SINALIZAÇÃO MOLECULAR Departamento de Biologia Molecular (Edifício 1, 5º piso) Vítor Costa: vcosta@ibmc.up.pt SINALIZAÇÃO MOLECULAR Objetivos compreensão dos mecanismos moleculares utilizados pelas células para receber, processar, amplificar e integrar diversos sinais. aplicação a problemas biológicos específicos analisar, apresentar e discutir artigos científicos
SINALIZAÇÃO MOLECULAR Programa Mecanismos gerais de sinalização molecular: modificações póstraducionais, interação entre proteínas, formação de complexos, e alterações na localização subcelular, conformação e atividade enzimática. Cascatas de sinalização: recetores de membrana e citosólicos; proteínas G e Ras; nucleótidos cíclicos; proteína cinases e fosfatases; mobilização de cálcio; lípidos como mensageiros secundários. Vias específicas: resposta metabólica, sinalização imunológica, resposta ao stress, morte celular, cancro. Bibliografia SINALIZAÇÃO MOLECULAR Biochemistry of Signal Transduction and Regulation. 4th Edition, Gerhard Krauss. WILEY-VCH. ISBN978-3-527-31397-6. Molecular Biology of the Cell. 5th Edition, Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter. Garland Science. ISBN: 978-0-8153-4105-5. Textbook of Biochemistry With Clinical Correlations. Thomas M. Devlin; Drexel University School of Medicine, Philadelphia, Pennsylvania, 2006. ISBN: 978-0-471-67808-3. Lehninger Principles of Biochemistry. David L. Nelson, Michael M. Cox; W.H. Freeman, 2008. ISBN: 978-0-7167-7108-1. Biochemistry. Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer; W. H. Freeman, 2007. ISBN: 0-7167-8724-5. Artigos científicos recentes sobre tópicos relacionados com o programa.
Aula Nº Dia Tópico Docente 01 02 16/2 18/2 Apresentação/Programa Mec. Gerais Sinalização 03 04 23/2 25/2 Mec. Gerais Sinalização " 05 06 02/3 04/3 Imunologia Artigos 1-3 A. Carmo 07 08 09/3 11/3 Imunologia Artigos 4-6 A. Carmo 09 10 16/3 18/3 PKC Artigos 7-9 L. Saraiva 11 12 23/3 25/3 Sistema 2-componentes Artigos 10-12 M. Mendes --- 30/3-03/4 Férias de Páscoa --- --- 13 06/4 08/4 Férias de Páscoa Aula de revisões/dúvidas --- 14 15 13/4 15/4 1ª Frequência Cancro C. Reis 16 17 20/4 22/4 Artigos 13-15 Cancro P. Soares 18 19 27/4 29/4 Artigos 16-18 Sinal. Redox " --- 04-08/5 Queima das Fitas --- 20 21 11/5 13/5 Artigos 19-21 Sinal. Redox 22 23 18/5 20/5 Artigos 22-24 Envelhecimento 24 25 25/5 27/5 Esfingolípidos + Artigo 25 --- --- 26 27 01/6 03/6 Aula de revisões/dúvidas 2ª Frequência SINALIZAÇÃO MOLECULAR Avaliação Apresentação e discussão de artigo científico (25%) - 20 min Apresentação + 10 min Discussão Frequências / Exame escrito final (75%)
Sinalização Molecular 1. Princípios gerais 1.1 Tipos Transdução de sinal Transdução de sinal entre células e tecidos Intercelular: transmissão de um sinal de uma célula para células alvo Intracelular: descodificação de um sinal recebido pelas células alvo envolve a regulação de proteínas sinalizadoras e alteração da atividade de proteínas Permite a células num orgão/tecido responder a alterações na função em células de outros orgãos/tecidos Homeostasia do organismo
Sinalização intercelular Justacrina envolve duas células em contacto direto células comunicam através de: (i) gap junctions - permitem a passagem direta de moléculas pequenas (iões, metabolitos, mensageiros secundários) entre células vizinhas (por ex., sinais elétricos em sistemas excitáveis, como coração e cérebro) (ii) interação de uma proteína expressa à superfície da célula (sinal) com um recetor à superfície da célula alvo Sinalização intercelular Moléculas secretadas por ex. neurotransmissor, hormona, fator de crescimento difundem-se através do meio extracelular até à célula alvo onde interagem com proteínas recetoras, alterando a sua atividade 4 modos (endócrina, parácrina, sináptica e autócrina) em função de: (i) distância entre a célula que envia o sinal e a célula alvo (ii) natureza bioquímica das moléculas secretadas
