Передача сигнала

Введение

Пациентка У. К. заметила кровь в каловых массах и обратилась к врачу. Была обнаружена злокачественная опухоль в прямой кишке. Пациентку направили в университетскую клинику, где опухоль удалили. По результатам исследования опухолевой ткани была выявлена причина опухоли. В ее клетках произошли изменения (мутация) гена, продукт экспрессии которого играет ключевую роль при регуляции деления клетки (связывающий ГТФ белок ras, см. ниже). Мутация гена привела к повышенной активности белка, что в свою очередь способствовало ускоренному размножению аномальных клеток. Мутировавшие гены, способные вызывать рост злокачественных опухолей, называются онкогенами.

2.1. Регуляция активности эффекторных молекул

Регуляция активности

!Передача сигнала между клетками обеспечивает приспособительную реакцию эффекторных молекул к соответствующим условиям окружающей среды и потребностям организма. При этом одним из важнейших механизмов является фосфорилирование.

Регуляция и управление. Функции клетки должны постоянно приспосабливаться к потребностям самой клетки или всего организма. Посредством нервной системы и гормонов соответствующая клетка передает соседней клетке сигнал, который может изменить мембранный потенциал,

а также присоединить нейромедиатор, гормон или другое вещество, принимающее участие в передаче сигнала, к рецептору. В результате происходит передача сигнальных каскадов, которые впоследствии оказывают влияние на деятельность соответствующих молекулярных эффекторов (например, ферментов, ионных каналов).

Регуляция посредством фосфорилирования.

Активность эффекторных молекул может увеличиваться за счет химических изменений. К важнейшим механизмам регуляции эффекторных молекул относится фосфорилирование белков с помощью киназ, передающих фосфат АТФ другому белку. Соединение с отрицательно заряженным фосфатом может способствовать конформационному изменению белка с последующим изменением активности. В процессе образования фосфатазы фосфат снова отщепляется от белка, что приводит к блокаде действия киназы.

Киназные каскады. Активность киназ тоже может регулироваться путем фосфорилирования. Киназные каскады приводят к возникновению эффекта снежного кома и в результате к увеличению количества сигналов. Примерами могут служить каскад фосфоинозитол-3-киназы, или IP3-киназы, и МАР-киназный каскад (от англ. mitogen activated protein).

Регуляция экспрессии и расщепления молекул

!Синтез эффекторных и сигнальных молекул регу- лируется факторами транскрипции.

Факторы транскрипции. Передача сигнала может осуществлять повышенный или ослабленный синтез (экспрессию) эффекторных молекул в клеточном ядре. Регуляция экспрессии совершается в том числе с помощью факторов транскрипции. При активации они проникают в клеточное ядро

и соединяются с определенными участками ДНК. Таким образом происходит регуляция синтеза соответствующих мРНК и синтеза соответствующих белков.

Регуляция факторов транскрипции. Факторы транскрипции могут активироваться посредством

фосфорилирования или дефосфорилирования.

Экспрессия факторов транскрипции также регулируется.

β-катенин. Киназа гликогенсинтазы 3β фосфорилирует β-катенин и так осуществляет его инактивацию. Торможение киназы гликогенсинтазы 3β инсулином (путем ФИ-3-киназы) способствует усиленному образованию активного β-катени-

на, который, являясь фактором передачи (транскрипции), стимулирует экспрессию большого количества генов, необходимых для митоза. Таким образом инсулин способствует делению клетки, в том числе посредством повышенного образования β-катенина.

Регуляция с помощью гормональных рецепторов цитозоля. Некоторые гормоны соединяются с внутриклеточными рецепторами. Гормональный рецептор тоже проникает в клеточное ядро и регулирует экспрессию гормонозависимых генов (см. следующую главу).

Регуляция посредством расщепления. Функция новообразования и расщепления заключается в определении количества эффекторных молекул. Оно регулируется не только с помощью изменения экспрессии, но и с помощью изменения процесса расщепления. Расщепление белка осуществляется

в результате присоединения убиквитина (убиквитинирования). Стимуляция соответствующей убиквитинлигазы способствует расщеплению эффекторной молекулы.

Коротко

Регуляция активности и экспрессии эффекторных молекул

Приспособительная реакция клеток осуществляется посредством регуляции функций и экспрессии эффекторных молекул. Деятельность молекул регулируется процессом фосфорилирования/дефосфорилирования. Экспрессия находится под контролем факторов транскрипции. Расщепление регулируется убиквитинированием.

2.2. Рецепторы и гетеротримерные G-белки

Взаимодействие лигандов и рецепторов

!Рецепторы — это белки, которые специфично связываются с лигандом и способствуют передаче сигнала в клетку.

