Cell signaling III

Question 1

Hvordan er enzym-koblede reseptorer bygd opp?

Answer 1

De er transmembranproteiner med det ligand-bindende domenet på den ytre overflaten av plasmamembranen. Istedenfor å ha et cytosolsk domene som assosierer med et heterotrimerisk G protein, har det cytosolske domenet enten iboende enzymaktivitet, eller så assosierer det direkte med et enzym.

Question 2

Hvordan aktiverer binding av en ekstracellulært ligand kinasedomenet på andre siden av plasmamembranen?

Answer 2

For en GPCR,kan ligandbinding tenkes å endre den relative orienteringen av flere av de transmembrane a-heliksene, og dermed endre posisjonen av de cytoplasmiske loops relativt til hver andre. Det er usannsynlig at en konformasjonell endring kan forplante seg over lipidlaget gjennom en enkel transmembran a-heliks. Istedenfor er aktiveringen av RTK avhengig av ligand-stimulerte endringer i interaksjonen mellom to reseptorer, noe som bringer de to cytoplasmiske kinase-domenene sammen, og dermed fremmes deres aktivering.

Question 3

Hvilken effekt har fosforyleringen av ytterligere seter på den cytosolske delen av RTKs (receptor tyrosine kinases)?

Answer 3

Fosforyleringen lager docking-seter med høy affinitet for spesifikke intracellulære signaliseringsproteiner. Hvert signalprotein binder seg til et bestemt fosfotyrosin-bindingsdomene som gjenkjenner omkringliggende egenskaper ved polypeptidkjeden i tillegg til fosfotyrosinet.
Når signaliseringsproteinet er bundet til det aktiverte RTK, kan det blir fosforylert på tyrosiner og dermed aktivert. Men i de fleste tilfeller er bindingen i seg selv nok til aktivering, enten ved å indusere en konformasjonell endring eller ved å bringe det nærme det neste proteinet i signaliseringsveien.

Question 4

Hva er et felles domene for de aller fleste intracellulære signalproteinene som interagerer med RTK?

Answer 4

Et SH2-domene - evt PTB-domene - som er et svært konservert fosfotyrosin-bindingsdomene. Ved å gjnkjenne spesifikke fosforylerte tyrosiner, muliggjør disse små interaksjonsdomenene at proteinene som inneholder dem kan binde seg til aktiverte RTKs.
Mange signaliseringsproteiner inneholder også andre interaksjonsdomener som tillater dem å interagere spesifikt med andre proteiner som en del av signaliseringsprosessen. Disse domenene inkluderer SH3-domenet.

Question 5

Hvilke funksjoner kan proteinene som binder seg til aktiverte RTKs ha?

Answer 5

De fleste bidrar til å sende signalet videre. Men noen fungerer ved å dempe signaliseringsprosessen, og gir negativ feedback. Et eksempel er c-Cbl proteinet som kan ankre seg på noen aktiverte reseptorer og katalysere ubiquitylation - kovalent binding av et eller flere ubiquitin-molekyler til spesifikke seter på reseptoren. Dette fremmer endocytose og degradering av reseptorene i lysosomer.

Question 6

Hvilke to familier er det som videresender signaler fra reseptorer på celleoverflaten?

Answer 6

Ras-familien og Rho-familien.

Question 7

Hvor finnes Ras?

Answer 7

Ras inneholder et eller flere kovalent bundede lipid-grupper som ankrer proteinet på den cytoplasmiske overflaten av plasmamembranen

Question 8

Hva er en av funksjonene til Ras?

Answer 8

Ras er ofte påkrevd når RTKs signaliserer til kjernen om å stimulere cell proliferation eller cell differentiation, hvorav begge krever endringer i genekspresjon.

Question 9

Hvilke to tilstander sirkulerer Ras mellom?

Answer 9

Ras er aktiv når det er bundet til GTP, og inaktiv når GDP er bundet.
To klasser av signaliseringsproteiner regulerer Ras-aktivitet ved å påvirke overgangen mellom aktiv og inaktiv tilstand. Ras guanine nucleotide exchange factor (Ras GEFs) stimulerer dissosieringen av GDP og den etterfølgende bindingen av GTP fra cytosol, og aktiverer dermed Ras. Ras GTPase-activating proteins (Ras GAPs) øker hastigheten for hydrolyse av bundet GTP, og inaktiverer dermed Ras.

