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- 1. VIAS DE SEÑALIZACIÓN INTRACELULAR PARTE 1 DIEGO L BELTRAN G Fellow de Endocrinología – UPB 2023
- 2. GENERALIDADES . Alimento Agua Otras Celulas Luz Multicelulares: regulación más estructurada Unicelulares (Levadura con llamado quimico a reproducirse) Variedad de señales moleculas secretadas o expresadas en la superficie de 1 cel union a receptores de otra Unión a receptor: reacciones intracelulares comportamiento celular Interes: cancer por daño en las vías de señalización del control de la proliferación y supervivencia Geoffrey M. Cooper, Robert E. Hausman. The Cell: A Molecular Approach, Eight Edition Alberts. Introducción a la Biología Celular. 5 edición,2021
- 3. SEÑALES EXTRACELULARES • Proteínas • Péptidos • Aa • Nucleotidos • Esteroides • Ácidos grasos • Gases Geoffrey M. Cooper, Robert E. Hausman. The Cell: A Molecular Approach, Eight Edition Alberts. Introducción a la Biología Celular. 5 edición,2021 - Respuesta de linfocitos a Ag - Cancerosas autoprolifreración Mediadores de inflamación - Neurotransmisores - Embriogenesis
- 4. RECEPTORES • Exposición a miles de moléculas ignora unas, selectiva a otras • Cada receptor es activado por un solo tipo de señal • Moléculas se dividen en 2: -grandes e hidrófilas: superficie /// -pequeñas hidrófobas: intracelular • Receptor señal transducción de la señal x moléculas efectoras: varían según tipo celular, respuesta única y diferente • Señales pueden combinarse y dar otra función Alberts. Introducción a la Biología Celular. 5 edición,2021
- 5. VÍAS INTRACELULARES • PI 3-quinasa/Akt • mTOR • quinasas MAP • JAK/STAT • TGF-B/Smad • NF-kb • Hedgehog • Wnt • Notch • Vía AMPc, GMP • Fosfolípidos y calcio • Quinasas • Receptores de superficie: proteína G, tirosina- quinasa, • Receptores de citoquinas, tirosina, quinasa, insulina, somatostatina
- 6. PI 3-quinasa/Akt Vía del fosfolípido inositol Fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato (PIP2) Fosfolipidos + inositol (azucar) Capa interna membrana Isoforma activada x proteinas G Fosforilado por Fosfatidilinositida-quinasa (PI) 3-kinasa Activada x asocaiación a receptor tirosinkinasa Geoffrey M. Cooper, Robert E. Hausman. The Cell: A Molecular Approach, Eight Edition Alberts. Introducción a la Biología Celular. 5 edición,2021 Proliferación y supervivencia
- 7. PI 3-PKC y PI3-quinasa/Akt azúcar fosfato hidrosoluble que se libera en el citosol DAG Ip3 se une a canales de Ca2+ Geoffrey M. Cooper, Robert E. Hausman. The Cell: A Molecular Approach, Eight Edition Alberts. Introducción a la Biología Celular. 5 edición,2021 Fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato (PIP2) Por receptor tirosine kinasa Por receptor GTP PIP2 PIP3 se une en el dominio pleckstrin homology (PH), acercandola a la memb (es una serina/treonina kinasa) Tambien tiene dominio PH Tambien tiene dominio PH Fosforilación Activa
- 8. PI3-quinasa/Akt Geoffrey M. Cooper, Robert E. Hausman. The Cell: A Molecular Approach, Eight Edition Familia FOXO Foxo fosforilado, unión con chaperona que lo inactiva genes que inh proliferación e inducen muerte Es inhaibida al ser fosforilada protein kinase inicidor para traducción uso de la glucosa crecimiento y proliferación cel Bcl2 promueve supervivencia, al inh apoptosis SUPERVIVENCIA CELULAR
- 9. PI3-quinasa/Akt Implicaciones Clínicas Mutaciones en subunidades de la PI3 - PIK3CA PIK3R1, p110a, p85 - 5–25 % cancer de mama, endometrio e intestinal Curr Top Microbiol Immunol. 2011; 347: 79–104 - Sd de Pi3 activado delta: inmunodeficiencia primaria
