Přenos signálů v buňkách

Existují 2 mechanismy této interakce buňka-buňka.

• První komunikační systém se děje cestou přímého kontaktu (ligand-receptor) pomocí adhezních molekul lokalizovaných na povrchu buněk.
• Druhý je realizován solubilními faktory jako jsou cytokiny.

Adhezní molekuly

Různé typy embryonálních tkání (které se oddělí na jednotlivé buňky mnohem snadněji než tkáně dospělé) se po disociaci na jednotlivé buňky (v tkáňové kultuře) opět sdružují, a to tak, že k sobě přilnou (adherují) vždy buňky stejného původu, jako jater, ledviny, sítnice apod. Adheze buněk je podmíněna účastí adhezních proteinů. Jde o různorodou skupinu proteinů, které tvoří i specifické receptory na povrchu buněk. Jsou důležité pro:

• organizaci extracelulární matrix,
• regulaci buněčné interakce,
• ovlivnění migrace a utváření tvaru buněk.

Adhezní proteiny obsahují několik specializovaných domén. Všechny obsahují doménu, která se napojuje na buněčný povrch, jiná doména interaguje s kolagenem a další se váže na proteoglykany. Tripeptidová sekvence arginin-glycin-aspartát (RGD-sekvence) je nezbytná pro adhezivní schopnost buněk k extracelulární matrix. Podle struktury se dělí do několika rodin:

Nadrodina imunoglobulinů

Čítá více než 70 členů, patří sem receptory T-buněk, imunoglobuliny, MHC-molekuly,CD2, CD3, CD4, CD8, NCAM, ICAM1-5, VCAM-1, PECAM-1. Všechny obsahují jednu nebo více Ig-domén jako základní motiv aminokyselinové sekvence. Členové imunoglobulinové rodiny se mohou vázat sami mezi sebou, kupř. MHC-molekuly se váží na receptory T-buněk nebo s integriny jako ICAM-1 se váže na LFA-1 a Mac-1 nebo s různými přídatnými receptory jako je interakce ICAM-1 a CD43. Její členové se vyskytují převážně v nervové tkáni. Ve své struktuře mají 2 základní domény:

1. opakující se klička homologní s imunoglobuliny provázaná disulfidickou vazbou,
2. opakující se sekvence (asi 100 aminokyselin) homologní s fibronektinem.

Mezi nejznámější patří:

N-CAM (nerve-cell adhesion molecule)

Název říká, že jsou velmi důležité pro nervovou tkáň. Objevují se při začátku morfogeneze, rovnoměrně rozdělené podél neurální trubice. Začnou-li nervové buňky migrovat, N-CAM vymizí, ale opět se objeví, když migrace ustane a objeví se ganglia. Adhezní vlastnosti N-CAM jsou modulovány dlouhým řetězcem sialové kyseliny. Více sialinizované ztrácejí svoji homofilii pro repulzi mezi negativními náboji sialové kyseliny.

Selektiny

Tvoří malou rodinu, složenou ze 3 členů: selektin E, P a L. Na rozdíl od jiných adhezních molekul, které váží různé proteiny, selektiny se váží na sacharidy jako kupř. na PSGL-1 (P-selectin Glycoprotein Ligand-1). Strukturu selektinu tvoří:

• N-terminální Ca-dependentní lektinová doména,
• doména podobná epidermálnímu růstovému faktoru (EGF- like domain) napojená na několik opakujících se úseků,
• transmembránová oblast,
• cytoplasmatický konec.

Kontakt mezi leukocyty cirkulujícími v krvi a endotelovými buňkami cévní stěny je zprostředkován specifickými adhezními molekulami, kde hraje důležitou úlohu P-selektin. Jde o lektin tj. protein, který se váže na sacharidové molekuly. Selektiny se váží na specifické oligosacharidové sekvence glykoproteinů a glykolipidů. Ligandem pro P-selektin je oligosacharidová sekvence zvaná sialyl-Lewis-x antigen, která se vyskytuje v abundantním množství na povrchu leukocytů. Sialyl-Lewis antigen obsahuje 4 sacharidy, velmi specificky k sobě vázané (od konce: sialová kyselina – galaktosa –N-acetylglukosamin (a fukosa) – zbytek oligosacharidového řetězce).

