Sisällys
Mikä on solujen signalointi?
Solusignalointi, joka tunnetaan myös soluviestinä, on prosessi, jolla solut vastaanottavat ja vastaavat signaaleja ympäristöstään tai muista soluista. Tämä sisältää signaalien välittämisen solun pinnalla ja sisällä olevien signaalimolekyylien kautta. Soluilla on proteiineja, joita kutsutaan reseptoreiksi ja jotka sitoutuvat näihin signaalimolekyyleihin ja käynnistävät fysiologisen vasteen.
Solujen signalointia voi tapahtua naapurisolujen välillä tai etäisten solujen välillä. Solusignaloinnin tutkimiseen on saatavilla erilaisia vasta-aineita, reagensseja, proteomiikkaa, sarjoja ja kulutustarvikkeita.
Solusignaalien yleiskatsaus
Solusignalointi on prosessi, jolla solut kommunikoivat keskenään ja reagoivat ympäristöönsä.
Useimmat solusignaalit ovat luonteeltaan kemiallisia, ja solut vastaanottavat ne erilaisten signaalimolekyylien, kuten kasvutekijöiden, hormonien, välittäjäaineiden ja solunulkoisten matriisikomponenttien, kautta. Nämä signalointimolekyylit sitoutuvat spesifisesti muihin molekyyleihin, joita kutsutaan solun pinnalla oleviksi reseptoreiksi.
Ligandin kuljettama viesti välitetään usein solun sisällä olevien kemiallisten lähettiläiden ketjun kautta, mikä johtaa muutoksiin geenin ilmentymisessä tai jopa kokonaisen prosessin, kuten solun jakautumisen, induktioon.
Solusignalointia on kolme päätyyppiä: autokriininen, parakriininen ja endokriininen. Autokriininen signalointi tapahtuu, kun solu lähettää signaalin itselleen. Parakriininen signalointi sisältää signaalin lähettämisen lähettävästä solusta lähellä olevaan vastaanottavaan soluun.
Endokriininen signalointi tapahtuu, kun solut lähettävät signaaleja pitkiä matkoja käyttämällä verenkiertojärjestelmää lähettämiensä viestien jakeluverkkona.
Solujen signaloinnilla on olennainen rooli monissa biologisissa prosesseissa, kuten kehityksessä, immuunivasteessa ja liikkeen koordinaatiossa. Sen avulla solut voivat koordinoida toimintaansa ja reagoida asianmukaisesti ympäristönsä muutoksiin.
Sen ymmärtäminen, kuinka solut kommunikoivat keskenään, on ratkaisevan tärkeää kehitettäessä hoitoja epänormaalin solusignaloinnin aiheuttamiin sairauksiin, kuten syöpään.
Solusignaloinnin kolme vaihetta
Solusignalointi on monimutkainen viestintäjärjestelmä, joka ohjaa solujen perustoimintoja ja koordinoi solun toimintoja. Se voidaan jakaa kolmeen vaiheeseen: vastaanotto, transduktio ja vastaus.
Solun signaloinnin ensimmäinen vaihe on vastaanotto. Tässä vaiheessa kohdesolun reseptoriproteiini havaitsee signaalimolekyylin. Signaalimolekyyli tulee yleensä ulkopuolelta ja on uusi kohdesolulle, kun taas reseptorimolekyylit/proteiinit sijaitsevat kohdesolun ulkopuolella/sisällä.
Reseptoriproteiini sitoutuu signaalimolekyyliin, jolloin se muuttaa muotoaan ja kiinnittyy avaimen tavoin lukkoon tai substraatiksi entsyymin katalyyttiseen kohtaan.
Solusignaloinnin toinen vaihe on transduktio. Tässä vaiheessa signaali muunnetaan muotoon, joka voi saada aikaan tietyn soluvasteen. Tämä prosessi sisältää usein useita vaiheita ja signaalin vahvistusta jokaisessa vaiheessa. Aktivoitu reseptoriproteiini laukaisee sarjan solunsisäisiä tapahtumia, jotka lopulta johtavat spesifiseen soluvasteeseen.