Question 10

Hvorfor fremmer noen Ras kreft?

Answer 10

Fordi noen hyperaktive mutantformer av Ras er resistente mot Ras GAPs, og de er derfor låst i den GTP-bundne aktive tilstanden. Det er derfor de fremmer utvikling av kreft.

Question 11

Hvordan aktiverer RTKs vanligvis Ras?

Answer 11

De kan enter aktivere en Ras GEF eller inhibere en Ras GAP. Selvom noen GAPs binder seg direkte (gjennom SH2 domenet) til den aktiverte RTK, er det den indirekte koblingen av den aktiverte reseptoren til en Ras GEF som driver Ras inn i den aktive tilstanden. Tap av funksjon hos en Ras GEF har liknende effekt som tap av effekt hos Ras i seg selv.

Question 12

Hva er en MAP kinase module?

Answer 12

En MAP kinase module (mitogen-activaed protein kinase domain) brukes for å omdanne de kortlevde signalhendelsene (tyrosin-fosforylering og aktivering av Ras) til langlevde hendelser.
De tre komponentene i modulen er alle protein kinaser, som i hovedsak fosforylerer serin og treonin. Den siste kinasen i rekken kalles en MAP kinase (Erk). Den oppstrøms kalles en MAP kinase kinase (Mek), og den neste kalles en MAP kinase kinase kinase (Raf). Det er MAPKKK som mottar signalet direkte fra Ras.
Når MAPK er aktivert, sender det signalet videre ved å fosforylere ulike proteiner i cellen.

Question 13

Hva er en måte for negativ regulering av MAP kinase?

Answer 13

MAPK aktiverer en negativ feedback loop ved å øke konsentrasjonen av en protein fosfatase som fjerner fosfat fra MAPK. Økningen i fosfatase resulterer fra både en økning i transkripsjon av fosfatase-genet og fra stabiliseringen av fosfataseproteinet mot degradering.

Question 14

Hva regulerer Rho-familien?

Answer 14

De regulerer både aktin- og mikrotubuli-cytoskjeletter, kontrollerer celleform, polaritet, motilitet, og adhesion; de regulerer også cell-cycle progression, gentranskripsjon og membrantransport.

Question 15

Hvordan kan signalisering gjennom PI 3-kinase fremme cellevekst og -overlevelse?

Answer 15

Medlemmer av insulin-like growth factor (IGF) familien av signalproteiner stimulerer mange typer av dyreceller til å vokse og overleve. Slik som insulin, binder de seg til spesifikke RTKs som aktiverer PI 3-kinase for å produsere PIP3. PIP3 rekrutterer to protein kinaser til plasmamembranen via PH-domenene, Akt og PDK1, og dette fører til aktiveringen av Akt. Når Akt er aktivert, fosforylerer det ulike målproteiner i plasmamembrane, og i cytosol og i kjernen. Effekten på de fleste kjente målene er å inaktivere dem, men målene er slik at disse handlingene til Akt alle konspirerer for å forbedre celleoverlevelse og -vekst.

Question 16

Hvilken funksjon har protein kinasen TOR?

Answer 16

Kontrollen av cellevekst gjennom PI-3-kinase-Akt-veien avhenger delvis av en protein kinase kalt TOR. I pattedyrsceller kalles den for mTOR og eksisterer i celler i to funksjonelt ulike multiprotein komplekser. mTOR complex 1 (mTORC1) inneholder proteinet raptor; dette komplekset er sensitivt for rapamycin og stimulerer cellevekst. mTOR complex 2 (mTORC2) inneholder proteinet rictor og er ikke sensitivt overfor rapamycin; det bidrar til å fremme celleoverlevelse ved å aktivere Akt, og det bidrar også til å regulere actin-cytoskjelettet.

Question 17

Hvordan fungerer JAK-STAT signaliseringsveien?

