Ugrás a tartalomhoz

Immunológia

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

Medicina Könyvkiadó Zrt.

Fontosabb jelpályák

Fontosabb jelpályák

Tirozinkinázok által aktivált jelpályák

A tirozinkinázok két nagy csoportja a receptor-tirozinkinázok (Receptor Tyrosine Kinase – RTK) és a nem receptor fehérje-tirozinkinázok (Protein Tyrosine Kinase – PTK).

Az RTK-k a sejtek növekedéséhez, túléléséhez, differenciálódáshoz, a sejt mozgásához vezető vagy a metabolizmust befolyásoló jeleket közvetítenek. A legismertebb példák a növekedési faktorok receptorai (epidermális növekedési faktor receptor (Epidermal Growth Factor Receptor – EGFR), hepatocita növekedési faktor receptor (Hepatocyte Growth Factor Receptor – HGFR), trombocitákból származó növekedési faktor receptor (Plateled Derived Growth Factor Receptor – PDGFR), melyeket a 6.2. ábrán mutatunk be. Nem megfelelő szabályozás esetében az RTK fokozott aktivitása malignus transzformációt okozhat, míg csökkent RTK-aktivitás a sejtek szaporodásának és fejlődésének hibájához és a metabolizmus zavarán alapuló, súlyos betegségekhez vezethet. A receptorok 14 családba sorolhatók, és az azonos család receptorainak ligandumai nagyon hasonlóak.

6.2. ábra. A jeltovábbításban résztvevő legfontosabb molekulatípusok jellemző, moduláris felépítése

A receptor intracelluláris szakasza szubdoménekre osztható. A membránközeli régió a negatív töltésű foszfolipidekkel kölcsönhatásba lépő bázikus aminosavakat, internalizációs motívumot (NPXY, GPLY) és Ser/Thr aminosavakat tartalmaz; ez utóbbiak foszforilálódhatnak és szabályozhatják a RTK aktivitását. A következő, a tirozinkináz-katalitikus domén különbözteti meg a RTK-család tagjait más receptoroktól, ezt követi a számos, konzervált tirozint tartamazó kináz-inzert régió, és végül a C-terminális régió, amelyben szintén sok foszforilálható tirozin van, amelyek foszforilációt követően dokkoló helyül szolgálnak az effektor fehérjék számára.

Szabad formában a RTK katalitikus doménje inaktív. A ligandum kötődése receptordimerizációt, ill. polimerizációt eredményez, ami közel hozza az egyes RTK-kat egymáshoz, lehetővé téve aktiválódásukat. A molekula konformációja megváltozik, majd lezajlik az RTK autofoszforilációja és/vagy keresztfoszforilációja. (Ez utóbbi esetben az egymáshoz közeli kinázok foszforilálják egymást.) A foszforilálódott tirozint tartalmazó motívumok lehetővé teszik a jelpálya további fehérjéinek kapcsolódását SH2-doménjeiken keresztül, így kialakul a szignaloszóma. RTK-hoz kötődik a Grb2- és a Gab-adapter fehérje, a foszfatidil-inozitol 3 kináz, valamint a PLC γ, amelyek a további, „downstream” jelátvitelért felelősek.

A tirozinkinázok másik nagy családját a nem receptor protein-tirozinkinázok alkotják (6. 3. ábra). A már korábban említett Src-családba tartozó PTK-k mellett ide tartozik a Syk és a Zap70, amelyek a BCR, a TCR és az aktiváló típusú Fc-receptorok jelátvitelében játszanak szerepet, továbbá a Bruton-típusú proteinkináz (Btk), valamint a citokinreceptorok jelpályáiban szereplő Janus kináz (Jak).