Solusignaloinnin kolmas vaihe on vaste. Tässä vaiheessa transdusoitu signaali lopulta laukaisee spesifisen soluvasteen, kuten entsyymin katalyysin, sytoskeleton uudelleenjärjestelyn tai spesifisten geenien aktivoitumisen tumassa. Vastaus voi olla välitön tai viivästynyt riippuen signaalin luonteesta ja sen reitistä.
Solujen signalointireittien tyypit
Solujen signalointireittejä on erilaisia. Yksi tapa luokitella ne perustuu signalointi- ja kohdesolujen väliseen etäisyyteen. Monisoluisissa organismeissa esiintyvät neljä kemiallisen signaloinnin luokkaa ovat parakriininen, autokriininen, endokriininen ja suora kontaktisignalointi.
Toinen tapa luokitella solujen signalointireittejä perustuu kyseessä olevan reseptorin tyyppiin. Reseptorien neljä päätyyppiä ovat solunsisäiset reseptorit, ligandin ohjaamat ionikanavat, G-proteiiniin kytketyt reseptorit ja reseptorityrosiinikinaasit. Useimmat solusignaalit ovat luonteeltaan kemiallisia.
Solunsisäiset reseptorit
Solunsisäiset reseptorit ovat reseptoriproteiineja, jotka sijaitsevat solun sisällä, tyypillisesti sytoplasmassa tai tumassa. Niitä aktivoivat hydrofobiset ligandimolekyylit, jotka voivat kulkea plasmakalvon läpi.
Solunsisäiset reseptorit sitovat pieniä tai lipofiilisiä molekyylejä, kuten steroidihormoneja, kilpirauhashormoneja, retinoideja ja D-vitamiinia. Näillä reseptoreilla on sisäinen transkriptioaktiivisuus ja ne sisältävät transkriptiota aktivoivan domeenin, DNA:ta sitovan domeenin ja ligandia sitovan domeenin.
Solunsisäiset reseptorit on yleensä varattu erittäin rasvaliukoisille lääkkeille, kuten anti-inflammatorisille steroideille, kilpirauhashormoneille ja A- tai D-vitamiinille.
Solunsisäisten reseptorien aktivaatio johtaa muutoksiin geeniekspressiossa vasteena solunulkoisille ärsykkeille. Useimmat solun pintareseptorit stimuloivat solunsisäisiä kohdeentsyymejä, jotka voivat olla joko suoraan tai epäsuorasti kytkettyinä reseptoreihin G-proteiinien avulla.
Ligandiportaiset ionikanavat
Ligand-gated ion channels (LGIC) on ryhmä transmembraanisia ionikanavaproteiineja, jotka mahdollistavat ionien, kuten Na+, K+, Ca2+ ja/tai Cl−, kulkemisen kalvon läpi vastauksena kemiallisen lähettimen (eli ligandi).
LGIC:t ovat integroituja kalvoproteiineja, jotka sisältävät huokosen, joka mahdollistaa valittujen ionien säädellyn virtauksen plasmamembraanin läpi. Ionivuo on passiivinen ja sitä ohjaa läpäisevien ionien sähkökemiallinen gradientti.
Ligandivälitteiseen ionikanavien superperheeseen kuuluvat nikotiiniasetyylikoliinireseptorit (nAChR), adenosiinitrifosfaatti (ATP) -reseptorit, y-aminovoihappo (GABA), glutamaatti, glysiini ja 5-hydroksitryptamiini (5-HT) -reseptorit.
"Cys-silmukka"-alaperheeseen kuuluvat asetyylikoliinin, GABA:n, glysiinin ja serotoniinin ionotrooppiset reseptorit. Nikotiiniasetyylikoliinireseptori on tämän perheen jäsen ja osallistuu nopeaan synaptiseen siirtymiseen sekä keskus- että ääreishermostossa.
