HÜCRE SİNYALİZASYONU Prof.Dr.Gönül kanıgür-Sultuybek Prof.Dr.Selma Yılmazer

Çok hücreli organizmalarda hücreler arası bilgi ve iletişim çok sayıda farklı molekülle sağlanmaktadır.Bu moleküller Sinyal molekülleri(ligand) olarak adlandırılır.

Tek hücreli organizmalarda çevrelerinden sinyal alırlar ve sinyale yanıt verirler. Örn;bakteriler Çok hücreli, organizmalarda hücrelerin entegre ve koordine çalışması sinyal molekülleri sayesindedir

Sinyal molekülleri(ligand) uyarı oluşturmak isteyen hücre tarafından sentezlenir ve salgılanır. Salgılanan bu ligand hedef hücre zarında,sitoplazmasında yada nükleusunda yer alan reseptör adı verilen glikoproteine bağlanarak hücresel cevaba yol açar.Reseptörler membrane reseptörleri ve intrasellüler reseptörler olarak ikiye ayrılır.

Membran reseptörler membrane Glikoprotein Intrasellular receptors sitozol veya nükleusda DNAya bağlanan protein

protein & peptidler: Hormonlar,sitokinler AA & türevleri: Gly, Glu, adrenaline, tiroksine Steroid: Sex Hormone, glucocorticosteroid yağ asidi ve türevleri: prostaglandin Sinyalleyici (ekstrasellüler )moleküller

Sinyalleyici( İntrasellüler) moleküller Ca 2+ iyonlar DG, ceramide lipid türevleri IP 3 karbohidrat türevleri cAMP cGMP nükleotidler Ras, JAK, Raf proteinler

. HormonunReseptörüne bağlanma özellikleri yüksek spesifiklik yüksek affinite Doyum Reversible bağlanma spesifik fonksiyon

(1)Ligandın tanınması (2)Liganda bağlanma (3) Signal transdüksiyon biological etki Reseptor fonksiyonu

Sinyalin alınması Ekstraselüler sinyal molekülleri hedef hücrelerin yüzeyindeki veya içindeki özel reseptörler tarafından tanınır.

I. HÜCRE SİNYALİZASYONU 1. Hücre sinyalizasyonundaki aşamalar (1).sinyalleyici molekülün sentezi. (2sinyalleyici molekülün salgılanması (3).sinyalleyici molekülün hedef hücreye transportu (4) Sinyalleyici molekülün re septörü tarafından tanınması (5).intrasellüler sinyal oluşumu Gen ekspresyon ve hücre metabolismasındadegişiklikler (6).hücresel cevabın sonlanması Hücre (1) (2) (3) (4) Büyüme, farklılaşma, apoptosis gibi (6)

Sinyalizasyon sonucu -hücre metabolizması -hücre hareketi -hücre çoğalması -hücre sağkalımı -hücre faklılaşması -hücre apoptozu gibi hücre davranışını düzenleyen bir seri hücre reaksiyonu oluşur

Salgılanan moleküllerle sinyal iletim şekilleri: A-Parakrin etkileri kısa sürelidir. B-Sinaptik etkileri kısa sürelidir. C-Endokrin etkileri uzun sürelidir. D-Otokrin

Bazı sinyal molekülleri sinyalleri uzun mesafelere taşırken bazıları komşu hücreler arasında bilgi iletirler. Ekstrasellüler sinyaller olarak ifade edilen bu sinyaller etkileyeceği hedef hücrenin uzaklığına bağlı olarak 4 farklı uyarı mekanizması gösterirler.

Parakrin sinyal Sinyal molekül [lokal ] bölgesel aracılar olarak rol oynar. Komşu [yakınındaki hüc] davranışını düzenler.örneğin pancreas da –Glukagon; somatostatin insülin salgılayan hücreler üzerine etki eder.

