Signaltermination

bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren

Viele Schalter für ein Signal!

ZELLE

SIGNALE:

Hormone

Neurotransmitter

Cytokine

Licht

Duft

Fettsäurederivate

REAKTION:

Stoffwechsel

Proteinsynthese

mRNA

Differenzierung

Morphologie

Signalweiterleitung

BEDEUTUNG der SIGNALTERMINATION

. Schutz vor dauerhafter Zellerregung

. Adaption der zellulären Antwort auf Änderung von externen

Signalen

. Integration von verschiedenen Signaltransduktionswegen

SIGNALTERMINATION A - kurzfristiges Signal -

(sec-min)

Reversibel

Inaktivierung der Signalmoleküle

(z.B. chem. Modifikation,

zelluläre Umverlagerung,

Protein-Protein Interaktion)

Schnelle Reaktion auf

Signalveränderungen

SIGNALTERMINATION A - kurzfristiges Signal -

(sec-min)

SIGNALTERMINATION B - andauerndes Signal –

(Stunden-Tage)

Reversibel

Inaktivierung der Signalmoleküle

(z.B. chem. Modifikation,

zelluläre Umverlagerung,

Protein-Protein Interaktion)

Irreversibel

Inaktivierung der Signalmoleküle

(z.B. proteolytischer Abbau,

Verminderung der Neusynthese)

Schnelle Reaktion auf

Signalveränderungen

dauerhafte Umstellung des

Zellverhaltens bei chronischen

Milieuveränderungen

Signaltermination bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren

(GPCR)

- am besten untersuchtes Rezeptorsystem bezüglich Signaltermination

- über 2000 Artikel in den letzten 5 Jahren zu diesem Thema !

Grund:

- 100.000 Gene im humanen Genom 1000 Gene für GPCR!

- 45% der in den letzten 10 Jahren entwickelten Pharmaka wirken

auf GPCR

- weites Spektrum von Liganden: Neurotransmitter, Hormone,

Chemokine, Prostanoide, Licht, Odorants

- beteiligt an Krankheiten: Bluthochdruck, chronische Herzfehler,

endzündlichen Krankheiten, HIV, Opiatsucht

Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten

Rezeptoren

e

i

PM

zirkulierende

Signalsubstanzen

NH2-

- COOH

Rezeptor

Externe Signale

Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten

Rezeptoren

e

i

PM

zirkulierende

Signalsubstanzen

NH2-

- COOH a b g

G-Protein Rezeptor

a

Externe Signale

GDP

GTP b g

Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten

Rezeptoren

e

i

PM

zirkulierende

Signalsubstanzen

NH2-

- COOH a b g

G-Protein Rezeptor

Effektor (z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK)

a

Externe Signale

GDP

GTP b g

Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten

Rezeptoren

e

i

PM

zirkulierende

Signalsubstanzen

NH2-

- COOH a b g

G-Protein Rezeptor

Effektor (z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK)

second messenger (cAMP, IP3, DAG, Ca2+)

a

Externe Signale

GDP

GTP b g

Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten

Rezeptoren

e

i

PM

zirkulierende

Signalsubstanzen

NH2-

- COOH a b g

G-Protein Rezeptor

Effektor (z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK)

second messenger (cAMP, IP3, DAG, Ca2+)

a

Externe Signale

GDP

GTP b g

Proteinkinasen (PKA, PKC)

Herabsetzen der Hormonkonzentration

Abschalten des Signals

e

i

PM

NH2-

- COOH

H [HR] = [H] [R]

Kd H

Signal

Herabsetzen der Hormonkonzentration

Abschalten des Signals

e

i

PM

NH2-

- COOH

H [HR] = [H] [R]

Kd H

Signal

externes Signal endokrines System transient [H]

Herabsetzen der Hormonkonzentration

Abschalten des Signals

e

i

PM

NH2-

- COOH

H [HR] = [H] [R]

Kd H

Signal

externes Signal endokrines System transient [H]

[H] liegt im Bereich der Kd des Rezeptors Signal

Herabsetzen der Hormonkonzentration

Abschalten des Signals

e

i

PM

NH2-

- COOH

H [HR] = [H] [R]

Kd H

Signal

externes Signal endokrines System transient [H]

[H] liegt im Bereich der Kd des Rezeptors Signal

[H] [HR] Abschalten des Signals

Agonisten-Entfernung aus dem Extrazellulärraum

- Mechanismen -

1. Verdünnung

2. Aufnahme durch spezifische Transporter

3. Extrazellulärer Abbau

4. Rezeptor-vermittelte Endozytose

Aktive Entfernung des Agonisten aus dem

Extrazellulärraum (Synapse)

Kokain Sarin

Aktive Entfernung des Agonisten aus dem

Extrazellulärraum (Synapse)

