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B978-3-437-43690-1.10022-1

10.1016/B978-3-437-43690-1.10022-1

978-3-437-43690-1

Wege der Signalweiterleitung von der Steuerzelle zur Zielzelle.

a) Endokrin: Verbreitung des Signalmoleküls vom spezialisierten Gewebe endokriner Drüsen über das Gefäßsystem zu den Zielzellen. b) Parakrin: Signalvermittlung an responsive Zellen in der unmittelbaren Nachbarschaft. c) Autokrin: Signalvermittlung in Zellen, die selbst das auslösende Molekül sezernieren und sich im Zuge einer positiven Rückkopplung selbst stimulieren.

Intrazelluläre Signalfortleitung. Ligandeninduzierte Rezeptoraktivierung führt zur Signalweitergabe durch sukzessive Aktivierung intrazellulärer Signalmediatoren und schließlich zu zytoplasmatischen Effekten oder der spezifischen Beeinflussung der Genexpression im Zellkern. Die beteiligten Pathways können hintereinandergeschaltete zytoplasmatische Proteine benutzen (rechts) oder die Funktion membranassoziierter Proteine und die Produktion von Second-messenger-Molekülen umfassen (links). Die intrazelluläre Informationsverbreitung durch Second messenger bringt eine Amplifikation des Signals mit sich. Signalwege, die von verschiedenen Rezeptorsystemen ausgehen, sind häufig miteinander verschaltet (Crosstalk).

Struktur und Funktion einiger wichtiger Signalmodule

a) SH2-Domäne, hier die Domäne der Tyrosin-Kinase Lck mit einem gebundenen Peptid (grün). Gezeigt sind die Seitenketten des Phosphotyrosins (Phosphatgruppe in Rot) und eines für die Bindungsspezifität wichtigen Isoleucins.

b) SH3-Domäne, hier die Domäne der Tyrosin-Kinase Fyn mit einem gebundenen prolinreichen Peptid.

c) PH-Domäne der Phospholipase C im Komplex mit dem Second messenger Inositoltrisphosphat (IP3). Sauerstoffatome sind rot, Phosphor gelb.

d) Beispiel für den modularen Aufbau eines Signalproteins (schematische Darstellung): Die Tyrosin-Kinase Src enthält je eine SH1-, SH2- und SH3-Domäne. Mit SH1 wird dabei die katalytische Domäne des Enzyms bezeichnet.

Generelle Mechanismen bei der zellulären Signaltransduktion.

a) Reversible kovalente Modifikation von Signalproteinen, hier verdeutlicht am Beispiel der Proteinphosphorylierung. Signalgesteuerte Protein- Kinasen übertragen die terminale Phosphatgruppe von ATP auf definierte Aminosäurereste von Substratproteinen. Spezifische Phosphatasen spalten die Phosphatgruppen wieder ab.

b) Signalbedingter Aufbau von Multiproteinkomplexen. Durch Signalgebung wird häufig die Zusammenführung von Multiproteinkomplexen initiiert, die die nachfolgende intrazelluläre Weiterleitung des Signals ermöglichen. An diesen Abläufen sind Module der involvierten Proteine, Konformationsänderungen durch posttranslationale Modifikationen und die Rekrutierung von Adapterproteinen beteiligt. Häufig treten auch spezifische Wechselwirkungen mit der Plasmamemban auf.

c) Reversible Aktivierung von Schalterproteinen, hier verdeutlicht am Beispiel von G-Proteinen. G-Proteine können entweder in der aktiven GTP-gebundenen Form oder in der inaktiven GDP-gebundenen Form vorliegen. GTP-gebundene G-Proteine können nachfolgende Signalkaskaden aktivieren. Durch ihre intrinsische GTPase-Aktivität kehren sie zur GDP-gebundenen, inaktiven Konformation zurück.

d) Erzeugung von intrazellulären Second-messenger-Molekülen. Durch signalbedingte metabolische Ereignisse können intrazellulär kleine Moleküle freigesetzt werden (zyklische Nucleotide, Lipidderivate, Ionen). Diese Botenstoffe beeinflussen nachfolgend die Aktivitäten von Enzymen (z.B. von Kinasen) oder Ionenkanälen.

Funktion membranständiger und zytoplasmatischer/nucleärer Rezeptoren.

a) Signalauslösung durch hydrophile Liganden über die Aktivierung membranständiger Rezeptoren.

b) Signalauslösung durch lipophile Liganden, die membrangängig sind und ihre Rezeptoren im Zytoplasma oder Zellkern binden und aktivieren.

Wirkungsweise G-Protein-gekoppelter Rezeptoren (GPCRs). Namensgebend ist die enge funktionelle Verknüpfung mit membranassoziierten G-Proteinen (a). Nach Rezeptoraktivierung lagern die heterotrimeren G-Proteine GTP statt GDP ein, dissoziieren in Untereinheiten und vermitteln das Signal an Effektorproteine. Diese bilden daraufhin, wie Adenylatcyclase und Phospholipase C, Second messenger (z.B. cAMP) oder verändern die Permeabilität von Ionenkanälen (b).

Familien G-Protein-gekoppelter Rezeptoren. Hochkonservierte, familientypische Aminosäuren (blaue Kreise), Cysteinreste (C, gelbe Kreise).

Stimulation G-Protein-gekoppelter Rezeptoren.

a) Inaktiver Zustand des Rezeptors. Die -Untereinheit des heterotrimeren G-Proteins hat ein GDP-Molekül gebunden.

b) Ligandenbindung geht mit einer Konformationsänderung einher, die Aktivierung überträgt sich auf das heterotrimere G-Protein, in dessen -Untereinheit GDP gegen GTP ausgetauscht wird. Die dissoziierten G-Protein-Untereinheiten aktivieren Effektoren (Enzyme, Kanäle) und bewirken so indirekt die Entstehung von intrazellulären Botenstoffen (Second messenger).

Kontrolle der GPCR-Aktivität durch Desensitivierung und Internalisierung. Ligandenaktivierte GPCRs aktivieren neben heterotrimeren G-Proteinen auch Rezeptorkinasen (GRK), die spezische Serinreste in den zytoplasmatischen Schlaufen des GPCR phosphorylieren. Dies erzeugt Bindungsstellen für Arrestin. Dieses Protein sorgt nun dafür, dass der Rezeptor mitsamt Ligand durch Endozytose internalisiert wird. Sein weiteres Schicksal kann dann in einem Rücktransport zur Zelloberfläche (Recycling) oder in der Degradation in lytischen Vesikeln bestehen.

Regulation der cAMP-Konzentration. Die cAMP-Syntheserate der Adenylatcyclase wird durch verschiedene G-Proteine reguliert, die von unterschiedlichen GPCRs aktiviert werden. Stimulatorische G-Proteine (Gs) wirken positiv, inhibitorische G-Proteine (Gi) negativ. Die G-Proteine versetzen sich selbst nach einer gewissen Zeit wieder in den Grundzustand, indem ihre intrinsische GTPase-Aktivität das gebundene GTP zu GDP abbaut. Das gebildete cAMP wird im Zytoplasma durch eine Phosphodiesterase zu AMP umgesetzt, wodurch der Erregungszustand abklingt.

Gewebespezifische Subtypen adrenerger Rezeptoren.

Synthese und Hydrolyse von zyklischem AMP (cAMP).

Aktivierung der cAMP-abhängigen Protein-Kinase A. cAMP, das nach Aktivierung eines GPCR entsteht, bindet an die regulatorischen Untereinheiten (R) der Protein-Kinase A (PKA) und setzt die katalytischen Untereinheiten (C) frei.

Regulation des Glykogenstoffwechsels durch cAMP/PKA-induzierte Phosphorylierungsreaktionen. Adrenalin und Glucagon aktivieren GPCRs, die über G-Proteine eine cAMP-Synthese durch die Adenylatcyclase bewirken. Die durch cAMP aktivierte PKA (katalytische Untereinheiten werden freigesetzt, Abb. 22.13) überführt durch spezifische Phosphorylierung die Phosphorylase-Kinase in eine aktive Form. Diese wiederum phosphoryliert das glykogenabbauende Enzym Phosphorylase und aktiviert es dadurch. Die PKA phosphoryliert zugleich auch die glykogenaufbauende Glykogen-Synthase (und inaktiviert sie dadurch). Ergebnis des Ablaufs ist ein verstärkter Glykogenabbau. Aktive Enzymformen sind rot unterlegt.

Entstehung und Wirkung von cGMP. Stickstoffmonoxid (NO) bindet an lösliche Guanylatcyclasen, Liganden wie hier das atriale natriuretische Peptid (ANP) binden an Rezeptor-Guanylatcyclasen. cGMP reguliert Phosphodiesterasen (PDE), cGMP-abhängige Kinasen und Ionenkanäle.

Bildung und Funktion von Phosphatidylinositolphosphat-Derivaten.

a) Bildung von Phosphatidylinositol-3-phosphat (PI-3-P) durch Phosphatidylinositol-3-Kinase (PI-3-Kinase).

b) Signalfunktion von PI-3-P: Nach Synthese durch die aktivierte PI-3-Kinase rekrutiert PI-3-P die Protein-Kinase B (PKB) über deren PH-Domäne an die Membran und aktiviert sie. PKB ist eine Serin/Threonin-Kinase, die intrazelluläre Signalkaskaden induzieren kann, die schließlich die Proliferation und antiapoptotische Funktionen beeinflussen.

Spaltung von Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2) in Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP3) und 1,2-Diacylglycerin (DAG) durch Phospholipase C.

Der zelluläre Calciumstoffwechsel. Der Zufluss von Ca2+ erfolgt durch Kanäle in der Membran der Zelloberfläche und des endoplasmatischen Retikulums (ER). Es wird durch Calciumpumpen wieder in das ER oder durch Na+-Ca2+-Austauscher aus der Zelle befördert.

Struktur verschiedener Rezeptor-Tyrosin-Kinasen (RTKs). RTKs binden Liganden in ihrem extrazellulären Bereich, der zwischen den verschiedenen RTKs große Unterschiede aufweist. Intrazellulär unterscheidet man zwischen Rezeptoren mit durchgehender oder unterbrochener Kinasedomäne.

EGFR Epidermal growth factor receptor, IR Insulinrezeptor, IGF1R Insulin-like growth factor 1 receptor, PDGFR Platelet-derived growth factor receptor, Trk Rezeptor für Nervenwachstumsfaktoren, Tie Tyrosin-Kinase des Endothels.

Ligandenabhängige Aktivierung einer RTK am Beispiel des PDGF-Rezeptors.

a) Monomere Rezeptoren an der Zelloberfläche.

b) Dimerisierung nach Ligandenbindung.

c) trans-Autophosphorylierung.

d) Bindung von Adapter- und Substratproteinen.

Signaldiversifizierung durch Homo- und Heterodimere von PDGF und des PDGF-Rezeptors. Der homodimere -Rezeptor kann vier Formen des Liganden binden, der homodimere -Rezeptor und der heterodimere -Rezeptor hingegen nur zwei bzw. drei Ligandenformen.

Aktivierung der Phospholipase C durch den EGF-Rezeptor. Nach Bindung von EGF dimerisiert der EGF-Rezeptor (EGFR), es kommt zur gegenseitigen trans-Phosphorylierung. Die Phospholipase C (PLC) bindet mit ihrer SH2-Domäne an ein Phosphotyrosin und wird dann ihrerseits vom EGFR phosphoryliert. Da die Affinität des neuen eigenen Phosphotyrosinrests für die SH2-Domäne höher ist, löst sie sich vom EGFR und bindet einen Phosphotyrosinrest im eigenen Protein. Durch die Konformationsänderung kann die PLC jetzt mit ihrer PH-Domäne an PI-3,4,5-P3 (PIP3) in der Membran binden. Die vorher getrennten Anteile A und B der katalytischen Bereiche sind nun benachbart und können ein anderes Phospholipid, PIP2, zu Diacylglycerin (DAG) und Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP3) spalten.

Funktionszyklus des monomeren G-Proteins Ras. GDP/GTP-abhängige Konformationszustände (a). G-Protein-Zyklus mit GEF- und GAP-Proteinen (b).

Aktivierung von Ras durch RTKs. Durch ligandeninduzierte Rezeptorphosphorylierung kommt es zur Ausbildung eines Multiproteinkomplexes, der das Adapterprotein Grb2 und den Guanosinnucleotidaustauschfaktor Sos enthält. Im nächsten Schritt werden eine Wechselwirkung zwischen Sos und dem kleinen G-Protein Ras etabliert und Ras durch den Austausch von GDP durch GTP aktiviert. In seiner GTP-gebundenen Form kann Ras nachgeschaltete Faktoren steuern.

Die MAP-Kinase-Kaskade. Durch GTP-Beladung von Ras wird eine Kinasekaskade in Gang gesetzt, in der sich drei Kinasen durch Phosphorylierung sukzessiv aktivieren. Die MAP-Kinase (MAPK) als letztes Glied der Kette kann nach erfolgter Aktivierung in den Zellkern translozieren und dort Substrate (z.B. Transkriptionsfaktoren oder andere Kinasen) phosphorylieren, die dann in Genregulationsprozesse eingreifen.

Vernetzung verschiedener MAP-Kinase-Signalwege. Unterschiedliche zelluläre Stimuli können mindestens drei verschiedene, parallel verlaufende MAP-Kinase-Signalwege aktivieren. Die Signalkomponenten auf jeder Stufe der Kaskaden sind homolog zueinander bzw. repräsentieren Isoformen der jeweiligen Kinasen. Die drei am besten charakterisierten Signalstränge sind der ERK-Signalweg, der JNK-Signalweg und der p38/SAPK-Signalweg.

ERK extrazellulär regulierte Kinase, JNK c-Jun-N-terminale Kinase, p38/SAPK stressaktivierte Protein-Kinase, MEK MAP- und ERK-Kinase, MEKK MEK-Kinase, TAK TGF--aktivierte Kinase, MLK Mixed lineage kinase.

Signaltransduktion des Insulinrezeptors. Die Bindung des Insulins an den Rezeptor führt zur Rezeptor- und Substratphosphorylierung. Mit phosphoryliertem IRS-1-Protein assoziieren PI-3-K (Bildung von PI-3-P) und der Grb2-Sos-Komplex (Aktivierung der MAP-Kinase-Kaskade). PI-3-P bindet PDK-1 und stimuliert so die Serin-Kinasen PKB, atypische PKCs (, ) und mTOR/p70S6K. PKB inhibiert die Glykogen-Synthase-Kinase 3 (GSK3).

PI-3-K Phosphatidylinositol-3-Kinase, PDK-1 Phosphoinositide-dependent kinase 1, PKB, PKC Protein-Kinase B und C, mTOR Mammalian target of rapamycin (ebenfalls eine Kinase), p70S6K p70S6-Kinase (Protein mit 70 kDa, das die S6-Untereinheit der Ribosomen phosphoryliert), SHC Adapterprotein.

Funktionsweise von Serin/Threonin-Kinase-Rezeptoren und Smads am Beispiel des Rezeptors für TGF- (transforming growth factor-).

Struktur und Aktivierung der Protein-Kinase C (PKC).

a) Struktur einer klassischen PKC. Die Abfolge und Funktion der Domänen innerhalb der regulatorischen Region unterscheidet sich zwischen den PKC-Untergruppen. Die C1-Domäne bindet DAG, die C2-Domäne bindet Calcium und Phosphatidylserin (PtdSer).

b) Aktivierung der PKC. PKCs werden durch den Second messenger DAG sowie durch Calciumionen reguliert, die direkt oder indirekt durch die Aktivierung der Phospholipasen C und entstehen. Zu den Substraten, die von PKCs phosphoryliert werden, gehören Proteine des Zytoskeletts, MAP-Kinasen, der EGF-Rezeptor sowie der Rezeptor für Vitamin D (VDR).

GPCR G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, RTK Rezeptor-Tyrosin-Kinasen.

Der Aktivierungszyklus von CaM-Kinase II.

Familie der Zytokinrezeptoren. Gruppen von Zytokinen teilen sich gemeinsame Rezeptorketten, die mit jeweils spezifischen Untereinheiten im funktionellen Rezeptorkomplex interagieren. Der Einfachheit halber sind alle Rezeptoren als Heterodimere abgebildet. Dargestellt sind die IL-3-Gruppe mit der gemeinsamen -Untereinheit (c), die IL-6-Gruppe mit der gemeinsamen Untereinheit gp130 sowie die IL-2-Gruppe mit c als gemeinsamer Untereinheit.

Der JAK-STAT-Signalweg. Dieser Signalweg leitet schnell und unmittelbar Signale von aktivierten Zytokinrezeptoren in den Zellkern und zu den Promotoren von Genen, die von Zytokinen reguliert werden.

Zytoplasmatische Tyrosin-Kinasen.

Regulation der Aktivität von zytoplasmatischen Tyrosin-Kinasen am Beispiel von Src. Die Kinase befindet sich normalerweise in einer inaktiven Konformation, in der ein C-terminales Phosphotyrosin (P) von der eigenen SH2-Domäne gebunden wird. Dephosphorylierung durch eine Phosphotyrosin-Phosphatase (PTP) oder Assoziation des regulatorischen Tyrosins von Src an eine SH2-Domäne eines anderen Signalproteins mit höherer Affinität öffnet die Konformation und ermöglicht eine Substratphosphorylierung, bis die zytoplasmatische Tyrosin-Kinase Csk (c-src kinase) das C-terminale Tyrosin erneut phosphoryliert.

Der Notch-Delta-Signalweg. Notch liegt in der Membran als Heterodimer vor. Der intrazelluläre Anteil N-ICD wird durch proteolytische Spaltung freigesetzt. N-ICD transloziert in den Zellkern und assoziiert mit DNA-bindenden Transkriptionsfaktoren (RBP-Jk) und Coaktivatoren. N-ICD besitzt selbst eine Transaktivierungsdomäne und induziert so die Expression von Zielgenen.

Der Wnt--Catenin-Signalweg. Ohne Wnt-Signal wird -Catenin durch die GSK3 ständig phosphoryliert, was zu seiner Ubiquitinylierung und zum Abbau im Proteasom führt (a). In Anwesenheit von Wnt kommt es durch Vermittlung des Rezeptors Frizzled und des Signalproteins Dishelved zur Inaktivierung der GSK3, und unphosphoryliertes -Catenin kann in den Zellkern translozieren, wo es die Transkription von Zielgenen bewirkt (b).

-Cat -Catenin, LRP LDL receptor-related protein, DSH Dishelved, GSK3 Glykogen-Synthase-Kinase 3, APC Adenomatous polyposis coli, Tcf T-cell factor.

Der Hedgehog-Signalweg. In Abwesenheit des Liganden Hedgehog (Hh) verhindert der transmembranäre Rezeptor Patched (Ptch) die Aktivierung der Signaltransduktion durch das Protein Smoothened (Smo). Die Bindung von Hh an Patched hebt diese Repression auf, wodurch unter Vermittlung des Transkriptionsfaktors Gli die Signaltransduktion zum Kern aktiviert wird.

Signaltransduktion durch Integrine. Durch Aktivierung der Integrine an fokalen Kontaktpunkten kommt es zur Reorganisation des Zytoskeletts und zur Aktivierung mehrerer intrazellulärer Signalwege.

, - und -Untereinheiten der Integrine, FAK Focal adhesion kinase (Tyrosin-Kinase), PI-3-K Phosphatidylinositol-3-Kinase, PKB Protein-Kinase B, Src (Tyrosin-Kinase), Grb2 Growth factor receptor binding protein 2, Ras (G-Protein), MAPK MAP-Kinase.