Nöronal (Sinaptik) Sinyal Nöron hücre [sinir ] tarafından oluşan sinyalleri verilebilir.asetilkolin,noradrenalin.Nöron hücre [sinir ] tarafından oluşan sinyalleri verilebilir.asetilkolin,noradrenalin. Nöronlar uzun aksonları ile uzaktaki hedef hüc.ler ile temas kurarlar. Çevreden yada diğer nöronlardan gelen sinyaller nöron aksonu boyunca elektrik impulsları şeklinde iletilir. Bu impuls nörotransmitterlerin salgılanmasını sağlar.Nöronlar uzun aksonları ile uzaktaki hedef hüc.ler ile temas kurarlar. Çevreden yada diğer nöronlardan gelen sinyaller nöron aksonu boyunca elektrik impulsları şeklinde iletilir. Bu impuls nörotransmitterlerin salgılanmasını sağlar.

Endokrin sinyal Endokrin hücreler hormon sinyal mol. Kan damarı içine salgılar. Hormon kan dolaşım yoluyla transport edilir. Farklı hedef hücrelere ulaşan hormon reseptörü ile etkileşerek sinyali hücre içine iletir. Örnek; –Estradiol,insülin,thyroxin,adrenalin

Sinyalleyici molekül olarak gazlar (NO,CO) Etkileri kısa sürelidir.NO sinir sistemi bağışıklık sistemi ve dolaşım sistemi için önemli bir sinyal molekülüdür.steroidler gibi NO,CO de Hedef hüc plasma zarından difüzyon yoluyla içeri girer.NO hücre içi hedef enzimlerin aktivitesini değiştirir.yar.ömrü birkaç saniye.komşu hüc.bölgesel olarak etkiler..

Otokrin sinyal Hücrelerin kendisi tarafından oluşturulur diger bir deyişle hücreler kendi kendilerine sinyal gönderirler İmmün Sistem Hücrelerinde –Büyüme faktörleri,interlökinler gibi moleküller, –Hücre farklılaşması ve çogalması için tetik mekanizmasıdır. Ayrıca gelişme esnasında hücre farklılaşmasında otokrin sinyaller kritik rol oynar. –Otokrin sinyalindeki anormallik ise kanser hücrelerinin çogalmasına neden olur.

Kanser:sağ kalımı kontrol eden sinyal yolaklarından birisinin bozulması sonucu ortaya çıkar.

Kanser hücrelerinin büyüme faktörlerine gereksinim duymamalarının nedeni hücre içi sinyal sistemlerinde gerçekleşen bozukluklardır. Hücre çoğalmasını sağlayan sinyal yollarında görev yapan büyüme faktörü reseptörlerinin ya da başka proteinlerin kontrolsüz aktivitesinden kaynaklanır.

 Erişkinde otokrin sinyalleşme; Eicosanoid - yağ asidi türevleri - Arachidonic asitden yapılır - Erişkin memelilerde otokrin sinyal molekülleri Otokrin sinyal molekülleri (prostoglandinler, prostacyclin, tromboxan,lökotrien)

Eicosanoidlerin çeşitli biyolojik aktiviteleri Düz kas kontraksiyonunu etkileme (uterus kasında doğum sırasında- prostoglandin) Trombosit agregasyonunu etkileme Ağrı, ateş İltihabi reaksiyon Doku hasarı  eicosanoid sentezi (siklooksigenaz, lipoksigenaz)

Kontakt etkileşim Embryo gelişimi,erişkin dokuların devamlılığının sağlanmasında çok önemlidir.

Direkt hücre-hücre sinyal iletimi Bir hücre komşu hücre ile doğrudan etkileşime girer., hücre-hücre Hücre –hücre matriks etkileşimi sağlıyan mol. Hücre davranışını kontrol eder.örn;integrinler kaderinler sadece adesyon mol.degil hücre sagkalımını vede poliferasyonu sağlıyan sinyal mol olarakta işlev görür.