Az Src-családba tartozó kinázok (Src, Lyn, Fyn, Lck, Hck, Yes) hasonló szerkezetűek: az N-terminális, egyedi katalitikus domént egy SH2- és egy SH3-domén követi (6.3. ábra). A Src-kinázok mirisztilcsoportjukon keresztül kapcsolódnak a plazmamembránhoz, és ott a koleszterinben gazdag lipidtutajokban (raftokban l. fejezet) helyezkednek el. Az antigén-felismerő receptorok keresztkötése, ami B-sejteken a multivalens antigén hatására, míg T-sejteken az antigén-bemutató sejttel való kapcsolat során létrejövő multimolekuláris komplex (lásd szinapszis, l. fejezet) kialakulása következtében jön létre, átrendezi a sejtmembránt. Ennek során az antigénkötő receptorok aggregálódnak, és a lipidtutajokba kerülnek, ahol jelen vannak az Src-család kinázai, viszont kizáródnak onnan a negatívan szabályozó foszfatázok, pl. a CD45. Az Src-kinázok foszforilálják a receptorok járulékos jelátvivő láncain levő tirozint tartalmazó motívumokat (Immunreceptor Tirozin-alapú Aktivációs Motívum, ITAM). Fontos kiemelni, hogy az Src-kinázok aktiválódásának alapfeltétele a reguláló, C-terminális tirozinjuk defoszforilációja (6.4. ábra).

6.3. ábra. Receptortirozinkináz-családok. A receptor-tirozinkinázok egy vagy több fehérjeláncból állnak. Jellemzőjük az intracelluláris tirozinkináz domén, amely inszerciós régiót tartalmazhat. Extracelluláris részüket ciszteinben gazdag vagy immunglobulinszerű domének alkotják. (Rövidítések: EGF, epidermális növekedési faktor; IGF, inzulinnövekedési faktor; NGF, idegsejt-növekedési faktor; PDGF, trombocita eredetű növekedési faktor, M-CSF, makrofág kolóniastimuláló faktor; FGF, fibroblaszt növekedési faktor; VEGF, vaszkuláris endotheliális növekedési faktor.)

6.4. ábra. Az src-kinázok aktiválódása. Nyugalmi állapotban az src-proteinkinázok katalitikus doménjének (PTK) prolinban gazdag szakasza a membránhoz közeli SH3-doménhez kötődik, míg a polipeptidlánc C-terminálisán elhelyezkedő szabályozó, foszforilált tirozint tartalmazó motívum a molekula SH2-doménjéhez kapcsolódik. Ebben a zárt molekulaszerkezetben az enzim inaktív. Az aktiváció során a C-terminális foszfotirozin defoszforilálódik, a molekula kinyílik, és az SH2-domén alkalmassá válik tirozinon foszforilált szubsztrátfehérjék kötésére. Ezzel párhuzamosan az aktív kináz a 416. pozícióban levő tyrt foszforilálja (autofoszforiláció), ami az aktivitás további növekedését eredményezi.

A szabályozásban résztvevő tirozin foszforilációjáért a C-terminális Src-kináz (Csk), míg defoszforilációjáért a CD45-foszfatáz felelős. A Csk az Src-kinázok által foszforilált, a raftokban elhelyezkedő, Csk-kötő fehérje, a CBP (Csk binding protein, CBP, más néven Phosphoprotein associated with glycosphingolipid-enriched microdomains, PAG,) közvetítésével kerül a kinázok közelébe és fejti ki inaktiváló hatását. Ez a negatív visszacsatolás szabályozza az Src-kinázok aktiválódását.

A Syk, illetve a Zap70 tirozinkinázok két SH2-doménjükkel kötődnek a foszforilált ITAM-okhoz, majd foszforilációjukat követően aktiválódnak, és számos szubsztrátot foszforilálnak. A foszforilált motívumok dokkoló helyül szolgálnak további, SH2-doménekkel rendelkező fehérjék számára. A Btk/Tec-család kinázaira jellemző, hogy PH-doménjük közvetítésével kapcsolódnak a sejtmembránban levő polifoszfoinozitidekhez, míg a Jak közvetlenül a citokinreceptorokhoz kötődik.

A foszforiláció megváltoztathatja a fehérje konformációját, intra- és intermolekuláris kölcsönhatásait, aminek következtében megváltozik az enzim aktivitása, stabilitása és elhelyezkedése a sejten belül (pl. a citoplazmából a sejtmembránhoz kerül). Fontos hangsúlyozni, hogy a foszforiláció foszfatázok szabályozása alatt álló reverzíbilis folyamat. A protein-tirozinfoszfatázoknak (Protein Tyrosine Phosphatase – PTP) számos családja ismert, aktivitásukat többféle mechanizmus regulálja. A receptortípusú PTP-k (pl. CD45) dimerizálódása inaktiválja a foszfatázt, az SH2-domén kötődése a szubsztrát-tirozinon foszforilált motívumaihoz aktiválja az SH2-doménnel rendelkező SHP-1-, és SHP-2-foszfatázokat, továbbá a sejtben zajló redox folyamatok során felszabaduló reaktív oxigéngyökök szabályozzák az aktív helyük közelében Cys-aminosavval rendelkező foszfatázokat.