Zugehörigkeit von Signalmolekülen zu chemischen Substanzklassen

Tab. 22.1
chemische Substanzklassen Beispiele
Proteine/Peptide Insulin, Glucagon, Zytokine, Wachstumshormon, follikelstimulierendes Hormon (FSH)
Aminosäurederivate Thyroxin, Histamin, Adrenalin
Eicosanoide (Fettsäurederivate) Prostaglandine, Leukotriene
Steroide (Cholesterinderivate) Cortisol, Testosteron, Östrogen, Aldosteron
Gase NO, CO

Isotypen und Gewebeverteilung von Phosphodiesterasen (PDE)

Tab. 22.2
Isotyp Vorkommen
PDE1 Herz, glatte Muskulatur, Gehirn, Lunge
PDE2 Herz, Nebenniere, Leber
PDE3 Herz, glatte Muskulatur, Thrombozyten, Adipozyten, Leber
PDE4 ZNS, Reproduktionsorgane, Niere, Lymphozyten
PDE5 glatte Gefäßmuskulatur, Corpora cavernosa, Lunge
PDE6 Retina
PDE7 Gehirn, Herz, Pankreas, Skelettmuskulatur, Schilddrüse, Augen, Ovar, Leber
PDE8 Hoden, Ovar, Dünndarm, Kolon
PDE9 Milz, Dünndarm, Gehirn, Niere
PDE10 Hoden, Gehirn
PDE11 Skelettmuskel, Prostata, Hypophyse

Beispiele calciumbindender Proteine

Tab. 22.3
Protein Funktion
Troponin C Modulation der Muskelkontraktion
-Actinin Actinbündelung
Villin Organisation von Actinfilamenten
Calmodulin Modulation von Protein-Kinasen und anderen Enzymen
Calcineurin B Protein-Phosphatase
Calpain Protease
Phospholipase A2 Freisetzung von Arachidonsäure
Protein-Kinase C ubiquitäre Protein-Kinase
Calreticulin Speicherung von Ca2+

Zelluläre Signalprozesse

K.H. Friedrich

I. Behrmann

  • 22.1

    Mechanismen der Signalübertragung 632

  • 22.1.1

    Signalauslösung durch Rezeptor-Liganden- Wechselwirkung633

  • 22.1.2

    Molekulare Prinzipien der Signalweiterleitung634

  • 22.1.3

    Rezeptorklassen637

  • 22.2

    G-Protein-gekoppelte Rezeptoren 639

  • 22.2.1

    Überblick639

  • 22.2.2

    Struktur639

  • 22.2.3

    Heterotrimere G-Proteine640

  • 22.2.4

    Regulation GPCR-gesteuerter Signale641

  • 22.2.5

    Adrenerge Rezeptoren642

  • 22.3

    Second messenger 644

  • 22.3.1

    Zyklische Nucleotide644

  • 22.3.2

    Phospholipidderivate647

  • 22.3.3

    Ca2+-Signale648

  • 22.4

    Rezeptor-Tyrosin-Kinasen 650

  • 22.4.1

    Struktur und Aktivität650

  • 22.4.2

    Signalübertragung über den MAP-Kinase-Weg654

  • 22.4.3

    Der Insulinrezeptor657

  • 22.5

    Serin/Threonin-Kinasen 659

  • 22.5.1

    Rezeptoren mit Serin/Threonin- Kinase-Aktivität659

  • 22.5.2

    Zytoplasmatische Serin/Threonin-Kinasen660

  • 22.6

    Rezeptoren ohne intrinsische Enzymaktivität 662

  • 22.6.1

    Zytokinrezeptoren662\

  • 22.6.2

    Zytoplasmatische Tyrosin-Kinasen663

  • 22.6.3

    Weitere Signalwege mit Bedeutung für Entwick- lung, Tumorgenese und Immunregulation665

Praxisfall

Matthias ist ein sportlicher Student von 20 Jahren, der stets kerngesund war und vor Energie geradezu strotzte. Seit einigen Monaten aber ist er nicht mehr der Alte. Er fühlt sich oft müde und geschwächt und hat kaum noch Appetit. In letzter Zeit hat er mehrmals an unerklärlichem Fieber gelitten. Lange hatte Matthias sein Krankheitsgefühl auf eine verschleppte Erkältung geschoben. Als aber Knochenschmerzen und häufige Blutungen aus der Nase und in der Haut hinzukommen, entschließt er sich endlich zum Besuch beim Arzt, der ihn sofort ins Krankenhaus einweist.

Bei der Aufnahme fallen die Blässe des Patienten sowie zahlreiche punktförmige Hautblutungen auf. Außerdem wird eine Vergrößerung von Leber, Milz und einigen Lymphknoten festgestellt. Die schweren Symptome lassen sofort an eine Leukämie denken. Das Blutbild und die zytologische Untersuchung einer Knochenmarkpunktion bestätigen den Verdacht: Die Zahl der Leukozyten ist auf das Zehnfache erhöht, die der Thrombozyten deutlich erniedrigt, im Knochenmark zeigen sich zahlreiche unreife Lymphoblasten und nur wenige normale Vorläuferzellen der Erythropoese.

Matthias leidet an einer akuten lymphoblastischen Leukämie (ALL), einer bösartigen, massiven Expansion eines entarteten Lymphozytenklons. Eine Therapie mit Zytostatika, evtl. kombiniert mit einer Knochenmarktransplantation, kann heute die Mehrzahl der Patienten mit ALL heilen. Für viele andere Krebserkrankungen sind die Behandlungsmöglichkeiten aber sehr viel schlechter. Für die Zukunft verspricht sich die Krebsmedizin viel vom neuen Feld der Signaltransduktionstherapie. Dem unkontrollierten Teilungsverhalten von Tumorzellen liegen stets Veränderungen in der Auslösung und intrazellulären Übertragung von Signalen zugrunde, die das Wachstum von Zellen steuern. Es werden darum gezielt Wirkstoffe gegen die beteiligten veränderten Proteine entwickelt, um die entgleiste Signaltransduktion zu inhibieren. Die erste Generation dieser Medikamente wird bereits jetzt erfolgreich in der Klinik eingesetzt.

Zur Orientierung

Zellen kommunizieren ständig miteinander und reagieren auf ihre Umgebung. Die zugrunde liegenden Abläufe der Informationsvermittlung fasst man häufig unter dem Begriff Signaltransduktion zusammen. Wir unterscheiden dabei chemische und elektrische Übertragung von Information. Dieses Kapitel beschränkt sich auf die molekularen Prozesse, mit denen Zellen auf die Stimulation durch signalvermittelnde Moleküle reagieren. Die Signaltransduktion koordiniert vielfältige Zellfunktionen wie Genaktivität, Morphologie, Bewegung, Metabolismus, Zytoskelettstruktur und Wechselwirkungen mit anderen Zellen und der extrazellulären Matrix.

Eine große Familie von Rezeptoren für so unterschiedliche Signale wie Licht, Geruchsstoffe, Ionen, Nucleotide, Aminosäuren oder Peptide ist mit G-Proteinen gekoppelt. Zunächst werden strukturelle Gemeinsamkeiten dieser Rezeptoren sowie der generelle Mechanismus der Signaltransduktion durch G-Proteine behandelt: Aktivierung des G-Proteins durch Nucleotidaustausch, Interaktion mit Effektorproteinen, Abschaltung des Signals durch die intrinsische GTPase-Aktivität und Desensitivierung des Rezeptors. Anschließend werden einige wichtige Vertreter der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren genauer vorgestellt.

Second messenger verteilen und amplifizieren Signale im Zellinneren, die über Rezeptoren durch die Zellmembran übertragen wurden. Die enzymatische Produktion von Second messengern wird durch heterotrimere G-Proteine gesteuert, die ihrerseits durch Rezeptoren aktiviert werden. Die Second messenger regulieren beispielsweise Kaskaden von Phosphorylierungsvorgängen und damit letztendlich Enzymaktivitäten.

Viele Wachstumsfaktoren binden an Transmembranrezeptoren, die eine zytoplasmatische Tyrosin-Kinase-Domäne besitzen, sie tragen daher den Name Rezeptor-Tyrosin-Kinasen (RTKs). Nach extrazellulärer Ligandenbindung aktivieren sich die Kinasedomänen zweier dimerisierter Rezeptorketten gegenseitig. Die katalytische Aktivität führt dann dazu, dass Tyrosinreste innerhalb der zytoplasmatischen Region des Rezeptors phosphoryliert werden. Diese fungieren als Andockstellen für sog. SH2-Domänen verschiedener zytoplasmatischer Proteine. Diese Substratproteine können ihrerseits zur Aktivierung von Signalkaskaden beitragen.

Die reversible Phosphorylierung von Serin- und Threoninresten in zellulären Proteinen ist an der Regulation nahezu aller biologischen Phänomene beteiligt. Dies spiegelt sich darin wider, dass Serin/Threonin-Kinasen eine der größten Gruppen funktionell verwandter Proteine darstellen. Manche Serin/Threonin-Kinasen unterliegen der Kontrolle durch Second messenger, Calciumionen oder regulatorische Bindungspartner. Häufig werden diese Enzyme auch ihrerseits durch Phosphorylierung in ihrer Aktivität gesteuert und sind Konstituenten von Signalkaskaden. Neben zytoplasmatischen Vertretern der Proteinfamilie gibt es auch membranständige Rezeptoren mit intrinsischer Serin/Threonin-Kinase-Aktivität, die durch Ligandenbindung aktiviert werden.

Neben den G-Protein-gekoppelten Rezeptoren und Rezeptoren mit intrinsischer Enzymaktivität gibt es eine Vielzahl von unterschiedlichen membranständigen Rezeptoren, die sich verschiedenartiger anderer Signalübertragungsmechanismen bedienen. Es werden einige weitere medizinisch wichtige Signalsysteme vorgestellt, die über Rezeptoren ohne intrinsische Enzymaktivität angesteuert werden. Die Rezeptoren wechselwirken im Zellinneren mit zytoplasmatischen Enzymen. Diese Interaktionen erfolgen entweder direkt, oder sie werden über Adaptermolekülkomplexe vermittelt.

Mechanismen der Signalübertragung

Betrachtet man den Gesamtorganismus, beginnt die Signaltransduktion mit der Auslösung des Prozesses an signalgebenden Zellen und dem Transport des Signals durch einen chemischen Botenstoff. Zielzellen nehmen die Information auf und benutzen dazu spezifische Rezeptoren, die häufig, jedoch nicht immer membranständig sind. Sie leiten sie über intrazelluläre Signalketten weiter. Dies kann kurzfristig z.B. zur Exozytose von Vesikeln führen; durch Veränderung von Enzymaktivitäten können metabolische Prozesse beeinflusst werden. Oft kommt es jedoch erst im Zellkern zur Signalumsetzung. Diese besteht zunächst in der Veränderung der Transkription von Genen und letztlich in der Beeinflussung komplexer und langfristiger Phänomene. Integrierte Signaltransduktionsabläufe, die von unterschiedlichen extrazellulären Stimuli ausgelöst werden, steuern fundamentale zelluläre Reaktionen wie etwa die Anpassung an die Umgebung, Entwicklung und Ausdifferenzierung spezialisierter Zellen aus Stammzellen und Proliferationskontrolle im Gewebsverband.
Die Verbreitung von Signalmolekülen zwischen Steuer- und Zielzellen kann endokrin, parakrin oder autokrin organisiert sein (Abb. 22.1). Endokrin bedeutet, dass ein Signalmolekül über die Blutbahn im Gesamtorganismus verbreitet wird. Parakrine Mechanismen spielen sich zwischen räumlich benachbarten Zellen ab, während autokrin einen Ablauf beschreibt, bei dem Zellen Moleküle sezernieren, die auf sie selbst zurückwirken. Signalmoleküle, die von endokrinen Drüsen produziert werden, bezeichnet man auch als glanduläre Hormone (Kap. 24). Demgegenüber werden Gewebshormone (aglanduläre Hormone) von Zellen in verschiedenen Geweben produziert; sie wirken häufig parakrin. Eine autokrine Stimulation kann bei manchen Tumoren beobachtet werden, die einen Wachstumsfaktor produzieren, der sie zur weiteren Proliferation befähigt.

Signalauslösung durch Rezeptor-Liganden- Wechselwirkung

Klassen von signalauslösenden Molekülen
Signalauslösende Moleküle sind chemisch und strukturell vielfältig. Bei den primären Signalauslösern kann es sich um niedermolekulare Substanzen im extrazellulären Raum handeln, häufig finden wir jedoch spezifische Polypeptide und Proteine (Tab. 22.1). Moleküle, die durch spezische und hochaffine Wechselwirkungen Rezeptoren aktivieren, bezeichnet man generell als Liganden. Manche Liganden sind aufgrund ihres lipophilen Charakters fähig, Membranen zu durchdringen, und finden ihre Rezeptoren im Zytoplasma oder im Zellkern, die meisten bedienen sich jedoch membranständiger Rezeptoren zur Signalvermittlung in das Zellinnere. Traditionellerweise erfolgt die Einteilung der signalauslösenden Moleküle auch nach ihren biologischen Funktionen, beispielsweise als Gewebs-, Stoffwechsel- und Sexualhormone oder Immunmodulatoren. Signalgebende Moleküle können auch Ionen sein (z.B. Ca2+, Na+, K+ etc.), die von Rezeptorkanälen durch Membranen hindurchgeschleust werden (Kap. 22.3.3 und 29).
Rezeptoraktivierung
Ein entscheidender Schritt im Verlauf der Signalfortleitung ist die spezifische Bindung und damit verbundene Aktivierung von Rezeptoren durch ihre Liganden. Die Rezeptorerkennung entsteht durch multiple nichtkovalente Wechselwirkungen. Ihre Spezifität beruht, ähnlich wie beim Kontakt von Enzym und Substrat, auf den passgenau komplementären räumlichen Strukturen von Ligand und Rezeptor nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Die Stärke der Wechselwirkungen zwischen Rezeptor und Ligand bestimmt die Affinität. Je höher die Affinität, umso geringer ist die Ligandenkonzentration, die zur Aktivierung des Rezeptors benötigt wird.
Die ligandeninduzierte Aktivierung des Rezeptors versetzt ihn in die Lage, ein spezifisches Signal an nachgeschaltete Komponenten der Zelle weiterzugeben. Dies geschieht häufig dadurch, dass sich die Konformation des Rezeptorproteinsändert und auf diese Weise eine Wechselwirkung mit intrazellulären Bindungspartnern zustande kommt oder eine bereits bestehende Wechselwirkung verändert wird. Ein anderer, häufig auftretender Mechanismus besteht darin, dass der Ligand durch gleichzeitige Interaktion zwei oder mehrere Rezeptormoleküle miteinander verbrückt. Diese Dimerisierung oder Oligomerisierung von Rezeptoren bewirkt daraufhin die Auslösung von Enzymaktivitäten, deren Reaktionsprodukte das Signal in das Zellinnere weitertragen.
Neben dem eigentlichen Liganden kennt man oft natürliche oder pharmazeutisch eingesetzte Moleküle, die ebenfalls den Rezeptor binden und eine Rezeptorantwort auslösen. Sie werden Rezeptoragonisten genannt. Antagonisten sind hingegen Moleküle, die den Rezeptor binden, aber nicht aktivieren. Sie wirken als Inhibitoren der Rezeptorantwort, da sie den natürlichen Liganden verdrängen.

Blick ins Labor

Die Wechselwirkungen zwischen Rezeptoren und Liganden sind extrem spezifisch und deshalb besonders interessante Ziele pharmazeutischer Einflussnahme. Um die Bindung von Agonisten oder Antagonisten an Rezeptoren quantitativ zu beschreiben, benutzt man die Dissoziationskonstante KD. Sie ergibt sich aus einer einfachen Gleichung:

[R]+[L][RL]

Im Gleichgewicht gilt:

KD=[R]·[L]/[RL]

[R] ist die Konzentration des freien Rezeptors, [L] die Konzentration des ungebundenen Liganden und [RL] die Konzentration des Rezeptor-Liganden-Komplexes. Die Dissoziationskonstante des Komplexes ist umgekehrt proportional zur Affinität des Liganden zum Rezeptor. Die Gleichung lässt sich in eine Form umwandeln, die der Michaelis-Menten-Gleichung (Kap. 3.4) ähnelt:

[RL]/RG=1/(1+KD/[L])

RG ist hierbei die Gesamtzahl der freien und gebundenen Rezeptormoleküle [RL] + [R]. Je kleiner KD ist, umso höher ist die Affinität des Rezeptors zum Liganden. KD entspricht derjenigen Konzentration des Liganden, bei der die Hälfte aller Rezeptormoleküle mit dem Liganden besetzt ist. Das ergibt sich aus dieser Gleichung, da für [L] KD gilt:

[RL]/RG=0,5oder[RL]=0,5RG

Die Affinität der meisten Rezeptoren für ihre spezifischen Liganden ist sehr hoch. Für den Insulinrezeptor beispielsweise beträgt die KD ungefähr 2 10–9. Bei einer Insulinkonzentration von 2 10–9 mol/L (was ungefähr 0,012 g Insulin pro Milliliter entspricht) ist also die Hälfte aller Insulinrezeptoren besetzt. Da im Blutplasma etwa 66–83 mg Gesamtprotein pro Milliliter enthalten sind, kann der Insulinrezeptor folglich seinen Liganden selbst in Gegenwart eines mehr als 1.000.000fachen Überschusses an anderen, nicht mit Insulin verwandten Proteinen noch sehr spezifisch binden.

Molekulare Prinzipien der Signalweiterleitung

Bei der intrazellulären Signaltransduktion wird das Signal verstärkt und mit anderen Signalinformationen verschaltet. Die Aktivierung von Rezeptoren löst Abfolgen von zellulären Reaktionsschritten aus, die kaskadenartig ablaufen. Man spricht von Signalwegen oder Pathways. Unterschiedliche Liganden induzieren über ihre Bindung an verschiedene Rezeptoren sehr unterschiedliche Signaltransduktionskaskaden (Abb. 22.2)
Letztlich setzen sich viele dieser Signalwege bis in den Zellkern fort, wo sie die Funktion von Transkriptionsfaktoren kontrollieren und damit die Expression von Genen steuern. Obwohl die Signalkaskaden zunächst separat betrachtet und beschrieben werden, beeinflussen sie sich in komplexer Weise gegenseitig und bilden ein intrazelluläres Signalnetzwerk.
Bei der Signalweiterleitung innerhalb der Zelle sind einige allgemeine Mechanismen von zentraler Bedeutung, die am Ablauf der verschiedensten Signal-Pathways beteiligt sind. Dabei handelt es um:
  • reversible Proteinmodifikationen (inbesondere um Phosphorylierung)

  • die transiente Ausbildung von Multiproteinkomplexen unter Vermittlung von Proteinmodulen mit spezifischen Bindungseigenschaften

  • die signalinduzierte Zustandsänderung von Schalterproteinen

  • die Bildung von Second-messenger-Molekülen.

Im Folgenden sollen zunächst diese Mechanismen genauer betrachtet werden.
Proteinphosphorylierung und andere posttranslationale Modifikationen
Ein besonders wichtiges Funktionsprinzip von Signalprozessen besteht in der signalinduzierten Aktivierung von Enzymen, die kovalente posttranslationale Modifikationen von Proteinen katalysieren. Die Phosphorylierung, Sulfatierung, Acetylierung oder Glykosylierung ändert dann die spezifischen Eigenschaften der Substratproteine. Von herausragender Bedeutung ist hierbei die reversible Phosphorylierung von Signalproteinen, die von Protein-Kinasen ausgeführt und von Protein-Phosphatasen rückgängig gemacht wird (Abb. 22.4a). Man unterscheidet dabei Serin-Threonin-Phosphorylierung und Tyrosinphosphorylierung durch spezische Ser-Thr- bzw. Tyr-Kinasen.
Signalinduzierte kovalente Modifikationen gehen mit Aktivitätsveränderungen der modifizierten Substratproteine einher und führen zur Aktivierung biochemischer Folgereaktionen in der signalaufnehmenden Zelle. Zu nennen sind hier die Induktion von Protein-Protein-Wechselwirkungen, die Aktivierung sekundärer Enzyme (z.B. nachgeschalteter weiterer Protein-Kinasen) oder die Translokation von Proteinen an die Plasmamembran oder in den Zellkern.
Signalmodule
Viele an der Signaltransduktion beteiligte Proteine sind modular aufgebaut: Charakteristische Proteindomänen und Sequenzmotive tauchen in verschiedenen Kombinationen immer wieder auf. Einige dieser Signalmodule sind in Struktur und Funktion sehr gut charakterisiert worden, z.B. die sog. SH2- und SH3-Domänen. Die Abkürzung SH steht für Src-Homologie, bezugnehmend auf die zytoplasmatische Tyrosin-Kinase Src, in der diese Module zuerst beschrieben wurden (Abb. 22.3d). SH2-Domänen erkennen Tyrosinreste in einem Protein, aber nur, wenn diese phosphoryliert sind. Die Spezifität einer SH2-Domäne wird durch die Aminosäurereste bestimmt, die dem Phosphotyrosin benachbart sind. Dann kommt es zur Bindung der SH2-Domäne an die Phosphotyrosindomäne des anderen Proteins. SH2-Domänen haben daher eine zentrale Bedeutung für Signalprozesse, die mit Tyrosinphosphorylierungen einhergehen. SH3- und WW-Domänen sind in vielen Fällen am Kontakt von Proteinen mit prolinreichen Domänen von Zytoskelettproteinen beteiligt, PH-Domänen vermitteln Assoziationen mit Lipiden und mit der Zellmembran.
Die Ausbildung der spezifischen Wechselwirkungen wird durch signalbedingte Konformationsänderungen in den beteiligten Proteinen hervorgerufen, wobei passgenaue Kontakte nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip ermöglicht werden.
Einige Signaltransduktionsproteine sind selbst keine Enzyme. Sie besitzen keine katalytische Domäne, sondern nur Signalmodule, die an Protein-Protein-Wechselwirkungen beteiligt sind. Diese Moleküle fungieren als sog. Adapterproteine und sorgen für die vorübergehende Ausbildung von Multiproteinkomplexen bzw. Protein-Membran-Komplexen (Abb. 22.4b). Adapterproteine bringen Komponenten von Signalwegen in räumliche Nachbarschaft zueinander und induzieren deren gegenseitige Wechselwirkung. Dadurch spielen sie eine wichtige Rolle bei der Spezifizierung von Signalabläufen, indem sie die gezielte Weitergabe von Informationen regulieren.
Schalterproteine
Manche Proteine können zwischen zwei alternativen Zuständen wechseln, die nachgeordnete Signalprozesse steuern. Solche Schalterproteine entscheiden, ob eingehende Signale weitergeleitet werden. Ein prägnantes Beispiel für die reversible Aktivierung von Schaltermolekülen bietet die große Gruppe der guanosinnucleotidbindenden Proteine, kurz G-Proteine (Abb. 22.4c). G-Proteine sind Enzyme (GTPasen), die in GTP-gebundener Form angeschaltet (aktive Konformation), in GDP-gebundener Form jedoch abgeschaltet sind (inaktive Konformation).
G-Proteine wie z.B. Ras sind häufige Konstituenten von Signalwegen. Eingehende Signale sorgen durch Vermittlung von sog. Austauschfaktoren dafür, dass bei den nachgeschalteten G-Proteinen ein Austausch von GDP zu GTP stattfindet und das Gleichgewicht der beiden Zustände zugunsten der aktivierten, GTP-gebundenen Form verschoben wird. Die intrinsische enzymatische GTPase-Aktivität der G-Proteine stellt dann nach einiger Zeit wiederum den inaktiven, GDP-gebundenen Zustand her, indem sie das gebundene GTP in GDP und Pi spaltet. Nur in der aktiven Konformation stimulieren G-Proteine spezifische Partnerproteine, z.B. Kinasen, die das eingegangene Signal weitertragen. Diese reversible Umwandlung zwischen aktivem und inaktivem G-Protein wird auch als G-Protein-Zyklus bezeichnet.
Second messenger
Ein weiteres wichtiges Signalübertragungsprinzip liegt in der signalinduzierten Erzeugung oder Freisetzung von kleinen intrazellulären Molekülen, die sich in der Zelle besonders gut durch Diffusion bewegen können (Abb. 22.4d). So verbreiten sie als Second messenger (zweiter Bote) die Signale, die von extrazellulären Liganden (First messenger, erster Bote) an membranständige Rezeptoren übergegeben wurden. Als Second messenger wirken zyklische Nucleotide wie cAMP und cGMP, Lipidmoleküle und ihre Abkömmlinge wie Diacylglycerol und Inositoltrisphosphat sowie Ionen wie Ca2+.
Eine Besonderheit der Signalweiterleitung über Second messenger besteht in der starken Amplifikation des Signals. Der Grund dafür ist, dass Second messenger durch intrazelluläre Enzyme erzeugt werden, die Konstituenten der jeweiligen Signalkaskade sind. Diese Enzyme produzieren ständig weitere Second-messenger-Moleküle, solange sie sich im aktivierten Zustand befinden; so können sie die Signalintensität um Zehnerpotenzen verstärken (Abb. 22.2).
Viele Second-messenger-Moleküle werden durch spezifische Enzyme abgebaut. Auf diese Weise werden Signale begrenzt und abgeschaltet.

