Chapter 28

1. Chapter 28 Signal Transduction

2. 28.1. Introduction • <Key Concepts> • PM은 세포를 주변의 환경과 갈라놓는다. • (1) steroid hormone과 같은 small lipid-soluble molecules들은 permeable하기 때문에, PM을 통과하여 세포질로 쉽게 diffuse된다. (2) 하지만, ions, small inorganic molecules와 protein들과 같은 water-soluble material들은 impermeable하다. • 2. 이러한 hydrophilic한 extracellular molecule ('ligand')은 PM에 embedded된 단백질 ('receptor')의 extracellular domain에 특이적으로 붙는다. • 3. PM을 통과할 수 없는 external stimulatory molecule의 두 가지는 그림 28.1과 같이 정보를 전달한다.

3. Figure 28.1Overview: information may be transmitted from the exterior to the interior of the cell by movement of a ligand or by signal transduction. (1) Material: lipid bilayer에 있는 proteinaceous channel를 통하여 물리적으로 안쪽으로 이동되어지는 분자나 거대분자들. (2) Signal: membrane protein의 속성을 변화시켜서 그 단백질의 cytosolic domain을 활성화시킴.

4. Figure 28.2 Ion channels, receptor-mediated ligand transport, and receptor internalization can transfer material into the cell. PM 단백질에 의해서 조절되는 세 가지 주요 transport routes . (1) ion들의 이동을 조절하는 channels (2) sugar 같은 small molecule들의 도입에 관여하는 transporters (3) endocytosis 과정에 의해서 receptor-ligand를 들여오는 internalization

5. Figure 28.3 A signal transduction pathway carries a signal from the cell surface into the cytoplasm and (sometimes) into the nucleus. 일반적으로, receptor는 dimer가 형성되면서 activate된다. Active한 receptor의 cytosolic domain에  특정 단백질이 붙게 되면, (1) second messenger를 생성하거나, (2) 다른 단백질을 활성화 시키는 역할을 하는 monomeric GTP-binding protein들을 활성화시킨다. Signal은 effector를 활성화시키는데, 이들 effector들은 cytosol에서 작용하기도 하고 핵 내의 TF 활성화에 관여 하기도 한다.

6. Figure 28.4 A signal may be transduced by activating the kinase activity of the cytoplasmic domain of a transmembrane receptor or by dissociating a G protein into subunits that act on target proteins in the membrane. Signal transduction에 의 가장 주요한 두 가지 type: (1) Receptor의 cytosolic domain이 protein kinase activity를 가지는 경우. Ligand가 붙으면 autophosphorylation된다. 가장 일반적인 kinase receptor는 tyrosine kinase와 serine/threonine kinase receptor이다. (2) receptor가 trimeric G protein과 interaction하는 경우.

7. 28.2. Carriers and channels form water soluble paths through the membrane • <Key Concepts> • PM을 가로 지르는 electric gradient (안쪽이 더 negative)는 cation (양이온)이 들어오는 것을 더 선호한다. • 농도 경사는 이온, 즉 세포내부의 낮은 Na+, Cl-와 높은 K+, 에 좌우된다. • 전체적인 electrochemical gradient가 어떤 ion에 favorable하다면, 그 이온은 수동적으로 들어갈 수 있다. 그렇지 않으면, 농도경사를 거슬러 active transport되어야 한다. • PM을 가로 질러 용질을 이동시키는 carrier protein은 uniporter (one solute), symporter (two solutes), antiporter (two solutes in opposite directions) 일 수 있다. • Ion channel은 막 내부의 water-soluble pore이다. 이들은 voltage나 ligand에 의해서 조절된다.

8. 세포질의 이온 환경은 extracellular의 이온환경과는 아주 다르다. 또한 세포질 내에서도 다른 소기관들은 각각 다른 ionic environment를 나타낸다. (예, endosome과 lysosome의 acidic pH, ER의 Ca2+저장 등) • 세포질에는 anions (-)(~ 10 mM) 보다는 cations (+)(~ 150 mM)가 더 많이 존재한다 [세포 구성물질이 (-) charge를 띄는 것이 한 가지 이유] • Na+와 Cl-의 세포 내 농도 (~ 10 mM)는 바깥 (> 100 mM)보다 낮다. 하지만 K+는 반대이다 (’concentration gradient’) • PM은 전기적으로 charge되어 있다 (내외부의 phospholipid 구성의 차이 때문). 바깥에 비하여 안쪽이 negative한 ‘electrical gradient’가 존재하고 따라서 cation이 들어오는 것을 선호한다. • Concentration gradient와 electrical gradient를 합쳐서 electrochemical gradient라 하며, 각 용질에 대한 특성으로 풀이될 수 있다. 어떤 용질에 대하여 gradient가 우호적이면, passive transport가 가능하나 그렇지 않으면 active transport가 필요하다.

