G-proteinek által közvetített jelátviteli utak

Sejtfelszíni receptorok típusai

A receptorok fehérjék, amelyeknek az a feladata,hogy az extra- és intracelluláris kémiai jeleket felismerjék, azokat megkössék, és az információt a sejt számára továbbítsák. A receptorok specifikus struktúrák, bár ez a specifitás nem abszolút, mert egy receptor több hasonló szerkezetű molekulát is felismerhet, mint például az adrenerg receptorok, amelyek az adrenalint és a noradrenalint egyaránt felismerik és megkötik. Hasonlóképpen egy adott kémiai jel több különböző receptorhoz is kötődhet.

Ligandnak, elsődleges messengereknek nevezzük mindazokat az endogén molekulákat, természetbe előforduló anyagokat vagy szintetikus származékokat, amelyeket a receptor köt. Ezek közül azok, amelyek a receptort stimulálják, az agonisták, azok, amelyek gátolják, az antagonisták. A receptorok a természetes ligandjaikat nagy szelektivitással és affinitással kötik, és a receptor-ligand kötés sok tekintetben hasonló törvényszerűség alapján írható le, mint az enzim-szubsztrát kölcsönhatás.

A jelátviteli molekulák kémiai és fizikai tulajdonságaiktól függően kétféle receptorfehérje közvetítésével fejthetik ki a hatásukat a célsejtekben. A kis hidrofób (vízben nem oldódó) molekulák (pl: szteroidok, tiroxin) szabadon átmehetnek a sejthártyán és a saját sejten belüli (intracelluláris) receptoraikhoz képesek kötődni. Más hidrofil (vízben oldódó) természetű anyagok (pl: inzulin, növekedési faktorok, adrenalin, acetilkolin, hisztamin) számára a membrán átjárhatatlan (impermeábilis) így ezek sejtfelszíni receptorokhoz képesek csak kötődni. A receptorhoz való bekötődésük sejten belüli biokémiai folyamatok láncreakcióját indítja el.

A sejtfelszíni receptorokat négy kategóriába sorolhatjuk: ioncsatorna receptorok, G-protein-kötött receptorok, katalitikus receptorok (enzimaktivitás révén továbbítják a szignált) és egyéb enzimaktivitással nem rendelkező receptorok melyek citoplazmatikus tirozin-proteinkináz enzimeket használnak a szignalizációra.

G-proteinek

A jelpályáknak nagyon jelentős részében GTP- kötő fehérjék közreműködnek a receptorstimuláció hatásának továbbításában. Számos hormon, neurotranszmitter (ingerületátvivő anyag) ilyen receptorokon keresztül befolyásolja a sejt működését, ezeken kívül ide tartoznak a látás és szaglás folyamatában részt vevő receptorok is.

A G-proteinek guaninnukleotidok (GTP illetve GDP) megkötésére képes fehérjék, amelyek a sejtfelszínre érkező szignálok továbbítását végzik. GTP-t (guanozin-trifoszfát egy purin-nukleotid) kötve képesek lesznek biokémiai funkciójuk ellátására, a GTP GDP-vé (guanozin-difoszfát) történő hidrolízise pedig leállítja a működést. A G-fehérjék saját GTPáz-aktivitással rendelkeznek, amelynek következtében a kötött GTP-t hidrolizálják, azaz a G-fehérjén a továbbiakban GDP kötődik, s ez a G-fehérje jeltovábbító hatását kikapcsolja. Tulajdonképpen egyszerű kapcsolóként is felfoghatjuk őket, amelyben a GDP GTP-re történő cseréjével bekapcsoljuk, a GTP GDP-re történő hidrolízisével kikapcsoljuk a jelátviteli útvonalat.

A G-fehérjéken belül megkülönböztetünk hetero- trimer, azaz három alegységből álló (α, β és γ) és monomer, vagyis egy alegységből álló G-fehérjéket.

