Ugrás a tartalomhoz

Immunológia

Anna, Erdei, Gabriella, Sármay, József, Prechl (2012)

Medicina Könyvkiadó Zrt.

6. fejezet - 6. fejezet – Jelátviteli mechanizmusok az immunrendszer sejtjeiben

6. fejezet - 6. fejezet – Jelátviteli mechanizmusok az immunrendszer sejtjeiben

(Sármay Gabriella)

Célszerűnek láttuk külön fejezetben összefoglalni az immunsejtek különféle receptorai által stimulált, sejten belüli jelátviteli folyamatokat, ami megkönnyíti az egyes jelpályák összehasonlítását. A fejezet elején a jelátvitelben használatos alapfogalmakat, a legfontosabb molekulákat ismertetjük, amelyek a későbbiekben az egyes receptorok funkcióinak bemutatásakor újra előkerülnek. Bár a jelfelismerés számos különböző specificitású molekula (receptor) segítségével történik, és az egyes sejtek eltérő válaszokat adnak a különféle ligandumokra, a folyamat kezdete és vége között a sejtekben lezajló biokémiai folyamatok főszereplői nagyrészt azonosak, és a jeltovábbítás mechanizmusa is hasonló.

Jelátvivő molekulák: kinázok, foszfatázok, foszfolipázok, adapter fehérjék

A sejten belüli jelátadás folyamata

A sejten kívüli környezetből érkező jeleket (antigének, patogének, citokinek, kemokinek, hormonok, etc.) a sejtek jelfogói, a receptorok ismerik fel és kötik meg, majd továbbítják az azokról szóló információt a sejtmag felé. A ligandumok receptorhoz való kötődését követően, a sejten belüli jelátviteli kaszkád során először a jelátadást irányító enzimek aktiválódnak. Ezek a receptorok fajtájától függően többfélék lehetnek: például a GTP-kötő fehérjékhez kapcsolt receptorok esetében az adenilcikláz és a foszfolipáz C (Phospho Lipase C – PLC) β, a tirozin- vagy szerin/treoninkináz-aktivitással rendelkező receptoroknál maguk a receptorkinázok, míg a tirozinkinázokhoz kapcsolt receptoroknál az intracelluláris protein-tirozinkinázok aktiválódnak elsőként.

A jeltovábbításban a sejten belül számos kis molekula vesz részt: ezek a másodlagos hírvivő molekulák. Ide sorolható a ciklikus AMP (cyclic Adenosine MonoPhosphate – c-AMP), a ciklikus GMP (cyclic Guanozin MonoPhosphate – c-GMP), a diacilglicerol (DAG), az inozitol-triszfoszfát (Inositol tris Phosphate – IP3), szabad Ca2+-ionok és a sejtmembránhoz kötött foszforilált foszfoinozitidek (PI). A másodlagos hírvivők közvetve vagy közvetlenül további kinázok aktiválásában vesznek részt [például a c-AMP a proteinkináz-A-t (PKA), a DAG a proteinkináz-C-t (PKC), a sejten belüli (Ca2+) emelkedése a Ca-kalmodulin függő kinázokat aktiválja], míg az inozitolgyűrű 3. és 5. pozíciójában foszforilált foszfoinozitidek a pleksztrinhomológ (PH) doménekkel rendelkező kinázok sejtmembránhoz való kapcsolódását és aktiválódását teszik lehetővé. A G-fehérjéken, a kinázokon és az aktivitásukat szabályozó foszfatázokon, valamint a foszfoinozitidek anyagcseréjét szabályozó enzimeken (foszfolipázok, foszfoinozitid kinázok és foszfatázok) kívül fontos szerepet játszanak a jelátadásban az enzimaktivitással nem rendelkező adapter fehérjék. Ezek a proteinek molekuláris kapcsolóként több, a jelátadásban résztvevő fehérje megkötésével multimolekuláris komplexeket hozhatnak létre, és/vagy fehérjék sejtmembránhoz való rögzítésében vehetnek részt.

A ligandum fajlagos kötődését követően a sejten belüli jelátadó, ún. szignálfehérjék az aktivált receptor közelében gyűlnek össze. Így alakul ki a jelátadó komplex, a szignaloszóma, amelynek egyes elemei különböző szerkezeti egységeik segítségével kapcsolódnak egymáshoz. A komplex befolyásolhatja a jelátadási kaszkádban résztvevő effektor fehérjék szerkezetét, elhelyezkedését és funkcióját. Igy megváltozhat a jeltovábbító fehérjék konformációja, ami hat enzimaktivitásukra és más molekulákkal való kölcsönhatásukra, míg a citoplazmából a sejtmembránhoz vagy éppen a sejtmagba történt áthelyeződés (transzlokáció) az enzim-szubsztrát találkozást teszi lehetővé.

A 6.1. ábrán egy hipotetikus jelpályát mutatunk be.