9. Figure 28.5 A carrier (porter) transports a solute into the cell by a conformational change that brings the solute-binding site from the exterior to the interior, while an ion channel is controlled by the opening of a gate. PM을 통한 이온의 이동은 transmembrane protein에 의한다: (1) carrier protein (conformational change) (uniporter, symporter, antiporter), (2) ion channel (water-soluble pore in the membrane) (ligand-gated, voltage-gated, second messenger-gated channels)

10. Figure 28.6 A channel may be created by amphipathic helices, which present their hydrophobic faces to the lipid bilayer, while juxtaposing their charged faces away from the bilayer. In this example, the channel is lined with positive charges, which would encourage the passage of anions. Amphipathic helix가 channel을 형성할 때, hydrophobic 부분이 lipid bilayer쪽으로, charge된 부분이 안쪽으로 있어서, anion들의 passage를 쉽게 한다.

11. 28.3. Ion channels are selective • <Key Concepts> • 전형적인 channel은 몇 개의 protein subunit으로 구성되어, 대칭 축의 water-soluble pore를 형성한다. • Selectivity는 pore의 속성에 의해서 결정된다. • Gate는 ‘ball and chain’과 같은 mechanism에 의해서 작동된다.

12. Figure 28.7 A potassium channel has a pore consisting of unusual transmembrane regions, with a gate whose mechanism of action resembles a ball and chain.

13. Figure 28.8 The pore of a potassium channel consists of three regions.

14. Figure 28.9 A model of the potassium channel pore shows electrostatic charge (blue = positive, white = neutral, red = negative) and hydrophobicity (= yellow).

15. 28.4. Neurotransmitters control channel activity • <Key Concepts> • Neurotransmitter-gated receptor는 acetylcholine, glycine, GABA (g-aminobutyric acid)와 같은 neurotransmitter들에 의해서 조절된다. • Nicotinic acetylcholine receptor는 5-subunit ion channel로서 여러 가지 cation들을 허용하지만, 세포가 Na+를 uptake하는 것은 조절한다.

16. Figure 28.10 The acetylcholine receptor consists of a ring of 5 subunits, protruding into the extracellular space, and narrowing to form an ion channel through the membrane. 이 receptor (AchR)는 a2bdg구조의 pentamer이다. Ligand binding은 a subunit에서 일어나며 gate를 open하기 위해서는 acetylcholine이 각각의 a subunit에 붙어야 한다.

17. 28.5. G proteins may activate or inhibit target proteins • <Key Concepts> • Serpentine (뱀 모양으로 굽어진 형태의) membrane receptor에 ligand가 붙으면 G protein을 activate시킨다. • G protein은 trimer로서, inactive state에는 GDP에 bound되어 있다. • Active한 receptor는 G-protein에 붙어 있는 GDP를 GTP로 replace시킨다.

18. G protein은 signal들을 다양한 receptor들로부터 다양한 target으로 전달한다. • (1) Receptor: a resident membrane protein that is activated by an extracellular signal. • (2) G protein: converted into active form when an interaction with the activated receptor causes its bound GDP to be replaced with GTP. • (3) Effector: the target protein that is activated (or – less often – inhibited) by the G protein; sometimes it is another membrane-associated protein. • (4) Second messengers: small molecules that are released as the result of activation of certain types of effectors • - Receptor는 G-protein의 upstream, effector는 downstream이라고 할 수 있다.

19. Figure 28.11 Classes of G proteins are distinguished by their effectors and are activated by a variety of transmembrane receptors. 이중에서 가장 classic한 것은 Gs와 Gt이다.

20. 28.6. G proteins function by dissociation of the trimer • <Key Concepts> • GDP가 GTP로 replace되었을 때, trimeric G protein은 a-GTP subunit과 bg dimer로 나누어진다. • 다음 component (the effector)를 activate시키는 것은 주로a subunit이다. • 아주 드물게, bg가 effector를 activate시키기도 한다.

21. Figure 28.12 Activation of Gs causes the a subunit to activate adenylate cyclase. Activated receptor는 GDP를 GTP로 바꾸게 하여, G protein이 free a-GTP subunit과 free한 bg dimer로 dissociate시킨다.

22. 28.7. Protein kinases are important players in signal transduction • <Key Concepts> • Protein kinase는 target 단백질의 Ser/Thr 혹은 Tyr을 인산화시키는 group으로 각각 나뉜다. • Receptor protein kinase들은 주로 protein tyrosine kinase들이다. • Cytosolic protein kinase들은 주로 protein Ser/Thrkinase들이다.

