FYZIOLOGIE BUNĚČNÝCH SYSTÉMŮ

Prezentace na téma: "FYZIOLOGIE BUNĚČNÝCH SYSTÉMŮ"— Transkript prezentace:

1 FYZIOLOGIE BUNĚČNÝCH SYSTÉMŮ
Doc. RNDr. Kozubík Alois, CSc. - Doc. RNDr. Hofmanová Jiřina, CSc.

2 Diferenciace

3 + - ? % t0 tx time (t) differentiation apoptosis (necrosis)
proliferation t0 tx time (t)

4 Differences in mRNA expression patterns among different types of human cancer cells

5 Differences in the proteins expressed by two human tissues

6 Polyklonální charakter kostních buněk
Obr. 1. P řirovnání kmenové buňky ke stromu: a – kmenová bu ňka v embryonální době b – kmenová buňka v dospělosti a

7 Hematopoetické buňky kostní dřeně
Pluripotentní buňka již neschopná vytvořit slezinnou kolonii 1 - BFU-E - CFU-E - CFU-C - CFU-eozinofilů - CFU-Meg - CFU-makrofágů2 - CFU-BL3 - CFU-TL3 erytroblasty - myelocyty - megakaryocyty 100 % Hematopoetické buňky kostní dřeně 50 % Přestup do krve CFU-S 0 % Pluripotentní buňky Morfologicky rozpoznatelné buňky Proliferující buňky Neproliferující buňky Schéma kvantitativního zastoupení různých prekurzorů krevních buněk v krvetvorné tkáni. 1Podle Gregorové a Henkelmana (1977); 2podle MacVittieho a Porvaznika (1978); 3nejsou odvozeny od CFU-S.

8

9 ěčné komponenty hematopoetického mikroprostředí (H.I.M.) v kostní d
Bun ěčné komponenty hematopoetického mikroprostředí (H.I.M.) v kostní d řeni (K.D.) (podle Knospeho 1978) Bun ěčný typ P ředpokládaná funkce Endotelie sinusoid ů zachycování kmenových bun ěk, výměna metabolitů, uvol ňování zralých buněk do cirkulace, sou část mikroprostředí umožňující buněčnou proliferaci Fibroblasty tvorba kolagenu, mukopolysacharid ů, indukce diferenciace? Tukové bu ňky vypln ění prostoru po zaniklé kostní dřeni, proliferace pluripotentních kmenových bun ěk Retikuloendotelové bu ňky, monocyty fagocytóza, tvorba CSF a jiných hemokinin ů, indukce diferenciace? Endostální bu ňky tvorba CSF a jiných hemokinin ů, kmenové buňky stromatu? Kost mechanická ochrana, tvorba hemokinin ů?

10 CFU-E BFU-E Kmenová buňka citlivé na erytropoetin CFU-C citlivé na CSF citlivé na IL3 Obr.27. Model humorálního řízení hemopoézy. Nejnezralejší buňky obsahují receptory k faktorům nezávislým na diferenciaci jednotlivých řad, jako je IL3. Při maturaci se postupně tyto receptory ztrácejí a objevují se specifické receptory pro humorální faktory jednotlivých řad [pro erytropoetin ( ) a pro CSF ( ) ]. Podle Iscova (1978)

11 Recirkulující paměťové buňky
LYMFOPOÉZA Kostní dřeň PRIMÁRNÍ L.O. Thymus –“thymové hormony“ Primární imunitní odpověď Sekundární imunitní odpověď SEKUNDÁRNÍ L.O. (Lymfatické uzliny a slezina) Recirkulující paměťové buňky s dlouhou dobou života T- lymfocyty Buněčná imunita Plazmatická buňka B lymfocyty Humorální (IG) imunita

12 EP CFU-E BFU-E Progenitorové erytroidní kmenové bunky
Zvýšená proliferace za erytro- poetického stresu EP Obr Na obrázku je znázorněna zvýšená proliferace při erytropoetic- kém stresu, která může vést k značné expanzi kompartmentu progenitoro- vých erytroidních kmenových buněk. Citlivost k erytropoetinu (EP) se ob- jevuje až v pozdějších stádiích. Upra- veno podle Schofielda a Lajthy (1977). stimulace Citlivost na erytropoetin

13 + - ? % t0 tx time (t) differentiation apoptosis (necrosis)
proliferation t0 tx time (t)

14 Six steps at which eucaryotic gene expression can be controlled

15 Events in cell proliferation
early later growth factors 9. 1. 10. 2. receptor cell regulators hnRNA mRNA kinases/2nd messengers nucleus replitase proteins 15. (enzymes) 14. 13. 12. 11. 7. 6. 5. 4. 3. S G2 M 17. 16. genes 8. amino acids 18. cytokinesis