Foszfoinozitid-kinázok által aktiválható jelpályák

A sejtmembránban előforduló foszfoinozitidek sokrétű szerepet töltenek be a sejtaktiválódás során. Ennek magyarázata az, hogy az inozitolgyűrű három pozícióját (3, 4, 5) reverzíbilisen foszforilálhatják a foszfatidil-inozitol (Phosphatidyl Inositol – PI) kinázok (6.5. ábra). A család legismertebb tagja a PI3-kináz (PI3-K). A foszforilált foszfoinozitidszármazékok másodlagos hírvivőmolekulák, amelyek egyrészt a PLC szubsztrátjául szolgálnak, PI (4, 5) P2, másrészt a PI (3, 4, 5) P3 és a PI (3, 4) P2 PH-doménnel rendelkező fehérjék – például a foszfoinozitidfüggő kinázok (Phosphoinositid Dependent Kinase – PDK1 és PDK2) vagy a proteinkináz B (PKB)/Akt – sejtmembránhoz kötésére képesek. A negatív szabályozásban a foszfoinozitid 3-foszfatáz (Phosphatase and Tensin homolog – PTEN), illetve az SH2-domént tartalmazó inositol 5-foszfatáz-SHIP vesznek részt. Mind a PI 3-kinázok, mind a PI 3- és PI 5-foszfatázok receptorok által közvetített folyamatok szabályozása alatt állnak. A 3-as pozícióban foszforilált PI-származékok a sejtmembrán másodlagos hírvivő molekuláiként a PKB/Akt-on keresztül a sejtosztódást, a túlélést, ill. apoptózist, és a sejtciklust szabályozó jelek közvetítésében vesznek részt.

6.5. ábra. A membrán foszfatidilinozitol foszforilációja. A foszfátidilinozitol (PI) másodlagos hírvivő molekula zsírsavláncaival épül a sejtmembrán belső lipidrétegébe. A PI-kinázok a citoszolba nyúló inozitolgyűrűjének 3-as, 4-es és 5-ös pozíciójában lévő OH-csoportokat foszforilálhatják. A keletkező PIP-származékok [PI (4, 5) P2, PI (3, 4, 5) P3, PI (3, 4) P2,PI (3) P] sokféle funkció közvetítésére alkalmasak. A foszforilált foszfátidilinozitid-származékok kialakulásában kinázok, foszfatázok (SHIP és PTEN) és a PLCγ vesznek részt. A kék nyilak a foszforilációt, a sárga nyilak a defoszforilációt jelzik.

A PI3-K-enzimcsaládnak három osztálya van, melyek reguláló és katalitikus alegységei eltérnek. Kinázdoménjük a leginkább konzervált szerkezetű. Itt csak az I. osztályba tartozó PI 3-K-kat tárgyaljuk részletesebben. A molekulák a p85 (ill. az γ izoformánál p55) reguláló és a p110 katalitikus alegységből állnak. A p110-nek több izoformája ismert, amelyeket α, β, γ és δ-vel jelölünk; ezekhez csatlakoznak a reguláló alegységek. Ez utóbbiak két SH2-domént tartalmaznak, melyek révén az aktiváló receptor közelében elhelyezkedő, foszforilált tirozintartalmú motívummal (YVMV) rendelkező adapter molekulákhoz kapcsolódnak. Ezek lehetnek transzmembránfehérjék, mint pl. a CD19 a B-sejtekben, vagy adapter, ill. állványfehérjék, pl. a Gab1, és a Gab2 a B és a T-limfocitákban, valamint a hízósejtekben.