MERKE

Signaltransduktionsprozesse regulieren die dynamischen physiologischen Veränderungen, mit denen Zellen auf veränderte Bedingungen (z.B. Nährstoffverfügbarkeit, Hormonstimulation, Virusinfektion etc.) reagieren. Ligandenmoleküle binden und aktivieren Rezeptoren, die das Signal aufnehmen und durch Konformationsänderung oder Oligomerisierungsprozesse umsetzen. Intrazelluläre Signalkaskaden, die häufig komplex und miteinander vernetzt sind, regulieren schließlich Effektorproteine, oder sie leiten die Information bis in den Zellkern, wo die spezifische Genexpression beeinflusst wird. Als wichtige molekulare Mechanismen, die an Signaltransduktionsreaktionen beteiligt sind, kennen wir die reversible kovalente Proteinmodifikation (z.B. die Phosphorylierung), die signalfortleitende Bildung von Multiproteinkomplexen, die Aktivierung von Schaltermolekülen und die Bildung von Second-messenger-Molekülen.

Rezeptorklassen

Die Rezeptoren werden aufgrund der Charakteristik ihrer Liganden und ihrer zellulären Lokalisation in zwei große Klassen eingeteilt: membranständige und zytoplasmatische/nucleäre Rezeptoren. Membranständige Rezeptoren leiten die Signale hydrophiler Liganden in das Zellinnere, Rezeptoren für lipophile, membrangängige Liganden befinden sich im Zytoplasma oder im Zellkern (Abb. 22.5).
Membranständige Rezeptoren
Membranständige Rezeptoren untergliedern sich in Rezeptoren mit einer intrinsischen (eigenen) Enzymaktivität zur Signalweiterleitung, Rezeptoren ohne eigene Enzymaktivität und Rezeptoren, die als Ionenkanäle wirken.
Rezeptoren mit intrinsischer Enzymaktivität
Rezeptor-Tyrosin-Kinasen
Viele lösliche Liganden mit Peptid- oder Proteincharakter benutzen Transmembranrezeptoren, deren in das Zytoplasma ragende, intrazelluläre Anteile die enzymatische Aktivität einer Protein-Kinase besitzen. Da sie Tyrosinreste phosphorylieren, bezeichnet man derartige Rezeptoren als Rezeptor-Tyrosin-Kinasen (RTKs).
Die Liganden binden zugleich an die extrazellulären Domänen von zwei RTK-Monomeren. Die daraus resultierende Dimerisierung bewirkt eine Konformationsänderung, die zur Aktivierung der zytoplasmatischen Tyrosin-Kinase-Aktivität und zur gegenseitigen trans-Phosphorylierung der beiden Untereinheiten eines RTK-Dimers an Tyrosinseitenketten führt.
Rezeptor-Tyrosin-Kinasen wandeln somit eine extrazelluläre Ligandenbindung in eine intrazelluläre Tyrosinphosphorylierung um. Ein Prototyp dieser Rezeptoren ist der Rezeptor für den epidermalen Wachstumsfaktor (EGFR, Epidermal growth factor receptor). Auch die große Gruppe der Fibroblastenwachstumsfaktoren (FGF, fibroblast growth factor), der Nervenzellwachstumsfaktor (NGF, nerve growth factor) oder die von den Thrombozyten produzierten Wachstumsfaktoren (PDGF, platelet-derived growth factors) entfalten ihre Wirkung auf Zielzellen durch Vermittlung von RTKs. Die intrazellulären Signaltransduktionsprozesse, die durch die trans-Phosphorylierung der RTKs hervorgerufen werden, sind in Kap. 22.4 ausführlich dargestellt.
Rezeptor-Serin/Threonin-Kinasen
Statt einer Tyrosin-Kinase-Aktivität kann die zytoplasmatische Domäne eines Rezeptors auch eine Serin/Threonin-Kinase-Aktivität aufweisen. Ähnlich wie bei den RTKs kommt es durch ligandeninduzierte Dimerisierung der extrazellulären Domänen von Serin/Threonin-Kinase-Rezeptoren zur trans-Phosphorylierung der intrazellulären Anteile. Derartige Rezeptoren werden von dimeren Polypeptidliganden genutzt, die Zellwachstums- und Differenzierungsprozesse steuern. Zu ihnen gehört der Transforming growth factor- (TGF-), ein Signalprotein, das u.a. an der Wundheilung beteiligt ist.
Rezeptor-Phosphatasen
Als Gegenstück zur Kinaseaktivität kann auch eine Phosphataseaktivität als intrinsische enzymatische Aktivität der zytoplasmatischen Domäne von Rezeptoren vorliegen. Dabei handelt es sich ausschließlich um Tyrosin-Phosphatasen. Beispiele sind das CD45-Molekül der hämatopoetischen Zellen und die weitverbreitete Phosphatase PTP.
Rezeptor-Guanylatcyclasen
Guanylatcyclasen katalysieren unter Abspaltung von Pyrophosphat (PPi) die Zyklisierung von GTP zu 3',5'-cGMP, das als intrazellulärer Second messenger wirkt. Diese enzymatische Aktivität kommt auch in der zytoplasmatischen Domäne einiger membranständiger Rezeptoren vor. Zu dieser Gruppe gehören die Rezeptoren für die Guanylpeptide des Dünndarms und für das atriale natriuretische Peptid (ANP) in Herz und Niere.
Rezeptoren ohne intrinsische Enzymaktivität
Einige Gruppen von Transmembranrezeptoren besitzen selbst keine intrinsische Enzymaktivität. Ihre intrazellulären Domänen sind aber mit separaten Enzymen durch Protein-Protein-Wechselwirkung assoziiert. Beispiele für rezeptorassoziierte zytoplasmatische Enzyme sind Phospholipasen (z.B. Phospholipase C), zytoplasmatische Tyrosin-Kinasen (z.B. die Janus-Kinasen bzw. JAKs, Kap. 22.6) oder Protein-Phosphatasen (z.B. SHP1, SHP2). Rezeptoren für Zytokine benötigen zytoplasmatische Tyrosin-Kinasen (JAKs), um ihre Signale in das Zellinnere fortzuleiten, nachdem sie durch ihre Liganden dimerisiert wurden.
G-Protein-gekoppelte Rezeptoren
Eine große Gruppe von Rezeptoren ist an heterotrimere G-Proteine (-, - und -Untereinheit) gekoppelt, die an die intrazelluläre Seite der Plasmamembran assoziiert sind. Die Bindung des Liganden an den Rezeptor induziert eine Konformationsänderung, wodurch die -Untereinheit des gekoppelten G-Proteins aktiviert, d.h. zur Bindung von GTP befähigt wird. Sie kann nachfolgend Zielproteine aktivieren oder inhibieren, die wiederum Second messenger erzeugen (z.B. die Adenylatcyclase, ein cAMP-generierendes Enzym). G-Protein-gekoppelte Rezeptoren werden detailliert in Kap. 22.2 beschrieben.
Ionenkanäle
Rezeptoren können auch als Ionenkanäle fungieren, die den Durchfluss spezifischer Ionen durch die Plasmamembran ermöglichen. Ligandeninduzierte Konformationsänderungen im Rezeptor bewirken die Öffnung des Kanals und ermöglichen dadurch den gerichteten Ionenfluss. Neben den ligandenabhängigen Ionenkanälen (die z.B. durch Neurotransmitter wie Acetylcholin gesteuert werden) gibt es auch Ionenkanäle, deren Öffnungszustand von Veränderungen im Membranpotenzial (spannungsabhängige Ionenkanäle) oder von intrazellulären Signalen abhängt. Die wichtigsten beteiligten Ionen sind Na+, K+, Cl und Ca2+. Wirkungsweise und physiologische Bedeutung sind ausführlich in Kap. 21 und 29Kap. 21Kap. 29 beschrieben.
Nucleäre Rezeptoren
Eine grundsätzlich andere Art von Rezeptoren wird von lipophilen Ligandenmolekülen benutzt, die aufgrund ihres physikochemischen Charakters membrangängig sind. Sie treten von außen direkt in die Zellen ein und erreichen so ihre intrazellulären Rezeptoren, die sich im Zytoplasma oder im Zellkern befinden und als nucleäre Rezeptoren bezeichnet werden.
Bei den Liganden dieser Rezeptoren handelt es sich um kleine, lipophile Moleküle. Zu ihnen gehören die Steroidhormone (z.B. Cortison, Östrogen, Testosteron, Progesteron), das Vitamin D, die Retinsäure (ein Vitamin-A-Derivat) sowie die Schilddrüsenhormone (Kap. 24.4).
Nucleäre Rezeptoren wirken als Transkriptionsfaktoren. Sie interagieren als Dimere spezifisch mit palindromischen Sequenzelementen in den regulatorischen Regionen ihrer Zielgene, die sie aktivieren oder reprimieren. Sie lassen sich zwei verschiedenen Typen zuordnen: Manche Vertreter der Gruppe liegen in inaktiver Form im Zytoplasma vor und lösen sich erst nach erfolgter Ligandenbindung von zytoplasmatischen Bindungsproteinen, um nachfolgend in den Zellkern zu translozieren. Andere sind bereits vor der Ligandenbindung an genregulatorischen DNA-Sequenzen im Nucleus gebunden. Die Bindung des eindiffundierten Liganden verändert jedoch die Aktivität des Rezeptors und damit seinen Einfluss auf die Transkription des nachgeschalteten Zielgens (Kap. 12.6.3).

MERKE

Rezeptoren für informationsvermittelnde Signalmoleküle lassen sich in charakteristische Gruppen einteilen. Hydrophile extrazelluläre Liganden erzielen ihre Wirkung durch Bindung und Aktivierung membranständiger Rezeptoren in der Plasmamembran ihrer Zielzellen. Die zytoplasmatischen Domänen dieser Transmembranproteine besitzen häufig eine intrinsische Enzymaktivität (z.B. Kinase, Phosphatase, Guanylatcyclase), die durch die Ligandenbindung aktiviert wird und das Signal weitergibt. Rezeptoren ohne eigene Enzymaktivität rekrutieren nach Aktivierung oft intrazelluläre Proteine (z.B. Enzyme, G-Proteine) und stimulieren deren Funktion. Rezeptoren der Plasmamembran können auch Ionenkanäle sein. Grundsätzlich anders wirken nucleäre Rezeptoren: Sie binden lipidlösliche, membrangängige Liganden und regulieren die Transkription von Zielgenen, indem sie mit regulatorischen DNA-Sequenzen interagieren.

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren

Überblick

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR von G-protein-coupled receptor) stellen die größte Familie der membranständigen Rezeptoren dar, die Signale von extrazellulären Liganden in das Zellinnere weiterleiten. Ihre Funktion beruht auf der reversiblen Wechselwirkung mit guanosinnucleotidbindenden Proteinen (G-Proteine), die aus drei Untereinheiten bestehen und in Abhängigkeit von der Stimulation des Rezeptors zwischen einem aktiven (GTP enthaltenden) und einem inaktiven (GDP enthaltenden) Zustand wechseln können. Im aktivierten Zustand zerfallen die heterotrimeren G-Proteine in Untereinheiten, die dann jeweils nachgeschaltete Effektorproteine beeinflussen. Die Zielproteine können Enzyme sein, die Second messenger wie cAMP bilden, oder auch Ionenkanäle, die ihre spezifische Permeabilität ändern. Im Endergebnis werden durch diese Vorgänge die Signale vom aktivierten Rezeptor in der Zelle verbreitet (Abb. 22.6).

Struktur

Es gibt ca. 1000 verschiedene GPCRs, davon fast die Hälfte zur Erkennung von Geruchsstoffen (Kap. 29.5.3). Das typische strukturelle Charakteristikum von GPCRs ist ihr bündelartiger Aufbau aus sieben -helikalen Transmembransegmenten, die intra- und extrazellulär durch Peptidschlaufen miteinander verbunden sind. Wegen des alternierenden Verlaufs dieser Helices durch die Plasmamembran werden GPCRs gelegentlich auch als Serpentinrezeptoren bezeichnet. Eine Disulfidbrücke verknüpft die zweite und dritte extrazelluläre Schlaufe und ist wahrscheinlich für die Stabilität des Proteins in der Membran wichtig ist. Neben den unterschiedlichen Aminosäuresequenzen variieren die GPCRs in Länge und Funktion der N-terminalen extrazellulären Domäne, der intrazellulären Schlaufen und der intrazellulären C-terminalen Sequenz. Je nach Rezeptortyp erfolgt die Bindung des Liganden an die extrazellulären, transmembranären oder intrazellulären Anteile.
Aufgrund von Ähnlichkeiten in der Aminosäuresequenz lassen sich die GPCRs in drei große Unterfamilien gliedern (Abb. 22.7). Die größte Gruppe zeigt hochkonservierte Aminosäurereste innerhalb der Transmembranhelices und ein Cystein im C-Terminus, das über eine Palmitylgruppe in der Membran verankert ist. Hierzu gehören u.a. das Rhodopsin als lichtperzipierender Rezeptor der Retina, die Rezeptoren für biogene Amine wie Adrenalin und Histamin, Peptidhormone, Nucleotide oder Geruchsstoffe. Die zweite, kleinere Gruppe ist durch einen längeren N-Terminus gekennzeichnet, der eine Serie von Cysteinresten enthält. Hierzu gehören u.a. die Rezeptoren für das Parathormon und für Glucagon. Von der dritten Rezeptorgruppe werden Aminosäuren wie -Aminobuttersäure (GABA), Calciumionen oder Geschmacksstoffe gebunden. Sie zeigen einen besonders umfangreichen N-terminalen Bereich, der die Bindungsstelle für den extrazellulären Liganden ausbildet.

Heterotrimere G-Proteine

Aufbau und Aktivierungszyklus
Die intrazellulären Schlaufen der GPCRs sind mit heterotrimeren G-Proteinen assoziiert, die die ligandeninduzierte Konformationsänderung der Rezeptoren in die Auslösung intrazellulärer Signale umsetzen. Sowohl die - als auch die -Untereinheit der G-Proteine ist über einen Lipidanker in die Membran eingebunden.
Die Signalfortleitung der heterotrimeren G-Proteine beginnt, wenn der ligandenaktivierte GPCR die -Untereinheit dazu veranlasst, gebundenes GDP zu entlassen und stattdessen GTP zu binden. Der aktivierte GPCR wirkt hierbei als sog. Austauschfaktor. Hierauf zerfällt der trimere Komplex in die - und die davon abdissoziierende /-Untereinheit (Abb. 22.8).
Die Spezifität von GPCR-vermittelten Signalen beruht u.a. darauf, dass es eine Vielzahl von Varianten der drei Untereinheiten heterotrimerer G-Proteine gibt. Sie können sich in unterschiedlichen Kombinationen zusammenfinden, bedingt durch die zelltyp- und gewebespezifische Expression der jeweiligen Monomere. Man unterscheidet vier Gruppen von -Untereinheiten (s, i, q und 12/13), deren Beiträge zur Signaltransduktion unterschiedliche Qualitäten haben. So üben stimulatorische G-Proteine aus der Gruppe s einen aktivierenden Einfluss auf nachgeschaltete Effektorenzyme aus, während inhibitorische G-Proteine vom i-Typ diese Enzyme hemmen.
Signalgebung durch G- und /-Untereinheiten
Nach Aktivierung und Dissoziation in - und /-Untereinheiten geben die heterotrimeren G-Proteine Signale weiter, indem sie mit nachgeschalteten Effektormolekülen interagieren und deren Funktionen beeinflussen.
Ein wichtiges Effektorenzym von G-Untereinheiten ist die Adenylatcyclase, die den Second messenger cAMP bildet (Kap. 22.3.1). Sie wird von Gs stimuliert und von Gi inhibiert. Gq kann Phospholipasen vom Typ C (PLC) stimulieren und so die Synthese von Diacylglycerin (DAG) und Inositoltrisphosphat (IP3), weiteren Second-messenger-Molekülen, induzieren. Dies führt anschließend zur Aktivierung verschiedener Enzyme und Erhöhung der intrazellulären Calciumionenkonzentration (Kap. 22.3.2).
Durch indirekte Aktivierung des kleinen G-Proteins Rho (Kap. 19.1.2) bewirken die G12/13-Untereinheiten Änderungen in der Organisation des Zytoskeletts. Sie stimulieren auch den Na+-H+-Austausch über die Aktivierung eines Ionenkanals der Zellmembran.
Auch die /-Untereinheiten können als selbstständige Signalgeber fungieren. Im Komplex mit der -Untereinheit sind die /-Untereinheiten zwar nicht aktiv, als freies Dimer hingegen können sie selbstständig Signalprozesse anregen. Es sind Interaktionen mit Ionenkanälen (für Ca2+, K+, Na+-H+), Phospholipasen und Adenylatcyclasen (inaktivierend und aktivierend) bekannt. Darüber hinaus scheinen /-Untereinheiten für Wechselwirkungen mit Signalkaskaden verantwortlich zu sein, die auf der Aktivität von Tyrosin-Kinasen beruhen.

Regulation GPCR-gesteuerter Signale

Aktivität und Signalfortleitung von GPCRs werden sowohl auf der Ebene der Rezeptoren selbst als auch auf der der G-Proteine gesteuert. Zudem unterliegen die nachfolgend gebildeten Second messenger dem Abbau durch spezifisch regulierte Enzyme (Kap. 22.3). Generell können individuelle GPCRs mit mehreren unterschiedlichen G-Proteinen interagieren und so in einem Gewebe Effektorproteine wie die Adenylatcyclase abhängig vom zellulären Kontext entweder stimulieren oder sogar inhibieren.
Desensitivierung und Internalisierung des GPCR
Neben den G-Proteinen gehen GPCRs Interaktionen mit zusätzlichen intrazellulären Proteinen ein. Solche Kontakte sind u.a. wichtig für die Desensitivierung des Rezeptors, die das Ausmaß seiner ligandeninduzierten Signalfortleitung verringert. Hierbei wird der Rezeptor nach Ligandenbindung an definierten intrazellulären Serinresten von einer G-Protein-Rezeptor-Kinase (GRK) phosphoryliert. Dadurch entsteht eine Bindungsstelle für das Protein Arrestin. Dessen Kontakt mit dem GPCR verhindert, dass der Rezeptor Signale an G-Proteine weitergeben kann. Für die Aktivierung der GRK ist die /-Untereinheit des G-Proteins verantwortlich. Nach ihrer Dissoziation von der -Untereinheit nimmt sie Kontakt mit der GRK auf, die über Interaktionen mit Phospholipiden an die zytoplasmatische Seite der Zellmembran assoziiert ist (Abb. 22.9).
Eine weitere Möglichkeit, ein Ligandensignal zu unterdrücken, ist die Internalisierung des GPCR in endosomale Vesikel. Hierdurch stehen weniger Rezeptormoleküle für die Signalauslösung zur Verfügung. Die Endozytose wird durch die Phosphorylierung von Rezeptoren durch GRKs gefördert. Die Rezeptoren gelangen entweder nach Dephosphorylierung, Ligandenentfernung und Dissoziation des Arrestins wieder an die Zelloberfläche, oder sie werden proteolytisch abgebaut (Abb. 22.9).
Aktivitätsregulation von G-Proteinen
Die -Untereinheit von heterotrimeren G-Proteinen besitzt eine intrinsische GTPase-Aktivität. Durch sie wird mit einer gewissen Rate gebundenes GTP zu GDP und anorganischem Phosphat hydrolysiert. Diese Selbstabschaltung sorgt für die Rückkehr der aktivierten G-Proteine in den inaktiven, GDP-gebundenen Zustand und ihre erneute Assoziation mit den /-Untereinheiten. Im Vergleich zu herkömmlichen Enzymen ist die Wechselzahl um Größenordnungen niedriger, d.h., die Geschwindigkeit der GTP-Hydrolyse-Reaktion ist sehr gering. Die GTPase-Aktivität kann durch GTPase-aktivierende Proteine (GAPs) verstärkt werden. Es gibt spezialisierte Proteine mit dieser Eigenschaft wie die RGS (regulator of G-protein signaling), aber auch Effektoren der G-Proteine wie einige Isoformen der Adenylatcyclase beschleunigen den GTP-Abbau zu GDP durch G-Untereinheiten (Abb. 22.10).
Erwähnenswert ist jedoch auch ein Mechanismus, durch den die Aktivität der /-Untereinheiten selektiv verlängert wird: G12 kann von der Protein-Kinase C (Kap. 22.5.2) phosphoryliert werden und ist dadurch nicht mehr in der Lage, einen Komplex mit den /-Untereinheiten zu bilden, wodurch das /-Signal persistiert.