Heterotrimer G-proteinek által közvetített jelátviteli utak

Heterotrimer G-fehérje által közvetített jeltovábbítás. (A: alapállapot; B: receptor-aktiválás; C: alegység-disszociáció; D: effektor-aktiválás; E: GTP-hidrolízis).

Heterotrimer G-proteinek három alegységből (α, β és γ) állnak. Ezek a fehérjék specifikus receptor és effektorfehérjék között közvetítenek. Abban az esetben ha a ligand (receptorhoz kapcsolódó molekula) beköt a receptorhoz az αβγ komplex is kapcsolódik a receptorhoz, konformációváltozást szenved és az α-alegységen a GDP GTP-re cserélődik. Az így aktivált α-alegység disszociál (leválik) a βγ-komplexről és hatást gyakorol az effektor molekulára ami a sejt belseje felé továbbítja a jelet. Az α-alegység saját GTPáz aktivitásával a GTP-t GDP-re hidrolizálja, ezáltal inaktiválódik és ismét csatlakozik a βγ-komplexhez.

Gα típus	Funkció	Kapcsolódó receptorok
Gs	Stimulálja az adenilát-ciklázt	Dopamin (D1) Adrenalin (β1, β2) Glukagon Hisztamin (H2) Vazopresszin (V2)
Gi	Gátolja az adenilát-ciklázt	Dopamin (D2) Adrenalin (α2)
Gq	Stimulálja a foszfolipáz C-t	Angiotenzin II Adrenalin (α1) Oxitocin Vazopresszin (V1)
Gt (transzducin)	Stimulálja a cGMP-foszfodieszterázt	Rodopszin

A cAMP-út

A G-proteinek által közvetített jelátviteli utak közül a legrészletesebben vizsgált mechanizmus az adrenalin β-adrenerg receptorokon keresztül kifejtett hatása: májsejtekben például ez a glikogén lebontásához vezet. Az adrenalin, a „stresszhormon” kötődik a sejtfelszíni adrenalin receptorhoz, ami olyan konformációváltozást eredményez a membránfehérje intracelluláris doménjében, hogy egy heterotrimer G-fehérje fog kötődni az aktivált receptorhoz. (A receptor aktiváció molekuláris részleteinek feltárásért ítélték oda a 2012. évi kémiai Nobel-díjat Robert Lefkowitz-nak és Brian Kobilkának.). A β-adrenerg receptorral kölcsönhatásba kerülő G-protein effektora az adenilátcikláz nevezetű enzim. Az adrenalin receptorhoz kötődése stimulálja (serkenti) az adenilátciklázt: ezért ebben az esetben a közvetítő G-proteint Gs-nek (α-alegységét pedig αs-nek) nevezzük. Az adenilátcikláz transzmembrán fehérje, a citoszól felé néző aktív centruma ATP-ből (adenozin-trifoszfát) 5’, 3’-ciklikus-AMP-t (cAMP-t) hoz létre. A cAMP (ciklikus AMP) másodlagos messenger molekula (példánkban az adrenalin hatására képződik a sejtben és az adrenalin hatását közvetíti). A cAMP elbontását a ciklikus nukleotid foszfodiészteráz enzim végzi: 5’-AMP-vé alakítja. A cAMP fő célmolekulái a cAMP-függő fehérjekináz (protein-kináz A, PKA) enzimek. Az állatok tipikus stresszválaszának (angol kifejezéssel: fight-or-flight) molekuláris hátterében központi szerepet tölt be a cAMP-függő protein-kináz (más néven protein-kináz A, PKA). A PKA izoformái két regulátor (R) és két katalitikus (C) alegységből állnak. A tetramer szerkezetű enzim inaktív, cAMP molekulák a R-alegységhez kötődve a komplex disszociációját (szétesését) idézik elő: a felszabaduló aktív C-alegységek különböző célfehérjéket foszforilálnak (foszfát csoportot raknak rá).