16 Cytokiny Některé příklady

17 PŘEHLED NEJDŮLEŽITĚJŠÍCH CYTOKINŮ - 2.
cytokin zdroj působení IFN a 1 IFN a 2 dvojitě negativní lymfocyty, monocyty, makrofágy zvyšuje rezistenci proti virům; inhibuje proliferaci normálních i nádorových buněk; indukuje syntézu MHC I, receptoru pro Ig; aktivuje NK-buňky IFN b 1 fibroblasty, buňky epitelu stejně jako u IFN a IFN b 2 fibroblasty, monocyty stejně jako u IFN a IFN g T – buňky, NK-buňky podobná jako u IFN a a b, navíc má větší schopnost aktivovat makrofágy, zvyšovat odolnost vůči parazitům; indukuje syntézu MHCI i MHCII;stimuluje syntézu IgG2 a inhibuje syntézu IgG2 a IgE B-buňkami TNF a makrofágy, T-buňky, thymocyty, B-buňky, NK-buňky působí nekrózu různých typů buněk, převážně nádorových; pleiotropní účinky na široké spektrum buněk, např. reguluje proliferační a funkční odpověď B- a T-buněk; stimuluje diferenciaci prekurzorů myeloidní řady; stimuluje expresi cytokin, MHC a prostaglandinů TNF b T – buňky má stejné účinky jako TNF a G-CSF monocyty, makrofágy, T-buňky, fibroblasty, buňky endotelu stimuluje proliferaci kolonií granulocytů; aktivuje granulocyty GM-CSF T-buňky, monocyty, makrofágy, fibroblasty, buňky endotelu stimuluje proliferaci prekurzorů granulocytů, makrofágů; aktivuje makrofágy, neutrofly, eozinofiy M-CSF monocyty, makrofágy, fibroblasty stimuluje růst kolonií monocytů a makrofágů; aktivuje monocyty EPO ledviny stimuluje růst kolonií erytrocytů a megakaryocytů TGF b krevní destičky, kosti - matrix, placenta, ledviny, některé nádory reguluje růst buněk (většinou inhibuje proliferaci vyvolanou působením hematopoietických cytokinů)

18 PŘEHLED NEJDŮLEŽITĚJŠÍCH CYTOKINŮ - 1.
cytokin zdroj působení IL - 1 monocyty (+ téměř všechny buňky s jádrem) pyrogen, komitogenní faktor T-buněk; stimuluje uvolnění lymfokinů T-buňkami; aktivuje NK-buňky;stimuluje diferenciaci B-buněk IL – 2 T – buňky růstový faktor T-buněk a thymocytů, zvyšuje cytotoxicitu, aktivuje NK-buňky, stimuluje diferenciaci B-buněk IL - 3 T-buňky (+ žírné buňky) stimuluje proliferaci prekurzorů granulocytů, erytrocytů, megakaryocytů, makrofágů; aktivuje monocyty a makrofágy IL - 4 T – buňky stimuluje syntézu IgG1 a IgE B-buňkami, proliferaci makrofágů, NK-buněk, T-buněk IL - 5 T – buňky stimuluje diferenciaci a růst eozinofilů, proliferaci T- a B-buněk IL - 6 T – buňky, makrofágy, monocyty, fibroblasty, buňky endotelu stimuluje syntézu Ig B-buňkami; stimuluje proliferaci thymocytů, prekurzorů neutrofilů, makrofágů, megakaryocytů, myelomu, plazmacytomu, B-lymfomu IL - 7 buňky kostní dřeně stimuluje proliferaci prekurzorů B- a T-buněk a T-buněk IL - 8 monocyty, makrofágy, lymfocyty, fibroblasty, buňky endotelu stimuluje chemotaxi neutrofilů a dalších leukocytů IL - 9 T-buňky stimuluje proliferaci T-buněk bez přítomnosti antigenu a APC IL - 10 T-buňky (+ žírné buňky) Inhibuje syntézu některých cytokinů (IFN g) IL - 11 buňky kostní dřeně stimuluje proliferaci multipotentních prekurzorů leukocytů (synergie s IFN g) a prekurzorů megakaryocytů (synergie s IL – 3) IL - 12 B-buňky stimulace NK-buněk, cytolyticých T-buněk, T-buněk aktivovaných lymfokiny