- 10. • mTor es una proteinkinasa reguladora de crecimiento celular y sintesis proteica • Serina treonina proteina kinasa • Regulado por multiples señales: • PI 3-kinase/Akt • mTOR exsite en dos complejos: • mTORC2 • mTORC1 (acivado despues de Akt) VIA mTor Geoffrey M. Cooper, Robert E. Hausman. The Cell: A Molecular Approach, Eight Edition fosforila y activA Akt regula sintesis proteica tipo Ras-GTP proteína de esclerosis tuberosa Es una GTPasa - inhibe Fosforila e inh. Permiiendo activación de mTOR1 Cuando sensa poca energía Activa TSC, inhibiendo mTOR1 Segun los aa disponibles para formar proteinas 5′ cap of mRNAs Normalmente inh al 4E-BP1, inh traducción Lo fosforila para inh Inh autofagia, carencia de nutrientes inactivan mTorc1
- 12. • Berberine (isoquinolona de uva y curcuma) suprime la proliferación, migración y permeabiliad de las celulas endoteliales en la retinopatia inducida por insulina • Si se hiper activa Mtor: Proliferación celular indefinida cancer por anabolismo descontrolado. Se relaciona con obesidad , DM2, ECV Int J Biol Sci 2021; 17(15): 4316–4326. Inhibe la expression retinal de VEGF por la cua AKT/mTOR VIA mTor Implicaciones clínicas
- 13. VIA DE AMP KINASA … Ras • Complejo de señalización: Activado por muchos Receptores TK • Familia de unión a prot GTP (GTPasas monoméricas) • Ras activo: Unido a GTP / inactivo: Unido a GDP • Activador: GEF / Desactivador: GAP (promueve hidrolisis GTP) Geoffrey M. Cooper, Robert E. Hausman. The Cell: A Molecular Approach, Eight Edition Alberts. Introducción a la Biología Celular. 5 edición,2021
- 14. Quinasas activadas por mitógenos Familia de quinasas serina/treonina La familia ERK ha sido de las más estudiadas entre las MAPk estudio de proteínas RAS La activación del Ras dura poco fosfatasas rápidamente reversan su fosforilación Vía MAP quinasa Geoffrey M, et al. The Cell: A Molecular Approach, Sixth Edition (2013); 17: 565-601
- 15. VIA DE MAP KINASA Geoffrey M. Cooper, Robert E. Hausman. The Cell: A Molecular Approach, Eight Edition Alberts. Introducción a la Biología Celular. 5 edición,2021 MAP o AMP: Protein cinasa activadora de mitogeno (proteinas extracelulares estimulan proliferación cellular) Sistema de relevos de proteinas kinasas de seirnas/treoninas Diferenciación, proliferación, supervivencia
- 16. Alberts, Hopkin, et al. Introducción a la Biología Celular 2019, 6°ed; 15: 813-888
- 17. Geoffrey M, et al. The Cell: A Molecular Approach, Sixth Edition (2013); 17: 565-601
- 18. IMPLICACIÓN CLÍNICA: Ras • Mutación inactiva actividad GTPasa de Ras • No puede desactivarse • 30% de los cancer implica Ras
- 19. IMPLICACIÓN CLÍNICA Mutación más común Ras: codones 12, 13 o 61 favorecen Ras activo unido a GTP • Isoformas K-Ras 85% nutaciones vs N-Ras 11% • Adenocarcinoma ductal pancreático (K-Ras 94%) - Melanoma (NRAS) RAS se une a otras mutaciones: • Ca pulmón de células no pequeñas 60% mutación EGFR, BRAF y KRAS • Ca pancreas 90% KRAS • Ca tiroides RAS o BRAF Target terapéutico • En RAS las mutaciones suelen ser específicas de tejido • los inhibidores que funcionan en un tipo de cáncer no funcionan en otros • Ej: inh EGFR más éxito en el melanoma que en cáncer colorrectal Hobbs GA, Der CJ, Rossman KL. RAS isoforms and mutations in cancer at a glance J Cell Sci . 2016; 129 7: 1287-1292.
- 20. VIA DE JAK/STAT • Forma parte de la via de señalización de los receptores No tirosinkinasa (Incapaces de autofosforilarse) • Receptores de citoquina • Receptores para hormonas polipeptidicas (GH, prolactina, leptina, trombopoyetina y EPO) • Estimulan Kinasas Intracelulares • Contiene: • dominio extracellular N-terminal de union al ligando • domicnio C terminal citosolico: • Sin actividad catalitica • Funciona en asocion con receptores NO TIROSIN KINASA activado por union a su ligando Geoffrey M. Cooper, Robert E. Hausman. The Cell: A Molecular Approach, Eight Edition proliferación, inmunidad, apoptosis, y diferenciación celular.
