stringtranslate.com

Перекрестные помехи (биология)

Биологические перекрестные помехи относятся к случаям, когда один или несколько компонентов одного пути передачи сигнала влияют на другой. Это может быть достигнуто несколькими способами, наиболее распространенной формой которых является перекрестная помеха между белками сигнальных каскадов. В этих путях передачи сигнала часто есть общие компоненты, которые могут взаимодействовать с любым из путей. Более сложный случай перекрестной помехи можно наблюдать при трансмембранной перекрестной помехе между внеклеточным матриксом (ECM) и цитоскелетом .

Перекрестные помехи между сигнальными путями

Один из примеров перекрестных помех между белками в сигнальном пути можно увидеть на примере роли циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) в регуляции пролиферации клеток путем взаимодействия с путем митоген-активируемой протеинкиназы (МАР). цАМФ — это соединение, синтезируемое в клетках аденилатциклазой в ответ на различные внеклеточные сигналы. [1] цАМФ в первую очередь действует как внутриклеточный вторичный мессенджер, основным внутриклеточным рецептором которого является цАМФ-зависимая протеинкиназа (ПКА), которая действует через фосфорилирование целевых белков. [2] Путь передачи сигнала начинается с взаимодействия лиганда с рецептором внеклеточно. Затем этот сигнал передается через мембрану, стимулируя аденилатциклазу на внутренней поверхности мембраны для катализа преобразования АТФ в цАМФ. [3] [4]

ERK, участвующий белок в сигнальном пути MAPK, может быть активирован или ингибирован цАМФ. [5] цАМФ может ингибировать ERK различными способами, большинство из которых включают цАМФ-зависимую протеинкиназу (PKA) и ингибирование Ras-зависимых сигналов к Raf-1. [6] Однако цАМФ также может стимулировать пролиферацию клеток, стимулируя ERK. Это происходит посредством индукции специфических генов посредством фосфорилирования фактора транскрипции CREB цАМФ. [5] Хотя ERK, по-видимому, не являются обязательным условием для этого фосфорилирования CREB, путь MAPK снова играет роль в перекрестных помехах, поскольку ERK необходимы для фосфорилирования белков ниже CREB. [5] Другие известные примеры необходимости ERK для транскрипционных эффектов, вызванных цАМФ, включают индукцию гена пролактина в клетках гипофиза и гена бета-гидроксилата дофамина в феохромоцитомных клетках (PC12). [6] Существует ряд разнообразных механизмов, посредством которых цАМФ может влиять на сигнализацию ERK. Большинство механизмов, включающих ингибирование цАМФ ERK, разъединяют Raf-1 от активации Ras через прямое взаимодействие PKA с Raf-1 или косвенно через взаимодействие PKA с ГТФазой Rap1 [6] (см. рисунок 1). PKA также может негативно регулировать ERK путем активации PTPases. Механизмы активации ERK цАМФ еще более разнообразны, обычно включая Rap1 или Ras, и даже цАМФ напрямую. [6]

Рисунок 1: возможный механизм ингибирования цАМФ/ПКА активации ERK (путь MAPK). Активация цАМФ PKA активирует Rap1 через Src. Затем Rap1 фосфорилирует Ras и ингибирует передачу сигнала Raf-1.

Трансмембранные перекрестные помехи

Перекрестные помехи можно наблюдать даже через мембраны. Мембранные взаимодействия с внеклеточным матриксом (ECM) и с соседними клетками могут вызывать различные реакции внутри клетки. Однако топография и механические свойства ECM также начинают играть важную роль в мощных, сложных перекрестных помехах с клетками, растущими на матриксе или внутри него. [7] Например, сборка цитоскелета , опосредованная интегрином , и даже подвижность клеток зависят от физического состояния ECM. [7] Связывание интегрина α5β1 с его лигандом ( фибронектином ) активирует образование фибриллярных адгезий и актиновых нитей . [5] Однако, если ECM иммобилизован, реорганизация матрикса такого рода и образование фибриллярных адгезий ингибируется. [7] В свою очередь, связывание того же интегрина (α5β1) с иммобилизованным лигандом фибронектина, как видно, образует высокофосфорилированные фокальные контакты/ фокальную адгезию (клетки, участвующие в адгезии матрицы) внутри мембраны и снижает скорость миграции клеток [7] В другом примере перекрестных помех это изменение в составе фокальных контактов в цитоскелете может быть ингибировано членами еще одного пути: ингибиторами киназ легких цепей миозина или Rho-киназ, H-7 или ML-7, которые снижают сократимость клеток и, следовательно, подвижность. [7] (см. рисунок 2).

