Передача сигнала с участием интегринов, JAK2, GPI, TCR, ITAM
• Рецепторы, связывающие протеинтирозинкиназы, используют комбинации эффекторов, подобные тем, которые характерны для рецепторных тирозинкиназ
• Часто эти рецепторы непосредственно связываются с факторами транскрипции
Многие рецепторы клеток действуют через протеинтирозинкиназы, однако их поверхностные рецепторы не обладают киназной активностью. Такие рецепторы ассоциируют с протеинтирозинкиназами плазматической мембраны и активируют их. К этой группе рецепторов относятся интегрины, представляющие собой ключевые молекулы, участвующие в клеточной адгезии, рецепторы ростовых гормонов, а также рецепторы, обеспечивающие развитие воспаления и иммунный ответ. Хотя по структуре эти рецепторы сильно различаются, они обладают сходным механизмом действия.
Интегрины представляют собой рецепторы, основная функция которых заключается в обеспечении прикрепления клеток к внеклеточному матриксу. Они также обеспечивают взаимодействие с белками других клеток. К числу лигандов интегринов относятся некоторые белки внеклеточного матрикса, например фибронектин, а также белки клеточной поверхности, участвующие в межклеточных взаимодействиях. Связывание ингегринов обеспечивает клетку информацией об окружении, которая влияет на ее функционирование.
При этом также инициируются сигналы, контролирующие некоторые клеточные программы, такие как вхождение в цикл, пролиферация, жизнеспособность, дифференцировка, формообразование и подвижность, а также тонкую настройку клетки на прием сигналов от других лигандов.
Талин и а-актинин относятся к числу цитоскелетных белков, непосредственно взаимодействующих с некоторыми субъединицами интегрина. Эти цитоскелетные белки связывают интегрины в сложные цитоскелетные структуры, известные под названием фокальные адгезии (контакты).
Белковые комплексы фокальной адгезии связывают цитоскелет с каскадом сигнальных процессов, которые являются связующим звеном между состоянием прикрепления клетки и процессами регуляции клеточного ответа. Эти комплексы содержат FAK киназу, которая при связывании интегрина активируется. Аутофосфорилирование FAK мобилизует сигнальные белки, содержащие домены SH2, особенно р85 субъединицу киназы PI 3 и протеинкиназы семейства Src. Сигнальные молекулы, ассоциированные с цитоскелетными белками, связанными с интегрином, в виде комплексов фокальной адгезии или других структурных комплексов, участвуют в реализации различных эффектов интегринов. Ассоциация цитоскелетных белков с рецепторами интегрина также вызывает функциональные изменения последних.
Такие сигналы, как гормональные, которые действуют на расстоянии, могут также передаваться в клетку посредством нерецепторных тирозинкиназ. Гормон роста (GH) представляет собой белок, продуцируемый передней долей гипофиза, который регулирует рост костей, метаболизм липидов и другие процессы, связанные с клеточным ростом. Недостаток гормона роста служит причиной низкорослости, а его гиперпродукция вызывает акромегалию, одну из разновидностей гигантизма. Рецепторы GH являются представителями семейства рецепторов цитокинов, в которое входят рецепторы пролактина, эритропоэтина, лептина и интерлейкинов.
Все эти рецепторы характеризуются сходными биохимическими функциями, такими как ассоциация с белками JAK/TYK из семейства тирозинкиназ, однако узнают различные, хотя и перекрывающиеся группы сигнальных белков цитоплазмы. Передача сигнала с участием рецепторов GH служит моделью рецепторов, не обладающих ферментативной функцией и действующих как каркасная структура для внутриклеточных сигнальных белков, находящаяся под контролем агониста.
Для регуляции внутриклеточных процессов передачи сигнала и сигнальных путей с участием цитоскелета интегрины связываются с несколькими цитоплазматическими белками.
К элементам цитоскелета относятся актиновые филаменты и белки фокальных контактов а-актинин, винкулин, паксиллин, и талин.
Сигнальные молекулы включают киназу фокальных контактов, FAK; адапторы Cas, Crk и Grb2; Src и CSK. PI 3-киназа; и обменный фактор SOS для Ras.
Стимуляция связывания ГТФ с Ras под действием SOS приводит к активации сигнального пути с участием МАРК.
На рисунке ниже представлена структура гормона роста, связанного с внеклеточным доменом своего рецептора. Большая часть энергии связывания обеспечивается за счет лишь небольшого количества аминокислотных остатков, присутствующих в области связывания. В клетке передача сигнала с участием рецептора GH в существенной мере зависит от его ассоциации с цитоплазматической тирозин протеинкиназой, Janus киназой 2 (JAK2). На рисунке ниже видно, что эта киназа связывается с областью рецептора, обогащенной пролином. Связывание лиганда индуцирует димеризацию рецептора, что затем способствует активации JAK2 за счет межмолекулярного аутофосфорилирования.