A PKA egy szerin/treonin proteinkináz: ATP-molekulák szélső foszfátját hasítja le és kapcsolja észterkötéssel a célfehérjék specifikus szerin vagy treonin oldalláncainak hidroxilcsoportjaihoz. A foszforiláció konformációváltozást, következésképpen a fehérje funkciójának, aktivitásának módosulását eredményezi. A ligandumtól és a célsejttől függően a cAMP különböző fehérjék foszforilációját serkenti: enzimek, membránfehérjék, strukturális fehérjék, transzlációs faktorok stb. módosulhatnak.

A felszabaduló C-alegységek egy része transzlokálódik a sejtmagba és ott transzkripciós faktorokat foszforilál. Ezek közül a legfontosabb egy olyan fehérje, amely a cAMP-reszponzív elem (CRE) nevű enhancerhez (a DNS-en található szabályozó régió) kötődik. A CREB (CRE-binding protein) leucin-cipzár fehérje, számos izoformája létezik. A génaktivációban fontos szerepet játszik egy koaktivátor fehérje, a CBP (CREB-binding protein). Ez a fehérje nukleoszomális hisztonokat acetilál az érintett gén promóter-régiójában, fellazítja a kromatint és elősegíti az RNS-polimeráz II kötődését. A CREB-fehérjéknek és a CBP-nek fontos szerepük van pl.: a sejtek szaporodásának, differenciálódásának, túlélésének serkentésében, a központi idegrendszerben pedig a tanulás és a memória bonyolult folyamataiban.

A cAMP-rendszert az adrenalinon kívül számos egyéb hormon használja jelátvitelében: a hipofízis (agyalapi mirigy) elülső lebeny hormonok közül az ACTH, FSH, LH, TSH, a hátsó lebeny vazopresszin hormonja, a parathormon, a glukagon ugyancsak G_s-közvetített szignalizációval működik. Más ágensek gátló, inhibitor hatású G_i-fehérjéken keresztül hatnak: nem serkenti, hanem gátolja az adenilátciklázt, csökkenti a cAMP-szintet.Így fejti ki például hatását az acetilkolin a szívizomban.

A szövet/sejt típusa	A cAMP-t növelő hormon	Főbb sejtes válasz
Zsírszövet	Adrenalin, ACTH	Trigliceridek hidrolízise nő
Mellékvesekéreg	ACTH	Hormon szekréció
Szívizom	Adrenalin, noradrenalin	Összehúzódás sebessége nő
Bél nyálkahártya	Vazoaktíp intesztinális peptid (VIP), adrenalin	Víz elektrolitok szekréciója
Vesecsatornák	Vazopresszin (ADH)	Víz visszaszívódása
Máj	Glukagon, Adrenalin	Glikogén lebomlás fokozódik Glükóz szintézis fokozódik
Vérlemezkék	Prosztaciklin	Az aggregáció gátlása
Vázizom	Adrenalin	Glikogén lebontás nő
Simaizom (erek és hörgők)	Adrenalin	Elernyedés (hörgők esetében), összehúzódás (erek esetében)
Pajzsmirigy	TSH (tiroidea-stimuláló hormon)	Tiroxin szintézise és szekréciója

Az inozitol-foszfolipid út

Az 1970-es években figyelték meg, hogy az acetilkolin egyes célszöveteiben (pl. a hasnyálmirigy exokrin részében) fokozza a foszfolipidek metabolizmusát. Az elmúlt években bebizonyosodott, hogy a hatás jelátviteli jelenség és hogy foszfolipid eredetű másodlagos messengerek nemcsak az acetilkolin szekréciót kiváltó hatásában, hanem más szignáltranszdukciós (jelátviteli) folyamatokban is részt vesznek.

A leírt hatást inozitol-foszfolipidek hidrolízise közvetíti. A sejtmembrán belső foszfolipidrétegének egyik komponensét, a foszfatidilinozitol-biszfoszfátot (PIP₂) egy foszfolipáz C (PLC) enzim diacilglicerinre (DAG) és inozitol-triszfoszfátra (IP₃) hidrolizálja. Mindkét termék másodlagos messenger (vagyis mind a kettő más más molekulákra lesz hatással), melyek két külön jelátviteli utat aktiválnak.

