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Qual è il meccanismo molecolare della via di segnalazione della trasduzione dell'odore?

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Ho letto alcuni articoli sul tema della via di segnalazione olfattiva. I seguenti documenti sono elencati come esempi. Tuttavia, ho scoperto che non esiste una chiara rappresentazione del percorso del percorso di segnalazione dell'odore, attraverso il quale dovrebbero essere conosciuti i geni e le regolazioni coinvolti. C'è qualche carta che ho perso?

  • Menzel, R. e P. Benjamin (2013). Apprendimento e memoria degli invertebrati, Academic Press.
  • Leal WS: La ricezione degli odori negli insetti: ruoli dei recettori, proteine ​​leganti ed enzimi degradanti. Annu Rev Entomol 2013, 58:373-391.
  • Kaupp, UB (2010). "Segnalazione olfattiva nei vertebrati e negli insetti: differenze e punti in comune". Nat Rev Neurosci 11(3): 188-200.
  • Vosshall, L. B. e R. F. Stocker (2007). "Architettura molecolare dell'olfatto e del gusto in Drosophila". Annu Rev Neurosci 30: 505-533.

Le informazioni disponibili su questo sono enormi. Spiegherò i punti principali. Generalmente questa segnalazione coinvolgerà quattro componenti vale a dire. recettori, macchinari di trasduzione, processi perirecettori ed elaborazione a valle dell'informazione chemiosensoriale.

Recettori
Il primo passo è ricevere il segnale (qui odorante o prodotti chimici). La figura seguente mostra il confronto tra i neuroni chemocettori primari in vertebrati, insetti e nematodi.

Questi neuroni subiscono costantemente nascita-maturazione-morte e il processo è ben studiato in molti sistemi modello.

Trasduzione del segnale

Dopo che lo stimolo è stato ricevuto, deve essere trasferito all'interno della cellula per un'ulteriore elaborazione. In questo caso, generalmente la trasduzione avviene tramite segnalazione GPCR. Questi neuroni utilizzano due cascate di segnalazione ampiamente utilizzate. La figura seguente mostra i componenti principali di questa segnalazione ( (a): neuroni del recettore olfattivo dei vertebrati (b): neuroni del recettore olfattivo dell'aragosta),

Processi perirecettori

Questi processi sono importanti per l'attivazione e la trasduzione del recettore. Possono essere di qualsiasi tipo, meccanico o biochimico.

Elaborazione a valle

Ci sono enormi informazioni disponibili a livello di percorso. La figura seguente rappresenta i componenti principali in due sistemi modello.

Per trovare i geni, devi cercare in una parte specifica di questo processo (come questo è un buon esempio di geni recettori nell'uomo).

Consiglio vivamente di leggere il capitolo 4 di "The Senses - Comprehensive Reference". Tutte le informazioni di cui sopra è tratto da questo libro. Un altro buon riferimento open source è The Neurobiology of Olfaction, questo riferimento ha tutto ciò di cui hai bisogno gratuito.


Meccanismo di adattamento olfattivo nella cellula recettore olfattiva

L'adattamento agli odoranti inizia a livello delle cellule recettoriali sensoriali 1-5, presumibilmente attraverso la modulazione del loro meccanismo di trasduzione. La trasduzione del segnale olfattivo comporta l'attivazione del secondo sistema messaggero adenilciclasi/AMP ciclico che porta all'apertura sequenziale dei canali cAMP-dipendenti e dei canali ionici cloruro attivati ​​dal Ca 2+ 4-7. Diversi rapporti di risultati ottenuti da in vitro i preparati descrivono i possibili meccanismi molecolari coinvolti nell'adattamento dell'odore, vale a dire la fosforilazione del recettore dell'odore 8,9, l'attivazione della fosfodiesterasi 10 e la regolazione del canale ionico 11-14. Tuttavia, non è ancora noto se questi meccanismi putativi funzionino nella cellula del recettore olfattivo intatto. Qui indaghiamo la natura del meccanismo di adattamento nelle cellule olfattive intatte utilizzando una combinazione di stimolazione dell'odore e fotolisi di cAMP in gabbia 15 che produce risposte attuali che aggirano le prime fasi della trasduzione del segnale (che coinvolgono il recettore, la proteina G e l'adenil ciclasi). Le risposte indotte da odori e cAMP hanno mostrato lo stesso adattamento in modo Ca2+-dipendente, indicando che l'adattamento avviene interamente a valle della ciclasi. Inoltre, mostriamo che l'attività della fosfodiesterasi rimane costante durante l'adattamento e che un cambiamento di affinità del canale cAMP-gated per i ligandi spiega bene i nostri risultati. Concludiamo che il meccanismo principale alla base dell'adattamento dell'odore è in realtà una modulazione del canale cAMP-gated dal feedback di Ca 2+.


Qual è il meccanismo molecolare della via di segnalazione della trasduzione dell'odore? - Biologia

Riepilogo dell'articolo:

Negli occhi dei vertebrati, i raggi di luce entrano attraverso la pupilla e questi raggi di luce sono focalizzati su una raccolta altamente organizzata di neuroni sensibili alla luce noti come retina. La retina è composta da due tipi di neuroni sensibili alla luce che sono discussi di seguito:

(un) Cellule a bastoncello: Queste cellule percepiscono un basso livello di luce ma non possono differenziare i colori.

(B) Cellule coniche: Queste cellule sono meno sensibili alla luce ma possono discriminare i colori.

Struttura di asta e cono

Entrambe le cellule sono neuroni fotosensoriali lunghi, stretti e con due distinti compartimenti cellulari il segmento esterno è costituito da un numero di dischi membranosi contenenti rodopsina, proteina di membrana e il segmento interno è costituito da nucleo e molti mitocondri necessari per la produzione di ATP che viene utilizzato durante trasduzione fotografica. Il segmento interno contiene anche Na+K+ ATPasi che crea potenziale elettrico transmembrana. Questo potenziale di membrana viene ridotto dal flusso di Na+ o Ca2+ attraverso un canale ionico presente nel segmento esterno. Questo canale ionico è controllato da cGMP. Al buio, i bastoncelli sono costituiti da un certo livello di cGMP che mantiene aperto questo canale. Il valore del potenziale di membrana dipende dalla differenza netta tra la concentrazione di Na+ e K+ che è creata da Na+ K+ ATPasi presente nel segmento interno delle cellule e dall'afflusso di Na+ o Ca2+ attraverso i canali ionici del segmento esterno.

Meccanismo molecolare coinvolto nella visione

La trasduzione del segnale inizia quando la luce cade sulla rodopsina. La rodopsina è la proteina integrale di membrana con sette membrane che attraversano α eliche. I seguenti eventi si verificano durante il processo di trasduzione del segnale nella visione.

Passo 1: La rodopsina è composta da un pigmento retinico 11-cis che assorbe la luce e da una proteina attaccata covalentemente nota come opsina. Quando il fotone viene assorbito dalla rodopsina, l'energia del fotone provoca il cambiamento di conformazione della rodopsina convertendo la retina 11-cis in retinica all-trans.

Passo 2: La rodopsina eccitata interagisce con la seconda proteina, la transducina appartiene alle proteine ​​leganti GTP contenenti tre subunità, ovvero Tα,Tβ e Tγ. La trasducina può legarsi sia con GTP che con GDP. Al buio quando non si ottiene alcun segnale, il PIL è legato e tutte e tre le subunità proteiche rimangono legate. Quando la rodopsina è eccitata dal fotone, la rodopsina interagisce con la trasducina catalizzando la sostituzione del PIL legato con GTP dal citosol. La subunità Tα della trasducina si dissocia dalla subunità Tβγ.

Passaggio 3: Il passo successivo nella via di trasduzione del segnale è l'attivazione della fosfodiesterasi cGMP. La fosfodiesterasi è un enzima che converte il cGMP in 5' GMP. L'attivazione di questo enzima si traduce in un abbassamento della concentrazione di cGMP nel segmento esterno. Il livello inferiore di cGMP blocca i canali ionici gated cGMP inibendo il rientro di Na+ e Ca2+ nel segmento esterno delle cellule fotosensoriali causando l'iperpolarizzazione della membrana delle cellule fotosensoriali. Questo provoca il cambiamento il cambiamento nel potenziale di membrana della membrana cellulare. Questo segnale passa alla corteccia visiva del cervello e produce segnali.

Passaggio 4: L'efflusso continuo di Ca2+ attraverso lo scambio Na+ Ca2+ riduce il Ca2+ citosolico. Questa riduzione della concentrazione di Ca2+ attiva la guanilil ciclasi che inibisce l'enzima fosfodiesterasi. L'inibizione di questo enzima causa l'aumento del livello di cGMP porta alla riapertura del catione. In questo modo il potenziale di membrana ritorna al suo potenziale di stimolo.

Passaggio 5: Il cambiamento conformazionale causato dall'assorbimento dei fotoni provoca l'esposizione di diversi residui Thr e Ser. I residui vengono rapidamente fosforilati dalla rodopsina chinasi. Una proteina che si lega al Ca2+ agisce come un inibitore della rodopsina chinasi. La rodopsina fosforilata è legata alla proteina arrestin1. Questa proteina arrestin1 impedisce l'interazione tra rodopsina e transducina. A tempo debito, tutto il trans-retinico di una molecola di rodopsina eccitata viene rimosso e sostituito dal retinale 11-cis.

Amplificazione coinvolta in questa trasduzione del segnale

Ogni molecola di rodopsina eccitata attiva almeno cinquecento molecole di trasducina e ogni molecola di trasducina a sua volta attiva l'enzima fosfodiesterasi. Questo enzima fosfodiesterasi idrolizza quattromiladuecento molecole di cGMP al secondo poiché l'enzima fosfodiesterasi ha un elevato numero di turn over.

L'essere umano non può sintetizzare la retina, quindi la vitamina A nella dieta è essenziale per mantenere il livello di vitamina A. La carenza alimentare di vitamina A provoca cecità notturna. Ricche fonti di vitamina A sono fegato (manzo, maiale, pollo, tacchino, pesce), olio di fegato di merluzzo, carota, foglie di broccoli, patate dolci, burro, cavoli, spinaci, zucca, cavolo, formaggio cheddar, melone cantalupo, uova, albicocche papaya, mango, pisello, broccoli e latte.