Sinyalleyici Moleküller

Gap junctionlar ile iletişim Sinyalin komşu hücreler arasında ortaklaşa kullanımı Küçük intraselüler sinyal molekülleri (intraselüler mediatörler) Ca +2 siklik AMP

Sinyal moleküllerinin oluşturduğu cevaplar

HORMONLAR VE ETKİ MEKANİZMALARI

Bütün biyolojik,dolaşımdaki faktörler tarafından kontrol altında tutulur. Hücre sinyalizasyonuna neden olan bu maddeler hayvanlarda hormonlardır. Hormonlar büyüme gelişme ve her iki durumda da hücreler üzerine etkindir.

Hormonların bazıları münferit genler veya çok sayıda gen topluluğu üzerinde direkt etki gösterirken (steroidler), Bazıları (protein hormonlar) ise enzimlerin aktivitelerini (fosforilasyon,defosforilasyon) etkileyerek Hücresel cevap oluştururlar

Steroid hormonların etki mekanizması Gonadlar ve adrenal bezlerden salgılanan steroid hormonların en önemli sınıfını androjenler,östrojenler,progestinler,glikoko rtikoidler,mineralokortikoidler oluşur. Pasif difüzyonla hücreye giren steroidler,spesifik reseptörleri aracılığıyla,hedef hücrelerde hedef genlerin transkripsiyonunu düzenlerler,etkileri nükleerdir.

Farklı genlerin aktivasyonuyla farklı steroidlerin farklı etkileri ortaya çıkar Örn;gonadal steroidler(androjen,progesteron,östrojen) reprodüktif dokularda seksüel karakterler üzerinde etkinliğe sahipken,büyümenin düzenlenmesiyle de ilişkilidir.

Adrenal steroidler metabolizmanın ve,elektrolit hemoztazının kontrolünde metabolik düzenleyiciler olarak işlev görür.

Steroid hormon reseptörlerinin hücrede yerleşimi steroid hormon reseptörleri sentezlendikten sonra sitozolde kalır reseptörler A,B,C,D,E domain’ den oluşur.. heat-shock(Şaporon) proteinleri (Hsp90, Hsp70 ve diğerleri) ile C-terminal uçta bulunan D/E domainleri aracılığıyla etkileşir.

Ligandın reseptörüne bağlanması takiben heat shok proteinlerden reseptörün ayrılmasına neden olur.hormon –Reseptör kompleksinin,dimerizasyonu gerçekleşir.hormon-reseptör dimerlerinin, nukleusa transportu, nuklear por kompleksinden gerçekleşmesi,reseptörün nuklear lokalizasyon sinyali olarak iş gören D domain’indeki temel (lizin-arginin) kalıntılara (rezidue) bağlıdır.

1.Steroid taşıyıcı proteinle hücreye gelir ve taşıyıcı proteinden ayrılır. 2.steroid hormon taşıyıcı proteinden ayrılır ve diffzüyon ile hücre içine geçer. 3.Steroid hormonlar (Testosteron, Progesteron, Östrogen) Hsp ile bağlı olan sitoplazmik proteine bağlanır. 4.Hsp ayrılır ve hormon-reseptör kompleksi oluşur yani reseptör aktifleşir, dimerleşir. 5.aktif sitoplazmik reseptör aktif transportal nükleusa girer, DNA üzerindeki HRE dizilerine homodimer olarak bağlanır. 6. DNA mRNA ya transkripsiyonu olur. 7.mRNA nükleusdan ayrılıe ve sitoplazmik ribozomlarda proteine translasyonu olur. 8.yeni sentezlenen proteinler biyolojik cevabı oluşturur.

örnegin; Östrojen plazma zarından direkt difüzyon ile geçer ve çekirdekteki reseptörüne bağlanır. Hormon olmadığında, östrojen reseptörü Hsp90’a bağlanır. Östrojenin bağlanması ile reseptör Hsp90’dan ayrılır ve reseptör dimerleri oluşur. Dimerler DNA’ya bağlanır, histon asetiltransferaz (HAT) ve koaktivatörler ile etkileşime girer ve hedef genlerin transkripsiyonunu uyarır.

