bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren Signaltermination bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren Viele Schalter für ein Signal!

ZELLE SIGNALE: REAKTION: Hormone Stoffwechsel Neurotransmitter Proteinsynthese ZELLE mRNA Cytokine Morphologie Fettsäurederivate Differenzierung Licht Signalweiterleitung Duft

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 SIGNALTERMINATION B kurzfristiges Signal - (sec-min) SIGNALTERMINATION B andauerndes Signal – (Stunden-Tage) Irreversibel Inaktivierung der Signalmoleküle (z.B. proteolytischer Abbau, Verminderung der Neusynthese) Reversibel Inaktivierung der Signalmoleküle (z.B. chem. Modifikation, zelluläre Umverlagerung, Protein-Protein Interaktion) dauerhafte Umstellung des Zellverhaltens bei chronischen Milieuveränderungen Schnelle Reaktion auf Signalveränderungen

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 zirkulierende Signalsubstanzen Externe Signale e NH2- PM i - COOH Rezeptor

Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren zirkulierende Signalsubstanzen Externe Signale e NH2- PM a b g G-Protein i - COOH GDP Rezeptor a GTP b g

Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren zirkulierende Signalsubstanzen Externe Signale e NH2- PM a b g G-Protein i - COOH GDP Rezeptor a GTP b g Effektor (z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK)

Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren zirkulierende Signalsubstanzen Externe Signale e NH2- PM a b g G-Protein i - COOH GDP Rezeptor a GTP b g Effektor (z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK) second messenger (cAMP, IP3, DAG, Ca2+)

Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren zirkulierende Signalsubstanzen Externe Signale e NH2- PM a b g G-Protein i - COOH GDP Rezeptor a GTP b g Effektor (z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK) second messenger (cAMP, IP3, DAG, Ca2+) Proteinkinasen (PKA, PKC)

Herabsetzen der Hormonkonzentration  Abschalten des Signals [HR] = [H] [R] Kd e NH2- H PM - COOH i Signal

Herabsetzen der Hormonkonzentration  Abschalten des Signals [HR] = [H] [R] Kd e NH2- H PM - COOH i Signal externes Signal  endokrines System  transient [H] 

Herabsetzen der Hormonkonzentration  Abschalten des Signals [HR] = [H] [R] Kd e NH2- H PM - COOH i Signal externes Signal  endokrines System  transient [H]  [H] liegt im Bereich der Kd des Rezeptors  Signal

Herabsetzen der Hormonkonzentration  Abschalten des Signals [HR] = [H] [R] Kd e NH2- H PM - COOH i 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 - Verdünnung Aufnahme durch spezifische Transporter Extrazellulärer Abbau Rezeptor-vermittelte Endozytose

Aktive Entfernung des Agonisten aus dem Extrazellulärraum (Synapse) Sarin Kokain

Aktive Entfernung des Agonisten aus dem Extrazellulärraum (Synapse) Sarin Kokain

Aktive Entfernung des Agonisten aus dem Extrazellulärraum (Synapse) Sarin Kokain

Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren zirkulierende Signalsubstanzen Externe Signale e NH2- PM a b g G-Protein i - COOH GDP Rezeptor a GTP b g Effektor (z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK) second messenger (cAMP, IP3, DAG, Ca2+) Proteinkinasen (PKA, PKC)

Desensitisierung von G-Protein gekoppelten Rezeptoren (GPCR) Signaltermination am Rezeptor Homologe Desensitisierung - Exclusive Hemmung des aktiven, Liganden-besetzten Rezeptors

Desensitisierung von G-Protein gekoppelten Rezeptoren (GPCR) Signaltermination am Rezeptor Heterologe Desensitisierung - Hemmung eines Rezeptors nach Aktivierung eines anderen, heterologen Rezeptors Homologe Desensitisierung - Exclusive Hemmung des aktiven, Liganden-besetzten Rezeptors

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+ Rezeptorphosphorylierung: Rezeptordesensitisierung:

G-Protein gekoppelte Rezeptor Kinasen (GRKs) Rezeptorerkennung Membrantargeting

Translokation von GRK2/3

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 G-protein: ß2-AR: Gs, cAMP  M3-R: Gq, IP3, Ca2+  Heterologe Rezeptordesensitisierung Prä-Stimulus: Carbachol Stimulus: Isoproterenol Prä

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 Rezeptordesensitisierung Heterologe Rezeptorphosphorylierung Prä-Stimulus: Carbachol Stimulus: Isoproterenol Phosphorylierung des ß2-AR durch Stimulation mit Carbachol

Arrestin - Adaptor bei der GPCR-Desensitisierung Arrestine: Gewebe Lokalisation Vis. Arrstin Retina Cytosol ß-Arrestin 1 und 2  ubiquitär (NS, Lymph. Gewebe) cone-Arrestin Retina, Lunge D- E-Arrestin ubiquitär Erkennung des akt. Rezeptors Struktur 48 kD Clathrinbindung Phosphorylierungserkennung

Arrestin - Adaptor bei der GPCR-Desensitisierung Arrestine: Gewebe Lokalisation Vis. Arrstin Retina Cytosol ß-Arrestin 1 und 2  ubiquitär (NS, Lymph. Gewebe) cone-Arrestin Retina, Lunge D- E-Arrestin ubiquitär Erkennung des akt. Rezeptors Struktur 48 kD Clathrinbindung Phosphorylierungserkennung

Agonisten-induzierte Sequestrierung von GPCR Beteiligung von Arrestin Beispiel: Adenosin-R G-Protein: Gs Lokalisation von Rezeptor u. Arrestin Rezeptor Rezeptor Arrestin-GFP Arrestin Rezeptor + Arrestin-GFP Rezeptor + Arrestin

Agonisten-induzierte Sequestrierung von GPCR Beteiligung von Arrestin Beispiel: Adenosin-R G-Protein: Gs Lokalisation von Rezeptor u. Arrestin Rezeptor Rezeptor Arrestin-GFP Arrestin-GFP Rezeptor + Arrestin-GFP Rezeptor + Arrestin-GFP

Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren zirkulierende Signalsubstanzen Externe Signale e NH2- PM a b g G-Protein i - COOH GDP Rezeptor a GTP b g Effektor (z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK) second messenger (cAMP, IP3, DAG, Ca2+) Proteinkinasen (PKA, PKC)

GTPase-Funktion

SIGNALTERMINATION bei G-Proteinen Regulators of G protein Signalling GTPase Activating Protein

RGS-Proteine beschleunigen die Umwandlung von SIGNALTERMINATION bei G-Proteinen Regulators of G protein Signalling RGS-Proteine beschleunigen die Umwandlung von Ga-GTP zu Ga-GDP GTPase Activating Protein

SIGNALTERMINATION bei G-Proteinen Regulators of G protein Signalling GTPase Activating Protein

alle RGS-Proteine wirken SIGNALTERMINATION bei G-Proteinen Regulators of G protein Signalling alle RGS-Proteine wirken als GAPs!! GTPase Activating Protein

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 zirkulierende Signalsubstanzen Externe Signale e NH2- PM a b g G-Protein i - COOH GDP Rezeptor a GTP b g Effektor (z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK) second messenger (cAMP, IP3, DAG, Ca2+) Proteinkinasen (PKA, PKC)

Inaktivierung von second-messengern

Phosphatase (durch Li gehemmt) inaktiv inaktiv

Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren zirkulierende Signalsubstanzen Externe Signale e NH2- PM a b g G-Protein i - COOH GDP Rezeptor a GTP b g Effektor (z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK) second messenger (cAMP, IP3, DAG, Ca2+) Proteinkinasen (PKA, PKC)

Signaltermination findet auf allen Stufen der Signaltransduktion statt 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

Signaltermination findet auf allen Stufen der Signaltransduktion statt ZUSAMMENFASSUNG Signaltermination findet auf allen Stufen der Signaltransduktion statt 4. second-Messenger: Hydrolyse, Dephosphorylierung, Reveresterung 5. Verstärkerenzyme (Kinasen): Feedback-Inhibition