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Modi e motivi distinti di trasduzione ONE-GC degli odoranti: uroguanilina e CO(2)

In un sottoinsieme dei neuroni sensoriali olfattivi la membrana ONE-GC($) guanilato ciclasi è un componente centrale di due vie di segnalazione cicliche GMP dipendenti dall'odore. Questi odoranti sono uroguanilina e CO(2). Il presente studio è stato progettato per decifrare le differenze biochimiche e molecolari tra questi due meccanismi di segnalazione olfattiva. Lo studio mostra (1) in contrasto con l'uroguanilina, il meccanismo di trasduzione di CO(2) è Ca(2+)-indipendente. (2) Il sito di trasduzione della CO(2), come quello dell'uroguanilina-neurocalcina delta, risiede nel dominio catalitico centrale, aa 880-1028, di ONE-GC. (3) Il sito, tuttavia, non si sovrappone al dominio di trasduzione del segnale delta della neurocalcina, (908)LSEPIE(913). Infine, (4) questo studio nega il concetto prevalente che la CO(2) segnali in modo univoco l'attività di ONE-GC (Sun et al. [19] Guo et al. [21]). Dimostra che segnala anche l'attivazione della membrana dei fotorecettori guanilato ciclasi ROS-GC1. Questi risultati mostrano un ulteriore nuovo meccanismo di trasduzione delle guanilato ciclasi di membrana e ampliano la nostra comprensione dei meccanismi molecolari mediante i quali diversi odoranti che utilizzano una singola guanilato ciclasi possono regolare diverse vie di segnalazione GMP cicliche.

Copyright 2009 Elsevier Inc. Tutti i diritti riservati.

Cifre

Figura 1. Rappresentazione schematica di ONE-GC e...

Figura 1. Rappresentazione schematica di ONE-GC e dei suoi costrutti di espressione

Le seguenti abbreviazioni indicano il...

Figura 2. Stimolazione indipendente del Ca 2+ di...

Figura 2. Stimolazione indipendente dal Ca 2+ di ONE-GC da parte del bicarbonato (A) e Ca 2+ -dipendente...

Figura 3. Bicarbonato e neurocalcina δ bersaglio...

Figura 3. Il bicarbonato e la neurocalcina prendono di mira diversi siti del dominio catalitico principale di ONE-GC


Dove proiettano i neuroni sensoriali olfattivi i loro assoni?

I potenziali d'azione suscitati dal legame degli odoranti come conseguenza della cascata di trasduzione viaggiano lungo l'assone dei neuroni sensoriali olfattivi dall'epitelio olfattivo e raggiungono il bulbo olfattivo. Gli assoni di tutti i neuroni sensoriali olfattivi che esprimono un particolare recettore olfattivo convergono a due sole unità sinaptiche anatomicamente discrete, chiamate glomeruli, nel bulbo olfattivo. Nei topi ci sono

2.000 glomeruli, e la loro localizzazione è approssimativamente conservata tra gli individui. Pertanto il bulbo olfattivo è organizzato topograficamente, con i singoli glomeruli che rappresentano un unico tipo di recettore olfattivo. La convergenza degli assoni dei neuroni sensoriali olfattivi che esprimono un dato recettore olfattivo è stata dimostrata sperimentalmente alla risoluzione del singolo assone utilizzando topi transgenici in cui l'espressione di un dato gene del recettore olfattivo era legata all'espressione della proteina fluorescente verde. È stato dimostrato che tutti e solo gli assoni dei neuroni che esprimono quel particolare recettore olfattivo stavano convergendo verso i loro glomeruli bersaglio (14, 18).

Ogni tipo di recettore olfattivo sembra anche partecipare al processo che mantiene continuamente il targeting specifico degli assoni dei neuroni sensoriali olfattivi. Infatti, è noto che i neuroni sensoriali olfattivi subiscono un ciclo di degenerazione e rigenerazione ogni poche settimane, e quindi l'organizzazione del sistema olfattivo ha bisogno di essere ricostituita spesso (16).

Oltre all'analisi delle proiezioni degli assoni nel bulbo olfattivo, l'analisi funzionale è stata eseguita in molti laboratori utilizzando una varietà di tecniche di imaging, come l'imaging intrinseco, gli indicatori di calcio, i coloranti sensibili alla tensione e la risonanza magnetica funzionale. Come previsto, l'attività indotta dai singoli odoranti consisteva nell'attivazione combinatoria di diversi glomeruli, simile a quella osservata per i recettori olfattivi. Pertanto, è ormai assodato che l'informazione olfattiva è rappresentata spazialmente nel bulbo olfattivo (1, 6, 7, 15). Studi recenti hanno suggerito che anche gli aspetti temporali delle risposte agli odoranti svolgono un ruolo importante nell'olfatto, sebbene siano necessarie ulteriori indagini per comprendere la correlazione tra aspetti spaziali e temporali.

Nel bulbo olfattivo avviene anche una complessa elaborazione delle informazioni olfattive. Infatti, ogni glomerulo contiene gli assoni di diverse migliaia di neuroni sensoriali olfattivi (ciascuno esprimendo lo stesso recettore olfattivo) e i dendriti di

50 cellule mitraliche e trapuntate, che sono i principali neuroni input-output del bulbo olfattivo. Questi neuroni sono attivati ​​dai neuroni sensoriali olfattivi, ma l'informazione olfattiva viene ulteriormente elaborata dall'attività di interneuroni inibitori, cellule periglomerulari e cellule granulari (10, 17).


Qual è il meccanismo molecolare della via di segnalazione della trasduzione dell'odore? - Biologia

Un ligando lega il suo recettore attraverso una serie di specifici legami deboli non covalenti inserendosi in uno specifico sito di legame o "tasca".
In situazioni in cui anche basse concentrazioni di un ligando provocheranno il legame della maggior parte dei recettori affini, l'affinità del recettore è considerata elevata.
Una bassa affinità per il recettore si verifica quando è richiesta un'alta concentrazione del ligando per l'occupazione della maggior parte dei recettori.
La costante di dissociazione (Kd) è la concentrazione di ligando necessaria per occupare metà dei recettori disponibili totali.
Questa misurazione dell'affinità del recettore è spesso nell'intervallo da 10-4 a 10-9 mM.

Con l'esposizione prolungata a un ligando (e l'occupazione del recettore) le cellule spesso diventano desensibilizzate.
La desensibilizzazione della cellula a un ligando dipende dalla down-regulation del recettore da parte di entrambi
1) rimozione del recettore dalla superficie cellulare (endocitosi mediata dal recettore) o
2) alterazioni del recettore che abbassano l'affinità per il ligando o che lo rendono incapace di avviare i cambiamenti nella funzione cellulare (come la fosforilazione).
La desensibilizzazione può portare alla tolleranza, un fenomeno che si traduce nella perdita di efficacia medicinale di alcuni medicinali che sono sovra prescritti.
Il legame del recettore attiva una sequenza "preprogrammata" di eventi di trasduzione del segnale che fanno uso di processi cellulari precedentemente dormienti.

Proteine ​​G

Le proteine ​​G legate al GTP sono attive, quelle legate al PIL no.
Le due classi di proteine ​​G sono proteine ​​G eterotrimeriche grandi e proteine ​​G monomeriche piccole.
Nelle proteine ​​G eterotrimeriche (G alfa, beta, gamma), quando un messaggero si lega al recettore legato alla proteina G, il recettore cambia conformazione per consentire l'associazione della proteina G trimerica con il recettore.
La subunità G-alfa si lega al nucleotide guanina (GDP o GTP).
Questa interazione fa sì che la subunità G alfa rilasci il GDP, raccolga un GTP e si stacchi dal complesso.
A seconda della proteina G in questione, il complesso GTP-G alfa, il complesso G beta-G gamma o entrambi legano le proteine ​​bersaglio.
Il G alfa rimarrà un messaggero attivante fino a quando il GTP non sarà idrolizzato dalla subunità G alfa (GTP -> PIL +Pi).
Il PIL-G alfa "inattivo" si riassocierà quindi al complesso G-beta:G-gamma per abbassare rapidamente questo percorso quando il segnale di stimolazione originale viene rimosso.

Un gran numero di proteine ​​G fornisce diversità per gli eventi di trasduzione del segnale.
Alcuni legano i canali ionici del calcio o del potassio nei neurotrasmettitori.
Alcuni attivano le chinasi (enzimi che fosforilano).
Alcuni causano il rilascio o la formazione di importanti secondi messaggeri come l'AMP ciclico (cAMP) e gli ioni calcio.

L'AMP ciclico è un secondo messaggero utilizzato da una classe importante di proteine ​​G.
L'AMP ciclico (cAMP) è generato dall'adenilato ciclasi che è incorporato nella membrana plasmatica con l'attività enzimatica nel citoplasma.
L'adenilato ciclasi viene attivata legando una subunità alfa attivata della proteina Gs G (GTP-Gs).
La fosfodiesterasi degrada continuamente il cAMP, quindi in assenza del ligando e della proteina G attiva, i livelli di cAMP sono ridotti.
La proteina chinasi A (PKA), una chinasi dipendente dal cAMP, è il principale bersaglio intracellulare del cAMP.
PKA fosforila un certo numero di proteine ​​che portano il breve tratto chiave di amminoacidi, il sito di fosforilazione PKA (sito PKA PO4).
La PKA trasferisce un fosfato dall'ATP a una serina o treonina nel sito della PKA PO4.
Il cAMP attiva le subunità catalitiche provocando il rilascio delle subunità regolatorie negative.

L'interruzione della segnalazione della proteina G causa diverse malattie umane.
Vibrio cholerae (causa il colera) secerne la tossina del colera che altera il sale e il fluido nell'intestino normalmente controllato dagli ormoni che attivano la Gs G-Protein per aumentare il cAMP.
La tossina del colera modifica enzimaticamente Gs in modo che non sia in grado di convertire GTP in PIL.
I Gs non possono quindi essere inattivati ​​e i livelli di cAMP rimangono elevati, causando la secrezione di sale e acqua da parte delle cellule intestinali.
Alla fine la disidratazione può portare alla morte (colera).