Adrenerge Rezeptoren

Adrenerge Rezeptoren sind typische GPCRs, deren Liganden, die Catecholamine, als Hormone an der Steuerung des Stoffwechsels beteiligt sind und zudem Funktionen als Neurotransmitter haben. Die bekanntesten Catecholamine sind die biogenen Amine Adrenalin und Noradrenalin (engl. epinephrine bzw. norepinephrine), die im Nebennierenmark, aber auch im zentralen und sympathischen Nervensystem aus der Aminosäure Tyrosin gebildet werden (Kap. 9.2.1). Beide Hormone binden an ihre Rezeptoren, indem sie sich in eine Spalte einlagern, die sich zwischen den Transmembranhelices 3, 5, 6 und 7 ausbildet.
Gewebespezifische Subtypen
Man unterscheidet - und -adrenerge Rezeptoren. Beide Gruppen bestehen aus jeweils mehreren Mitgliedern und unterscheiden sich durch die Gewebeverteilung ihrer Expression, durch ihre Wechselwirkungen mit assoziierten G-Proteinen und damit auch durch unterschiedliche nachgeschaltete intrazelluläre Signalreaktionen (Abb. 22.11).
-adrenerge Rezeptoren
Die -adrenergen Rezeptoren sind v.a. in den glatten Muskelzellen von Blutgefäßen, Nieren, Haut und Darm zu finden. Sie koppeln an G-Proteine des Subtyps Gq11 (1-Rezeptor; Stimulation der Phospholipase C Erhöhung der intrazellulären IP3-Konzentration und Ca2+-Erhöhung) oder Gi (2-Rezeptor, v.a. neuronal; Hemmung der Adenylatcyclase).
-adrenerge Rezeptoren
Als klassische Gewebe für die Expression der -adrenergen Rezeptoren gelten das Herz (überwiegend 1, wird v.a. durch Noradrenalin aus sympathischen Nerven aktiviert Anstieg der Herzfrequenz und -kontraktilität), die glatte Muskulatur in der Lunge (2, bindet bevorzugt Adrenalin Bronchodilatation) und das Fettgewebe (3, bindet bevorzugt Noradrenalin fördert Lipolyse). Sie koppeln an Gs-Proteine, die die Adenylatcyclase aktivieren und den cAMP-Spiegel erhöhen.
Mechanismen und Funktionen
Adrenerge Rezeptoren koordinieren die Reaktion des Organismus auf das Stresshormon Adrenalin. -adrenerge Rezeptoren bewirken, dass sich im Herzmuskel die Kontraktionsrate erhöht, während glatte Muskelzellen im Darm und im Skelettmuskel relaxieren, im Muskel die Glykogenolyse und im Fettgewebe die Lipolyse gesteigert werden. Stimulation von 2-adrenergen Rezeptoren in den Glattmuskelzellen der Arterien hingegen führt zu einer Gefäßverengung, sodass periphere Organe außer den Skelettmuskeln geringer durchblutet werden. So wird dem Körper Energie für die Skelettmuskelaktivität zur Verfügung gestellt.

Klinik

Für die adrenergen Rezeptoren wurden – wie für viele andere GPCRs – chemische Verbindungen identifiziert, die als Agonisten oder als Antagonisten wirken. Diese Substanzen haben meist strukturelle Ähnlichkeit mit den natürlichen Liganden.Agonisten führen zu ähnlichen Effekten wie die natürlichen Hormone, weil sie die Rezeptoren nicht nur hochaffin binden, sondern auch aktivieren. Antagonisten wirken hingegen als Hormonkompetitoren, denn sie binden an den Rezeptor, lösen aber keine Signaltransduktion aus und verdrängen den natürlichen Liganden. Die Affinitäten der synthetischen Verbindungen für Rezeptoren sind häufig wesentlich höher als die des biologischen Gegenstücks (KD für den -Rezeptor: Adrenalin 5 10–6 mol/L; Agonist Isoproterenol 4 10–7 mol/L; Antagonist Alprenolol 3,4 10–9 mol/L).

Eine medikamentöse Beeinflussung der Herzleistung durch Inhibierung der 1-Rezeptoren durch Antagonisten, sog. -Blocker, wird seit Langem erfolgreich zur Senkung des Blutdrucks und zur Herzentlastung angewandt. Weil diese Substanzen jedoch auch eine gewisse inhibitorische Wirkung auf die 2-Rezeptoren der glatten Bronchialmuskulatur haben und so eine verstärkte Kontraktion bewirken, sollten -Blocker bei Asthmatikern nicht eingesetzt werden.

Merke

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) sind membranständige Proteine mit sieben -helikalen Transmembransegmenten. Sie werden meist durch extrazelluläre Liganden aktiviert und können dann mit heterotrimeren G-Proteinen assoziieren. G-Proteine werden aufgrund dieses Kontakts ihrerseits durch den Einbau von GTP aktiviert und beeinflussen dann Effektorproteine. Diese tragen das Signal weiter, indem sie Second messenger bilden oder Ionenflüsse über die Membran verändern. Begrenzung und Abschaltung von GPCR-Signalen erfolgen durch Desensitivierung und Internalisierung (Endozytose des Rezeptors) sowie durch die intrinsische GTPase-Aktivität der G-Proteine. Auf der physiologischen Ebene sind diese Rezeptoren u.a. an Vorgängen wie Sehen, Riechen, Stressreaktion und Blutdruckregulation beteiligt.

Second messenger

Zyklische Nucleotide

cAMP
Zyklisches Adenosin-3',5'-monophosphat (cAMP) ist ein intrazelluläres Signalmolekül mit zentraler Bedeutung für den zellulären Stoffwechsel, für Wachstum und Differenzierung. Seine Bildung wird durch die Aktivierung vieler G-Protein-gekoppelter Rezeptoren induziert. cAMP sorgt u.a. für die Bereitstellung von Glucose aus internen Speichern, wenn die Zelle oder der Organismus kurzfristigen Energiebedarf hat.
Synthese und Hydrolyse von cAMP
cAMP wird von Adenylatcyclasen aus ATP gebildet, wenn diese Enzyme ihrerseits von aktivierten G-Proteinen stimuliert werden. Adenylatcyclasen sind Membranproteine mit zwölf Transmembransegmenten, die an zwei intrazellulären Schlaufen GTP-beladenes G binden können und dadurch zur cAMP-Synthese angeregt werden.
Die Zyklisierung von ATP wird durch einen Angriff der 3'-OH-Gruppe der Ribose auf die -Phosphatgruppe eingeleitet (Abb. 22.12). Es bildet sich eine Phosphodiesterbindung, und Pyrophosphat (PPi) wird freigesetzt. Die Synthese von cAMP ist endergon (G0' +6,7 kJ/mol). Die Reaktion wird aber durch die stark exergone anschließende Hydrolyse des Pyrophosphats angetrieben, die von der Pyrophosphatase katalysiert wird. Da ein Molekül aktivierter Adenylatcyclase viele cAMP-Moleküle produziert, wird an dieser Stelle der Signaltransduktion das Signal amplifiziert.
Es gibt insgesamt mindestens neun verschiedene Isoformen der Adenylatcyclase, die sich durch die Expression in verschiedenen Geweben unterscheiden und außer durch G und G auch durch Phosphorylierung an Serinresten und durch die intrazelluläre Calciumkonzentration reguliert werden können. Die Stimulation eines Gs-gekoppelten GPCR führt also nicht automatisch zur Bildung von cAMP, sondern es werden auch andere Einflüsse berücksichtigt.
Effektoren und intrazelluläre Wirkungen von cAMP
Der Haupteffektor von cAMP ist die cAMP-abhängige Protein-Kinase A (PKA; Abb. 22.13). Dieses Enzym ist ein Heterotetramer aus zwei regulatorischen und zwei katalytischen Untereinheiten. Die Bindung von cAMP setzt die regulatorischen Untereinheiten frei, sodass die katalytische Untereinheit Substratproteine an Serin- oder Threoninresten phosphorylieren kann.
Zu den Substraten der PKA gehören Enzyme, die den Glykogenstoffwechsel regulieren (Abb. 22.14). Die Glykogen-Synthase wird durch Phosphorylierung gehemmt und die Glykogen-Phosphorylase-Kinase aktiviert. Letztere phosphoryliert und aktiviert damit die Glykogen-Phosphorylase, sodass Glykogen zu Glucose-1-phosphat abgebaut wird. Die Freisetzung von Glucose aus Glykogen wird gleichzeitig begünstigt, indem die Neusynthese von Glykogen aus Glucosemonomeren bzw. UDP-Glucose unterbunden wird. Das geschieht durch Phosphorylierung der Glykogen-Synthase, die in diesem Zustand inaktiv ist (Kap. 5.2.6).
Neben zytoplasmatischen Proteinen können auch Transkriptionsfaktoren im Zellkern durch cAMP-induzierte Phosphorylierung via PKA reguliert werden. Das trifft insbesondere auf CREB (cAMP responsive element-binding protein) zu. Dieser Faktor wird durch Phosphorylierung befähigt, mit anderen Proteinen zu assoziieren und dann die Transkription bestimmter (cAMP-abhängiger) Gene anzuschalten (Kap. 12.6.1).
Die PKA kann sich aus unterschiedlichen Untereinheiten zusammensetzen. Diese weisen zum einen unterschiedliche Empfindlichkeiten für cAMP auf, zum anderen können sie die PKA-Aktivität innerhalb der Zelle räumlich dirigieren. Das ist möglich, weil die verschiedenen regulatorischen Untereinheiten an unterschiedliche sog. AKAPs (A-kinase-anchoring proteins) binden können. Die Vertreter dieser Familie sind an spezifischen Orten in der Zelle zu finden und können lokalisierte Effekte vermitteln, indem bestimmte PKA-Isoformen an definierten Orten angereichert werden. Regionale Signale sind z.B. bei der gerichteten Migration von Zellen und der dazu benötigten Ausbildung von Lamellipodien (Ausstülpungen des Zytoplasmas) wichtig.
Neben der PKA kann cAMP in der Zelle auch Ionenkanäle der CNG-Familien (CNG von cyclic nucleotide gated) sowie Chloridkanäle (CFTR) und Gap-junction-Kanäle aktivieren (Kap. 21.2). Relativ neu sind Befunde, nach denen cAMP auch die Aktivität von sog. kleinen G-Proteinen beeinflussen kann, deren wichtigster Vertreter Ras ist (Kap. 22.4.2). cAMP bewirkt, dass Rap1, ein Gegenspieler von Ras, verstärkt in den aktivierten, GTP-gebundenen Zustand versetzt wird.
cGMP
Synthese und Wirkung von cGMP
Zyklisches Guanosin-3',5'-monophosphat (cGMP) entsteht analog zu cAMP aus GTP unter Freisetzung von Pyrophosphat. Die Reaktion wird von Guanylatcyclasen katalysiert, die als lösliche oder als transmembranäre Enzyme vorkommen.
Eine Besonderheit der löslichen Guanylatcyclasen ist, dass sie durch das gasförmige Signalmolekül Stickstoffmonoxid (NO) reguliert werden. Dies wird durch die Einbindung eines Hämmoleküls in die heterodimeren Enzyme gewährleistet. Wenn das Häm mit Stickstoffmonoxid einen Komplex bildet, kommt es zu einer Konformationsänderung und Aktivierung des Enzyms.
Die transmembranären Guanylatcyclasen stellen eine Familie von Zelloberflächenrezeptoren dar, die mit ihrer extrazellulären Domäne Peptide binden und so die intrazellulär gelegene Domäne aktivieren. Liganden für diese Rezeptoren sind die Guanylpeptide. Die intrazellulären Effektoren von cGMP sind Phosphodiesterasen, Ionenkanäle und Protein-Kinasen (Abb. 22.15).

Klinik

Der Gefäßtonus der glatten Muskelzellen stellt eine wesentliche Komponente der Blutdruckregulation dar. Er wird u.a. durch die in den Zellen vorhandene Menge an cGMP bestimmt. So führt die Stimulation von Endothelzellen mit Acetylcholin zur Bildung des instabilen Gases Stickstoffmonoxid (Halbwertszeit von 2–30 s), das in benachbarte glatte Muskelzellen diffundiert und dort an lösliche Guanylatcyclasen bindet, die cGMP synthetisieren und die Zelle relaxieren. Dies ist auch das therapeutische Prinzip von Vasodilatatoren wie Nitroglycerin, aus denen Stickstoffmonoxid freigesetzt wird.

Guanylpeptide
Membranständige Guanylatcyclasen werden durch Guanylpeptide aktiviert. In diese Gruppe gehört das atriale natriuretische Peptid (ANP), das im Herzvorhof synthetisiert wird, wenn Dehnungsreize dort eine Hypervolämie und die Notwendigkeit einer Blutdrucksenkung anzeigen. Aktivierung von Guanylatcyclaserezeptoren durch ANP sorgt für eine Blutdruckreduktion u.a. dadurch, dass die Produktion von Renin und Aldosteron gehemmt wird. Durch die Natriurese und gleichzeitige Vasodilatation kommt es zur Blutdrucksenkung.
Die Becherzellen des Dickdarmepithels und die enterochromaffinen Zellen des Dünndarms bilden Guanylin bzw. Uroguanylin. Beide Peptide aktivieren Guanylatcyclase-C-Rezeptoren im Dünndarm. Als Folge werden in die Darmschleimhaut Cl- und HCO3-Ionen abgegeben, was eine erhöhte Sekretion von Flüssigkeit und Elektrolyten in das Darmlumen zur Folge hat. Hitzestabile Enterotoxine aus E. coli binden ebenfalls an diese Rezeptoren und lösen so Durchfall aus.
Abbau zyklischer Nucleotide
Phosphodiesterasen
Die intrazellulären Spiegel der zyklischen Nucleotide werden von der Enzymgruppe der Phosphodiesterasen (PDEs) kontrolliert. PDEs können entweder spezifisch cAMP, cGMP oder beide hydrolysieren. Als Produkt entstehen die entsprechenden Nucleosid-5'-monophosphate (Abb. 22.10). Die PDEs werden selbst wieder durch Serinphosphorylierung oder durch die intrazelluläre Calciumkonzentration reguliert. cGMP kann auch eine cAMP-spezifische Phosphodiesterase aktivieren.
Die bekannten PDEs lassen sich in elf Familien einordnen. Sie kommen gewebespezifisch und zudem noch in unterschiedlichen Isotypen vor (Tab. 22.2). Alle PDEs enthalten die katalytische Domäne im C-terminalen Teil des Proteins. N-terminal befinden sich Module für die Interaktion mit anderen Proteinen oder kleinen Molekülen wie zyklischen Nucleotiden. Sequenzen direkt am C-Terminus sind für eine Dimerisierung der PDEs wichtig oder können durch Phosphorylierung modifiziert werden. Die einzelne Zelle verwendet die Vielfalt an PDEs, um zyklische Nucleotide nicht unkontrolliert, sondern spezifisch in zellulären Kompartimenten und als integriertes Ergebnis verschiedener Signalwege abzubauen.
Im Herzmuskel sind die Protein-Kinase A und die Phosphodiesterase über das AKAP (A-kinase-anchoring protein) miteinander verbunden. Eine PKA-Aktivierung durch cAMP führt dabei umgehend zur Phosphorylierung und somit Aktivierung der PDE. Durch diese negative Rückkopplung kann das cAMP-Signal automatisch zeitlich und lokal begrenzt werden.
PDE-Inhibitoren
Coffein ist (ebenso wie das chemisch verwandte Theobromin) ein natürlicher Inhibitor verschiedener PDEs. Seine spezifische Wirkung wurde ursprünglich erkannt, weil es u.a. den Effekt von Glucagon auf die Glykogenolyse in der Leber erhöht. Als Inhibitor der PDE verstärkt Coffein z.B. die Wirkung von Adrenalin, was – neben der Inhibition von Adenosinrezeptoren durch Coffein – die physiologischen Effekte von Kaffee erklärt. Die chemische Synthese von Coffeinderivaten führte zur Entdeckung von PDE-Inhibitoren, die auch in der Klinik eingesetzt werden (z.B. Theophyllin). Wichtig ist hierbei, dass solche Inhibitoren eine große Spezifität für gewebetypische PDEs aufweisen können. Sildenafil, der Wirkstoff von Viagra, hemmt beispielsweise nahezu ausschließlich die PDE5 (Kap. 9.3.2).

Phospholipidderivate

Bildung von IP3 und DAG
Wichtige Second messenger werden durch enzymatische Umsetzung von Phospholipiden gebildet. Phospholipide sind wesentliche Bestandteile der meisten Membranen (Kap. 9.2). Als Ausgangsverbindung für die Second-messenger-Synthese dient insbesondere Phosphatidylinositol (PI). PI-abgeleitete Second messenger sind u.a. an der Auslösung von Phosphorylierungskaskaden und an der Regulation der Calciumionenkonzentration in der Zelle entscheidend beteiligt, spielen aber auch eine Rolle bei zellbiologischen Vorgängen wie der Fusion von Vesikeln.
Phosphatidylinositole und Phosphatidylinositol-Kinasen
Phosphatidylinositole (PI) sind membraneingelagerte Phospholipide, die einen Inositol-Kohlenhydratrest tragen. Die Kohlenhydratkomponente kann an einer oder mehreren Positionen phosphoryliert sein. Die Phosphatgruppen werden durch spezifische Phosphatidylinositol-Kinasen eingebaut. Als wichtiges Beispiel sei die Phosphorylierung an der Position C3 des Inositolrings durch die Phosphatidylinositol-3-Kinase (PI-3-Kinase) genannt, sie ergibt das Produkt Phosphatidylinositol-3-phosphat (PI-3-P; Abb. 22.16a).
Unterschiedliche Phosphatidylinositole können von spezialisierten Modulen von Signalproteinen erkannt werden. Die PH-Domäne (Abb. 22.3) hat eine starke Affinität für Phosphatidylidinositole, die an der C3-Position phosphoryliert sind, wie z.B. PI-3-P oder PI-3,4,5-P. Wenn diese membranständigen Verbindungen an der Innenseite der Membran entstehen, können sie als Andockstelle für die PH-Domäne der Protein-Kinase B (PKB) dienen, die dort aktiviert wird. Die PKB ist an der Steuerung von Proliferation und Apoptose beteiligt (Abb. 22.16b). Ein weiteres PIP-bindendes Proteinmodul ist die FYVE-Domäne. Sie erkennt nur Phosphatidylinositolphosphate mit Phosphorylierung am C3 des Inositolrings und ist für den intrazellulären Vesikeltransport wichtig.
Phospholipasen
PI-4,5-bisphosphat (PI-4,5-P2 oder PIP2) ist Substrat der Phospholipase C, die das PIP2 in Diacylglycerin (DAG) und Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP3) spaltet (Abb. 22.17). Beide Produkte sind Second messenger, wobei DAG als Lipid weiterhin in der Membran eingelagert bleibt und IP3 als polares Molekül in das Zytoplasma entlassen wird.
Es gibt mehrere Typen von Phospholipase C. Viele GPCRs bewirken unter Vermittlung von heterotrimeren G-Proteinen eine Aktivierung der Phospholipase C (PLC), die aus PIP2 dann DAG und IP3 freisetzt. Dieselbe Reaktion wird auch von einem Isoenzym der PLC, der PLC, katalysiert. Dieses Enzym unterliegt aber einem ganz anderen Regulationsmechanismus, denn es wird durch Rezeptoren für Wachstumsfaktoren aktiviert, nachdem es über eine SH2-Domäne an phosphorylierte Tyrosinreste im Rezeptormolekül andockt (Kap. 22.4).
Effektoren der Phospholipidderivate
DAG und IP3 wirken auf Phosphorylierungsabläufe und die Konzentration von Ca2+-Ionen in der Zelle ein. Haupteffektoren des membraneingelagerten DAG sind intrazelluläre Serin/ Threonin-Kinasen, die die Protein-Kinase-C-Familie (PKC-Familie) bilden. Diese Enzyme üben vielfältige Funktionen bei der Kontrolle der Zellphysiologie und der Zellteilung aus und werden ausführlich in Kap. 22.5.2 beschrieben.
Die wichtigste Signalfunktion von IP3 besteht in der Mobilisierung von Calciumionen (Ca2+) aus intrazellulären Speichern. Die Ca2+-Konzentration im Zytoplasma ist sehr niedrig (10–7 mol/L), während sie im extrazellulären Milieu und im Speicherorganell des endoplasmatischen Retikulums mindestens 1 000fach höher liegt. IP3 öffnet u.a. zwei wichtige, ligandenabhängige Ca2+-Kanäle in der Membran des endoplasmatischen Retikulums und bewirkt damit den Einstrom von Ca2+ in das Zytoplasma (Abb. 22.18). Es handelt sich zum einen um den sog. IP3-Rezeptor, an dessen Regulation außer IP3 zusätzlich noch Ca2+ und ATP beteiligt sind, sowie um den Ryanodinrezeptor. Auch dieser Kanal, dessen Bezeichnung auf seiner Stimulierbarkeit durch das Pflanzenalkaloid Ryanodin beruht, wird außer durch IP3 ebenfalls durch Ca2+ selbst reguliert. Er ist an der Ca2+-vermittelten Signaltransduktion in Muskel- und Nervenzellen beteiligt.
Abbau der Phospholipidderivate
Ähnlich wie zyklische Nucleotide werden auch die Inositolphosphate durch spezialisierte Enzyme abgebaut und damit in ihrer Signalfunktion abgeschaltet und begrenzt. Es gibt Phosphatasen, die spezifisch Phosphatreste von bestimmten Positionen des Inositols abspalten. Besonderes Interesse verdient die Phosphatase PTEN (phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome 10), die Inositolreste an der Position C3 dephosphoryliert. Damit wirkt sie der proliferationsfördernden Aktivierung der Protein-Kinase B durch PI-3-P entgegen (Abb. 22.16b). In jüngerer Zeit wurde gefunden, dass PTEN in vielen Tumoren verändert ist. Solche onkogenen Mutationen scheinen zu bewirken, dass maligne entartete Zellen nicht apoptotisch werden, sondern sich weiter teilen können, da das proliferationsfördernde und antiapoptotische PKB-Signal nicht abgeschwächt wird.

