Cell Biol Lecture-2

  • October 2019
  • PDF

This document was uploaded by user and they confirmed that they have the permission to share it. If you are author or own the copyright of this book, please report to us by using this DMCA report form. Report DMCA


Overview

Download & View Cell Biol Lecture-2 as PDF for free.

More details

  • Words: 1,401
  • Pages: 53
Signal Transduction Section  of Cell Biology

Signaling by G Proteins: –– Heterotrimeric G Proteins –– Ras Super­family Small GTPases             (small GTP­binding proteins) Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Signaling through small GTPases ❚ Small GTPases are monomeric guanine nucleotide­binding  proteins of 20­25 kDa molecular mass ❚ They play major roles in the regulation of growth,  morphogenesis, cell motility, axonal guidance, cytokinesis,  and trafficking ❚ The first small GTPase to be discovered was Ras ❚ Five families:  Ras, Rho, Rab, ARF, and Ran

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Ras ❚ The Ha­Ras and Ki­Ras genes were first discovered as the  v­Ha­Ras and v­Ki­Ras oncogenes of sarcoma viruses  around 1980 ❚ The cellular oncogenes were identified in humans in 1982­ 1983 ❚ Found in mutated oncogenic forms in a large number of  human tumors (~30%) ❚ A key regulator of cell growth ❚ The first target of Ras identified was adenylyl cyclase in  yeast ❚ The first mammalian signaling pathway involving Ras to be  discovered was the Raf/MEK/EERK cascade  ❚ Other Ras effectors include PI3K, RalGDS, p120GAP,... Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

(aa 30­37) (aa 59­76)

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Lipid modification is necessary for binding to membrane and  regulators and for activating downstream effectors

Farnesylation at the Cys residue followed by the proteolytic removal  of the A­A­X portion and the carboxylmethylation of the exposed Cys  residue.  H­Ras, N­Ras and K­RasA have additional Cys residues that Copyright (c) by W. H. Freeman and Company are further palmitoylated.

Anchoring of integral proteins to the  plasma membrane by hydrocarbon chains 

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Ras cycles between active and inactive  forms 

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Structures of Ras∙GDP­Sos complex and  Ras∙GTP

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

MAP kinase pathways ❚ Ras proteins mediate their effects on cell proliferation mainly  by activation of a kinase signal cascade that culminates in  activation of MAP kinase ❚ MAP kinase is a serine/threonine kinase that can translocate  into the nucleus and phosphorylate many different proteins,  including transcription factors that regulate gene expression

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

An adapter protein and GEF link most  activated RTKs to Ras

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Signals pass from activated Ras to a cascade  of protein kinases

(14­3­3, phospholipids Ser/Thr Kinase, Tyr kinase)

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

MAP kinase regulates the activity of many  transcription factors

Elk­1 Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Various types of receptors transmit signals to  MAP kinase

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Yeast Pheromone Pathway

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Multiple MAP kinase pathways are found in  yeast

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Yeast MAPK Pathways

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Ras Targets Multiple Effectors

Ras effector mutants Overexpression or Membrane­target Copyright (c) by W. H. Freeman and Company KO cells

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Rho ❚ The Rho gene was discovered as a homolog of the Ras  gene in Aplysia in 1985 ❚ Three major subfamilies:  Rho, Rac, and Cdc42, which  control the actin cytoskeleton in distinct ways ❚ Another major role is the regulation of gene expression  ❚ Activity is controlled by RhoGEF and RhoGAP proteins ❚ Cell movement, axonal guidance, cytokinesis, and  morphogenetic processes involving changes in cell shape  and polarity

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Activation of RhoGEFs By Extracellular Signals

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Structure of proto­oncogene Vav (DH domain)

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Translocation of Rho­GEF

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Effectors of Rho Proteins

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Effectors of Rac and Cdc42 Proteins

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Function of Rho Family Proteins ❚ The function of of the Rho family was first demonstrated in  yeast:  budding and cell polarity ❚ In mammals, the function of Rac was the first to be clarified:   Rac1, in addition to two other cytosolic proteins p47phox and  p67phox, were shown to be required for the activation of  NADPH oxidase of phagocytic cells ❚ The function of mammalian Rho was elucidated by use of an  exoenzyme named C3 (an inhibitor): in cytoskeletal control

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Stress fiber formation and focal adhesion

Lamellipodial extension  and membrane ruffles

Filopodia or microspikes Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Reorganization of the Actin Cytoskeleton ❚ Rho:  Actin stress fibers:  bundles of actin filaments that  traverse the cell and are linked to theextracellular matrix  through focal adhesions ❚ Rac:  Lamellipodia:  thin protrusive actin sheets that  dominate the edges of cultured fibroblasts and many  migrating cells; membrane ruffles observed at the leading  edge of the cell result from lamellipodia that life up off the  substratum and fold backward ❚ Cdc42:  Filopodia:  fingerlike protrusions that contain a tight  bundle of long actin filaments in the direction of the  protrusion.  They are found primarily in motile cells and  neuronal groath cones. Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Rab ❚ The first Rab genes discovered were the YPT1 and SEC4  genes in yeast ❚ Number at least 30 ❚ Play key roles in the secretory and endocytic pathways  ❚ Located in distinct cellular compartments ❚ Facilitate the formation of v­SNARE/t­SNARE complexes,  which are integral components of vesicle trafficking ❚ It is proposed that Rabs act by recruiting specific docking  factors (Exocyst, Rabaptins) from the cytosol to facilitate  pairing of the SNAREs ❚ Transport vesicles carry Rab­GTP.  After membrane fusion,  GTP hydrolysis converts to Rab­GDP Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

ARF ❚ The first ARF was discovered as a stimulatory cofactor  required for the ADP­ribosylation of the Gαs by cholera toxin  in 1984 ❚ Three classes of ARF  ❚ Critical components of several vesicular trafficking pathways ❚ ARF­GEF:  Sec7 domain ❚ ARF­GAP ❚ Relative lack of information about the class II (ARF 4 and 5)  and III (ARF6) ARFs ❚ Interacts with PLD, PIP2, coatomers, arfaptin Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

ER to Golgi and intra­Golgi transport

Formation of a transport vesicle begins when activated ARF­GTP associates with the  cytoplasmic surface of a donor membrane.  How the initiation site is identified remains  unknown.  Activated ARF interacts with a coat protein, one of seven in the coatomer  complex.  Recruitment of multiple ARF molecules followed by coatomers causes  membrane deformation and budding. Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Ran ❚ Ras­related nuclear protein ❚ Play a central role in protein and RNA trafficking in and out  of the nucleus ❚ Macromolecules travel in and out of the nucleus through  nuclear pore complexes (NPCs) and utilize different  receptors and carriers.  ❚ Almost all the receptors interact with GTP­Ran and are  regulated by the Ran GTPase cycle ❚ Ran functions to trigger the assembly or disassembly of  transport complexes ❚ RanGEF in nucleus and RanGAP in cytoplasm Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Signaling through small GTPases ❚ ❚ ❚ ❚ ❚

Ras:  Raf/MEK/ERK, cell growth (gene expression) Rho:  Actin cytoskeleton and gene expression Rab:  Secretory and endocytic pathways (Vesicle trafficking) ARF:  Vesicle budding Ran:  Nucleocytoplasmic Transport                                          (and microtubule organization)

Copyright (c) by W. H. Freeman and Company

Related Documents

Cell Biol Lecture-1
October 2019 14
Cell Biol Lecture-2
October 2019 13
Lecture2
June 2020 14
Lecture2
November 2019 20
Lecture2
July 2020 10
Lecture2
November 2019 14