KOREGÜLATÖRLER Nükleer reseptörlerin hormonla bağlanması ilişkili genin mRNA transkripsiyonun stimüle eden veya inhibe eden farlı proteinleri etkiler. Bunlara transkripsiyon coregülatörleri denir. Bu coregulatörler genlerin transkripsiyonunu aktive ederlerse coaktivatör, inhibe ederse cosupresor denir. Bu coregulatörler fonksiyonlarını diğer koregültör proteinleri bağlayıp işlevlerini kuvvetlendirerek veya kromatini dolayısıyla DNAyı etkileyerek transkripsiyonu ya kolaylaştırır veya zorlaştırırlar.

Koaktivatörler Reseptörün agonist liganda(östrogen,testesteron gibi) bağlı olduğu durumdaki konformasyonu koaktivatör adı verilen bazı proteinlerle kompleks yapmasını sağlar. Koaktivatörlerin intrensek bir histon asetil transferaz(HAT) aktivitesi vardır ve bu yolla kromatin yapısındaki histonların asetillenmesi, DNA ile histonlar arasındaki iyonik etkileşimi bozarak kompakt kromatin yapısının gevşeyip çözülmesine sebep olmaktadır. Bu yapı, RNA polimeraz II’nin DNA’ya sıkıca yerleşip transkripsiyonu başlatmasına olanak vermektedir HAT transkripsiyonel aktivitesi olan histon proteinlerindeki lizin AA’ne CoAdan asetil grup ekler.

Kosupresörler Reseptöre antagonist bir ligand (glıkokortikoid, progestron) bağlı olduğunda (bazı reseptörler için herhangi bir ligand bağlı olmadığı durumda bile) ise kosupresör adı verilen proteinler reseptörle kompleks yapar. Bu kompleksin içinde histon deasetilaz (HDAC)enzimleri de bulunur. Yani DNA ile histonların ilişkisini attırarak transkripsiyonu supresse ederler. Histon deasetilazların etkisi ile asetil grupları uzaklaştırılan histonlar tekrar pozitif yüklerini kazanır ve DNA ile sıkı etkileşime girerler. Böylece kromatin kompakt hale gelir ve transkripsiyon önlenmiş olur.

Protein hormonlar

Receptörler –İntrasellüler –hidrofobik(llipofilik)ligandlara baglananlar °Nükleer hormon reseptörleri °Guanylate siklaz(nitrikoksid receptor) Hücre yüzey –hidrofilik ligandlara baglananlar °Enzimatik ve enzime baglı reseptörler –e.g. Reseptör tirozin kinazlar °G-proteinleri ile baglantılı reseptörler –a.k.a 7-transmembrane, bölgesi olan [GPLR] reseptörler İyon kanalına baglı olanlar ©2002 Lee Bardwell

1-Enzim ilişkili reseptörler Reseptör protein-tirozin kinazlar En büyük reseptör ailesi Büyüme faktörü reseptörlerinin çoğu bu türden (50 den çok). Hayvan hücresi çoğalma ve farklılaşmasını kontrol eden mekanizma 1980 de keşfedildi Onkogenik protein,Rous Sarcoma virus:Src, ilk bulunan protein tirozin kinaz

Tek geçişli  heliks transmembran protein Sitozolik bölge protein tirozin kinaz etkinliği gösterir Reseptör protein tirozin kinazlar substratlarını tirozin kalıntılarında fosforiller Çoğu tek bir polipeptid İnsülin reseptörü dimer

Etki mekanizması Ligand (GF) bağlanır Reseptör dimerizasyonu. PDGF, NGF dimer yapıdadır. Bağlanınca iki reseptör bir araya gelir; dimer oluşur. Reseptörün otofosforilasyonu: 1.Protein kinaz aktivitesi artar 2.Katalitik bölge dışındaki fosforillenme ile diğer proteinlerin bağlanma bölgeleri oluşur

SH2 (Src homoloji 2) bölgesi içeren proteinlerin bağlanması SH2 içeren protein membranlarda yerleşir Diğer proteinlerle etkileşir

