2012.11.19.

1

Stressz, gyulladás és a központi idegrendszer

Továbbképzés 2012 novemberMandl József

Az alábbi ábrák a szintentartó tanfolyamon elhangzott előadás szemléltetői. Ebből következően szöveg nélkül önmagukban az

ábrák nem feltétlenül értelmezhetőek, céljuk nem lexikális és visszakérdezendő ismeretek összefoglaló közlése.

Patológiás folyamatok értelmezése és megértése celluláris szinten

• Szubcellularis biokémia → kompartmentalizáció → organellumok működésének integrációja

• Organellum stressz, mint a patológiás folyamatok kialakulásának alapjelensége

• Külső és belső jelforrások → jelátviteli integráció

• Kompartmentalizáció változása, mint patogenetikus tényező

Egyensúlyok a szabályozásokban

szubcelluláris organellumok közötti egyensúlyok eredőjeként sejt-, szerv-, szervezet- szintű homeosztázisok alakulnak ki

• Egyensúlyok eltolódhatnak különböző irányokba, ez a szabályozások eszköze

• „Pathological switch” fogalma – fiziológiás szabályozás átalakulása kórosba

• Organellum betegségek – pl mitokondriális betegségek, lizoszómális betegségek

• Organellum terápia lehetősége

2012.11.19.

2

Kompartmentek közti egyensúly - homeosztázis szubcelluláris

szinten

→ ER – szintetikus kompartment→ Mitokondrium – katabolikus kompartment

Élet-halál (apoptózis-túlélés) alapkérdés; intracelluláris organellumok – bels ő jelforrások - homeosztázis viszonyaitól függ a kialakuló egyensúly

organellum stressz

• programozottapoptózis

• nekrózis

sejthaláladaptáció

• (UPR) UnfoldedProtein Response

• (MSR) MitochondrialStress Respose

Az endoplazmás retikulum (ER) legfontosabb funkciói

fehérjeszintézis

lipidszintézis

biotranszformáció

Ca2+-raktározás

glukóztermelés

Szekrécióra kerülő anyagok szintézise– ER szekréciós pálya része

2012.11.19.

3

ER

Golgi

End

omem

bran

e sy

stem

Transport vesicles

Endosomes Lysosomes

Extracellular space

Thiol oxidizing

High [Ca 2+]

Thiol oxidizing

High [Ca 2+]

Glycoproteins

Csala és mtsaiARS 2012

riboszóma

mRNS

ER

SHSH

S

S

unfolded folded

fehérjék

Szénhidrát láncER chaperonGolgi

Degradálódás (ERAD)

S

S

S

S

Mandl, Bánhegyi Orv Hetil 2008

• Egyensúly felborulás: foldingra alkalmatlan (ill. nem megfelelően tekeredett –misfolded, unfolded, aberrált), proteaszómális lebomlásra rezisztens fehérjék termelődése és/vagy felhalmozódása az ER-ben

protein folding - igény és kapacitás

• egyensúly a protein folding igény (szintézis), a folding kapacitás és a szekréció között

éretlen fehérjék

Endoplazmás retikulum

ER chaperonok

-SH

-SHHS-

-SH

-SHHS-

-SH

-SH

-SH

-SH

diszulfid-képződés

glikozi-láció

vezikuláristranszport

érettfehérjék

lipo-proteinek

-SH

lipidálás

Fehérjék posztranszlációs módosításai a folding során az ER-ben

2012.11.19.

