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W2017_Lecture_20_reading - Biologie

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La circulation de l'information génétique

Chez les bactéries, les archées et les eucaryotes, le rôle principal de l'ADN est de stocker des informations héréditaires qui codent l'ensemble d'instructions requis pour créer l'organisme en question. Bien que nous nous soyons beaucoup améliorés pour lire rapidement la composition chimique (la séquence de nucléotides dans un génome et certaines des modifications chimiques qui y sont apportées), nous ne savons toujours pas comment décoder de manière fiable toutes les informations codées à l'intérieur et toutes les des mécanismes par lesquels il est lu et finalement exprimé.

Il existe cependant certains principes et mécanismes de base associés à la lecture et à l'expression du code génétique dont les étapes de base (même si de nombreux détails restent non résolus) sont comprises et qui doivent faire partie de la boîte à outils conceptuelle de tous les biologistes. Deux de ces processus sont la transcription et la traduction ; l'adaptation de parties du code génétique écrites dans l'ADN en molécules de l'ARN polymère apparenté et la lecture et le codage du code ARN en protéines, respectivement.

Dans BIS2A, nous nous concentrons en grande partie sur le développement d'une compréhension de la

traiter

de transcription (rappelons qu'une Energy Story est simplement une rubrique pour décrire un processus) et son rôle dans l'expression de l'information génétique. Nous motivons notre discussion sur la transcription en nous concentrant sur les problèmes fonctionnels (en intégrant des parties de notre rubrique résolution de problèmes/défi de conception) qui doivent être résolus au cours du processus à suivre. Nous décrivons ensuite comment le processus est utilisé par la nature pour créer une variété de molécules d'ARN fonctionnelles (pouvant avoir divers rôles structurels, catalytiques ou régulateurs), y compris les molécules d'ARN messager (ARNm) qui transportent les informations nécessaires à la synthèse des protéines. . De même, nous nous concentrons sur les défis et les questions associés au processus de traduction, le processus par lequel les ribosomes synthétisent des protéines.

Le flux de base de l'information génétique dans les systèmes biologiques est souvent représenté dans un schéma connu sous le nom de « dogme central » (voir la figure ci-dessous). Ce schéma indique que l'information codée dans l'ADN passe dans l'ARN via la transcription et finalement vers les protéines via la traduction. Des processus tels que la transcription inverse (la création d'ADN à partir d'une matrice d'ARN) et la réplication représentent également des mécanismes de propagation de l'information sous différentes formes. Ce schéma, cependant, ne dit rien en soi sur la façon dont les informations sont codées ou sur les mécanismes par lesquels les signaux régulateurs se déplacent entre les différentes couches de types de molécules représentées dans le modèle. Par conséquent, bien que le schéma ci-dessous soit une partie presque obligatoire du lexique de tout biologiste, peut-être hérité d'une vieille tradition, les étudiants doivent également être conscients que les mécanismes de flux d'informations sont plus complexes (nous en apprendrons certains au fur et à mesure, et que « le dogme central » ne représente que quelques voies centrales.

Le flux d'informations génétiques. Attribution : Marc T. Facciotti (œuvre originale)

Du génotype au phénotype

Un concept important dans les sections suivantes est la relation entre l'information génétique, le génotype, et le résultat de son expression, le phénotype. Ces deux termes et les mécanismes qui les relient seront discutés à plusieurs reprises au cours des prochaines semaines - commencez à maîtriser l'utilisation de ce vocabulaire.

Les informations stockées dans l'ADN sont dans la séquence des nucléotides individuels lorsqu'elles sont lues de 5' à 3'. La conversion de l'information de l'ADN en ARN (un processus appelé transcription) produit la deuxième forme que l'information prend dans la cellule. L'ARNm est utilisé comme matrice pour la création de la séquence d'acides aminés des protéines (en traduction). Ici, deux ensembles d'informations différents sont affichés. La séquence d'ADN est légèrement différente, ce qui entraîne la production de deux ARNm différents, suivis de deux protéines différentes et, finalement, de deux couleurs de pelage différentes pour les souris.

Génotype désigne les informations stockées dans l'ADN de l'organisme, la séquence des nucléotides, la compilation de ses gènes. Phénotype fait référence à toute caractéristique physique que vous pouvez mesurer, telle que la taille, le poids, la quantité d'ATP produite, la capacité à métaboliser le lactose, la réponse aux stimuli environnementaux, etc. Des différences de génotype, même légères, peuvent conduire à des phénotypes différents qui sont soumis à des sélection. La figure ci-dessus illustre cette idée. Notez également que si les discussions classiques sur les relations génotype et phénotype sont évoquées dans le contexte des organismes multicellulaires, cette nomenclature et les concepts sous-jacents s'appliquent à tous les organismes, même aux organismes unicellulaires comme les bactéries et les archées.

Discussion suggérée

Quelque chose que vous ne pouvez pas voir "à l'œil" peut-il être considéré comme un phénotype ?

Discussion suggérée

Les organismes unicellulaires peuvent-ils avoir plusieurs phénotypes simultanés ? Si oui, pouvez-vous proposer un exemple ? Si non, pourquoi ?

Gènes

Qu'est-ce qu'un gène ? UNE gène est un segment d'ADN dans le génome d'un organisme qui code un ARN fonctionnel (tel que l'ARNr ou l'ARNt, etc.) ou un produit protéique (enzymes, tubuline, etc.). Un gène générique contient des éléments codant pour des régions régulatrices et une région codant pour une unité transcrite.

Les gènes peuvent acquérir mutation - défini comme des changements dans la composition et/ou la séquence des nucléotides - soit dans les régions codantes soit dans les régions régulatrices. Ces mutations peuvent conduire à plusieurs issues possibles : (1) il ne se passe rien de mesurable ; (2) le gène n'est plus exprimé ; ou (3) l'expression ou le comportement du ou des produits géniques sont différents. Dans une population d'organismes partageant le même gène, différentes variantes du gène sont appelées allèles. Différents allèles peuvent entraîner des différences dans les phénotypes des individus et contribuer à la diversité biologique soumise à une pression sélective.

Commencez à apprendre ces termes de vocabulaire et les concepts associés. Vous les connaîtrez alors un peu lorsque nous commencerons à les examiner plus en détail au cours des prochaines conférences.

Un gène consiste en une région codante pour un ARN ou un produit protéique accompagné de ses régions régulatrices. La région codante est transcrite en ARN qui est ensuite traduit en protéine.

Résumé de la section

Les bactéries, les archées et les eucaryotes doivent tous transcrire les gènes de leur génome. Bien que la localisation cellulaire puisse être différente (les eucaryotes effectuent la transcription dans le noyau ; les bactéries et les archées effectuent la transcription dans le cytoplasme), les mécanismes par lesquels les organismes de chacun de ces clades effectuent ce processus sont fondamentalement les mêmes et peuvent être caractérisés par trois étapes : initiation, élongation et terminaison.

