12 Vias de Sinalização e Comunicação Celular

Prévia do material em texto

VIAS DE SINALIZAÇÃO E COMUNICAÇÃO CELULAR 
 Importância: permite a comunicação célula-célula por meio de sinais, e com isso, modular seu comportamento conforme as necessidades do organismo.
. Importante para o desenvolvimento de um organismo multicelular e de sua organização complexa.
 Mecanismos gerais da comunicação celular: é realizado por moléculas-sinal extracelular (são também chamadas de fatores) que são reconhecidas por receptores da célula-alvo quando se ligam. Essas moléculas são liberadas pelas células adjacentes ou a distância, e quando se ligam ao receptor da célula-alvo aciona vias intracelulares de sinalização, podendo ativá-las ou inibi-las.
 O destino final das vias de sinalização é modular a função de proteínas efetoras: proteínas reguladoras de genes, canais iônicos, componentes de uma via metabólica ou componentes do citoesqueleto. É desta forma que as vias de sinalização induzem uma mudança comportamental.
I. Princípios gerais da comunicação celular
. Há centenas de tipos diferentes de moléculas-sinal:
 Peptídeos
 Aminoácidos
 Nucleotídeos
 Esteroides
 Gases
 Derivados de ácido graxo
. Fatores que podem modular a resposta celular frente à uma molécula-sinal:
 Depende do modo de liberação do sinal e da natureza da mudança que o sinal induz na célula: alterações em proteínas podem ocorrer rapidamente e mudanças na expressão gênica pode demorar.
 Presença de junções comunicantes: aumentam a rapidez do sinal, pois conectam o citoplasma das células adjacentes, permitindo a troca de pequenas moléculas hidrossolúveis em ambas as direções. 
 Ativação de segundos mensageiros, como cAMP e Ca+2, que propagam o sinal mediante a ação da molécula-sinal, amplificando-o.
 Maquinaria celular, ou seja, um mesmo ligante pode ter efeitos distintos sobre os tipos celulares. Portanto, pode-se haver uma diferença na ativação de proteínas sinalizadoras intracelulares, de proteínas efetoras e genes.
 Número de receptores e de moléculas sinais, podendo estar amplificado quando a concentração destes é aumentada. A amplificação do sinal pode ser o aumento da atividade de uma proteína que regula a expressão gênica, promovendo diferenças no padrão de expressão gênica. Por exemplo, quando há um aumento no gradiente de concentração de um morfógeno durante o desenvolvimento, as células podem seguir caminhos diferentes.
 Velocidade de destruição ou de mudança para a forma inativa das moléculas, determina também o tempo em que uma célula responde na ausência ou presença de uma molécula-sinal. Um exemplo de processos que ativam proteínas é a fosforilação e a ligação de GTP, que ocorre de forma rápida e são continuamente revertidos. 
. Há quatro tipos de transmissão extracelular do sinal: 
 Dependente de contato: a molécula sinal permanece na membrana da célula que a produziu e assim, é necessário um contato célula-célula para que a molécula se ligue ao receptor da célula-alvo, e desencadeie a resposta intracelular. É o tipo menos comum de sinalização.
 Parácrina: os ligantes atuam como mediadores locais, pois afetam células próximas. Em geral afetam a célula sinalizadora e a célula-avo são diferentes. Entretanto, podem ser células da mesma linhagem, realizando secreção autócrina, muito comum em células cancerosas.
 Endócrina: a célula sinalizadora secreta fatores a longo alcance, já que depende da difusão e do fluxo sanguíneo. Desta forma consegue atuar em concentrações baixíssimas e a persistência do sinal é maior.
 Sináptica: também ocorre de longo alcance, mas com transmissão do sinal muito mais rápida e precisa já que os axônios atingem diretamente a célula-alvo, liberando a molécula-sinal (neurotransmissor) na fenda sináptica para outro neurônio. Neste tipo de sinalização, a molécula-sinal pode se acumular localmente e ser degradada rapidamente.