Molte proteine ​​G utilizzano inositolo trifosfato e diacilglicerolo come secondi messaggeri del recettore legato alla proteina G.
La Gp G-Protein viene attivata da un ligando che lega il suo recettore legato alla proteina G per attivare la fosfolipasi C.
Il fosfatidilinositolo-4,5-bisfosfato (PIP2) viene scisso dalla fosfolipasi C in due molecole di inositolo-1,4,5-trifosfato citosolico (InsP3) e diacilglicerolo legato alla membrana (DAG).
Il recettore InsP3, un canale del calcio ligando-dipendente nel reticolo endoplasmatico, si lega a InsP3 e gli ioni calcio vengono rilasciati nel citosol.
Il calcio lega una proteina nota come calmodulina e il complesso Ca-calmodulina attiva una serie di processi.
Il DAG rimane legato alla membrana e attiva la proteina chinasi C (PKC).

Calcio come segnale

Sebbene altre proteine ​​leghino il calcio per controllare l'attività, il più delle volte il legame alla proteina calmodulina, per formare un complesso calcio-calmodulina, è un passaggio intermedio.
Quando sono presenti ioni calcio, due si legano a ciascuna estremità globulare (4 in totale), la regione del braccio elicoidale cambia quindi conformazione (il complesso attivo) e quindi si avvolge intorno al
sito di legame della calmodulina delle proteine ​​bersaglio.
Queste sono spesso protein chinasi e fosfatasi proteiche che variano a seconda della cellula bersaglio (cellule diverse hanno risposte diverse).

La fecondazione delle uova animali rivela un importante esempio di trasduzione del segnale mediata dal calcio dopo un'interazione recettore-ligando.
Inizialmente lo sperma lega la superficie dell'uovo alla membrana ed entro 30 secondi, un'ondata di rilascio di calcio si diffonde dal sito di contatto dello sperma.
Due eventi principali nella fecondazione si basano sul rilascio di calcio.
1) Il calcio stimola la fusione dei granuli corticali con la membrana plasmatica dell'uovo per alterare il rivestimento che circonda l'uovo per aiutare a prevenire il legame di un altro spermatozoo all'uovo (blocco lento alla polispermia).
2) Il calcio avvia l'attivazione dell'uovo, la ripresa dei processi metabolici.

Ossido nitrico come segnale

Recettore tirosina chinasi

Le tirosin chinasi del recettore possono avviare una cascata di trasduzione del segnale della chinasi Ras/MAP
I siti contenenti fosfotirosina legano proteine ​​contenenti SH2 che determinano l'attivazione di Ras, una piccola proteina G monomerica.
Una volta che il recettore del fattore di crescita epidermico (EGFR) è autofosforilato in risposta al ligando EGF, un complesso di GRB2 (contenente il dominio SH2) e Sos (proteina di rilascio del nucleotide guanina: GNRP) si lega al recettore.
Sos viene così attivato per far sì che Ras rilasci GDP che consente a Ras di vincolare un nuovo GTP e diventare attivo.
Una volta attivo, Ras innesca una cascata (la via di Ras) che include le protein chinasi attivate da mitogeni (MAPK).
Nota: un mitogeno è un segnale del fattore di crescita.
I recettori tirosin chinasi attivano una varietà di vie di segnalazione
RTK può attivare una forma di foflipasi C e fosfatidilinositolo-3-chinasi (PI3K).

Fattori di crescita

L'interruzione della segnalazione del fattore di crescita attraverso i recettori tirosin chinasi può avere effetti drammatici sullo sviluppo embrionale.
I fattori di crescita dei fibroblasti (FGF) e i recettori del fattore di crescita dei fibroblasti (FGFR) funzionano sia nella segnalazione embrionale che in quella adulta.
Gli FGFR sono importanti nello sviluppo del mesoderma, il tessuto embrionale che alla fine diventa muscolo, cartilagine, ossa e cellule del sangue.
Un recettore mutante che, a causa della dimerizzazione con versioni normali di FGFR, ha un effetto inibitorio dominante sulla normale attività è una mutazione dominante negativa (dn).
Una versione mutante dn dell'mRNA FGFR iniettato nelle uova di rana causa il fallimento dello sviluppo del tessuto mesodermico e produce girini con teste ma senza corpi.
Nell'uomo, i difetti degli FGFR portano all'acondroplsia (nanismo) e alla displasia tanatofora gravi anomalie ossee ( fatali nell'infanzia).

I recettori della serina/treonina chinasi fosforilano sia i residui di serina che di treonina (non tirosina) e agiscono per trasdurre altri tipi di segnali di fattori di crescita.
Il legame del fattore di crescita trasformante Beta (TGFß) al recettore determina il raggruppamento dei recettori TGFß di tipo I e di tipo II.
I recettori di tipo I sono fosforilati dai recettori di tipo II.
I recettori di tipo I attivati ​​fosforilano specifici SMAD mediati da recettori.
Gli SMAD mediati dai recettori attivati ​​si legano ai co-SMAD ed entrano nel nucleo per interagire con le proteine ​​leganti il ​​DNA per regolare l'espressione genica.

Ormoni

I segnali ormonali possono essere classificati in base alla distanza che percorrono per raggiungere le cellule bersaglio.
Un ormone endocrino viaggia attraverso il sistema circolatorio e un ormone paracrino agisce solo sulle cellule vicine.
Un ormone paracrino è approssimativamente uguale a un fattore di crescita.
I tessuti endocrini secernono direttamente nel flusso sanguigno e i tessuti esocrini nei dotti per il trasporto delle secrezioni ad altre parti del corpo.
Il pancreas ha funzioni sia endocrine (insulina e glucagone) che paracrine (enzimi digestivi).
Una volta nel sistema circolatorio, gli ormoni endocrini alla fine raggiungeranno i loro tessuti bersaglio come cuore e fegato (adrenalina) o fegato e muscoli scheletrici (insulina).
Nel tessuto bersaglio, gli effetti intracellulari, come l'attivazione della via del cAMP, possono controllare una serie di funzioni cellulari.
Un esempio è il legame dell'adrenalina al recettore beta-adrenergico, l'attivazione della PKA per provocare la stimolazione della degradazione del glicogeno.

L'insulina attiva un'ampia gamma di effetti intracellulari mediante la fosforilazione da parte del complesso del recettore dell'insulina del suo substrato IRS.
Questo, a sua volta, porta all'attivazione di 1) la via Ras-MAPK e 2) la via PI3K/akt chinasi che attiva (e inattiva) un certo numero di proteine.

Proprietà chimiche degli ormoni animali
Esistono quattro (4) categorie di ormoni endocrini.
1) derivati ​​degli aminoacidi (epinefrina)
2) peptidi (ormone antidiuretico [vasopressina])
3) proteine ​​(insulina)
4) ormoni simili ai lipidi inclusi gli steroidi (testosterone)
Gli ormoni paracrini comprendono l'istamina (un derivato dell'istina) e le prostaglandine (derivati ​​dell'acido arachidonico).


Meccanismi molecolari di rilevazione olfattiva negli insetti: oltre i recettori

Gli insetti prosperano in diverse nicchie ecologiche in gran parte a causa dei loro sistemi olfattivi altamente sofisticati. Negli ultimi due decenni, uno dei principali obiettivi dello studio dell'olfatto degli insetti è stato il ruolo dei recettori olfattivi nella mediazione delle risposte neuronali alle sostanze chimiche ambientali. In vivo, questi recettori operano in strutture specializzate, chiamate sensilla, che comprendono neuroni e cellule di supporto non neuronali, fluido linfatico extracellulare e una cuticola di forma precisa. Mentre i sensilli sono inerenti al rilevamento degli odori negli insetti, stiamo appena iniziando a capire la loro struttura e funzione. Qui, esaminiamo il lavoro recente che illumina come l'attività neuronale evocata dall'odore è influenzata dalla morfologia sensillare, dalla biochimica del fluido linfatico, dalle molecole di segnalazione accessorie nei neuroni e dalla diafonia fisiologica tra le cellule sensillari. Questi progressi rivelano meccanismi molecolari e cellulari multistrato che determinano la selettività, la sensibilità e la modulazione dinamica delle risposte evocate dagli odori negli insetti.

1. Introduzione

Gli insetti sono una delle classi di eucarioti di maggior successo sulla Terra, costituendo circa la metà di tutte le specie terrestri [1]. Occupano una gamma incredibilmente diversificata di habitat, che comprende foreste tropicali, deserti e gli estremi delle regioni polari. Molte specie esercitano un'importante influenza sulla salute umana attraverso il loro ruolo di vettori di malattie [2], impollinatori delle colture [3] e parassiti agricoli [4]. L'adattabilità ecologica degli insetti si basa, in parte, sui loro sofisticati sistemi olfattivi, che consentono il rilevamento e le risposte a innumerevoli segnali volatili nell'ambiente.

Gli studi sugli aspetti anatomici, fisiologici e comportamentali dell'olfatto degli insetti hanno una lunga storia nel ventesimo secolo, utilizzando diverse specie modello [5]. Negli ultimi due decenni, c'è stata una particolare attenzione all'identificazione e alla caratterizzazione funzionale dei recettori olfattivi [6-8], nonché dei circuiti neuronali in cui sono espressi e dei comportamenti guidati dall'odore che controllano [9,10], in particolare in Drosophila melanogaster. Esistono due classi principali di recettori olfattivi degli insetti: recettori olfattivi (OR) [11,12] e recettori ionotropici (IR) [13]. Gli OR sono una famiglia di canali ionici transmembrana a sette passaggi, mentre gli IR sono proteine ​​transmembrana a tre passaggi lontanamente correlate ai recettori ionotropici sinaptici del glutammato (iGluR) [6-8,14]. La maggior parte dei neuroni sensoriali olfattivi (OSN) esprime due diversi OR o IR: un recettore unico di "sintonizzazione" che riconosce un insieme di ligandi o odoranti e un co-recettore (ORCO per OR e IR8a o IR25a per IR). Non è noto che questi corecettori riconoscano alcun ligandi presenti in natura, ma formano complessi eteromerici con recettori di sintonizzazione per consentire il targeting e la segnalazione delle ciglia sensoriali [15-17].