Integriny

Integriny jsou hlavními mediátory adheze mezi buňkami a extracelulární matrix (integriny „integrují“ intracelulární cytoskeleton s extracelulární matrix). Jsou to membránové glykoproteiny tvořené dvěma podjednotkami (a a b). Jednotlivé integriny mohou vázat více ligandů a individuální molekuly matrix jsou schopny vázat více integrinů. Po chemické stránce jde o heterodimery a- a b-podjednotek.

Regulace integrinové aktivity

Samotná přítomnost integrinu na povrchu buňky nestačí k vazbě příslušné ligandy. Je k tomu potřeba aktivace. Příkladem mohou být krevní destičky. Teprve po aktivaci destiček kolagenem nebo trombinem může integrin aIIbb3 vázat fibrinogen. Tato interakce urychluje tvorbu trombu. Při této aktivaci dochází ke konformačním změnám proteinů cytoskeletu destiček, což umožní vazbu cytoskeletového proteinu na cytosolovou doménu integrinu. Pacienti s genetickým defektem b3–integrinové podjednotky jsou náchylní k nadměrnému krvácení. Integriny mají relativně nízkou afinitu ke svým ligandům. Tato nízká vazebnost je kompenzována velkým počtem (stovek až tisíců na jedné buňce) integrinových molekul, které zakotvují buňky k extracelulární matrix. Na druhé straně v situaci, kdy buňka má putovat (migrace), tato relativně slabá vazba jednotlivých integrinů s různými ligandami umožňuje současně odpoutání (deaktivaci) kupř. od extracelulární matrix a zachycení (při aktivaci) na specifický cytosolový protein.

Rodina kadherinů

je tvořena Ca-dependentními adhezními molekulami, které zprostředkovávají především homotypovou adhezi buňka-buňka. Mohou být tedy jak ligandem, tak receptorem. Jsou odpovědné za:

• selektivní adhezi mezi buňkami nebo roztřídění buněk (což je nezbytné pro umístění různých typů buněk do předem určeného místa během vývoje),
• udržení integrity multicelulárních organismů,
• diferenciaci buněk a vytváření struktur.

Jsou rozšířeny prakticky ve všech tkáních. V mozku je největší počet různých typů; dochází zde k vytváření množství velmi specifických kontaktů mezi buňkami. I když je známo více než 30 různých typů kadherinů, 50–60 % aminokyselinové sekvence je identická.

E-kadherin

Označovaný také jako uvomorulin je intercelulárním pojítkem, které drží vrstvy epiteliálních buněk u sebe. Vrstvy polarizovaných epiteliálních buněk, jako jsou epitelie sliznice střevní nebo renálních tubulů, obsahují abundantní množství E-kadherinu na laterální straně buněk.

Jiné adhezní molekuly

CD44

Velmi rozšířený glykoprotein. Je na hematopoetických buňkách (B- a T-buňky, monocyty, neutrofily), epitelových buňkách, fibroblastech, neurogliích. Existují různé varianty CD44. Standardní typ váže hyaluronát, varianty pak fibronektin, laminin, kolagen. CD44 vykazují též homotypovou interakci. Jsou důležité pro řadu imunitních reakcí, zejména pro interakci mezi leukocyty a endotelovými buňkami při migraci leukocytů do míst zánětu.

VAP-1 (Vascular Adhesion Protein-1)

Je mediátorem vazby lymfocytů na endotelovou buňku (především na endotelové buňky venul periferních mízních uzlin). Exprese VAP-1 je indukována při chronických zánětech v cévách tonzil, střeva, kůže a synovie. Nalézá se též v jaterních sinusoidech, na cervixu a vaginální mukóze. Není na cirkulujících leukocytech v krvi. Je výrazně exprimován u psoriázy a alergických lézí, dále u zánětů tlustého střeva, chronických dermatóz. Zvýšená hladina je též u onemocnění jater.