A foszfolipáz C által elindított jelpálya

A PLC (Phospho Lipase C) család enzimjei foszfolipid-észter kötések hasítására képesek. Több izoformát azonosítottak, melyek három osztályba sorolhatók: PLCβ, -γ és -δ. Valamennyi PLC rendelkezik PH-doménnel. A G-fehérjékhez kapcsolt receptorok jelátviteli folyamataiban fontos szerepet játszó PLCβ a GTP-kötő fehérjékkel (Gβγ és Gα) reagáló kötőhelyekkel is rendelkezik, ezeken keresztül kapcsolódik a molekula a sejtmembránhoz, a receptor közelében. A PLCγ két SH2 és egy SH3 domént tartalmaz, amelyek részt vesznek a PLCγ más jelátvivő molekulákhoz való kapcsolásában.

A PLC γ aktiválásának első lépése a citoplazmából a sejtmembránba való áthelyeződés. Ebben részt vesz a molekula PH-doménje, de a kötődést az SH2 és SH3 doméneken keresztül az adapter fehérjékkel való kölcsönhatás is stabilizálja. A PLCγ teljes aktivitását tirozinon történő foszforilációját követően nyeri el. A PLCγ szubsztrátja a foszfatidil-inozitol 4, 5 biszfoszfát (Phosphatydil Inositol 4, 5-bisPhosphate – PIP2), amelyből az észterkötés hasításával diacil-glicerolt (DAG) és inozitol-triszfoszfátot (Inosytol tris Phosphate – IP3) hidrolizál. Az előbbi a plazmamembránban marad, míg az utóbbi a citoplazmába kerül, ahol az endoplazmatikus retikulum IP3 receptoraihoz kötődve Ca2+ felszabadulását váltja ki a sejten belüli készletből, ezzel emelve a sejten belüli szabad kalciumionszintet. Ennek hatására kinyílnak a plazmamembrán kalciumcsatornái, ami további Ca2+-beáramlást tesz lehetővé. Ezt követően aktiválódhatnak a kalciumtól függő enzimek (mint például a kalmodulinkináz vagy a kalcineurin-foszfatáz), míg a plazmamembránban maradó DAG a proteinkináz-C (PKC) aktiválódását indítja el. Az aktív PKC számos, a citoplazmában levő szubsztrátot foszforilál. Így részt vesz a Raf-protein szerin/treoninkináz és közvetve az NFκB transzkripciós faktor aktiválásában is.

A MAPK-jelpálya

A mitogénaktivált proteinkinázok (MAPK) aktiválódása egy kinázkaszkád működésének eredményeként jön létre (6.6. ábra). Ezt a kaszkádot a kis molekulatömegű, monomer G-fehérjék családjába tartozó p21 Ras (Rat sarcoma) kapcsolja be.

6.6. ábra. A MAPK-kaszkád. Egymásra épülő, egymást sorozatosan aktiváló kinázokból áll, amelyeket állványfehérjék kapcsolnak össze. A MAP-kináz-kináz-kináz család (MAPKKK) tagjai foszforilálják a MAP-kináz-kinázokat (MAPKK), amelyek aktiválódnak, és foszforilálják a MAP-kinázokat (MAPK). Minden családba számos hasonló szerkezetű és funkciójú enzim tartozik. A MAPK-kaszkád részt vesz a G-fehérjékhez kötött receptorok (GPCR, a), és a tirozinkinázokhoz kapcsolt, valamint tirozinkináz-aktivitással rendelkező receptorok (b) jelpályájában is.

A Ras aktiválása a guanin-nukleotid cserefaktor, inaktiválása a GTPázt serkentő fehérjék által történik. GDP-t kötött állapotban a Ras inaktív. A Son of Sevenless (SOS) elnevezésű cserefaktor kötődik az inaktív Ras-hoz, aminek hatására a fehérje konformációja megváltozik, és a GDP leválik a kötőhelyéről. A Ras-SOS-komplexhez kötődik a GTP, majd újabb konformációváltozás következik, aminek hatására a SOS leválik a Ras-ról, és a GTP-t kötő Ras kölcsönhatásba lép effektormolekulájával, a Raf-kinázzal. Ezután a Ras-hoz kötődő Raf, másnéven a mitogénaktivált protein (MAP) kináz-kináz-kináz (MAPKKK) konformációja megváltozik, lehetővé téve a Raf tirozinon és szerinen történő foszforilációját. Ezáltal a Raf aktiválódik, és foszforilálja a soron következő kinázt, a MAP-kináz-kinázt (MAPKK), vagy más néven MAPK/extracelluláris szignálok által regulált kináz (Erk) kinázt (MEK). A Ras inaktiválását a Ras-GTPáz-aktiváló fehérjék (Ras GTP-ase Activating Protein-Ras-GAP) végzik, melyek hatására a Rashoz kötött GTP átalakul GDP-vé. A MEK kettős aktivitással rendelkezik: treonin- és tirozin-aminosavakat foszforilál a MAP-kinázokban (MAPK).