Рисунок 2: матрица может играть в другие пути внутри клетки даже через свое физическое состояние. Иммобилизация матрицы подавляет образование фибриллярных адгезий и реорганизацию матрицы. Аналогично, игроки других сигнальных путей внутри клетки могут влиять на структуру цитоскелета и, таким образом, на взаимодействие клетки с ECM.

Перекрестные помехи при активации лимфоцитов

Более сложный, конкретный пример перекрестных помех между двумя основными сигнальными путями можно наблюдать при взаимодействии сигнальных путей цАМФ и МАРК при активации лимфоцитов . В этом случае компоненты пути цАМФ напрямую и косвенно влияют на сигнальный путь МАРК, предназначенный для активации генов, связанных с иммунитетом и лимфоцитами.

Вновь образованный цАМФ высвобождается из мембраны и диффундирует через внутриклеточное пространство , где он служит для активации PKA. Каталитическая субъединица PKA должна связать четыре молекулы цАМФ, чтобы активироваться, после чего активация состоит из расщепления между регуляторной и каталитической субъединицами. [4] Это расщепление, в свою очередь, активирует PKA, обнажая каталитические сайты субъединиц C, которые затем могут фосфорилировать массив белков в клетке. [4]

В лимфоцитах внутриклеточные уровни цАМФ увеличиваются при стимуляции антиген-рецептора и еще больше в ответ на простагландин Е и другие иммуносупрессивные агенты. [8] В этом случае цАМФ служит для ингибирования игроков иммунитета. PKA типа I колокализуется с рецепторами антигена Т-клеток и В-клеток [9] и вызывает ингибирование активации Т- и В-клеток. PKA даже был выделен как прямой индуктор генов, способствующих иммуносупрессии. [10]

Кроме того, путь цАМФ также взаимодействует с путем MAPK более косвенным образом через его взаимодействие с гемопоэтической PTPase (HePTP). HePTP экспрессируется во всех лейкоцитах. При сверхэкспрессии в Т-клетках HePTP снижает транскрипционную активацию промотора интерлейкина -2 , обычно индуцируемую активированным рецептором Т-клеток через каскад сигнализации MAPK. [11] Способ, которым HePTP эффективно ингибирует сигнализацию MAPK, заключается в взаимодействии с MAP-киназами Erk1, Erk2 и p38 через короткую последовательность в некаталитическом N-конце HePTP, называемом мотивом взаимодействия киназы (KIM)., [11] [12] Высокоспецифичное связывание Erk и p38 с этой субъединицей HePTP приводит к быстрой инактивации каскада сигнализации (см. рисунок 3).

Рисунок 3: даже без активации лигандом, связанным с рецептором (R1), путь MAPK обычно показывает базальную активность (на низких уровнях). Однако HePTP противодействует этой активности.

Тем не менее, поскольку и HePTP, и Erk являются цитозольными ферментами , [13] разумно заключить, что существует механизм прекращения ингибирования Erk HePTP, чтобы обеспечить транслокацию активированного Erk в ядро . Действительно, как и во многих других случаях белок-белкового взаимодействия, HePTP, по-видимому, фосфорилируется Erk и p38 на участках Thr45 и Ser72. [11] Однако важно отметить, что был обнаружен третий участок фосфорилирования в некаталитическом N-конце (область KIM) HePTP — тот, который фосфорилируется до гораздо более высокой стехиометрии путем цАМФ, [1] в еще одном случае перекрестных помех между путями цАМФ и MAPK.

Фосфорилирование этого третьего сайта PKA из пути цАМФ ингибирует связывание MAP-киназ с HePTP и тем самым активирует каскад сигнализации MAPK/ERK. Путь MAPK через Ras, Raf, Mek и Erk демонстрирует низкую активность в присутствии нефосфорилированного (активного) HePTP. Однако активация пути цАМФ стимулирует активацию PKA, которая, в свою очередь, фосфорилирует HePTP в Ser23. Это предотвращает связывание HePTP с Erk и освобождает путь MAPK от ингибирования, позволяя продолжить нисходящую сигнализацию (см. рисунок 4).

Рисунок 4: активация пути цАМФ путем связывания лиганда с соответствующим рецептором (R2) приводит к активации цАМФ-зависимой протеинкиназы (PKA) аденилатциклазой (AC). Эта активированная PKA затем фосфорилирует HePTP на Ser23, ингибируя его способность связываться с Erk и впоследствии ингибировать путь MAPK.

Более того, исследования с участием гладкомышечных клеток предсердия сердца показали, что PKA может снижать активацию MAP-киназ в ответ на фактор роста тромбоцитов ( PDGF ) путем фосфорилирования киназы c-Raf . [14] Таким образом, кажется правдоподобным, что PKA в пути цАМФ может даже далее участвовать в регуляции активации лимфоцитов не только путем ингибирования сигнального пути антиген-рецептор MAPK на его конечной стадии, но и далее вверх по течению.

