Hogyan dönt a sejt élet és halál között? Egy rendszerbiológiai megközelítés

(1)

Hogyan dönt a sejt élet és halál között?

Egy rendszerbiológiai megközelítés

Kapuy Orsolya

2017.03.30.

(2)

Inger hatására történő szabályozott sejtválaszok

INGER/JEL

^DÖNTÉS

VÁLASZ

sejtmozgás

differenciálódás

sejthalál

sejtnövekedés és osztódás

hormon / fehérje kiválasztás

JEL

X X

(3)

Sejthalál típusai

PR OGR AMO Z O TT NEM PR OGR AMO Z O TT

I-es típusú:

apoptózis

„öngyilkosság”

II-es típusú:

autofágia

„önevés”

nekrózis

„balesetes sejthalál”

(4)

jellegzetes morfológiai és

biokémiai jellemzők: kromatin aggregáció, sejtmagi és

citoplazmás kondenzáció

sejtmag és citoplazma

apoptotikus testekbe csomagolása szomszédos sejtek és

fagociták felfalják nincs gyulladás

Apoptózis mechanizmusa

I-es típusú programozott sejthalál:

apoptózis – „öngyilkosság”

leggyakoribb induktorok:

1. halál receptor aktiváció 2. DNS károsodás

3. reaktív oxigén gyökök (ROS)

(5)

Apoptotikus sejtmaradványok eltávolítása

„TALÁLJ MEG” SZIGNÁL „EGYÉL MEG” SZIGNÁL

kemotaktikus „találj meg”

(„find me”) szignálok kibocsátása

fagocitotikus aktivitással

rendelkező sejteket (pl. szöveti makrofágok, monociták)

vonzanak a közelébe

korai apoptózisban a sejtmembrán külső felszínének molekuláris

mintázata (összetétele,

töltésmintázata) megváltozik apoptotikus membrán-mintázat

(6)

Apoptózis típusai

(7)

Az apoptózis kulcsmolekulái a kaszpázok

Nature Reviews Molecular Cell Biology 2010; 11, 621-632 Stephen W. G. Tait & Douglas R. Green

Iniciátor kaszpáz Effektor kaszpáz

(8)

Apoptózis és nekrózis összehasonlítása

nekrózis

„balesetes sejthalál”

plazmamembrán megsérülése

ion és víz beáramlása

sejt

megdagadása, majd lízise

gyulladás

(9)

Nekrózis és nekroptózis összehasonlítása

Gastroenterol Hepatol 2013; 10: 627-636.

Wree A, Broderick L, Canbay A, Hoffman HM, Feldstein AE

NEKRÓZIS NEKROPTÓZIS

(10)

Egyéb sejthalál típusok

PIROPTÓZIS

PNAS 2014; 111(43),15514-15519.

Yu J, Nagasu H, Murakami T, Hoang H, Broderick L, et al.

eredetileg a makrofág sejtek baktérium-infekció által indukált sejthalál formájának leírására használták

aktív sejthalál formáról van szó, kaszpáz aktivációra van szükség, ugyanakkor a sejtek gyulladást indukáló interleukineket is

kibocsátanak

pórusok formálódnak a

sejtmembránban, amit az aktin hálózat átrendeződése, a

citoplazma duzzadása és a sejt egyes részeinek ozmotikus lízise követ. A inflammatórikus

molekulák a pórusokon keresztül extracelluláris térbe jutnak

(11)

Egyéb sejthalál típusok

FERROPTÓZIS

Nature Chemical Biology 2017; 13, 4–5 Katharina D'Herde, Dmitri V Krysko

vas ionok által függő programozott sejthalál. Indukciója a vas-függő módon akkumulálódó letális ROS vegyületek által történik

intenzív ferroptózis a lipidperoxidok felhalmozódásához vezet

lipofil antioxidánsok és kelátképzők gátolni tudják a ferroptózis

indukálta sejthalált

ferroptózis indukálható a celluláris cisztin felvétel gátlásával, ami az intracelluláris antioxidáns védő mechanizmus blokkolása által történik meg

(12)

Autofágia típusai

Cell. 2011;147(4):728-741 Mizushima N, Komatsu M.