Transcription : de l'ADN à l'ARN

UNE bref aperçu de la transcription

La transcription est le processus de création d'une copie d'ARN d'un segment d'ADN. Puisqu'il s'agit d'un traiter, nous voulons appliquer la rubrique Energy Story pour développer une compréhension fonctionnelle de la transcription. A quoi ressemble le système de molécules avant le début de la transcription ? A quoi ça ressemble à la fin ? Quelles transformations de matière et transferts d'énergie se produisent pendant la transcription et qu'est-ce qui, le cas échéant, catalyse le processus ? Nous voulons également réfléchir au processus du point de vue du Design Challenge. Si la tâche biologique consiste à créer une copie de l'ADN dans le langage chimique de l'ARN, quels défis pouvons-nous raisonnablement émettre une hypothèse ou anticiper compte tenu de nos connaissances sur d'autres processus polymères nucléotidiques, doivent être surmontés ? Existe-t-il des preuves que la nature a résolu ces problèmes de différentes manières ? Quels semblent être les critères de réussite de la transcription ? Vous avez eu l'idée.

Énumérer certaines des exigences de base pour la transcription

Examinons d'abord les tâches à accomplir en utilisant certaines de nos connaissances fondamentales et en imaginant ce qui pourrait devoir se produire pendant le processus de transcription si l'objectif est de faire une copie d'ARN d'un morceau d'un brin d'une molécule d'ADN double brin. Nous verrons que l'utilisation d'une logique de base nous permet de déduire de nombreuses questions et choses importantes que nous devons savoir pour décrire correctement le processus.

Imaginons que nous voulions concevoir une nanomachine/nanobot qui effectuerait la transcription. Nous pouvons utiliser une réflexion du Design Challenge pour identifier les problèmes et les sous-problèmes qui doivent être résolus par notre petit robot.

• La première chose que nous voulons que notre machine sache est par où commencer. Parmi les millions voire les milliards de paires de bases, vers quoi la machine doit-elle être dirigée ?
• De même, nous devons savoir où nous arrêter.
• Si nous avons des sites de démarrage et d'arrêt, nous aurons besoin de moyens d'encoder ces informations afin que nos machines puissent lire ces informations - comment cela sera-t-il accompli ?
• Combien de copies d'ARN de l'ADN aurons-nous besoin de faire ?
• À quelle vitesse les copies d'ARN doivent-elles être faites ?
• Avec quelle précision les copies doivent-elles être faites ?
• Quelle quantité d'énergie le processus prendra-t-il et d'où viendra l'énergie ?

Ce ne sont bien sûr que quelques-unes des questions fondamentales. On peut creuser plus profondément s'ils le souhaitent. Cependant, ils sont déjà suffisamment bons pour que nous commencions à avoir une bonne idée de ce processus. Notez également que bon nombre de ces questions sont remarquablement similaires à celles que nous avons déduites pourraient être nécessaires pour comprendre la réplication de l'ADN.

Les blocs de construction de la transcription

Les éléments constitutifs de l'ARN

Rappelez-vous de notre discussion sur la structure des nucléotides que les éléments constitutifs de l'ARN sont très similaires à ceux de l'ADN. Dans l'ARN, les éléments constitutifs sont constitués de nucléotides triphosphates composés d'un sucre ribose, d'une base azotée et de trois groupes phosphate. Les principales différences entre les éléments constitutifs de l'ADN et ceux de l'ARN sont que les molécules d'ARN sont composées de nucléotides avec des sucres ribose (par opposition aux sucres désoxyribose) et qu'au lieu d'utiliser de la thymidine (le nucléotide contenant de la thymine), l'ARN utilise de l'uridine (un uracile contenant nucléotide). Notez ci-dessous que l'uracile et la thymine sont structurellement très similaires - l'uracile manque juste d'un groupe fonctionnel méthyle (CH3) par rapport à la thymine.

Les composants chimiques de base des nucléotides.
Attribution : Marc T. Facciotti (œuvre originale)

Initiation à la transcription

Promoteurs

Les protéines responsables de la création d'une copie d'ARN d'un morceau spécifique d'ADN (transcription) doivent d'abord être capables de reconnaître le début de l'élément à copier. UNE promoteur est une séquence d'ADN sur laquelle diverses protéines, collectivement connues sous le nom de machinerie de transcription, se lient et initient la transcription. Dans la plupart des cas, les promoteurs existent en amont (5' de la région codante) des gènes qu'ils régulent. La séquence spécifique d'un promoteur est très importante car elle détermine si la partie codante correspondante du gène est transcrite tout le temps, parfois ou rarement. Bien que les promoteurs varient selon les espèces, quelques éléments de séquence similaire sont parfois conservés. Aux régions -10 et -35 en amont du site d'initiation, il y a deux promoteurs consensus des séquences ou des régions qui sont similaires à travers de nombreux promoteurs et à travers diverses espèces. Certains promoteurs auront une séquence très similaire à la séquence consensus (la séquence contenant les éléments de séquence les plus courants), et d'autres auront une apparence très différente. Ces variations de séquence affectent la force à laquelle la machinerie transcriptionnelle peut se lier au promoteur pour initier la transcription. Cela permet de contrôler le nombre de transcriptions qui sont faites et à quelle fréquence elles sont faites.

(a) Un schéma général d'un gène. Le gène comprend la séquence promotrice, une région de non-traduction (UTR) et la séquence codante. (b) Une liste de plusieurs séquences promotrices fortes d'E. coli. La boîte -35 et la boîte -10 sont des séquences hautement conservées dans toute la liste des promoteurs forts. Les promoteurs plus faibles auront plus de différences de paires de bases par rapport à ces séquences.
Source : http://www.discoveryandinnovation.co...lecture12.html

Discussion suggérée

Quels types d'interactions sont modifiés entre la machinerie de transcription et l'ADN lorsque la séquence nucléotidique du promoteur change ? Pourquoi certaines séquences créeraient-elles un promoteur « fort » et pourquoi d'autres créeraient-elles un promoteur « faible » ?

Promoteurs bactériens vs eucaryotes

Dans les cellules bactériennes, la séquence consensus -10, appelée région -10, est riche en AT, souvent TATAAT. La séquence -35, TTGACA, est reconnue et liée par la protéine ??. Une fois cette interaction protéine-ADN réalisée, les sous-unités de l'ARN polymérase centrale se lient au site. En raison de la stabilité relativement plus faible des associations AT, la région -10 riche en A–T facilite le déroulement de la matrice d'ADN et plusieurs liaisons phosphodiester sont créées.

Les promoteurs eucaryotes sont beaucoup plus gros et plus complexes que les promoteurs procaryotes, mais tous deux ont une région riche en AT - chez les eucaryotes, cela s'appelle généralement une boîte TATA. Par exemple, dans le gène de la thymidine kinase de souris, la boîte TATA est située à environ -30. Pour ce gène, la séquence exacte de la boîte TATA est TATAAAA, telle que lue dans la direction 5' à 3' sur le brin non-matrice. Cette séquence n'est pas identique à la E. coli -10, mais les deux partagent la qualité d'être un élément riche en A–T.