Примечания и ссылки

  1. ^ ab Saxena, M. (1999), «Перекрестное взаимодействие цАМФ-зависимой киназы и MAP-киназы через тирозиновую фосфатазу белка», Nat. Cell Biol. , 1 (5): 305–311, doi : 10.1038/13024, PMID  10559944, S2CID  40413956
  2. ^ Скотт, Дж. Д. (1991), «Циклические нуклеотид-зависимые протеинкиназы», ​​Pharmacol. Ther. , 50 (1): 123–145, doi :10.1016/0163-7258(91)90075-W, PMID  1653962
  3. ^ Крупински Дж. и др. (1989), «Аминокислотная последовательность аденилатциклазы: возможная структура, подобная каналу или транспортеру», Science , 244 (4912): 1558–1564, Bibcode : 1989Sci...244.1558K, doi : 10.1126/science.2472670, PMID  2472670
  4. ^ abc Wine, Jeffrey. (1999–2008), «Через мембрану; Внутриклеточные мессенджеры: цАМФ и цГМФ», Стэнфордский университет, PSYCH121.
  5. ^ abcd Katz; et al. (2000), "Физическое состояние внеклеточного матрикса регулирует структуру и молекулярный состав адгезий клетка–матрикс", Mol. Biol. Cell , 11 (3): 1047–1060, doi :10.1091/mbc.11.3.1047, PMC 14830 , PMID  10712519 
  6. ^ abcd Филип Дж. С. Сторк и Джон М. Шмитт. (2002), «Перекрестные помехи между сигналами цАМФ и МАР-киназы в регуляции пролиферации клеток», Тенденции в клеточной биологии , 12 (6): 258–266, doi :10.1016/S0962-8924(02)02294-8, PMID  12074885
  7. ^ abcde Geiger, B.; et al. (2001), «Физическое состояние внеклеточного матрикса регулирует структуру и молекулярный состав адгезий клетка–матрикс», Nature Reviews Molecular Cell Biology , 2 (11): 793–805, doi :10.1038/35099066, PMID  11715046, S2CID  31064504
  8. ^ Ледбеттер и др. (1986), «Связывание антител с молекулами поверхности Т-клеток CD5 (Tp67) и Tp44: влияние на циклические нуклеотиды, цитоплазматический свободный кальций и подавление, опосредованное цАМФ», Журнал иммунологии , 137 (10): 3299–3305, PMID  3021852
  9. ^ Леви и др. (1996), «Циклическая АМФ-зависимая протеинкиназа (cAK) в В-клетках человека: колокализация cAK типа I (RIα2C2) с рецептором антигена во время активации В-клеток, вызванной антииммуноглобулином», Eur. J. Immunol. , 26 (6): 1290–1296, doi : 10.1002/eji.1830260617, PMID  8647207, S2CID  84171254
  10. ^ Whisler; et al. (1991), "Цикличная модуляция AMP пролиферативных реакций В-клеток человека: роль цАМФ-зависимых протеинкиназ в усилении реакций В-клеток на форболдиэфиры и иономицин", Cell. Immunol. , 142 (2): 398–415, doi :10.1016/0008-8749(92)90300-e, PMID  1320464
  11. ^ abc Saxena, M.; et al. (1999), "Ингибирование сигнализации Т-клеток гемопоэтической тирозинфосфатазой, нацеленной на MAP-киназу (HePTP)", J. Biol. Chem. , 274 (17): 11693–700, doi : 10.1074/jbc.274.17.11693 , PMID  10206983
  12. ^ Пулидо, Р. (1998), «PTP-SL и STEP протеинтирозинфосфатазы регулируют активацию внеклеточных сигнально-регулируемых киназ ERK1 и ERK2 путем ассоциации через мотив взаимодействия киназы», ​​EMBO J. , 17 (24): 7337–7350, doi :10.1093/emboj/17.24.7337, PMC 1171079 , PMID  9857190 
  13. ^ Кобб и др. (1994), «Регуляция каскада МАР-киназы», ​​Cell. Mol. Biol. Res. , 40 (3): 253–256, PMID  7874203
  14. ^ Грейвс и др. (1993), «Протеинкиназа А противодействует сигнальной функции тромбоцитарного фактора роста, индуцированной митоген-активируемой протеинкиназой в гладкомышечных клетках артерий человека», Proc. Natl. Acad. Sci. USA , 90 (21): 10300–10304, Bibcode : 1993PNAS...9010300G, doi : 10.1073/pnas.90.21.10300 , PMC 47762 , PMID  7694289