Answer 17

Cytokine-reseptorer er dimere eller trimere og er stabilt assosiert med en eller to av de fire kjente JAKs. Cytokine-binding endrer arrangementet slik at to JAKs blir bragt sammen slik at de fosforylerer hverandre, og dermed øker aktiviteten til tyrosin-kinase domenene. JAKs fosforylerer deretter tyrosiner på den cytoplasmiske halen av cytokine-reseptorer, og lager fosoftyrosin docking-seter for STATs. (Noen adaptor-proteiner kan også binde seg til disse setene og koble cytokine-reseptorer til Ras-MAP-kinase veien).
Det er minst seks STATs i pattedyr. Hver har et SH2-domene som utfører to funksjoner. Først, det formidler bindingen av STAT-proteinet til et fosfotyrosin docking-sete på en aktivert cytokine-reseptor. Når den er bundet, vil JAKs fosforylere STAT på tyrosinene, noe som får STAT til å dissosiere fra reseptoren. For det andre, SH2-domenet på den frigjorte STAT vil nå formidle sin binding til en fosfotyrosin på et annet STAT molekyl, og enten danne en STAT-homodimer eller en heterodimer. STAT-dimeren vil translokere til kjernen hvor den, i kombinasjon med andre transkripsjonsregulatorer, binder seg til en spesifikk cis-regulatorisk sekvens i ulike gener og stimulerer transkripsjon.

Question 18

Hvordan kan JAK-STAT bli regulert?

Answer 18

STAT-dimeren kan aktivere gener som koder for inhiberende proteiner som bidrar til å stenge av responsen.
Noen av disse proteinene binder seg til og inaktiverer fosforylerte JAKs og de assosierte fosforylerte reseptorene, mens andre binder seg til fosforylerte STAT-dimere og forhindrer dem fra å binde seg til DNA-målet.

Question 19

Hvilke funksjoner har transforming growth factor-B (TGFB) superfamilien?

Answer 19

Superfamilien består av et stort antall av strukturelt relaterte, sekreterte, dimeriske proteiner. De fungerer enten som hormoner, eller som lokale mediatorer for å regulerer et bredt utvalg av biologiske funksjoner i alle dyr. Under utvikling, regulerer de mønsterdannelse og påvirker ulike celleatferder, inkludert proliferation, spesifisering, og differensiering, produksjon av ekstracellulær matriks, og celledød. Hos voksne er de involvert i vevsreparasjon og i immunregulering, i tillegg til mange andre prosesser.

Question 20

Hvordan blir SMAD-veien regulert?

Answer 20

Negativ feedback regulerer SMAD. Blant målgenene som blir aktivert av Smad-komplekset er de som koder for inhiberende Smads, enten Smad6 eller Smad7. Smad7 binder seg til den cytosolske halen av den aktiverte reseptoren og inhiberer dens signaliseringsevne på minst tre måter:
1) den konkurrerer med R-Smads for bindingssetet på reseptore, og senker R-Smad fosforylering
2) den rekrutterer en ubiquitin ligase kalt Smurf, som ubiquitylerer reseptoren, noe somfører til reseptor-internalisering og degradering
3) den rekrutterer en protein-fosfatase som defosforylerer og inaktiverer reseptoren.

Question 21

Hva er lateral inhibition?

Answer 21

Når en forløper-celle forplikter seg til å bli en nervecelle, signaliserer den til sine umiddelbare naboer om å ikke gjøre det samme. De inhiberte cellene utvikler seg til å bli epidermal-celler istedenfor. Prosessen er avhengig av en kontakt-avhengig signaliseringsmekanisme som blir aktivert av et signalprotein kalt Delta, som finnes på overflaten av den fremtidige nervecellen. Ved å binde til sin reseptor - Notch-proteinet - på en nabocelle, vil Delta signalisere til nabocellen at den ikke skal bli neural.
Når denne prosessen ikke fungerer, vil et stort antall nerveceller bli produsert på bekostning av epidermale celler.

Question 22

Hva er et Notch-protein?