23. Signal transduction에 관여하는 많은 type의 protein kinase들이 있다. 모두 같은 기본적인 catalytic activity를 갖는데, target protein의 특정 아미노산에 인산기를 붙인다. 그래서 protein kinase는 ATP-binding site와 target 아미노산에 붙을 수 있는 catalytic center가 있다. • Protein kinase는 세가지 group이 있다. • Protein serine/threonine kinases, (2) Protein tyrosine kinases, (3) Dual specificity kinase (either tyrosine or serine/threonine) • Two types of location • Cytosolic protein kinases: 주로 Ser/Thrprotein kinase로서 세포내의 많은 인산화 과정에서 작용한다. Cdk (cyclin-dependent kinase)나 MAP kinase 같은 것이 예이다. • Receptor protein kinases: PM에서 발견되며, 대부분 tyrosine kinase이기 때문에, RTK (receptor tyrosine kinase)라 한다. 드물게는 Ser/Thr도 발견된다.

24. Figure 28.13The active site of a cytosolic kinase is identified by the catalytic loop (green). The target sequence for phosphorylation binds to the active site. Amino acid 0 is phosphorylated. The amino acid on the N-terminal side (indicated by N) is immediately adjacent to the phosphorylation lip, which is a sequence in the kinase that is often itself phosphorylated. 모든 kinase는 ATP와 target protein의 short sequence가 붙을 수 있는 active site가 있다. Active site에 붙는 sequence는 대가 consensus하며 3-4 amino acid 길이이다. Active site는 enzyme의 짧은 loop부분으로서 deep cleft를 형성한다.

25. Figure 28.14A receptor tyrosine protein kinase has an extracellular domain that binds a ligand, which is usually a polypeptide, and a cytoplasmic domain that includes a kinase region. ATP binds adjacent to the catalytic site. An important feature is the activation loop, which contains tyrosine residues whose phosphorylation activates the kinase activity. The activation loop containing these tyrosines changes its position when they are phosphoryated.

26. 28.8. Growth factor receptors are protein kinases • <Key Concepts> • 어떤 growth factor receptor의 extracellular domain에 ligand가 붙게 되면 cytoplasmic domain의 kinase activity를 활성화 시킨다. • Receptor는 second messenger를 활성화시키거나, a cascade of kinases를 활성화시키기도 한다.

27. Growth factor receptor들은 그들의 ligand가 growth factor (혹은 cytokine)인 small polypeptide이기 때문에 이름이 붙여졌다. • 이러한 factor들은 changes in the uptake of small molecules, initiation or stimulation of the cell cycle, and ultimately cell division에 관여하는 등 많은 effect를 갖는다. • Secreted cytokine으로는 EGF (epidermal growth factor), PDGF (platelet-derived growth factor), insulin 등이 있다. • 이들 receptor들은 일반적으로 group I integral membrane protein으로서, N-terminal 부분이 바깥쪽으로, C-terminal 부분이 cytoplasmic side에 존재한다. • 대부분의 receptor들은 single polypeptide chain이지만, insulin receptor 등 예외적으로 disulfide-bonded dimer인 것도 있다.

28. Receptor tyrosine kinases (RTKs)에 의해서 활성화되는 effector pathway에는 두 가지로 구분될 수 있다. • An enzymatic activity is activated that leads to the production of a small molecule second messenger: Lipids가 일반적인 second messenger인데, 효소로 작용하는 것은 phospholipases (which cleave lipids from larger substrates)와 kinases (which phosphorylate lipid substrates)이다 (그림 28.15). • The effector pathway is a cascade that involves a series of interactions between macromolecular components: 가장 일반적인 것으로는 protein kinase들이다. Cascade로 작용하며, TF와 같은 단백질을 최종적으로 phosphorylation시킨다.

29. Figure 28.15Effectors for receptor tyrosine kinases include phospholipases and kinases that act on lipids to generate second messengers.

30. 28.9. Receptors are activated by dimerization • <Key Concepts> • Receptor monomer에 ligand가 붙으면, extracellular domain들이 서로 interaction하여 dimer가 형성된다. • 이러한 dimerization은 membrane bilayer 내에서 membrane protein이 수평으로 이동할 수 있게 한다. • 또한 dimerization은 autophosphorylation에 의해서 cytoplasmic domain을 활성화시킨다 (kinase activity of each monomer phosphorylates the other monomer).

31. Figure 28.16Ligand binding to the extracellular domain causes receptor dimerization.

32. Figure 28.17Binding of ligand to the extracellular domain can induce aggregation in several ways. The common feature is that this causes new contacts to form between the cytoplasmic domains.

33. 28.10. Receptor kinases activate signal transduction pathways • <Key Concepts> • Receptor activation은 cytoplasmic domain에 있는 몇몇 short sequence motif들의 Tyr을 phosphorylation시킨다. • Different substrate proteins bind to particular motifs. • Substrate protein은 다른 단백질에 bind하는 docking protein (혹은adaptor)이거나, receptor와 결합하여 activation되는 효소활성을 갖는 signaling protein이다.