Sinalização entre células separadas por distâncias curtas ou longas Hormonas sintetizadas por células especializadas em tecidos glandulares são secretadas no sangue e transportadas até células alvo em vários tecidos Apenas as células que expressam recetores específicos para a hormona são células alvo. A concentração das hormonas no sangue e espaço intersticial é baixa (picomolar a nanomolar) as células alvo contêm recetores com elevada afinidade e seletividade Célula que envia sinal secreta as moléculas no ambiente local células alvo na vizinhança Moléculas secretadas são designadas mediadores locais A concentração destas moléculas perto das células alvo é nanomolar a micromolar recetores têm baixa afinidade (dissociam-se rapidamente quando a concentração extracelular do mediador diminui).
tipo extremo de sinalização parácrina neurotransmissores são secretados nas sinapses entre um neurónio e a célula alvo (geralmente outro neurónio ou célula muscular) a concentração dos neurotransmissores no volume sináptico é micromolar a milimolar recetores têm baixa afinidade (dissociam-se rapidamente quando a concentração extracelular do mediador diminui); essencial para terminar rapidamente (milisegundos) a neurotransmissão. outro tipo de sinalização parácrina a célula que envia o sinal é a célula alvo
Ligando - qualquer molécula que se liga a um recetor Agonista ativa transdução de sinal Antagonista inibe transdução de sinal Fisiológico Farmacológico molécula sintética Sinalização intracelular: ativação e inibição de proteínas sinalizadoras Sinal Estado basal Proteína sinalizadora Estado ativado output Sinal Processamento de múltiplos sinais a ativação completa de proteínas sinalizadoras requer frequentemente a receção de vários sinais - Contém vários domínios de sinalização que reconhecem diferentes sinais. permite uma regulação fina da sinalização
ligação de outras moléculas sinalizadoras alterações conformacionais Mecanismos de ativação de proteínas sinalizadoras modificações covalentes associação a membranas eliminação de inibidores ligação de inibidores Mecanismos de inibição de proteínas sinalizadoras modificações inibitórias eliminação de modificações ativadoras Tipos celulares distintos podem conter variantes de vias de sinalização Subtipos ou isoformas de proteínas sinalizadoras: Aumentam a variabilidade da sinalização Têm propriedades de sinalização semelhantes mas não idênticas: - diferem no reconhecimento do substrato e na regulação São codificados por genes específicos e podem formar-se por splicing alternativo ex., neurotransmissores (acetilcolina, serotonina e dopamina) reconhecem diferentes subtipos de recetor Cada subtipo de recetor pode ser diferencialmente expresso em diferentes tecidos/células ou co-expresso no mesmo tecido/célula Diferentes subtipos de recetor podem induzir respostas opostas - dificuldades no uso de fármacos sintéticos - explica efeitos nocivos secundários
Sinalização Molecular 1. Princípios gerais 1.2. Recetores para moléculas secretadas 1.2.1. recetores intracelulares
Recetor Transdutor Proteínas G Amplificador Mensageiro Sensores e efetores Via de sinalização Enzimas (pode ser componente intrínseco do recetor): - nucleótido ciclase - fosfolipase - proteína cinase - proteína fosfatase Respostas celulares Fig. 1.8: Principles of signal transduction by TM receptors and nuclear receptors