Answer 22

Et Notch-protein er en single-pass transmembrane protein som krever proteolytisk kløyving for å fungere. Det fungerer som en latent transkripsjonsregulator og gir den enkleste og mest direkte signaliseringsveien som er kjent fra en celle-overflate reseptor til kjernen.

Question 23

Hvordan fungerer et Notch-protein?

Answer 23

Når Notch-proteinet blir aktivert ved binding av Delta på en annen celle, vil en plasmamembran-bundet protease kløyve av den cytoplasmiske halen til Notch, og den frigjorte halen translokerer inn i kjernen for å aktivere transkripsjonen av et sett av Notch-respons gener. Notch-halefragmentene fungerer ved å binde seg til et DNA-bindende protein, og omdanne det fra en transkripsjonsrepressor og til en transkripsjonsaktivator.

Question 24

Hva er Wnt proteiner?

Answer 24

Det er sekreterte signalproteiner som kontrollerer ulike aspekter av utvikling hos dyr.
De er uvanlige ekstracellulære signaliseringsproteiner i den form at de er kovalent bundet til en fettsyre-kjede etter syntesen deres i ER. De er derfor hydrofobe molekyler som virker å assosiere med cellemembranen og ikke diffundere raskt i det ekstracellulære miljøet. De er tenkt å primært fungere som lokale (parakrine) signaliseringsmolekyler.

Question 25

Hva er B-catenin?

Answer 25

B-catenin er et eksempel på et signaliseringsmolekyl som har to svært ulike funksjoner i samme celle. En del av cellens B-catenin er lokalisert ved cell-cell junctions og bidrar dermed til kontrollen av cell-cell adhesion.
Cytoplasmisk B-catenin blir raskt degradert i ustimulerte celler, men blir stabilisert av Wnt-signalisering.

Question 26

Hvordan regulerer Wnt proteiner B-catenin proteolyse?

Answer 26

Wnt proteinene regulerer proteolysen ved å interagere med to celleoverflate ko-reseptorer, Frizzled og LDL-receptor-related protein (LRP). Frizzled er et transmembranprotein som ligner på GPCRs i struktur, men som generelt ikke jobber gjennom aktiveringen av G proteiner. Frizzled inneholder et ekstracellulært domene som binder med høy affinitet til Wnt; dette lipidet er derfor påkrevd for Wnt-signalisering.

Question 27

Hvodan foregår Hedgehog-signalisering?

Answer 27

Signaliseringen begynner med at celleoverflate-reseptoren Patched - som bruker en kronglete mekanisme for å aktivere en gruppe transkripsjonsregulatorer kalt Gli proteiner - øker ekspresjonen av gener som driver endringer i målcellens proliferasjon eller utviklingsskjebne. I fravær av Hedgehog, vil det uokkuperte Patched proteinet være i ciliary-membranen og inhibere aktiviteten til et annet transmembranprotein kalt Smoothened, som er lokalisert utenfor cilium. Smoothened er et GPCR-lignende protein som ligner Wnt reseptoren Frizzled; det har et eksternalt domene som fungerer som et lipidbindende aktiveringsdomene, og dens aktivering krever binding av dette domenet til kolesterol i cellemembranen. Patched er et stort transmembranprotein som transporterer kolesterol ut av membranen. Det har blitt foreslått av Patched inhiberer Smoothened ved å redusere mengden av kolesterol i ciliary-membranen, og Hedhehog inhiberer Patched ved å blokkere dens transportkanal for kolesterol.

Question 28

I celler som mangler Hedgehog-signalet, hvordan blir ekspresjon av Hegdehog-responsive gener blokkert?

Answer 28

1) Et inhiberende protein kalt SuFu holder Gli transkripsjonsregulatoren i en inaktiv tilstand inne i cilium.
2) Et medlem av familien, Gli3, blir proteolytisk prosessert for å danne et mindre fragment som fungerer som en transkripsjonsrepressor, noe som bidrar til å “silence” Hedgehog-responsive gener. Denne prosesseringen av Gli3 avhenger av en signaliseringsvei som begynner med en GPCR kalt Gpr161 som stimulerer adenylyl cyclase til å produsere cAMP; cAMP stimulerer PKA, som fosforylerer Gli3 til å fremme sin delvise prosessering til en transkripsjonsrepressor.