- 21. VIA DE JAK/STAT…RECEPTOR DE CITOQUINAS Geoffrey M. Cooper, Robert E. Hausman. The Cell: A Molecular Approach, Eight Edition Continua cadena de fosforilacion a moleculas con dominio SH2
- 22. VIA DE JAK/STAT Geoffrey M. Cooper, Robert E. Hausman. The Cell: A Molecular Approach, Eight Edition Familia Janus kinase (JAK): - Kinasas asocidas con receptores de citoquinas - Target: proteinas STAT (signal transducers and activators of transcription) Factores de trasncripción puente entre los receptores de citoquina en la superficie celular y la regulación de expresión de genes en el nucleo. 4 tirosikinasas no receptores cercanas STAT inactivo en celulas no estimulados Receptor de citoquina estimulado Reclutadas, se unen por su dominio SH2 a secuencias que continen fosfotirosina del dominuio citoplasmatico de los receptores fosforiladas por prot JAK dimerizan se traslocan al nucleo estimula transcripción de los genes diana
- 23. IMPLICACIÓN CLÍNICA • Tratamiento para Acromegalia con pegvisomant: • Compite con la GH, GH no se une al receptor y no se dimeriza • Leptina • Adipocitos n. arcuato del hipotálamo suprime apetito • Déficit: obesidad masiva desde niños • Leptina recluta STAT3 como principal molécula señalizadora • La sustitución de la tirosina 1138 por serina bloquea completamente el reclutamiento de STAT3: Ratones obesidad similar a los que carecen de receptores de la leptina • Hematología: • Policitemia vera, Trombocitosis esencial, Leucemias • LLA-B mutaciones JAK 4-9% activación constitutiva de la vía JAK–STAT. JAK2 factor de mal pronóstico • Mutaciones missense posición R683 es común en el gen JAK2 (biomarcador para LLA-B) Williams, Tratado de Endocrinologia,2021
- 24. VÍA NF-κB Familia NF-κB Consiste en • 5 factores de transcripcion implicados en inmunidad e inflamación, regulación de proliferación y supervivencia. • Activados por variedad de estimulos: citoquinas, factores de crecimiento, virus, bacterias, daño del ADN • Esta presente en el receptor del factor de necrosis turmoral (TNF) y Toll-like receptors Esta via se une a factores de trasncripción estimulando la ubiquitilacion y degradación de una subunidad inhibitoria. Celula no estimulada: NF-κB unido a IκB, inactivandolo La fosforilación lo marca para ubiquitilación 3 cadenas polipeptidicas reclutan Geoffrey M. Cooper, Robert E. Hausman. The Cell: A Molecular Approach, Eight Edition
- 25. • Difieren en el receptor celular y adaptadores citoplasmáticos • No canónica: activación mas lenta VÍA NF-Κb CANONICA Y NO CANONICA • Homologia dominio de unión/dimerización de ADN (N-terminal) = dominio de homología Rel (RHD) • Unir promotores para modular expresión • RelA, c-Rel y RelB contienen dominios de activación transcripcional (TAD) (C-terminal) • Activar expresión génica objetivo • p50 y p52 (precursores p105 y p 100) no contienen TAD • Reprimen la transcripción a menos que estén unidos a una con TAD (RelA, c-Rel o RelB o Bcl-3 (coactivador transcripcional) NF-Kb familia de factores de transcripción, 5 miembros: RelA (p65), RelB, c-Rel, NF- Kb1 (p50), NF-Fb2 (p52) IκB familia con 7 miembros: IκBα, IκBβ, Bcl-3, IκBε, IκBγ, p100 y p105
- 26. VÍA Hedgehog Involucrada en el desarrollo embriológico, mantenimiento de cel madre Ligando: 3 Péptidos (paracrinos) • Hh: Sonic hedgehog (SHH) • Desert Hedgehog (DHH) • Indian Hedgehog (IHH) Receptor: Patched (PTCH1 o PTCH2) transmembrana de 12 dominios Cancer (CBC piel) Inhibe proteína transmembrana de 7 dominios Smoothened Suprime la inh Activa proteína relacionada GLI2 y 3 GLI retenidos en proteínas del cioesqueleto
- 27. • Sistema de señalización que activa factores de trasncripción inhibiendo su ubiquitinización y degradación • Involucra Embriogenesis, proliferación de celulas madre en tejidos adultos Proteinas Wnt • Familia de factores de crecimiento secretados • Unidas a un acido palmitoico • Se unen a receptors de la familia Frizzled y LRP Beta catenina: • Normalmente es una Proteina transmembrana que une caderinas a actinas • En esta via es regualdor de expresion genica: Activador trasncripcional Vía Wnt Geoffrey M. Cooper, Robert E. Hausman. The Cell: A Molecular Approach, Eight Edition Groucho Esta inactivando el TCF, pero es desplazado en concentraciones elevadas de Bcatenina
- 28. Vía Notch • Via importante en la comunicación cel-cel mediante proteinas trasnmembrana durante el Desarrollo Notch • Proteina grande • Dominio intracelular • Dominio transmembrana: receptor de proteinas trasnmembranas de la superficie de celulas vecinas clivaje CSL pasa de ser repressor a activador Geoffrey M. Cooper, Robert E. Hausman. The Cell: A Molecular Approach, Eight Edition Todo el complejo se traslada al nucleo P300 actúa como histona acetilasa conduce a la transcripción de genes Notch
Notas del editor
- Los estímulos ambientales a la célula producen Activacion e inhibición de numerosas vías intracelulares que al final responden sintetizando una proteína o dejandola de sintetizar
- Distintas formmas de comunicacion a corta distancia: autocrina, paracrine, y a larga distancia endocrina y sinaptica Endocrina: las hormonas se transportan en sangre a celulas diana lejanas Paracrina: la molecula liberada actua cercana a las celulas q tiene alrededor Autocrina la molecula liberada actua propiamente en la celula que la liberó y esta responde a esa señal
- Vías de señalización intracelular es la misma transducción de señales que hace que se conviertan las señales a una forma que se pueda ser interpretada por el receptor o diana.