II. Respostas à sinalização 
 Receptores intracelulares: ocorre por meio de uma molécula-sinal hidrofóbica, como os esteróis e também por moléculas pequenas que consigam atravessar a membrana como os gases. Quando chegam ao interior das células, estes regulam diretamente a atividade de uma proteína-alvo. Exemplos:
. Alteração da atividade de uma enzima: o gás NO quando se difunde nas células-alvo, ele se liga à enzima guanilil-ciclase ativando-a para a síntese de cGMP e também modificar proteínas-alvo nitrosilando um resíduo de cisteína desta proteína.
. Ativação de receptores nucleares: hormônios esteroides e tireóideos, retinóis e vitamina D ligam-se ao receptor nuclear e alteram sua capacidade de controle da transcrição gênica. Por serem hidrofóbicas, estas moléculas são transportadas por meio de proteínas transportadoras que se dissociam e entram na célula-alvo. Os receptores intracelulares podem estar no citoplasma ou no núcleo, ligado à subunidades inibidoras e quando o ligante se liga, este se separam, fazendo com que o receptor se ligue à sequência específica do DNA que a molécula-sinal controla. O receptor então pode se ligar a proteínas que controlam a transcrição, ativando-a ou inibindo-as.
III. Receptor de superfície celular e vias de sinalização
. A maioria dos receptores de superfície celular transmite o sinal por meio de pequenas moléculas sinalizadoras e de proteínas sinalizadoras citosólicas.
. Subsequentemente, estas moléculas em resposta à este sinal, ativam segundos mensageiros. Segundos mensageiros podem ser hidrossolúveis encontrados no citoplasma (Ca+² e cAMP) ou lipossolúvel (DAG). Estes segundos mensageiros se ligam à proteínas efetoras ou sinalizadoras no citosol, alterando seu comportamento e sua conformação.
. As proteínas sinalizadoras podem agir da seguinte forma:
 Transmitir a mensagem para a proteína seguinte da via
 Atuar como suporte para outras proteínas: também chamadas de proteínas scaffold, as proteínas sinalizadoras no citosol neste caso formam complexos de sinalização, reunindo proteínas que possam interagir em conjunto. Assim a transmissão e rápida e eficiente, impedindo a comunicação cruzada com outros intermediários de outras vias.
 Transformar (transduzir) o sinal recebido para que possa ser transmitido adiante.
 Amplificar o sinal por meio da produção de amplas quantidades de segundos mensageiros ou acionando múltiplas cópias de uma proteína sinalizadora.
 Integrar sinais, recebendo-o a partir de mais de uma via e sendo ativadas apenas quando recebem múltiplos sinais convergentes.
 Propagar o sinal de uma via para outra, criando ramificações na sinalização.
 Ancorar uma ou mais proteínas para conduzir o sinal para uma determinada estrutura da célula.
 Modular a atividade de outras proteínas sinalizadoras, regulando a intensidade do sinal
1º Receptores de proteína G (GPCRs):
 É a maior família de receptores de superfície e são responsáveis pela mediação da maioria das respostas aos sinais extracelulares. Este receptor é acoplado à proteína G, que está inserida na bicamada lipídica citosólica por GPI. Os GPCRs são receptores com 7 α-hélices que atravessam a membrana plasmática.
 Como as moléculas-sinais variam conforme sua estrutura e função e há diferentes GPCRs pode-se haver resposta diferentes conforme o ligante: um mesmo ligante pode se ligar à diferentes GPCRs e diferentes ligantes podem se ligar ao um mesmo GPCR, produzindo respectivamente diferentes tipos de sinalização. 
 A proteína G é uma molécula trimérica de ligação a GTP e possui três domínios unidos quando inativa: 
. subunidade α: possui atividade GTP-ásica, estando ligada ao GDP quando a proteína é inativa. 
. subunidade βγ: fica complexado à subunidade α.
 Quando uma molécula-sinal se liga ao GPCRs, ela ativa uma proteína G. A ativação de uma proteína G requer a troca de GDP por GTP na subunidade α, fazendo com que está se dissocie da subunidade βγ e exponha o sítio da subunidade α para a interação com proteínas-alvo efetoras ou com outras proteínas de sinalização citosólica.
