Signaltransduktion & Liganden (Grundlagen)

physikalisch: Licht, Temperatur, Druck, Zug, Scherkräfte

chemisch: Nährstoffe, Kontaktmoleküle (Adhäsion), pH, Ladung, Botenstoffe

biologisch: Nachbarzellen, Bakterien, Viren, Parasiten

• Anpassung von Zellen an ihre (sich ändernde) Umwelt

• situationsgerechten Bewertung und Gewichtung von Signalen

• zellulären Kommunikation mit der Umwelt

• Beeinflussung der Umwelt durch Zellen

1. Rezeption: Vorgang der Signalerkennung im extrazellulären Raum

2. Transduktion: Prozess der Signalübertragung über die Plasmamembran in das Zellinnere

3. Antwort: Veränderung in der signalempfangenden Zelle nach Aktivierung eines Zell-Zell-Kommunikationsweges

• direkter Zell-Zell-Kontakt über membrangebundene Faktoren (ligand - Rezeptor)

• über weite Distanzen durch die Sekretion eines diffusiblen Liganden

• über direkte zytoplasmatische Kontakte (gap junctions)

juxtakrin: nur die direkt im Kontakt stehenden Nachbarzellen erhalten das Signal

parakrin: die Zellen im Diffusionsradius eines Liganden erhalten das Signal

autokrin: Signal wirkt auf die Signalproduzierende Zelle zurück

endokrin: Signal wirkt nach Abgabe in den Blutkreislauf an weit entfernten Stellen mitunter auf den ganzen Körper

Signal diffundiert von Morphogenquelle und lässt Konzentrationsgradient entstehen -> die Konzentrationsunterschiede werden von den Zellen in unterschiedliche Antworten übersetzt

Liganden in den extrazellulären Raum transportieren

• ER

• Golgi

• Plasmamembran

• äußere Kernhülle

• Endosom

• Vakuole

• Vesikel

• Lysosom

a) Synthese ins ER

• Peptidsequenz des Liganden am N-Terminus beginnnt mit Signalpeptid

• -Signalpeptidsequenz wird im Lauf der Tanslation gespaltenn, sodass Ligand nicht mehr zurück ins Zytoplasma gelangen kann

• im ER-Lumen faltet sich Ligand in Tertiärstruktur

• Ausbildung von Disulfidbrücken (wären im Zytoplasma wegen reduzierenden Milieus nicht stabil)

• Transport in Vesikeln zum Golgi

b) Reifung im Golgi zum Prä-Pro-Protein

• posttranslationale Modifikationen (z.b. OH-Gruppen von AS werden mit Zucker versehen)

• proteolytische Entfernung weiterer Peptidsequenzen

c) Trans-Golgi-Netzwek

• Kozentration in Vesikeln und Transport zur Zellmembran, wo sie sezerniert werden

• eventuell hat Ligand Transmembrandomäne und wird in die Membran eingebaut (ermöglicht bei Kontakt juxtakrine Signaltransduktion) oder er wird mit Glykosyl-phosphatidyl-inositol- Anker (GPI-Anker) in Membran verkandert

beispielsweise:

• Glykosylierung

• proteolytische Entfernung einzelner Peptidabschnitte

• Dimerisierung

• viele Liganden weisen Cysteinknoten als Motif auf

• Cysteine verbinden sich dabei über Thiole ihrer Seitenketten zu 3 Disulfidbrücken -> hohe Stabilität dre Tertiärstruktur

• 7.Cystein bildet Disulfidbrücke mit 2. Liganden -> Bildung Homodimer

Beispiel: NGF Nerve Growth Factor

konstitutive Ausschüttung: nicht reguliert, erfolgt ständig

regulierte Ausschüttung: erfolgt nur auf ein Signal hin

prozessierte Proteine: Wachstumsfaktoren wie Insulin Growth Faktor (IGF), Nerve Growth Faktor (NGF)

kurze Peptide: Neurropeptide wie Angiotensin II, Somatostatin

Aminosäuren und ihre Derivate: GABA, Glycin, Serotonin, Dopamin,…

organische Stoffwechselprodukte: Acetylchlin, STeroide, Terpene

Lipide: Sphingolipide

• Fibroblast Growth Factor (FGF)

• Transforming Growth Factor (TGF)

• Wingless (Wnt)

• Hedgehog (Hh)

• Serrate (Delta)

• Ephrine

sind hochkonserviert

• Zellschicksalsentscheidungen

• Migrationsinformationen

• Zellüberleben

• Zelltod

• können endokrin als Hormon wirken

• wirken im Nervensystem meistens modulatorisch, können bei gleichzeitiger juxtakriner oder parakriner Übertragung mit Neurotransmittern deren Wirkung beeinflussen

organische Stoffwechelprodukte, die als Ligand wirken können

• va. in Pflanzen

• werden aus C5 Isopreneinheiten gebildet

• typischerweise ungesättigt

• zahlreiche biologische und pharmakologische Wirkungen: Pheromone, Geschmacksstoffe, Geruchsstoffe, Insektizide, antimikrobiell,…

• werden aus C5 Isopreneinehiten gebildet

• unpolar und meist wasserunlöslich

• zahlreiche Funktionen als Stress- und Sexualhormone, Toxine oder Vitamine

• werden in Leber wasserlöslich gemacht durch Hydroxilierung und über Galle als Gallensäure in Dünndarm ausgeschieden

• agiert als Gewebehormon im Zellwachstum, der Zellmigration und als Apoptosehemmer

• S1P wirkt oft gemeinsam mit anderen Liganden um gleichzeitig mehrere Signalübertragungen auszulösen -> kann Bedeutunng eines Signals modulieren

• Dauer der Expression

• Ausdehnung der Expression

  -> mRNA in situ Hybridisierung weist mRNA nach und damit die Ligandproduzierenden Zellen

  -> Antikörperfärbung weist Protein nach und damit die räumliche Verbreitung des Liganden

• Stärke der Expression

  -> auf mRNA Ebene nachweisbar mittels quantitativer qRT-PCR (Menge an RNA wird im Vergeich zu bekanntem Standard gemessen)

  -> auf Proteinebene bsp. mittels Western Blot (Menge an Protein wird im Vergleich zu Standard gemessen)

wird üblicherweise als halbwertszeit angegeben; abhängig von Pufferkapazitäät, pH oder Salzgehalt im extrazellulären Raum

• Inhibitoren im extrazellulären Raum

• Proteasen im extrazellulärem Raum

• Umgebungsbedigungen (pH, Salz) im extrazellulärem Raum

• Ligand-bindende Faktoren (können Diffusion erhöhen, begrenzen oder als Puffer wirken)

• Endozytose

• Kombination von Endo- und Exozytose als transzytose

• Fluorescence Recovery after Photobleaching (FRAP)

• Fluorescence Loss in Photobleaching (FLIP)