Ca2+-Signale

Calciumionen (Ca2+) besitzen eine Fülle biochemischer Funktionen. Sie spielen nicht nur in Prozessen wie Knochenmineralisierung und Blutgerinnung eine Rolle, sondern haben auch intrazellulär bei der Weiterleitung von Signalen eine wesentliche und vielfältige Funktion. Da seine Regulation u.a. durch die Aktivität von Second messenger bewerkstelligt wird, kann man in gewissem Sinne von Ca2+ auch als Third messenger sprechen.
Regulation der intrazellulären Ca2+-Konzentration
Im Zytoplasma wird ständig eine niedrige Ca2+-Konzentration und damit ein Gradient zum extrazelluären Raum und zu intrazellulären Organellen hin aufrechterhalten. Im Gegensatz zu einem anderen zweiwertigen Ion (Mg2+) wird Ca2+ wahrscheinlich auch deshalb so strikt reguliert, weil es ab einer gewissen Konzentration mit anorganischem Phosphat, das bei vielen energieverbrauchenden Prozessen in der Zelle anfällt, schwerlösliche Präzipitate bildet.
Ca2+ wird aus dem Zytoplasma kontinuierlich durch Pumpen in der Plasmamembran (Ca2+-ATPasen und Na+-Ca2+-Austauscher) oder im endoplasmatischen Retikulum entfernt. Der Export eines Calciumions erfordert dabei die Spaltung von ein bis zwei Molekülen ATP durch die Ca2+-ATPase, während der Na+-Ca2+-Austauscher vom Aufbau des Natriumgradienten durch die Na+-K+-ATPase abhängt. Auch Mitochondrien sind durch den elektrochemischen Gradienten über ihrer Membran in der Lage, Ca2+ bis zu einer Konzentration von 0,5 mmol/L aufzunehmen und diese dann später langsam wieder freizusetzen.
Ca2+-Kanäle und Signalauslösung
Die Ca2+-Konzentration kann kurzfristig durch die Öffnung von Ca2+-Kanälen beeinflusst werden, die den Ionenfluss entlang dem Gradienten für eine bestimmte Zeit ermöglichen. Wir kennen zwei Typen von membraneingelagerten Ca2+-Kanälen, deren Durchlässigkeit spannungs- oder ligandenabhängig reguliert wird. Bei spannungsabhängigen Kanälen (häufig in Muskel- und Nervenzellen) steuert das Membranpotenzial die Aktivität. Rezeptorabhängige Kanäle kontrollieren den Öffnungszustand entsprechend der Bindung von Liganden wie IP3, ATP oder Acetylcholin. Ca2+ ist ein besonders potenter Verstärker von Signalen, denn die Öffnung eines einzigen Kanals erlaubt den Einstrom einer großen Anzahl von Ca2+-Ionen (Abb. 22.18).
Calciumbindende Proteine
Die kurzfristige und lokale Veränderung von Ca2+-Konzentrationen ermöglicht der Zelle die Steuerung vielfältiger Prozesse. Die Wirkung von Ca2+ wird dabei durch reversible Bindung an intrazelluläre Proteine vermittelt (Tab. 22.3). Es handelt sich zum einen um reine Calciumbindungsproteine, die den Calciumspiegel abpuffern und so Stärke und Dauer des Calciumsignals beeinflussen (Calretinin, Calbindin). Zum anderen verändern Proteine wie Troponin C und Calmodulin durch die Ca2+-Bindung ihre Konformation und beeinflussen als Calciumeffektorproteine dann nachgeschaltete Prozesse. Beispiele hierfür sind die Interaktion von Actin und Myosin oder die Aktivierung von Protein-Kinasen, etwa der Ca2+-Calmodulin-abhängigen Kinase II (Abb. 22.18 und Kap. 22.5.1).
Zu den zellphysiologischen Effekten einer lokalen Erhöhung der Calciumkonzentration gehört die Exozytose von sekretorischen Vesikeln an der Plasmamembran. Ca2+-Calmodulin-Komplexe können auch über die Aktivierung der Phosphatase Calcineurin eine Dephosphorylierung des Transkriptionsfaktors NFAT bewirken, der daraufhin in den Zellkern translozieren und komplexe Transkriptionsprogramme induzieren kann (Kap. 12.6.1).

MERKE

Second messenger sind kleine Moleküle, die Signale von aktivierten Zellmembranrezeptoren an andere Strukturen und Kompartimente innerhalb der Zelle weitergeben. Sie regulieren die Aktivität verschiedener für die Signaltransduktion wichtiger Enzymklassen oder von Ionenkanälen. So können sie unterschiedliche Signalkaskaden koordinieren und physiologische Reaktion steuern. Das ursprüngliche auf die Zelle einwirkende Signal wird dabei verstärkt. Die wichtigsten Second messenger sind die zyklischen Nucleotide cAMP und cGMP, die von Adenylat- und Guanylatcyclasen produziert werden, sowie die Phospholipidderivate Diacylglycerin (DAG) und Inositoltrisphosphat (IP3), die Phospholipasen vom Typ C bereitstellen. Auch Ca2+, dessen Konzentration durch Second messenger gesteuert werden kann, verbreitet Signale in der Zelle.

Rezeptor-Tyrosin-Kinasen

Struktur und Aktivität

Rezeptor-Tyrosin-Kinasen (RTKs) bilden eine große Familie von Transmembranproteinen. Sie sind zum einen Rezeptoren, denn sie vermögen über den Extrazellularbereich spezifisch mit ihren Liganden zu interagieren. Gleichzeitig sind sie Tyrosin-Kinasen, die intrazelluläre Substratproteine an Tyrosinresten phosphorylieren können. Dieser Mechanismus gewährleistet die Signalweiterleitung in das Innere der Zelle. Mit Ausnahme der Rezeptoren für Insulin und den insulinähnlichen Wachstumsfaktor IGF, die in Kap. 22.4.3 besprochen werden, liegen RTKs im inaktiven Zustand als monomere integrale Membranproteine vor.
Die extrazellulären Bereiche der unterschiedlichen RTKs sind häufig aus charakteristischen Proteindomänen aufgebaut (Abb. 22.19). Neben einem einzigen helikalen Membrandurchgang enthalten alle RTKs eine intrazellulär lokalisierte Tyrosin-Kinase-Domäne, die ca. 250 Aminosäurereste umfasst und die katalytische Aktivität vermittelt. Diese Kinasedomäne ist von der Membranregion durch die sog. Juxtamembranregion getrennt. Bei den C-terminal der Kinasedomäne gelegenen Sequenzen handelt es sich wahrscheinlich um lineare Molekülabschnitte ohne Sekundärstruktur, die oft mehrere Tyrosinreste enthalten und somit nach Phosphorylierung als Rekrutierungsstellen für Substrat- und Adaptermoleküle mit passenden SH2-Domänen dienen (Kap. 22.1.2).
Liganden von RTKs
Rezeptor-Tyrosin-Kinasen fungieren als Rezeptoren einer Vielzahl von Wachstumsfaktoren. Der Rezeptor für den epidermalen Wachstumsfaktor (EGFR, epidermal growth factor receptor) war der erste Rezeptor, der als tyrosinspezifische Protein-Kinase identifiziert wurde. EGF ist ein 53 Aminosäuren großes lösliches Protein, das aufgrund seines wachstumsstimulierenden Effekts auf Epithelzellen identifiziert wurde. Sein Rezeptor besteht aus ca. 1200 Aminosäuren.
Andere Mitglieder der RTK-Familie sind die Rezeptoren für den Blutplättchenwachstumsfaktor (PDGFR), Fibroblastenwachstumsfaktoren (FGFR), Nervenwachstumsfaktoren (Trk) und Angiopoetine (Tie). Insgesamt gibt es beim Menschen 58 verschiedene RTKs. Die zellulären Prozesse, die durch RTKs geregelt werden, sind sehr vielfältig und umfassen Zellwachstum, Veränderung der Zellmorphologie, Adhäsion, Differenzierung, Apoptose, Angiogenese, metabolische Antworten wie Glucose- und Aminosäuretransport und Regulation von Ionenkanälen. Von großer medizinischer Bedeutung ist der Insulinrezeptor (Kap. 22.4.3).
Rezeptoraktivierung
Die meisten RTK-Liganden binden an monomere Rezeptoren und führen nach einer Konformationsänderung zu ihrer Dimerisierung (Abb. 22.20). Im Fall des Insulinrezeptors, der als Heterotetramer vorliegt, wird durch den Liganden ebenfalls eine Konformationsänderung hervorgerufen. In beiden Fällen werden nach Ligandenbindung die beiden zytoplasmatischen Tyrosin-Kinase-Domänen einander angenähert, sodass sie sich gegenseitig aktivieren. Die Kinasedomäne bindet ATP und katalysiert den Transfer der endständigen -Phosphorylgruppe von ATP auf Tyrosinreste eines im aktiven Zentrum gebundenen Peptids oder Proteins.
Innerhalb des Dimers einer ligandenaktivierten RTK phosphoryliert jeweils die intrazelluläre Tyrosin-Kinase der einen Rezeptorkette Tyrosinreste in der Partnerkette (trans-Phosphorylierung). Hierbei handelt es sich um Tyrosinreste im sog. Aktivierungsloop, einer speziellen regulatorischen Struktur in der unmittelbaren Umgebung des aktiven Zentrums der Kinasedomäne. Nach Phosphorylierung stabilisiert der Aktivierungsloop die aktive Konformation der katalytischen Domäne. Außerdem werden Tyrosinreste im C-terminalen Bereich phosphoryliert, wodurch die Bindung anderer Proteine ermöglicht wird, die dann die Weiterleitung des Signals übernehmen (Abb. 22.20). Außerdem können dann weitere Substratproteine direkt von der RTK phosphoryliert werden.

Klinik

HER2

Als Wachstumsfaktorrezeptoren sind RTKs in Krebszellen häufig mit verstärkter Expression nachzuweisen. Das dem EGFR verwandte Rezeptormolekül HER2 ist bei 30% der Mammakarzinome verstärkt exprimiert, wodurch ein stärkeres Signal zur Zellvermehrung gesetzt und damit ein Beitrag zum Tumorwachstum geleistet wird. Eine erhöhte HER2-Expression ist ein prognostischer Indikator für einen ungünstigen Krankheitsverlauf. Ein Antikörper, der gegen HER2 gerichtet ist (Herceptin), konnte als Therapeutikum des Mammakarzinoms entwickelt werden. In Kombination mit Chemotherapie führte dieser Antikörper in klinischen Studien zu einer deutlichen Verminderung der Rückfallrate und zu längerem Überleben. Dieses erfolgreiche Beispiel zeigt das Potenzial solcher therapeutischer Antikörper, die Relevanz von RTKs als therapeutische Zielstrukturen und auch die Bedeutung der Molekularbiologie für eine maßgeschneiderte, individualisierte Therapie: Denn nur solche Patientinnen, bei denen eine HER2-Überexpression nachgewiesen wurde, profitieren von dieser Antikörpertherapie.

VEGFR

Ein ähnliches pharmakologisches Prinzip wird auch für den vaskulären endothelialen Wachstumsfaktorrezeptor (VEGFR) eingesetzt, der für die Angiogenese, also für die Ausbildung von Blutgefäßen im Tumorgewebe, essenziell ist. Hier wurden Substanzen entwickelt, die den Liganden VEGF abfangen sollen, oder solche, die in die Zelle eindringen und spezifisch die Tyrosin-Kinase-Aktivität des Rezeptors inhibieren und somit die Blutversorgung des Tumors beeinträchtigen.

RET

Die RET-RTK (RET von rearranged during transfection) ist bei der erblichen MEN-2-Erkrankung (multiple endokrine Neoplasie Typ 2) durch Punktmutationen so verändert, dass sie kontinuierlich und ligandenunabhängig dimerisiert ist und zum Auftreten von medullären Schilddrüsenkarzinomen führt. Dabei ist im Bereich der extrazellulären Domäne einer von vier Cysteinresten mutiert. Da normalerweise jeweils zwei der Cysteinreste eine die Raumstruktur stabilisierende intramolekulare Disulfidbrücke bilden, bleibt in dem mutierten Rezeptor ein Cysteinrest ungepaart. Dieser kann nun mit dem ungepaarten Cysteinrest eines anderen Rezeptormoleküls eine Disulfidbrücke ausbilden. Diese konstitutive Dimerisierung täuscht die permanente Anwesenheit des Wachstumsfaktors vor. Für das RET-Gen gibt es aber auch inaktivierende Punktmutationen, bei denen die Tyrosin-Kinase-Aktivität reduziert ist und als deren Konsequenz die Hirschsprung-Krankheit auftritt, eine Störung der Darmmotilität aufgrund einer Agangliose.
Spezifität der Signalgebung
Die Liganden der RTKs erkennen ihre Rezeptoren gewöhnlich mit hoher Affinität (KD im nano-, manchmal sogar picomolaren Bereich). Es kann für einen Rezeptor durchaus mehrere Liganden geben, die ihn abhängig von der physiologischen Situation aktivieren. So kennt man außer EGF mindestens sechs weitere Proteine, die an den EGF-Rezeptor binden. Sie alle entstehen wie EGF selbst aus membranständigen Vorläufern, aus denen sie durch proteolytische Spaltung freigesetzt werden. Manche RTK-Liganden lösen auch Signale über mehrere unterschiedliche Rezeptoren aus.
Die Ausbildung von Homo- und Heterodimeren, sowohl auf Liganden- wie auch auf Rezeptorseite, ermöglicht die Erzeugung diversifizierter Signale. Dies sei am Beispiel der Blutplättchenwachstumsfaktoren (PDGF) gezeigt, die das Wachstum von Bindegewebe fördern (z.B. bei der Wundheilung). Die vier PDGF-Ketten A, B, C und D bilden die Dimere AA, AB, BB, CC und DD, außerdem gibt es zwei Typen von Rezeptoren, die - und -PDGF-Rezeptoren. PDGF-AA führt ausschließlich zur Ausbildung des Homodimers , während AB und CC darüber hinaus noch an das Heterodimer aus - und -Rezeptoren binden können. PDGF-BB bindet an alle Rezeptorformen, während PDGF-DD nur mit dem -Rezeptor assoziiert (Abb. 22.21).
Die verschiedenen homo- und heterodimeren Rezeptorkomplexe können innerhalb einer Zelle zur Aktivierung verschiedener Signalkaskaden führen, sodass die Antwort einer Zelle auf einen PDGF-Stimulus sowohl von der Art der PDGF-Dimere als auch vom relativen Expressionsspiegel der Rezeptoren in der jeweiligen Zielzelle abhängig ist. Signalvariation durch unterschiedliche Heterodimerisierung wurde außer für das PDGF/PDGFR-System auch für viele andere Rezeptoren gefunden. So kann der EGFR, der monomere Liganden bindet, mit nahe verwandten, strukturell sehr ähnlichen Rezeptoren der gleichen Proteinfamilie Dimere bilden. Durch die einfachen Möglichkeiten der Kombination von Rezeptoruntereinheiten und Liganden beginnt somit schon auf der Zellaußenseite die Komplexität der Signalprozesse.
Phosphorylierung und Aktivierung von Substratproteinen
Rekrutierung von Signalmolekülen über SH2-Domänen
Vor allem in den intrazellulären C-terminalen Sequenzbereichen von RTKs befinden sich Tyrosinreste, die eine wichtige Bedeutung für die Signalweiterleitung haben. Im aktivierten Zustand des dimerisierten Rezeptors werden sie von den rezeptorintrinsischen Kinasedomänen phosphoryliert. In diesem Zustand können sie dann von anderen Proteinen erkannt werden. Auf der Seite der rekrutierten Proteine vermitteln SH2- und PTB-Domänen (phosphotyrosinbindend) aufgrund ihrer Affinität für Phosphotyrosine die Bindung (Kap. 22.1.2). Die Spezifität der Interaktion kommt zustande, weil für die verschiedenen SH2- und PTB-Domänen auch die Sequenzumgebung der jeweiligen Phosphotyrosine ein Teil der erkannten Struktur ist. Die vielfältigen Bindungspartner von phosphorylierten RTKs können ihrerseits wieder eine enzymatische Aktivität haben, und/oder sie tragen zusätzliche Proteininteraktionsmodule (z.B. Adapterproteine).
Substratphosphorylierung
Für die weiterhin aktiven Tyrosin-Kinase-Domänen von aktivierten RTKs sind Interaktionspartner, die über Phosphotyrosin-SH2-Wechselwirkungen gebunden sind, ihrerseits Substrate. Als Beispiel für Ablauf und Konsequenzen einer derartigen Substratphosphorylierung sei hier die Aktivierung der Phospholipase C durch den EGF-Rezeptor gezeigt (Abb. 22.22): Nachdem die Phospholipase über eine SH2-Domäne an ein spezifisches phosphoryliertes Tyrosin im EGFR-Molekül angedockt hat, wird sie selbst phosphoryliert. Die daraus resultierende Konformationsänderung führt zur Aktivierung der PLC und damit zur Synthese der Second messenger DAG und IP3.
Die Auswahl der an die RTKs bindenden oder der durch sie phosphorylierten Proteine überlappt zwar, ist in ihrer Gesamtheit aber für bestimmte RTKs spezifisch, sodass die Bindung eines Wachstumsfaktors an seinen Rezeptor in der Zielzelle eine charakteristische Antwort auslöst, z.B. Zellteilung oder Migration. Häufig wird ein Signal zusätzlich verstärkt, wenn gleichzeitig eine komplementäre Signalkette durch einen weiteren Faktor und seinen Rezeptor aktiviert wird. Beispielsweise können DAG und IP3 gleichzeitig durch PLC und PLC erzeugt werden, wobei die eine durch RTKs (oben) und die andere durch GPCRs und G-Proteine aktiviert wird (Kap. 22.3.2). Neben diesem Crosstalk gibt es aber auch Fälle, bei denen das Signal durch einen zweiten gleichzeitigen Stimulus unterdrückt wird (negativer Crosstalk).
Abschalten von RTK-Signalen
Zeitgleich mit der Weiterleitung eines RTK-vermittelten Signals wird in der Zelle bereits mit dessen Abschaltung begonnen. Die Deaktivierung kann dabei erfolgen, indem am Rezeptor der Kontakt mit Substratproteinen unterbunden oder indem der Rezeptor für weitere Stimulation durch Ligandenmoleküle unzugänglich gemacht wird.
Dephosphorylierung
Zu den Substratproteinen, die an intrazellulär phosphorylierte RTKs andocken können, gehört auch eine Gruppe von Tyrosin-Phosphatasen, die selbst SH2-Domänen aufweisen. Diese Enzyme entfernen nach Kontakt mit der aktivierten RTK Phosphatgruppen von Tyrosinresten an Rezeptor- und Substratmolekülen. So gewährleisten sie die rasche Beendigung der Signalweiterleitung, wenn der Rezeptorkomplex nicht länger durch Liganden stimuliert wird.
Endozytose
Innerhalb von Minuten nach Ligandenbindung beginnt eine Internalisierung der Rezeptoren durch Endozytose. Je nach Rezeptor werden diese dann entweder proteolytisch abgebaut, oder sie verlieren in den sauren endosomalen Vesikeln ihre Liganden, worauf sie anschließend dephosphoryliert und zurück an die Zelloberfläche transportiert werden (Recycling).