Sebbene sia gli OR che gli IR siano, in quanto canali ionici dipendenti dall'odore, teoricamente sufficienti a tradurre la presenza di un odore nella depolarizzazione delle membrane cellulari, essi operano all'interno di complesse strutture sensoriali chiamate sensilla (figura 1un) [21]. I sensilli sono evidenti come proiezioni simili a peli sulla superficie esterna degli organi olfattivi degli insetti, delle antenne e dei palpi mascellari. Ciascun sensillum si sovrappone a una combinazione stereotipata di OSN (fino a quattro in D. melanogaster), circondato da varie cellule di supporto non neuronali. I dendriti ciliati degli OSN, dove sono localizzati i recettori olfattivi, sono alloggiati all'interno del fusto poroso del sensillum e sono immersi nel fluido linfatico. Tale organizzazione consente alle membrane sensoriali neuronali di essere nelle immediate vicinanze dell'ambiente odoroso ma protette da danni fisici.

Figura 1. Morfologia sensillare olfattiva degli insetti. (un) Rappresentazione schematica di un sensillum olfattivo (vedi testo per i dettagli). Riquadro: immagini rappresentative al microscopio elettronico delle principali classi morfologiche dei sensilli olfattivi, qui da D. melanogaster antenne (adattato da [18]). (B) Immagine al microscopio elettronico di un sensillum tricoide da B. mori [19]. (C) Immagine al microscopio elettronico di a D. melanogaster sensillum tricoide (at4) preparato utilizzando il metodo CryoChem e ripreso utilizzando in blocco colorazione di metalli pesanti (adattato da [20]).

Qui, esaminiamo le recenti indagini sullo sviluppo, la morfologia, la biochimica e la fisiologia dei sensilli olfattivi, nonché alcuni esempi pertinenti di sensilli chemiosensoriali simili che mediano la percezione del gusto negli insetti [22]. Questi progressi evidenziano che il processo di rilevamento chimico si basa su molto più che sui soli recettori.

2. La morfologia e la biologia cellulare dei sensilli olfattivi

Esistono diversi tipi sensillari (es. basiconico, tricoide e celoconico), che si distinguono per numerose caratteristiche morfologiche: lunghezza, larghezza, spessore della cuticola, numero e dimensione dei pori (attraverso i quali passano le sostanze chimiche) e complessità della ramificazione delle ciglia neuronali (figura 1un) [21]. Gli OSN nelle diverse classi sensoriali sono spesso specializzati per il rilevamento di particolari tipi di odori, ad esempio, i neuroni sensilla tricoide sono necessari per il rilevamento dei feromoni, mentre quelli nei sensilli basiconici rilevano principalmente gli odori derivati ​​dal cibo [9]. Questa relazione funzionale, insieme alla conservazione dei tipi sensillari nella maggior parte degli insetti, suggerisce che queste proprietà morfologiche sono importanti per il loro ruolo nel rilevamento degli odori.

La superficie sensoriale rappresenta il primo punto di contatto tra una molecola olfattiva e l'apparato sensoriale. Pertanto, i primi sforzi hanno cercato descrizioni dettagliate della morfologia dei sensi esterni utilizzando la microscopia elettronica (EM) [21]. Questi studi sono stati recentemente estesi combinando la microscopia a forza atomica (AFM) ad alta risoluzione con la modellazione computazionale del comportamento delle molecole di odore vicino al sensillum [23,24]. EM e AFM hanno rivelato che i sensilla tricoide di tre diverse specie di falena: la spiga del mais (Helicoverpa zea), la falena bella (Utetesia ornatrix) e la falena della seta (Bombyx mori)-sono ricoperti da una serie di pori e creste (figura 1B) [19,23,24]. In B. mori, questi dati morfologici sono stati utilizzati per eseguire simulazioni aerodinamiche sulla superficie sensoriale. Queste analisi hanno suggerito che le creste aiutano a creare piccoli vortici che potrebbero facilitare il rilascio di molecole di feromoni nei pori sensillari [24]. Tali simulazioni possono aiutare a spiegare osservazioni sorprendenti dei primi lavori utilizzando feromoni radiomarcati, che stimavano che circa il 25% delle molecole di feromoni adsorbite sulla superficie sensoriale attivano gli OSN [25], un'efficienza che è maggiore di 50 volte superiore a quella prevista dalla considerazione di solo le dimensioni del flusso d'aria e dei pori [24]. Altri approcci di modellizzazione hanno preso in considerazione l'aerodinamica dell'odore nel contesto di interi organi olfattivi [26], che mostrano una sostanziale diversità morfologica tra le specie [27]. Ad esempio, molte antenne di falena comprendono array di sensilli lungo più rami paralleli di antenne, un'organizzazione che probabilmente massimizzerà il volume d'aria setacciato per rilevare minuscole quantità di feromoni [27].

La formazione della cuticola sensillare dipende dalle cellule di supporto non neuronali, che secernono le macromolecole costituenti, in particolare chitina e componenti proteici [21]. Diverse regioni del capello sono formate da distinti tipi di cellule di supporto, da cui prendono il nome: thecogen (cellula guaina), tricogen (cellula dello stelo) e tormogen (cellula orbitale) [21]. Il modo in cui viene determinata l'architettura della cuticola sensillare precisa è in gran parte sconosciuto, ma lavori recenti in D. melanogaster ha fornito importanti spunti sulla formazione dei pori nella diafisi, almeno nei sensilli basiconici della palpo mascellare. La trasmissione EM ha rivelato che durante lo sviluppo del sensillum basiconico, il tricogeno si allunga dalla superficie esterna dell'epitelio e sviluppa ondulazioni nella sua membrana plasmatica dove viene secreto lo strato dell'involucro della cuticola [28]. Le regioni ultrasottili in questo involucro che si formano tra le sporgenze della membrana plasmatica sono correlate al punto in cui si svilupperanno i pori. Lo screening per i geni espressi specificamente nel tricogeno durante lo sviluppo, combinato con test funzionali basati sull'interferenza dell'RNA (RNAi), ha identificato la proteina transmembrana Osiris 23/Gore-tex (Osi23) come un importante contributo a questo processo in questa classe sensillar [28] . La perdita di Osi23 ha portato alla scomparsa delle ondulazioni della membrana plasmatica, con conseguente formazione di una superficie del sensillum priva di pori di conseguenza, le risposte neuronali agli odori sono drasticamente ridotte [28]. Osi23 si localizza negli endosomi, ma non è noto come influenzi la morfologia della membrana plasmatica. È interessante notare che altri membri della famiglia Osi sono espressi in cellule che secernono la cuticola in altre parti della mosca (ad esempio quelle che rivestono le trachee), suggerendo un ruolo comune per questa famiglia di proteine ​​​​specifiche degli insetti nel modellare le strutture cuticolari [28].

Il secondo punto di contatto chiave per gli odori è sulle membrane delle ciglia dove sono localizzati i recettori olfattivi. Mentre è probabile che la costruzione delle ciglia OSN e il targeting dei recettori in questo compartimento si basino sulla via di trasporto intraflagellare conservata che è centrale per l'assemblaggio di altri tipi di ciglia [29,30], sono emersi ulteriori potenziali regolatori molecolari di questi processi da studi genetici inversi e in avanti in D. melanogaster. Ad esempio, ispirata dall'intima relazione tra la funzione delle ciglia e la segnalazione di Hedgehog nei vertebrati [31], l'analisi degli OSN privi di diversi componenti di questo percorso nelle mosche ha rivelato un contributo alla localizzazione efficiente delle ciglia degli OR e alle robuste risposte evocate dagli odori [32] . Inaspettatamente, la localizzazione del corecettore ORCO è apparentemente insensibile alla perdita della via Hedgehog. Questa osservazione suggerisce che la segnalazione di Hedgehog è necessaria per l'assemblaggio di complessi OR/ORCO e/o che le subunità ORCO da sole possono utilizzare una via di trasporto indipendente verso le ciglia.

Schermi genetici imparziali in D. melanogaster ha rivelato la necessità di un omologo del trasportatore lipidico, ATP8B, nelle risposte evocate dagli odori di diverse classi OSN, comprese quelle che esprimono OR67d, un recettore per il feromone sessuale e di aggregazione 11-cis acetato di vacenile (cVA) [33,34]. ATP8B è espresso e richiesto negli OSN e localizzato nei dendriti ciliati. Il trasportatore appartiene alla famiglia dell'ATPasi di tipo P4, che si pensa capovolga gli aminofosfolipidi (ad es. fosfatidilserina) tra i lembi di membrana. Una prevista versione enzimaticamente inattiva di ATP8B non riesce a salvare il fenotipo mutante, mentre un omologo di mammifero può completare il difetto, suggerendo che la funzione della flippasi lipidica è fondamentale per il suo ruolo negli OSN. Non è chiaro come la composizione dei lipidi influisca sulla segnalazione OR. Un rapporto ha proposto un ruolo nel traffico di OR alle ciglia, sulla base di osservazioni di livelli ridotti di OR67d nelle ciglia di ATP8B animali mutanti [33]. Tuttavia, un altro studio non ha riscontrato alcun difetto nella localizzazione di OR22a dopo il knockout di ATP8B [34]. Questa discrepanza potrebbe riflettere le differenze nell'effetto della funzione ATP8B su OR distinti in diversi tipi sensillari o la difficoltà intrinseca nel quantificare in modo affidabile i livelli di proteine ​​nelle ciglia OSN. È anche possibile che la composizione lipidica influenzi la morfologia delle ciglia e/o la funzione acuta di questi canali ionici, come in altri contesti biologici [35,36].

Un impedimento significativo nel mettere in relazione le caratteristiche ultrastrutturali dei sensilli con i componenti molecolari è la difficoltà nell'uso di metodi standard di etichettatura EM. In altri tessuti, le tecniche che combinano EM ed etichettatura genetica hanno facilitato l'integrazione di informazioni morfologiche e molecolari [37-39]. Ad esempio, un enzima ossidante diaminobenzadina (DAB) può essere espresso in tessuti o organelli specifici, dove la sua posizione viene successivamente visualizzata colorando il DAB ossidato con tetraossido di osmio elettron-denso rilevabile tramite EM (OsO4) [20,40–44]. Tuttavia, la conservazione dell'ultrastruttura tissutale durante OsO4 la colorazione richiede fissazione chimica o criofissazione [45]. Nessuno di questi metodi di fissazione è stato facilmente applicato ai sensilli perché la cuticola è impermeabile ai fissativi chimici e la criofissazione preclude l'etichettatura con enzimi ossidanti DAB, limitandone gravemente l'utilità.