4

Immature proteins

Endoplasmicreticulum

ER chaperones

-SH

-SHHS-

-SH

-SHHS-

-SH

-SH

-SH

-SH

Disulfide-formation Glyco-

sylation

Vesiculartransport

Matureproteins

Lipo-proteins

-SH

Lipidation

ERAD

Reductive/oxidative

stressMetabolic

stress

Proteinoverload Hypoxia

O2

H2O2

ER stressz

O2-ellátottságelektronakceptor

redox egyensúly

fehérje-homeosztázis tápanyagkínálat

elektrondonor

hipoxia

reduktívoxidatívstressz

hibás fehérjék metabolikusstressz

gyulladás

citokinek

ER stressz

• egyensúly felborulása a protein folding igény és a a folding kapacitás között → unfolded protein felhalmozódás

• Egyensúly felborulásra adott jelátvitel válasz: UPR unfolded protein response a folding igény csökkentése, a folding kapacitás fokozása; sikertelenség esetén apoptózis indukálása

protein folding - igény és kapacitás 2

• Általános fehérje szintézis gátlás• ER- rezidens chaperonok, foldázok, antioxidáns

védelemben résztvevő fehérjék (pl GSH szintézis, SOD) szintézisének fokozása –szelektív fehérje szintézis fokozódás – folding kapacitás fokozása

• Az ER méretének növelése – membrán lipid szintézis up-reguláció

GSH:glutation, SOD:szuperoxid dizmutáz

2012.11.19.

5

unfoldedproteinek

ERchaperonok

Homeosztázis

Patológiás állapot ER stressz Patológiás állapot ER stressz

UPR: unfolded protein response

Patológiás állapot ER stressz

UPR: unfolded protein response

UPR

IRE1 ATF6 PERK

apoptózis egyensúly változásER homeosztázis zavarkompenzálódik

ER stresszor

ER stressz

2012.11.19.

6

metabolikus stressz(HFD)

ER-stressz

UPR

SREBP IRE1 ATF6 PERK

lipidszintézis fehérjeszintézis

membránképződés

ER stress

UPR

IRE1 ATF6 PERK

lipogenesis protein homeostasis

sterol response

SREBP

lipoapoptosismembrane formation

Metabolic stress (high fat diet)

Redox imbalance

Xeno/endo- bioticum Metabolic imbalance proteinexposition overload/misfolding

ER stress

UPR

autophagy

membrane turnover

signalostasis protein homeostasislipid homeostasis

glucolipotoxicity

ER rezidens transzmembrán fehérjék

• Activating transcription factor 6: ATF6• Inositol requiring kinase 1: IRE1• Double-stranded RNA-activated protein

kinase (PRK)-like endoplasmic reticulum kinase: PERK, vagy pancreatic eIF2αkinase: PEK

• Sterol Response Element Binding Proteins: SREBP

2012.11.19.

7

Endoplazmás retikulum

Sejtmag

ATF

6

Endoplazmás retikulum

Sejtmag

ATF

6

PPP

P

BiP BiP BiP

Éretlen fehérjék

Endoplazmás retikulum

Sejtmag

ATF

6

PPP

P

BiP BiP BiP

Éretlen fehérjék

XBP1 mRNA

XBP1smRNA

Hasítás aGolgiban

ATF6

eIF2αeIF2α

P

ATF4mRNA

ATF4XBP1

+

Éretlen fehérjék

XBP1 mRNA

XBP1smRNA

Hasítás aGolgiban

ATF6

eIF2αeIF2α

P

PPP

P

ATF4mRNA

ATF4XBP1

+

XBP1ATF6 ATF4

XBP1ATF6ATF4

ERAD komponensek

Endoplazmás retikulum

Sejtmag

ER chaperonok

XBP1CHOP

BiP BiP BiP

ATF

6

2012.11.19.

