Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been...

57
Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen Rezeptorsysteme

Transcript of Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been...

Page 1: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen

Rezeptorsysteme

Page 2: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

1. Bildung eines Signals in der signalgebenden Zelle.

2. Transport oder Weiter-leitung des Signals zur Zielzelle

3. Registrierung des Signals in der Zielzelle

4. Weiterleiten des Signals in der Zielzelle

5. Umsetzung des Signals in eine biochemische oder elektrische Reaktion der Zielzelle

6. Beenden des Signals

Einzelschritte der interzellulären Kommunikation

Page 3: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Eigenschaften von Hormonmolekülen

Proteine Peptide Katecholamine Schilddrüsen-hormone

Steroide

Chemie/ Biochemie

50 < 200 AS < 50 AS Tyrosinderivate Tyrosinderivate Cholesterin-Metaboliten

Löslichkeits-eigenschaften

hydrophil hydrophil hydrophil lipophil lipophil

Biosynthese Genexpression Genexpression metabolisch/ enzymatisch

metabolisch/ enzymatisch

metabolisch/ enzymatisch

Sekretion meist geregelte Exozytose

meist geregelte Exozytose

streng geregelte Exozytose

Diffusion Diffusion

Transport frei meistens frei frei Transportprotein Transportprotein

Schranken-permeabilität

nicht permeabel begrenzt permeabel

begrenzt permeabel

permeabel permeabel

Halbwertszeit im Plasma

Minuten bis Stunden

Minuten Sekunden Tage Stunden

Rezeptoren Zellmembran Zellmembran Zellmembran Zellkern/ Zytoplasma

Zellkern/ Zytoplasma

Page 4: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Definition eines Rezeptors

Page 5: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Charakteristika eines spezifischen Rezeptors

1. Hohe Spezifität in der Erkennung des Liganden (Hormon)

2. Hohe Affinität bei der Bindung des Liganden (Hormon)

3. Die Bindung kann abgesättigt werden

4. Die Rezeptorbindung ist quantifizierbara) Anzahl Rezeptoren/Zielzelle(-organ)b) Affinität des Rezeptors zum Hormon

5. Der Rezeptor bindet an die DNA (nur bei Steroid-hormonrezeptoren)

6. Die Interaktion von Hormon und Rezeptor bewirkt einen biologischen Effekt

Page 6: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Quantitative Messung der Anzahl an Rezeptoren und deren Affinität zum Liganden

Bindungsgleichgewicht:

[R] + [L] [RL]

Analogie zur Enzymkinetik

k1

k2

[E] + [S]k1

k2

[ES] k3

k4

[E] + [P]

KA = [RL]

[R] x [L]=>

[RL]

[R] x [L]= KD

Massenwirkungsgesetz

M-1 =k1

k2

k2

k1

= M

Page 7: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Quantitative Messung der Anzahl an Rezeptoren und deren Affinität zum Liganden

Zu allen Zeiten der Einstellung des Bindungsgleichgewichts gilt

[RO] = [R] + [RL] => KA =[RL]

[RO] [RL]x

1

[L]

[RL] =[L] [RO] KA

1 + [L] KA=

[L] [RO]

1/KA + [L]=

[L] [RO]

KD + [L]Tranformation der Bindungsgleichung nach Scatchard = Linearisierung

[RL]/[RO][L]

= KA -[RL]

[RO]KA =

[L]

1/KA + [L]

[RL][L]

= [RO] KA [RL] KA- Scatchardgleichung

-

Bindungs-gleichung

Page 8: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Bindungsdiagramme und Bewertung

Rezeptoreigenschaften sind quantifizierbar KD=Maß für Affinität

(Substanzeigenschaft) BMax=Maß für die verfügbaren

Bindungsstellen

Page 9: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Nukleäre Rezeptoren (Steroidrezeptoren)

Page 10: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Eigenschaften von Hormonmolekülen

Proteine Peptide Katecholamine Schilddrüsen-hormone

Steroide

Chemie/ Biochemie

50 < 200 AS < 50 AS Tyrosinderivate Tyrosinderivate Cholesterin-Metaboliten

Löslichkeits-eigenschaften

hydrophil hydrophil hydrophil lipophil lipophil

Biosynthese Genexpression Genexpression metabolisch/ enzymatisch

metabolisch/ enzymatisch

metabolisch/ enzymatisch

Sekretion meist geregelte Exozytose

meist geregelte Exozytose

streng geregelte Exozytose

Diffusion Diffusion

Transport frei meistens frei frei Transportprotein Transportprotein

Schranken-permeabilität

nicht permeabel begrenzt permeabel

begrenzt permeabel

permeabel permeabel

Halbwertszeit im Plasma

Minuten bis Stunden

Minuten Sekunden Tage Stunden

Rezeptoren Zellmembran Zellmembran Zellmembran Zellkern/ Zytoplasma

Zellkern/ Zytoplasma

Page 11: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Lipophile Botenstoffe: Steroidhormone und Steroidhormon-ähnlich wirkende Hormone