Questa sfida è stata recentemente affrontata con lo sviluppo del metodo "CryoChem", in cui i campioni vengono reidratati dopo criofissazione e congelamento ad alta pressione [20]. Questo trattamento preserva l'ultrastruttura sensillare e crea un ambiente tissutale suscettibile alla funzione di proteine ​​fluorescenti e APEX2 (una proteina di etichettatura DAB), nonché in blocco colorazione di metalli pesanti (figura 1C) [20]. CryoChem è stato utilizzato in D. melanogaster creare ricostruzioni tridimensionali di diversi OSN distinti, geneticamente marcati in diversi sensilli mediante scansione EM seriale di blocchi di faccia [20,46]. Queste osservazioni forniscono utili spunti sulla relazione tra l'anatomia dell'OSN e la fisiologia olfattiva, come discusso di seguito.

Insieme, questi studi sottolineano la ricchezza di dettagli biologici cellulari che resta ancora da scoprire nei sensilla. Anche quando le proteine ​​essenziali per la formazione dei sensilli vengono identificate mediante approcci genetici, il loro meccanismo d'azione può rimanere poco chiaro [28,47,48]. Ulteriori progressi richiedono sia un continuo sviluppo tecnico per visualizzare l'ultrastruttura cuticolare e di membrana dei sensilli sia la caratterizzazione meccanicistica e di sviluppo della funzione proteica sia negli OSN che nelle cellule di supporto.

3. Proteine ​​non recettoriali nelle vie di segnalazione olfattive

I recettori olfattivi sono i mediatori centrali delle risposte neuronali evocate dall'odore, spesso (ma non sempre) sufficienti a conferire la depolarizzazione della membrana evocata dal ligando in tipi cellulari eterologhi. Tuttavia, la segnalazione olfattiva in un contesto nativo dipende dalle interazioni degli odori con numerose altre molecole, nonché dalla regolazione della funzione del recettore (figura 2).

Figura 2. Proteine ​​non recettoriali coinvolte nella segnalazione olfattiva. Schema raffigurante diverse classi di proteine ​​che agiscono con gli OR nella trasduzione del segnale dei feromoni (vedi testo per i dettagli). I percorsi precisi e le interazioni molecolari delle molecole di feromoni all'interno del sensillum rimangono sconosciuti.

Dopo essere entrati nel sensillum, gli odori devono diffondersi attraverso la linfa sensillare, una miscela ionica acquosa ricca di proteine ​​secrete e proteoglicani [49]. La velocità e l'efficienza con cui gli odori sono in grado di spostarsi nel sensillum e attraverso la linfa per raggiungere la membrana OSN dipendono sia dalle proprietà fisico-chimiche degli odori stessi [50,51] sia dalle loro interazioni con le proteine ​​nella linfa. Tra le proteine ​​linfatiche, le proteine ​​leganti l'odore (OBP) sono le più studiate, sebbene la loro funzione rimanga enigmatica [52]. I membri di questa famiglia di piccole proteine ​​secrete sono espressi da cellule di supporto sensillari in tipi sensillari definiti, ma spesso sovrapposti [53]. In vitro, gli OBP possono legare una moltitudine di odori con vari gradi di specificità e subire cambiamenti conformazionali dopo il legame con il ligando [52,54]. Un modello storico per la funzione dell'OBP è che si associano e trasportano ligandi idrofobici attraverso il fluido linfatico all'OSN qui, rilasciano l'odore ai recettori, possibilmente innescato da differenze locali di pH vicino alle membrane delle ciglia o attraverso ipotetiche interazioni di OBP con proteine ​​di membrana delle ciglia [54]. Dati provenienti da studi sui sistemi di segnalazione dei feromoni in entrambi D. melanogaster e falene è generalmente coerente con questo modello, ma il lavoro recente con altri OBP non lo è [52], come discuteremo di seguito.

In D. melanogaster, l'OBP LUSH (noto anche come OBP76a) è necessario per le risposte elettrofisiologiche e comportamentali al feromone cVA [55]. Concentrazioni soprafisiologiche di feromone possono evocare una certa attività neuronale [56], indicando che mentre LUSH può svolgere un ruolo nel fornire cVA al recettore affine (OR67d), non è parte integrante del meccanismo di trasduzione del segnale. Recente in vivo il lavoro sulle falene ha prodotto risultati simili, con knockdown genetico o knockout di OBP che legano i feromoni con conseguente riduzione del 20-60% dell'attività elettrica antennale evocata dai feromoni globali [57-63] e diminuzioni simili nelle risposte comportamentali [57,59,61 ,63]. I fenotipi più modesti osservati nelle falene rispetto a quelli in D. melanogaster può essere dovuto a differenze metodologiche di questi studi, ma potrebbe anche riflettere la ridondanza funzionale tra le OBP di falena co-espresse [57].

In contrasto con gli OBP che interagiscono con feromoni, l'analisi dei membri della famiglia espressi in altri tipi sensillari in D. melanogaster ha rivelato ruoli più sottili, e talvolta inaspettati. La perdita di OBP28a in una classe di sensillum basiconico (ab8) ha determinato un aumento delle risposte fisiologiche agli odoranti [53], suggerendo un ruolo nel controllo dell'attività evocata dagli odori. Tuttavia, OBP28a è espresso in diverse altre classi sensillari (che, a differenza di ab8, esprimono OBP abbondanti aggiuntivi) e le risposte di questi sensilli ad altri odori erano leggermente diminuite in Obp28a mutanti [64]. Alcuni OBP sono funzionalmente ridondanti: la perdita simultanea di OBP83a e OBP83b co-espressi [53] ha portato alla disattivazione ritardata delle risposte neuronali dopo la rimozione dell'odore per un sottoinsieme di OSN. ]. In diversi casi, la funzione OBP è rimasta sfuggente: l'espressione completa e l'analisi mutazionale degli OBP in sei classi di sensilli basiconici hanno rivelato che la perdita simultanea di tutte le proteine ​​all'interno di un dato sensillo ha avuto un impatto nullo o molto limitato sulle risposte degli OSN agli stimoli dell'odore, che abbracciava diverse classi chimiche, un ampio intervallo di concentrazione e varie dinamiche temporali [66]. È possibile che queste proteine ​​funzionino solo in particolari contesti biologici, come è stato suggerito per OBP69a, la cui espressione nei sensilli sensibili ai feromoni è modulata dalle interazioni sociali delle mosche [67].

Insieme, questi risultati indicano che gli OBP hanno ruoli diversi, specifici per l'odore e specifici per neuroni/recettori, sebbene i meccanismi biochimici rimangano in ogni caso poco chiari. Queste proteine ​​potrebbero fungere da dissipatore per alcuni odoranti, abbassando i segnali di fondo impedendo a sostanze chimiche meno pertinenti dal punto di vista ecologico di raggiungere i recettori. In alternativa, potrebbero eliminare i ligandi dopo lo stimolo iniziale per preservare la connessione temporale tra l'incontro con un odore e l'attività neuronale. Potrebbero anche contribuire legando molecole linfatiche endogene: ad esempio, OBP59a è espresso in sensilli apparentemente privi di pori nell'antenna ed è essenziale per i comportamenti igrosensoriali in D. melanogaster, una modalità sensoriale che potrebbe non dipendere dal legame di molecole esterne [68]. Durante il collegamento della capacità degli OBP di legare i ligandi in vitro con le loro funzioni fisiologiche e comportamentali in vivo rimane una sfida sostanziale, l'apprezzamento che potrebbe non esserci una funzione universale per questa famiglia di proteine ​​può aiutare i ricercatori a mantenere una mente aperta nelle esplorazioni future.

Altre proteine ​​solubili nella linfa sensoriale includono proteine ​​chemosensoriali (CSP) [69,70], omologhi Niemann Pick-tipo C2 (NPC2) [71-76] ed enzimi che degradano l'odore (ODE) [77]. I CSP e gli omologhi NPC2 legano una miriade di piccoli composti in vitro [70,71,73,75], ma loro in vivo le funzioni sono quasi del tutto sconosciute. Alcuni contributi potrebbero non essere necessariamente correlati al rilevamento sensoriale: recenti lavori sulla zanzara della malaria (Anopheles gambiae) dimostra che le varianti genetiche del CSP SAP2 arricchito con le gambe conferiscono resistenza agli insetticidi [78]. Queste osservazioni suggeriscono che questo CSP agisce nel sequestro/disintossicazione delle sostanze chimiche ambientali che entrano nel corpo attraverso i sensilli chemiosensoriali su queste appendici.

Si pensa che le ODE degradino le molecole di odore nella linfa sensoriale [77], il che potrebbe ridurre l'attività neuronale di fondo e/o regolare le dinamiche temporali evocate dall'odore. Le prime ODE segnalate erano membri di una famiglia di esterasi antennal-specifiche [77,79]. Il lavoro degli ultimi due decenni ha scoperto altre classi di presunte ODE, inclusi alcuni citocromi P450 legati alla membrana [80-84]. Le ODE più studiate sono D. melanogaster Duplicazione dell'esterasi 6 e dell'esterasi dell'ormone giovanile [85], che si è evoluta da un ortologo ancestrale dell'esterasi dell'ormone giovanile [86]. Questi enzimi non degradano l'ormone giovanile, ma piuttosto scompongono gli esteri volatili [85,87-89]. Sebbene i contributi esatti di queste e altre ODE alle risposte e al comportamento neuronali evocati dall'odore rimangano poco chiari [87-90], la perdita della duplicazione dell'esterasi dell'ormone giovanile sembra causare modeste diminuzioni nelle risposte olfattive e comportamentali agli esteri della frutta [89].