Рецепторы и лиганды. Согласно принципу, описанному Эмилем Фишером, к рецепторам присоединяются весьма специфические молекулы,

называемые лигандами. Для гормональных рецепторов примером лиганд являются гормоны, для рецепторов факторов роста — соответствующие факторы роста, для рецепторов Т- или В-клеток– подходящие антигены.

Внутриклеточные рецепторы. Некоторые гормоны (такие как глюкокортикостероиды, минералокортикоиды, половые гормоны, гормоны щитовидной железы, витамин D и ретиноиды) проникают в клеточную мембрану и соединяются с внутриклеточными рецепторами. При соединении с гормоном происходит конформационное изменение рецептора, комплекс, состоящий из рецептора и лиганда, входит в клеточное ядро и прикрепляется к определенным участкам ДНК (рис. 2.1). Комплекс служит фактором транскрипции (разд. 2.1) и вызывает экспрессию генов раннего ответа. Их могут регулировать гены другой группы, которые также могут влиять на деятельность гормона.

Поверхностные рецепторы клетки. Белки, передающие внеклеточные сигналы клетке, называются поверхностными рецепторами клетки. Эти рецепторы состоят из трех основных областей: внеклеточной, трансмембранной и внутриклеточной. Внеклеточная область служит соединению с лигандами, трансмембранная область — укреплению в клеточной мембране, а внутриклеточная область — передаче сигнала в клетку.

Гетеротримерные G-белки

!Гетеротримерные белки, связывающие ГТФ, обеспечивают распространение гормоноиндуцированных сигналов в клетку.

Активация. Многие гормональные рецепторы клеточной мембраны функционируют посредством активации белков, связывающих ГТФ (G-белков), которые состоят из трех субъединиц: α, β и γ (ге-

теротримерные G-белки). В пассивном состоянии α-субъединица гетеротримерных G-белков соеди-

няется с G-белками (рис. 2.2). Присоединение лиганда к гормональному рецептору вызывает конформационное изменение, и происходит обмен

ГДФ на ГТФ в α-субъединице G-белка. Связующая с ГТФ α-субъединица отделяется от субъединиц β и γ, при этом активируясь, и становится способной

к дальнейшей передаче сигнала.

Инактивация. Если лиганд отделяется от своего рецептора, то конформация α-субъединицы

тоже изменяется. В результате активности ГТФазы ГТФ расщепляется до ГДФ, а α-субъединица белка снова соединяется со звеньями β и γ (рис. 2.2).

Передача АДФ-рибозил-группы препятствует ак-

Рис. 2.3. Реакционная цепь внутриклеточного посредника цАМФ. Возбуждающие или тормозные внешние сигналы вызывают активацию мембранных рецепторов Rs и Ri. Эти рецепторы опосредуют ре-

а также стимулировать или ингибировать внутриклеточную аденилатциклазу (АЦ). АЦ катализирует преобразование АТФ в цАМФ. Под влиянием фосфодиэстеразы цАМФ расщепляется до АМФ. Свободный цАМФ активирует протеинкиназу А (ПКА), которая катализирует фосфорилирование внутриклеточных белков; таким образом реализуется реакция на внеклеточный стимул. Образование и расщепление цАМФ усиливается (+) или ингибируется (–) лекарственными средствами и токсинами (см. 2.1)

тивности ГТФ и ее инактивации. Так, бактериальные токсины, например холерный и коклюшный, препятствуют инактивации определенных G-белков (рис. 2.3).

Коротко

Рецепторы

Рецепторы — это белки, которые соединяются с лигандами и этим способствуют передаче сигналов в клетку. Функционирование клетки может регулироваться с помощью внутриклеточных и мембраноустойчивых рецепторов. Внутриклеточные рецепторы состоят из двух участков, один из которых связывается с гормонами, а другой — с ДНК. Выполняя функцию факторов транскрипции, они осуществляют клеточную деятельность липофильных гормонов. Поверхностные рецепторы вызывают каскад сигналов после соединения с внеклеточными лигандами.

Гетеротримерные G-белки

Действие поверхностных рецепторов часто осуществляется с помощью гетеротримерных G-белков. Активация и инактивация этих белков происходит посредством соединения ГДФ и ГТФ, а также конформационных изменений субъединиц белка.

2.3. Циклические нуклеотиды в роли вторичных мессенджеров

Циклический аденозинмонофосфат

!С помощью аденилатциклазы образуется циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), который активирует протеинкиназу А и может оказывать влияние на эффекторные молекулы и процесс экспрессии генов; в результате этого цАМФ снова инактивируется под воздействием фосфодиэстеразы.

Аденилатциклаза. Активированные α-субъ-

единицы определенных гетеротримерных G-белков (GS) взаимодействуют с аденилатциклазой, которая преобразует АТФ в циклический АМФ (рис. 2.3). цАМФ — внутриклеточный медиатор (вторичный мессенджер), который осуществляет действие гормона (первичный посредник) в клетке. цАМФ присоединяется к протеинкиназе А (ПКА) и активирует ее. ПКА фосфорилирует определенные

ферменты, ионные каналы и другие транспортные белки в серине или треонине, оказывая тем самым влияние на их функции. цАМФ может накапливаться в ионных каналах и активировать их без участия ПКА.