Protein hormon reseptör familyası Tirozin kinaz reseptör familyası.insülin,IGF-l gibi.bu reseptörlerin tirozin kinaz aktivitesi bulunur.sinyal iletimi substrat moleküllerininfosforilasyo nu ile gerçekleşir. Sitokin.,hemopoetin reseptör familyası.ligand baglama bölgeleri benzerdir.GH,prolaktin Üçüncü grup.7- transmembran sahasına sahip G-Proteinleri ile baglantılı [GPLR] reseptörlerparatiroid hormon,LH,FSH,TSH

1) Zarı 7-kez geçen alfa heliks yapısındadır. (3) G Protein- ilişkili Reseptörler (serpentine R)

2-G proteini ile ilişkili reseptörler En büyük reseptör ailesi Etkisini guanin nükleotidlerini bağlayan proteinler (G proteinleri) aracılığı ile yapar 1000 den fazla çeşit GPLR reseptör proteini tanımlandı -nörotransmitter reseptörleri -nöropeptid reseptörleri -peptid hormon reseptörleri -koku, görme, tat reseptörleri

Ligand Reseptörler G-proteinleri Protein Kinaz and Fosfatazlar İkincil Aracılar (C-AMP, C-GMP Ca- Kalmodulin, Fosfotidil İnositol) İkincil Aracıların substratları ©2002 Lee Bardwell

G-proteinleri -G-Proteinleri, reseptörle[GPLR] efektör arasında aracılık eder. Heterotrimerik yapıda  ; -  alt birimiGTP yi baglar. GDPbaglamış formu inaktif,GTP bağlamış formu aktiftir. GTPaz aktivitesina sahip moleküllerdir. G Proteinlerinin çeşitleri; Trandusin-C-GMP Fosfodiesteraz ivasyonu Gpı- Fosfolipaz C Aktivasyonu ©2002 Lee Bardwell

G s →  s →AC→cAMP↑ G i →  i →AC→cAMP↓ G q →  q →PI-PLC(fosfolipaz )→IP 3 +DAG G o →  o →ion channel G t →  t →cGMP PDE→cGMP→ Rodopsin G proteinlerinin çeşitleri

G proteini  Adenil siklaz aktivasyonu  cAMP artışı (ATP den sentez)  Protein kinaz A aktivasyonu  Seçilmiş proteinlerin serin ve treonin kalıntılarının fosforillenmesi,biyolojik etkiler

birçok proteinlerin Ser/Thr rezidülerinin Fosforilasyonu （ 1 ） metabolizmanın regülasyonu （ 2 ） gen ekspresyonun regülasyonu

cAMP protein kinaz A’ya bağlanır Katalitik ünitesi ayrılır Nukleusa girer cAMP cevap elementi (CRE) dizisini içeren genlerin transkripsiyonunu aktifler CRE bağlayan protein= CREB’i fosforilleyerek

CRE : cAMP response element ( TGACGTCA ) CREB: CRE binding protein

FOSFOLİPİDLER Hücre içi sinyal iletiminde sıklıkla kullanılan yolaklardan birisi, fosfatidil inozitol 4,5- bifosfat (PIP 2, bir zar fosfolipidi)’dan köken alan ikinci mesajcıların kullanımı esasına dayanır. PIP 2, plazma zarındaki çift tabaka fosfolipidlerin iç bölümünde yerleşmiştir.

FOSFOLİPİDLER Çok farklı hormonlar ve büyüme faktörleri, fosfolipaz C tarafından PIP 2 hidrolizini uyararak, iki farklı ikincil mesajcı oluşumuna neden olurlar: 1- Diaçilgliserol 2- İnozitol 1,4,5 trifosfat (IP 3 )

Fosfolipaz C (β)’nın protein-tirozin kinazlar ile aktivasyonu: PIP 2 hidrolizi, G protein-aracılı reseptörlerin ve reseptör protein-tirozin kinazların aktive edilmesi ile gerçeleşir. G protein-aracılı reseptörler ile fosfolipaz C-β (PLC-β) uyarılır.