Au lieu d'une seule polymérase bactérienne, les génomes de la plupart des eucaryotes codent pour trois ARN polymérases différentes, chacune composée de 10 sous-unités protéiques ou plus. Chaque polymérase eucaryote nécessite également un ensemble distinct de protéines appelées facteurs de transcription de le recruter auprès d'un promoteur. De plus, une armée d'autres facteurs de transcription et de protéines connues sous le nom d'amplificateurs et de silencieux aident à réguler la synthèse d'ARN à partir de chaque promoteur. Les activateurs et les silencieux affectent l'efficacité de la transcription mais ne sont pas nécessaires à l'initiation de la transcription ou à son déroulement. Les facteurs de transcription basaux sont cruciaux dans la formation d'un complexe de pré-initiation sur la matrice d'ADN qui recrute ensuite l'ARN polymérase pour l'initiation de la transcription.

L'initiation de la transcription commence par la liaison de l'ARN polymérase au promoteur. La transcription nécessite que la double hélice d'ADN se déroule partiellement de telle sorte qu'un brin puisse être utilisé comme matrice pour la synthèse d'ARN. La région de déroulement s'appelle un bulle de transcription.

Pendant l'élongation, l'ARN polymérase suit la matrice d'ADN, synthétise l'ARNm dans la direction 5' à 3', et se déroule puis rembobine l'ADN au fur et à mesure de sa lecture.

Élongation

La transcription procède toujours de l'un des deux brins d'ADN, appelé le brin modèle. Le produit d'ARN est complémentaire du brin matrice et est presque identique au brin non-matrice, appelé le brin de codage, à l'exception du fait que l'ARN contient un uracile (U) à la place de la thymine (T) présente dans l'ADN. Pendant l'allongement, une enzyme appelée ARN polymérase procède le long de la matrice d'ADN en ajoutant des nucléotides par appariement de bases avec la matrice d'ADN d'une manière similaire à la réplication d'ADN, à la différence qu'un brin d'ARN est synthétisé qui ne reste pas lié à la matrice d'ADN. Au fur et à mesure que l'allongement progresse, l'ADN est continuellement déroulé devant l'enzyme centrale et rembobiné derrière elle. Notez que le sens de la synthèse est identique à celui de la synthèse dans l'ADN - 5' à 3'.

Pendant l'élongation, l'ARN polymérase suit la matrice d'ADN, synthétise l'ARNm dans la direction 5' à 3', et se déroule puis rembobine l'ADN au fur et à mesure de sa lecture.

A) L'ajout de nucléotides au cours du processus de transcription est très similaire à l'ajout de nucléotides dans la réplication de l'ADN. L'ARN est polymérisé de 5' à 3' et à chaque ajout d'un nucléotide, une liaison phosphoanhydride est hydrolysée par l'enzyme, ce qui donne un polymère plus long et la libération de deux phosphates inorganiques.
Source : http://utminers.utep.edu/rwebb/html/...longation.html

Discussion suggérée

Comparez et contrastez l'histoire de l'énergie pour l'ajout d'un nucléotide dans la réplication de l'ADN à l'ajout d'un nucléotide dans la transcription.

Élongation bactérienne vs eucaryote

Chez les bactéries, l'allongement commence par la libération du ?? sous-unité de la polymérase. La dissociation de ?? permet à l'enzyme centrale de procéder le long de la matrice d'ADN, synthétisant l'ARNm dans la direction 5' à 3' à une vitesse d'environ 40 nucléotides par seconde. L'appariement des bases entre l'ADN et l'ARN n'est pas suffisamment stable pour maintenir la stabilité des composants de synthèse de l'ARNm. Au lieu de cela, l'ARN polymérase agit comme un lieur stable entre la matrice d'ADN et les brins d'ARN naissants pour garantir que l'élongation n'est pas interrompue prématurément.

Chez les eucaryotes, après la formation du complexe de pré-initiation, la polymérase est libérée des autres facteurs de transcription et l'élongation peut se dérouler comme chez les procaryotes, la polymérase synthétisant le pré-ARNm dans la direction 5' à 3'. Comme discuté précédemment, l'ARN polymérase II transcrit la majeure partie des gènes eucaryotes, donc cette section se concentrera sur la façon dont cette polymérase accomplit l'allongement et la terminaison.

Résiliation

Dans les bactéries

Une fois qu'un gène est transcrit, la polymérase bactérienne doit recevoir l'instruction de se dissocier de la matrice d'ADN et de libérer l'ARNm nouvellement créé. Selon le gène à transcrire, il existe deux types de signaux de terminaison. L'un est à base de protéines et l'autre à base d'ARN. Terminaison Rho-dépendante est contrôlé par la protéine rho, qui suit la polymérase sur la chaîne d'ARNm en croissance. Vers la fin du gène, la polymérase rencontre une série de nucléotides G sur la matrice d'ADN et elle cale. En conséquence, la protéine rho entre en collision avec la polymérase. L'interaction avec rho libère l'ARNm de la bulle de transcription.

Résiliation indépendante de Rho est contrôlé par des séquences spécifiques dans le brin matrice d'ADN. Lorsque la polymérase approche de la fin du gène en cours de transcription, elle rencontre une région riche en nucléotides C-G. L'ARNm se replie sur lui-même et les nucléotides C-G complémentaires se lient. Le résultat est une stabilité épingle à cheveux qui provoque le blocage de la polymérase dès qu'elle commence à transcrire une région riche en nucléotides A–T. La région complémentaire U-A du transcrit d'ARNm ne forme qu'une faible interaction avec l'ADN matrice. Ceci, couplé à la polymérase bloquée, induit une instabilité suffisante pour que l'enzyme centrale se détache et libère le nouveau transcrit d'ARNm.

Chez les eucaryotes

La terminaison de la transcription est différente pour les différentes polymérases. Contrairement aux procaryotes, l'élongation par l'ARN polymérase II chez les eucaryotes a lieu de 1 000 à 2 000 nucléotides au-delà de la fin du gène à transcrire. Cette queue de pré-ARNm est ensuite éliminée par clivage pendant le traitement de l'ARNm. D'autre part, les ARN polymérases I et III nécessitent des signaux de terminaison. Les gènes transcrits par l'ARN polymérase I contiennent une séquence spécifique de 18 nucléotides qui est reconnue par une protéine de terminaison. Le processus de terminaison dans l'ARN polymérase III implique une épingle à cheveux d'ARNm similaire à la terminaison rho-indépendante de la transcription chez les procaryotes.

Aux Archées

La terminaison de la transcription chez les archées est beaucoup moins étudiée que dans les deux autres domaines de la vie et n'est toujours pas bien comprise. Alors que les détails fonctionnels sont susceptibles de ressembler à des mécanismes qui ont été vus dans d'autres domaines de la vie, les détails dépassent le cadre de ce cours.

Emplacement cellulaire

Chez les bactéries et les archées

Chez les bactéries et les archées, la transcription se produit dans le cytoplasme, où se trouve l'ADN. Étant donné que l'emplacement de l'ADN, et donc le processus de transcription, ne sont pas physiquement séparés du reste de la cellule, la traduction commence souvent avant la fin de la transcription. Cela signifie que l'ARNm dans les bactéries et les archées est utilisé comme matrice pour une protéine avant que l'ARNm entier ne soit produit. L'absence de ségrégation spatiale signifie également qu'il y a très peu de ségrégation temporelle pour ces processus. L'image ci-dessous montre les processus de transcription et de traduction se produisant simultanément.