ПКА фосфорилирует фактор транскрипции белок CREB (cAMP responsive element binding protein) и вызывает экспрессию цАМФ-зависимых генов.

В результате цАМФ может активировать ионные каналы напрямую.

Большое количество гормонов, например адреналин (через β-рецепторы), глюкагон, паратгормон,

кальцитонин, большинство пептидных гормонов таламуса и гипоталамуса (за исключением соматостатина; см. ниже) и другие тканевые гормоны, передают сигнал описанным здесь образом. Некоторые примеры цАМФ-зависимой регуляции представлены в табл. 2.1.

Инактивация. Под воздействием фосфодиэстеразы происходят расщепление цАМФ до 5'-АМФ и его инактивация. Ингибирование фосфодиэстеразы (в частности, кофеином) приводит к повышению концентрации цАМФ в цитозоле и тем самым способствует выполнению функций клетки, зависимых от цАМФ (кофеин оказывает влияние преимущественно при стимуляции пуринергических рецепторов). Под воздействием серин/треонинфосфопротеинфосфатазы (РР1, РР2a, b, c) фосфорилирование белков останавливается, в результате чего действие ПКА блокируется.

2.1. Холерный токсин

Возбудитель холеры — холерный вибрион — продуцирует холерный токсин, вызывающий перемещение группы АДФ-рибозы в GSα-субъединицу

G-белка. При этом ГТФаза ингибируется, но G-бе- лок остается в активном состоянии. В результате возникает очень сильная и продолжительная активация аденилатциклазы в эпителии кишечника. Повышенное образование цАМФ приводит к открыванию хлорных каналов в люминальной мембране эпителия кишечника. Из-за усиленного выделения NaCl и воды возникает диарея, которая приводит к угрожающей жизни потере жидкости.

Торможение образования цАМФ. Гетеротримерные G-белки могут не только активировать ПКА, но и тормозить ее. Для этого рецептор взаимодействует с одним из ингибированных Gi-белков. После отщепления ГТФ и распада соединения субъединиц α, β и γ Gi-белки тормозят выделение аденилатцикла-

зы, а клеточная концентрация цАМФ и активность ПКА соответственно снижаются. Эти механизмы используются такими гормонами, как ацетилхолин, соматостатин, ангиотензин II или адреналин (через α2-рецепторы). Затормаживая образование цАМФ,

соматостатин может препятствовать выделению Cl–, а адреналин — выбросу инсулина.

Циклический гуанозинмонофосфат

!Гуанилатциклаза образует циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ), который оказывает влияние на функции клетки при участии G-киназы; цГМФ помогает функционировать оксиду азота (NO) — чрезвычайно быстро распадающемуся медиатору.

Рецепторы гуанилатциклазы. Лишь некоторые рецепторы соединяются с гуанилатциклазой, которая высвобождает цГМФ из ГТФ, а цГМФ присоединяется к протеинкиназе G, оказывающей влияние посредством фосфорилирования белка. Среди прочих она активирует Са2+-АТФазу, которая выкачивает Са2+ из клетки; при участии цГМФ на нее воздействует в том числе и атриопептин. цГМФ также может присоединяться к ионным каналам и тем самым регулировать их активность. Активируемый с помощью цГМФ катионный канал регулирует активность, например, зрительных рецепторов (разд. 18.5).

Оксид азота. Так называемые растворимые гуанилатциклазы регулируются не через рецепторы, а под воздействием оксида азота (NO), который образуется в клетке из аргинина при участии NO-синтаз (NOS). NOS в эндотелиальных клетках (еNOS) и мозге (nNOS) активируются с помощью Са2+. При воспалении выделяется индуцируемая NOS (iNOS), не требующая повышенной концентрации Са2+ в цитозоле для активации. Будучи очень нестабильным соединением, NO предназна-

чен для осуществления краткосрочных эффектов и способен модифицировать функции белков посредством нитрозации. Прежде всего он имеет большое значение при регуляции тонуса сосудов и передаче сигналов нейронам, однако играет важную роль и при регуляции генетически запрограммированной гибели клетки.

Коротко

Циклические нуклеотиды

Многие гормональные рецепторы регулируют деятельность клеток посредством циклических нуклеотидов, выполняющих функцию вторичных мессенджеров. Циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) активирует протеинкиназу А и тем самым получает возможность оказывать влияние на молекулярные эффекторы и экспрессию генов. Циклический ГМФ (цГМФ) оказывает действие на функции клетки с помощью G-киназы. Концентрацию обоих вторичных посредников цАМФ и цГМФ регулирует активность аденилатциклазы или гуанилатциклазы.