Semnalizarea celulara si comunicarea Celulara

Semnalizarea celulara - introducere

Celulele comunica intre ele prin semnale. Capacitatea de a detecta prezenta in micromediul extracelular a unor molecule sau a modificarilor unor parametri fizico-chimici, precum si capacitatea de a reactiona specific la aceste semnale este esentiala pentru supravietuirea celulelor. Ele raspund la semnalele externe prin declansarea unor cascade de reactii intracelulare care formeaza cai de semnalizare; acestea sunt interconectate alcatuind retele complexe, prin care pot fi controlate activitatile proprii sau se pot transmite informatii unor populatii celulare aflate la mare distanta in organism.

Principiile semnalizarii celulare, precum si principalele cai de semnalizare sunt comune la organismele unicelulare si pluricelulare, deoarece proteinele implicate sunt inalt conservative de-a lungul arborelui filogenetic. Prin urmare, descifrarea unui mecanism de semnalizare la o specie cu organizare mai simpla (o drojdie, Drosophila, Xenopus) ajuta la descifrarea rapida a aceluiasi mecanism la organisme aflate pe o treapta filogenetica superioara. Cunoasterea unei cai de semnalizare apartinand unei celule normale faciliteaza intelegerea mecanismelor aberante, care implica participarea unor oncogene sau unor molecule secretate de tipul citokinelor.

Pentru a indeplini functia de semnal, o molecula trebuie sa prezinte anumite proprietati.

1. Molecula-semnal trebuie sa fie mica, pentru a putea calatori de la locul de sinteza pana la situsul-tinta. Semnalele extracelulare sunt transportate prin lichidul extracelular, daca distanta de parcurs este mica, sau prin sange si limfa, daca distanta de parcurs este mare. Semnalele intracelulare se depalseaza dintr-un compartiment celular in altul prin difuziune, in sensul gradientului chimic sau electric. Moleculele mici difuzeaza mai rapid si pot trece mai usor prin sistemul de membrane, utilizand un carrier sau pe baza proprietatilor lor hidrofobe.

2. Moleculele-semnal trebuie sa poata fi sintetizate rapid, pentru a asigura declansarea prompta a raspunsului celular, si sa fie degradate rapid, pentru a permite stoparea brusca a caii de semnalizare. Pentru aceasta celulele dispun de un sistem de enzime capabile de degradarea semnalelor, mai ales fosfodiesteraze si fosfataze.

Pentru multe cai de semnalizare, terminarea semnalizarii este deocamdata mai putin inteleasa decat mecanismele de activare a caii.

Modalitatile de comunicare depind si de distanta dintre celulele care comunica.

Daca celulele se afla in contact, pot comunica prin jonctiuni gap (plansa 1, fig. 1c), ce permit ionilor sa treaca dintr-o celula in alta. In cazul celulelor foarte apropiate, o molecula de pe suprafata unei celule este recunoscuta de receptori membranari ai altei celule invecinate (plansa 1, fig. 1b). Celulele situate la distanta elibereaza o molecula-semnal (ligand) care este fixata de receptorii altor celule (plansa 1, fig. 1a).

Transmiterea sinaptica reprezinta o forma de comunicare interneuronala sau neuro-efectoare prin semnale electrice, dar in cazul sinapselor chimice implica si o comunicare chimica, prin formarea complexului MCh-R] si prin participarea Ca²⁺ la exocitarea mediatorului chimic. Comunicarea electrica nu este specifica celulelor animale, ea apare si la plante.

Comunicarea endocrina se realizeaza prin hormoni transportati la distante mari prin sange. Calea de vehiculare este nespecifica (sangele contine o mare varietate de hormoni), specificitatea semnalizarii fiind conferita de receptorii membranari ai celulelor-tinta.

In comunicarea paracrina, celula-tinta se afla in aria de vecinatate a celulei ce emite semnalul. Molecula-semnal dispare in scurt timp, prin:

degradare de catre enzime din lichidul extracelular;

fixarea pe receptorii celulei-tinta;

patrunderea in celula-tinta.