Extravazace

Monocyty (prekurzory makrofágů), které pohlcují a tráví cizorodé substance, neutrofily uvolňující antibakteriální proteiny a T- a B-lymfocyty účastnící se imunitního obranného mechanismu se musí při infekci organismu dostat na postižené místo, kde vyvolají obrannou reakci (zánět). Výše zmíněné buňky cirkulující v krvi se musí nahromadit na postiženém místě, proniknout stěnou cévy a zahájit proces obrany v intersticiu. Tomuto jevu se říká extravazace (zachycení na stěně a průnik).

Sled pochodů při extravazaci

Volný leukocyt v krevním oběhu → koulející se leukocyt po stěně cévy → adheze k endotelu → extravazace → invaze do intersticia.

Cytokiny

Cytokiny jsou početnou, ale jedinečnou skupinou proteinových mediátorů, které jsou secernovány většinou T-lymfocyty (CD4+) a makrofágy, ale též jinými buňkami. Cytokiny produkované leukocyty se nazývají interleukiny (leukocyty se jimi ovlivňují navzájem). Z lymfocytů jsou secernovány lymfokiny a z makrofágů a monocytů monokiny. Cytokiny hrají důležitou úlohu při:

• aktivaci efektorové fáze vrozené i specifické imunity,
• kontrolují vývoj a funkci buněk imunitního systému, stejně tak i jiných buněk,
• jsou významnými molekulami, které mohou ovlivňovat proliferaci, diferenciaci a migraci buněk.

Na rozdíl od hormonů jsou cytokiny produkovány nikoliv v žlázových útvarech, ale různými jednotlivými buňkami, především působí lokálně: parakrinně nebo autokrinně, nikoliv jako hormony endokrinně. Cytokiny mají pleiotropní účinek (jeden cytokin má více efektů); působí i redundantně (více cytokinů má stejný účinek) a někdy též antagonisticky (jeden cytokin inhibuje jiné). Jejich aktivitu lze rozdělit do pěti větších okruhů:

• vývoj humorální a buněčné imunitní odpovědi,
• navození zánětlivé reakce,
• regulace hematopoeze,
• kontrola buněčné proliferace a diferenciace,
• indukce hojení poranění.

Účinek jednotlivých cytokinů je dosti obtížné předpovědět. Nevykonávají jej samy ale spolu s jinými cytokiny nebo dalšími molekulami, a to jak synergicky tak antagonisticky. Cytokiny obvykle startují kaskádu produkce dalších cytokinů, ve které následující cytokin může ovlivnit předcházející. Cytokiny sice nemají samy antigenovou specifitu, ale cytokinové receptory, které jsou exprimovány na povrchu buněk, které byly předtím aktivovány antigenem, realizují antigen-specifickou imunitní odpověď. Cytokiny secernované primárně z leukocytů stimulují humorální a celulární imunitní odpověď, stejně jako aktivaci fagocytů. Některé cytokiny jsou exprimovány na povrchu buněk, jiné mohou být skladovány v extracelulární matrix. Jsou většinou produkovány po velmi krátké období po aktivaci buňky při imunitní nebo zánětlivé odpovědi.

Z historického hlediska mohou být cytokiny rozděleny podle jejich hlavního účinku do pěti tříd:

• Interleukiny (IL-1 až IL-18) – regulují interakci mezi leukocyty; některé jsou růstovými faktory zaměřené na hematopoetické buňky.
• Interferony (a, b, g, w) – jsou produkovány jako odpověď na virovou infekci. Jsou však i potentními imunomodulátory. Mohou podporovat nebo tlumit tvorbu protilátek z aktivovaných B-lymfocytů, dále mohou aktivovat makrofágy, NK-buňky a T-lymfocyty. Mají též přímou antiproliferační aktivitu a jsou cytostatické nebo cytotoxické vůči různým typům nádorových buněk.
• Chemokiny – působí při chemotaxi nebo zánětu (kupř. IL-8). Jsou to multipotentní cytokiny, které lokalizují nebo podporují zánětlivou reakci navozením chemotaxe (přitahováním zánětlivých buněk do místa afekce) a především aktivací zánětlivých buněk v postiženém místě. Jsou též nezbytnými mediátory pro normální migraci leukocytů.
• Faktory stimulující kolonie (CSF) – ovlivňují růst a množení určitých typů progenitorových buněk. Kupř. G-CSF je faktor stimulující kolonie progenitorových buněk granulocytů k proliferaci a diferenciaci. M-CSF ovlivňuje proliferaci a diferenciaci kmenových buněk na makrofágy, především diferenciaci na monocyty. GM-CSF je odpovědný za růst a vývoj progenitorů jak granulocytů, tak makrofágů.
• Tumor-nekrotizující faktory (TNF) – jsou odvozeny od makrofágů, mají antitumorovou aktivitu. Rodina TNF se skládá ze dvou molekulových jedinců, TNFa a TNFb. TNFa navozuje expresi jiných autokrinních růstových faktorů, zvyšuje odpověď buněk na růstové faktory a indukuje signální dráhy, které vedou k proliferaci. Kromě toho navozuje expresi řady proto-onkogenů v jádřě, stejně jako jiných interleukinů. TNFb je charakterizován schopností ničit řadu různých typů buněk nebo indukovat u jiných terminální diferenciaci. Indukce TNFb má za následek zvýšení IL-2 a interakci antigenu s receptory na T-buňkách.

Podle hlavního účinku můžeme cytokiny klasifikovat do 4 velkých skupin:

Prozánětlivé cytokiny

Patří sem TNF, IL-1, IL-6. Jsou hlavními molekulami, které navozují a posilují každou zánětlivou odpověď. Jsou secernovány většinou buněk už v počáteční fázi zánětu. Jejich účinek spočívá ve změnách v místě postižení:

• mobilizace buněk prezentujících antigen,
• aktivace endotelových buněk k expresi adhezních molekul.

To se projeví vývojem a pomnožením zánětlivých buněk (leukocytů a monocyto/ makro-fágů). IL-1 a TNF také působí systémově a vedou k navození reakce akutní fáze, včetně vzniku horečky.

Chemokiny

IL-8 je prototypem, má chemoatrakční účinek pro všechny známé migrující imunokompetentní buňky, IL-16 navozuje migraci u T-lymfocytů (CD4+), též u monocytů a eosinofilů; IL-3 je chemoatraktantem pro eosinofily. Chemokiny vytvářejí jakousi síť nad endotelovými buňkami a jsou potřebné pro vznik adhezních molekul na povrchu leukocytů. Vytvářejí též chemotaktický gradient pro pohyb zánětlivých buněk.

Cytokiny pro hematopoezu

Faktory stimulující kolonie (G-CSF, M-CSF, MG-CSF) a některé cytokiny (jako IL-3) hrají klíčovou úlohu pro vývoj zánětlivých buněk z progenitorů v kostní dřeni. Některé cytokiny indukují též specifickou diferenciaci z hematopoetických kmenových buněk.

Imunomodulační cytokiny

Patří k nim především IL-2, IL-4, IL-5, IFNg a další. Jsou důležité zejména pro rozvoj T- a B-buněk po stimulaci. Navozují jak aktivaci, stejně jako určují typ imunitní odpovědi.

Cytokiny secernované TH-lymfocyty (CD4+)

Účinek cytokinů Typu 1

• IL-2 - po iniciální stimulaci TH-lymfocytů (pomáhajících T-lymfocytů) buňkami prezentujícími antigen, je secernován IL-2, který buňky aktivuje jako antigen i jako mitogen zralé klidové T-lymfocyty. IL-2 interakcí se svým vysoce afinitním receptorem podporuje klonální expanzi efektorových T-buněk, původně aktivovaných antigenem.
• IL-12 přímo navozuje iniciální vývoj Th1 buněk a tvorbu Th1 buněk secernujících IFNg. IL-12 je také asi supresorem produkce IgE navozené IL-4. IFNg kontroluje třídu protilátek tvořených B-buňkami, snižuje expresi antigenového komplexu MHC I. a II. třídy a zvyšuje účinnost zneškodňování intracelulárních parazitů pomocí makrofágů.