MERKE

Rezeptor-Tyrosin-Kinasen koppeln das externe Signal Ligandenbindung an die Aktivierung ihrer intrazellulären Enzymfunktion. Nach Bindung des Liganden an die Extrazellulardomäne kommt es zur Dimerisierung des Rezeptors und zur gegenseitigen trans-Phosphorylierung der zytoplasmatischen Tyrosin-Kinase-Domänen der Rezeptorketten. Dadurch entstehen Andockstellen für intrazelluläre Signalproteine, die nach Bindung durch die aktivierte Kinase meist ebenfalls phosphoryliert werden und eine intrazelluläre Signalkaskade einleiten.

Signalübertragung über den MAP-Kinase-Weg

Ras als zentraler Vermittler für RTK-vermittelte Mitosesignale
Neben den heterotrimeren G-Proteinen, die bereits als Überträger von GPCR-Signalen besprochen wurden (Kap. 22.2.2), gibt es auch monomere G-Proteine, die ebenfalls durch den Austausch von GDP durch GTP in einen aktivierten Zustand versetzt werden. Der bekannteste Vertreter dieser kleinen G-Proteine ist Ras, das eine zentrale Rolle bei der Übertragung von RTK-vermittelten extrazellulären Signalen in das Zytoplasma spielt. Es gibt drei nahe verwandte Gene für H-Ras, N-Ras und K-Ras. Im Folgenden wird das am besten charakterisierte H-Ras näher betrachtet. Es kodiert für ein Protein von 21 kDa Größe, das durch einen Lipid-(Farnesyl-)Anker posttranslational modifiziert wird und dadurch von der zytoplasmatischen Seite her an die Plasmamembran angelagert ist. Die Farnesylierung ist essenziell für die Funktion von Ras.
Als typisches G-Protein kann Ras in einer aktiven, GTP-beladenen und in einer inaktiven, GDP-gebundenen Form vorliegen (Abb. 22.23). In der aktivierten Form liegt das Protein durch die Interaktion der Aminogruppen zweier Peptidbindungen in den seitlichen Schaltdomänen mit dem -Phosphat des GTP in einer gespannten Form vor. Nach Spaltung der Phosphorsäureanhydridbindung im GTP kommt es zur Konformationsänderung und Inaktivierung des Ras-Proteins. Das Gleichgewicht zwischen Ras in der GDP- oder GTP-gebundenen Form wird einerseits durch GDP-GTP-Austauschfaktoren (GEF von guanine nucleotide exchange factor) und andererseits durch GAP-Proteine (GTPase activating protein) beeinflusst, welche die GTP-Hydrolyse-Aktivität des Ras-Proteins stimulieren.
Aktivierung von Ras
Bestimmte Phosphotyrosinreste in den zytoplasmatischen Regionen aktivierter RTKs können durch die SH2-Domäne von Grb2 (growth factor receptor binding protein 2) erkannt und gebunden werden (Abb. 22.24). Grb2 ist ein Adapterprotein und besitzt zusätzlich auch SH3-Domänen, über die es eine Assoziation mit dem prolinreichen Protein Sos (son of sevenless; Bezeichnung nach einer Drosophila-Mutante) eingeht. Dieses rekrutiert nun Ras-GDP in den sich ausbildenden Multiproteinsignalkomplex. Sos ist ein Austauschfaktor (GEF), der Ras stimuliert, indem er den Einbau von GTP statt GDP fördert. Das entstandene, membranassoziierte Ras-GTP kann wichtige nachfolgende Signalschritte induzieren, z.B. Protein-Kinasen aktivieren.
Beendigung des Ras-Signals
Der aktive Ras-GTP-Komplex kann durch die intrinsische GTPase-(GTP-Hydrolyse-)Aktivität des Ras-Proteins wieder in den inaktiven Ras-GDP-Komplex umgewandelt werden. Durch diese Inaktivierung von Ras wird auch die nachgeschaltete Signalkaskade abgeschaltet. Das Gleichgewicht zwischen Ras-GTP und Ras-GDP wird durch GAPs (GTPase aktivierende Proteine, Abb. 22.23) zugunsten des inaktiven Zustands beeinflusst.

Klinik

In Tumorzellen findet man sehr häufig Mutationen in den Genen für Ras, aber auch in den Genen für GAPs oder GEFs. Alle Mutationen führen dazu, dass der aktivierte Ras-GTP-Komplex stabilisiert wird. Zum Beispiel sind viele Mutationen von Ras in der GTP-Bindungstasche des Proteins lokalisiert und beeinträchtigen die enzymatische Aktivität der GTP-Spaltung. Dadurch bleibt auch die nachgeschaltete Signalkaskade angeschaltet, und der Zelle wird quasi die permanente Anwesenheit des Wachstumsfaktors und damit das Signal zur Zellteilung vorgetäuscht.

Medikamentöse Inhibition von Ras ist ein attraktives Therapiekonzept, um das Wachstum von Tumoren mit onkogener Ras-Aktivität einzudämmen, die bei etwa 20% der menschlichen Tumoren vorliegt. Es wurden große Hoffnungen in Wirkstoffe gesetzt, die die Farnesylierung von Ras unterbinden können und es damit daran hindern, an seinen Wirkungsort in der Zytoplasmamembran zu gelangen. Anscheinend können die in Tumoren v.a. betroffenen K-Ras- und N-Ras-Proteine bei entsprechender Therapie jedoch alternativ durch Geranylgeranylierung modifiziert werden. Die zusätzliche Blockade dieses weiteren Prenylierungsenzyms ist jedoch mit schweren Nebenwirkungen verbunden, sodass diese Strategie derzeit wenig erfolgversprechend scheint.

Die MAP-Kinase-Kaskade
Die Aktivierung des G-Proteins Ras durch ligandenstimulierte RTKs führt zur schrittweisen, nacheinander ablaufenden Aktivierung von drei zytoplasmatischen Protein-Kinasen, die die sog. MAP-Kinase-Kaskade (MAP von mitogen activated protein) darstellen (Abb. 22.25). Sie ist einer der wichtigsten Signalwege der Zelle zur Regulation der Zellteilung.
Nach GTP-Beladung erlangt das membranständige Ras-GTP die Fähigkeit, die zytoplasmatische Serin/Threonin-Kinase Raf an die Plasmamembran zu rekrutieren und dort zu aktivieren. Raf phosphoryliert MEK (MAP- und ERK-Kinase), die dadurch ihrerseits aktiviert wird und anschließend die inaktive MAP-Kinase (MAPK) durch Phosphorylierung an Threonin- und Tyrosinresten in den aktiven Zustand versetzt (ein Sonderfall unter den Protein-Kinasen, die in der Regel meist entweder eine Serin-Threonin- oder eine Tyrosin-Spezifität aufweisen).
Die aktivierte MAPK kann entweder Substrate im Zytoplasma phosphorylieren oder in den Zellkern translozieren und dort Transkriptionsfaktoren (z.B. AP-1; Kap. 12.6.1) oder weitere Kinasen (sog. MAPKAP-Kinasen) phosphorylieren. Die Phosphorylierung von Transkriptionsfaktoren verändert deren Fähigkeiten, die Transkription von Zielgenen (z.B. solcher mit Funktionen bei der Zellteilung) zu regulieren.
Isoformen von Mitgliedern der MAP-Kinase-Kaskade
Am Beispiel der MAP-Kinase-Kaskade ist eine lückenlose Signalübertragung vom extrazellulären Liganden (z.B. Wachstumsfaktor) über dessen Rezeptor und nachgeschaltete Aktivitäten der Signalmediatoren Ras, Raf, MEK und MAPK bis in den Zellkern dokumentiert. Bemerkenswert ist, dass auf jeder Stufe dieser Signalkaskade die ablaufenden Schritte durch unterschiedliche Isoformen der beteiligten Proteine ausgeführt werden können (Abb. 22.26). Aus der Kombination verschiedener Isoformen ergeben sich unterschiedliche MAP-Kinase-Signalkaskaden (ERK-, JNK-, p38/SAPK-Signalweg), die entweder separat ablaufen (lineare Abfolge) oder durch gegenseitige Beeinflussung miteinander zu einem Signalnetzwerk verknüpft sind. Welche spezielle Isoform der unterschiedlichen MAPK-Signalmoleküle in einer Zelle aktiviert wird, ist durch die Art des extrazellulären Stimulus und durch das Expressionsmuster der Signalmoleküle in der signalaufnehmenden Zelle bedingt.
Die Aktivierung von Zellen zur Proliferation (z.B. T-Zell-Aktivierung, aber auch Tumorzellproliferation) oder zur Beteiligung an induzierbaren Prozessen (z.B. Entzündungsprozesse, Wundheilung, Infektionsabwehr etc.) erfolgt durch Vermittlung unterschiedlicher MAP-Kinase-Signalwege. Komponenten dieses Signalwegs stellen deshalb wichtige pharmakologische Zielmoleküle für zukünftige therapeutische Interventionen dar.
Aktivierung durch Stress und andere Signalwege
Die Aktivierung des MAP-Kinase-Signalnetzwerks kann nicht nur durch spezifische Rezeptorliganden induziert werden, sondern auch durch weniger spezifische extrazelluläre Einflüsse wie Hitzeeinwirkung, UV-Strahlung und generelle Stressbedingungen, wie z.B. Redoxstress. Außerdem kann der MAP-Kinase-Signalweg intrazellulär durch nichtverwandte Signalwege aktiviert werden (Crosstalk), die, ausgehend von verschiedenen Rezeptoren, separat stimuliert wurden (z.B. durch die Protein-Kinase C).

MERKE

Aktivierte Rezeptor-Tyrosin-Kinasen können mithilfe von Adapterproteinen das G-Protein Ras aktivieren. Ras-GTP bewirkt die Aktivierung einer Protein-Kinase (Raf), die eine weitere Protein-Kinase (MEK) phosphoryliert und damit aktiviert. Dies phosphoryliert und aktiviert wiederum die nachgeschalteten ERK-Kinasen, zu deren Substraten Transkriptionsfaktoren gehören. Dieser Signalkaskade kommt eine große Bedeutung bei der Kontrolle zellulärer Aktivitätszustände, insbesondere der Zellteilung, zu. Neben dem Ras-Raf-MEK-ERK-Kinase-Weg gibt es andere MAP-Kinase-Signal-Kaskaden, die in analoger Weise eine sukzessive Aktivierung jeweils nachgeschalteter Protein-Kinasen beinhalten.

Der Insulinrezeptor

Insulin ist ein zentraler Regulator des Stoffwechsels und eines der Hormone der Langerhans-Inseln im Pankreas. Es wird dort in den -Zellen in Vesikeln deponiert und unmittelbar sezerniert, wenn die Blutglucosekonzentration ansteigt. Primäre Wirkorte des Insulins sind die Skelettmuskeln, das Fettgewebe und die Leber, in denen es Aufnahme und Verwertung von Glucose bewirkt. Insulin wirkt aber auch auf die -Zellen selbst und kann seine eigene Sekretion regulieren (Kap. 24.9.1).
Rezeptorstruktur und -signalgebung
Die Insulineffekte werden durch Bindung an eine Rezeptor-Tyrosin-Kinase, den Insulinrezeptor (IR), in die Zielzellen vermittelt. Dieser ist im Unterschied zu den meisten anderen RTKs als Heterotetramer in der Membran verankert. Der funktionelle Insulinrezeptor entsteht aus zwei Rezeptorvorläuferproteinen, die jeweils proteolytisch gespalten und über Disulfidbrücken miteinander verbunden werden. Die beiden extrazellulären -Untereinheiten binden Insulin, wodurch über Konformationsänderungen die intrazellulären Tyrosin-Kinase-Domänen der transmembranären -Untereinheiten korrekt zueinander ausgerichtet und katalytisch aktiv werden.
Phosphorylierungsreaktionen
Nach der Aktivierung kommt es wie bei allen RTKs zur trans-Phosphorylierung an Tyrosinresten der intrazellulären Rezeptordomänen. Ein besonders wichtiger Bindungspartner des Insulinrezeptors ist das Insulinrezeptorsubstrat-1 (IRS-1), das mithilfe einer PTB-Domäne den membranproximalen Phosphotyrosinrest 960 des Insulinrezeptors erkennt.
IRS-1 ist ein Adapterprotein aus 1242 Aminosäureresten und enthält im N-terminalen Bereich Proteinmodule, die die Interaktion mit weiteren Proteinen vermitteln. Eine PH-Domäne kann an Phosphoinositollipide (PIP2) binden und vermittelt die Assoziation von IRS-1 mit Membranen. IRS-1 enthält eine Reihe von Tyrosinresten, die nach Assoziation vom aktivierten Insulinrezeptor phosphoryliert werden und dann als Bindungsstellen für verschiedene Proteine mit SH2-Domänen dienen, wodurch ein Signalkomplex entsteht.
Das IRS-1-abhängige Insulinsignal
IRS-1 bindet nach Phosphorylierung durch den Insulinrezeptor mehrere Proteine (Abb. 22.27), darunter insbesondere die regulatorische Untereinheit der Phosphatidylinositol-3-Kinase (PI-3-K). Durch die Translokation an die Zellmembran kann die katalytische Untereinheit der PI-3-K verschiedene Membranphospholipide an der 3'-Position des Inositolrings phosphorylieren. Entstehendes Phosphatidylinositol-3-phosphat rekrutiert Serin-Kinasen wie PDK-1 (phosphoinositide-dependent kinase 1) über ihre PH-Domäne an die Membran, die daraufhin eine Reihe anderer Kinasen phosphoryliert und ebenfalls aktiviert. Zu den Substraten gehören die Protein-Kinase B (PKB/Akt), atypische Protein-Kinasen C (PKC, PKC; Kap. 22.5.2) sowie die p70S6-Kinase.
An diesem Punkt verzweigen sich die Signalwege. Ein wichtiger Insulineffekt in Muskel- und Fettzellen wird von PKB und PKC vermittelt, nämlich der Einbau des insulinabhängigen Glucosetransporter GLUT4 in die Zellmembran. GLUT4 liegt in unstimulierten Zellen in Vesikeln gespeichert vor und wird in Reaktion auf das Insulinsignal hin zur Zelloberfläche transportiert. Auf diese Weise wird der Glucoseeinstrom in die Zelle ermöglicht, und es kommt zur Erniedrigung des Blutglucosespiegels. Die PKB reguliert zudem in verschiedenen Geweben Glykogensynthese, Glykolyse, Proteinsynthese und die Transkription von Genen im Sinne einer Steigerung der Glucoseverwertung.
Schnelle und langsame Insulinantwort
Insulin bewirkt durch Aktivierung seines Rezeptors sowohl kurz- als auch langfristige Anpassungen der Stoffwechsellage an ein erhöhtes Glucoseangebot.
Schnelle Insulinantwort durch Enzymregulation
Zu den kurzfristigen Effekten, die in der Regel innerhalb von Minuten greifen, gehört die Aktivierung der Glykogen-Synthase durch Hemmung ihrer Phosphorylierung bzw. Dephosphorylierung über mehrere parallele Wege (Kap. 24.9 und 22.3.1). Insulin wirkt auch cAMP-vermittelten Signalen zum Glykogenabbau (z.B. durch Adrenalin) entgegen, indem es die cAMP-spezifische Phosphodiesterase inaktiviert.
Langsame Insulinantwort durch Genregulation
Veränderungen im Zellstoffwechsel, die erst über längere Zeiträume wirksam werden, erfolgen durch Veränderungen im Muster der exprimierten Gene. Beispielsweise wird die Expression der Glykogen-Synthase induziert und trägt so auch längerfristig zur Förderung der Glykogensynthese bei. Die Verwertung von Glucose wird angekurbelt, indem Insulin die Schlüsselenzyme der Glykolyse induziert und jene der Gluconeogenese reprimiert.
Der aktivierte Insulinrezeptor gibt nicht zuletzt auch mitogene Stimuli weiter. Dies geschieht, indem tyrosinphosphoryliertes IRS-1 das Adapterprotein Grb2 im Komplex mit Sos bindet und so den MAP-Kinase-Signalweg einschaltet (Kap. 22.4.2). Alternativ zum IRS-1 kann auch das Adapterprotein SHC Signale an den Grb2/Sos-Komplex ableiten. Es nimmt über eine PTB-Domäne Kontakt mit dem phosphorylierten Tyrosin 960 in der Juxtamembrandomäne des Insulinrezeptors auf (Abb. 22.27).

MERKE

Der Insulinrezeptor (IR) ist eine heterotetramere Rezeptor-Tyrosin-Kinase. Nach Aktivierung durch Insulinbindung wird das Adapterprotein IRS-1 an einen Phosphotyrosinrest des Rezeptors rekrutiert. Hiervon ausgehend führen dann verschiedene Signalkaskaden zu gewebespezifischen physiologischen Antworten: Beispielsweise erhöht der Einbau des Glucosetransporters GLUT4 in die Zellmembran den Einstrom von Glucose in Muskel- und Fettzellen; Insulin verstärkt die Glykogensynthese und hat auch anabole Wirkungen im Proteinstoffwechsel. Die schnelle Insulinantwort erfolgt durch Enzymregulation, langfristige Effekte werden über eine Beeinflussung der Genregulation erreicht.

Serin/Threonin-Kinasen

Rezeptoren mit Serin/Threonin- Kinase-Aktivität

Aktivierungs- und Signalfortleitungsmechanismus
Transmembranrezeptoren mit Serin/Threonin-Kinase-Aktivität besitzen zwei unterschiedliche Typen von Rezeptorketten, die man mit Typ I und Typ II bezeichnet. Die Aktivierung der Rezeptoren erfolgt wieder durch Dimerisierungsvorgänge, in diesem Fall jedoch durch einen besonderen Mechanismus: Die Kinase des Typ-II-Rezeptors ist konstitutiv aktiv, die des Typ-I-Rezeptors im Ruhezustand abgeschaltet. Die Liganden, die selbst als Dimere vorliegen, sorgen durch ihre Bindung an das Rezeptorsystem für die Ausbildung eines Heterooligomers aus Typ-I- und Typ-II-Rezeptorketten. Hierdurch kann die Kinase der Typ-II-Rezeptorkette die Typ-I-Kette an einer glycin-/serinreichen GS-Box phosphorylieren, wodurch nun auch deren Kinasedomäne aktiviert wird. Dieses Ereignis löst dann die Phosphorylierung nachgeschalteter Signalmoleküle aus.
Nachgeschaltete Elemente der Signaltransduktion durch Serin/Threonin-Kinase-Rezeptoren sind die Smad-Proteine. Sie werden durch die Typ-I-Rezeptoren phosphoryliert und bilden daraufhin Trimere, die unterschiedliche Vertreter der Smad-Gruppe enthalten. Aktivierte Smads können dann in den Zellkern gelangen, wo sie gemeinsam mit DNA-bindenden Proteinen an der Genregulation beteiligt sind (Kap. 12.6.2). Smads vermitteln sehr grundlegende Reaktionen bei der Embryonalentwicklung, aber auch im adulten Organismus bei Wundheilung oder Regeneration. Zudem sind sie an der Kontrolle des Zellzyklus beteiligt und verhindern unkontrolliertes (Tumor-)Wachstum (Abb. 22.28).
Physiologische Rolle von Serin/Threonin-Kinase-Rezeptoren
TGF--Rezeptor
TGF- (transforming growth factor-) und einige verwandte Proteine gehören zu den Zytokinen im weiteren Sinne. Als Zytokine bezeichnet man im Allgemeinen aglanduläre Polypeptidhormone, die insbesondere, allerdings nicht ausschließlich von Zellen des Immunsystems produziert werden (Kap. 22.1). Sie wirken in erster Linie parakrin und haben vielfältige regulierende Funktionen bei der Teilung und Differenzierung verschiedener Zelltypen. TGF- selbst ist ein Faktor, der die Zellteilung von differenzierten Zellen in bestimmten Situationen durch antimitotische Signalgebung zu bremsen vermag. Fehlerhafte Funktion des TGF--Rezeptor-Systems spielt eine Rolle beim Ausfall der Wachstumskontrolle in manchen Tumoren. Von großer medizinischer Bedeutung ist die Funktion von TGF- als wichtigster Vermittler von fibrotischen Prozessen im Organismus (Klinik-Kasten).
Der TGF--Rezeptor-Komplex umfasst in seiner aktivierten Form neben den für Serin/Threonin-Kinase-Rezeptoren typischen Ketten vom Typ I und II noch eine akzessorische Komponente vom Typ III (häufig -Glykan). Letzere hat keine zytoplasmatische Domäne und scheint nach Ligandenbindung nur an Konformationsänderungen beteiligt zu sein, die für die Ak
tivierung des Systems nötig sind. Smad-Proteine tragen die Signale in den Zellkern. Sie sorgen dort als Transkriptionsfaktoren u.a. dafür, dass in Fibroblasten Gene für Bindegewebsproteine wie Kollagen verstärkt exprimiert werden, und tragen so entscheidend zu Fibrosierungsprozessen bei.