19 SPOLEČNÉ CHARAKTERISTIKY CYTOKINŮ
Přestože cytokiny představují velmi heterogenní skupinu proteinů, lze uvést některé jejich společné charakteristiky: 1) Nízká MW (< 80 kDa), často bývají glykosylovány (glykoproteiny) 2) účastní se imunity a zánětu, kde regulují intenzitu a délku trvání odpovědi 3) jsou produkovány - lokálně, po přechodnou dobu 4) působí autokrinně a parakrinně 5) jsou vysoce účinné (pM) 6) interagují vysoce specificky s povrchovými receptory 7) po vazbě na receptory indukují syntézu mRNA a receptorových proteinů 8) působí v síti, kde - svoje efekty vzájemně ovlivňují (zejm. svoji produkci) - indukují transmodulaci povrchových receptorů - mohou působit na buněčné funkce aditivně, synergicky anebo antagonisticky

20 cytokiny jsou polyfunkční
(a) (b) (c) (d) G-CSF G-CSF G-CSF G-CSF multi-CSF GM-CSF M-CSF SCF mature granulocyte myeloblast GM progenitor cell GM progenitor cell IL-6 superoxide ++ + phagocytosis (d) stimulation of functional activity mature granulocytes mature granulocytes mature macrophages (c) initiation of maturation mature granulocyte (a) cell production is dependent on regulator stimulation (b) induction of commitment to form cells in a restricted lineage

21 The role of IL - 1 in hematopoiesis (jiný př.)
1. monocyte production and activation 2. proliferation of committed progenitor cells (BFU-E, CFU-GM) 1. neutrophil activation 2. neutrophil production 3. stem cell activation IL-1 GM - CSF G - CSF T-cells endothelial cells fibroblasts epithelial cells ELAM - 1 ICAM - 1 IL - 6 IL - 2 clonal expansion of differentiated B - cells adhesion of leukocytes to other cells 1. T - cell growth 2. Ig secretion ELAM - endothelial leukocyte adhesive molecule ICAM - intercellular adhesive molecule

22 Network of cytokine interaction
IL - 4 T cell IL - 2 B cell Antibody IFN - g IL - 1 IL - 1 macrophage GM - CSF LPS IL - 3 TNF G - CSF (-)TNF Bone marrow

23 Autoregulace uvnitř systému granulocytů - makrofágů
CFU - C (GM - CFC) CFU - C CFU - C CFU - C CSF CSF PGE2 CSF CSF - + inhi- G M G M G M bitor A B C různé koncentrace CSF zpětnovazebná stimulace a inhibice PGE produkce inhibitoru tvorby CSF G - granulocyty M - makrofágy

24 rozdílné chemické povahy
Spolupůsobení „regulátorů růstu“ rozdílné chemické povahy

25 The four important families of small organic molecules in cells

26 According to: G.Powis: TiPS; 12: 188 -194, 1991
Oncogenes Growth factor fgf-5 hst sis int-2 Growth factor Receptor bek erb B fkg fms mas ros Receptor Receptor Receptor Receptor Receptor G protein G protein G protein Transducer MEMBRANE G protein rab ral ras Receptor tyrosine kinase PLCg PLA2 Na+/H-antiport Adenylyl-cyclase Effector Arachidonate Tyrosine kinase Serine kinase abl erb B2/neu fes/fps fgr fyn kit lck 2nd messenger met ret sea src trk yes mil/raf mos pim-1 pks raf rel DG IP3 [Ca2+]i [pH]i cAMP PG TX CYTOSOL Target ? PKC PK (?) Calmodulin PKA Regulatory proteins RNA/protein synthesis Nuclear NUCLEUS fos jun myb myc ski DNA synthesis According to: G.Powis: TiPS; 12: , 1991

27 STRUKTURNÍ ÚLOHA MEMBRÁNOVÉ SYSTÉMY a buněčné kompartmenty
FOSFOLIPIDŮ V BUŇKÁCH MEMBRÁNOVÉ SYSTÉMY a buněčné kompartmenty protientropické důsledky NEODDĚLITELNÁ OD BUNĚČNÝCH FUNKCÍ

28 Přirozené funkce membránových lipidů
FUNKČNÍ (REGULAČNÍ) STRUKTURNÍ

29 MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS
PLA2 COOH EPOXYGENASES (P450) CYCLOOXYGENASES LIPOXYGENASES PGG2 LTA4 EPOXYACIDS, DIOLS, etc. PGH2 LTB4 LTC4 CH2 CH CO NH CH2 COOH NH COCH2CH2CHCOOH NH2 COOH LTD4 TXA2 PGI2 PGD2 PGE2 LTE4 PGE2: LTC4: TXB2 LTF4