Page 12: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Wirkung von Steroidrezeptoren in der Zielzelle

• Definition und Quantifizierung eines spezifischen Rezeptors

• Domänenartiger Aufbau von Steroidrezeptoren und dessen Bedeutung für den Wirkmechanismus in der Zielzelle

• Die Ligandenbindungsdomäne

• Die DNA-bindende Domäne

• Beitrag der DNA zur Wirkung

Page 13: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Wirkung von Steroidhormonen in der Zielzelle

1. Aufnahme des Hormons in die Zielzelle

2./3. Bindung an den Hormon-rezeptor

4./5. Aktivierung des Rezeptors

- Dimerisierung

- Phosphorylierung

6. Bindung an die DNA

7. Synthese von Boten RNA und Protein des Zielgens

8. Biologische Antwort

- intrazellulär

- benachbarte Zellen

Page 14: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Aufbau eines Steroidhormonrezeptors

Page 15: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Wirkung von Steroidrezeptoren in der Zielzelle

• Definition und Quantifizierung eines spezifischen Rezeptors

• Domänenartiger Aufbau von Steroidrezeptoren und genereller Wirkmechanismus in der Zielzelle

• Die Ligandenbindungsdomäne

• Die DNA-bindende Domäne

• Beitrag der DNA zur Wirkung

Page 16: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

ER Ligandenbindungsdomäne

Page 17: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Aktivierung des Östrogenrezeptors

Page 18: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Wirkung von Steroidrezeptoren in der Zielzelle

• Definition und Quantifizierung eines spezifischen Rezeptors

• Domänenartiger Aufbau von Steroidrezeptoren und genereller Wirkmechanismus in der Zielzelle

• Die Ligandenbindungsdomäne

• Die DNA-bindende Domäne

• Beitrag der DNA zur Wirkung

Page 19: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

DNA-Bindung und DNA-bindende Motive von Steroidhormonrezeptoren

Page 20: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Wirkung von Steroidrezeptoren in der Zielzelle

• Definition und Quantifizierung eines spezifischen Rezeptors

• Domänenartiger Aufbau von Steroidrezeptoren und genereller Wirkmechanismus in der Zielzelle

• Die Ligandenbindungsdomäne

• Die DNA-bindende Domäne

• Beitrag der DNA zur Wirkung

Page 21: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Genregulatorische Sequenzen

Page 22: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

5´-A G G T C A

3´-T C C A G T

N

NN

5´-A G G T C A - N - N - N - T G A C C T-3´

1. Palindromische Anordnung eines responsiven Elements

2. Tandem-Repeat Anordnung eines responsiven Elements5´-A G G T C A - N - N - N - A G G T C A-3´

= = = = = =

Das responsive Element

Page 23: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Zusammenspiel von Rezeptor und DNA

Page 24: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

McDonnell (1999) TEM 10: 301-311

Interaktion von Kernrezeptoren mit Co-Faktoren

Page 25: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Wirkung von Steroidhormonen in der Zielzelle

Bindung

Aktivierung Dissoziation von

HSPs Dimerisierung Phosphorylierung

DNA Bindung Rezeptor: Zinkfinger DNA: Hormon

responsives Element (Palindrom)

Biologischer Effekt

Page 26: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Superfamilie nukleärer Rezeptoren

Page 27: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Homologie nukleärer Rezeptoren

Page 28: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Family of nuclear hormonereceptors

SteroidsSteroid hormonesPregnanes, androgenes,

xenobiotica

LipidsensorsFatty acid sensorsCholesterol derivatives

Page 29: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Glass J. Clin Invest. 116: 556-560

Prinzipien der Funktion nukleärer Rezeptoren

Wirkprinzipien Steroidrezeptoren:

homodimere Rezeptoren, palindromisches HRE

Andere nukleäre Rezeptoren: heterodimere Rezeptoren mit

RXR, tandem repeat HRE aktive Bildung vs. aktive

Repression

Page 30: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Rezeptorvarianten

Page 31: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Zwei Rezeptoren für ein Hormon

Östrogenrezeptor Progesteronrezeptor

Zwei Gene

Unterschiedliche Nutzung der Startstellen für die Transkription und die Translation

Page 32: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some
Page 33: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Pharmakologische Nutzung von Liganden nukleärer Rezeptoren

• Agonist

• Antagonist

Page 34: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

ER Ligandenbindungsdomäne

Page 35: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Missbrauch von Liganden nukleärer Rezeptoren