Účinek cytokinů Typu 2

• IL-4 Th2-buňkami vyvolává v rámci humorální odpovědi selektivní produkci isotypů imunoglobulinů IgG, IgA a IgE. IL-4 reguluje expresi povrchových antigenů na B-buňkách, což má za následek podporu antigen-prezentující kapacitu B-buněk.
• IL-5 hraje důležitou úlohu jako eosinofilní hematopoetický růstový faktor. Také modifikuje funkci bazofilů a navozuje jejich diferenciaci. Má velmi důležitou úlohu ve vzniku přecitlivělostní reakce a jiných chorob sdružených s infiltrací eosinofily. IL-5 také stimuluje B-buňky k diferenciaci na buňky secernující imunoglobuliny.
• IL-10 vykonává široké spektrum aktivity na řadu buněk jak s imunosupresivním, tak imunostimulačním efektem. IL-10 produkovaný Th2-buňkami inhibuje produkci cytokinů, hlavně IFNg, tvořenými v Th1-buňkách po aktivaci antigenem. Je též potentním regulátorem tlumícím buňkami zprostředkovanou imunitní odpověď, což způsobuje jeho silný protizánětlivý účinek.
• IL-13 je pleiotropní cytokin, produkovaný aktivovanými Th2-buňkami. Má asi vliv na morfologii a vznik fenotypů u monocytů navozenou expresí IgE-receptorů a potlačením exprese komplxu MHC II. třídy. Také se účastní přesmyku produkce IgE a IL-4-dependentního IgG4 a syntézy IgE v přítomnosti T-buněk.

Cytokinové receptory

Účinek cytokinů, kterým ovlivňují růst a diferenciaci buněk, je odvislý od jejich rozpoznání a vazbě na specifické receptory. Tyto receptory lokalizované na buněčné membráně převádějí příslušný signál do nitra buňky, kde spouštějí signální kaskádu. Vazba s příslušným ligandem dá vzniknout aktivnímu vícesložkovému komplexu, což často spočívá v oligomerizaci ligand-vázajících podjednotek s následnou transdukcí signálu až do buněčného jádra. Cytokinové receptory lze podle jejich základní struktury klasifikovat do 4 skupin:

• Nadrodina IL-1 receptorů: IL-R1I, IL-1-RII, IL-1RAcP, IL-18Ra, IL-18Rb; CSF-1R, PDGF-Rb.
• Třída I (pro hematopoetiny): IL-2Rb, IL-2Rg, IL-3Ra,b, IL-4Ra, IL-5Ra, IL-6Ra, IL-7a, IL-9R, IL-11R(gp130), IL-12Rb1,b2, IL-13R, IL-15R, GM-CSF-Ra,b,

G-CSF-R (obsahuje ustálené motivy složení fragmentů řetězce tj. CCCC a Trp-Ser-X-Trp-Ser čili WSXWS).

• Třída II (pro interferony): IFNg – Ra,b (obsahují ustálený motiv CCCC).
• Nadrodina TNF-receptorů (TNF-R): TNF-RI, TNF-RII, CD40 (B-buňky), NGF-R a dále Fas, CD27 (T, B-buňky) (obsahují opakující se sledy C1, C3, C2).

Odkazy

Zdroj

• ŠTEFÁNEK, Jiří. Medicína, nemoci, studium na 1. LF UK [online]. [cit. 11. 2. 2010]. <https://www.stefajir.cz/>.

• MASOPUST, Jaroslav. Patobiochemie buňky [online]. ©2003. [cit. 17.03.2011]. <http://dotdiag.cz/img/prednasky/bunka.pdf>.