Ligandiporteilla ionikanavilla on olennainen rooli kemiallisten signaalien muuntamisessa ionivirraksi postsynaptisen kalvon läpi. Ne osallistuvat erilaisiin fysiologisiin prosesseihin, kuten lihasten supistumiseen, neurotransmissioon, hormonien eritykseen, oppimiseen, muistin muodostukseen ja aistihavaintoon.
LGIC:iden toimintahäiriöt on yhdistetty useisiin neurologisiin sairauksiin, kuten epilepsiaan, Alzheimerin tautiin, Parkinsonin tautiin, skitsofreniaan, ahdistuneisuushäiriöihin ja riippuvuuteen.
G-proteiiniin kytketyt reseptorit
G-proteiiniin kytketyt reseptorit (GPCR:t) ovat suurin membraaniproteiinien perhe ja välittävät useimpia soluvasteita hormoneille, välittäjäaineille ja näkökykyyn. Niitä löytyy vain eukaryooteista, mukaan lukien hiiva ja koanoflagellaatit.
GPCR:t voivat tunnistaa suuren valikoiman solun ulkopuolella olevia molekyylejä ja aktivoida signaalinvälitysreittejä solun sisällä. Ligandeja, jotka sitovat ja aktivoivat näitä reseptoreita, ovat valoherkät yhdisteet, hajut, feromonit, hormonit ja välittäjäaineet.
GPCR:illä on kolme perusaluetta: solunulkoinen osa (N-pää), solunsisäinen osa (C-pää) ja keskisegmentti, joka sisältää seitsemän transmembraanidomeenia.
Kun aktiivisessa tilassa oleva reseptori kohtaa G-proteiinin, se voi aktivoida sen. Jotkut todisteet viittaavat siihen, että reseptorit ja G-proteiinit ovat itse asiassa valmiiksi kytkettyjä.
Signaalin lisätransduktio riippuu G-proteiinin tyypistä. Entsyymi adenylaattisyklaasi on esimerkki soluproteiinista, jota voidaan säädellä G-proteiinilla, tässä tapauksessa G-proteiinilla Gs. Adenylaattisyklaasin aktiivisuus aktivoituu, kun se sitoutuu aktivoidun G-proteiinin alayksikköön.
GPCR:t säätelevät monia solun ja fysiologisia prosesseja, jotka vastaavat erilaisiin solunulkoisiin ärsykkeisiin, mukaan lukien valo, hormonit, amiinit, välittäjäaineet ja lipidit.
Joitakin esimerkkejä GPCR:istä ovat beeta-adrenergiset reseptorit, jotka sitovat epinefriiniä; prostaglandiini E2 -reseptorit, jotka sitovat tulehduksellisia aineita, joita kutsutaan prostaglandiineiksi; ja rodopsiini, joka sisältää valoreaktiivista kemikaalia, jota kutsutaan verkkokalvoksi ja joka välittää näköä.
Reseptorityrosiinikinaasit
Reseptorityrosiinikinaasit (RTK:t) ovat eräänlainen solun pintareseptori, jolla on tärkeä rooli solun prosesseissa, kuten kasvussa, liikkuvuudessa, erilaistumisessa ja aineenvaihdunnassa. RTK:t ovat yksivaiheisia kalvoproteiineja, joissa on ekstrasellulaarinen ligandia sitova domeeni ja solunsisäinen kinaasidomeeni.
Reseptorispesifiset ligandit, kuten polypeptidikasvutekijät, sytokiinit ja hormonit, aktivoivat niitä. Kun signalointimolekyylit sitoutuvat RTK:iin, ne saavat vierekkäiset RTK:t assosioitumaan toisiinsa muodostaen silloitettuja dimeerejä.
Silloitus aktivoi tyrosiinikinaasiaktiivisuuden näissä RTK:issa fosforylaation kautta – erityisesti jokainen dimeerin RTK fosforyloi useita tyrosiineja toisessa RTK:ssa. Tätä prosessia kutsutaan ristifosforylaatioksi.