Androgene (und Doping)

Page 36: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Pharmakologische Nutzung von Liganden nukleärer Rezeptoren

• Agonist

• Antagonist

Page 37: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Wirkmechanismus von Antihormonen

Page 38: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

ER Ligandenbindungsdomäne –agonistische/antagonistische Konformation

Page 39: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

- Antiöstrogene:

- Inhibition des Wachstums des metastasierenden Mammakarzinoms

- Antiadrogene:

- Inhibition des Wachstums des metastasierenden Prostatakarzinoms

- Hirsutismus, Virilisierung

- Antigestagene:

- Schwangerschaftsabbruch

Klinische Bedeutung der Antagonisierung der Wirkung von von Steroid Hormonrezeptoren

Page 40: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Umwelttoxikologie – Endokrine Disruption

"An endocrine disruptor is an exogenous substance or mixture that alters function(s) of the

endocrine system and consequently causes adverse health effects in an intact organism, or its

progeny, or (sub)populations“ (Definition EU)

Page 41: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive

performance in some species associations with changes in immunity and

behaviour and skeletal deformities.

In humans, endocrine disruptors have been suggested as being responsible for apparent changes seen in human health patterns over recent decades. declining sperm counts in some geographical

regions increased incidences in numbers of male children

born with genital malformations increases in incidences of certain types of cancer

that are known to be sensitive to hormones. more controversially, links have been suggested

with impairment in neural development and sexual behaviour.

Page 42: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Strukturelle Voraussetzung für ER-Bindung

Brzozowski et al. (1997) Nature 389:753-758

Cos et al. 2003, Planta Med. 69:

589-599.

Page 43: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Relative Aktivitäten von endokrinen Disruptoren

Pharmakologie & Toxikologie von nukleären Rezeptoren Pharmakologie

- Prinzip des Agonisten- Prinzip des Antagonisten

Toxikologie- Rezeptor Interferenz =>

Endokrine Disruption

Page 44: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Rezeptoren für hydrophile Botenstoffe

Page 45: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Eigenschaften von Hormonmolekülen

Proteine Peptide Katecholamine Schilddrüsen-hormone

Steroide

Chemie/ Biochemie

50 < 200 AS < 50 AS Tyrosinderivate Tyrosinderivate Cholesterin-Metaboliten

Löslichkeits-eigenschaften

hydrophil hydrophil hydrophil lipophil lipophil

Biosynthese Genexpression Genexpression metabolisch/ enzymatisch

metabolisch/ enzymatisch

metabolisch/ enzymatisch

Sekretion meist geregelte Exozytose

meist geregelte Exozytose

streng geregelte Exozytose

Diffusion Diffusion

Transport frei meistens frei frei Transportprotein Transportprotein

Schranken-permeabilität

nicht permeabel begrenzt permeabel

begrenzt permeabel

permeabel permeabel

Halbwertszeit im Plasma

Minuten bis Stunden

Minuten Sekunden Tage Stunden

Rezeptoren Zellmembran Zellmembran Zellmembran Zellkern/ Zytoplasma

Zellkern/ Zytoplasma

Page 46: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Familien von Zelloberflächenrezeptoren

Page 47: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Ionenkanal-gekoppelte Rezeptoren

z.B. Acetylcholinrezeptor

Page 48: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Aufbau und Funktion des Acetylcholinrezeptors

Page 49: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Zelloberflächenrezeptoren

Allgemeine Vorbemerkungen

Page 50: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

1. Bildung eines Signals in der signalgebenden Zelle.

2. Transport oder Weiter-leitung des Signals zur Zielzelle

3. Registrierung des Signals in der Zielzelle

4. Weiterleiten des Signals in der Zielzelle

5. Umsetzung des Signals in eine biochemische oder elektrische Reaktion der Zielzelle

6. Beenden des Signals

Einzelschritte der interzellulären Kommunikation

Page 51: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Das Problem bei der Signalübertragung mit hydrophilen Signalen

Page 52: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Die Kinetik bei der Signalübertragung mit hydrophilen Signalen

Page 53: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Grundprinzipien der Signalwandlung

Zwei fundamental wichtige

Prinzipien der Signalwandlung

Page 54: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Was ist eine Kinasereaktion?

Page 55: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

G-Protein gekoppelte Rezeptoren

Robert Lefkowitz und Brian KobilkaNobelpreis für Chemie 2012

Page 56: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Struktur: G-Protein gekoppelte Rezeptoren

Page 57: Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen · In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive performance in some

Externes Signal

Wandler = Transducer

“Second Messenger”

interner Regulator

Verstärker (Kaskaden)Zellantworten,

Enzyme, TF

Zelluläre Wirkung

Effektor

Rezeptor = Empfänger