Ligandos naturais de recetores intracelulares: - Hormonas esteroides: cortisol, estradiol, progesterona, testoterona e aldosterona - derivados de amino ácidos: hormona T3 - vitamina D e derivados do ácido retinóico O complexo hormona-recetor liga-se a elementos específicos no promotor de genes regulados para controlar a sua taxa de transcrição: HRE = Hormone-Responsive Element 2 cópias de um hexâmero: 5 -AGGTCA-3 O complexo hormona-recetor também regula respostas não genómicas Fig. 4.2: Genomic and nongenomic signaling by nuclear receptors and their ligands Fig. 4.3: Domain structure of the nuclear receptors Elementos de transativação em recetores intracelulares: AF-1 (activation function-1): - localizado na região A/B - envolvido em transativação independente de ligando - contém locais de fosforilação e locais de interação com coativadores e corepressores AF-2: - localizado na região E e por vezes na região F - envolvido em transativação dependente de ligando - contém locais de ligação a coativadores e corepressores
Fig. 4.12: Functions of nuclear receptor domains. Regulação de sinalização por recetores nucleares 1. Regulação da concentração do ligando - via: biossíntese secreção e transporte modificação e degradação 2. Regulação do recetor por fosforilação : catalisada por proteína cinases (ex. MAPK, Akt, JNK) ocorre em resíduos de Ser/Thr e Tyr (principalmente na região AF-1) modula: - ligação ao DNA e atividade de transativação - necessidade de ligando - distribuição nuclear/citoplasmática - localização membranar
Regulação de sinalização por recetores nucleares 3. Regulação do recetor por coativadores e corepressores: a) coativatores recrutam proteínas envolvidas na remodelação da cromatina, que libertam estruturas repressoras, tornando-as competentes para o início da transcrição b) coativatores recrutam enzimas modificadoras necessárias para descompactar a cromatina ex. metilases (CARM) e histona acetilases (p300) c) corepressores recrutam histona deacetilases (HDAC), promovendo a compactação da cromatina e repressão da transcrição d) o complexo TRAP/mediador interage com a maquinaria basal da transcrição Fig. 4.10: Functional states of nuclear receptors with selected examples of associated proteins Regulação de sinalização por recetores nucleares 4. Interação com outros ativadores da transcrição recetores nucleares regulam a atividade de outros fatores de transcrição (ex., AP-1, em promotores contendo HRE e elementos de ligação do AP-1) 5. Regulação por ubiquitinação recetor nuclear interage com proteínas envolvidas na ubiquitinação e degradação proteassomal NOTA: Corepressores e coativatores também são regulados por: - fosforilação - ubiquitinação
Recetores de hormonas esteroides encontram-se no citosol sob a forma de um complexo inativo (Aporecetor) com Hsp90, Hsp56 e p23. A ligação da hormona ativa o recetor e permite a sua translocação para o núcleo. Fig. 4.13: Principle of signal transduction by steroid hormone receptors
Recetores para ácido retinóico, hormona T3 e vitamina D encontram-se no núcleo, ligados ao seu HRE. Na ausência de ligando, estes recetores podem reprimir a transcrição através do recrutamento de corepressores. A ligação da hormona induz uma alteração conformacional e exposição do local de ligação a coativadores. TRE = T 3 -responsive element Fig. 4.14: Model of repression and activation of T 3 R. O recetor de estrogénio (ER) é fosforilado em resíduos de Ser por proteína cinases em resposta a sinais que ativam recetores tirosina cinase (RTK) ou recetores acoplados à proteína G (GPCR). Fig. 4.15: Ligand-independent linkage of the ER to major signaling pathways of the cell.
A hormona esteroide 17β-estradiol (E2) pode iniciar sinalização via o GPCR Gp30 ou via o seu recetor (ER). A ligação de E2 ao ER estimula transcrição de genes ou ativa de modo não genómico outras proteínas sinalizadoras (proteína cinases, recetores transmembranares). O crosstalk com outras vias de sinalização pode requerer proteínas adaptadoras (Shc ou MNAR). Fig. 4.16: Nongenomic functions of the ER and estrogen.