Kun RTK:iden sytoplasmiset hännät on ristiinfosforyloitu, ne toimivat telakointialustoina erilaisille solunsisäisille proteiineille, jotka osallistuvat signaalinsiirtoon. Näillä proteiineilla on erityinen domeeni nimeltä SH2, joka sitoutuu fosforyloituihin tyrosiiniin sytoplasman RTK-reseptorin hännissä.
MAP-kinaasikaskadi on yksi reiteistä, jota monet kasvutekijät, kuten hermokasvutekijä ja verihiutaleperäinen kasvutekijä, käyttävät tiedon lähettämiseen ytimeen.
Kaikki RTK:t eivät käytä tätä polkua; esimerkiksi insuliinin kaltaiset kasvutekijäreseptorit aktivoivat fosfoinositidi-3-kinaasientsyymiä, joka johtaa geenin transkriptioon.
RTK-signaloinnin häiriöt voivat johtaa ihmisten sairauksiin, kuten syöpään. Viimeaikaiset laajamittaiset genomitutkimukset ovat tunnistaneet aktivoivia somaattisia EGFR TKD -mutaatioita, jotka ovat ainutlaatuisen herkkiä hoidolle EGFR-tyrosiinikinaasin estäjillä (TKI).
Mutaatioita voi esiintyä myös RTK:iden solunulkoisissa domeeneissa (ECD), transmembraanidomeeneissa (TMD) ja juxtamembrane domaineissa (JMD).
Solujen signalointiligandit
Ligandit ovat kemiallisia lähettiläitä, jotka solut vapauttavat kommunikoimaan muiden solujen kanssa. Ne sitoutuvat proteiineihin, joita kutsutaan kohdesolujen reseptoreiksi, mikä voi johtaa soluvaikutukseen, kuten geenin transkription tai translaation muuttamiseen, solun morfologian muuttamiseen tai tiettyjen ionien pääsyyn plasmakalvon läpi.
Ligandeja on monia erilaisia, ja niitä voidaan tuottaa signaloimalla soluja pieninä, haihtuvina tai liukoisina molekyyleinä. Esimerkkejä ligandeista ovat hormonit ja välittäjäaineet.
Solun pintareseptoreita on kolme päätyyppiä: ionikanavareseptorit, G-proteiiniin kytketyt reseptorit (GPCR) ja entsyymikytketyt reseptorit. Kun ligandi sitoo ionikanavareseptorin, se avaa plasmakalvon läpi kanavan, jonka kautta tietyt ionit pääsevät läpi.
GPCR:t ovat suurin solun pintareseptorien perhe ja niillä on ratkaiseva rooli monissa fysiologisissa prosesseissa, kuten näkö-, maku-, haju- ja hermovälityksessä. Entsyymikytketyillä reseptorilla on solunsisäinen domeeni, joka toimii entsyyminä, kun ligandi sitoutuu solunulkoiseen domeeniinsa.
Ligandit voidaan myös luokitella niiden toimintatavan perusteella. Autokriinisiä signaaleja tuottavat signalointisolut, jotka voivat myös sitoutua vapautuvaan ligandiin. Tämä tarkoittaa, että signalointisolu ja kohdesolu voivat olla samoja tai samankaltaisia soluja.
Parakriinisignaalit leviävät pienelle alueelle ja vaikuttavat vain naapurisoluihin. Neuraaliset signaalit ovat erikoistunut parakriinisten signaalien alajoukko, joka diffundoituu vierekkäisten hermosolujen välisessä synaptisessa rakossa.
Solusignaalimolekyylien tyypit
Solujen signalointimolekyylit ovat erilaisia ja voivat kuulua useisiin kemiallisiin luokkiin, mukaan lukien lipidit, fosfolipidit, aminohapot, monoamiinit, proteiinit, glykoproteiinit tai kaasut.