30 Signal transmission systems
PLC PLA2 AC PKC DAG PI ATP cAMP arachidonic acid (AA) IP3 R … receptor prostaglandins (PG) leukotrienes G … G-protein

31 positive effect on cell proliferation– an example
Ca 2+ Ca 2+ Ca 2+ EGF EGF AA 5HETE LTA4 LTC4 PIP2 DAG 5-LOX PLA2 PKC PLC Ca 2+ Tyr-K Tyr-K + Nuclear responses

32 Negative effect on cell proliferation– an example
IL- 3 Phorbol esters CSF-1 PGE2 GM - CSF adenylyl cyclase PKC GM - CSF R PKC CSF-1R (c- fms) IL- 3R cAMP tyr-P PKA EFFECTOR e.g. G protein, kinase - - + ? RESPONSE DNA synthesis G0 G1 S cell cycle phases

33 Protein kinases and phosphatases
SIGNAL Protein kinases and phosphatases Ca2+ PtdIns(4,5)P2 PC Phospholipase C Phospholipase A2 Phospholipase D Ins(1,4,5)P3 DAG FFA LysoPC DAG Ca2+ Transient PKC activation Sustained PKC activation Early responses e.g. Secretion Release reaction Late responses e.g. Proliferation Differentiation

34 pokračování

35 rozdílné chemické povahy
Spolupůsobení „regulátorů růstu“ rozdílné chemické povahy

36 transcription factors
SIGNAL (e.g. cytokines) signal cascade intracellular functions secretion membrane fluidity proteins insertion nuclear receptors transcription factors (NFkB, PPAR, AP-1...) membrane phospholipids mRNA RE PUFAs DNA gene expression ROS eicosanoids lipid peroxidation inhibition (NSAIDs) LOXs P450s COXs n-3 PUFAs membrane phospholipids arachidonic acid dietary n-6 PUFAs (AA, LA) extracellular stimuli (cytokines, hormones, pollutants, irradiation)

37 transcription factors
growth factors hormones According to: A. Sellmayer et al.: Prostaglandins, Leukotrienes and Essential Fatty Acids ; 57: , 1997. receptor PLA 2 + P AA PLA 2 cyclooxygenases lipoxygenases CP450 monooxygenases -ion channel activity - guanylate cyclase - adenylate cyclase - protein kinase C protein kinase A tyrosine kinase MAP kinase G-proteins eicosanoids transcription factors gene expression cell growth

38 Arachidonic acid: metabolic pathways and its possible modulations
MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS INDOMETHACIN DICLOPHENAC MK - 886 NDGA ESC 5-LIPOXYGENASE CYCLOOXYGENASES 12-LIPOXYGENASE P450-MONOOXYGENASES FLAP Arachidonic acid: metabolic pathways and its possible modulations abbreviations: ETYA = 5,8,11,14 -eicosatetraynoic acid ESC = esculetin NDGA = nordihydroguaiaretic acid FLAP = 5-lipoxygenase activating protein 9-HE = 9-hydroxyellipticin HETEs = hydroxyeicosatetraenoic acids HPETEs = hydroperoxyeicosatetraenoic acids EETs = epoxyeicosatrienoic acids SKF525A = proadifen SKF525A, 9-HE ETYA PROSTAGLANDINS THROMBOXANES PROSTACYCLINS 12-HETEs 12-HPETEs LEUKOTRIENES EETs HETEs DIOLS (15-LIPOXYGENASE) Figure 1

39 LIPOXYGENÁZ A CYKLOOXYGENÁZ
PRODUKTY LIPOXYGENÁZ A CYKLOOXYGENÁZ VORE et al., J. Immunol. : 11, , 1989 Esculetin Indomethacin 90 90 70 70 50 50 30 30 10 10 -10 -10 % kontroly % kontroly -30 -30 -50 -50 -70 -70 -90 -90 1 3 10 30 100 0,3 1 3 10 30 koncentrace (mM) koncentrace (mM) Ibuprofen NDGA 90 90 70 70 50 50 30 30 10 10 -10 -10 % kontroly -30 % kontroly -30 -50 -50 -70 -70 -90 -90 1 3 10 30 100 0,3 1 3 10 30 koncentrace (mM) koncentrace (mM)

40 induction of differentiation inhibition of proliferation
effect TGF-b1 + lipoxygenase inhibitors (MK886, esculetin) differentiation agents (TPA, RA, DMSO) TGF-b1 receptor serin - threonin kinase cell membrane arachidonic acid some interactions of TGF-b1 and AA metabolism with other regulatory molecules which should be studied (unknown effects) cytosol lipoxygenases cyclooxygenases P450 prostaglandins thromboxanes leukotrienes EETs HETEs diols ? nucleus p21 ? c-myc c-fos ? ? (G1 cyclins) ? ? induction of differentiation cyclin E cyclin E cdk2 P p27 cdk2 inhibition of proliferation P p27 Rb Rb G1 S DNA synthesis cell cycle turnover well documented unknown