Oltre alle molecole secrete dalle cellule di supporto, le proteine ​​nelle membrane di queste cellule possono contribuire alla segnalazione olfattiva. In D. melanogaster, si pensa che il trasportatore di ammonio Amt sia espresso esclusivamente nelle cellule di supporto di una classe di sensillum celoconico che ospita un neurone sensibile all'ammoniaca [48]. L'analisi genetica ha rivelato che la perdita di Amt porta a risposte notevolmente diminuite alla stimolazione dell'ammoniaca [48]. Il A. gambiae Amt orthologue funziona come trasportatore di ammoniaca in vitro [91], ma non è chiaro esattamente come questa attività possa contribuire alla rilevazione olfattiva in vivo. Un'ipotesi è che l'Amt trasporti l'ammoniaca fuori dalla linfa per abbassare la concentrazione basale di questa sostanza chimica vicino ai dendriti dell'OSN, contribuendo così a minimizzare l'adattamento tonico del neurone sensibile all'ammoniaca [48]. Tuttavia, una recente analisi di A. gambiae Amt l'utilizzo di strumenti transgenici ha indicato che questo gene è espresso sia nelle cellule di supporto che negli OSN [92], sollevando interrogativi sui suoi siti cellulari di azione. Indipendentemente dal meccanismo preciso, l'Amt rappresenta un caso interessante in cui un trasportatore di membrana integrale può influenzare direttamente il rilevamento olfattivo. Molte altre proteine ​​putative di trasporto non caratterizzate sono espresse nell'antenna [48], e sarà interessante determinare se qualcuna di queste abbia ruoli analoghi.

Le proteine ​​non recettoriali nella membrana delle ciglia OSN possono anche svolgere ruoli importanti nella trasduzione olfattiva. La più caratterizzata è la Sensory Neuron Membrane Protein 1 (SNMP1), una proteina transmembrana a due passaggi correlata alla famiglia CD36 dei mammiferi [93]. SNMP1 è stato originariamente caratterizzato nelle falene per la sua espressione e localizzazione ciliare nei neuroni sensibili ai feromoni [94], proprietà che sono ampiamente conservate negli insetti [95-98]. Analisi mutazionale in D. melanogaster hanno dimostrato che SNMP1 è essenziale per le risposte mediate da OR67d a cVA [95,99]. Tuttavia, il requisito per SNMP1, come quello dell'OBP LUSH, può essere aggirato da concentrazioni molto elevate di questo feromone [100], indicando che non è una parte strettamente essenziale del complesso recettoriale. L'importante ruolo di SNMP1 nel rilevamento dei feromoni in D. melanogaster è probabile che si conservi in ​​altri insetti. Ad esempio, RNAi di Snmp1 in B. mori compromette la capacità dei maschi di localizzare e accoppiarsi con le femmine, processi che dipendono fortemente dal rilevamento dei feromoni [98]. Le proteine ​​CD36 dei mammiferi legano/trasportano molecole simili ai lipidi in diversi contesti cellulari e la capacità parziale di un omologo CD36 murino di salvare Snmp1 mutanti in D. melanogaster [97] ha guidato studi meccanicistici della funzione SNMP1. Un modello di omologia di SNMP1, basato sulla struttura cristallina della proteina CD36 LIMP-2, prevede che l'ectodominio SNMP1 abbia una cavità idrofobica [97], che può fungere da condotto per il trasporto di molecole di feromoni idrofobi dalla linfa extracellulare a un complesso OR apposto nella membrana delle ciglia [95,97,101,102]. Anche se il meccanismo deve ancora essere completamente stabilito, il requisito critico per OBP e SNMP1 nella rilevazione di feromoni, ma non altri tipi di odori, può essere correlato alle sfide biochimiche di concentrare ligandi di feromoni generalmente grandi e altamente idrofobici sulla superficie del Membrane OSN.

Le risposte dei neuroni olfattivi possono essere ulteriormente modulate da altre molecole di segnalazione dopo l'attivazione del recettore. Una domanda di vecchia data è come i recettori olfattivi ionotropici degli insetti raggiungano una sensibilità sufficiente senza l'amplificazione del segnale da parte dei secondi messaggeri, che è inerente alla trasduzione del recettore chemiosensoriale metabotropico dei vertebrati [103]. Lavori recenti offrono una soluzione a questo problema fornendo prove che il canale degenerina/epiteliale del sodio Pickpocket 25 (PPK25) amplifica le correnti evocate dal ligando a valle di alcuni recettori olfattivi [104]. In D. melanogaster, il knockout genetico o la sovraespressione di PPK25 diminuisce o aumenta, rispettivamente, la sensibilità fisiologica degli OSN di Or47b [104], una classe di neuroni sensibili ai feromoni coinvolti nel comportamento di corteggiamento [105,106]. Questi effetti dipendono dalla calmodulina, poiché una mutazione di un motivo legante la calmodulina in PPK25 o l'inibizione farmacologica della calmodulina imita la perdita di PPK25 [104]. È interessante notare che questo ruolo di PPK25 può essere osservato anche per gli OSN che esprimono IR84a, che riconosce gli odori derivati ​​dal cibo che promuovono il comportamento di corteggiamento [107], e per una popolazione di neuroni sensoriali gustativi (GSN) che rileva i feromoni non volatili [104]. La rivelazione che questa PPK agisce come un amplificatore di segnale, piuttosto che un recettore sensoriale, in queste diverse classi di neuroni ha un significato potenzialmente ampio: molti membri del D. melanogaster La famiglia PPK è stata implicata in diverse modalità sensoriali, ma non è stato chiaro (con un'eccezione [108,109]) se siano i recettori sensoriali o meno [110-124]. Questi canali possono avere ruoli analoghi al di là dei sistemi sensoriali, ad esempio, PPK11 e PPK16 modulano il voltaggio della membrana presinaptica alla giunzione neuromuscolare per regolare la plasticità omeostatica [125].

Alcune subunità del recettore olfattivo possono anche agire come modulatori dell'attività del recettore, piuttosto che legare i ligandi stessi. Ad esempio, diversi OSN che esprimono IR esprimono, oltre a un recettore di sintonizzazione e un corecettore, una terza proteina recettore, IR76b [13]. Alcune prove indicano che IR76b agisce come un componente critico di un presunto complesso di recettori olfattivi tripartiti [17,126], che è anche concordante con l'ampia espressione e funzione di questa proteina in varie popolazioni GSN [126-132]. Tuttavia, un ruolo distinto per IR76b nel limitare, piuttosto che contribuire, le risposte evocate dal ligando è emerso attraverso l'analisi di una popolazione di GSN che rilevano sia gli zuccheri che l'acido acetico. Qui, la mutazione di IR76b porta ad un aumento delle risposte fisiologiche evocate dal ligando, con un corrispondente miglioramento della sensibilità comportamentale [133]. La funzione di IR76b come smorzatore delle risposte neuronali mostra una certa specificità, poiché la sensibilità di un recettore della capsaicina dei mammiferi che è espresso ectopicamente in questi neuroni sensibili allo zucchero/acido non è influenzata in Ir76b mutanti. Inoltre, l'espressione ectopica di IR76b in altre popolazioni neuronali non riduce la loro reattività fisiologica [133]. Il ruolo modulatorio dipendente dal contesto di IR76b ricorda i recettori dell'anidride carbonica delle zanzare, che comprendono due subunità essenziali per le risposte evocate dal ligando e una terza che può modulare la sensibilità evocata dal ligando [134-136]. La base meccanicistica della modulazione delle subunità del recettore è sconosciuta in ogni caso, ma questi risultati evidenziano l'intricata regolazione che può verificarsi tra le subunità all'interno di complessi eteromerici (presunti) per modellare la conduzione ionica dipendente dal ligando.

4. Proprietà biofisiche e regolazione intercellulare delle risposte dei neuroni sensoriali olfattivi

La segnalazione dell'OSN consiste in due processi fisiologici: primo, gating dipendente dall'odore del canale del recettore olfattivo, flusso ionico e depolarizzazione della membrana ciliare, e secondo, conversione e propagazione di questo segnale iniziale da canali voltaggio-dipendenti sotto forma di potenziali d'azione (o picchi) lungo l'assone OSN [137-139] (figura 3). Il primo di questi processi può essere rilevato come cambiamenti nel potenziale di campo locale (LFP) di un sensillum, che rappresenta i potenziali elettrici transitori nel sensillum generati dagli OSN, nonché i contributi delle attività di trasporto ionico delle cellule di supporto [138,139]. La dinamica LFP riflette le proprietà di trasduzione del segnale che sono determinate dalla natura specifica delle interazioni ligando/recettore dell'odore, mentre la dinamica temporale del picco può essere descritta da un filtro lineare che è stereotipato su diverse classi OSN [138,140].

Figura 3. Processi fisiologici olfattivi periferici. (un) Un disegno idealizzato di una risposta olfattiva sensillare, che illustra i due principali processi fisiologici. (B) Schema di un sensillum raffigurante regioni in cui si verificano queste risposte fisiologiche. Sebbene si pensi che i picchi siano generati negli assoni OSN, possono essere rilevati sperimentalmente nei dendriti nell'albero del sensillum, possibilmente attraverso la retropropagazione.

La maggior parte degli studi fisiologici olfattivi non misurano la LFP e utilizzano la frequenza dei picchi come unico proxy per segnalare l'attività neuronale evocata dall'odore [138,141,142]. Mentre i picchi rappresentano le informazioni che vengono trasmesse al cervello, un apprezzamento completo della fisiologia dell'OSN periferico è fondamentale per comprendere le risposte agli stimoli olfattivi naturali. Gli odori esistono come pennacchi che comprendono sacche d'aria contenenti concentrazioni di sostanze chimiche ad ampio raggio. Gli OSN rispondono a questo modello di stimolo temporalmente complesso in diversi modi, come la desensibilizzazione a stimoli forti o la sensibilizzazione a stimoli deboli ripetuti [137,138,140,143,144]. LFP e la velocità di picco mostrano cinetiche di adattamento molto diverse [138,140] e sembrano adattarsi anche in risposta a diversi aspetti dello stimolo olfattivo. Ad esempio, l'LFP, ma non il tasso di picco, si adatta fortemente in risposta ai cambiamenti nell'intensità media dello stimolo [140]. Al contrario, sia l'LFP che il tasso di picco sono influenzati dalla varianza in uno stimolo olfattivo, sebbene la dinamica di adattamento di ciascun componente differisca [140]. LFP e lo spike neuronale sono, ovviamente, fenomeni intimamente connessi, e mentre la cinetica della frequenza degli spike e dell'LFP sono distinte, le dinamiche dei cambiamenti nell'ampiezza degli spike sono quasi identiche a quelle dell'LFP [145]. Insieme, queste analisi rivelano la sofisticatezza con cui gli OSN codificano diversi aspetti degli stimoli dell'odore e sottolineano che la misurazione della frequenza dei picchi da sola non cattura completamente la reattività dell'OSN e quindi la nostra capacità di capire come nasce l'attività dei neuroni evocati dall'odore.