1. dajkafehérje-mediált autofágia

csak fehérjék lebontására

a dajkafehérjék felismerik a rosszul feltekeredett fehérjéket

megkötik azokat

a keletkező komplex a lizoszóma receptorokhoz kapcsolódik

a fehérjék letekeredve jutnak a lizoszómákba és ott lebomlanak

csak megfelelő szignállal rendelkező fehérjék bomlanak le

2. mikroautofágia

a citoplazma régiókat vagy sejtszervecskéket a lizoszóma membrán körülveszi

közvetlen bejutás és lebomlás a lizoszómában

(13)

Autofágia típusai

sejtek mérete csökken izolációs membrán majd autofagoszóma kialakulása

a citoplazmában létrejövő kettős membránnal határolt jellegzetes struktúrák, amelyek citoplazmát és gyakran

sejtorganellumokat tartalmaznak lizoszómával fuzionálva ún.

autolizoszóma alakul ki

savas hidrolázok irányította lebontás történik

a degradálódott makromolekulák a permeázok segítségével kijutnak a citoplazmából és újra felhasználásra kerülnek

3. makroautofágia

(14)

Autofágia típusai

éhezés során fellépő energia- és aminosav hiány pótlása a

degradálódott makromolekulák építőköveinek felhasználásával

károsodott fehérjék, sejtszervecskék eltávolítása

véd a fertőzésekkel szemben a patogének eltávolítása által

sejtek stresszválaszaként működik (növekedési faktor vagy oxigén hiánya is autofágiát indukál)

makroautofágia funkciói:

elsődleges szerepe a sejtek túlélésének biztosításában rejlik

(15)

Makroautofágia típusai

ly sos ome

Nature Reviews Molecular Cell Biology 2011; 12: 535-541 Ana Maria Cuervo

lipofágia

a tárolt trigliceridek és koleszterin lebontása energia metabolizmus éhezés során fontos

aggrefágia

xenofágia mitofágia

ribofágia

szelektív lebontása a sérült mitokondriumoknak hibás működése ROS szintézishez vezet

sejthalál indukció

szelektív riboszóma lebontása éhezés során a riboszóma RNS-t és AS-t is tartalmaz

fontos biomolekula forrás

káros fehérjeaggregátumok eltávolítását végzi celluláris védőmechanizmus

véd az intracelluláris patogénekkel szemben

baktériumok, vírusok, paraziták lebontása

(16)

Autofágia molekuláris mechanizmusa

közel 30 autofágiával kapcsolatos gén = „ATG genes – autophagy related gene”

konzervált fehérjék

mTOR útvonal: tápanyagban gazdag környezetben legátolja a folyamatot

az autofagoszóma képződéséhez szükséges fehérjék nagy része az endoplazmás retikulum

membránjánál lokalizálódik

foszafatidilinozitol-3-kináz (PI3K) komplex nélkülözhetetlen az

autofágiához

detektálás: citoplazmában található LC3I hasítás során egy autofagoszóma membránlipidjéhez

kötött LC3II formává alakul

(17)

Autofágia

(18)

Autofágia és apoptózis kapcsolata

Cell Death Dis. 2010;1:e18.

Wirawan E, Vande Walle L, Kersse K, Cornelis S, Claerhout S, et al.

Stressz célpont:

Interleukin-3-elvétel (túlélési szignál) 24 h-ra

Stresszor:

Növekedési faktor

Stressz célpont:

Thapsigargin 36 h-ra Tunicamycin 36 h-ra

Stresszor:

Endoplazmás retikulum

Mol Cell Biol. 2006 (24):9220-31.

Ogata M, Hino S, Saito A, Morikawa K, Kondo S, Kanemoto S, Murakami T, Taniguchi M, Tanii I, Yoshinaga K, Shiosaka S, Hammarback JA, Urano F, Imaizumi K.