Semnalele moleculare emise pot actiona si autocrin, asupra celulei emitente, ca in cazul hormonilor de crestere, eicosanoizilor. Celulele tumorale secreta hormoni prin care isi stimuleaza propria crestere si proliferare. Comunicarea autocrina apare deseori in celulele care se afla in diferentiere sau dezvoltare, stimuland celula sa urmeze in continuare drumul pe care a pornit.

Celulele apropiate comunica: 1) prin recunoasterea reciproca a unor molecule de pe suprafata lor, sau: prin zone membranare specifice, cum sunt jonctiunile gap (la celulele animale) si plasmodesmele (la celulele vegetale).

1. Comunicarea prin markeri de suprafata poate fi ilustrata prin interactiunile ce se stabilesc intre celulele din ochii de Drosophila, in timpul dezvoltarii. Musculita de otet are ochi compusi, formati din cate 800 de unitati fotosensibile (omatidii). Dintre cele 22 de celule ale unei omatidii, 8 sunt celule fotoreceptoare ale retinulei (R8). In cursul dezvoltarii, celulele R8 exprima pe suprafata lor proteina BOSS (bride of sevenless). Prezenta acestei proteine este detectata de un receptor tirozin-kinazic numit Sev (Sevenless) din membrana celulelor invecinate R7. Formarea complexului ligand-receptor [BOSS-Sev] determina dezvoltarea celulelor R7 si confera ochiului capacitatea de a detecta radiatiile UV. Acest mecanism a fost elucidat prin descoperirea musculitelor care nu pot detecta radiatiile UV deoarece prezinta forme mutante ale proteinei transmembranare Sev, ce nu permit dezvoltarea celulelor R7 (fara 7 - sevenless).

2. Comunicarea prin zone membranare specifice

Jonctiunile gap. Prin structura tubulara alcatuita de doi conexoni in zona de atingere a doua membrane celulare (plansa 2, fig. 2) pot trece ioni sau molecule mai mici de 1200 Da, ca AMPc, Ca²⁺ etc. O jonctiune gap poate contine pana la cateva sute de conexoni. Se cunosc 11 izoforme ale conexinelor ce alcatuiesc conexonii, codificate de gene diferite. Fiecare din aceste proteine contine 4 helixuri transmembranare, in care secventa ce captuseste tubul conexonului este inalt conservativa. Exprimarea izoformelor difera in functie de tesut, conferind specificitate permeabilitatii. Aceeasi celula poate contine mai multe tipuri de conexine, dar cele 12 care alcatuiesc o jonctiune sunt de acelasi tip.

Pasajul moleculelor prin jonctiuni este riguros controlat, acestea inchizandu-se la cresterea peste o anumita limita a concentratiei Ca²⁺ sau H⁺. Inchiderea se realizeaza printr-o modificare conformationala a conexinelor, jonctiunea functionand ca o diafragma. Inchiderea jonctiunilor devine deosebit de importanta daca una dintre celulele care comunica moare si nu mai este capabila sa-si controleze permeabilitatea.

Celulele vegetale comunica prin plasmodesme - deschideri de 20-40 nm in peretele celular, la nivelul carora cele doua celule invecinate comunica astfel prin continuitatea membranelor plasmatice, a citosolului si prin desmotubuli, derivati din reticulul endoplasmic (plansa 2, fig. 3). Se considera ca prin plasmodesme sunt transportate particule mai mici de 800 Da, dar recent s-a demonstrat ca ele pot permite trecerea unor molecule proteice si virusuri.

O caracteristica importanta a cailor de semnalizare este amplificarea semnalului pe verticala (in cascada), la fiecare treapta a caii, astfel ca un numar mic de molecule-semnal poate conduce la activarea intracelulara a sute sau mii de molecule de enzima (plansa 3, fig. 4).