La base molecolare delle proprietà fisiologiche dinamiche degli OSN rimane poco chiara. La maggior parte delle analisi si è concentrata sulla dissezione della struttura/attività di ORCO, fornendo prove che l'adattamento sensoriale si basa sulla modulazione sia della localizzazione che della sensibilità del recettore. È stato osservato che questo corecettore (e, presumibilmente, il suo partner tuning OR) si è esaurito dalle ciglia in caso di esposizione prolungata all'odore, sebbene questo sia stato misurato solo su una scala temporale di più giorni [146]. Il controllo attività-dipendente della localizzazione di ORCO può fare affidamento sulla calmodulina: l'RNAi della calmodulina o la mutazione di un motivo di legame alla calmodulina previsto nel secondo ciclo intracellulare di ORCO interrompe la sua localizzazione delle ciglia, con conseguenti difetti nell'attività evocata dall'odore [146]. Studi fisiologici hanno fornito ulteriori prove del ruolo della segnalazione del calcio e/o della calmodulina nella sensibilizzazione ORCO-dipendente dei neuroni alla stimolazione ripetuta dell'odore [147] e all'adattamento sensoriale dei neuroni che esprimono OR [148]. Lo stesso ciclo di ORCO contiene anche tre potenziali siti di fosforilazione [144,149,150]. La mutazione di questi siti riduce le proprietà di conduzione di ORCO nelle cellule eterologhe [149] e diminuisce la sensibilità dell'OSN e le risposte comportamentali agli odori in vivo [150]. Inoltre, la mutazione dei siti di fosforilazione di ORCO previene la sensibilizzazione agli odori [143]. Uno di questi siti, S289, è defosforilato in vivo dopo desensibilizzazione OSN [144,151]. Una mutazione ORCO S289A riduce la sensibilità all'OSN in vivo, e un mutante fosfo-mimetico (ORCO S289D ) riduce l'entità della desensibilizzazione dell'OSN dopo l'esposizione all'odore [144]. Questi studi iniziano a svelare la complessità della regolazione del recettore olfattivo che contribuisce alle proprietà di risposta temporale degli OSN, ma rendono anche evidente la sfida di sezionare in modo pulito gli effetti sulla localizzazione e/o l'attività del recettore.

La regolazione molecolare di altri tipi di recettori olfattivi è essenzialmente sconosciuta, sebbene la N-glicosilazione sia stata implicata nel controllo della localizzazione e dell'attività dell'IR [152]. Studi elettrofisiologici indicano che i neuroni Or e Ir hanno proprietà di risposta temporale distinte [148,153], almeno alcune delle quali sembrano dipendere dai recettori stessi [153]. Inoltre, resta da esplorare il contributo acuto delle vie implicate nello sviluppo sensillare, come la segnalazione di Hedgehog o la flippasi lipidica ATP8B (discussa sopra).

Oltre ai meccanismi regolatori autonomi negli OSN, lavori recenti hanno caratterizzato l'interdipendenza dell'attività di diversi OSN all'interno dello stesso sensillum. In molte classi sensillari, l'attività di un OSN è inibita all'attivazione di un neurone vicino [154]. Il blocco della trasmissione sinaptica non impedisce tali interazioni inibitorie tra i due OSN [154], né ci sono prove di giunzioni gap tra gli OSN accoppiati. Queste osservazioni suggeriscono che l'inibizione avviene attraverso l'accoppiamento ephaptic [46,154], un fenomeno in cui l'attività di un neurone altera il campo elettrico locale per compromettere la depolarizzazione di un neurone vicino. A sostegno di questa ipotesi, la registrazione simultanea di due diversi sensilli accoppiati artificialmente da un elettrodo metallico ha dimostrato che la stimolazione continua di un neurone in un sensillo può essere inibita dall'eccitazione nel sensillo adiacente [46]. Inoltre, la combinazione di queste osservazioni con l'analisi EM di tipi di neuroni definiti tramite CryoChem (descritto sopra) ha rivelato che l'effetto inibitorio è più forte quando esercitato da un OSN più grande su un OSN più piccolo [46]. Una spiegazione plausibile per questa relazione asimmetrica è che ci si aspetta che i neuroni più grandi abbiano una minore resistenza all'input e una maggiore superficie dendritica per consentire un LFP massimale più elevato [46], suggerendo un legame precedentemente non apprezzato tra morfologia e fisiologia dell'OSN. Il lavoro futuro determinerà l'impatto di tali interazioni efaptiche sulla codifica degli odori, in particolare di complesse miscele di odori naturali.

Lavora sui GSN nel calabrone (Bombus terrestris) fornisce interessanti spunti aggiuntivi su come, e perché, i neuroni all'interno dello stesso sensillum comunicano [155]. Le registrazioni di un neurone sensibile allo zucchero in sensilla di "tipo A" sull'apparato boccale hanno rivelato un insolito modello di scoppio di picchi dopo stimolazione con alte concentrazioni di saccarosio [155]. La fine dello spike burst coincide con un singolo picco di un secondo neurone in questo sensillum. L'introduzione di un inibitore della giunzione gap nel sensillum ha portato alla continua attivazione del primo neurone evocata dal saccarosio, suggerendo che, in contrasto con l'inibizione ephaptica descritta nei sensilli olfattivi, il secondo neurone termina il treno di impulsi del primo neurone tramite sinapsi elettriche (questi strutture non sono state, tuttavia, visualizzate direttamente). È importante sottolineare che questo modello di esplosione previene la desensibilizzazione neuronale, il che potrebbe spiegare la capacità delle api di sostenere il comportamento alimentare con nettare ad alto contenuto di zucchero [155].

5. Conclusione e prospettive

La scoperta dei recettori olfattivi degli insetti è stata determinante per comprendere come questi animali rilevano gli odori ambientali, oltre a facilitare lo sviluppo di strumenti molecolari per mappare e manipolare i circuiti olfattivi. Tuttavia, i recettori da soli non definiscono la squisita sensibilità, specificità e precisione temporale osservate nell'attività neuronale evocata dall'odore. Abbiamo evidenziato la complessità della trasduzione del segnale periferico nei sensilli olfattivi e la straordinaria ricchezza di biologia che resta da scoprire. È chiaro che molte molecole neuronali, non neuronali e secrete che partecipano a questo processo (o meglio processi) devono ancora essere caratterizzate [156]. Inoltre, la determinazione del in vivo La funzione della maggior parte delle proteine ​​nel definire le proprietà di segnalazione e il modo in cui queste influiscono sulle risposte comportamentali richiederanno innovazioni tecniche per consentire alla loro inibizione acuta di distinguere i ruoli nello sviluppo sensoriale dai contributi diretti alla trasduzione del segnale. Infine, mentre lo studio della trasduzione olfattiva degli insetti è di interesse diffuso nelle neuroscienze sensoriali e nell'ecologia chimica, è probabile che molte delle intuizioni acquisite abbiano un'ampia rilevanza per la comprensione dei processi di comunicazione molecolare e cellulare tra diversi tessuti e specie.


Trasduzione del segnale

In quanto organismi viventi, riceviamo e interpretiamo costantemente segnali dal nostro ambiente. Questi segnali possono presentarsi sotto forma di luce, calore, odori, tatto o suono. Anche le cellule del nostro corpo ricevono costantemente segnali da altre cellule. Questi segnali sono importanti per mantenere le cellule vive e funzionanti, nonché per stimolare eventi importanti come la divisione e la differenziazione cellulare.

I segnali sono spesso sostanze chimiche che possono essere trovate nel fluido extracellulare intorno alle cellule. Queste sostanze chimiche possono provenire da posizioni distanti nel corpo (segnalazione endocrina da parte degli ormoni), da cellule vicine (segnalazione paracrina) o possono anche essere secrete dalla stessa cellula (segnalazione autocrina).

Figura (PageIndex<1>). (CC BY-NC-SA)

Le molecole di segnalazione possono innescare un numero qualsiasi di risposte cellulari, compreso il cambiamento del metabolismo della cellula che riceve il segnale o provocare un cambiamento nell'espressione genica (trascrizione) all'interno del nucleo della cellula o entrambi.

Panoramica della segnalazione cellulare

La segnalazione cellulare può essere suddivisa in 3 fasi.

1. Ricezione: Una cellula rileva una molecola di segnalazione dall'esterno della cellula. Un segnale viene rilevato quando il segnale chimico (noto anche come ligando) si lega a una proteina recettore sulla superficie della cellula o all'interno della cellula.

2. Trasduzione: Quando la molecola di segnalazione si lega al recettore, modifica in qualche modo la proteina del recettore. Questo cambiamento avvia il processo di trasduzione. La trasduzione del segnale è solitamente un percorso di diversi passaggi. Ogni molecola relè nella via di trasduzione del segnale cambia la molecola successiva nella via.

3. Risposta: Infine, il segnale innesca una risposta cellulare specifica.

Figura (PageIndex<2>). (CC BY-NC-SA)

Recettori di membrana funzionano legando la molecola segnale (ligando) e provocando la produzione di un secondo segnale (noto anche come secondo messaggero) che poi provoca una risposta cellulare. Questi tipi di recettori trasmettono informazioni dall'ambiente extracellulare all'interno della cellula cambiando forma o unendosi ad un'altra proteina una volta che uno specifico ligando si lega ad essa. Esempi di recettori di membrana includono recettori accoppiati a proteine ​​G e recettori tirosina chinasi.