L'ajout de nucléotides au cours du processus de transcription est très similaire à l'ajout de nucléotides dans la réplication de l'ADN.
Source : Marc T. Facciotti (propre travail)

Chez les eucaryotes....

Chez les eucaryotes, le processus de transcription est physiquement séparé du reste de la cellule, séquestré à l'intérieur du noyau. Il en résulte deux choses : l'ARNm est terminé avant que la traduction ne puisse commencer, et il y a du temps pour « ajuster » ou « éditer » l'ARNm avant que la traduction ne commence. La séparation physique de ces processus donne aux eucaryotes une chance de modifier l'ARNm de manière à : prolonger la durée de vie de l'ARNm ou même modifier le produit protéique qui sera produit à partir de l'ARNm.

Traitement de l'ARNm

5' G-Cap et 3' Poly-A queue

Lorsqu'un gène eucaryote est transcrit, le transcrit primaire est traité dans le noyau de plusieurs manières. Les ARNm eucaryotes sont modifiés à l'extrémité 3' par l'ajout d'une queue poly-A. Cette série de résidus A est ajoutée par une enzyme qui n'utilise pas d'ADN génomique comme matrice. De plus, les ARNm ont une modification chimique de l'extrémité 5', appelée 5'-cap. Les données suggèrent que ces modifications contribuent à la fois à augmenter la durée de vie de l'ARNm (empêcher sa dégradation prématurée dans le cytoplasme) ainsi qu'à aider l'ARNm à initier la traduction.

les pré-ARNm sont traités en une série d'étapes. Les introns sont retirés, un capuchon 5' et une queue poly-A sont ajoutés. Source : http://www.discoveryandinnovation.co...lecture12.html

Épissage alternatif

L'épissage se produit sur la plupart des ARNm eucaryotes où les introns sont retirés de la séquence d'ARNm et les exons sont ligaturés ensemble. Cela peut créer un ARNm beaucoup plus court que celui initialement transcrit. L'épissage permet aux cellules de mélanger et de faire correspondre les exons qui sont incorporés dans le produit d'ARNm final. Comme le montre la figure ci-dessous, cela peut conduire à ce que plusieurs protéines soient codées par un seul gène.

L'information stockée dans l'ADN est finie. Dans certains cas, les organismes peuvent mélanger et assortir ces informations pour créer différents produits finaux. Chez les eucaryotes, l'épissage alternatif permet la création de différents produits d'ARNm qui à leur tour sont utilisés en traduction pour créer différentes séquences protéiques. Cela conduit finalement à la production de différentes formes de protéines, et donc de différentes fonctions protéiques.
Source : http://www.discoveryandinnovation.co...lecture12.html

Conférence 20 : Signalisation cellulaire 1—Présentation

Après avoir terminé le sujet du trafic de protéines, le professeur Imperiali présente la signalisation cellulaire. Dans la première des deux conférences sur ce sujet, elle couvre les paradigmes et la mécanique de la signalisation cellulaire.

Instructeur: Barbara Impérial

Conférence 1 : Bienvenue Introduction.

Conférence 2 : Liaison chimique.

Conférence 3: Structures d'Am.

Conférence 4 : Enzymes et méta.

Conférence 5 : Glucides an.

Conférence 9 : Remode de la chromatine.

Conférence 11 : Cellules, le Simpl.

Conférence 16 : ADN recombinant.

Conférence 17 : Génomes et ADN.

Conférence 18 : SNPs et Humain .

Conférence 19 : Cell Traffickin.

Conférence 20 : Signalisation cellulaire .

Conférence 21 : Signalisation cellulaire .

Conférence 22 : Neurones, Action.

Conférence 23 : Cycle cellulaire et .

Conférence 24 : Cellules souches, Apo.

Conférence 27 : Visualiser Lif.

Conférence 28 : Visualiser Lif.

Conférence 29 : Cell Imaging Te.

Conférence 32 : Maladie infectieuse.

Conférence 33 : Bactéries et An.

Conférence 34 : Virus et fourmis.

Conférence 35 : Reproduction Cl.

BARBARA IMPERIALI : Maintenant, je veux parler aujourd'hui d'une petite chose avant de passer à la signalisation, car cela complète en quelque sorte le travail dont nous avons parlé en ce qui concerne la traite. J'ai donc posé cette question la dernière fois, et il semblait qu'il n'y avait pas assez de gens qui sautaient pour me donner une réponse. Mais jetons un coup d'œil à la situation dans son ensemble, comme il est toujours bon de le faire. Parce que cela m'amènera également à un autre sujet, à savoir le mauvais repliement des protéines.

Donc, en fin de compte, ce qui définit vraiment où se trouve une protéine, ce qu'elle fait, est défini par sa séquence. Mais vous voulez toujours vous rappeler qu'une séquence protéique est définie par son messager. Le messager est défini par le pré-messager. Oui, il peut y avoir des événements d'épissage qui provoquent vraiment des changements de localisation. Mais le pré-messager inclut le contenu. Et puis ce qui définit cela, c'est l'ADN.

Il y a certains aspects de la régulation au niveau épigénétique dont nous ne parlons pas à peine dans ce cours. Mais je veux que vous vous assuriez de réaliser à la fin de la journée, ce qu'est la protéine, comment elle se replie, est définie à l'origine par la séquence de l'ADN, bien que très loin ici. Les modifications post-traductionnelles dont nous avons commencé à parler la dernière fois sont définies par la séquence protéique, qui est entièrement définie par l'ADN -- donc, une grande partie de la fonction protéique.

Et il y a un autre aspect des protéines qui est défini par la séquence d'ADN, et c'est si une protéine se replie bien, ou peut-être, dans certains cas, se replie mal. Et c'est de cela que je veux parler très brièvement aujourd'hui. Parce que je pense que cela capture l'image.

Allons donc ici et écrivons des protéines mal repliées, qui, comme tout le reste, finissent en grande partie par être dictées par l'ADN. Car si une protéine se replie fidèlement dans une bonne structure ou se replie mal peut être une fonction de la séquence de la protéine.

Il pourrait donc y avoir des mutations dans la protéine qui finissent par entraîner un mauvais repliement de la protéine et la formation d'une structure tertiaire mal repliée, ou pire encore, l'adoption d'une forme agrégée qui cause de nombreux dommages à l'intérieur et à l'extérieur des cellules. Je veux donc parler brièvement des processus que nous avons -- ce n'est qu'une diapositive -- pour traiter les protéines mal repliées.

Ainsi, lorsqu'une protéine est traduite, elle commence presque immédiatement à se replier, en particulier les grosses protéines. Une bonne quantité d'une protéine peut déjà avoir émergé du ribosome et avoir commencé à se replier, même lorsque la protéine entière n'est pas fabriquée. La séquence se termine finalement par une protéine bien repliée.

