VL Signal 4

Der ras/Raf Pathway
Prof. Dr. Albert Duschl
Biologische Regelsysteme
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Behalten Sie bitte im Gedächtnis, daß
biologische Systeme immer wieder vor
vergleichbaren Aufgaben stehen, bei denen
es darum geht, aus internen Vorgaben und
externen Signalen die Reaktion mit den
grössten Selektionsvorteilen abzuleiten.
Zur Lösung dieses Problems verwendet die
Natur immer wieder die gleichen Methoden
der Signalverrechnung, wie Rückkopplung,
konditionelle Signalweiterleitung,
Wechselwirkung aktivierender und
inhibierender Stimuli etc.
Die Abbildung rechts zeigt das
Paarungsritual eines Grashüpfers. Es ist
kein Zufall daß das Diagramm dem einer
Signalkaskade ähnlich sieht. Sie finden
komplexe Signalprozesse in Neurologie,
Immunologie, Verhalten etc. Die
Mechanismen sind durchaus ähnlich.
© Edward O. Wilson: Sociobiology.
Rezeptortyrosinkinasen
© Cell Signaling Technology
Spezifität
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Spezifität kann erzeugt werden durch:
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Selektive Expression von Liganden,
Rezeptoren, Signalmolekülen und
Transkriptionsfaktoren.
Bildung von unterschiedlichen
aktivierten Rezeptorkomplexen mit
Signalmolekülen ("Signalosom").
Aktivierung unterschiedlicher
Signalübertragungswege.
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Viele Aufgaben müssen aber immer
wieder auf ähnliche Weise gelöst
werden. Dafür können gleiche
Signalwege von verschiedenen
Rezeptoren verwendet werden.
© Cell Signaling Technology
Sevenless: Drosophila als Modell
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Das Auge von
Drosophila besteht aus
ca. 800 Ommatidien.
Jedes Ommatidium
enthält genau 8
Photorezeptor-Zellen.
Bei der sevenless
Mutation fällt die
Rezeptorzelle 7 aus
(Bild c rechts). Für ihre
Differenzierung ist ein
Signal durch einen
Wachstumsstimulus
(Bride of sevenless,
Boss) erforderlich.
Solche "luxuriösen"
Regulationsprozesse
gibt es auch im
Menschen, z.B. MIS.
© Gomperts/Kramer/Tatham: Signal Transduction
Der Sevenless Phänotyp
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Der Rezeptor für Boss (Bride of
sevenless) ist das SevenlessProtein, das in Fliegen mit dem
Sevenless-Phänotyp defekt ist.
Sevenless ist eine RezeptorTyrosinkinase.
Die Augenentwicklung kann durch
weitere Mutationen im Rezeptor
Sevenless oder den assoziierten
Signalproteinen moduliert werden.
A/E: Normal
B/F: Sevenless-Mutante
C/G: Konstitutiv aktive Mutante von
Sevenless (rough eye)
D/H: rough eye Mutante mit verminderter
Expression von daughter of sevenless
From: T. Rabe, Biochim. Biophys. Acta 1496: 151-163 (2000)
Sevenless Signalübertragung
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Bride of sevenless (Boss): 7-a-Helix
Membranprotein, exprimiert nur auf
der Rezeptorzelle R8.
Sevenless: Rezeptortyrosinkinase.
Downstream of receptor kinase (DRK):
Grb2 Adapterprotein.
Daughter of sevenless (Dos): Ein
grosses Dockingprotein, verwandt mit
IRS-1. Es bindet an DRK (Grb2).
Son of sevenless (Sos): Guanine
nucleotide exchange factor (GEF).
RAS1: ras Protein.
GAP1: GAP Protein.
Raf, MEK, MAPK etc. heissen so wie
ihre Analoga in Vertebraten.
From: T. Rabe, Biochim. Biophys. Acta 1496: 151-163 (2000)
Let-23: Caenorhabditis als Modell
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C. elegans entwickelt sich aus
der Zygote zu einem
Larvenstadium mit 556 Zellen
(nicht gerechnet 131 die in
Apoptose gehen).
Falls sich der Wurm jetzt zum
Hermaphroditen entwickelt,
steigt die Zellzahl auf 959 (ein
Männchen hätte 1031).
Unter den neuen Zellen des
Hermaphroditen sind
Vulvazellen die aus
Hypodermiszellen
differenziert werden.
Dafür brauchen diese einen
Stimulus über Let-23, eine
Rezeptor-Tyrosinkinase.
© Gomperts/Kramer/Tatham: Signal Transduction
Spezieshomologien
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In der Evolution
sind offensichtlich
komplette
Signalketten früh
entwickelt und
konserviert worden.
Die Komponenten
der Signalketten
sind dabei in der
Regel wesentlich
stärker konserviert
als deren
Funktionen.
© Gomperts/Kramer/Tatham: Signal Transduction
Adaptermoleküle
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Adaptermoleküle bringen
Signalmoleküle in räumliche Nähe
zueinander. Sie haben selber keine
enzymatische Aktivität.
In Adaptermolekülen werden
Proteindomänen verwendet, die
auch an anderer Stelle auftauchen,
wie SH2, SH3 oder PTB.
Im ras/Raf Pathway ist Grb2 dafür
verantwortlich, den Guanine
nucleotide exchange factor Sos an
den aktivierten Rezeptor zu
koppeln.