41 ? ? ? MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS ARACHIDONIC ACID 12 - LIPOXYGENASE
12 HPETs 12 HETEs CYCLOOXYGENASES P450 ? ESC 5 - LIPOXYGENASE PROSTAGLANDINS THROMBOXANES PROSTACYCLINS EETs HETEs diols LEUKOTRIENES FLAP MK-886 (15 - LIPOXYGENASE)

42 + - Ovlivnění metabolismu eikosanoidů
I. dodáním exogenní kyselimy arachidonové (AA) II. ovlivněním produkce eikosanoidů s využitím inhibitorů: LPO nebo CO nebo P450 TGF- b1 TGF- b1 TNFa TNFa TGF-b1/ TNFa TGF-b1/ TNFa diferenciace (+) po indukci do: granulocytů nebo monocytů - makrofágů + - Vytvoření souboru dat detekcí proliferace, diferenciace a apoptózy u buněk v definovaných časových intervalech Zhodnocení dat: vymezení významných interakcí pomocí matematické analýzy dat upřesnění modelových exp. podmínek pro detailnější studium mechanismů

43 An example of interactions of two factors (data from Eur. J. Pharmacol
An example of interactions of two factors (data from Eur. J. Pharmacol. 316, , 1996, see Publications.)

44 Nutrient/GF Deprivation ? Heat
Environmental Stress UV light Ionizing Radiation Chemotherapy Xenobiotics O2, TM, Heat Mitogens Growth Factors Hormones Serum MEKK1 MEK1 SEK1 ROS Raf-1 JNK/SAPK NFkB ERK1/2 ras GPL c-Jun, ATF2 DNA damage c-myc PKC Cytokines DNA-PK SPL c-jun, c-fos antioxidants HSP AT c-Abl Ku NFkB p53 MDM2 ROS Caspases PCNA replication GADD45 p21 Apoptosis bax RbE2F Rb-Pi E2F Bcl-2 G1 Arrest S phase Replication c-Abl ? Ceramide Cytokines Fas-ligand TNF-alpha Apoptosis According to: Rizzieri: Drug Resistance Updates; 1: , 1998

45 + - ? % t0 tx time (t) differentiation apoptosis (necrosis)
proliferation t0 tx time (t)

46 potenciál informace informace komunikace komunikace
materiální zázemí, finanční zdroje, atd. materiální zázemí, finanční zdroje, atd.

47 ;;některá OBECNÁ VÝCHODISKA,
DŮLEŽITÁ PRO POSTIŽENÍ CHOVÁNÍ A SMĚROVÁNÍ BUNĚČNÝCH POPULACÍ, Z NICHŽ LZE VYCHÁZET, MOHOU BÝT TATO: Zachování rovnováhy v nejširším slova smyslu mezi produkcí buněk (intenzitou proliferace) a jejich úbytkem (např. smrtí apoptózou) je podmínkou pro zachování homeostázy na tkáňové úrovni. Proto změny v intenzitě proliferace, diferenciace a apoptózy po působení jakýchkoli podnětů, jež mohou tyto procesy ovlivnit, lze chápat jako integrální ukazatele porušení této homeostázy. Vhodný způsob detekce těch změn, které vedou k trvalejšímu porušení rovnováhy mezi produkcí a úbytkem buněk může celkově odrážet nejen poruchy, které jsou základem tzv. proliferativních chorob (nádorových onemocnění), ale být i ukazatelem procesů vedoucích k obnově porušené rovnováhy. - Parametry, jimiž lze postihnout tyto tendence, by proto měly být předmětem zájmu nejen teoreticky orientovaných pracovníků, ale i laboratoří zabývajících se účinky škodlivých látek vnějšího prostředí, šlechtitelských a zejména klinicky orientovaných laboratoří.

48 růstové signály receptory molekuly signálové regulátory transdukce
cykliny CDKs p27 p21 p16 p15 molekuly signálové transdukce regulátory transkripce molekuly zesilovací kaskády

49 Summary of the mechanisms by which specific gene regulatory proteins control gene transcription in procaryots

50 Co by mělo být rozhodováno nejdřív:
Proč chceme studovat, jaký je opravdový zájem? Na základě čeho se rozhodujeme? Kdy začít a proč? Vlastní projekty a aplikace. Kde začít? Jaké máme možnosti uplatnění po skončení studia?