- Inicia con activación del fosfatidil inositol, por tres maneras o vías distintas 2 de ellas activándose un receptor de membrana tirosin kinasa al cual se une un factor de crec extracelular Produce sitios de unión para la proteína fosfatidil inositol 3k esta activa como segundo mensajero al pip2 y este al pip 3 Pip 3 recluta una AKT (SERINA TRONINA QUINASA) esta fosforila diversas proteínas diana que se encargan de la supervivencia celular
- Akt inhibe el mTORC1 estimula síntesis de proteínas e inhibe apoptosis y estimula crecimiento celular. Via básica en suopervivencia y proliferación entendimiento de pcsos tumorales. Desarrollo de terapias para dreduccion de crecimiento del cancer
- Relacionada con anabolismo: la estimula la insulina, el igf1, esta hiper activada, aminoácidos metionina, stress, entrenamiento físico la activa. Esta via Ayuda a crecimiento muscular y osteogénesis, la via se actuiva para reparar lesiones Figure 17.26 The mTOR pathway Akt inhibits TSC, leading to activation of the GTPbinding protein Rheb and mTORC1 in response to growth factor stimulation. In contrast, AMPK activates TSC, leading to inhibition of Rheb and mTORC1 if cellular energy stores are depleted. mTORC1 is also inhibited by amino acid starvation. When active, mTORC1 stimulates translation by phosphorylating S6 kinase (which phosphorylates ribosomal protein S6) and by phosphorylating eIF4E binding protein1 (4EBP1), relieving inhibition of translation initiation factor eIF4E. In addition, mTORC1 inhibits autophagy. ///// The mTOR pathway is a central regulator of cell growth that couples the control of protein synthesis to the availability of growth factors, nutrients, and energy (Figure 17.26). This is accomplished via the regulation of mTOR by multiple signals, including the PI 3-kinase/Akt pathway. The mTOR protein kinase exists in two distinct complexes in cells. As discussed above, the mTORC2 complex is one of the protein kinases that phosphorylates and activates Akt (see Figure 17.24). In contrast, the mTORC1 complex is activated downstream of Akt and functions to regulate protein synthesis. mTORC1 is regulated by the Ras-related GTP-binding protein Rheb, which is in turn regulated by the GTPase-activating protein TSC. Akt phosphorylates and inhibits TSC, leading to activation of mTORC1 in response to growth factor stimulation. In addition, TSC is regulated by another protein kinase called the AMP-activated kinase (AMPK). AMPK senses the energy state of the cell and is activated by a high ratio of AMP to ATP. Under these conditions, AMPK phosphorylates and activates TSC, leading to inhibition of mTORC1 when cellular energy stores are depleted. mTORC1 is also regulated by the availability of amino acids, which are required for mTORC1 activity. mTORC1 phosphorylates at least two well-characterized targets that function to regulate protein synthesis: S6 kinase and eIF4E binding protein-1 (4E-BP1). S6 kinase controls translation by phosphorylating the ribosomal protein S6 as well as other proteins involved in translational regulation. The eIF4E binding protein controls translation by interacting with initiation factor eIF4E, which binds to the 5′ cap of mRNAs (see Figure 10.17). In the absence of mTORC1 signaling, nonphosphorylated 4E-BP1 binds to eIF4E and inhibits translation by interfering with the interaction of eIF4E with eIF4G. Phosphorylation of 4E-BP1 by mTORC1 prevents its interaction with eIF4E, leading to increased rates of translation initiation. In addition to stimulating protein synthesis, mTORC1 inhibits the degradation of cellular proteins by regulating autophagy. As discussed in Chapter 12, autophagy results in the degradation of cellular constituents by uptake into lysosomes (see Figure 12.36). When cells are starved of nutrients (e.g., energy sources or amino acids), mTORC1 activity is decreased, thereby stimulating autophagy and allowing cells to degrade nonessential proteins so their amino acids can be reutilized.
