Log in to StudySoup
Get Full Access to UA - BSC 300 - Study Guide
Join StudySoup for FREE
Get Full Access to UA - BSC 300 - Study Guide

Already have an account? Login here
Reset your password

UA / Biological Sciences / BSC 300 / What are the general characteristics of signal transduction systems?

What are the general characteristics of signal transduction systems?

What are the general characteristics of signal transduction systems?


School: University of Alabama - Tuscaloosa
Department: Biological Sciences
Course: Cell Biology
Professor: John yoder
Term: Fall 2016
Tags: Cell and Biology
Cost: 50
Name: BSC 300, Final Exam Study Guide
Description: Notes on the final
Uploaded: 12/01/2016
20 Pages 213 Views 5 Unlocks

BSC 300 Final Study Guide

What are the general characteristics of signal transduction systems?

Chapter 15

Cell Signaling

1. General Characteristics of Signal Transduction Systems

∙ Extracellular messenger molecules transmit messages between cells

o Autocrine signaling: cell receptors respond to self­generated messenger o Paracrine signaling: messenger molecules travel short distances through  extracellular space

o Endocrine signaling: messenger molecules travel through bloodstream ∙ Receptors on or in target cells bind the extracellular signaling molecule: the  ligand

o Some cell surface receptors generate an intracellular second messenger  through regulated activity of associated effector enzymes

o Second messengers: small soluble molecules that regulate specific target  proteins

What is the meaning of autocrine in signal transduction systems?

∙ Signaling pathways: a series of protein interactions that initiate a cellular  response We also discuss several other topics like Who is known as the father of modern sociology?
If you want to learn more check out What is the function of the supreme court?

o Each protein in the pathway alters the conformation of the next protein o Kinases add phosphate groups, phosphatases remove them 

o Overall process is called signal transduction

∙ Protein phosphorylation can change protein behavior in different ways: o Activate or inactivate an enzyme

o Increase of decrease P­P interactions

o Alter subceullar location of protein

o Trigger ubiquitination and protein degradation

o Phosphorylation patterns differ between cell types

∙ Extracellular messengers and their receptors We also discuss several other topics like What are the three sources of work family conflicts?

o Small molecules like amino acids and derivatives

What is the meaning of paracrine in signal transduction systems?

Extracellul ar  

Messenger Receptors

o Cases like NO and CO

o Steroids

o Eicosanoids, lipids derived from fatty acids

o Various peptides and proteins

o G­protein coupled receptors (GPCRs)

o Receptor protein­tyrosine kinases (RTKs)

o Ligand gated channels

o Steroid hormone receptors

o Unique receptors like immunoglobin T and B cell receptors

2. G Protein Coupled­Receptors Produce Secondary Messengers ∙ Largest superfamily of proteins encoded by animal genomes

∙ Have seven alpha helical transmembrane domains and interact with cytoplasmic  G proteins

∙ Natural ligands: hormones, neurotransmitters, opium derivatives, 

chemoattractants, and photons

∙ G proteins are heterotrimeric: composed of 3 subunits; alpha, beta, and gamma ∙ Bound to membrane by covalently attached lipid chains (prenylation) ∙ Galpha is the catalytic subunit

∙ Bound to GDP the three proteins are tightly associated as a complex and inactive ∙ Ligand binding of receptor, activates Galpha exchanging GDP for GTP ∙ Alters conformation of the complex and releases Galpha subunit which now  interacts with effector enzymes regulating their activity Don't forget about the age old question of What are a person's usual ways of thinking behaving and feeling?

∙ By hydrolyzing GTP they inactivate themselves We also discuss several other topics like What is an example of selection bias?