 Após a transmissão do sinal, o GTP é clivado à GDP voltando à conformação trimérica.
 A atividade da proteína G pode ser regulada por proteínas de ativação de GTPase –GAPs, aumentando sua ativação ou inativando a proteína G por meio de uma proteína reguladora de sinalização da proteína G – RGS. A proteína RGS desacopla a subunidade α da proteína-alvo, finalizando o sinal e dessa forma, a proteína se torna novamente trimérica com a conversão em GDP.
 Os GPCRs podem ser adaptados para a sua inativação. A sua inativação é dependente da ligação das cinases dos GPCRs – PKA, PKC ou GRKs para a fosforilação do receptor. Em seguida, é necessária a proteína arrestina β-1 ou ARRB1. Esta proteína impede a interação do GPCR com a proteína G, se ligando ao GPCR fosforilado.
 As principais vias ativadas por proteína G são:
- Ativação ou inibição de cAMP: 
. Uma proteína G estimuladora (Gs) quando ativada, ela ativa uma enzima adenilato ciclase, que converte ATP em cAMP. Se uma proteína G inibidora (Gi) for ativada, ocorre a degradação de cAMP, por meio de sua hidrólise mediada por fosfodiesterases.
. O principal modo de o cAMP agir quando ativado por uma proteína Gs nas células é a ativação de proteína-cinase dependente de cAMP – PKA. A PKA possui subunidades reguladoras e subunidades catalíticas. O cAMP se liga às subunidades reguladoras causa a dissociação do complexo subunidade reguladora-catalítica encaminhando-a para o núcleo, ativando a subunidade catalítica já dissociada. É por meio destes mecanismos que o cAMP consegue modular a transmissão de sinais de curta duração como a modificação de proteínas-alvo ou até mesmo mediar processos mais demorados como o controle da transcrição gênica.
. PKA para controlar a transcrição de um gene, fosforila uma proteína chamada CREB que recruta uma outra proteína CBP, que é um co-ativador que se liga à uma região-alvo de um gene para regular a transcrição. Esta via controla muitos processos de síntese de hormônios.
- Ativação de fosfatidilinostiol: 
. A fosfolipase C ou PLC é uma enzima de membrana que atua sobre um fosfolipídeos chamado de PIP2. Esta enzima é ativada por uma proteína Gq (ativadora de PLC).
. A clivagem de PIP2 gera dois produtos: inositol tri-fosfato (IP3) pela liberação da cabeça polar e diacilglicerol (DAG) pela liberação da cauda de ácido graxo, que ambos atuam como segundos mensageiros.
. O IP3 é hidrossolúvel e atua pela ligação aos receptores de IP3 situado no RE que abrem canais de Ca+² para seu influxo para o citosol. O Ca+ funciona neste caso, como um terceiro mensageiro, desencadeando outras respostas intracelulares, como exocitose em neurônios e células endócrinas, contração muscular e rearranjos do citoesqueleto.
. O DAG é lipossolúvel e possui duas funções: ser clivado e liberar ácido aracdônico que pode ser usado como segundos mensageiros ou servir para a produção de prostaglandinas, durante respostas inflamatórias e à dor; ativar PKC proteína-cinase dependente de Ca+². A ligação do Ca+² em sua região reguladora dissocia a região catalítica que fosforila diversas proteínas.
2º Receptores de superfície associados a enzimas: receptores tiroina-cinases
 Os RTKs mais abundantes são os receptores Eph, que tem como ligante as proteínas-sinal transmembrana chamadas efrinas. A sinalização por meio do Eph é bidirecional, pois tanta as eferinas como Eph podem atuar como receptores/ligantes, transmitindo o sinal em ambas as células.
 Quando uma molécula-sinal se liga ao RTK, ela induz a dimerização do receptor, aproximando os domínios cinase de cada α-hélice. Essa proximidade entre os dois domínios do receptor ativa sua atividade cinásica: fosforilação das tirosinas dos receptores.