- Si se hiper activa Mtor: Proliferación celular indefinida cancer por anabolismo descontrolado. Se relaciona con obesidad , DM2, ECV
- ES UNA VIA DE CATABOLISMO O STRESS ES UN SENSOR DE ENERGIA QUE AYUDA AL ORGANISMO A LIBERAR ENERGIA. OSEA SE ACTIVA CUANDO FALTA ENERGIA RATIO AMP (Elevado) /ATP (Bjo) hace que se active AMP K . Ayuda a la genesis mitochondrial, regula apoptosis celuar (aparicion de celulas malignas), regula laautofagia. Activa receptors Tirosinekinasa y No tirosinekinasa Serie de proteinas activadas y con rta a factores de crecimiento y diferenciación Pertencen a la familia ERK (extracellular signal-regulated kinase) :
- La señalización de la MAP quinasa es una de las vías más importantes de transducción de la señal tanto de receptores tirosina quinasa como de los no receptores. Esta vía se refiere a una cascada de proteínas quinasas las cuales se encuentran altamente conservadas en la evolución y tienen un rol central en la transducción de la señal en todas las células eucariotas. los elementos centrales en esta vía son una familia de quinasas serina treonina llamadas map kinasa las cuales son quinasas activadas por mitógenos y se activan por una variedad de factores de crecimiento y otras moléculas de señalización. La familia ERK fueron de las inicialmente caracterizadas y son las quinasas reguladoras de las señales extracelulares. Su principal función se ha caracterizado por los estudios de las proteínas ras las cuales como ya habíamos visto participan en la función de activación de estas vías.
- MAP cinasa fosforilada por MAP cinsa-cinasa, esta es activada por map cinsa-cinsa-cinsa, que es activada por ras Al final: estimualn factores de trasncrición para diferenciacion cellular, proliferacion y supervivencia La hiper activacion de MAP kinasa: Caquexia osteoporosis disminucion de inmunidad. Desnutricion Las fosfatasas específicas de tirosina rápidamente reversan la fosforilación y hacen que RAS se inactivE en sí mismo por la hidrólisis O desunión de GTPA GDP. Para estimular a las células a proliferar o diferenciarse estos eventos de señalización se deben convertir en eventos más largos que puedan sostener la señal y transmitirla al núcleo para alterar así el patrón de expresión génica. y uno de los mecanismos claves usados para este propósito es precisamente el sistema de proteínas llamado las map quinasas. Los 3 componentes de este sistema forman un módulo de señalización funcional que son todos proteínas quinasas. La quinasa final en esta serie se llama map kinasa. Las que se encuentran en la cascada de señalización por encima de esta la fosforilan y por tanto la activa. Los nombres que se les dan a estas son raf o map kinasa kinasa kinasa, mek, erk.
- MAP kinase signaling is one of the major pathways of signal transduction activated downstream of both receptor and nonreceptor tyrosine kinases. The MAP kinase pathway refers to a cascade of protein kinases that arehighly conserved in evolution and play central roles in signal transduction in all eukaryotic cells ranging from yeasts to humans. The central elements in the pathway are a family of serine/threonine kinases called the MAP kinases (mitogen-activated protein kinases) that are activated in response to a variety of growth factors and other signaling molecules. In yeasts, MAP kinase pathways control a variety of cellular responses, including mating, cell shape, and sporulation. In higher eukaryotes (including C. elegans, Drosophila, frogs, and mammals), MAP kinases are ubiquitous regulators of cell growth and differentiation. The MAP kinases that were initially characterized in mammalian cells belong to the ERK (extracellular signal-regulated kinase) family. The central role of ERK signaling in mammalian cells emerged from studies of the Ras proteins, which were first identified as the oncogenic proteins of tumor viruses that cause sarcomas in rats (hence the name Ras, from rat sarcoma virus). Interest in Ras intensified considerably in 1982 when mutations in ras genes were first implicated in the development of human cancers (discussed in Chapter 20). The importance of Ras in intracellular signaling was then indicated by experiments showing that active Ras directly induces proliferation of normal mammalian cells. Conversely, interference with Ras function blocks growth-factor–induced cell proliferation. Thus Ras is not only capable of inducing the abnormal growth characteristic of cancer cells but is also required for the response of normal cells to growth factor stimulation. The Ras proteins are guanine nucleotide-binding proteins that function analogously to the α subunits of G proteins, alternating between inactive GDP-bound and active GTP-bound forms (Figure 17.19). In contrast with the G protein α subunits, Ras functions as a monomer rather than in association with βγ subunits. Ras activation is mediated by guanine nucleotide exchange factors (GEFs) that stimulate the release of bound GDP and its exchange for GTP. Activity of the Ras–GTP complex is then terminated by GTP hydrolysis, which is stimulated by the interaction of Ras–GTP with GTPase-activating proteins (GAPs). It is interesting to note that the mutations of ras genes in human cancers have the effect of inhibiting GTP hydrolysis by the Ras proteins. These mutated Ras proteins therefore remain continuously in the active GTP-bound form, driving the unregulated proliferation of cancer cells even in the absence of growth factor stimulation. The best-understood mode of Ras activation is that mediated by receptor tyrosine kinases (Figure 17.20). Autophosphorylation of these receptors leads to the binding of Ras GEFs via their SH2 domains. This localizes the GEFs to the plasma membrane where they are able to interact with Ras proteins, which are anchored to the inner leaflet of the plasma membrane by lipids attached to the Ras C terminus (see Figure 15.8). The GEFs then stimulate the exchange of GDP for GTP, resulting in formation of the active Ras–GTP complex. In its active GTP-bound form, Ras interacts with a number of effector proteins, including