Klinik

TGF- spielt eine wichtige Rolle bei der Fibrose, die durch eine Ausbreitung des Bindegewebes auf Kosten von normalem, funktionellem Organgewebe gekennzeichnet ist. Er aktiviert hierbei Fibroblasten zur verstärkten Produktion extrazellulärer Matrix. Dies kann fatale Folgen haben: Eine Leberzirrhose führt zu Leberversagen, bei Lungenfibrose kommt es zu restriktiver Lungenfunktionsstörung und fortschreitender Atemnot. Fibrotische Prozesse laufen jedoch auch im Zuge von Wundheilung und Narbenbildung ab. Das Ziel neuer therapeutischer Ansätze ist es, die Fibrosierung zu verhindern oder zumindest aufzuhalten. Eine Antagonisierung von TGF- bzw. der von TGF- ausgelösten Signalkette ist einer der Wege, die hierbei beschritten werden.

Rezeptoren für BMPs
Die Gruppe der BMPs (bone morphogenic proteins) ist strukturell mit TGF- verwandt und induziert u.a. die Ausdifferenzierung von Knochengewebe. BMP-Rezeptoren verbreiten ihre Signale im Zellinneren nicht nur über Smad-Faktoren, sondern steuern zusätzlich auch MAP-Kinase-Signalwege an (Kap. 22.4.2). Interessanterweise gibt es neben den Proteinen der BMP-Famile, von denen man über 20 unterschiedliche kennt, auch eine Reihe von natürlichen Antagonisten wie etwa das sezernierte Protein Noggin. Die Antagonisten binden spezifische BMPs und verhindern so, dass diese die BMP-Rezeptoren aktivieren. Eine austarierte Balance zwischen BMPs und ihren Antagonisten ist wichtig bei der Heilung von Knochenbrüchen.
Die osteoinduktive Wirkung von BMP2 oder BMP7 wird bereits heute klinisch mit Erfolg für den Ersatz großer Knochendefekte eingesetzt.

Zytoplasmatische Serin/Threonin-Kinasen

Eine Vielzahl von zytoplasmatischen Serin/Threonin-Kinasen ist an der Signalübertragung von Rezeptoren in das Zellinnere beteiligt. Sie steuern direkt und indirekt Stoffwechselvorgänge, Zellteilung und -beweglichkeit sowie die Expression von Genen. Einige wichtige Vertreter der Enzymgruppe sind bereits behandelt worden, insbesondere die Protein-Kinase A und ihre Substrate bei der Besprechung des Second messenger cAMP (Kap. 22.3.1) sowie mehrere Enzyme, die Komponenten des MAP-Kinase-Signalwegs sind (Kap. 22.4.2). Hier sollen einige weitere wichtige Serin/Threonin-Kinasen vorgestellt werden, die in viele Signaltransduktionsabläufe eingebunden sind und bedeutende Rollen in der Kontrolle der Zellphysiologie spielen.
Die Protein-Kinase-C-Familie
Extrazelluläre Signale, die über GPCR oder RTK vermittelt werden, können zur Bildung des Second messenger Diacylglycerin (DAG) führen (Kap. 22.3.2). Zusammen mit anderen Komponenten aktiviert DAG eine Gruppe intrazellulärer Serin/Threonin-Kinasen, die die Protein-Kinase-C-Familie (PKC-Familie) bilden.
Man kann die Protein-Kinasen C nach ihrer Bindung von Aktivatoren in drei Gruppen einteilen:
  • klassische Isoformen (PKC, PKC, PKC): Sie benötigen für ihre Aktivierung außer DAG noch die Ca2+-vermittelte Bindung an Phosphatidylserin in der Membran (Abb. 22.29).

  • neuartige Isoformen (PKC, PKC, PKC, PKC): Sie werden nur durch DAG aktiviert und sind dabei unabhängig von Ca2+.

  • atypische Isoformen (PKC, PKC): Sie werden durch Serinphosphorylierung reguliert. Hierfür verantwortlich ist die PDK-1 (phosphoinositide-dependent kinase 1, Kap. 22.4.3).

Aktivierungsmechanismen
PKCs werden posttranslational an einer konservierten Aminosäure phosphoryliert. Anschließend autophosphorylieren sie sich an zwei weiteren Positionen. Dadurch wird eine Konformation der Proteine erzeugt, die sie vor unspezifischem Abbau schützt. Die enzymatische Aktivität der PKC wird intrasterisch reguliert: Durch die Bindung einer N-terminalen Pseudosubstratsequenz (PS) mit positiv geladenen Aminosäuren im katalytischen Zentrum der Kinasedomäne verbleibt das Enzym im inaktiven Zustand. Erst die Bindung von membranständigem DAG an die N-terminal gelegene C1-Domäne legt das aktive Zentrum frei und erlaubt die Phosphorylierung anderer Proteine. Calciumionen, die an die C2-Domäne binden, fördern die Assoziation von zytoplasmatisch lokalisierten PKCs an die Membran, wo sie durch membranständiges DAG aktiviert werden. Am Membrankontakt von PKCs sind außerdem spezialisierte Membranproteine beteiligt, die als Rezeptoren für aktivierte Protein-Kinase C (RACK-Proteine) bekannt sind.
Physiologische Bedeutung der PKC
PKCs kommen in allen Geweben vor und sind an einer Vielzahl von Signaltransduktionswegen beteiligt. Da mehrere Faktoren zu einer Aktivierung zusammenkommen müssen, sind sie oft Integrationspunkte verschiedener Signalwege. Sie vermitteln ihr Signal durch die Phosphorylierung anderer Proteine an Serin- und Threoninresten. Zu den Substraten von PKCs gehören die MARCKS-Proteine (myristoyliertes, alaninreiches C-Kinase-Substrat). Sie vemitteln den Einfluss von PKCs auf Umstrukturierungen des Actinzytoskeletts bei Vorgängen wie Zellmigration, Membrantransport und Zellteilung.

Blick ins Labor

Um die Beteiligung von PKCs an zellulären Prozessen gezielt zu analysieren, werden sie zu Versuchszwecken häufig durch künstliche Stimulatoren aktiviert, die zur Gruppe der Phorbolester gehören. Phorbolester sind Strukturanaloga von DAG und können deshalb ebenfalls die intramolekulare Inhibition des aktiven Zentrums der Kinase durch die Pseudosubstratregion aufheben. Da sie aber viel langsamer als DAG abgebaut werden, bleiben PKCs in Anwesenheit von Phorbolestern anhaltend aktiviert. Enthemmte PKCs fördern die Proliferation.

Besonders eindruckvoll konnte dies an einem Hauttumormodell der Maus gezeigt werden. DMBA (Dimethylbenzanthracen), ein Bestandteil des Steinkohleteers, erzeugt bei mehrfacher Exposition Papillome und nachfolgend Karzinome. Phorbolester wie TPA (12-O-Tetradecanoylphorbol-13-acetat) können dagegen auch bei dauerhafter Applikation keine Tumoren auslösen. Wird die Haut nur einmalig mit DMBA behandelt, zeigen sich keine Veränderungen. Wird die gleiche Stelle jedoch nachfolgend über Wochen mit TPA bepinselt, entstehen Papillome. Stoppt man die Behandlung, kommt es zur Remission, während eine Fortführung der TPA-Exposition schließlich zur Bildung von Karzinomen führt. Das mutagene DMBA wirkt hier als sog. Initiator, der Mutationen auslöst. Inzwischen weiß man, dass hierbei fast immer auch das Ha-Ras-Gen betroffen ist. TPA, der Tumorpromotor, kann allein keine Tumoren auslösen, wirkt jedoch proliferationssteigernd und somit synergistisch mit einer Ha-Ras-Mutation. Bei langfristiger Stimulation kann es dann zur Progression durch zufällig entstandene weitere Mutationen kommen.

Calmodulinabhängige Protein-Kinasen
Veränderungen in der zytoplasmatischen Konzentration von Ca2+, induziert z.B. durch Second-messenger-vermittelte Öffnung von Ionenkanälen (Kap. 22.3.3), werden von Calciumsensorproteinen wie Calmodulin erfasst. Calmodulin kann bis zu vier Ca2+ binden und wird in diesem Zustand zum Aktivator von calmodulinabhängigen Protein-Kinasen (CaM-Kinasen). Diese Serin/Threonin-Kinasen bilden eine Familie strukturell und funktionell ähnlicher Enzyme, die sich in die beiden Gruppen der spezialisierten und multifunktionellen CaM-Kinasen unterteilen lässt.
Spezialisierte CaM-Kinasen
Eine wichtige spezialisierte CaM-Kinase ist die Myosin-light-chain-Kinase (MLCK). Sie steuert die Kontraktion der glatten Muskelzellen, indem sie in Reaktion auf einen Einstrom von Calciumionen die regulatorische leichte Kette von Myosin phosphoryliert und so die Kontraktion erlaubt (Kap. 19.2.1)
Multifunktionelle CaM-Kinasen
Multifunktionelle CaM-Kinasen werden auch CaM-Kinase II genannt und kommen in vielen Varianten in allen Geweben vor. Ihre Funktionen sind außerordentlich vielfältig, sie sind u.a. an Stoffwechselprozessen, der Transkriptionsregulation und Rearrangements des Zytoskeletts beteiligt. Besonders stark ist CaM-Kinase II im Gehirn exprimiert, wo sie nicht nur an der Neurotransmittersynthese und der Regulation von Kanälen, sondern auch an Synapsenbildung und Gedächtnis beteiligt ist.
Der Aktivierungszyklus der CaM-Kinase II weist als interessante Besonderheit einen sog. Memory-Effekt auf. Damit wird das Phänomen beschrieben, dass das Enzym nach Beendigung des Stimulus (Anstieg der Ca2+-Konzentration) noch einen gewissen Zeitraum im aktivierten Zustand verbleibt, wodurch der Reiz nachklingt (Abb. 22.30).
Entscheidend dafür ist die Eigenschaft der CaM-Kinase, sowohl einer Regulation durch Ca2+/Calmodulin-Bindung als auch durch Autophosphorylierung zu unterliegen. Ohne Ca2+/Calmodulin-Stimulus ist das Enzym autoinhibiert. Durch Ca2+/Calmodulin-Bindung wird das katalytische Zentrum freigelegt, und es kommt zur Autophosphorylierung an einem regulatorischen Thr-Rest. Hierdurch wird die aktive Konformation stabilisiert und bleibt erhalten, selbst wenn die Ca2+-Konzentration so weit absinkt, dass das enzymgebundene Calmodulin in den calciumfreien Zustand zurückkehrt. Sogar nach Abdissoziation von Calmodulin hält die Phosphorylierung die CaM-Kinase in einer partiell aktiven Konformation, die erst in die autoinhibierte Situation zurückfällt, wenn Phosphatasen das regulatorische Threonin wieder dephosphorylieren.

MERKE

Durch Serin-Threonin-Phosphorylierung wird die Aktivität einer großen Vielfalt von Enzymen gesteuert. Sie wird durch ein ausbalanciertes Wechselspiel von Kinasen und Phosphatasen kontrolliert, die Komponenten komplexer Signalwege und Netzwerke sind. Rezeptorintrinsische, membranständige Serin/Threonin-Kinasen vermitteln Signale von Liganden der TGF--Familie in das Zellinnere. Zu den zytoplasmatischen Serin/Threonin-Kinasen gehören die Protein-Kinasen C und die calmodulinabhängigen Kinasen.

Rezeptoren ohne intrinsische Enzymaktivität

Zytokinrezeptoren

Zytokine sind kleine, sezernierte Proteine, die insbesondere dem Informationsaustausch zwischen Zellen des hämatopoetischen und des Immunsystems dienen. Zu ihren vielfältigen Funktionen zählt die Koordination von Abwehrreaktionen des Organismus (Kap. 26.8.3). Eine wichtige Gruppe von Zytokinen, die sog. 4--Helix-Bündel-Zytokine, sind strukturell miteinander verwandt und vermitteln ihre Wirkungen durch Aktivierung von Zytokinrezeptoren, die sich ebenfalls durch eine konservierte Struktur und einen charakteristischen Signalmechanismus auszeichnen. In diese Gruppe gehören die meisten Interleukine, die Interferone, Erythropoetin und Thrombopoetin.
Struktur und Aktivierung
Zytokinrezeptoren sind aus einer extrazellulären Domäne, einer Transmembrandomäne und einem zytoplasmatischen, signalvermittelnden Bereich aufgebaut. Ihre extrazellulären, ligandenbindenden Anteile bestehen zumeist aus zwei sog. Fibronektin-Typ-III-Domänen. Ein Zytokinmolekül kann gleichzeitig an zwei Rezeptorketten binden, die dadurch miteinander verbunden werden. Die resultierende Dimerisierung ist entscheidend für die Rezeptoraktivierung und die Auslösung des intrazellulären Signals. Die aktiven Komplexe können gleichartige oder unterschiedliche Untereinheiten enthalten (Homo- bzw. Heterodimere).
Es gibt Dutzende von Zytokinen und eine entsprechend große Anzahl unterschiedlicher Rezeptoren. Interessanterweise kommen Gruppen von Zytokinen vor, deren jeweilige Rezeptorsysteme eine gemeinsame Untereinheit enthalten (Abb. 22.31).
Die intrazellulären Domänen von Zytokinrezeptoren zeigen keine ausgeprägten Sequenzähnlichkeiten und weisen beträchtliche Unterschiede in ihren Größen auf. Typisch für alle Vertreter ist ein kurzes prolinreiches Motiv in der Aminosäuresequenz, das mit Box I bezeichnet wird. Es ist von Bedeutung für die Assoziation der Rezeptorkette mit den Janus-Kinasen, einer Klasse von zytoplasmatischen Tyrosin-Kinasen. Des Weiteren enthalten die intrazellulären Domänen Tyrosinreste, die wie bei den RTKs als Phosphorylierungsstellen und potenzielle Andockstellen für die Signaltransduktion wichtig sind.
Der JAK-STAT-Signalweg
Wie RTKs induzieren auch aktivierte Zytokinrezeptoren intrazelluläre Tyrosinphosphorylierung und dadurch Protein-Protein-Wechselwirkungen, die das Signal weiterleiten. Die Phosphorylierung wird dabei aber nicht vom Rezeptor selbst, sondern von den assoziierten Janus-Kinasen (JAKs) ausgeführt. Der Name, der sich auf den zweigesichtigen römischen Gott Janus bezieht, spielt auf das Vorhandensein zweier Tyrosin-Kinase-Domänen in den Enzymen an, von denen allerdings nur eine aktiv ist. Durch ligandeninduzierte Rezeptordimerisierung kommt es zur Transaktivierung der gebundenen JAKs und nachfolgend zur Phosphorylierung der rezeptorintrinsischen Tyrosinreste.
An die entstandenen Andockstellen für phosphotyrosinbindende Proteine lagern sich intrazelluläre Signalmediatoren an. Unter ihnen spielen die STAT-Proteine (signal transducers and activators of transcription) eine besonders wichtige Rolle. Im Grundzustand liegen sie im Zytoplasma als inaktive Transkriptionsfaktoren vor. STATs haben SH2-Domänen, über die sie an tyrosinphosphorylierte, aktivierte Zytokinrezeptoren binden. Im aktivierten Rezeptorkomplex sind Janus-Kinasen wirksam, die einen Tyrosinrest in den STATs phosphorylieren. Durch wechselseitige Erkennung von SH2-Domänen und phosphotyrosinhaltigen Motiven kommt es zur Dimerisierung der STAT-Proteine, die in dieser Form in den Zellkern translozieren können. Dort binden die aktivierten STAT-Transkriptionsfaktoren an spezifische DNA-Regulatorsequenzen in den Promotoren von Zielgenen und verändern dadurch deren transkriptionelle Aktivität (Abb. 22.32 und Kap. 12.6.2).

Zytoplasmatische Tyrosin-Kinasen

Struktur und Lokalisation
Neben den Rezeptor-Tyrosin-Kinasen gibt es eine Vielzahl zytoplasmatischer Tyrosin-Kinasen (TK), deren katalytische Domänen eine homologe Struktur und Funktion wie die der RTKs besitzen (Abb. 22.33). Tyrosin-Kinasen phosphorylieren oder binden z.T. die gleichen Proteine wie die RTKs. In Tyrosin-Kinasen finden sich außer der Tyrosin-Kinase-Domäne noch andere Proteinmodule, die für die Regulation der Kinaseaktivität und die Interaktion mit anderen Signaltransduktionsproteinen wichtig sind. Solche Proteinmodule sind z.B. SH2-Domänen, die an phosphorylierte Tyrosinreste binden, oder SH3-Domänen für die Bindung an prolinreiche Sequenzen (Kap. 22.1.2). Einige Tyrosin-Kinasen besitzen am N-Terminus eine Aminosäuresequenz, die durch kovalente Verknüpfung mit einer Fettsäure modifiziert wird und dadurch eine Verankerung des Proteins in der Plasmamembran bewirkt. So verfügt die Tyrosin-Kinase Src z.B. über einen Myristylanker. Eine Membranbindung kann auch über PH-Domänen vermittelt werden. So bindet die Kinase Btk an die Plasmamembran, wenn dort durch PI-3-Kinase phosphorylierte Phospholipide vorhanden sind. Diese Interaktion ist transient: Nach Aktivierung kann die Btk-Kinase die Membran verlassen, mit löslichen Proteinen des Zytoplasmas interagieren und sogar in den Zellkern einwandern. Aufgrund der Domänenstruktur lassen sich verschiedene Familien von Tyrosin-Kinasen definieren. Die Src-Familie enthält die drei Module SH2-, SH3- und Tyrosin-Kinase-Domäne (Src war namensgebend für die Src-Homologie- oder SH-Domänen). Fes-ähnlichen Kinasen fehlt die SH3-Domäne, Syk-ähnliche Kinasen hingegen besitzen zwei SH2-Domänen, und Btk-ähnliche Kinasen enthalten zusätzlich zu SH3- und SH2-Domänen noch eine PH-Domäne. JAK-Kinasen haben neben der Tyrosin-Kinase noch eine inaktive Pseudokinasedomäne. Über ihre FERM-Domäne assoziieren sie mit Zytokinrezeptoren. Die fokale Adhäsionskinase Fak enthält nur eine Tyrosin-Kinase-Domäne, dafür aber noch zusätzliche Module (ebenfalls eine FERM-Domäne), die sie zu Interaktionen an den fokalen Kontaktpunkten der Zelle befähigen (Kap. 19 oder 20).
Aktivierung und Abschaltung
Die zytoplasmatischen Tyrosin-Kinasen werden, wie RTKs, durch Phosphorylierung an einem oder mehreren kritischen Tyrosinresten aktiviert. Diese befinden sich im sog. Aktivierungsloop, in analoger Weise, wie wir es bereits für die Rezeptor-Tyrosin-Kinasen gesehen haben (Kap. 22.4.1). In manchen Tyrosin-Kinasen gibt es auch Tyrosinreste, deren Phosphorylierung durch die Auslösung von Konformationsänderungen zur Inaktivierung der Kinase führt. Natürlich können phosphorylierte Tyrosin-Kinasen auch Substrate von regulatorischen Tyrosin-Phosphatasen sein, den Gegenspielern der Tyrosin-Kinasen.
Ein interessantes Beispiel der Tyrosin-Kinase-Regulation bietet die Src-Kinase, deren Aktivität durch einen intrasterischen Kontrollmechanismus reguliert wird (PKC-Aktivierung, Kap. 22.5.2): Die Aktivität hängt dabei u.a. vom Phosphorylierungszustand eines Tyrosinrestes im C-terminalen Bereich ab. Dessen Interaktion mit anderen Proteinen oder die Dephosphorylierung durch eine Tyrosin-Phosphatase aktiviert Src, weil es zu einer Konformationsänderung kommt, die das aktive Zentrum der Kinasedomäne für Substrate zugänglich macht (Abb. 22.34).
Funktionen
Zytoplasmatische Tyrosin-Kinasen vermitteln in der Zelle Signale für Wachstum, Differenzierung oder Immunreaktionen.
Sie werden häufig durch Rezeptoren ohne eigene Enzymaktivität aktiviert, die mit ihrem zytoplasmatischen Anteil über Protein-Protein-Wechselwirkungen mit den Tyrosin-Kinasen interagieren, wie wir es bereits für die Zytokinrezeptoren und die Janus-Kinasen gesehen haben.
Es hat sich dennoch häufig als schwierig erwiesen, die individuellen Funktionen von Tyrosin-Kinasen genau zu definieren, da sie in unterschiedliche, komplexe Signalprozesse eingebunden sind. Es ist beispielsweise erstaunlich, dass Mäuse, in denen das Src-Gen experimentell zerstört wurde, trotzdem lebensfähig sind, obwohl Src-Kinasen an vielen Signalwegen beteiligt sind. Dies wird so verstanden, dass dem Src-Protein strukturell sehr ähnliche Kinasen wie Fyn oder Yes die Funktion von Src übernehmen können. Man spricht von funktioneller Redundanz. Allerdings erkranken die Src-negativen Mäuse später an Osteopetrose (Marmorknochenkrankheit), sodass offensichtlich der funktionelle Ersatz durch nahe verwandte Moleküle nicht vollständig ist.