 Tal atividade cinásica (fosforilação dos resíduos de tirosina) permitem a criação de sítios de ancoragem para proteínas da via de sinalização:
- Proteínas Ras: são proteínas membro da família das GTPases monoméricas. Membros dessas famílias são importantíssimos, já que conseguem propagar de forma coordenada o sinal para diversas vias por meio de outras proteínas sinalizadoras.
. Para que Ras se acople ao receptor de RTK, é necessária uma proteína adaptadora Grb2 e Sos (também chamada de Ras-GEF). Essas proteínas adaptadoras se ligam aos resíduos de tirosina fosforilados para receber a Ras e ela se ligar á estas proteínas.
. Quando Ras se liga à estas proteínas acessórias, ela troca uma molécula de GDP por uma molécula de GTP. Assim, as proteínas Ras recrutam 3 complexos de cinases conhecidas como MAP-cinase: Raf, Mek e Erk. Com a ligação de Raf nos domínios de Ras acontece, ocorre a ativação de Mek fosforilando-a e recrutando Erk também fosforilando-a.
. Erk então se encaminham para o núcleo, e fosforilam componentes reguladores da transcrição de genes precoces. São assim chamados pois são rapidamente ativados após a ligação da molécula-sinal. Estes genes irão ativar outros genes, como ocorre com o gene das ciclinas G, necessárias à proliferação celular.
. O efeito de uma MAP-cinase varia de acordo com o tempo de ativação da via. Logo, dependendo do tipo de ligante a via pode permanecer ativa.
- Rho: os membros dessa família são responsáveis por regular o citoesqueleto de actina e os microtúbulos, regulando a forma, polaridade, motilidade, adesão da célula, migração celular e crescimento de axônios; e também regulam a progressão do ciclo celular, o transporte por membrana e a transcrição gênica.
- PI 3-cinase: é uma enzima que fosforila fosfoinosídeos, possui função central na promoção de sobrevivência celular e no crescimento. O mais importante fosfoinosídeo que ela fosforila é o PIP3, que serve como sítio de ancoragem para várias proteínas sinalizadoras, podendo formar complexos de sinalização. 
. Uma proteína importante ativada por meio do complexo de PI 3-cinase é a Akt (também chamada PKB), que estimula o crescimento da célula e inibe a apoptose, sendo a principal via estimulada pela insulina e pelo IGF1.
. Outra proteína, mTOR, que existe em dois complexos distintos: mTORC1, que estimula o crescimento celular pois incita a produção de ribossomos, a síntese proteica, a inibição da degradação de proteínas, o metabolismo e a captação de nutrientes; e o mTORC2, que atua na ativação de Akt e na regulação do citoesqueleto de actina. As vias estão esquematizadas abaixo.
. O prolongamento da sinalização, entretanto, pode causar câncer, como no caso em que fosfatase PTEN, que inibe a via, está mutada e é incapaz de controlar a sinalização pela PI 3-cinase, causando crescimento descontrolado. 
3º Receptores associados a tirosina-cinases
 Esses receptores agem por meio de tirosina-cinases citoplasmáticas, pertecendo a essa categoria os receptores de antígenos e interleucinas de linfócitos, receptores de citocinas e hormônios, e também integrinas, principal família de receptores para a célula se ligar à matriz extracelular.
 Os receptores de integrinas quando recebem o sinal estimulam a formação de adesões focais, formadas por proteínas FAKs (uma cinase de adesão focal) e Src, que fosforilam uma a outra e a outras proteínas que se agrupam na junção. Com isso, a via sinaliza então para a célula que ele está aderida a um substrato adequado para sua sobrevivência e multiplicação.
 Os receptores de citocinas ativam a via de sinalização JAK-STAT promovendo um caminho rápido para o núcleo. 
. A ligação de citocina provoca a união de receptores adjacentes, e as JAKs fosforilam suas tirosinas.