Ebben az esetben a jelátviteli utat ugyancsak egy heterotrimer G-protein, a G_q-fehérje közvetíti. Hatására a foszfolipáz C enzimcsalád PLC-β alenzime a membrán belső felszínén kettéhasítja a PIP₂ molekulát. Az egyik termék, az IP₃ amely egy vízoldékony másodlagos messenger, mely díffúzióval gyorsan eléri célfehérjéit, az endoplazmatikus retikulum membránjának Ca⁺⁺-csatornáit. A csatornák megnyilása Ca⁺⁺-ionoknak a citoszólba özönlését eredményezi, ahol a Ca⁺⁺ – ugyancsak másodlagos messengerként – számos célfehérje aktivitását befolyásolja. Ezek egyike a kalmodulin, mely Ca⁺⁺-t megkötve egy szerin/treonin-specifikus fehérjekinázt, a Ca⁺⁺/kalmodulin-függő proteinkinázt (CaM-kináz) aktiválja. A CaM-kináz egyik szubsztrátja (célmolekulája) az a CREB transzkripciós faktor (DNS kötő fehérje), melyet a PKA is foszforilál (l. előbb): mindkét jelátviteli út serkentése a megfelelő célgének expressziójához (kifejeződéséhez, serkentéséhez) vezet.

A PLC-β reakció másik terméke a DAG; apoláros molekula (vagyis víz oldhatatlan) lévén ez a másodlagos messenger a membránban diffundál és a citoszólból magához vonzza célfehérjéit, a proteinkináz C (PKC) enzimeket. Ezek a szerin/treonin proteinkinázok ugyancsak több fehérjeszubsztrátot (célmolekulát) – közöttük transzkripciós faktorokat is – foszforilálnak (foszfátcsoportot kötnek a molekula felszínén). A PKC-jelátvitel génexpressziós hatásának egyik fontos sejtmagon belüli mediátora az AP-1 transzkripciós faktor mely számos célgén aktivációját idézi elő.

Monomer G-proteinek által közvetített jelátviteli utak

A heterotrimer GTP-kötő fehérjék mellett léteznek monomer GTP-kötő fehérjék, amelyek "kis molekulatömegű, egyetlen polipeptidláncból álló fehérjék. A Ras szuperfehérje család nevét az elsőként felfedezett Ras fehérje után kapta. A Ras szuperfehérje-családon belül, a funkciójuk alapján Ras, Rho, Rab, Ran és Arf (ADP-ribo- zilációs faktor) alcsaládokat ismerünk. Jelátalakító folyamatokban a Ras és a Rho fehérjecsalád tagjai vesznek részt."

Ras-fehérjék

A Ras-fehérjéket eredetileg mint daganatkeltő RNS-vírusok onkoproteinjeit azonosították, majd normális sejtekben is megtalálták őket. Kisméretű, egyetlen polipeptidláncból álló monomer G-proteinek, rögzülnek a sejthártya belső felszínén. Egyéb guaninnukleotid-kötő fehérjékhez hasonlóan inaktív, GDP-kötő és aktív, GTP-kötő alakban léteznek. A Ras-fehérjék aktivációját a növekedési faktor receptorához kötődése idézi elő. A receptor autofoszforilálódik (vagyis foszfátcsoportot köt) majd speciális adapterfehérje molekulát köt meg. A Ras-fehérjén a GDP-t GTP-re cserélődik a GEF molekula hatására (guanine-nucleotide exchange factor) Az aktivált Ras•GTP-komplex effektorfehérjékre továbbítja a jelet, majd saját GTPáz-aktivitása segítségével visszatér a nyugalmi Ras•GDP-formába. Mivel a Ras-fehérjéknek – szemben a heterotrimer G-proteinek α-alegységével – gyenge GTPáz-aktivitásuk van, a hatékony inaktivációhoz egy, ugyancsak a receptor által szabályozott faktorra, a GTPáz aktiváló proteinre (GAP) is szükség van.

