ ENZIMATICA I recettori con attività enzimatica sono i recettori che rispondono alla maggior parte dei fattori di crescita, come le proteine, cioè fattori proteici che segnalano alla cellula in maniera che il segnale si traduca in una regolazione della proliferazione. Un esempio di recettore di questo tipo in questo caso è composto da due subunità transmembrana che catalizzano in seguito al legame con la molecola segnale. Il ligando viene legato da dimero attivo avente un dominio catalitico, che è in grado di trasdurre il segnale. I recettori come sono fatti? I recettori hanno una porzione transmembrana, una porzione extracellulare, ed una porzione intracellulare. Il concetto è quello di legame con il ligando che corrisponde all’attivazione di un dominio catalitico, l’attivazione di un’unità enzimatica, responsabile poi della segnalazione a livello intracellulare. In questo caso si parla di segnali che sono idrofilici, che andranno a livello del recettore e non sono internalizzati. Il segnale arriva al ricettore, che in seguito innesca una cascata che trasduca il significato di questo segnale (il segnale non entra nella cellula). Questi recettori possono avere o un'attività enzimatica intrinseca, quindi dei domini catalitici essi stessi che si attivano in risposta al legame del ligando come in figura. Però possono anche essere dei recettori associati a degli enzimi. Ricapitolando o il recettore stesso ha attività enzimatica o è associato ad un enzima, però il tipo di trasmissione implica l’attivazione di questa attività enzimatica in risposta alla molecola segnale.  CLASSI DI RECETTORI CON ATTIVITÀ ENZIMATICA Recettori tirosina-chinasi Recettori associati a tirosina-chinasi Recettori serina-treonina chinasi Recettori tirosina-fosfatasi Recettori guanilico ciclasi Recettori associati a istidina-chinasi Il termine Chinasi sta a indicare un’attività enzimatica responsabile della fosforilazione, ad esempio in caso di una tirosina-chinasi sta a indicare una fosforilazione in tirosina, stessa cosa in caso di una serina/tronina-chinasi va a indicare i residui che vengono fosforilati in serina e tronina, recettori tirosina-fosfatasi che invece fosforila in tirosina. Ecc... I recettori tirosin-chinasici I recettori tirosin-chinasici abbreviati con RK, in genere rispondono al fattore di crescita, quindi di fattori proteici come molecole segnale di natura polipeptidica. Il fattore di crescita lega il recettore che deve segnalare e controllerà l'espressione genica, come già detto inoltre controlla la possibilità della cellula di dividersi, portando ad una proliferazione, al differenziamento o al continuo della sopravvivenza della cellula stessa. Alcuni fattori di crescita Comunque, la maggior parte dei fattori di crescita sono indicati sempre con GF (growth factor). La stessa insulina funziona come fattore di crescita perché non solo controlla l’assorbimento del glucosio, ma anche la sopravvivenza, questo sempre attraverso l'interazione con un certo tipo di recettore in certe cellule, perché rimane sempre valido il concetto generale che la risposta è recepita da chi ha un recettore adeguato, e che ciò conferisce specificità e anche specificità di un certo tipo di segnalazione, perché la stessa molecola potrebbe segnalare in modo diverso interagendo con dei recettori che possono essere presenti in alcune cellule oppure no, e quindi innescare delle risposte diverse. Come si vede nell’elenco ogni GF è secreta da tipi cellulari specifici, che sanno inviare il segnale e questo segnale è recepito sempre da cellule bersaglio tramite dei recettori specifici e l'attività biologica può essere di tipo diverso. Organizzazione di alcuni recettori tirosina chinasi (RTK) Alcuni recettori di tirosin-chinasici in cui si evidenzia sempre una porzione cellulare, quindi esposta all'esterno della cellula, la regione transmembrana (in cui la molecola attraversa la membrana), ed un dominio del terno, le Anse rosse evidenziato il dominio tirosin-chinasico del recettore EGF, del recettore del insulina, del recettore del PDGF. Per quanto i recettori siano delle proteine specifiche e con le proprie differenze, sono simili nell'avere dei domini conservati e riservati a specifiche funzioni.  