34. Figure 28.18Phosphorylation of the intracellular domain of a receptor creates sites that bind cytosolic proteins.

35. 28.11. Signaling pathways often involve protein-protein interactions • <Key Concepts> • SH2 (SRC homology)-binding site는 phospho-Tyrosine residue를 갖고 있다. 이 residue는 SH2 domain에 의해서 인식된다. • 특정 receptor는 다른 signaling protein들의 SH2 domain에 의해서 인식되는 여러 개의 SH2-binding site를 갖고 있다. • Signaling protein은 다음 단백질에 의해서 인식되는 SH3 domain을 갖는 경우가 있다.

36. Figure 28.19Several types of proteins involved in signaling have SH2 and SH3 domains.

37. Figure 28.20Autophosphorylation of the cytosolic domain of the PDGF receptor creates SH2-binding sites for several proteins. Some sites can bind more than one type of SH2 domain. Some SH2-containing proteins can bind to more than one site. The kinase domain consists of two separated regions (shown in blue), and is activated by the phosphorylation site in it.

38. Figure 28.21SH2 and SH3 domains are used for protein-protein interactions in signal transduction cascades. Typically a phosphorylated receptor recognizes an SH2 target in its substrate, and an SH3 domain in the substrate then recognizes the next protein in the cascade.

39. 28.12. Phosphotyrosine is the critical feature in binding to an SH2 domain • <Key Concepts> • SH2 (SRC homology)-binding site는 phospho-Tyrosine residue를 가지며, C-terminal side에는 5개 이하의 아미노산이 있다. • SH2 domain은 target 단백질의 SH2-binding site에 있는 phospho- tyrosine를 bind하는 pocket을 갖는 globular structure를 형성한다. • - SH2 domain은 다른 단백질의 target site와 interact하는 약 100 아미노산을 포함하는 region이다.

40. Figure 28.22Phosphorylation of tyrosine in an SH2-binding domain creates a binding site for a protein that has an SH2 domain.

41. Figure 28.23The crystal structure of an SH2 domain (purple strands) bound to a peptide containing phosphotyrosine shows that the P-Tyr (white) fits into the SH2 domain, and the 4 C-terminal amino acids in the peptide (backbone yellow, side chains green) also make contact.

42. 28.13. Prolines are important determinants in recognition sites • <Key Concepts> • SH3 domain은 PXXP 아미노산 서열로 형성된 구조에 bind한다. • Docking protein들은 흔히 PTB (phosphotyrosine-binding motif) domain을 갖고 있다. 이 domain은 receptor에 있는 NPXpY motif (주로 Asn-Pro-phosphoY consensus)에 bind한다. • PDZ domain에 있는 b-sheet은 target sequence에 있는 C-terminal b-strand와 bind한다. • WW domain은 proline-rich target sequence를 인식한다.

43. Figure 28.24A PXXP sequence forms a helical structure in which the two flat prolines form a base and the intervening residues stick up out of the plane. The prolines bind to shallow grooves on the surface of the SH3 domain.

44. Figure 28.25A docking protein is an adaptor that connects an activated receptor to a signaling protein(s). It may have a PTB domain that recognizes the motif NPXpY in the receptor.

45. Figure 28.26A peptide binds to a PDZ domain by inserting as an additional strand in an anti-parallel b-sheet. The strands of the b-sheet are shown as ribbons, with directionality indicated by the arrowheads. The peptide binds between one of the b-strands and an a-helix in the PDZ domain. Its C-terminal end makes contacts with the COOH-binding loop.

46. Figure 28.27A WW domain has a b-sheet consisting of three b-strands that interacts with a target peptide. The insertion shows how amino acids from two of the b-strands specifically interact with the target peptide. The characteristic feature is the insertion of the Trp from the WW domain between the two Pro residues in the target. (W= Trp)

47. 28.14. The Ras/MAPK pathway is widely conserved • <Key Concepts> • Ras/MAPK pathway는 monomeric G protein인 Ras의 activation으로 시작하고, a series of kinases를 각각 activation시키는 cascade로 계속되어진다.

48. Figure 28.28 Autophosphorylation triggers the kinase activity of the cytoplasmic domain of a receptor. The target protein may be recognized by an SH2 domain. The signal may subsequently be passed along a cascade of kinases.

49. Figure 28.29A common signal transduction cascade passes from a receptor tyrosine kinase through an adaptor to activate Ras, which triggers a series of Ser/Thr phosphorylation events. Finally, activated MAP kinases enter the nucleus and phosphorylate transcription factors.

50. Figure 28.30The Ras cascade is initiated by a series of activation events that occur on the cytoplasmic face of the plasma membrane.