the Raf serine/threonine kinase. Raf then phosphorylates and activates a second protein kinase, called MEK (MAP kinase/ERK kinase). MEK is a dual-specificity protein kinase that activates members of the ERK family by phosphorylation of both threonine and tyrosine residues separated by one amino acid (e.g., threonine-183 and tyrosine-185 of ERK2). Once activated, ERK phosphorylates a variety of target proteins, including other protein kinases and transcription factors. A fraction of activated ERK translocates to the nucleus where it regulates transcription factors by phosphorylation (Figure 17.21). In this regard, it is notable that a primary response to growth factor stimulation is the rapid transcriptional induction of a family of approximately 100 genes called immediate early genes. The induction of many immediate early genes is mediated by a regulatory sequence called the serum response element (SRE), which is recognized by a complex of transcription factors including the serum response factor (SRF) and Elk-1. ERK phosphorylates and activates Elk-1, providing a direct link between the ERK family of MAP kinases and immediate early gene induction. Many immediate early genes themselves encode transcription factors, so their induction in response to growth factor stimulation leads to altered expression of a battery of other downstream genes called secondary response genes. As discussed in Chapter 18, these alterations in gene expression directly link ERK signaling to the stimulation of cell proliferation induced by growth factors. Both yeasts and mammalian cells have multiple MAP kinase pathways that control distinct cellular responses. Each cascade consists of three protein kinases: a terminal MAP kinase and two upstream kinases (analogous to Raf and MEK) that regulate its activity. In the yeast S. cerevisiae, five different MAP kinase cascades regulate mating, sporulation, filamentation, cell wall remodeling, and response to high osmolarity. In mammalian cells, multiple groups of MAP kinases have been identified. In addition to members of the ERK family, these include the JNK and p38 MAP kinases, which are preferentially activated in response to inflammatory cytokines and cellular stress (e.g., ultraviolet irradiation) (Figure 17.22). The JNK and p38 MAP kinase cascades are activated by members of the Rho subfamily of small GTP-binding proteins (including Rac, Rho, and Cdc42) rather than by Ras. Whereas ERK signaling principally leads to cell proliferation, differentiation, and survival, the JNK and p38 MAP kinase pathways often lead to inflammation and cell death. Like ERK, the JNK and p38 MAP kinases can translocate to the nucleus and phosphorylate transcription factors that regulate gene expression. Multiple MAP kinase pathways thus function in all types of eukaryotic cells to control cellular responses to diverse environmental signals. The specificity of MAP kinase signaling is maintained at least in part by the organization of the components of each MAP kinase cascade as complexes that are associated with scaffold proteins, which organize complexes of signaling molecules. For example, the KSR scaffold protein organizes ERK and its upstream activators Raf and MEK into a signaling cassette (Figure 17.23). As a result of the specific association of these protein kinases on the KSR scaffold, activation of Raf by Ras leads to specific and efficient activation of MEK, which in turn activates ERK. Following phosphorylation by MEK, ERK dissociates from KSR and can translocate to the nucleus. Distinct scaffold proteins are involved not only in the organization of other MAP kinase signaling complexes but also in the association of other downstream signaling molecules with their receptors and targets. The physical association of signaling pathway components as a result of their interaction with scaffold proteins plays an important role in determining the specificity of signaling pathways within the cell ////////////////Figure 17.20 Activation of Ras, Raf, and ERK downstream of receptor tyrosine kinases Growth factor binding to a receptor tyrosine kinase leads to autophosphorylation and formation of binding sites for the SH2 domain of a guanine nucleotide exchange factor (GEF). This interaction recruits the GEF to the plasma membrane, where it can stimulate Ras GDP/GTP exchange. The activated Ras–GTP complex then activates the Raf protein kinase. Raf phosphorylates and activates MEK, a dualspecificity protein kinase that activates ERK by phosphorylation on both threonine and tyrosine residues (Thr183 and Tyr185). ERK then phosphorylates a variety of nuclear and cytoplasmic target proteins
- Figure 17.22 Pathways of MAP kinase activation in mammalian cells In addition to ERK, mammalian cells contain JNK and p38 MAP kinases. Activation of JNK and p38 is mediated by members of the Rho subfamily of small GTPbinding proteins (Rac, Rho, and Cdc42), which stimulate protein kinase cascades parallel to that responsible for ERK activation. The protein kinase cascades leading to JNK and p38 activation appear to be preferentially activated by inflammatory cytokines or cellular stress and generally lead to inflammation and cell death. //// Figure 17.23 A scaffold protein for the ERK MAP kinase cascade The KSR scaffold protein binds Raf, MEK, and ERK, organizing these components of the ERK MAP kinase pathway into a signaling complex
- La superfamilia RAS consiste de varias familias de GTPasas monoméericas pero solo la familia ras y Rho transmiten señales desde los receptores de superficie celular. Hay 3 tipos mayores de proteínas tipo ras que se encuentran estrechamente relacionadas en los humanos y son la tipo h, K Y N ras. aunque ellas tienen funciones diferentes sutiles trabajan en el mismo camino y por esa razón siempre se denominan como RAS
- Una proteína llamada GRB 2 la cual RECONOCE UNA TIROSINA FOSFORILADA ESPECÍFICA EN EL RECEPTOR ACTIVADO POR MEDIO DE UN DOMINIO SH2 Y RECLUTA SOS POR MEDIO DE DOS DOMINIOS SH3. SOS ESTIMULA RAS INACTIVO AL REEMPLZAR GDP POR GTP Y TRANSMITE LA SEÑAL.