I recettori, solitamente inattivi, sono delle proteine di membrana, ognuno a sé stante, come si vede in alto a sinistra nella foto. Quando arriva il ligando, quindi la molecola segnale, due catene recettoriali che sono vicine sulla membrana possono dimerizare, come nell’immagine: il ligando è legato da un dimero che è il recettore e la dimerizzazione causa l’attivazione del recettore. Questo perché prima avviene una autofosforilazione del recettore stesso, che in realtà è una trans fosforilazione, perché ogni catena va a fosforilare l’altra; quindi, il dimero si autofosforila in tirosina perché stiamo parlando di un recettore tirosina-chinasico. E a quel punto la chinasi è attiva per fosforilare altre proteine, cioè i siti fosforilati del dominio catalitico sono dei siti di attracco per varie proteine intracellulari che dovranno appunto trasdurre il segnale di varie proteine di segnalazione. Proprio perché i recettori tirosin-chinasici lavorano come dei dimeri, cioè, sono dei recettori multi-merici (dimerici), le mutazioni nei geni dei recettori dei fattori di crescita sono delle mutazioni che vengono definite solitamente dominanti negativi. E allora una mutazione che viene definita per perdita di funzione è una mutazione che sostanzialmente fa perdere funzione a quella originaria dell’allele. Quindi è una mutazione inattivante per tanti motivi diversi e possono essere diverse queste mutazioni. Per ora ci basta sapere che il cambiamento della sequenza di quell’allele, che è l’allele mutato, risulta in una attivazione del prodotto finale che o non viene sintetizzato o, come in questo caso, viene sintetizzato come prodotto malfunzionante. Le mutazioni per perdita di funzione, cioè mutazioni che determinano la produzione di proteine che sono conformate male, lavorano male, poco o non lavorano affatto ma comunque sintetizzate, sono in genere recessive nel fenotipo, cioè se c’è un allele che produce un prodotto funzionale, quel prodotto maschera quello che non funziona ed è responsabile del gruppo. Quindi questo tipo di mutazione si manifesta solo in omozigosi recessiva. La perdita di funzione nelle proteine con più subunità In questo tipo di proteine se si ha un allele che produce una catena che funziona normalmente e un altro allele che invece produce una proteina che non si conforma correttamente, quindi ha una perdita di funzione, si hanno conseguenze. Infatti, essendo un dimero, per funzionare si devono associare le due sub unità: dunque, in caso si assembli un recettore mutato, cioè non corretto, il segnale non viene trasdotto, il ligando è legato, però manca la trans fosforilazione e quindi l'attivazione della via di segnalazione. La catena mutata sembra disturbare l’azione della proteina funzionale. Quindi queste mutazioni, che sono delle perdite di funzione e quindi normalmente sono recessive, nel caso di proteine formate da più subunità si dice che agiscono come dominanti negative, cioè non è vero che il fenotipo non lo danno perché stanno disturbando la proteina funzionale. Quindi si tratta di una perdita di funzione che, però, disturba il fenotipo. Se ho un allele che produce un recettore mutato e un allele che produce la catena funzionale, cosa mi aspetto? Mi aspetto che la metà dei dimeri sia formata da una catena e dall'altra completamente funzionante, poi il 25% dei dimeri funzionali ed il 25% dei dimeri non funzionali. Questo che cosa significa? Che per il 75% questi recettori non funzionano, cioè legano il ligando ma non trasducono, quindi la perdita di funzione non riesce ad essere mascherata dall’allele wild type. Si può parlare sempre di mutazioni puntiformi? A livello molecolare, ci può essere una mutazione puntiforme intesa come un semplice cambiamento di un amminoacido se quest'ultimo determina una perdita della conformazione della proteina, questo può succedere ad esempio nel gene della globina dove basta un amminoacido diverso affinché la proteina sia completamente conformata in maniera diversa. Con amminoacido diverso si intende un amminoacido con proprietà biochimiche molto differenti rispetto a quello di partenza, perché delle volte cambiare un amminoacido a parità di proprietà biochimiche non impedisce completamente le funzioni della proteina. Si può avere invece una perdita di funzione se ad esempio viene inserito un codone di stop che porta ad una proteina più corta, in generale però se si cambia una tripletta non obbligatoriamente si ha una mutazione visto che esistono sinonimi che codificano per lo stesso amminoacido. Il discorso di una proteina composta da più subunità è un discorso particolare come lo è anche il discorso sul dominante negativo, che risulta importante non solo nello specifico caso di questo recettore, ad esempio ci sono fattori trascrizionali come il P53, considerato il “guardiano” del genoma perché va a controllare il ciclo cellulare e ricopre la funzione di soppressore tumorale, che è un tetramero (formato da quattro subunità) e quindi il problema è che anche la perdita di funzione di un singolo allele risulta sempre dominante e ciò andrà sempre ad inficiare sul fattore trascrizionale. Abbiamo detto che in seguito al legame del ligando (molecola segnale) con entrambe le catene recettoriali, questi recettori di membrana si avvicinano e si fosforilano a vicenda attivando l’attività chinasica e i siti di fosforilazione vanno a rappresentare dei siti di aggancio per altre proteine. Ci sono varie vie: 1) via della fosfolipasi 2) via della fosfatidilinositolo 3-chinasi 3) via di Ras La via di di Ras ha un ruolo importante nella mitogenesi, mentre la via della fosfatidilinositolo 3-chinasi (PI3K) ha un ruolo importante nella sopravvivenza e nella crescita cellulare LA VIA DI RAS Ras è una proteina G monomerica e quindi non è come quelle trattate in precedenza. Si attiva per il legame di GTP ed ha attività GTPasica, quindi Ras con il GDP è inattiva mentre con il GTP è attiva, a sua volta attivando il segnale a valle (come si può vedere nell’immagine). Ricordarsi che l'inattivazione risulta importante come l’attivazione, infatti una Ras sempre attiva (situazione spesso presente nei tumori) è una Ras che continua a segnalare ignorando che il recettore stia ricevendo meno ligando e questo ovviamente crea dei problemi. L'attivazione di Ras passa attraverso delle proteine intermedie in particolare la proteina Grb2 che è un adattatore che lega il recettore tirosin chinasico a Sos, un fattore di scambio che permette la transizione tra Ras inattiva e Ras attiva LA CASCATA DELLE MAPK Una delle vie attivate da Ras è la cascata delle MAP chinasi (MAPK), le MAP sono le proteine attivate da mitogeni. La famiglia delle MAP chinasi è una famiglia di chinasi che in risposta alla via di Ras, in una cascata si fosforilano e si attivano a vicenda finché l’ultimo elemento della catena, dopo la fosforilazione, entra nel nucleo e fosforila fattori trascrizionali, attivandoli. Nell'immagine viene mostrata una semplificazione della cascata delle MAPK Ras attiva la MAP-chinasi-chinasi-chinasi (RAF) che successivamente attiva (sempre per fosforilazione come in tutta la cascata) la MAP-chinasi-chinasi (MEK) che a sua volta attiva la MAP-chinasi (ERK). In sintesi è possibile vedere una via che regola l’ingresso nella fase S e quindi come il mitogeno (fattore di crescita) promuove la proliferazione, infatti quest'ultimo tramite il recettore tirosin chinasico attiva RAS che a sua volta attiva la cascata delle MAPK e alla fine abbiamo l’espressione del fattore trascrizionale myc che va a regolare altri geni Ovviamente la segnalazione intracellulare può essere attivata anche da proteine di adesione però bisogna ricordarsi che la via di segnalazione può essere anche dipendente dall’adesione di molecole di membrana con altre molecole che possono essere o sulla superficie di altre cellule, quindi l’adesione tra due cellule segnala qualcosa, oppure proteine di membrana che interagiscono con altre proteine presenti nella matrice extracellulare, infatti le cellule se non adese tra loro sono immerse in una matrice proteica dove sono presenti molecole proteiche con non solo funzione strutturale ma anche spesso funzione di segnalazione. In particolare la segnalazione legata a proteine di adesione è mediata dalle integrine che poi comunicano con una serie di molecole intracellulari che non sono le stesse vie dei recettori di membrana. In particolare le integrine sono connesse a delle proteine che sono delle tirosin chinasi citoplasmatiche (diverse dai recettori tirosin chinasici) in particolar modo la proteina delle adesioni focali FAK che ad esempio può attivare la via delle MAPK Qui nella foto possiamo vedere varie proteine della matrice extracellulare (abbreviata ECM) Non solo le integrine, ma anche altre proteine, che interagiscono a loro volta con le proteine della matrice stessa, e questo dà un segnale all’interno, però la via può convergere in quella dei recettori tirosin-chinasici, ad esempio la FAK, come si può vedere nello schema accanto. Ricordiamo che la matrice extracellulare, quindi, tramite l’attivazione di vie di segnalazione multiple, influenza diversi processi cellulari come per esempio proliferazione, crescita cellulare, sopravvivenza, motilità cellulare, dinamica del citoscheletro, nonché la composizione di sé stessa. Alcune delle proteine che servono per la trasmissione di questo segnale vengono reclutate dai recettori RTK attivati. Precedentemente abbiamo parlato della via di Ras (importante nella mitogenesi), ora vediamo quella della fosfatidil-inositolo 3 chinasi, anche detta PI3K, che ha ruolo fondamentale per sopravvivenza e crescita. Ma che cosa fa questa PI3K? Sostanzialmente va a fosforilare un lipide di membrana, fosfatidil inositolo difosfato (PIP2), per formare il fosfatidil inositolo trifosfato (PIP3), che a sua volta è responsabile del reclutamento delle proteine