Joitakin esimerkkejä pienistä hydrofiilisistä molekyyleistä, jotka toimivat signalointimolekyyleinä, ovat asetyylikoliini, dopamiini, epinefriini (adrenaliini), serotoniini, histamiini, glutamaatti, glysiini ja y-aminovoihappo (GABA). Hormonit ovat toisen tyyppisiä signalointimolekyylejä, joita tuottavat endokriiniset rauhaset, kuten aivolisäke ja kilpirauhanen.
Monisoluisissa organismeissa on neljä kemiallisen signaloinnin luokkaa: parakriininen signalointi, endokriininen signalointi, autokriininen signalointi ja suora signalointi aukkoliitosten yli. Parakriinisignaalit vapauttavat yksi solu ja ne vaikuttavat viereisiin kohdesoluihin. Autokriinisiä signaaleja tuottaa solu, joka voi myös sitoutua vapautuvaan ligandiin.
Erikoissolut tuottavat endokriinisiä signaaleja, jotka vapautuvat verenkiertoon, joka kuljettaa ne kohdesoluihin kaukaisissa kehon osissa. Suora signalointi aukon liitoskohtien yli tapahtuu, kun kaksi vierekkäistä solua jakavat kalvokanavan, jota kutsutaan connexoniksi.
Reseptoreilla on keskeinen rooli solujen signaloinnissa, kun ne havaitsevat kemiallisia signaaleja tai fyysisiä ärsykkeitä. Reseptorit voivat sijaita solun pinnalla tai solun sisällä, kuten sytoplasmassa, organelleissa ja ytimessä. Solun pinnan reseptorit sitoutuvat yleensä solunulkoisten ligandien kanssa, kun taas solunsisäiset reseptorit sitoutuvat solunsisäisiin ligandeihin, kuten steroidihormoneihin.
Spesifinen soluvaste on seurausta transdusoidusta signaalista solusignaloinnin viimeisessä vaiheessa, joka voi olennaisesti olla mikä tahansa kehossa oleva soluaktiivisuus, kuten sytoskeleton uudelleenjärjestely tai entsyymin katalyysi.
Kuinka insuliini antaa solulle signaalin ottamaan glukoosia?
Insuliini on hormoni, joka säätelee glukoosiaineenvaihduntaa kehossa. Kun veren glukoosi sitoutuu glukoosireseptoriin, haiman sisällä alkaa signaalikaskadi, joka johtaa insuliinin vapautumiseen verenkiertoon. Insuliini kiertää sitten veressä ja sitoutuu lopulta muiden solujen insuliinireseptoreihin.
Insuliinireseptori on upotettu solukalvoon, ja siinä on solunulkoinen reseptoridomeeni, joka koostuu kahdesta a-alayksiköstä, ja solunsisäinen katalyyttinen domeeni, joka koostuu kahdesta β-alayksiköstä.
Kun insuliini sitoutuu reseptoriinsa, se aktivoi insuliinireseptorin tyrosiinikinaasin (IR), joka fosforyloi ja värvää erilaisia substraattisovittimia, kuten IRS-perheen proteiineja.
Tyrosiinifosforyloitu IRS näyttää sitoutumiskohdat lukuisille signalointikumppaneille. Niistä PI3K:lla on tärkeä rooli insuliinitoiminnassa, pääasiassa Akt/PKB- ja PKCζ-kaskadien aktivoinnin kautta.
Aktivoitu Akt indusoi glykogeenisynteesiä inhiboimalla GSK-3:a; proteiinisynteesi mTOR:n ja alavirran elementtien kautta; transkriptioaktiivisuus; kasvu; mitogeeniset vaikutukset, joita enimmäkseen välittää Akt-kaskadi sekä Ras/MAPK-reitin aktivaatio.
Insuliinin signalointireitti estää autofa*giaa ULK1-kinaasin kautta, jota Akt ja mTORC1 estävät ja AMPK aktivoi.