- Las fosfatasas específicas de tirosina rápidamente reversan la fosforilación y hacen que RAS se inactivE en sí mismo por la hidrólisis O desunión de GTPA GDP. Para estimular a las células a proliferar o diferenciarse estos eventos de señalización se deben convertir en eventos más largos que puedan sostener la señal y transmitirla al núcleo para alterar así el patrón de expresión génica. y uno de los mecanismos claves usados para este propósito es precisamente el sistema de proteínas llamado las map quinasas. los 3 componentes de este sistema forman un módulo de señalización funcional que son todos proteínas quinasas. La quinasa final en esta serie se llama map kinasa. Las que se encuentran en la cascada de señalización por encima de esta la fosforilan y por tanto la activa. Los nombres que se les dan a estas son raf o map kinasa kinasa kinasa, mek, erk. ERK entra al núcleo y fosforila uno o mas componentes de complejos regulatorios de transcripción The three-component module begins with a MAP kinase kinase kinase called Raf. Ras recruits Raf to the plasma membrane and helps activate it. Raf then activates the MAP kinase kinase Mek, which then activates the MAP kinase Erk. Erk in turn phosphorylates a variety of downstream proteins, including other protein kinases, as well as transcription regulators in the nucleus. The resulting changes in protein activities and gene expression cause complex changes in cell behavior.
- La activación del ras está mediada por factores intercambiadores de nucleótidos los cuales estimulan la liberación de la unión del GDP Y su intercambio por el GTP. El modo mejor entendido de activación RAS está mediado por los receptores de la tirosina kinasa. La gráfica muestra que los factores de crecimiento se unen al receptor de tirosina quinasa llevando a una auto fosforilación y la formación de los sitios de unión por medio del dominio SH 2 a un GEF. está interacción recluta los GEF en la membrana plasmática los cuales pueden estimular el intercambio ras GDP/GTP.
- Activacion de receptores no tirosin kinasa por fosforilación de estos. Al final el target son las proteínas STAT con su receptor SH2
- Hormonas como la del crecimiento y citocinas utilizan la vía JAK/STAT
- The cAMP, MAP kinase, and PI 3-kinase pathways are examples of indirect connections between the cell surface and the nucleus in which a cascade of second messengers and protein kinases ultimately leads to transcription factor phosphorylation. Several other types of growth factor receptors (examples of which are discussed in this section) are more directly coupled to transcription factors that play key roles in cell proliferation, differentiation, and survival. The TGF-β/Smad pathway The TGF-β/Smad pathway is similar to JAK/STAT signaling (see Figure 17.17) in that a protein kinase associated with a receptor directly phosphorylates and activates a transcription factor. However, the receptors for transforming growth factor β (TGF-β) and related polypeptides are protein kinases that phosphorylate serine or threonine, rather than tyrosine, residues on their substrate proteins. TGF-β is the prototype of a family of polypeptide growth factors that control proliferation and differentiation of a variety of cell types. The cloning of the first receptor for a member of the TGF-β family in 1991 revealed that it is the prototype of a unique receptor family with a cytosolic serine/threonine kinase domain. Since then, receptors for additional TGF-β family members have similarly been found to be serine/threonine kinases. The TGF-β receptors are composed of two distinct polypeptides (designated type I and type II) that become associated following ligand binding (Figure 17.27). The type II receptor then phosphorylates the type I receptor, which in turn phosphorylates transcription factors of the Smad family. The phosphorylated Smads form complexes that translocate to the nucleus and stimulate expression of target genes. It should be noted that there are at least 30 different members of the TGF-β family in humans, which elicit different responses in their target cells. This is accomplished by combinatorial interactions of seven different type I receptors and five type II receptors, which lead to activation of different members of the Smad family (a total of eight family members). ////// Figure 17.27 Signaling from TGF-β receptors TGFβ receptors are dimers of type I and II polypeptides. The type II receptor phosphorylates and activates type I, which then phosphorylates a Smad protein. Phosphorylated Smads form complexes and translocate to the nucleus to activate transcription of target genes
- En la imagen vemos la señalización de NF KB desde el receptor de TNF. Permite que el NFKB se transloque al núcleo permitiendo transcripción de genes diana
- , que se caracterizan por la presencia de repeticiones de ankirina.