8

Éretlen fehérjék

XBP1 mRNA

XBP1smRNA

Hasítás aGolgiban

ATF6

eIF2αeIF2α

P

PP

PP

ATF4mRNA

ATF4XBP1

+

XBP1ATF6 ATF4

XBP1ATF6ATF4

ERAD komponensek

Apoptózis

JNK

JNKP

Pc12

Ca2+

Ca2+

C12

+

Endoplazmás retikulum

Sejtmag

ER chaperonok

XBP1CHOP

CHOP

Bak/Bax

BiP BiP BiP

AT

F6

Mandl és mtsai. Trends Endocrinol. Metab. 2009

Éretlen fehérjék

XBP1 mRNA

XBP1smRNA

Hasítás aGolgiban

ATF6

eIF2αeIF2α

P

PP

PP

ATF4mRNA

ATF4XBP1

+

XBP1ATF6 ATF4

XBP1ATF6ATF4

ERAD komponensek

Apoptózis

JNK

JNKP

Pc12

Ca2+

Ca2+

C12

+

Endoplazmás retikulum

Sejtmag

ER chaperonok

XBP1CHOP

CHOP

Bak/Bax

BiP BiP BiP

AT

F6

inzulin

inzulin-receptor

IRS

inzulin-hatások

X

ER szerepe a szignál homeosztázisban

• Belső és külső jelátvitel közti kapcsolat• Mobilizációs és növekedési jelpályák közti

kapcsolat

Hotamisligil, Nature 2006

2012.11.19.

9

TNFR IR

TNFα insulin

TRAF2 IRSER stress

IRE1 AFT6 PERK SREBP

UPR Sterol response

inflammation

lipogenesisJNK

TNFR IR

TNFα insulin

TRAF2 IRSER stress

lipids

IRE1 AFT6 PERK SREBP

UPR

ROS

Sterol response

Nrf2

IK ββββelF2P

ATF4

PKR

NFκB

IKK

XBP1

inflammation

lipogenesis

JNKprotein

homeostasis

Különböz ő homeosztázisok együttélése a „sensing” szintjén

• Táplálék érzékelés – redox érzékelés– patogén érzékelés

• gyulladás szerepe a homeosztázis átalakulásában ER stressz

O2-ellátottságelektronakceptor

redox egyensúly

fehérje-homeosztázis tápanyagkínálat

elektrondonor

hipoxia

reduktívoxidatívstressz

hibás fehérjékvírusfehérjék metabolikus

stressz

MITOKONDRIUM SEJTMAG

gyulladás

patogénfertőzés

TÚLÉLÉSPROGRAMOZOTT

SEJTHALÁL

2012.11.19.

10

„ER stress related diseases”

• „Conformational diseases”• „Folding diseases”• Protein aggregátumok, „malfolded

proteins” szerepe a kórkép patogenezisében

Neurodegeneratív betegségek

• Alzheimer kór – amiloid β peptid• Parkinson kór – Parkin ERAD kapcsolat• Poliglutamin betegségek pl Huntington kór• Prion betegségek

• ALS - SOD aggregatumok a ER-lumenben

ER stressz kapcsolt kórképek

• Bipolaris pszichiatriai betegségek• Diabetes mellitus• Atherosclerosis• Gyulladások

• Ischemiás agy- és szív-betegségek • Kémiai szerrel indukált vesebetegségek

ER stresszt okozó gyógyszerek adása, amelyek apoptózist

indukálnak

• Bortezomib (Velcade) – proteaszómális inhibitor – glioblastoma

• CD 437 szintetikus retinoid ovarium adenocarcinoma

• nelfinar, atanazavir proteáz inhibitor glioma

2012.11.19.

11

ER stressz és mitokondrium stressz közötti kapcsolat

Bernales és mtsai 2007

Mitokondrium

nukleoidriboszómákproteaszómák

mátrix

intermembrántércristae

citoszol

belső membránkülső membrán

A külső membrán pórusokat tartalmaz, melyek kismolekulák számára átjárhatóvá teszik, így az intermembrán tér lényegében ekvivalens a citoplazmával.

A belső membrán impermeábilis és a kismolekulák transzporterek segítségével juthatnak át.

Mitokondrium

2012.11.19.

12

ROS (reactive oxigen species) képz ődés a légzési láncban

Ca2+ emelkedés, ROS,lipidperoxidáció

mitokondriális diszfunkció

MPTP

csökkent ATP szintézis

csökkent membránpotenciál

MAC képződés

citokróm c és másproapoptotikus faktorok

Mitokondriálisapoptózis

Mitochondrial Apoptosis-Induced Channel (MAC)

2012.11.19.

13

Pro- és antiapoptotikus faktoroka mitokondriumban

Mitokondrium biogenezis

Fusion

autophagy(mitophagy)

UPS

Growth

(GTPase)