Таким образом, передача сигнала от GH в основном связана с фосфорилированием Tyr. Наряду с аутофосфорилированием JAK2, сам рецептор также фосфорлируется по Tyr. Так же как и в случае рецепторных тирозинкиназ, фосфорилирование остатков тирозина в последовательности рецептора гормона роста приводит к образованию сайтов связывания для сигнальных белков, содержащих домены связывания фосфотирозино-вых остатков. Первичными мишенями служат факторы транскрипции, известные под названием передатчики сигнала и активаторы транскрипции, или STAT. Эти факторы содержат SH2 домены и связываются с последовательностями, содержащими фосфотирозин, которые находятся в структуре гормона роста.
При связывании рецептора, киназа JAK2 фосфорилирует тирозиновые остатки в STAT. Затем STAT направляются в ядро, где активируют транскрипцию.
Рецептор гормона роста и киназа JAK2 также участвуют в функционировании других путей передачи сигнала. Например, адаптер Shc содержит остатки Туг, способные фосфорилироваться с участием JAK2. Этот адаптер обеспечивает активацию Ras и всего пути передачи сигналов с участием ERK1/2 МАРК. Адаптеры, специфичные для системы передачи сигналов с участием инсулина, включая субстраты инсулиновых рецепторов (IRS) 1, 2 и 3, также являются мишенями для гормона роста и, вероятно, отражают его способность индуцировать некоторые метаболические эффекты, характерные для инсулина.
В процессах передачи сигналов от GH также участвуют циклы обратной связи. Комплекс рецептора и гормона роста связывается с адаптером SH2-B, который стимулирует передачу сигнала от GH. В то же время гормон роста индуцирует транскрипцию генов, кодирующих супрессоры передачи сигнала от цитокинов (белков SOCS). Как показывает название, эти белки ингибируют передачу сигналов от цитокинов в некоторых, или даже во всех, случаях за счет ингибирования активности JAK2. Белки SOCS содержат домен SH2, способствующий их связыванию или с фосфорилированной JAK2, или с рецептором цитокинов. Механизм ингибирования передачи сигнала для разных SOCS белков различен, поскольку некоторые из них нарушают сигнальный путь с участием JAK2 в присутствии GH рецептора.
С другой стороны, SOCS-1 непосредственно связывается с петлей активации JAK2, и для ингибирования активности этой киназы рецептора не требуется. Особенно важную роль играет этот механизм в передаче сигналов от GH, поскольку, в противоположность индуцированному лигандом механизму даун-регуляции, который контролирует много рецепторов, рецептор GH деградирует независимо от наличия на нем лиганда.
Часто белки взаимодействуют между собой посредством больших по площади участков.
Связывание гормона роста со своим рецептором иллюстрирует, как первоначальная энергия связывания обеспечивается существованием небольшого числа контактов между двумя белками и как создается горячий сайт взаимодействия.
На этом рисунке, по данным кристаллографических исследований, построена структура комплекса гормона роста, связанного с соответствующим доменом рецептора.
Наружный слой комплекса не показан, что позволяет видеть значения энергии связывания для остатков аминокислот, расположенных в области взаимодействия.
Эти значения были установлены из экспериментов по связыванию, а также при исследовании мутантных форм белков.
Как видно, менее половины остатков аминокислот, расположенных в области взаимодействия, обеспечивают большую часть энергии связывания.
Рецепторы цитокинов также функционируют за счет мобилизации тирозинкиназ. К цитокинам — сигнальным белкам, модулирующим процесс воспаления, а также рост и дифференцировку клеток, — относятся интерлейкины, фактор ингибирования лейкозов, онкостатин М, карди-отропин-1, цитокин, напоминающий кардиотропин, и цилиарный нейротрофический фактор (CNTF). Каждый цитокин связывается со своим рецептором, но каждый рецептор связывается с одним и тем же трансмембранным белком, который называется gp130. Механизм передачи сигнала с участием этого белка включает его взаимодействие с тирозинкиназой типа JAK/TYK и с факторами транскрипции семейства STAT. Этот механизм напоминает характерный для рецептора гормона роста.
В отличие от многих рецепторов цитокинов этого класса, рецепторы CNTF не проходят сквозь мембрану. Вместо этого с наружной стороной плазматической мембраны связан гликозилфосфатидилинозитол (GPI). GPI ковалентно связан с мембраной и при действии специфической фосфолипазы рецептор может высвобождаться во внеклеточную среду. Свободный рецептор может взаимодействовать с мембранами других клеткок и индуцировать сигнал.