Schon gewusst

Viele Tyrosin-Kinasen wurden aufgrund der Tatsache identifiziert, dass sie durch bestimmte Mutationen in Onkoproteine überführt werden können. So ist Src das onkogene Protein des Rous-Sarcoma-Virus, Abl das des Abelson-Leukämie-Virus der Maus. Die retroviralen Onkogene haben ihren Ursprung in zellulären Protoonkogenen. Deren Produkte sind fast durchweg Proteine, die bei der Signaltransduktion essenziell sind. Onkogene Varianten der Proteine bewirken eine Entgleisung des Signalgeschehens, das ja normalerweise einer strengen Kontrolle unterliegt. Die onkogenen Viren haben wohl einst von ihren Wirtszellen einzelne dieser Gene aufgeschnappt, was ihnen einen Selektionsvorteil bot: Mit dieser zusätzlichen Erbinformation proliferierten die infizierten Zellen stärker. Gewöhnlich haben die viralen Onkogene im Vergleich zu den zellulären Ausgangsgenen noch weitere Mutationen angesammelt, die noch besseres Wachstum der Wirtszellen bewirken. Die Identifizierung der viralen Onkogene und der nachfolgende Vergleich mit den zellulären Protoonkogenen stellten wichtige Meilensteine in der Erforschung von Signaltransduktionsmechanismen dar.

Klinik

Eine fehlerhafte Funktion von zytoplasmatischen Tyrosin-Kinasen wird häufig in malignen Tumoren beobachtet. Onkogene Varianten von Abl und Btk sind an der Pathogenese von Leukämien beteiligt. Besonders gut charakterisiert ist die Hyperaktivität von Abl bei Leukämien, die durch die sog. Philadelphia-Chromosomen-Translokation in Lymphozyten ausgelöst werden. Durch die Verknüpfung von Genomregionen unterschiedlicher Chromosomen wird ein Teil des Abl-Gens mit einem Teil des Bcr-Gens verknüpft. Die für die regulatorische Domäne von Abl kodierenden Exons gehen verloren und werden durch Exons des bcr-Gens ersetzt. Hierbei kommt es zur Entstehung eines Hybridgens, das für das Bcr-Abl-Fusionsprotein kodiert. Dieses weist eine konstitutive Kinaseaktivität auf und phosphoryliert Substrate, die die ungehemmte Zellproliferation fördern. Ein kleines Inhibitormolekül (Glivec) der Bcr-Abl-Kinase wird erfolgreich in der Therapie dieser Leukämie eingesetzt. Allerdings kann eine Langzeitbehandlung zur Selektion von Glivec-resistenten Leukämiezellen führen, in denen der Inhibitor aufgrund von neuen Mutationen nicht mehr an das Bcr-Abl-Fusionsprotein binden kann. Inzwischen wurde Gleevec auch mit ersten Erfolgen bei der Behandlung anderer Krebsarten eingesetzt, weil es neben Bcr-Abl noch vier weitere Tyrosin-Kinasen hemmen kann.

Sehr viele Patienten mit myeloproliferativen Erkrankungen weisen eine charakteristische Mutation in Jak2 auf, die einen Aminosäureaustausch (V617F) in der kinaseähnlichen Domäne verursacht. Es kommt zu einer verstärkten Proliferation von myeloischen Zellen, weil die Zellen mit der mutierten Form von Jak2 viel stärker als gewöhnlich auf Zytokine reagieren.

MERKE

Rezeptoren ohne intrinsische enzymatische Aktivität kommunizieren im Zellinneren mit zytoplasmatischen Enzymen. Zytokinrezeptoren sind mit Tyrosin-Kinasen der JAK-Familie assoziiert, die nach Zytokinstimulation STAT-Transkriptionsfaktoren phosphorylieren, die anschließend in den Zellkern translozieren.

Neben der Kinasedomäne weisen zytoplasmatische Tyrosin-Kinasen weitere Proteindomänen auf, die für die Interaktion mit anderen Proteinen und für die Regulation der Enzymaktivität wichtig sind. Einige Tyrosin-Kinasen sind durch Lipidanker oder durch PH-Domänen mit der Innenseite der Zytoplasmamembran assoziiert. Da zytoplasmatische Tyrosin-Kinasen häufig zelluläre Wachstumssignale vermitteln, können Mutationen, die zu einer konstitutiven Kinaseaktivität führen, die Krebsentstehung fördern.

Weitere Signalwege mit Bedeutung für Entwick- lung, Tumorgenese und Immunregulation

Der Notch-Delta-Signalweg
Der Notch-Delta-Signalweg nimmt wesentlichen Einfluss auf die Embryonalentwicklung und eine Vielzahl zellulärer Differenzierungsprozesse. Ungewöhnlich an diesem System ist, dass ein Teil des Rezeptors (Notch) als Signalweiterleitungsmolekül und sogar als terminaler Effektor, nämlich als Transkriptionsfaktor, fungiert (Abb. 22.35). Die Liganden der Delta- und Jagged-Familie (Dll1, Dll4, Jag1 etc.) sind ebenfalls membranständig. Eine Signalauslösung kommt also nur durch direkten Zell-Zell-Kontakt zustande. Nach Ligandenbindung spalten die beiden proteolytischen Enzyme TACE und -Secretase in der Zielzelle den zytoplasmatischen Teil des Notch-Proteins ab. Dieses Notch-Fragment transloziert in den Kern und kann dort als transkriptioneller Regulator verschiedene Zielgene aktivieren, deren Produkte an der Zelldifferenzierung und der Organogenese beteiligt sind.
Der Wnt--Catenin-Signalweg
-Catenin ist ein multifunktionelles Protein, das sowohl bei der Adhäsion von Zellen als auch bei der Transkriptionsregulation eine aktive Rolle spielt (Kap. 20.1.1). Die Menge an freiem zytoplasmatischem -Catenin wird über einen abbauenden Multiproteinkomplex geregelt, der neben den Proteinen APC (adenomatous polyposis coli) und Axin eine Isoform der Glykogen-Synthase-Kinase (GSK3) enthält (Abb. 22.36). Phosphorylierung von -Catenin durch GSK3 führt zum Abbau von -Catenin. Wird jedoch die Kinaseaktivität der GSK3 inhibiert, so reichert sich freies -Catenin an, transloziert in den Zellkern und aktiviert Zielgene, die u.a. das Zellwachstum steuern.
Die Inhibition der GSK3 kann durch die Wnt-Signalkaskade ausgelöst werden. Wnt-Proteine sind sezernierte Glykoproteine, die viele zelluläre und entwicklungsbiologische Prozesse regeln. Wenn Wnt seinen Rezeptor Frizzled aktiviert, kommt es zur Destabilisierung des abbauenden Multiproteinkomplexes. Dadurch steigt die Menge an zytoplasmatischem -Catenin. Es transloziert in den Zellkern, interagiert dort mit den Transkriptionsfaktoren Tcf (T-cell factor) und Lef (lymphoid enhancer factor) und löst die Transkription von Wnt-Zielgenen aus.

Klinik

Der Wnt--Catenin-Signalweg spielt eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung und Progression kolorektaler Karzinome. In nahezu 90% aller Fälle weist er eine veränderte Aktivierung durch Mutationen in unterschiedlichen Komponenten auf.

In normalen Kolonepithelzellen wird unter physiologischen Bedingungen der Wnt-Signalweg durch Phosphorylierung von -Catenin reprimiert. Treten jedoch Mutationen in Genen für Komponenten des abbauenden Multiproteinkomplexes auf, wie in den Genen für APC (adenomatous polyposis coli), Axin oder GSK3, werden die Phosphorylierung und damit der Abbau von -Catenin verhindert, und es kommt zur verstärkten Expression von Wnt-Zielgenen. Man weiß inzwischen, dass einige von ihnen die Entstehung von Adenomen begünstigen und zur Tumorprogression beitragen. Dazu zählen die Gene für c-Myc, Cyclin D1, uPAR oder Matrix-Metalloproteinase 7 (MMP-7), die Zellteilung und Migration fördern.

Der Hedgehog-Signalweg
Sonic Hedgehog (Shh) ist ein lösliches Signalprotein, das Entwicklungsprozesse wie die Neurogenese oder die Identitätsfestlegung von Fingern und Zehen (Anzahl und Position) steuert. Auch in die Ausbildung so verschiedener Organe wie Lunge, Zähne, Haare und Augen greifen Shh und sein Rezeptorsystem ein.
Der Hedgehog-Rezeptor heißt Patched (Ptch). Er windet sich zwölfmal durch die Plasmamembran und ähnelt Kanal- oder Transportproteinen (Abb. 22.37). Funktionell mit Patched gekoppelt ist Smoothened (Smo), ein Transmembranprotein mit sieben Membrandurchgängen. Smoothened hat damit eine Struktur, die G-Protein-gekoppelten Rezeptoren gleicht. Isoliertes Smoothened sendet in konstitutiver Weise Signale in das Zellinnere, wird aber durch Patched in einem gehemmten Zustand gehalten. Die Bindung von Sonic Hedgehog an Patched hebt die Inhibierung von Smoothened auf, das daraufhin signalaktiv wird. Aktives Smoothened bewirkt, dass der Transkriptionsfaktor Gli in den Zellkern wandert und die Expression von entwicklungsrelevanten Zielgenen beeinflusst. Gli steigert auch die Expression des Shh-Rezeptors Patched, wodurch ein negativer Rückkopplungsmechanismus ausgelöst wird.
Ungewöhnlich sind die Bildung des reifen Hedgehog-Moleküls und der Modus seiner Wechselwirkung mit Patched. Es spaltet sich durch Autoproteolyse aus einem mehr als doppelt so großen Vorläufermolekül heraus. An diesem Vorgang ist ein Cholesterinmolekül beteiligt, das während der Spaltung kovalent an das Carboxylende des Proteins angefügt wird. Der Cholesterinanker assoziiert Sonic Hedgehog mit der Zellmembran und trägt vermutlich zur Dirigierung des Liganden an seine Zielzellen und seinen Rezeptor bei.
Toll-like-Rezeptoren
Die sog. Toll-like-Rezeptoren (TLR) sind zentrale Komponenten einer sehr ursprünglichen Immunabwehr, die sich bei der Fliege Drosophila ebenso wie bei Wirbeltieren findet. TLR erkennen molekulare Strukturen, die mit Krankheitserregern wie Bakterien und Viren assoziiert sind, z.B die typischen allgemeinen Glykoproteinmuster der Bakterienzellwand. Daher spricht man auch von Mustererkennungsrezeptoren (pattern recognition receptors, Kap. 26.2.1). TLR werden durch ihre Liganden dimerisiert und rekrutieren Adaptermoleküle wie MyD88 und TOLLIP (toll interacting protein) aus dem Zytoplasma. Diese Proteine vermitteln die Wechselwirkung mit Mitgliedern der Familie von Interleukin-1-Rezeptor-assoziierten Kinasen (IRAK). Der Komplex aus Rezeptoren, Adaptermolekülen und IRAK bewirkt die Aktivierung der Transkriptionsfaktoren NF-B und AP-1, die die Akute-Phase-Antwort durch Induktion der Expression proinflammatorischer Zytokine koordinieren. Weitere Details sind in Kap. 26.2.1 beschrieben.
Signaltransduktion durch Integrine
Bestandteile der extrazellulären Matrix (ECM) reagieren mit membranständigen Rezeptoren von benachbarten Zellen. Hierdurch werden Signaltransduktionsprozesse ausgelöst, die in diesen Zellen regulatorische Einflüsse auf das Migrationsverhalten, die Proliferation und die Differenzierung ausüben (Kap. 20.1). Zell-Matrix-Interaktionen werden vornehmlich durch die Integrine vermittelt, heterodimere Transmembranproteine, die aus einer - und einer -Untereinheit bestehen und in unterschiedlichen Zusammensetzungen viele Isoformen bilden. Beide Untereinheiten tragen zur Bindung von Liganden bei, die in der Regel Bestandteile der ECM sind (Kollagene, Fibronektine, Laminine). Die meisten Zellen exprimieren mehrere Kombinationen von Integrinen (Kap. 20.1.2).
In den fokalen Kontaktpunkten setzen Integrine die Bindung von ECM-Molekülen in intrazelluläre Signale um. In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl von Proteinen identifiziert, die je nach Zelltyp und Isoform an den intrazellulären Teil der Integrine binden. Hierzu gehören sowohl actinbindende Proteine als auch Signalmoleküle. Die actinbindenden Proteine stellen die Verbindung des Actinzytoskeletts mit der Zelloberfläche während der Migration sicher. Die Serin-Kinase ILK (integrin linked kinase) und die Tyrosin-Kinase FAK (focal adhesion kinase) schaffen durch Aktivierung der ERK-MAP-Kinase- und der PI-3-K-Akt-Signalkaskaden Verbindungen zu Signalwegen der (Anti-)Apoptose oder Proliferation (Abb. 22.38).

ZUSAMMENFASSUNG

Prinzipien der Signaltransduktion

Verschiedenste Signale wirken von außen auf eine Zelle. Sie werden von spezifischen Rezeptoren wahrgenommen und führen zu direkten Änderungen von Stoffwechselprozessen oder Zellverhalten sowie meist zu einer Veränderung der Genexpression. Membranständige Rezeptoren in der Plasmamembran leiten die Signale hydrophiler Liganden in das Zellinnere; Rezeptoren für lipophile, membrangängige Liganden, sog. nucleäre Rezeptoren, befinden sich im Zytoplasma oder im Zellkern. Die Rezeptoren vieler lipophiler Hormone sind Transkriptionsfaktoren und greifen also selbst in die Transkriptionsregulation ein. Sämtliche hydrophilen Botenstoffe hingegen binden an die Rezeptoren der Plasmamembran und lösen dadurch intrazelluläre Signaltransduktionskaskaden aus, die über weitere Schritte letztlich ebenfalls zur Beeinflussung der Genexpression führen. Hierbei werden Enzyme aktiviert sowie Second-messenger-Moleküle gebildet, und vielfach geht die Signaltransduktion mit der reversiblen posttranslationalen Modifizierung von Proteinen einher. Verschiedene Signaltransduktionswege können sich gegenseitig beeinflussen, was mit dem Begriff Crosstalk umschrieben wird.

GPCR und G-Proteine

G-Proteine sind membranständigen Rezeptoren und stellen wichtige molekulare Schalterproteine dar. Sie können zwei Zustände einnehmen: die aktive Form, wenn GTP gebunden ist, und die inaktive Form, wenn GDP gebunden ist. Ein aktives G-Protein schaltet sich selbst durch seine intrinsische GTPase-Funktion ab. Sowohl der GDP-GTP-Austausch zu Beginn der Aktivierung als auch die GTPase-Aktivität kann durch andere Proteine unterstützt werden.
Typische G-Protein-gekoppelte Rezeptoren weisen sieben Transmembranregionen auf und assoziieren mit heterotrimeren G-Proteinen. Nach Bindung des Liganden kommt es zum GDP-GTP-Austausch in der -Untereinheit, die daraufhin von den /-Untereinheiten dissoziiert. Es gibt verschiedene -Untereinheiten, die ihre Effektorproteine – z.B. die Adenylatcyclase – stimulieren oder inhibieren können. Nach Hydrolyse des gebundenen GTP zu GDP kann das G-Protein wieder mit den /-Untereinheiten interagieren, die im Übrigen auch selbst signalauslösend wirken können.
Neben den trimeren G-Proteinen spielen auch monomere G-Proteine eine wichtige Rolle im Signalgeschehen einer Zelle. Zu nennen ist hier das Protein Ras, das eine Mittlerrolle zwischen Rezeptoren (z.B. RTKs) und der MAP-Kinase-Kaskade einnimmt, die die Zellproliferation steuert.

Second messenger

Das Signal vieler Hormone, die als erster Botenstoff auf einen Zelloberflächenrezeptor treffen, wird durch Second messenger im Inneren einer Zelle weitergeleitet. Weil ein Molekül des Botenstoffs zur Bildung vieler Second-messenger-Moleküle führt, kommt es zu einer massiven Amplifikation des Signals.
Unter dem Einfluss einer Phospholipase wird das Phospholipid Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2) in zwei Second messenger gespalten: Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP3) und Diacylglycerin (DAG). IP3 bindet an Rezeptoren des endoplasmatischen Retikulums (ER), wodurch es zum Calciumeinstrom aus dem ER in das Zytoplasma kommt. Calciumionen aktivieren z.B. die Protein-Kinase C, die außerdem von DAG reguliert wird.
Ein weiterer wichtiger Second messenger ist das cAMP, das mit Hilfe der Adenylatcyclase aus ATP hergestellt wird. cAMP vermag die Protein-Kinase A zu aktivieren, zu deren Substratproteinen der Transkriptionsfaktor CREBP, aber auch Enzyme im Glykogenstoffwechsel gehören.
Zur Beendigung der Signaltransduktion müssen Second messenger wieder entfernt werden. cAMP wird durch eine Phosphodiesterase in AMP überführt, Calciumionen werden in das ER zurückgepumpt.

Signaltransduktion durch Protein-Kinasen

Die reversible Phosphorylierung von Proteinen an Tyrosin-, Serin- und Threoninresten spielt eine wichtige Rolle in vielen Signaltransduktionswegen. Eine große Gruppe membranständiger Rezeptoren weist integrale Kinasedomänen auf, die nach Ligandenbindung aktiviert werden. So binden viele Wachstumsfaktoren an Rezeptor- Tyrosin-Kinasen (RTKs). Durch Ligandenbindung kommt es zur Rezeptordimerisierung und/oder zu Konformationsänderungen, was die Aktivierung der enzymatischen Funktion zur Folge hat. Durch Autophosphorylierung werden bestimmte Tyrosinreste im zytoplasmatischen Bereich des Rezeptors mit Phosphatgruppen versehen. Nun können andere Signalproteine mit passenden SH2- oder PTB-Domänen an den Rezeptor rekrutiert werden, wodurch die weitere Signaltransduktion eingeleitet wird.
Anders als die RTKs besitzen Zytokinrezeptoren keine intrinsische Kinasefunktion. Sie sind jedoch im zytoplasmatischen Bereich eng mit Tyrosin-Kinasen der Janus-Familie (JAK) assoziiert, sodass die weitere Signaltransduktion von Zytokinrezeptoren und RTKs viele Gemeinsamkeiten aufweist. Die Rezeptoren für Faktoren der TGF--Familie sind Serin/Threonin-Kinasen, die nach Aktivierung u.a. Smad-Proteine phosphorylieren, die dann im Kern die Transkription beeinflussen.
Auch die Aktivität von zytoplasmatischen Protein-Kinasen wird engmaschig reguliert. So sind Kinasen wie PKA oder PKC nur dann aktiv, wenn eine ausreichende Konzentration der entsprechenden Second-messenger-Moleküle (cAMP bzw. DAG und Ca2+) vorliegt. Am Beginn der Aktivierung von Tyrosin-Kinasen der Src-Familie steht die Abspaltung einer Phosphatgruppe vom C-terminalen Bereich der Kinase, wodurch umfangreiche Konformationsänderungen eingeleitet werden. In einigen Fällen sind mehrere Kinasen kaskadenartig hintereinandergeschaltet, ein Beispiel hierfür ist der Ras-Raf-MAP-Kinase-Weg.
Die durch Protein-Kinasen verursachten Modifikationen sind reversibel: Durch die hydrolytische Aktivität von Protein-Phosphatasen werden die Phosphatgruppen von den Substratproteinen wieder abgespalten. Dies kann zur Beendigung der Signaltransduktion führen.

Krankheiten durch fehlgeleitete Signaltransduktion

Dem unkontrollierten Wachstum von Krebszellen liegen sehr häufig Mutationen in Genen für signaltransduktionsrelevante Proteine zugrunde, die die Zellproliferation außer Kontrolle geraten lassen. Neue Therapien zielen darauf ab, die entgleiste Signaltransduktion zu zügeln. Ein großes Interesse richtet sich hierbei auf Inhibitoren von Protein-Kinasen.
026 IMPP-Fragen

Fragen

  • 1.

    Wie wirkt Coffein?

  • 2.

    Erläutern Sie, wie Protein-Kinase C durch Second messenger aktiviert wird.

  • 3.

    Welche Bedeutung hat das Protein IRS-1 für die Signaltransduktion von Insulin?

  • 4.

    Welche Besonderheit weist der Signalweg über den Notch-Rezeptor auf?

  • 5.

    Erläutern Sie am Beispiel der Glykogen-Synthase, wie eine Zelle unterschiedliche Signalwege integrieren kann.

  • 6.

    Ein neu entdecktes Hormon führt in einer Zielzelle innerhalb von 30 s zu einem Anstieg der zytoplasmatischen Calciumkonzentration. Skizzieren Sie eine mögliche zugrunde liegende Signaltransduktionskaskade.

  • 7.

    Welche Eigenschaften müsste ein antagonistisches Molekül haben, das die Aktivierung eines dimerisierenden Rezeptors durch seinen Liganden unterdrücken kann?

  • 8.

    Welche Effekte würden Sie erwarten, wenn man in Zellen künstlich eine Ras-bindende Proteindomäne in hoher Konzentration exprimiert?

  • 9.

    Wie kommt es, dass STAT-Proteine erst nach Zytokinstimulation an den zytoplasmatischen Bereich eines Zytokinrezeptors binden? Denken Sie hierbei besonders an die Domänenstruktur der STAT-Proteine, die von ihnen erkannten Sequenzen und an die Enzyme, die in der frühen Signaltransduktion vieler Zytokine eine Rolle spielen.

  • 10.

    Viele Signaltransduktionskaskaden sind sehr komplex. Welche Vorteile kann dies für eine Zelle haben?

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