Kokain Sarin

Aktive Entfernung des Agonisten aus dem

Extrazellulärraum (Synapse)

Kokain Sarin

Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten

Rezeptoren

e

i

PM

zirkulierende

Signalsubstanzen

NH2-

- COOH a b g

G-Protein Rezeptor

Effektor (z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK)

second messenger (cAMP, IP3, DAG, Ca2+)

a

Externe Signale

GDP

GTP b g

Proteinkinasen (PKA, PKC)

Desensitisierung von G-Protein gekoppelten

Rezeptoren (GPCR)

• Homologe Desensitisierung

- Exclusive Hemmung des aktiven,

Liganden-besetzten Rezeptors

Signaltermination am Rezeptor

Desensitisierung von G-Protein gekoppelten

Rezeptoren (GPCR)

• Homologe Desensitisierung

- Exclusive Hemmung des aktiven,

Liganden-besetzten Rezeptors

• Heterologe Desensitisierung

- Hemmung eines Rezeptors

nach Aktivierung eines

anderen, heterologen

Rezeptors

Signaltermination am Rezeptor

Desensitisierung und Phosphorylierung von GPCR

Beispiel: Angiotensin II Rezeptor:

Ligand: Angiotensin II Funktion: potenter Regulator des Blutdrucks

G-Protein: Gq second-messenger: InsP3 , Ca2+

Rezeptordesensitisierung:

Desensitisierung und Phosphorylierung von GPCR

Beispiel: Angiotensin II Rezeptor:

Ligand: Angiotensin II Funktion: potenter Regulator des Blutdrucks

G-Protein: Gq second-messenger: InsP3 , Ca2+

Rezeptordesensitisierung: Rezeptorphosphorylierung:

G-Protein gekoppelte Rezeptor Kinasen (GRKs)

Rezeptorerkennung

Membrantargeting

GRK-Eigenschaften

Name Intrazelluäre Lokalisation

Rezeptorsubstrat Gewebe

GRK 1 Rhodopsin

Kinase Plasmamembran Rhodopsin (ß2-AR) Retina

GRK 2 ßARK 1 Cytosol ß2-AR, a2-AR, m2-ACh-R,

Thr-R, AT II-R etc.

Leukozyten, Herz, Gehirn, Lunge, Niere

GRK 3 ßARK 2 Cytosol ß2-AR, a2-AR, m2-ACh-R,

Thr-R, AT II-R etc.

Milz, Herz, Gehirn, Lunge, Niere

GRK 4 - Plasmamembran ß2-AR, LH-R Testis, (Gehirn) GRK 5 - Plasmamembran ß2-AR, Rhodopsin Muskel, Herz, Leber

Gehirn, Lunge, Niere GRK 6 - Plasmamembran ß2-AR, Rhodopsin Muskel, Herz, Leber

Gehirn, Lunge, Niere

Translokation von GRK2/3

P

1 2 3 4 5 6 7

bg

GRK 2/3

GRK 5/6

S/TS/T

A

Regulation der GRK-Phosphorylierung

Aktivierter Rezeptor

P

GRK 2/3

+

P

1 2 3 4 5 6 7

bg

GRK 2/3

GRK 5/6

S/TS/T

A

Regulation der GRK-Phosphorylierung

Aktivierter Rezeptor

P

GRK 2/3

+

+

P

1 2 3 4 5 6 7

bg

GRK 2/3

GRK 5/6

S/TS/T

A

Regulation der GRK-Phosphorylierung

Aktivierter Rezeptor

P

GRK 2/3

PIP2

+

+

+

+

P

1 2 3 4 5 6 7

bg

GRK 2/3

GRK 5/6

S/TS/T

A

Regulation der GRK-Phosphorylierung

Aktivierter Rezeptor

P

GRK 2/3

PIP2

+

+

PKC

+

+

+

+

Heterologe Rezeptor Desensitisierung und Phosphorylierung

Beispiel: ß2-adrenerger- und M3-muscarinischer Rezeptor

Ligand: ß2-AR: Isoproterenol

M3-R: Carbachol

G-protein: ß2-AR: Gs, cAMP

M3-R: Gq, IP3, Ca2+

Heterologe Rezeptor Desensitisierung und Phosphorylierung

Beispiel: ß2-adrenerger- und M3-muscarinischer Rezeptor

Ligand: ß2-AR: Isoproterenol

M3-R: Carbachol

Heterologe Rezeptordesensitisierung

G-protein: ß2-AR: Gs, cAMP

M3-R: Gq, IP3, Ca2+

1. Prä-Stimulus: Carbachol

2. Stimulus: Isoproterenol

Prä

Heterologe Rezeptor Desensitisierung und Phosphorylierung

Beispiel: ß2-adrenerger- und M3-muscarinischer Rezeptor

Ligand: ß2-AR: Isoproterenol

M3-R: Carbachol

Heterologe Rezeptordesensitisierung Heterologe Rezeptorphosphorylierung

G-protein: ß2-AR: Gs, cAMP

M3-R: Gq, IP3, Ca2+

1. Prä-Stimulus: Carbachol

2. Stimulus: Isoproterenol 1. Phosphorylierung des ß2-AR

durch Stimulation mit Carbachol

Arrestin - Adaptor bei der GPCR-Desensitisierung

Phosphorylierungserkennung Clathrinbindung

Erkennung des akt. Rezeptors

48 kD

Arrestine:

Gewebe

Lokalisation

Vis. Arrstin

Retina

Cytosol

ß-Arrestin 1 und 2

ubiquitär (NS, Lymph. Gewebe)

Cytosol

cone-Arrestin

Retina, Lunge

Cytosol

D- E-Arrestin

ubiquitär

Cytosol

Struktur

Arrestin - Adaptor bei der GPCR-Desensitisierung

Phosphorylierungserkennung Clathrinbindung

Erkennung des akt. Rezeptors

48 kD

Arrestine:

Gewebe

Lokalisation

Vis. Arrstin

Retina

Cytosol

ß-Arrestin 1 und 2

ubiquitär (NS, Lymph. Gewebe)

Cytosol

cone-Arrestin

Retina, Lunge

Cytosol

D- E-Arrestin

ubiquitär

Cytosol

Struktur

Agonisten-induzierte Sequestrierung von GPCR

Beteiligung von Arrestin

Beispiel: Adenosin-R

G-Protein: Gs

Lokalisation von Rezeptor u. Arrestin

Rezeptor

Arrestin-GFP

Rezeptor

+

Arrestin-GFP

Rezeptor

Arrestin

Rezeptor + Arrestin

Agonisten-induzierte Sequestrierung von GPCR

Beteiligung von Arrestin

Beispiel: Adenosin-R

G-Protein: Gs

Lokalisation von Rezeptor u. Arrestin

Rezeptor

Arrestin-GFP

Rezeptor

+

Arrestin-GFP

Rezeptor

Arrestin-GFP

Rezeptor

+

Arrestin-GFP

Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten

Rezeptoren

e

i

PM

zirkulierende

Signalsubstanzen

NH2-

- COOH a b g

G-Protein Rezeptor

Effektor (z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK)

second messenger (cAMP, IP3, DAG, Ca2+)

a

Externe Signale

GDP

GTP b g

Proteinkinasen (PKA, PKC)

GTPase-Funktion

SIGNALTERMINATION bei G-Proteinen

GTPase Activating Protein

Regulators of G protein Signalling

SIGNALTERMINATION bei G-Proteinen

GTPase Activating Protein

Regulators of G protein Signalling

RGS-Proteine beschleunigen die Umwandlung von

Ga-GTP zu Ga-GDP

SIGNALTERMINATION bei G-Proteinen

GTPase Activating Protein

Regulators of G protein Signalling

SIGNALTERMINATION bei G-Proteinen

GTPase Activating Protein

Regulators of G protein Signalling

alle RGS-Proteine wirken

als GAPs!!

gemeinsame Struktur aller

RGS-Proteine

120 AA RGS-Domäne

Funktionsmechanismus von RGS-Proteinen

Stabilisierung des pentavalenten Überganszustandes durch RGS

Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten

Rezeptoren

e

i

PM

zirkulierende

Signalsubstanzen

NH2-

- COOH a b g

G-Protein Rezeptor

Effektor (z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK)

second messenger (cAMP, IP3, DAG, Ca2+)

a

Externe Signale

GDP

GTP b g

Proteinkinasen (PKA, PKC)

Inaktivierung von second-messengern

Phosphatase

(durch Li gehemmt)

inaktiv

inaktiv

Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten

Rezeptoren

e

i

PM

zirkulierende

Signalsubstanzen

NH2-

- COOH a b g

G-Protein Rezeptor

Effektor (z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK)

second messenger (cAMP, IP3, DAG, Ca2+)

a

Externe Signale

GDP

GTP b g

Proteinkinasen (PKA, PKC)

ZUSAMMENFASSUNG

Signaltermination findet auf allen Stufen

der Signaltransduktion statt

1. Agonist:

- Verdünnung, Aufnahme, Abbau

2. Rezeptor:

- Phosphorylierung, Entkopplung vom G-Protein,

Internalisierung, Recycling, Abbau,Verminderung

der Neusynthese

3. G-Protein:

GTPase Funktion, GAPs und RGS-Proteine

4. second-Messenger:

Hydrolyse, Dephosphorylierung, Reveresterung

5. Verstärkerenzyme (Kinasen):

Feedback-Inhibition

ZUSAMMENFASSUNG

Signaltermination findet auf allen Stufen

der Signaltransduktion statt