Question 29

Hva har steriodhormoner, thyroidhormoner, retinoider og vitamin D til felles?

Answer 29

De er små, hydrofobe signalmolekyler som diffunderer direkte over plasmamembranen til målceller og binder seg til intracellulære reseptorer som er transkripsjonsregulatorer.
De fungerer via en felles mekanisme; de binder seg til sine respektive intracellulære reseptorproteiner og endrer proteinenes evne til å kontrollere transkripsjon av spesifikke gener. Dermed fungerer disse proteinene både som intracellulære reseptorer og som intracellulære effektorer for signalet.
De er en del av den veldig store “nuclear receptor superfamily”.

Question 30

Hva er et steriodhormon?

Answer 30

Det er hormoner laget fra kolesterol, og inkluderer kortisol, steroid sex hormones, vitamin D, og ecdysone (hos insekter).
De er svært uløselige i vann, men de gjøres løselige for transport i blodet og andre ekstracellulære væsker ved å binde seg til spesifikke bærerproteiner, som de dissosierer fra før de går inn i målcellen.

Question 31

Hva styrer vår daglige syklus?

Answer 31

Vår daglige syklus av soving og våkenhet, kroppstemperatur, og frigjøring av hormoner blir kontrollert av en klokke som fungerer i hvert medlem av en spesialisert gruppe av hjerneceller i suprachiasmatic nucleus (SCN) av hypothalamus.
I kroppen vil SCN cellene motta nevrale signaler fra retina, som medvriker til SCN cellenes daglige syklus av lys og mørke. SCN celler sender informasjon om tid på dagen til andre hjerneområder, i tillegg til pineal gland, som videresender tidssignalet til resten av kroppen ved å frigjøre hormonet melatonin i samsvar med klokken.

Question 32

Hva er et nøkkelprinsipp ved døgnklokker?

Answer 32

De er avhengige av negative feedback looper. Hjertet av døgnklokken er en forsinket negative feedback loop basert på transkripsjonsregulatorer: akkumulering av visse genprodukter vil skru av transkripsjonen av sine egne gener, med med en forsinkelse, slik at cellene svinger mellom en tilstand hvor produktene er tilstede og transkripsjonen er skrudd av, og en tilstand hvor produktene er fraværende og transkripsjonen er skrudd på.
Men den negative feedback loopen er ikke alltid basert på transkripsjonsfaktorer. I noen celletyper, er døgnklokken konstruert av proteiner som styrer sin egen aktivitet gjennom port-translasjonelle mekanismer.

Question 33

Hvordan fungerer Kai-proteinene i døgnklokken hos en fotosyntetisk cyanobakterie?

Answer 33

KaiC er et multifunksjonelt enzym som katalyserer sin egen fosforylering og defosforylering i en 24-timers syklus: den fosforylerer seg selv gradvis vekselsvis på to steder under dagen, og defosforylerer seg selv om natta. timingen er avhengig av interaksjon med de to andre Kai proteinene: KaiA binder seg til ufosforylert KaiC om morgenen og stimulerer KaiC autofosforylering, først på en side og deretter, med en lang forsinkelse, på neste side. Om natten vil den andre fosforyleringen fremme den gradvise bindingen av KaiB, som blokkerer den stimulerende effekten av KaiA og tillater dermed KaiC å defosforylere seg selv, noe som sakte bringer KaiC tilbake til sin defosforylerte tilstand om natten.
Denne klokken er avhengig av en negativ feedback loop: KaiC driver som egen fosforylering helt til, etter en forsinkelse, den rekrutterer en inhibitor, KaiB, som stimulerer KaiC til å defosforylere seg selv.

Question 34

I grove trekk, hvordan fungerer NFkB signalisering?

Answer 34

NFkB proteiner blir holdt i en iaktiv tilstand i cytoplasma av inhiberende IkB-proteiner. Et utvalg av ekstracellulære stimuli, inkludert proinflammatorisk cytokines, trigger degradering av IkB, noe som tillater at NFkB kan translokalisere til kjernen og aktivere transkripsjon av sine målgener.