Mais si la protéine ne se replie pas assez rapidement, ou s'il y a une erreur là-dedans, qui pourrait être causée intrinsèquement par la séquence primaire, s'il y a une erreur là-dedans - un repliement si lent ou un repliement incorrect - alors vous vous retrouverez avec une protéine qui est partiellement repliée dans le contexte d'une cellule.

Nous rencontrons particulièrement des protéines mal repliées lorsque nous surexprimons des protéines dans les cellules, car vous ne faites qu'un seul type de protéine très rapidement, et il n'a pas la chance d'adopter sa structure fidèle.

Il y a donc des protéines dans la cellule qui ont aidé en quelque sorte à protéger le processus de repliement dès le début, pour permettre à la protéine d'avoir suffisamment de temps au singulier, pas avec beaucoup de copies d'elle-même mal repliées, pour adopter une structure repliée. Et ces protéines sont appelées chaperons.

Je ne sais pas si vous connaissez le terme chaperon. C'était un terme qui a été largement utilisé dans le genre de 18e et 19e siècle. Un chaperon était une tante ou quelqu'un que vous envoyiez avec votre belle jeune fille pour la chaperonner, pour la protéger afin qu'elle ne soit pas dérangée par ces hommes méchants là-bas. Donc les chaperons étaient-- c'était la définition originale du chaperon. Et c'est assez intéressant que les chaperons soient maintenant des protéines qui aident au pliage ou protègent contre un mauvais pliage.

comment font-ils ça? En général, une protéine se pliera mal si elle est très, très... si elle est assez hydrophobe. Et les patchs hydrophobes sont exposés dans leur ensemble.

Disons donc que vous avez une protéine et qu'il y a beaucoup de copies, mais elles ne sont pas pliées. Si vous avez des choses qui sont hydrophobes qui finiraient normalement à l'intérieur de la protéine, si la protéine ne s'est pas repliée au bon moment, celles-ci commenceront simplement à former des agrégats, en s'associant en quelque sorte les unes aux autres. C'est juste un phénomène physique.

Si vous mettez quelque chose qui a beaucoup de faces hydrophobes à l'extérieur, cela commencera à former un faisceau agrégé, et pas du tout une protéine bien repliée. Ce que les chaperons peuvent faire, c'est en partie maintenir la protéine partiellement repliée. Considérons donc cette grosse fève à la gelée comme un chaperon jusqu'à ce que les choses commencent à adopter un état favorable.

Mais parfois, c'est tout simplement trop. Le chaperon ne peut pas gérer le flux de protéines. Ainsi, la protéine finit par être reconnue comme mal repliée. Et puis il est étiqueté comme une protéine mal repliée, et il est emmené dans un endroit de la cellule pour être éliminé. Donc, si vous ne parvenez pas à plier, il y a un processus de marquage. Et je l'ai mentionné la dernière fois. C'est un processus connu sous le nom d'ubiquitination.

C'est aussi une modification post-traductionnelle, mais c'est une modification qui se produit sur des protéines mal repliées. Et je vais vous décrire ce système, parce que l'ubiquitination est le drapeau, le signal ou l'étiquette, pour amener cette protéine au grand broyeur, en gros. Et alors, qu'est-ce que le-- qu'est-ce qu'un destructeur de papier-- J'aime l'analogie avec un destructeur de papier.

Voici donc un gars qui en a trop dans sa boîte de réception. Il l'envoie donc directement à la déchiqueteuse. Il s'agit un peu de trop de protéines mal repliées. Ainsi, au lieu d'attendre pour traiter la paperasse, vous l'envoyez simplement directement à la déchiqueteuse. Et le protéasome est le déchiqueteur cellulaire qui décompose les protéines en petits morceaux, puis les digère.

Pensez donc au protéasome comme à un broyeur, qui coupe les protéines en petits morceaux, principalement en peptides courts de 8 à 14 acides aminés, assez petits. Les peptides courts ne poseront pas de problème d'agrégation et seront ensuite davantage digérés.

Maintenant, si vous avez cette déchiqueteuse dans la cellule, c'est comme si vous aviez une déchiqueteuse allumée tout le temps. Vous avez un-- il y a un risque que des choses se retrouvent là-dedans sans le vouloir. Donc, pour que les choses soient étiquetées pour le déchiquetage, elles passent par ce qu'on appelle le système de l'ubiquitine.

Donc la première chose à aborder est-- et c'est alors seulement que les protéines sont étiquetées pour être déchiquetées ou hachées par le protéasome. Donc, comme vous pouvez le voir par son nom, il a une fonction protéase, mais c'est une grande protéase macromoléculaire, avec beaucoup, beaucoup de sous-unités qui sont importantes pour couper ce polypeptide en plus petits morceaux.

Mais parce que beaucoup de vos protéines peuvent être partiellement repliées ou mal repliées, elles doivent d'abord être dépliées. Ainsi, l'ubiquitine est le signal pour envoyer des protéines au protéasome, où la deuxième action est l'activité de la protéase, et la première action se déroule.

Donc ce que je vous montre sur cette photo, c'est la structure en tonneau d'un protéasome. Permettez-moi d'expliquer les composants de celui-ci. Le composant rouge du protéasome est un anneau multimérique qui utilise l'ATP et commence à séparer la protéine que vous devez détruire. Mais il ne le fera que si la protéine est marquée pour être détruite par le système ubiquitine.

Et je vous montre ici une version massivement simplifiée. Disons que c'est une protéine mal repliée. Il est marqué avec une autre protéine. C'est une très petite protéine connue sous le nom d'ubiquitine. Je vous ai montré la structure tridimensionnelle ici. Et en utilisant l'ATP, vous finissez par réussir à mettre une chaîne d'ubiquitine sur la protéine qui va être détruite. C'est une modification post-traductionnelle qui est un étiquetage pour la destruction.

Si la protéine n'est pas étiquetée, elle ne sera pas mâchée. Ça a du sens. Vous ne voulez pas hacher des protéines dans une cellule avec un abandon sauvage. Une fois que la chaîne d'ubiquitine est en place, la protéine se liera à la partie dépliée du protéasome, et avec l'ATP, elle cessera simplement de séparer le reste de la structure résiduelle pour enfiler la protéine dans la partie bleue du baril.

C'est un peu difficile à voir comme ça, mais c'est littéralement, le protéasome, ce sont quatre anneaux concentriques. Laissez-moi voir. J'espère que mon œuvre sera assez bonne. Eh bien, c'est un dépliage. Et c'est ainsi. Et puis au centre, il y a une protéase. Et chacun de ces composants est multimérique, ayant six ou sept sous-unités.

C'est donc une structure énorme. Il a un coefficient de sédimentation de 20S, toute cette structure. Je ne sais pas si vous vous souvenez quand j'ai parlé des ribosomes, ils étaient si gros que nous n'avions pas tendance à en parler par taille. Nous en avons parlé par coefficient de sédimentation. Et les grandes et petites sous-unités du ribosome, l'eucaryote, juste pour vous rappeler, étaient 40S et 60S.