∙ Desensitization – blocks active receptors from turning on additional G proteins o GPCR kinases (GRKs) phosphorylate the receptor which inhibits 

activation of other G proteins

o Arrestin then binds phosphorylated GPRCs and delivers them to clathrin  coated pits for endocytosis 

o If receptors are recycled and returned to the cell surface, the cells remain  sensitive to the ligand and are said to be resensitized We also discuss several other topics like A company issues 400 shares of %5 par value preferred stock for $12 per share. what amount will be credited to the preferred stock account when recording this transaction?

o Receptors can be degraded by lysosomes

o Also may serve as intracellular sites for activating transduction pathways ∙ Cyclic AMP (cAMP) is generated in response to ligand binding of certain GPRCs o Small, rapidly diffusible molecules that relay information from the  activated receptor by binding and activating target proteins 

∙ Phosphatidylinositol plays important roles in signaling pathways

o Generation of second messenger inositol triphosphate (IP3)

o Phosphoinositides (PI) are phosphorylated forms of phosphatidylinositol  Formed by activity of specific kinases

 Bound by and activate a number of proteins

o Effector enzyme phospholipase C­beta (PLC­beta) is activated by some  G proteins

o PLC­beta cleaves PI(4,5)P2 generating inositol triphosphate (IP3) and  diacylglycerol (DAG)

o DAG remains membrane bound and activates the enzyme protein kinase  C.  PKC phosphorylates serine and threonine residues on diverse target  proteins

 These proteins play roles in cell growth, differentiation, cell death,  metabolism and the immune response

o IP3 is water soluble and can diffuse through the cell rapidly

o IP3 binds the IP3 receptor on the SER surface.  Activation releases Ca2+  into cytoplasm

3. Glucose Release: A Protein Kinase Initiated Reaction Cascade

∙ Glucagon and epinephrine bind to different receptors on the same cells

∙ Both hormones stimulate glucose breakdown and inhibit its synthesis ∙ cAMP is activated by the G protein associated with both hormone receptors ∙ cAMP is synthesized from ATP by the effector enzyme adenylyl cyclase ∙ cAMP molecules diffuse into the cytoplasm where they bind the cAMP dependent protein kinase (protein kinase A, PKA)

∙ Glucagon and epinephrine bind different GPCRs, but activate the same  transduction cascade leading to 2 responses:

o Enzymatic response: inhibition of glycogen formation and hydrolysis of  glycogen to glucose

 cAMP binds and activates PKA

 PKA phosphorylates and inactivates the enzyme that polymerizes 

glucose into glycogen

 PKA phosphorylates and activates another kinase that activates the phosphorylase that cleaves glycogen into glucose monomers

o Transcriptional response: transcription of gluconeogenesis genes   PKA also translocates into the nucleus, where it phosphorylates 

and activates a transcription factor called CREB

 Activated CREB binds enhancers/promoters of genes activating 

their transcription 

4. Cascades Regulated by Phosphatases and Inhibitors

∙ A­kinase anchor proteins (AKAPs) form a scaffold that couples PKA with  specific substrates and proteins of the signaling pathway

o AKAPs provide subcellular localization of the signaling pathway

o AKAPs can target PKA to a number of different compartments, including  the plasma membrane, mitochondrion, cytoskeleton, centrosome and 


5. Second Messengers and Activation: Phosphatidylinositol­Derived and Ca2+ ∙ Rhodopsin is a photosensitive protein for black and white vision that is also a  GPCR

o Absorption of photons of light

o Several color receptors in the cones of the retina are GPCRs

∙ Distal tip of neurons in nasal epithelium contain diverse odorant receptors  ∙ Perception that a food is bitter, sweet, or savory depends on a compound  interacting with a GPCRs at the surface of the receptor cell

6. Receptor Tyrosine Kinase Signaling Pathway

∙ Protein tyrosine kinases phosphorylate tyrosine residues on target proteins o Regulate cell growth, division, differentiation, survival and migration ∙ Receptor tyrosine kinases (RTKs) are cell surface receptors of the protein tyrosine kinase family

∙ RTK signaling requires that two RTK receptors form dimers

o Results from ligand binding

o Ligand mediated: ligand contains two binding domains

o Receptor mediated: ligand binding to one receptor induces conformational change that promotes association with second receptor subunits

∙ Promotes trans­autophosphorylation

o This activates kinase activity, leading to more transphosphorylation o These phosphorylated tyrosines serve as docking sites for other proteins  that will transduce the signal internally 

∙ Phosphorylated tyrosines are bound by diverse proteins that contain docking  domains that recognize the phosphorylated tyrosine