6. 1. ábra. Egy hipotetikus jelpálya. A receptor ligandumkötése kinázaktivációt vált ki (1. jelátadó fehérje), majd az aktivált kináz tirozin-foszforilációt indukál a receptor intracelluláris doménjében és további jelátadó fehérjékben. A sejtmembrán inozitol-foszfolipidjei is foszforilálódnak a PI3-kinázok aktiválódása eredményeként, ami a pleksztrinhomológ doménnel rendelkező fehérjék membránhoz kötődését teszi lehetővé. A foszforilációs folyamatok eredményeképen további kinázok aktiválódnak (jelátadó fehérje 2); ezek adapter fehérjéket és más szubsztrátokat foszforilálnak (jelátadó fehérje 3). A foszforilált motívumok SH2- és PTB-doménnel rendelkező fehérjékhez kötődnek. További fehérje–fehérje kapcsolat alakul ki a prolinban gazdag szekvenciák és az SH3-domének között (jelátadó fehérje 3). Ezek a molekuláris kölcsönhatások az aktivált receptor intracelluláris része köré gyűjtik a jelátadásban résztvevő fehérjéket.

A sejteken belül lejátszódó jelátadás szigorú szabályozás alatt álló, igen gyors folyamat. Az egymásra épülő lépések hatékonyságát és pontosságát az adapter-, ill. scaffold (azaz „állvány”) fehérjék biztosítják, amelyekhez több enzimaktivitásal rendelkező, jelátadó fehérje kötődhet. A jelátadási kaszkád, vagyis a jelpálya egy intracelluláris hálózat része, amelyben az egyes jelpályák több szinten is kapcsolódhatnak egymáshoz. Ez a sejten belüli hálózat biztosítja, hogy a sejtek összehangolt választ adjanak a környezetből érkező sokféle jelre.

Jelátadó (signaling) komplexek kialakulása

A jelátadó komplexek kialakulása fehérje-fehérje vagy fehérje-lipid kölcsönhatásokon alapul, amelyeket proteindomének és speciális aminosav-szekvenciából álló motívumok kapcsolódása közvetít. Például a Src-homológ-2 (SH2) doméneket tartalmazó fehérjék a foszfotirozint tartalmazó motívumokhoz (pl.YMXM), míg a pleksztrinhomológ (PH) doméneket tartalmazók a foszfoinozitidekhez, pl. a foszfatidil-inozitol 3, 4, 5 foszfáthoz (PI-3, 4, 5P) kapcsolódnak. A proteindomének funkcionálisan önálló szerkezeti egységek, amelyek a jelátadó molekulákban egymástól függetlenül, különböző számban és sorrendben fordulhatnak elő.

A jelátadó molekulák szerkezeti elemei: SH2, SH3, PTB, PH domének

A jelátadó fehérjékre a moduláris szerkezet jellemző. Az egyes proteindomének a különböző fehérjékben nagyfokú szerkezeti homológiát mutathatnak. A szerkezet hasonlósága ellenére azonban aminosavsorrendjükben lényeges különbségek lehetnek. Általában 40-100 aminosavból álló kompakt struktúrák, amelyek különféle fehérje-fehérje vagy fehérje-lipid kölcsönhatásokat tesznek lehetővé.

SH2-domének

Az SH2 domént először a Rous-sarcomavírusban azonosított Src-kináz szerkezeti egységeként írták le, erről kapta nevét az Src-homológ 2 (SH2) domén, amely különbözik a kináz katalitikusan aktív, ún. Src-homológ 1 (SH1) doméjétől. Az SH2-domének jelen vannak valamennyi, nem receptor proteintirozin-kinázban, amelyben a kinázdoméntől közvetlenül N-terminálisan helyezkednek el. A kinázcsaládba tartozik többek között a lyn, fyn, blk, fgr, lck, és a hck.

SH2-domének ezen kívül foszfolipázokban, foszfatázokban, a ras-útvonal fehérjéiben és számos adapter és állványfehérjében is előfordulnak. Ezek a struktúrák kb. 100 aminosavból állnak, és egy antiparalel β-lemezből, és az ehhez mindkét oldalon kapcsolódó α-hélixből épülnek fel. Az SH2-doménekkel kölcsönható motívum általában 4 aminosavból áll, amelyek közül az első foszfotirozin, a negyedik (pY + 3) általában hidrofób aminosav. A foszfotirozin nagy affinitású kötődését (Kd < 10-9 M) egy mély kötőzseb biztosítja, míg egy második, sekélyebb zseb a foszfotirozintól C-terminálisan elhelyezkedő 3-6 aminosavmaradékot köti, sokkal kisebb affinitással. Ez utóbbi szerepe a specifitás biztosítása, ugyanis nem minden foszfotirozint tartalmazó motívum kötődik egy bizonyos SH2-doménhez, és fordítva. Például az Src-kinázok SH2-doménje a YEEI-motívumot köti nagy affinitással, míg a foszfatidil inozitol-3 kináz SH2-doménje a YVPM-szekvenciával reagál. A mély kötőzseb alján elhelyezkedő konzevatív arginin biztosítja a foszfotirozinnal való erős kapcsolatot, míg a második zseb hidrofób és hidrofil kölcsönhatások révén határozza meg az optimálisan kötődő motívumot.