Alors n'oubliez pas que S signifie Svedberg. C'est une unité de coefficient de sédimentation. Il décrit à quelle vitesse les précipités s'approchent. Ainsi, une fois que la protéine a été marquée à l'ubiquitine, elle se lie à l'unfoldase. Et puis le simple brin alimente le noyau central, qui est constitué de deux sections de protéase. Donc ça se nourrit ici. Il voit l'activité de la protéase. Et puis c'est juste de petits morceaux de protéines qui sont crachés du protéasome.

Once these are really little pieces of peptide, they're readily digested by proteases within the cell. And you can recycle the amino acids, or you can do other things with these small pieces of peptide. They actually end up sometimes being sent for presentation on the surface of the cell by the immune system. And you may hear a little bit more about that later.

So the proteasome-- oh, I apologize-- this should have been 26S-- has a molecular weight that's very large-- 2,000 kilodaltons. That's why we refer to it by its sedimentation coefficient. So this machinery is very important to get rid of misfolded or aggregated proteins to destroy them.

Now, does-- are people aware of the sorts of diseases that can result from misfolded proteins? Has anyone been reading the news much about certain types of diseases, particularly in neurobiology? Anyone aware of those? Oui.

AUDIENCE: Was it mad cow disease?

BARBARA IMPERIALI: Which one?

BARBARA IMPERIALI: Yes. Mad cow. So there are a variety of neurological disorders, and mad cow is one of them. Creutz U-T-Z feldt-Jakob. But Alzheimer's disease is another one. Pick's disease is another.

There are a wide variety of neurological disorders that result from misfolded proteins, both inside the cell and in the extracellular matrix, forming these tangles that are toxic to the neurons, causing them to no longer function, and then resulting in many of these neurological disorders.

The ones I've described to you, I've mentioned to you here. I know many of you are familiar with Alzheimer's disease. Mad cow disease is a variant of a particular protein misfolding disease that was first noted in cattle. And they basically just fell down, dropped down. And it was in some cases ascribed to-- the contagion with the disease is ascribed not to a virus or to a microorganism, but literally, to misfolded proteins causing the formation of more misfolded proteins.

So these are all collectively designated as prion diseases. I think you'll have read that term. And it's a particular kind of disease that the infectious agent isn't a living system-- not a virus, not a microbe, a fungus, a protozoan, but rather a protein, where it's misfolded structure nucleates the formation of more misfolded structure that leads to the disease.

So I grew up in England during the years where there was a lot of mad cow disease in England. And even though I'm a vegetarian in the US for 30 years, I can't give blood in the US, because I lived in England during the time when there was a lot of mad cow disease. And this can be dormant for a long, long time before it suddenly takes over.

So there's restrictions on blood donation in certain cases. And it's because it's not something you can treat with an antibiotic, you can treat with an antiviral. It's literally traces of badly folded protein that can nucleate the formation of more badly folded protein, that can lead to the diseases.

These were-- there's particular instances of some of these diseases in tribes where there's pretty serious cannibalism, and eating your sort of senior relative's brains was considered to be something-- an important act of respect. And there was this transfer of some of these prion-type diseases through cannibalism as well.

So eating contaminated meat, be it a cow, be it your grandparents, whatever, it's something that actually is-- it's a serious transmissible disease. And it's really-- in the situations where it can be sort of related back to contaminated meat are one thing. But there are variations in the case of Alzheimer's, where the sequence of proteins may dictate that they don't fold well, or they're not post-translationally modified properly, so they end up as misfolded proteins.

So these are often genetically linked disorders, some of the things like Alzheimer's. And once again, remember that goes all the way back to the DNA, which might, in some cases, trigger the misfolded disease.

So it's a fascinating area, and there's a tremendous amount to be studied. Because of the aging population, these diseases are piling up, and we need to mitigate the causes of the disease, and find ways, for example, to slow down. If there are these fibrils of protein that are misfolded, can we maybe inhibit that formation with some kind of small molecule inhibitor to mitigate the symptoms of the disease? So it's a very, very active area, because almost every-- many, many neurological disorders seem to be coming down to misfolded proteins.

So let's move on now to signaling. D'accord. So we're going to spend two lectures on-- the remainder of this lecture plus the next lecture. And what I want to do in this lecture is introduce you to some of the paradigms, the nuts and bolts, the mechanics of protein signaling. And then in the next lecture, I'm going to show you examples of how all the characteristics that we define signaling by get represented in signaling pathways within cells.

So I'm going to give you all the moving parts, and then we'll move forward to see how the moving parts might function in a physiological action, such as a response to something particularly scary, or as a trigger to do-- for the cells to do something different.

So let me take you, first of all, to a cartoon-like image of a cell. And we're going to just take from the very simplest beginning. But then this topic will get quite complex, as you see. But that's why I think it's important to reduce the process of protein signaling down to simple aspects of it that we can really recognize, even in much more complicated pathways.

So in protein cellular signaling, this is a complex system of communication that governs all basic activities of the cell. There are no cells that don't do signaling. Bacteria and eukaryotic cells may do signaling slightly differently. But they still do have an integrated correlated system that's responsible for triggering functions of the cell through a series of discrete steps.

So protein signaling can be dissected into three basic steps, where you, first of all, receive a signal. And we're going to talk about what that signal is. What's the nature of that signal, is it small molecule, large molecule? Where is the signal? Where does it act?

Then the next step is to transduce the signal. And finally, you have an outcome, which is a response. So we're going to talk about each of these components in order to understand flux through cellular signaling pathways, and how they work to give you a rapid response to a necessary signal.

D'accord. So in this cartoon, let's just, for example, think about what if we want to trigger cell division? We might have a signal, which is the yellow molecule-- a small molecule, large molecule. Nous y reviendrons plus tard.

There's a cell here, where on the surface of the cell is a receptor. And that would be the entity that receives the signal. So in the first step in the process, there's a buildup of a concentration of a signal. And it occupies the receptors on the surface of the cell, and in some cases, inside the cell. We'll talk about a bifurcation there. But really, a lot of cellular signaling is dominated by cells coming-- by signals coming from outside the cell.

What happens upon this binding event is the transduction. If you bind to something on the outside of the cell, as a consequence, you might have a change on that structure. If it crosses the membrane, you might have a change on that same molecule structure that's on the inside of the cell.

So that's why it's called transduction. You're transducing a soluble signal from outside, binding that signal to the cell surface receptor. And the cell surface receptor is responding in some way.

And there are two principle ways in which we respond to extracellular signals, and we'll cover them both. The next event that might happen is through the change that happens to the intracellular component of the receptor. There might be a change, a binding event, another step occur within the cell. And as a function of that, you get a response. All right?

So it's really-- thinking it in these three components is a good way to kind of dissect out the beginnings of the complication. And then what we'll be able to do is really start to see what kinds of molecules come in? How are they received? How is the signal transduced? And what's the ultimate outcome with respect to a response? Everyone OK with that? D'accord.