∙ Most well studied docking proteins contain one of two domains:

o SH2 domains (Src homology)

o PTB domains (phosphotyrosine binding)

∙ Cells contain numerous proteins with SH2 or PTB domains that bind to  phosphorylated tyrosine residues.  Their functions include:

o Adaptor proteins that bind/recruit other proteins/enzymes

 Contain additional interaction domains that recruit other proteins to the activated receptor

 Adapter protein Grb2 contains an SH2 domain for receptor 

recruitment and SH3 domains for recruitment of the G protein Ras

that stimulates cell proliferation

o Docking proteins that supply receptors with other tyrosine 

phosphorylation sites

o Transcription factors, that are activated by phosphorylation by the  receptor

o Signaling enzymes (kinases) that regulate other proteins in a cascade  7. Ras Protein and the MAP Kinase Cascade Controls Cell Function

∙ Ras is a monomeric G protein anchored to the membrane by farnysylation ∙ 30% oh human cancers have activating mutations in one of the 2 Ras genes.   These mutations inhibit the GTPase activity of the protein; leaving it constantly  active

∙ Genes that when mutated to an activated form and promote cancer are called  proto­oncogenes and the mutated alleles are called oncogenes 

∙ GTPase­activating proteins (GAPs) shorten the active time of Ras by  stimulating its GTPase activity

∙ Guanine nucleotide exchange factors (GEFs) stimulate the exchange of GDP  for GTP thereby promoting G­protein function

∙ Guanine nucleotide­dissociation inhibitors (GDIs) inhibit release of GDP and  therefore serve to shutoff G­protein activity

∙ Once GTP bound, signaling G­proteins bind and stimulate activity of a  downstream target protein: usually a kinase 

o GEFs promote exchange of GDP for GTP and are recruited to the active  receptor to perform this activity

o GAPs function as a clock that regulates the length of response a cell has to signal by controlling how long the G­protein is bound to GTP

o GDIs are activated to suppress signaling by blocking the exchange of GDP for GTP

∙ The Ras­MAP kinase cascade relays signals from the plasma membrane through a series of kinase intermediates leading to activation of a terminal transcription  factor

∙ The activates receptor recruits the docking protein Grb2 which in turn recruits a  GEF called Sos

o Sos binds membrane bound Ras and facilitates exchange of GDP for GTP  o Activated Ras now binds the first kinase in the ensuing MAP kinase  cascade

o MAP kinase = mitogen activated protein kinase

o Activated Ras can interact with diverse relay kinases that promote the  signal

o Most critical relay protein is Raf, a serine­threonine kinase that serves to  relay the signal to the MAPK cascade

o Specificity is also aided by scaffolding proteins that tether proteins of the  pathway in specific spatial orientations.  

 Some induce conformational change in signaling proteins, 

activating or inhibiting those targets

 Some have enzymatic activity

∙ Signaling by the insulin receptor

o Insulin regulates blood glucose levels by increasing cell glucose uptake o The insulin receptor is an RTK: it is covalently dimerized

o Ligand binding and autophosphorylation recruits a unique class of small  peptide docking proteins called insulin receptor substrate proteins (IRSs) o IRSs have a long tail with many tyrosines that can be phosphorylated by  the receptor

o They bind various SH2 proteins to activate downstream signal molecules o Two critical pathways activated downstream of iRSs include the Ras  pathway and the PI­3­kinase pathway

 PI3 kinase phosphorylates the phosphoinositides PI(4,5)P2 to  generate PIP3

 PIP3 binds and activates the kinase Protein Kinase B, which 

mediates several events:

∙ Glucose uptake

∙ Glycogen synthesis

∙ Transcriptional activation of diverse genes

 Protein Kinase B (PKB) regulates glucose uptake by GLUT4  transporters

∙ GLUT4 transporters are located in intracellular vesicles

∙ Insulin activation of PKB promotes vesicle fusion, 

presenting this transporter at the cell surface

 PKB also phosphorylates an inhibitor of glycogen sysnthesis called glycogen synthase kinase