. As Jaks ativadas fosforilam as tirosinas dos receptores e as STATs ancoram-se nas tirosinas fosforiladas. Assim, as STATs se dimerizam e se translocam para o núcleo, ligam-se ao DNA e a outras proteínas reguladoras, ativando a transcrição gênica.
 A ação das JAKs e STATs são reguladas por tirosinas-fosfatases que removem os fosfatos adicionados aos resíduos de tirosina, ou seja, desfosforilam.
4º Receptores serinatreonina-cinases:
 Os principais ligantes desses receptores são TGFβ (superfamília fator de crescimento e de transformação β), que atuam como hormônios ou mediadores locais. Esses ligantes sinalizam para regulação do padrão de formação e comportamentos celulares, como proliferação e diferenciação, sendo classificadores morfogênicos.
 Existemduas classes de receptores serinatreonina-cinases, tipo I e tipo II, sendo que o receptor tipo II fosforila o tipo I após terem recebido o sinal.
. Quando ativado por meio de TGFβ, o complexo receptor envia rapidamente o sinal para o núcleo pela ligação de uma proteína reguladora gênica latente da família Smad e a fosforila. Uma vez que uma dessas Smads ativadas por receptor tenha sido fosforilada, ela se dissocia do receptor e se liga à outras Smads formando um complexo, chamado de R-Smad.
. Esse complexo se desloca para o núcleo, onde se associa a outras proteínas reguladoras gênicas e regula a transcrição de genes-alvo específicos.
 Os receptores de TGFβ ativados e seus ligantes são internalizados por endocitose, por duas vias distintas:
. Uma promove mais ativação, em que atua em uma proteína chamada SARA, uma âncora de Smad para ativação do receptor, que se liga aos receptores TGFβ e as Smads, aumentando a eficiência da atividade cinásica do receptor.
. Inativação, que conduz a ubiquitinação e degradação do receptor nos proteassomos.
5º Vias dependentes de proteólise:
. Estas vias utilizam proteólise regulada para controlar proteínas reguladoras gênicas latentes que se ligam à genes-alvos específicos quando ativos. Assim, por ativar essas proteínas, a via é mais direta para o controle da expressão gênica, atuando então, sobre decisões dos destinos celulares.
. Assim, estas vias são importantes para o desenvolvimento embrionário, controlando a sobrevivência, o crescimento, a proliferação, a adesão, a especificação a diferenciação e a migração celular.
- Via de Notch ou Delta:
 Atua na diferenciação e renovação de uma célula/tecido durante o seu desenvolvimento e renovação.
 O receptor de Notch necessita de processamento proteolítico para que possa funcionar, de modo que a ativação dele é irreversível e a proteína não pode ser utilizada outra vez. Uma vez ativado, a parte intracelular atua como uma proteína reguladora gênica latente, sendo que os genes ativados variam de acordo com o tecido e as circunstâncias.
 Quando a via de Notch é ativada pela ligação de Delta de outra célula, a cauda citoplasmática de Notch é hidrolisada por uma protease ligada à membrana (γ-secretase). A cauda citoplasmática de Notch é translocada para o núcleo, onde ativa a transcrição de um grupo de genes que respondem a Notch.
 A cauda citoplasmática de Notch age sobre uma proteína repressora da atividade transcricional de um gene, convertendo-a em uma proteína ativadora da transcrição deste gene.
 Tanto Notch quanto Delta são glicoproteínas e a interação entre eles varia de acordo com a glicosilação do receptor.
Delta é uma proteína-sinal transmembrana de passagem única, que medeia sianalização por contato, processo conhecido como inibição latente: estimula a diferenciação de uma célula para um tipo em específico e as células vizinhas são sinalizadas para se comprometerem de outra forma, não se diferenciando para o mesmo tipo.
 É desta forma que a sinalização entre células vizinhas via Notch ou Delta regula a escolha do destino em muitos tecidos. Assim, controlam a formação de misturas de tipos celulares diferenciados dentro de um tecido.