Figura (PageIndex<3>). (CC BY-NC-SA)

Recettori intracellulari si trovano all'interno della cellula, nel citopolasmo o nel nucleo della cellula bersaglio (la cellula che riceve il segnale). I messaggeri chimici idrofobici o molto piccoli (ad esempio gli ormoni steroidei) possono attraversare la membrana plasmatica senza assistenza e legarsi a questi recettori intracellulari. Una volta legato e attivato dalla molecola segnale, il recettore attivato può avviare una risposta cellulare, come un cambiamento nell'espressione genica.

Figura (PageIndex<3>). (CC BY-NC-SA)

trasduzione

Poiché i sistemi di segnalazione devono rispondere a piccole concentrazioni di segnali chimici e agire rapidamente, le cellule spesso utilizzano un percorso a più fasi che trasmette il segnale rapidamente, amplificando il segnale a numerose molecole ad ogni passaggio.

Le fasi della via di trasduzione del segnale spesso comportano l'aggiunta o la rimozione di gruppi fosfato che determina l'attivazione delle proteine. Gli enzimi che trasferiscono i gruppi fosfato dall'ATP a una proteina sono chiamati chinasi proteiche. Molte delle molecole relè in una via di trasduzione del segnale sono chinasi proteiche e spesso agiscono su altre chinasi proteiche nella via. Spesso questo crea a cascata di fosforilazione, dove un enzima fosforila un altro, che poi fosforila un'altra proteina, provocando una reazione a catena.

Importanti anche per la cascata di fosforilazione sono un gruppo di proteine ​​note come fosfatasi proteiche. Fosfatasi proteica sono enzimi in grado di rimuovere rapidamente i gruppi fosfato dalle proteine ​​(defosforilazione) e quindi inattivare le protein chinasi. Le fosfatasi proteiche sono l'"interruttore di spegnimento" nella via di trasduzione del segnale. Disattivare la via di trasduzione del segnale quando il segnale non è più presente è importante per garantire che la risposta cellulare sia regolata in modo appropriato. La defosforilazione rende inoltre disponibili le protein chinasi per il riutilizzo e consente alla cellula di rispondere nuovamente quando viene ricevuto un altro segnale.

Le chinasi non sono gli unici strumenti utilizzati dalle cellule nella trasduzione del segnale. Piccole molecole o ioni idrosolubili, non proteiche, chiamate secondi messaggeri (il ligando che lega il recettore è il primo messaggero) può anche trasmettere segnali ricevuti dai recettori sulla superficie cellulare a molecole bersaglio nel citoplasma o nel nucleo. Esempi di secondi messaggeri includono AMP ciclico (cAMP) e ioni calcio.

Figura (PageIndex<4>). (CC BY-NC-SA)

Risposta

La segnalazione cellulare alla fine porta alla regolazione di una o più attività cellulari. La regolazione dell'espressione genica (attivazione o disattivazione della trascrizione di geni specifici) è un risultato comune della segnalazione cellulare. Una via di segnalazione può anche regolare l'attività di una proteina, ad esempio aprendo o chiudendo un canale ionico nella membrana plasmatica o promuovendo un cambiamento nel metabolismo cellulare come catalizzando la scomposizione del glicogeno. Le vie di segnalazione possono anche portare a importanti eventi cellulari come la divisione cellulare o l'apoptosi (morte cellulare programmata).

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Tutorial sulla trasduzione del segnale di Dott.ssa Katherine Harris è concesso in licenza con a Licenza Creative Commons Attribuzione-Non commerciale-Condividi allo stesso modo 3.0 Unported.


A. Trasduzione del segnale mediata dalla proteina G mediante PKA (proteina chinasi A)

Proteine ​​che legano il GTP (Proteine ​​G) trasducono segnali extracellulari inducendo la produzione di secondo messaggero molecole nelle cellule. Quando gli ormoni o altre molecole effettrici (segnale) si legano ai loro recettori di membrana, un cambiamento allosterico sul citoplasmatico Il dominio del recettore aumenta l'affinità del dominio citoplasmatico il recettore per le proteine ​​G sulla superficie interna della membrana plasmatica. Le proteine ​​G sono trimeri costituito da subunità (alpha ), (eta ) e (gamma ), incorporate nella superficie citoplasmatica delle membrane cellulari reattive. La trasduzione del segnale mediata dalla proteina G è illustrata nei sette passaggi mostrati nella pagina successiva.

Il recettore cambia forma quando si lega alla sua molecola segnale effettrice (passi 1, 2). In questa conformazione, il recettore riconosce e si lega al trimero della proteina G sulla superficie citoplasmatica della membrana plasmatica (fase 3). Dopo il legame del trimero al recettore, il GTP sposta il GDP sul (alpha ) subunità della proteina G (fase 4).

Dopo un cambiamento conformazionale, il (alpha ) subunità si dissocia dalle subunità (eta ) e (gamma ) (passaggio 5). In questa illustrazione, la subunità GTP-(alpha ) può ora legarsi a un enzima transmembrana, adenilato ciclasi (passo 6). Infine, il segnale chimico extracellulare iniziale è trasdotto ad una risposta intracellulare che coinvolge molecole di secondi messaggeri (fase 7). In questo caso, il secondo messaggero è campo. Il noto lotta o fuga la risposta all'adrenalina nelle cellule epatiche degli animali superiori è un buon esempio di risposta cellulare mediata dal cAMP. Dopo che l'adrenalina si lega ai suoi recettori, le proteine ​​G si legano a loro volta al lato citoplasmatico del recettore, che quindi si lega all'adenilato ciclasi. Il cAMP si lega e si attiva proteina chinasi A (PKA), avviando il cascata di amplificazione risposta. Alcuni dettagli di una cascata di amplificazione del segnale mediata da proteine ​​G sono dettagliati nell'illustrazione nella pagina successiva.

Dopo l'attivazione dell'adenilato ciclasi (passaggi 1 e 2 nel disegno), il cAMP viene sintetizzato e si lega a due delle quattro subunità di un PKA . inattivo (passo 3). Un cambiamento conformazionale dissocia il tetramero in due subunità inerti legate al cAMP e due PKA . attivo subunità (fase 4). Ogni PKA . attivo enzima catalizza la fosforilazione e l'attivazione di un enzima chiamato fosforilasi chinasi (passo 5).

Nella fase 6, la fosforilasi chinasi catalizza glicogeno fosforilasi fosforilazione. Infine, alla fine del cascata di fosforilazione, l'ora attivo glicogeno fosforilasi catalizza l'idrolisi del glicogeno in glucosio-1-fosfato (passaggio 7). This results in a rapid retrieval free glucose from liver cells into the circulation. Remind yourself of how this works by reviewing the conversion of glucose-1 phosphate (G-1-P) to G-6-P in glycolysis and its fate in gluconeogenesis. Of course, the increase in circulating glucose provides the energy for the fight-or-flight decisione.

In addition to activating enzymes that break down glycogen, cAMP-activated PKA mediates cellular responses to different effectors resulting in a phosphorylation cascade leading to

  • Activation of enzymes catalyzing glycogen synthesis.
  • Attivazione di lipases that hydrolyze fatty acids from triglycerides.
  • Microtubule assembly.
  • Microtubule disassembly.
  • Mitogenic effects (activation of enzymes of replication).
  • Activation of transcription factors increasing/decreasing gene expression.

Of course, when the cellular response is no longer needed by the organism, it must stop producing the signal molecules (hormone or other effector). As their levels drop, effector molecules dissociate from their receptors and the response stops. This is all possible because binding of signals to their receptors is freely reversible! This is animated for G-protein based signal transduction in the link below.


Hao Wu, Ph.D.

The Wu laboratory of “structural immunology” focuses on elucidating the molecular mechanism of signal transduction by immune receptors, especially innate immune receptors.

The Wu laboratory of “structural immunology” focuses on elucidating the molecular mechanism of signal transduction by immune receptors, especially innate immune receptors. The lab began its studies on the signaling of a classical cytokine produced by the innate immune system, tumor necrosis factor (TNF), which induces diverse cellular responses such as NF-κB activation and cell death. Receptors for TNF belong to the large TNF receptor (TNFR) superfamily. The second pursuit of the lab has been the Toll-like receptor (TLR)/interleukin-1 receptor (IL-1R) superfamily, which induces signaling pathways overlapping with those of the TNFR superfamily. TLRs are transmembrane receptors that sense a discrete collection of molecules of microbial origin in the extracellular space and endosomes and members of IL-1R family are receptors for cytokines IL-1 and IL-18. In recent years, the lab expanded its research to a number of cytosolic pattern recognition receptors that provide intracellular surveillance of infections. Some of these receptors form inflammasomes to control activation of caspase-1, which in turn regulates maturation of the proinflammatory cytokines IL-1 and IL-18 and induces pyroptosis, a rapid inflammatory form of cell death.

In addition, the lab initiated an effort to elucidate the molecular mechanism for the generation of antigen receptor diversity in adaptive immunity. For optimal host defense, jawed vertebrates have evolved the elegant V(D)J recombination to generate a large repertoire of antibody and antigen-receptor genes. The RAG recombinase specifically recognizes and cleaves variable (V), diversity (D) and joining (J) non-contiguous immunoglobulin (Ig) segments in the genome, which then become spliced together by the nonhomologous end joining (NHEJ) DNA repair pathway.

The overall objective of the Wu lab has been to determine how macromolecular interactions direct immune responses using the core approaches of structural biology including X-ray crystallography, cryo-electron microscopy, as well as cellular imaging. These structural studies have modified the traditional view of signal transduction as a string of recruitment and allosteric events. As a recurrent theme, the lab’s research revealed that upon ligand stimulation, many innate immune receptors assemble large oligomeric intracellular signaling complexes, or “signalosomes,” to induce the activation of caspases, kinases and ubiquitin ligases, which leads to cell death, cytokine maturation or expression of gene products for immune and inflammatory responses. The different scaffolds identified by these structural studies provide a molecular foundation for understanding the formation of microscopically visible signaling clusters in cells.


Guarda il video: 3 Stereochimica Proprietà Enantiomeri (Dicembre 2022).