A MAPK-családba három, funkcionálisan különböző kinázalcsalád tartozik. Az Erk-alcsaládba tartozó molekulák mitogén- és diferenciálódási jeleket közvetítenek, míg a további két csoportba sorolható kinázok a stressz és a gyulladási citokinek által kiváltott válaszban vesznek részt. Idesoroljuk a stresszaktivált proteinkinázokat (Stress Activated Protein Kinases-SAPK) és a Jun-terminális kinázokat (Jun N-terminal kinase – JNK), valamint a p38 MAPK-ot, amely a magas ozmolaritás és a reaktív oxigéngyökök által kiváltott stresszválaszt közvetíti. Az Erk, a SAPK/JNK és a p38 MAPK-útvonal más-más „upstream” kinázokat foglal magába, és más transzkripciós faktorokat aktivál. Az egyes útvonalak között együttműködés („párbeszéd”) állhat fenn. Az aktivált MAP-kinázok dimerizálódva kölcsönhatásba kerülnek a magba való transzlokációt elősegítő fehérjékkel. A sejtmagban ser-pro és thr-pro motívumokkal rendelkező szubsztrátokat foszforilálnak, és korai aktivációs géneket aktiválnak, mint a c-fos, c-jun és c-myc. A MAPK-útvonal szabályozását negatív visszacsatolás útján a kettős specifitású foszfatázok végzik, amelyek az Erk által szabályozott egyik korai gén termékeként íródnak át.

G-fehérjék közreműködésével aktivált jelpályák

A GTP-kötő fehérjékhez kapcsolt receptorok (G-Protein Coupled Receptors – GPCR) szerkezetükben hasonlóak, de rendkívül sokféle ligandumot köthetnek meg. A receptorokra jellemző, hogy a ligandumkötő extracelluláris egységet a sejthártyán hétszer áthaladó transzmembránszakasz, majd az intracelluláris domén követi, amely a trimer G-fehérjékkel kölcsönhatásba lépő részeket és tirozin-foszforilációs helyeket hordoz. Ez utóbbi motívumok a receptor deszenzitizálásában vesznek részt, tehát fontos szabályozó funkciójuk van.

A ligandumok több csoportba sorolhatók: lehetnek biogén aminok, hormonok, peptidek stb. Az immunrendszer receptorai közül G-fehérjék közvetítésével továbbítanak jeleket a kemokinreceptorok – köztük a HIV koreceptora is –, továbbá a C3a és C5a komplementaktiválási termékeket megkötő receptorok. A humán genom kb. 1%-a G-fehérjékhez kötött receptorokat kódol, így ezek működésének felderítése lényeges információkkal szolgálhat számos biológiai folyamat megértéséhez.

A GPCR-hez kapcsolódó trimer G-fehérje három alegységből áll. Az α-alegység kapcsolódik közvetlenül a receptorhoz, és indítja el a sejtaktiválódáshoz vezető reakciót, míg a β-, és az γ-alegység a ligandum kötődését követően kiválik a komplexből, és további jelátvivő molekulákkal lép kölcsönhatásba. Az α-alegységek 20 családba sorolhatók, melyek között stimuláló és gátló funkcióval rendelkezőt egyaránt találhatunk. A GPCR jelátadásának kezdeti lépései a következőek:

1. A ligandum kötődését követően megváltozik a receptor intracelluláris doménjének konformációja, ennek következtében a trimer G-fehérje α-alegysége inaktív formájának megkötésére válik alkalmassá.