(19)

A sejt működését irányító fehérjehálózat dinamikai viselkedése

matematikai modellezés molekuláris

biológiai kísérletek

a hálózat viselkedését meghatározó dinamikai

kapcsolatok feltárása

rendszerbiológia

(20)

Matematikai modellezés alapjai

publikált és/vagy új eredmények

online adatbázisok

bioinformatikai analízis hálózati

kapcsolatok jóslására Pr - protein

rendszerbiológia Pr

Pr

Pr Pr

(21)

idő

Szabályozási rendszer jellemzése

a fehérjehálózat minőségi vizsgálata

Pr

Pr aktív Pr inaktív

Pr Pr AS ^Pr Pr

= k_syn* + k_act* * – k_inact* * – k_deg* d ^Pr

dt aktív

Pr Pr Pr inaktív ^Pr ^Pr aktív ^Pr aktív

reakciókinetikai egyenletek felírása

d Pr

dt = pozitív – negatív

degradáció / inaktiváció szintézis / aktiváció

Pr Pr - protein

Pr Pr

(22)

Szabályozási motívumok

Pr Pr

0 1 2 3 4

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

dupla negatív visszacsatolás

pozitív visszacsatolás

negatív visszacsatolás

0 50 100 150 200

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

idő

Pr Pr

Pr

jel

Pr

Hálózati motívum:

minden olyan szabályozási egység, amely nagyobb valószínűséggel fordul elő a hálózatban, mint az egy random hálózatban

megtalálható lenne

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

0.0 0.5 1.0 1.5

Pr - protein

(23)

Autofágia és apoptózis kapcsolata

apoptózis induktor

autofágia induktor

Nature Medicine 8, 216 - 218 (2002) Wilfried Roth & John C. Reed

Cell. 2011;147(4):728-741

Mizushima N, Komatsu M. AUTOFÁGIA

APOPTÓZIS

(24)

Beclin1 Beclin1 autofágia

induktor Casps

kapcsolati molekula

Autophagy. 2008 Oct;4(7):949-51. Epub 2008 Oct 14.

Wei Y, Sinha S, Levine B.

J Autoimmun. 2007 Sep-Nov;29(2-3):78-86. Epub 2007 Jun 4.

Salunga TL, Cui ZG, Shimoda S, Zheng HC, Nomoto K, et al.

Cell. 2005 Sep 23;122(6):927-39.

Pattingre S, Tassa A, Qu X, Garuti R, Liang XH, Mizushima N, Packer M, Schneider MD, Levine B.

Keresztkapcsolat az autofágia és apoptózis között

(25)

Casps

Beclin1

Cell Death Differ. 2010 Feb;17(2):268-77. Epub 2009 Aug 28.

Luo S, Rubinsztein DC.

Az apoptózis és az autofágia induktorok kapcsolata

Casps kapcsolati

molekula

Beclin1

Beclin1 autofágia induktor-I Beclin1

Beclin1 autofágia

induktor apoptózis

induktor

(26)

J Biol Chem. 1999 Jul 23;274(30):21155-61.

Kirsch DG, Doseff A, Chau BN, Lim DS, de Souza-Pinto NC, Hansford R, Kastan MB, Lazebnik YA, Hardwick JM.

A kapcsolati molekula és az apoptózis induktor kapcsolata

Casps

Beclin1 Casps

Beclin1

Beclin1 autofágia induktor-I Beclin1

induktor

(27)

Beclin1-I

+ +

A működést meghatározó hálózati diagram

Casps

Beclin1 autofágia induktor-I Casps

Beclin1 apoptózis

induktor

autofágia induktor Casps

pozitív feedback

Casps Casps apoptózis

induktor

autofágia induktor-I

AUTOFÁGIA

APOPTÓZIS 



(28)

Beclin1-I

Bcl2

+ +

A működést meghatározó hálózati diagram

molekula

Casps

induktor

dupla negatív feedback

pozitív feedback

induktor

AUTOFÁGIA

APOPTÓZIS 



(29)

Beclin1-I

Bcl2

Casps

+ +

?