Insuliini stimuloi glukoosin ottoa lihaksissa ja rasvasoluissa siirtämällä GLUT4-rakkuloita plasmakalvoon. Kuten lukkoon sopiva avain, insuliini sitoutuu solun pinnalla oleviin reseptoreihin, jolloin GLUT4-molekyylejä tulee solun pinnalle.
Glukoosin kuljettajaproteiinit toimivat kuljetusvälineinä glukoosin kuljettamiseksi solun sisällä. Korkearesoluutioiset mikroskooppitutkimukset ovat osoittaneet, kuinka insuliini saa rasvasolut ottamaan glukoosia – löydöksiä, jotka voivat auttaa ymmärtämään diabetekseen liittyviä sairauksia.
Liittyvät
As a seasoned expert in the field of cell signaling, with a comprehensive understanding of the intricacies involved in cellular communication, I bring a wealth of knowledge and hands-on experience to shed light on the various concepts presented in the provided article.
Cell Signaling Overview: Cell signaling, or cell communication, is a fundamental process in biology, allowing cells to receive and respond to signals from their environment or neighboring cells. The transmission of signals involves specific proteins called receptors, which bind to signaling molecules and initiate physiological responses. The availability of antibodies, reagents, proteomics tools, kits, and consumables facilitates the study of cell signaling at various levels.
Three Stages of Cell Signaling: The cell signaling process can be divided into three stages: reception, transduction, and response. Reception involves the detection of a signal molecule by the target cell's receptor. Transduction converts the signal into a form that elicits a cellular response, often through a cascade of intracellular events. Finally, the response stage involves the execution of a specific cellular response.
Types of Cells Signaling Pathways: Cell signaling pathways can be categorized based on the distance between signaling and target cells (paracrine, autocrine, endocrine, and direct contact signaling) or the type of receptor involved. The main types of receptors include intracellular receptors, ligand-gated ion channels, G-protein coupled receptors (GPCRs), and receptor tyrosine kinases.
-
Intracellular Receptors: Located inside the cell, these receptors are activated by hydrophobic ligands that can penetrate the plasma membrane. They play a crucial role in responding to lipid-soluble molecules like steroid hormones and vitamin derivatives, leading to changes in gene expression.
-
Ligand-gated Ion Channels (LGICs): These transmembrane proteins allow the passage of ions in response to ligand binding, contributing to processes such as muscle contraction, neurotransmission, and sensory perception.
-
G-protein Coupled Receptors (GPCRs): The largest family of membrane proteins, GPCRs mediate cellular responses to a variety of stimuli, including hormones and neurotransmitters, by activating signal transduction pathways inside the cell.
-
Receptor Tyrosine Kinases (RTKs): Cell surface receptors that play a crucial role in growth, differentiation, and metabolism by initiating signaling cascades upon ligand binding.
Cell Signaling Ligands: Ligands are chemical messengers released by signaling cells to communicate with target cells. They bind to receptors, leading to diverse cellular effects. Ligands can include hormones, neurotransmitters, and other signaling molecules. The three main types of cell-surface receptors are ion channel receptors, GPCRs, and enzyme-linked receptors.
Types of Cell Signaling Molecules: Cell signaling molecules encompass a variety of chemical classes, including lipids, amino acids, monoamines, proteins, and gases. Small hydrophilic molecules like acetylcholine, dopamine, and serotonin act as signaling molecules, along with hormones produced by endocrine glands.
How Does Insulin Signal a Cell to Take in Glucose?: Insulin, a key player in glucose metabolism, initiates a signaling cascade upon binding to its receptor. This process involves the activation of insulin receptor tyrosine kinase (IR), subsequent phosphorylation events, and recruitment of substrate adaptors. The insulin signaling pathway regulates various cellular activities, including glucose uptake in muscle and adipocytes through the translocation of GLUT4 vesicles to the plasma membrane.
In conclusion, a profound understanding of cell signaling is indispensable for unraveling the complexities of biological processes and holds great promise for developing treatments for diseases rooted in abnormal cell signaling, such as cancer.