Наличие общей субъединицы, передающей сигнал, gp130, позволяет предполагать, что для формирования ответа клетки на специфический лиганд существует единый механизм. В некоторых случаях между субъединицами, связывающими лиганд, существует конкуренция за взаимодействие с переносчиком сигналов, gp130. В результате характер выходного сигнала может меняться. Рисунок ниже иллюстрирует некоторые параллели в передаче сигналов с участием рецепторов, обладающих протеинкиназной активностью или связанных с ними протеинкиназ.
Последний тип рецепторов, который мы здесь рассмотрим, иллюстрирует дальнейшее развитие представлений о существовании уникальных и общих субъединиц. Для Т-лимфоцитов характерно наличие уникального сложного, мультибелкового рецептора Т-клеток (TCR), который обеспечивает способность этих клеток узнавать специфические антигены и реагировать на них. Как показано на рисунке ниже, TCR состоит из восьми субъединиц, которые могут быть представлены в виде комплекса, содержащего четыре димера: αβ, γε, δε, и ζζ. Узнавание специфического антигена обеспечивается субъединицами α и β, которые для каждой клетки свои. Остальные субъединицы TCR инвариантны.
Субъединицы γ, δ и ε комплекса CD3 обладают близкой структурой. В отличие от других субъединиц, последовательность, соответствующая ζ, обнаружена в клетках других типов и может представлять собой компонент других рецепторов, например Fc, который связывает некоторые иммуноглобулины.
Ключевую роль в процессе передачи сигнала иммунорецепторами играет последовательность, которая называется последовательность активации, содержащая тирозин, или ITAM. Для нее характерно наличие близко расположенных пар остатков тирозина. Каждая субъединица CD3 содержит одну ITAM, и ζ-цепь содержит три ITAM. Всего каждый рецептор содержит десять последовательностей активации. При активации TCR, за счет киназ Lck и Fyn, относящихся к семейству Src, происходит фосфорилирование тирозиновых остатков в ITAM. Затем ITAM связывается с тандемными доменами SH2 белка ZAP-70, с молекулярной массой 70 кДа, который ассоциирован с ζ-цепью протеин тирозинкиназы. Белок при этом активируется. Фосфорилированные остатки тирозина в белке ZAP-70 связываются с другими адапторами и сигнальными молекулами, что активирует дополнительные переносчики сигнала.
В итоге, в результате протекания всех этих событий, развивается реакция Т-клеток на антиген, что выражается во вступлении их в цикл и в продуцировании таких цитокинов, как интерлейкин-2.
Рецептор гормона роста связывается с JAK2.
В передаче многих сигналов от GH участвует фосфорилирование Tyr рецептора, которое происходит под действием JAK2.
При этом создаются сайты связывания для таких сигнальных молекул с SH2 доменами, как STAT.
Затем эти молекулы поступают в ядро и изменяют транскрипцию генов.
Сравнение основных сигнальных каскадов, контролируемых PDGF, инсулином, TGF-b, IL-1b, и гормоном роста.
Каждый рецептор либо содержит протеинкиназу, либо взаимодействует с ферментом, ассоциированным с передатчиком.
Передатчик регулирует активность эффекторов, расположенных по ходу сигнала. Эта регуляция осуществляется или напрямую, или с участием промежуточного каскада протеинкиназ.
Представленные эффекторы являются регуляторами транскрипции.
Фосфорилирование под действием передатчика или каскада киназ активирует все эффекторы, за исключение белков F0X0, которые могут выходить из ядра при фосфорилировании.
В таблице представлена картина для гораздо более сложных сигнальных сетей, контролируемых этими лигандами.
Многие из показанных промежуточных факторов участвуют в передаче сигнала от многих других лигандов.
Например, белки IRS также участвуют в передаче сигнала от гормона роста и IL-1b и сигнальные пути с участием МАРК регулируются всеми этими лигандами.
Рецептор Т-клеток (TCR) состоит из многих субъединиц. Последовательность активации рецептора, или ITAM, содержит сайты, которые фосфорилируются протеинкиназами Lck или из семейства Src.
Фосфорилированные остатки аминокислот образуют сайты связывания для другой тирозин протеинкиназы, ZAP-70.
Эта протеинкиназа затем мобилизует другие сигнальные молекулы, образуя комплекс, включающий фосфолипазу Сγ, PI 3-киназу и обменный фактор Ras.
Этот комплекс активирует пути дальнейшей передачи сигнала.