Now this is what you have to look forward to. So we give you something with three moving parts, and suddenly we show you something with sort of, you know, 100 moving parts. And cell biologists very, very frequently look at these maps of cells, where what they're looking at with each of these sort of little acronyms or names, all of these are proteins, where they have been mapped out through cell biology and cellular biochemistry to be existing in certain components of the cell.

And what has also been mapped out very frequently is, who talks to who? So the fact that JAK S might interact with STAT 35 and so on. So much of this was worked out through cell biology and biochemistry, and also by genetics.

So Professor Martin has talked to you about identifying a player in a complex system by genetics. Let's say you have a cell that fails to divide. You might perhaps screen or divides unevenly, or has some defect in cell division. You might be able to pick out a particular player.

Now, the key thing I want to point out to you with this cell is what's on the outside of the cell and runs across the membrane, and might have the chance, the opportunity, to have both an extracellular receptor and an intracellular function. And those key proteins are things like receptor tyrosine kinases. And we're going to talk about all of these in a moment.

G protein-coupled receptors, and various other cell surface receptors-- so all of these-- anything that spans a membrane has the opportunity to be an important component of a signaling pathway. Because what you're routinely trying to do is have your signal recognized on the outside of the cell by something that spans the membrane. The signal will bind to that. And then you will have an intracellular response.

So that's breaking it down. That's why proteins that are made through the secretory pathway that we talked about in the last lecture, that go through that endomembrane system, and end up being parked in the plasma membrane are so important.

Other proteins that actually get secreted through that pathway are also important. What do you think they may be important for? Let's say you've made a protein within the cell. It goes through all the system. It doesn't stay parked in the cell membrane. It actually gets released from the cell. What might that be doing?

BARBARA IMPERIALI: Yeah. Exactement. So that endomembrane system that I described to you, that pathway is great for making receivers. And it's great for making signals. And that's really what can sort of fuel the functions of cells. D'ACCORD.

So in systems biology, you may have heard this term quite frequently. Systems biology is research that helps us understand the underlying structure of signaling networks. So a lot of people who have common interests in engineering, computational analysis and cell biology, might bring in data to allow them to make models of cellular systems, to understand flux through signaling pathways.

So they may make fundamental measurements about the concentrations of some components within the cell. And then try to say, OK, I know based on everything I've measured that this is a dominant pathway for gene regulation. And I could control this pathway by different-- by sort of different types of interactions.

In this cellular system, I also show you another component, which is the nucleus. And when we discuss and describe specific cell signaling networks, in some cases the signaling network may involve receiving a signal, undergoing a variety of changes in the cytoplasm, but then a change that eventually results in a protein going to the nucleus. And oftentimes, those proteins that run into the nucleus are transcription factors that then trigger DNA replication or transcription. And then promote activities.

So this is how you think about it. When you think of cellular signaling, it's really about, what does the signal need to do? And what's the pathway that I follow to get there? So all of those are membrane proteins.

So now let's look at the canonical aspects of signal transduction. So the first-- and I'm going to rely on these little cartoons. But I want, both in this lecture and the next, to really show you where these recur in so many systems. So to that purpose, I want to talk about the characteristics.

So the first critical characteristic is a signal and it's specificity. So a signal will be something that comes from outside of the cell. It could be a hormone that's produced in the hypothalamus and sent to another organ. But the most important thing about the signal is that that signal, which binds to a receptor in a cell membrane, is specific for a particular receptor, and the different signal won't blind to the same receptor. You have to have faithful signal specificity to trigger the right function.

So if it's a hormone, it's got to be the hormone that you want to trigger the receptor, not a related but different-looking structure. If it's a small protein, you want it to be the exact one that binds with high specificity to a receptor.

So what that means is if something is binding-- if a small molecule is binding to a protein on the surface of a cell with high specificity and high affinity, it means that even at a low concentration, it will make that binding contact. But all the other small molecules that are around won't crosstalk into that triggering that interaction. So we have high specificity, and we gain that specificity through macromolecular interactions, just like the ones we talked about in biochemistry.

So if we have a small molecule or a protein bind to the receptor, it's making all those hydrogen bonding, electrostatic, noncovalent types of interactions with high specificity, so that a low concentration of the signal molecule is efficient for binding to the receptor to trigger the function.

The next characteristic is amplification. Now let's put some lines between these guys. Now, with all the signaling pathways that you're going to see, we're going to be looking where in a pathway you get amplification. Very commonly, you might have a response that's just the result of a single molecule binding a single receptor.

But at the end of the day, you might want a large response. You might want to make a lot of ATP. Or you might want to replicate all of the genome. So you need some kind of amplification where in a sense you're turning up the volume on your signal. And you need to do that rapidly.

So frequently in signaling pathways, you go through a cascade of reactions where the signal might affect an enzyme. But once you make that enzyme active, it might work on many, many copies of another enzyme. And then each of those may work on even more copies.

So that's what I mean by amplification, where at some stage you've generated a molecule that can result in the cascade of a reaction. So we often refer to these as cascades. So if you're Spanish-speaking, cascada. You want to think about a waterfall coming from just a single molecule of water. You're getting a large increase in your signal as a result of amplification.

The next feature or characteristic of signaling is feedback. At the end of the day, if you're signaling, I got to make some ATP. I got to run out of the woods. I'm getting chased. At a certain stage, you need to stop all of the process occurring. So feedback is just a negative feedback loop that might slow down some of those steps that are involved in amplification.

So for a pathway, you only want the pathway turned on for a prescribed amount of time. And then you want to be able to say, I'm done with that whole pathway. I don't need to keep churning through all those enzymes. It's time to stop that. And that usually occurs through negative feedback.

And remember, we talked about negative feedback when we were talking about enzyme catalyzed pathways. So feedback is very often some kind of negative feedback, which suppresses a series of transformations, perhaps through a product of those transformations acting as an inhibitor on an early step.

And then finally, the other component of a signaling network-- if you think of signaling networks as electronic structures, you have integration. So that's the last characteristic feature. And let me go back to that big circuit diagram quickly to show you an example of integration.

So if you look at this signaling pathway, all these signaling steps are not single. You just have a signal come in, and you end up, for example, in the nucleus. But rather, other components may have crosstalk within one pathway, and start out either amplifying or turning down a particular signaling pathway. So these are networks. They're not pathways. They're networks that interact and communicate, all to amplify signals or turn down signals.

So integration is an important part of signaling, because you're often dealing with the integrated function of a number of pathways to get a particular response. And that actually ends up being one of the situations where sometimes a particular enzyme may look like a perfect target for a therapeutic agent.

But if you don't take into account the integration steps, you may be trying to deal with a-- you may think you're dealing with a single pathway, but you're, rather, dealing with crosstalk with a lot of other pathways. And what often happens in a cell is there's compensation from other pathways. Is everybody following? Any questions here about this?

So what I want you to think about is that it's just amazing what is orchestrated to have even the simplest functions in the cell, how many interacting components there may be.

Specificity, amplification, feedback, and integration-- all right, so let's talk briefly about types of signals and how we name them, where they come from, in order to make sure we're all on the same page with respect to the language that's used.