SH2-domének nemcsak az eukariótákban vannak jelen, hanem növényekben, sőt gombákban is. Legősibb formájukat egy nyálkagombában leírt STAT (Signal Transducer and Activator of Transcription) fehérjében találták meg. A STAT-molekulák tirozinon való foszforilációjukat követően dimereket alkotnak, majd a sejtmagba jutva génátírást indítanak el, ugyanúgy, mint ahogyan az a magasabb rendű állatokban történik.

SH3-domének

Az Src-homológ 3 (SH3) domének szintén a fehérje-fehérje kölcsönhatásokat segítik elő, de a kötődés affinitása ebben az esetben csak mM nagyságrendű. A kb. 60 aminosavból álló domének szerkezete eltér az SH2-doménekétől; itt két β-lemez alkot egy csavart β-hordó struktúrát. Az SH2-doménhez hasonlóan az SH3 domének is különféle jelátviteli enzimekben (kinázok, foszfatázok), szerkezeti fehérjékben, valamint kis adapter molekulákban fordulnak elő. Az általuk felismert motívum 8-10 aminosavból áll, és prolinban gazdag: RXLPPLPXX vagy XXXPPLPXR szekvenciájú. Sok jelátadó molekula rendelkezik mind SH2-, mind SH3-doménnel – az SH2 kapcsolódása a pY-t tartalmazó motívumhoz erősíti az SH3-poliprolin-szekvencia kölcsönhatást. Az adapter fehérjék közül a Grb2-ben kettő, az Nck-ban három SH3-domén biztosítja a multimolekuláris komplex kialakulását. SH3-domének az evolúció során már az élesztőgombában megjelennek, így ősibb funkcióval rendelkeznek, mint a később kialakuló SH2-domének. Sok SH3-domént tartalmazó fehérje kölcsönhatásba lép a citoszkeletonnal, így ezek a sejt struktúrájának fenntartásában és a mozgásképesség kialakításában játszanak fontos szerepet.

PTB-domének

Foszfotirozint tartalmazó motívumot ismernek fel a PTB (PhosphoTyrosine Binding) domének is, szerkezetük azonban jelentősen eltér az SH2-doménekétől. A kötődés specifitását a foszfotirozintól N-terminálisan elhelyezkedő aminosavak szabják meg, a konszenzus PTB- kötő motívum: NPXpY. Ami a β-hordót, és az ehhez csatlakozó hosszú α-helixet illeti, a PTB-domének szerkezete érdekes módon nagyon hasonlít a PH-doménekére; ennek ellenére a felismert motívum teljesen más. A PH-doménhez kötődő molekulák a β-lánchoz csatlakozó hurokhoz vagy a hélixhez kapcsolódnak, míg a PTB-doménben, amelyet két merőleges antiparalel β-lemez és egy C-terminális, amfipatikus α-hélix alkot, a foszfotirozin a β-hordó egyik oldalához kötődik. A PTB-domént a Shc (SH2 domain and collagen) adapter fehérje 186 aminosavat tartalmazó szegmentumaként azonosították először.

PH-domének

A pleksztrinhomológ (PH) domén kb. 100 aminosavból áll, és az előzőekben megismert doménekkel ellentétben főleg fehérje-lipid kölcsönhatásokat tesz lehetővé. Eddig 600-nál több fehérjében találtak PH doménnek megfelelő szekvenciát, bár a pontos szerkezet csak néhány fehérje esetében ismert. Elsőként a pleksztrinben írták le (innen kapta a nevét), amelyben szokatlan módon két PH-domén is található. A PH-domének az SH2- és SH3-doménekkel összehasonlítva kevésbé egységes szerkezetűek, azonban az aminosavsorrend eltéréseinek ellenére a PH-domének háromdimenziós szerkezete nagyon hasonló: hat β-lánc alkot egy félig nyitott „hordót”, amit egy α-hélix fed le.

A PH-domének és a lipidkötő fehérjék szerkezeti hasonlósága arra utalt, hogy a PH-domének lipofil molekulákkal reagálnak. Kimutatták a 3. és 5. helyzetben foszforilált foszfoinozitidekhez [PI (3, 4) P2, PI (3, 4, 5) P3] való kötődésüket, amelyben a domén alján elhelyezkedő bázikus aminosavak csoportja vesz részt. Így a PH-doménnel rendelkező fehérjék (például a PLC, a protein kináz B (Akt/PKB), a Bruton-típusú proteinkináz (Btk), a Ras kis G-fehérjét szabályozó GAP-fehérje vagy a Gab-adapter fehérjék) foszforilált foszfoinozitidekkel való kölcsönhatásuk következetében a citoplazmából a sejtmembránhoz helyeződnek át, ahol az enzim-szubsztrát kölcsönhatások lehetővé válnak. A PH-domének kapcsolódhatnak a G-fehérjék βγ-alegységeivel is.