Das Homolog zum
Vertebratenprotein Grb2 in
Drosophila heisst DRK, in
Caenorhabditis heisst es Sem-5.
© Cell Signaling Technology
Sos und ras
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Sos heisst auch in Vertebraten so wie
das Drosophila-Homolog.
Aufgabe von Sos ist es, den Austausch
von GDP gegen GTP in ras zu
katalysieren und dadurch ras zu
aktivieren.
Alle Mitglieder der ras Familie benötigen
ein GEF (Guanine nucleotide exchange
factor) = GNRP (Guanine nucleotide
releasing protein) um aktiviert zu werden.
Hier ist das Sos.
Vertreter der GAP (GTPase activating
protein) Familie werden benötigt, um die
schwache intrinsische GTPase Aktivität
von ras und verwandten Proteinen zu
aktivieren.
© Alberts et al.: Molecular Biology of the Cell
Raf-1
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Raf ist eine Serin/Threonin Kinase.
Säuger haben drei Isoformen: Raf-1
(C-Raf), A-Raf und B-Raf. B-Raf ist
ein wichtiges Onkogen.
Ras ist durch posttranslationale
Modifikation mit Myristat, Palmitat
und Farnesol membranassoziiert.
Aktives ras lokalisiert Raf-1 zur
Membran. Raf-1 wird dadurch
aktiviert. Kinasen (PAK-3, src, Jak,
abl) können Raf-1 phosphorylieren.
In diesem Pathway sind drei S/T
Kinasen übereinander geschaltet,
MAPKKK, MAPKK und MAPK.
Raf-1 ist die MAPKKK im ERK
Signalweg (Extracellular signal
regulated kinase).
From: W. Kolch, Biochem. J. 351:289-305 (2000)
MEK / MAP Kinase Kinase
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MEK (MAPK/ERK Kinase = MKK =
MAP Kinase Kinase) wird aktiviert,
indem es von Raf-1, A-Raf oder BRaf an zwei Serinresten
phosphoryliert wird. Raf-1 ist
ubiquitär exprimiert, die beiden
anderen Formen
gewebespezifisch.
MEK ist eine MAP Kinase Kinase,
phosphoryliert also Proteine aus
der Gruppe der MAP Kinasen.
MEK ist eine der seltenen
bifunktionellen Kinasen, die S/T
und Y phosphorylieren können.
From: W. Kolch, Biochem. J. 351:289-305 (2000)
MAP Kinase
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ERK (Extracellular signal regulated
kinase) werden von MEK aktiviert,
indem MEK regulatorische
Tyrosinreste in ERK phosphoryliert.
Es gibt zwei ERK Isoformen, ERK-1
und ERK-2.
ERK gehören zur Gruppe der MAP
Kinasen (MAPK = Mitogen activated
protein kinase).
ERK hat mehr als 50 bekannte
Substrate, darunter mehrere
Transkriptionsfaktoren. Damit ist das
mitogene Signal im Kern angelangt.
Abschaltung des Signals: Sos wird
durch MAPK phosphoryliert und
dissoziiert vom Rezeptor.
From: W. Kolch, Biochem. J. 351:289-305 (2000)
Mitogenese
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Wichtigstes Resultat des ras/Raf-Pathways ist oft die mitogene Wirkung: Die Zelle
wird also zur Zellteilung angeregt.
Wachstumsfaktoren und andere proliferationsauslösende Stimuli verwenden häufig
den ras/Ras-Weg, obwohl auch Differenzierung dadurch ausgelöst werden kann, wie
im Fall von sevenless.
Die starke mitogene Wirkung ist dafür verantwortlich, dass Raf und vor allem ras
wichtige Proto-Onkogene sind.
Ein hohes mitogenes Potential führt dazu, dass Zellen leichter onkogen entarten.
Reparatur- und Regenerationsprozesse erfordern allerdings Zellteilung. Aus diesem
Grund sind Zellen mit sehr schwachem mitogenem Potential kaum zur Reparatur
fähig. Beispiele sind enddifferenzierte Zellen der Herzmuskulatur und des zentralen
Nervensystems.
Targetselektion
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Nehmen wir an, wir möchten PDGF
(Platelet derived growth factor)
hemmen, ein Mitogen für
Bindegewebe und Gliazellen. PDGF
wird von Platelets (=Thrombozyten)
und vielen anderen Zelltypen
produziert.
PDGF ist wichtig für Wundheilung,
kann aber auch ein autokriner oder
parakriner Wachstumsfaktor für
Tumorzellen sein.
Wie würden Sie vorgehen, wenn die
Aufgabe ist, einen PDGF-Inhibitor
herzustellen?
Tatsächlich war ein PDGF-Inhibitor für
Glioblastome in klinischen Tests
(SU101, leflunomide). Wurde
allerdings als Pyrimidinsyntheseinhibitor für RA zugelassen …
© BioCarta
Zellulärer Stress
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Zellulärer Stress beruht
z.B. auf UV-Licht,
osmotischem Stress,
H2O2, aber auch auf
endogenen Faktoren wie
TNFa.
Durch zellulären Stress
werden Signalketten mit
spezifischen MEK und
MAP Kinasen aktivert.
Selber wenig Stress zu
haben reduziert den
zellulären Stress nicht,
kann aber auch nicht
schaden.
© Edward Hopper

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