Pe de alta parte, prin fenomenul de cross-talk, ce se bazeaza pe existenta unor etape comune mai multor cai de semnalizare, se realizeaza o adevarata retea de comunicare intracelulara, in care generarea unei specii moleculare poate activa numeroase alte cascade, cu efecte multiple.

Domenii si module proteice. Desi mecanismele de semnalizare ale unei celule sunt deosebit de complexe, grupele de proteine participante contin deseori arii de similaritate sau homologie. De exemplu, diferite kinaze pot prezenta situsuri catalitice cu secvente homoloage, sau secvente similare ale domeniilor reglatoare, atunci cand mecanismele de reglare a activitatii lor sunt asemanatoare. Cele mai des intalnite domenii sunt SH (Src Homology) si PH (Pleckstrin Homology).

Domeniile SH2 sunt formate dintr-o secventa de aprox. 100 aa si contin doua situsuri de legare.

- Primul situs, comun pentru toate domeniile SH2, formeaza un buzunar adanc ce leaga fosfotirozina apartinand altor molecule proteice; "buzunarul" are afinitate foarte mica pentru tirozina nefosforilata.

- Al doilea situs poate fi diferit ca specificitate, grupand domeniile SH2 in doua categorii.

a.       recunoaste un singur aminoacid al peptidului-tinta, ceea ce confera specificitate legarii;

b.      contine o regiune adancita, situata la mica distanta de situsul pentru P-Tyr, ce leaga un grup mai mare de aa hidrofobi.

Domeniile SH3 leaga o secventa care contine cateva resturi de prolina, apartinand unor polipeptide-tinta care de obicei au o structura secundara de tip helix de stanga (polyproline helix type II).

Ambele domenii SH, uneori chiar in mai multe copii, pot fi intalnite in moleculele unor enzime, dar mai ales in proteinele-adaptor.

Din aceasta ultima categorie fac parte:

proteina GRB2, cu o greutate moleculara de 25 kDa, care contine un domeniu SH2 si doua domenii SH3. GRB2 se asociaza cu proteine din familia GNRP (guanidine nucleotide releasing proteins) cum este SOS (son of sevenless). Aceste proteine sunt implicate in semnalizarea prin receptori tirozin kinazici, ca receptorul pentru EGF (epidermal growth factor), care se autofosforileaza la legarea moleculei-semnal. Resturile de fosfotirozina ale receptorului permit legarea proteinei-adaptor GRB2, prin domeniul SH2; domeniile SH3 ale GRB2 leaga GNRP (SOS), ce activeaza o proteina G, care va declansa etapele urmatoare ale cascadei de semnalizare.

EGF    R tirozin kinazic R-Tyr-P (SH2)GRB2(SH3) GNRP Prot. G (SOS)

proteinele STAT (signal transducers and activators of transcription), care contin domeniul SH2. Aceste proteine sunt fosforilate la Tyr de catre JAK (Janus kinase) care se asociaza cu receptori activati de citokine. Fosforilarea Tyr duce la dimerizarea si activarea STAT, care stimuleaza specific transcrierea. Se cunosc in prezent trei proteine STAT: STAT1a (91 kDa), STAT1b (84 kDa) si STAT2 (118 kDa), ce rezulta prin trans-splicing din aceeasi gena.

Domeniile PH (pleckstrin homology) reunesc un grup divers de motive structurale. Analiza domeniilor PH arata ca polipeptidul are conformatie de butoi format din foi -pliate, cu un singur -helix. Au fost identificate numeroase variante ale acestei structuri. Nu a fost identificat un situs specific pentru legarea PH; probabil exista subtipuri separate de domenii PH, fiecare cu specificitatea lui.

Proteine-releu. Aceste proteine nu contin ele insele module de ancorare, dar prin fosforilare se leaga de proteine care contin astfel de module.

Un exemplu este substratul receptorului pentru insulina (IRS-1), care este fosforilat la mai multe Tyr, formand situsuri care pot interactiona cu proteina-adaptor GRB2 prin domeniul SH2 al acesteia.