- Via de Wnt/β-catenina:
 Os ligantes Wnt atuam como mediadores locais e morfógenos no controle de múltiplos aspectos do desenvolvimento celular, iniciando sempre pela ativação de receptores Frizzled, o que recruta a proteína de suporte Dishevelled.
 As moléculas de Wnt ativam três tipos de vias de sinalização intracelular:
. a via Wnt/β-catenina, a via canônica, centrada na proteína reguladora gênica latente, a β-catenina.
. a via de polaridade planar que coordena a polarização de células de um epitélio em desenvolvimento.
. a via Wnt/Ca+² estimula o aumento de Ca+².
 As três vias se iniciam com a ligação das Wnts aos receptores de superfície celular da família Frizzled. O receptor Frizzled é um receptor transmembrana de sete passos. 
 Via inativa: não há ligação de Wnt no receptor, as proteínas Axina, GSK3 e CK1 são responsáveis por fosforilar a β-catenina citoplasmática para a sua degradação no proteassoma, e com isso, não há seu acúmulo para o núcleo.
 Via ativa: quando ativados pela ligação de Wnt, as proteínas Frizzled recrutam a proteína de suporte Dishevelled, que é necessária para a transmissão do sinal para todas a três vias. A proteína Dishevelled é recrutada pela proteína LRP, para que desestabilize a ligação da Axina com outros complexos proteicos de degradação – GSK-3 e CK-1. Isso impede que a β-catenina seja fosforilada e como consequência, se acumula no citoplasma e é translocada para o núcleo para a ativação da transcrição de genes.
 Entre os genes ativados pela β-catenina está c-Myc, que codifica a proteína c-Myc que é um potente estimulador de crescimento e da proliferação celular.
- Vias ativadas por Hedgehog:
 Tanto as moléculas de Wnt como de Hedgehog são moléculas-sinal secretadas que atuam como mediadores locais e morfógenos em muitos tecidos em desenvolvimento. Elas também desencadeiam uma mudança de repressão transcricional para ativação, e a sinalização excessiva ao longo de ambas as vias nas células adultas pode levar ao câncer.
 A sua forma ativa está ligada à molécula de colesterol covalentemente.
 As proteínas Hedgehog pode ser ligar à três proteínas transmembrana receptoras: Patched, Smoothened e iHog.
 Patched é uma proteína transmembrana que atravessa a membrana 12 vezes a membrana, onde a proteína Hedgehog se liga.
 As proteínas iHog também estão na superfície e podem atuar como co-receptores com Patched.
 A Smoothened é uma proteína transmembrana de sete passos. Na ausência de um sinal por Hedghog, a Patched mantém Smoothened sequestrada nas vesículas intracelulares e inativa.
 Ci é encaminhada para a ubiquitinação mas não é totalmente degradada e sendo processada em uma estrutura protéica menor. Daí se encaminha para o núcleo reprimindo a transcrição de genes que Hedgehog ativaria.
. Ativação da via de Sonic Hedgehog:
 Essa inibição é removida quando uma Hedgehog se liga ao Patched e uma iHog, induzindo a endocitose e a degradação de Patched.
 Come resultado, Smoothened é fosforilada e translocada para a superfície, recrutando Ci intacta sem sofrer proteólise.
 A proteína Ci intacta é translocada para o núcleo e ativa a transcrição de genes alvos de Sonic Hedgehog. A sinalização por Hedgehog promove proliferação celular.
- Vias dependentes de NFkB:
 As proteínas NFkB são proteínas reguladoras gênicas latentes presentes na maioria das células animais e estão envolvidas na maioria das respostas imunes.
 No entanto, quando excessivas ou inapropriadas, essas respostas podem danificar tecidos e causar inflamação crônica, que pode levar ao câncer.
 Os receptores tipo Toll, TNF e IL-1 ativam a via de sinalização da NFkB.
 Quando ativados, desencadeiam uma ubiquitinação multiprotéica e uma cascata de fosforilação que libera a NFkB que se translocam para o núcleo, onde ativam centenas de genes que participam nas respostas imunes inflamatórias e inatas.