PROTEİN KİNAZ C PIP 2 hidrolizi ile üretilen diaçilgliserol, protein kinaz C ailesinde yer alan, hücre büyüme ve farklılaşmasının kontrolünde önemli roller oynayan, protein-serin/treonin kinazları aktive eder. Örnek: Forbol esterlerinin etkisi.

IP 3 ve Ca 2+ SALINIMI: PIP 2 hidrolizi ile oluşan ve sitozole salınan bir diğer ikinci mesajcı (küçük, polar bir molekül) IP 3, hücre içi depolardan Ca 2+ salınım sinyalleri oluşturur.

IP 3 ve Ca 2+ SALINIMI: IP 3 ligand-kapılı Ca 2+ kanallarına bağlanarak, endoplazmik retikulumdan Ca 2+ salınımını sağlar. Sonuç olarak, sitozoldeki Ca 2+ düzeyinin 1 µM’a (normalde 0.1 µM düzeyinde tutulur) kadar artması, protein kinaz ve fosfatazları da içeren çok sayıda farklı hedef proteinin aktivitesini etkiler.

IP 3 ve Ca 2+ SALINIMI: Birçok hücrede, IP 3 üretimi sonucunda hücre-içindeki Ca 2+ ’un geçici artışı, plazma zarındaki kanallar yolu ile hücre-dışındaki Ca 2+ ’un içeriye girmesine neden olarak, daha uzun süreli artışı tetikler. Hücre-dışındaki Ca 2+ ’un girişi aynı zamanda endoplazmik retikulumdaki Ca 2+ depolarının yenilenmesini sağlar.

KALMODULİN Ca 2+ ’un birçok etkisi Ca 2+ -bağlayan bir protein olan kalmodulin tarafından düzenlenir. Kalmodulin, sitozoldeki Ca 2+ konsantrasyonu 0.5 µM’a kadar arttığı zaman aktive olur.

KALMODULİN Kalmodulin, 4 adet Ca 2+ bağlanma bölgesi olan, davul tokmağı şeklinde bir proteindir. Aktif Ca 2+ /kalmodulin kompleksi, Ca 2+ /kalmodulin bağımlı (CaM) protein kinaz gibi çok sayıda hedef proteine bağlanır.

Ca 2+ /KALMODULİN BAĞIMLI PROTEİN KİNAZLAR: Aktive olan Ca 2+ /kalmodulin, protein kinazları da içeren çok farklı hedef proteine bağlanır: Miyozin hafif-zincir kinaz, Metabolik enzimler, İyon kanalları, Transkripsiyon faktörlerinin fosforillenmesi ile gen ekspresyonunun düzenlenmesi.

cAMP ve Ca 2+ Sinyal İleti Yolakları Arasındaki İlişki: Extrasellüler sinyal molekülünün G proteinine bağlı reseptöre bağlanması, adenilil siklaz aktivasyonuna ve cAMP konsantrasyonunda artışa yol açar. cAMP konsantrasyonundaki artış, sitozolde PKA’yı aktive eder ve katalitik alt birimlerini serbest bırakır. Daha sonra aktive PKA, CREB gen düzenleyici proteini fosforile ettiği nukleusa doğru hareket eder. Bu sinyal yolağı, beyinde uzun dönem hafıza için gereksinim duyulan proteinlerin üretimi için, endokrin hücrelerde hormon sentezini düzenleyen hücrelerdeki birçok süreci kontrol eder.

IP3 and Protein kinase C have different effects in different cells a. IP3 i. Vascular smooth musclecontraction ii. smooth muscle contraction iii. skeletal muscle contraction iv. blood platelet aggregation of platelets b. Protein Kinase C. cell growth, differentiation (development into different tissue types), metabolism. i. blood plateletsserotonin release ii. mast cellshistamine release iii. smooth muscle contractility iv. nerve cells neurotransmitter release v. adipose tissuefat synthesis vi. liver cellsglycogen hydrolysis