- Juega un papel esencial en la regulación de la organogénesis de los vertebrados, como el crecimiento de las falanges de las extremidades y la organización del cerebro. -En el embrión inducen la diferenciación celular, y generan barreras entre tejidos. Para que una proteína hedgehog sea funcional debe estar acoplada a una molécula de colesterol. Esta unión tiene como resultado adicional, una mayor capacidad de difusión entre tejidos.4
- A Ausencia WNT el resultado es una ubiquitilizacion y degradación de la catenina. Fig b: WNT se une a receptores Frizz y LRP esto ocasiona que la B catenina forme un complejo con los facts de transcripción TCF convirtiéndose de relpresor a activador de genes diana
- En la imagen vemos como se libera el dominio de NOTCH e interacciona con el factor de transcripción CSL PARA INDUCIR LA EXPRESION GENICA
- We have so far discussed signaling in terms of linear pathways that transmit information from the environment to intracellular targets. However, signaling within the cell is far more complicated. First, the activities of individual pathways are regulated by feedback loops that control the extent and duration of signaling activity. In addition, signaling pathways do not operate in isolation; rather, there is frequent crosstalk between different pathways, so that intracellular signal transduction ultimately needs to be understood as an integrated network of connected pathways. As discussed in Chapter 5, computational modeling of the dynamic behavior of such signaling networks (see Figure 5.20) is a focus of current research in systems biology. Feedback loops and signaling dynamics The activity of signaling pathways is controlled by feedback loops, which are similar in principle to feedback regulation of metabolic pathways (see Figure 2.31). A good example of a negative feedback loop is provided by the NF-κB pathway (Figure 17.31). NF-κB is activated by signals that lead to proteolysis of the inhibitor IκB, allowing NF-κB to translocate to the nucleus and induce expression of its target genes (see Figure 17.28). One of the target genes induced by NF-κB encodes IκB, so NF-κB signaling leads to the synthesis of new IκB, which inhibits continued NF-κB activity. This regulation is critical because the extent and duration of NF-κB activity can determine the transcriptional response of the cell. For example, some target genes are induced by transient NF-κB activity, persisting for only 30–60 minutes, whereas the induction of other genes requires several hours of sustained NF-κB signaling. Signaling by the ERK MAP kinase provides another example of the importance of the duration of signaling. In a well-studied model of cell differentiation in response to nerve growth factor (NGF), ERK signaling can lead either to cell proliferation or to neuronal differentiation depending on the duration of ERK activity. In particular, transient activation of ERK (for 30–60 minutes) stimulates cell proliferation, but sustained activation of ERK for 2–3 hours induces differentiation of the NGF-treated cells into neurons. Although the mechanism by which these differences in the duration of ERK activity lead to such distinct biological outcomes remains to be understood, it is clear that quantitative considerations of signaling activity are critical to cell response. Networks and crosstalk Crosstalk refers to the interaction of one signaling pathway with another, which integrates the activities of different pathways within the cell. For example, there is extensive crosstalk between the PI 3-kinase/Akt/mTORC1 and Ras/Raf/MEK/ERK pathways (Figure 17.32). These two signaling pathways are activated downstream of tyrosine kinase receptors and play critical roles in the control of cell proliferation and survival. The crosstalk between them includes both positive and negative points of regulation, which serve to coordinate their activities within the cell. The extensive crosstalk between individual signal transduction pathways means that multiple pathways interact with one another to form signaling networks within the cell. A full understanding of cell signaling will therefore need to go beyond the analysis of individual pathways to the development of network models that predict the dynamic behavior of the interconnected signaling pathways that ultimately result in a biological response. //////////////////////////// Figure 17.31 Feedback inhibition of NF-κB NFκB is activated as a result of phosphorylation and degradation of IκB (see Figure 17.28), allowing NFκB to translocate to the nucleus and activate transcription of target genes. One of the genes activated by NFκB encodes IκB, generating a feedback loop that inhibits NFκB act Figure 17.32 Crosstalk between the ERK and PI 3-kinase signaling pathways The Ras/Raf/ MEK/ERK and PI 3kinase/Akt/mTORC1 pathways are connected by both positive and negative crosstalk, including activation of PI 3kinase by Ras, inhibition of Raf by Akt, inhibition of TSC by ERK, and activation of mTORC1 by ERK