A humán tumorok nagy százalékában kimutatható a Ras mutációja; a pontos érték a tumor típusától és a tumorgenezis stádiumától függ. A mutációk következménye az, hogy a Ras GTPáz aktivitása csökken, és a Ras elnyújtott GTP-kötése elnyújtott aktivitáshoz vezet. A Ras-GAP mutáció zavara szintén a jelátviteli út elnyújtott aktivitásához vezet.

Az ERK-út

Az 1990-es évek egyik legjelentősebb sejtbiológiai felfedezése olyan fehérje-foszforilációs láncolatok felfedezése volt, melyekben mitogén (sejtosztódást előidéző) vagy másfajta stimuláció hatására hierarchikus rendszerben egymásra épülő proteinkinázok egymást foszforilálva-aktiválva továbbítják a jelet a sejtmembrántól a sejtmag felé. Szerin/treonin-specifikus mitogén-aktivált proteinkinázokról (MAPK) ezeket a rendszereket összefoglaló néven MAPK-kaszkádoknak nevezzük.

Az aktivált Ras egy kinázkaszkádot indít el, amelyben az egyes kinázok foszforilálják és ezzel aktiválják akaszkád következő elemét. A kaszkád elsőként felfedezett kináza az ERK (extracellular signal- regulated kinase), mely a MAPK (mitogén aktiválta protein-kináz) családba tartozó fehérje. Az ERK felfedezését követte a citoszolban zajló további események megismerése, azaz a MAP- kinázt foszforiláló kináz (MAP-kináz-kináz; MAPKK), majd az ezt foszforiláló MAP-kináz-kináz- kináz (MAPKKK) megismerése – ezért jelent meg az elnevezésben egyre több „kináz”. A MAP-kináz- kaszkád fehérjéi kiegészülnek állványfehérjékkel és célfehérjékkel, illetve a kinázok vezérelte szabályozás ellentéteként, a MAPK-foszfatázokkal.

Jelenleg számos MAPKKK, MAPKK és MAPK ismert, amelyek különböző jelpályákat alkotnak; ezek egyike a jelen tárgyalásunkat érintő, növekedési faktorok jelátvitelét közvetítő ERK út.

A protein-kináz-kaszkád első enzime a Raf (egy MAPKKK), amely a GTP-Ras hatására áthelyeződik a citoplazmából a membránhoz, dimerizálódik és aktiválódik. Aktivációja a MEK (MAP kinase/ERK- activating kinase; egy MAPKK) foszforilációját eredményezi, amely pedig foszforilálja az ERK-t (egy MAPK). A MEK kettős specifícitású kináz, nemcsak treoninon, hanem tirozinon is foszforilálja az ERK-t. A kettősen foszforilált ERK, amely maga is szerin/treonin protein-kináz, amely citoplazmatikus és membránasszociált fehérjéket is foszforilál, illetve transzlokálódik (áthelyeződik) a sejtmagba. Az ERK a sejtmagban transzkripciós faktorokat foszforilál, amelyek aztán kötődnek promóterükhöz, és korai válasz géneket indukálnak. Ez kb. 100 gént jelent, közöttük több gén fehérjeterméke maga is transzkripciós faktor, mely a sejtproliferációhoz (sejtosztódás) elengedhetetlen gének átírását fokozza.

A Ral út

A növekedési faktorok egyes sejtek alakját, mozgékonyságát is megváltoztatják. A hatás fő közvetítője a Ras-fehérjék nagycsaládjába tartozó monomer G-protein, a Ral (neve a Ras-like angol kifejezésből származik). A Ral guaninnukleotid kicserélő faktora hozzákötődik a növekedési faktor stimuláció következtében aktivált Ras-hoz, az általa létrehozott Ral•GTP komplex pedig a Rho-fehérjék családjába tartozó G-proteinek közvetítésével formálja át a mikrofilamentum rendszert, Ennek az útnak a fokozott aktivitása valószínűleg szerepet játszik a tumorsejt-invázióban és az áttétképződésben.