So now, signals may take different molecular forms. They may be small molecules, for example, an amino acid or a phospholipid-- just something little. Alternatively, they may be proteins. They may be carbohydrates. They might take different forms in terms of their molecular structure. But we tend to describe signals by where they come from.

So what I've shown you here is a picture from the book that just describes how we refer to certain signals. So there are four different terms-- autocrine, juxtacrine-- and I'm going to just give you a little hint to how to remember these terms-- paracrine, endocrine. D'ACCORD. So these don't tell you anything about the molecule. They tell you about where it's come from.

So an autocrine signal is a signal that may come from a cell, but it's signaling to itself. So it may produce a component that's released. And so it's producing this through a secretory pathway. It's a release, and it stays in the vicinity of the cell. So the self is self-signaling. So whenever you see something auto, you just want to say, oh, that means it's coming from the same cell where the signal occurs.

Let's move to the next one, which is paracrine. I'm going to talk about jux-- and that's usually from a nearby cell, not a cell that's in contact-- definitely a different cell. So paracrine is-- we would always call nearby. And endocrine is completely from somewhere else, so perhaps coming through the circulatory system. One cell may release an endocrine signal. It may weave its way through the vascular system, and then target a cell. So endocrine is always from a distance.

And juxtacrine is the only one that's a little odd. It's really from cells that actually are in contact with each other. So it's not self-signaling within a cell. It's not a cell that's nearby but pretty close. It's actually physically making a contact. And so that's the last terminology there.

So hopefully, I can get this calcium wave to show you. This is just a video of juxtacrine to signaling. I just want you to sort of keep an eye on things. It's usually a cell. What you're observing here is a dye that lights up in the presence of calcium flux. It's called Fura-2.

And so when you stare at these for long enough, what you can notice is that when one signal will often come from an adjacent cell right near it-- so there are long prostheses. You're not looking at the entire cell, but they're definitely-- for example, this little duo down here, they keep signaling to each other. And that's just a juxtacrine signaling, because the cells are in the contact.

So that just shows you the difference there. If it was autocrine, you just have a single cell responding. If it's paracrine, they would be at more of a distance to each other. I hope that imagery-- this is from a website in the Smith Lab at Stanford.

D'ACCORD. And then the last thing I want to give you an example, there are many, many hormones in the body that undergo endocrine signaling, and so one example I thought I would tell you about, you all know that insulin is made in the pancreas. It's an important hormone for regulating glucose levels. And it's actually-- functions at the muscle level. So insulin is an example of an endocrine signal, because it travels a distance from where it's made in the body to where it functions in the body. D'accord.

Now-- so we've talked about the types of signals. Let's now move to the types of receptors. Now, we cover both the intracellular and the cell surface receptors. But we really will focus a lot on the cell surface receptors.

I just want to give you a clue that not all signaling is cell surface. So what I've shown you here is a cartoon where you see signaling, where a signal comes from outside the cell. It goes into the cell and triggers a change. And then the majority of the time we'll talk about these receptors that are in the plasma membrane. And they have an outside place where the signal binds, and they trigger a response inside.

And it's only very specific signals that are able to signal intracellularly, that is, to cross the membrane to get inside the cytoplasm to do the triggering. What kinds of molecules can cross the membrane easily? We talked about that before, when we talked about getting across that barrier. Oui? Nonpolar. D'ACCORD.

So you can look at a-- you can stare at a molecule, and if it's very polar or pretty large, it's not going to be able to sneak through a membrane. So something like a steroid molecule, a large, greasy molecule, can definitely make that transition. And so those are the only types of signals that we can really do inside the cell, because they can get across the cell. Many, many other signals have to go through this-- bind to the outside of a cell, and transduce a signal to the inside of the cell.

So one very typical signal that can bind to an intracellular receptor is a steroid. So remember when I talked to you about these lipidic molecules, things like testosterone and cortisol. These are very hydrophobic molecules. So they literally can cross from the outside of the cell without a transporter. So for example, the hormone cortisol.

And when that functions, it just-- an amount of it becomes available, for example, in the bloodstream. It crosses the cell, and it binds to an intracellular receptor. Once it binds to that intracellular receptor, this disengages a different kind of chaperone protein that's keeping it stable. Once it's found, it can then go into the nucleus and trigger transcription. So this is the one example of an intracellular receptor that we'll talk about.

I just wanted to show you a little bit about the steroid receptors. These are molecules that are very-- these are macromolecules, proteins that are very-- quite a complex structure. But they can literally-- and I'll show you the picture at the beginning of the talk next time-- they can literally engulf these proteins. So once the steroid is bound to that, it completely changes shape. And that's what enables the change for it to be triggered and sent to the nucleus.

Now, the key types of receptors that we'll focus on, though, are the cell surface receptors. And there are three basic classes of molecules that occur in the plasma membrane that are critical for cellular signaling. They are the G protein-coupled receptors, the receptor tyrosine kinases, and then you will talk in the lecture 22 about ion channels, and how they perform a receptor function.

So the membrane proteins, first of all, I want to underscore their importance. 50%-- they comprise 50% of drug targets, the receptor tyrosine kinases and the G protein-coupled receptors. The G protein-coupled receptors have this 7 transmembrane helix structure, which spans a membrane. This would be the outside of the cell, and the inside of the cells-- so there's signals going across there.

The receptor tyrosine kinases are another important type of receptor. They are dimeric proteins that in the presence of a ligand dimerize, and then cause intracellular signaling. Once again, they cross the plasma membrane from the outside to the cytosol. And then lastly, there are the ion channels, which also may cross the plasma membrane.

And when you think about these classes of proteins, there's a tremendous amount to be learned with respect to their functions. And they are so important to understand their physical functions in the body, because they really represent the place, the nexus, where signaling happens in the cell.

So I want to briefly show you a picture of a GPCR. It's a 7 transmembrane helix structure. You can see it here. There are about 30% of modern drugs actually target the GPCRs. And here, I'm just going to show you the structure of a GPCR. Those are the 7 transmembrane helices. If you stretch them out, that's about the width of a membrane. That's typical of a signal that would bind to that kind of receptor.

This is a chemokine. It's a small protein receptor. So you can see that structure and how it would go from one side of the membrane to the other. In it's bound state, the chemokine binds to the 7 transmembrane helix receptor through kind of a clamping action. The magenta is the chemokine. The blue and the green space filled parts are actually what holds the chemokine.

And if you look at it where the membrane would be, you can see how you can transduce a signal from one side of the membrane to the other, by the binding of the magenta molecule to the outside of the cell, to those loops outside the cell. That would have a significant perturbation to the biology and chemistry of what's going on on the inside.

So next class, we'll talk about pathways that are initiated by these G protein-coupled receptors, and what that terminology means. D'ACCORD.



Commentaires:

  1. Sevilin

    Entre nous, je vous conseille d'essayer de rechercher sur google.com

  2. Dosida

    Votre phrase est très bonne

  3. Eduardo

    J'aime cette phrase :)

  4. Melwas

    super, je n'ai pas ri comme ça depuis longtemps

  5. Tetaur

    Pièce plutôt amusante



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