2. Ezután az α fehérje konformációja is megváltozik, elengedi a GDP-t, ami kicserélődik GTP-re.

3. Ez további konformációváltozást idéz elő, amelynek hatására a két kisebb alegység (β és γ) leválik az α alegységről és más, a jelátvitelt szabályozó molekulákkal lép kölcsönhatásba.

4. A GTP-t kötő α-alegység a plazmamembránban levő enzimekhez kötődik és aktiválja azokat. Az egyik enzim az adenil cikláz, melynek hatására az adenozin monofoszfátból (AMP)-ből ciklikus AMP (cAMP) keletkezik. Ennek kötődése a cAMP-től függő kinázokhoz (pl. protein kináz A (PKA) konformációváltozást idéz elő, és aktiválja a kinázt, amely azután számos szubsztrátfehérjét foszforilál (6.7. ábra).

6.7. ábra. G-fehérjékhez kötött receptorok (GPCR) és receptor-tirozinkinázok (RTK) jelátviteli folyamatainak összekapcsolódása. A GPCR-útvonal aktiválása a trimer G-fehérje α-alegységének aktiválásán keresztül effektorenzimek (adenilát-cikláz, PLCβ) aktiválásához vezet, aminek eredményeként ciklikus AMP (cAMP) és Ca2+ szabadul fel. Az aktivált kinázok ATP felhasználásával számos szubsztrátfehérjét foszforilálhatnak, ami végül a sejtválasz kialakulásához vezet. A másik, RTK által vezérelt útvonalon az aktivált/foszforilált receptor-tirozinkinázok adapter fehérjékhez kapcsolódva a kis GTPáz aktiváló fehérjét (p21 Ras) aktiválják, ami a MAPK-kaszkád működését indítja el. A GPCR és az RTK által aktivált jelpályák a szubsztrátok foszforilációja szintjén kapcsolódhatnak össze. A szaggatott vonal egy további lehetséges kapcsolódást jelöl.

A GTP-t kötő α-alegység kötődik a PLCβ-hoz is, és ezen keresztül egy további jelpálya indul el. A PLCβ a plazmamembrán foszfoinozitid 4, 5-biszfoszfátjából DAG-ot és IP3-at hasít. Az előbbi a sejtmembránban dokkoló helyül szolgál a PKC számára, míg az utóbbi az endoplazmatikus retikulumban levő receptorához kötődve Ca2+-t szabadít fel, és így a Ca2+- függő enzimek aktiválását indítja el, mint pl. a kalmodulin-kináz és a kalcineurin-foszfatáz (6.8. ábra).

6.8. ábra. A G-fehérjéhez kötött receptorok által közvetített jelpálya aktiválása. A trimer G-fehérjékhez kötött receptor konformációja a ligandum kötődését követően megváltozik, ami a Gα-alegységhez való kötődést teszi lehetővé. Ez a Gα konformációjának megváltozását idézi elő, aminek következtében az GTP kötésre alkalmassá válik, továbbá kiváltja a két kis alegység (β és γ) leválását. Az aktivált Gα-fehérje aktiválja a PLCβ-t, ami a PI (4, 5) P hidrolíziséhez és az IP3 felszabadulásához vezet. A membránban maradt diacilglicerol és a Ca2+ együtt a PKC-t aktiválja. Az aktivált adenilátcikláz cAMP-felszabadulást indukál, ami a PKA-t aktiválja.

A PKC közvetítésével aktiválódik egyebek között a NFkB transzkripciós faktor is, amely bejut a sejtmagba, és a DNS megfelelő kötőhelyéhez (response element) kötődve elindítja a korai aktivációs gének átírását. A GTP hidrolízise után a Gα-fehérje visszaalakul a kezdeti GDP-kötött, inaktív állapotába, majd újra kialakul a trimer G-fehérje.

A kis G-fehérjék 20kDa körüli molekulatömegű monomerek. Ezek a „molekuláris kapcsolók”, amelyeknek GDP-kötött formája inaktív, de GTP-kötött formája aktív, többek között a Ras–MAPK útvonal beindításáért (Ras) vagy a citoszkeletális elemek (Rho) átrendeződéséért felelősek. Szabályozásukat a guaninnukleotid-cserefaktorok, illetve a GTPáz-aktiváló proteinek (GAP) végzik.