Betegségek

Intracelluláris jelátvitel szükséges a szöveti differenciációhoz, a hormonhatáshoz, neurotranszmitterek, növekedési faktorok hatásának közvetítéséhez. Várhatóan nagyon sok olyan emberi betegséget fognak találni, melynek hátterét jelátviteli zavar adja. Új tudományterületről lévén szó, a jelátviteli betegségek molekuláris patomechanizmusának tisztázása még éppen csak megkezdődött.

Nem inzulindependens (II. típusú) cukorbetegség (diabetes mellitus)

A cukorbetegség (diabetes mellitus) világszerte a leggyakoribb anyagcserebetegség, a vakság, veseelégtelenség, érszűkület, szívinfarktus és agyvérzés vezető kóroki tényezője. Az esetek többségében (II. típusú diabetes) az okozza, hogy a célszövetek inzulinérzékenysége csökken. (Az I. típusú, inzulindependens diabetesben a Langerhans-szigetek inzulintermelése elégtelen.) Az inzulinrezisztens diabetes poligénes (több génhez kötött) öröklődésű betegség; az esetek egy részében az intracelluláris jelátvitel fehérjéit és az anyagcsereutak enzimeit kódoló génekben bekövetkező mutációk eredményezik. Az inzulin-jelátvitel tirozin-proteinkináz receptoron kezdődik. Az aktivált receptorhoz nagyméretű dokkoló fehérjék (IRS = inzulinreceptor szubsztrát proteinek) kapcsolódnak, melyek adapterfunkciót látnak el: több jelpálya indul róluk. A Ras/ERK-úton keresztül mitogén jelátvitel érvényesül. Az inzulin metabolikus hatásainak fő közvetítője a PI3K-út: serkenti a glikogénszintézist, a fehérjeszintézist és a sejtek glukózfelvételét. A PI3K-út stimulációja következtében a citoplazmában vezikulák membránjában raktározott glukóztranszporter fehérjék exocitózissal a sejtmembránba kerülnek és ezáltal megnő a glukóz transzportja a sejtbe. Az inzulinrezisztens diabeteses betegekben eddig végzett molekuláris biológiai vizsgálatok több jelátviteli fehérje mutációs inaktiválódását találták (a receptor, IRS-fehérjék stb.). Későbbi kutatásoknak kell tisztázniuk, hogy ezek és más mutációk milyen mértékben felelősek a klinikai kép kialakulásáért.

Nephrogen diabetes insipidus

A hipofízis (agyalapi mirigy) antidiuretikus hormonja (ADH, vazopresszin) a vesetubulusok sejtjeinek membránjában levő akvaporin fehérjéket aktiválva serkenti a víz visszaszívását. A jelátvitel a cAMP-úton keresztül történik. Ennek megszakadása (pl. az ADH-receptor hiánya vagy működésképtelensége következtében) ADH-rezisztens diabetes insipidus kialakulásához vezet.

Cholera

A cholerafertőzés patomechanizmusa jó példát szolgáltat arra, milyen súlyos következményei lehetnek egy jelátviteli út konstitutív (állandó) aktiválásának. A baktérium által termelt choleratoxin a vékonybél hámsejtjeiben tartósan aktiválja a G_s-fehérjét, az emelkedett cAMP-szint pedig az epiteliális (hám) sejtek membránján keresztül nagymértékű víz- és sóvesztéshez vezet. A hasmenés életveszélyes állapotot idéz elő, anélkül, hogy a vékonybél nyálkahártyájában jelentős morfológiai károsodás jelenne meg.

Daganatok

A rosszindulatú sejtburjánzást a sejtek proliferációját (osztódását) szabályozó jelátviteli utak mutáció(k) következtében fellépő konstitutív (állandó) aktivációja okozza.