Hogyan képes ugyanaz a kapcsolati molekula két ellentétes folyamatot szabályozni

Mi a szerepük a különböző visszacsatolási hurkoknak

A működést meghatározó hálózati diagram

molekula

Casps

induktor

dupla negatív feedback

pozitív feedback

induktor autofágia Beclin1Beclin1 induktor

induktor

AUTOFÁGIA

APOPTÓZIS 



(30)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Mol Biosyst. 2013 (2):296-306.

Kapuy O, Vinod PK, Mandl J, Bánhegyi G.

Alternatív egyensúlyi állapotok

induktor

Casps

induktor

autofágia induktor-I Beclin1

Beclin1

AUTOFÁGIA APOPTÓZIS

(31)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

 

Mol Biosyst. 2013 (2):296-306.

Kapuy O, Vinod PK, Mandl J, Bánhegyi G.

Alternatív egyensúlyi állapotok – fiziológiás körülmények

induktor

Casps

induktor

autofágia induktor-I Beclin1

induktor

(32)

APOPTÓZIS

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

 

Mol Cell Biol. 2006 (24):9220-31.

Ogata M, Hino S, Saito A, Morikawa K, Kondo S, Kanemoto S et al.

Alternatív egyensúlyi állapotok – alacsony stressz szint

Casps

induktor

autofágia induktor-I AUTOFÁGIA

induktor

(33)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0



Alternatív egyensúlyi állapotok – magas stressz szint

APOPTÓZIS

induktor

Casps

induktor

autofágia induktor-I apoptózis

induktor

(34)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

stressz szint

apoptózis induktor

Kétállású kapcsoló szerepe a döntési folyamatban

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

stressz szint

Casps

induktor

autofágia induktor

MAGAS STRESSZMAGAS STRESSZ ALACSONY STRESSZALACSONY STRESSZ apoptózis bekapcsol

autofágia bekapcsol

autofágia kikapcsol

(35)

Casps

induktor

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

stressz szint

apoptózis induktor apoptózis bekapcsol

Kétállású kapcsoló szerepe a döntési folyamatban

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

stressz szint

autofágia kikapcsol

autofágia bekapcsol

autofágia induktor

X X

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

stressz szint

apoptózis induktor

X

(36)

Kétállású kapcsoló szerepe a döntési folyamatban

0 5 10 15 20 25

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0 1 2 3 4 5

idő (h) AUTOFÁGIA

ALACSONY STRESSZ

kapcsolati molekula

0 5 10 15 20 25

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0 1 2 3 4 5

idő (h) APOPTÓZIS AUTOFÁGIA

MAGAS STRESSZ

kapcsolatai molekula

kapcsolati molekula

Kétállású kapcsoló szerepe a döntési folyamatban

Mol Cell Biol. 2006 (24):9220-31.

Ogata M, Hino S, Saito A, Morikawa K, Kondo S, Kanemoto S, Murakami T, Taniguchi M, Tanii I, Yoshinaga K, Shiosaka S, Hammarback JA, Urano F, Imaizumi K.

(37)

AUTOFÁGIA

APOPTÓZIS cFLIP

vFLIP

Bcl2 Bcl_XL

Casp8 Atg3

Atg4 Atg5 Beclin1

Casp3;6;8 Casp9;10

Calpaine

Atg4-I Atg5-I Beclin1-I

Bcl2-I

kapcsolati elem

Casp3 Ambra1

Robosztus szabályozási hálózat

(38)

A molekuláris biológia és a modellezés kapcsolata

Molekuláris biológiai kísérletek

A rendszert működtető

hálózat kidolgozása

Matematikai modellezés

Számítógépes szimulációk

A rendszer dinamikai viselkedésének

a megértése Jóslások tétele

idő Pr