di segnalazione. La sopravvivenza cellulare attraverso questo sistema appena descritto è garantita grazie al fatto che la PIP3 attiva anche in altra chinasi, ossia l’Akt, e questo lo fa o in maniera diretta (con un legame e seguente attivazione di Akt), oppure indiretta (con legame e attivazione della chinasi PDK1). Akt è molto importante badate bene, perché è in grado di regolare il processo di morte programmata, l’apoptosi, e la può inibire, e questo avviene grazie alla fosforilazione di una proteina detta Bad. [il discorso riguarda il modo in cui viene garantita la sopravvivenza, perché nelle righe seguenti si parlerà di come viene attuata la crescita] La crescita viene garantita grazie all’attivazione di una proteina chinasi detta TOR; questa chinasi TOR attiva il fattore di inizio della traduzione e una proteina ribosomale; quindi, in poche parole viene stimolata la traduzione degli mRna e di conseguenza la crescita cellulare, e per crescita intendiamo il fatto che la cellula deve aumentare la produzione di certi componenti). VIA DI SEGNALAZIONE DELL’INSULINA [Qui nell’immagine possiamo vedere la via di segnalazione dell’insulina] Sempre attraverso un recettore tirosin-chinasico. L’attivazione del recettore dell’insulina stimola a sua volta la fosforilazione di un’altra proteina detta IRS1, che è una proteina adattatrice, e quest’ultima permette l’attivazione sia della via di Ras che della PI3-chinasi. Nelle cellule muscolari e adipose PIP3 attiva la chinasi Akt, che è responsabile sia della glicogeno sintesi che della stimolazione dell’inserimento di GLUT4 in membrana. Tramite questi due meccanismi l'insulina controlla i livelli di glucosio ematico.  CONVERGENZA, DIVERGENZA E INTERAZIONE TRA DIVERSE VIE DI TRASDUZIONE Vie di segnalazioni diverse, date da recettori diversi, possono interagire e convergere: (prof spiega foto) questo è uno schema semplificato del fatto che questi trasduttori si parlano tra loro, perciò a un certo punto le vie possono convergere e possono regolarsi vicendevolmente, con il controllo a base di vari geni MOLECOLE DI SEGNALE IDROFOBICHE Molecole di segnale idrofobiche, in questo caso il recettore è intracellulare i quali sono indirettamente responsabili dell’attivazione della trascrizione Alcuni esempi di queste molecole di segnale idrofobiche sono: cortisolo, estradiolo, testosterone, tiroxina, acido retinoico. (nella tabella le funzioni che la prof ha accennato) Queste molecole sono importanti perché inviano segnali a cellule specifiche per sapere come si devono comportare. Poiché sono molecole idrofobiche, possono attraversare la membrana e interagire con dei recettori che sono intracellulari, quindi si trova nel citoplasma e NON sulla membrana, arriva un ormone steroideo che può attraversare la membrana e legare questo recettore; a questo segue un cambiamento conformazionale che porta all’attivazione del recettore formando un complesso recettore-steroide, il quale trasloca nel nucleo e può regolare direttamente l’espressione genica, questo tipo di recettore attivato dall’ormone agisce come un fattore trascrizionale, perciò è in grado di legare il DNA su sequenze specifiche e regolare dei geni interessati. Tutti i recettori intracellulari appartengono a una famiglia di fattori trascrizionali e sono simili funzionalmente e strutturalmente, quindi devono avere un dominio che attiva la trascrizione e devono avere un sito di legame con l’ormone, che in questo caso è il regolatore allosterico, poiché quando arriva il recettore cambia conformazione, permettendo il rilascio degli inibitori. AZIONE DEI GLUCOCORTICOIDI Un esempio di come gli ormoni attivano i recettori delle molecole idrofobiche è quello dei glucocorticoidi, un sottogruppo di corticosteroidi. In questo caso l’ormone entra nel citoplasma quando ci sta un recettore inattivo, il quale è complessato con Hps90, che forma una proteina con attività inibitoria, la quale si stacca quando l’ormone si lega al recettore, permettendo l’attivazione di questo il quale trasloca al nucleo e si associa a dei coattivatori HAT, un regolatore epigenetico cioè un regolatore dell’accessibilità della cromatina, stimolano la trascrizione dei geni interessati  AZIONE DELL’ORMONE TIROIDEO Azione dell’ormone tiroideo, in questo caso il recettore dell’ormone tiroideo si trova già nel nucleo si lega al DNA sia in presenza che in assenza dell’ormone. In questo caso il legame dell’ormone cambia la funzione del recettore: in caso di assenza dell’ormone il recettore si associa a corepressori HDAC, che hanno attività istone deacetilasi, nel caso l’ormone sia presente il recettore si associa a coattivatori HAT che invece hanno attività istone acetiltransferasi.