∙ Calcium as an intracellular messenger

o Cytoplasmic calcium levels are kept low due to Ca2+ pumps that export  the ion into the extracellular space or ER

o Recall: activation of phospholipase enzymes by GPCRs catalyzes cleavage of PI(4,5)P2 into inositol triphosphate (IP3) and diacylgyycerol (DAG) o IP3 diffuses to the ER, binding receptor channels that release Ca2+ into  the cytoplasm

8. Differences: Convergence, Divergence and Crosstalk in Signaling Pathways ∙ Signaling pathways can converge, diverge and crosstalk

o Signals from unrelated receptors can converge to activate a common  effector

 GPCRs, receptor tyrosine kinase and integrins bind to different 

ligands but they can all produce a docking site for Gbr2

o Identical signals can diverge to activate a variety of effectors

 All of the examples of signal transduction so far are evidence of 

divergence of how a single stimulus sends signals along a variety 

of different pathways

o Signals can be passed back and forth between pathways from crosstalk  Signaling pathways are not linear processes but communicate to 

one another in cells producing cell­type specific responses:

∙ cAMP can block signals transmitted through the MAP 

kinase cascade

∙ Ca2+ and cAMP can influence each other’s pathways

9. Nitric Oxide as Cellular Messenger

∙ Nitric oxide (NO): both an intra­ and intercellular messenger with a variety of  functions

∙ NO is produced by the enzyme nitric oxide synthase and can diffuse to other ells  to stimulate a response

∙ Does so by stimulating the enzyme guanylyl cyclase, make cGMP

∙ NO functions to dilate blood vessels by relaxing the smooth muscles that surround the vessels

∙ Endothelial cells of blood vessels possess a GPCR for the neurotransmitter  acetylcholine

∙ Activation of this receptor stimulates IP3 release and that activation of Ca2+  channels

∙ The ion activates NO synthase

∙ NO diffuses from the endothelial cells into the surrounding muscles, where it  binds and activates guanylyl cycles, making cGMP

∙ cGMP, another second messenger, activates ER calcium pumps that reduce Ca2+  in the muscle cytoplasm

o Inhibits muscle contraction

10. Apoptosis and Signaling 

∙ An ordered process involving cell shrinking, loss of adhesion to other cells,  degradation of chromatin and engulfment of the cell by phagocytosis

∙ Apoptotic changes are activated by proteolytic enzymes, caspases, which target: o Protein kinases

o Lamins

o Proteins of the cytoskeleton

o Caspase activated DNase (CAD)

∙ Apoptosis is needed during embryonic development to form structure, organs and  tissues

∙ Also active in the adult, about 10^10­10^11 cells die every day

∙ Reduced or elevated apoptosis is linked to:

o Cancer

o Parkinson’s, Huntington’s and Alzheimer’s

o Diabetes type I

∙ Extrinsic pathways

o Signaling molecule tumor necrosis factor (TNF) is bound by a TNF cell  surface receptor

o Bound receptors recruit “procaspases” to cytoplasmic domain

o These bound procaspases cleave one another is order to generate a mature  initiator caspase: proteins that begin apoptosis

o They do this by cleaving and activating executioner caspases the enzymes  that hydrolyze diverse biological molecules

∙ Intrinsic pathway

o Initiated by intracellular stimuli and regulate by the Bcl2 family of  proteins: members of which play both pro­ and anti­apoptotic roles

o All Bcl2 family proteins contain one or more small protein­protein  interaction domains called BH domains

o Together, the Bcl2 proteins regulate permeability of the mitochondrial  membrane to pro­apoptotic factors contained within that organelle

o Release of these factors promotes intrinsic apoptosis 

o Cellular damage activates surveillance proteins that activate members of  BH3 only subfamily

o BH3 only proteins function by:

 Binding and inhibiting anti­apoptotic proteins

 Stimulating release of mitochondrial proteins, primarily 

cytochrome c, that promote apoptosis 

o Cell damage or stress activates one of the BH­3 only proteins

o The BH­3 protein binds the other Bcl2 family members named Bax and  Bak that form an open channel in the outer mitochondrial membrane

o This channels allows the release of cytochrome C into the cytoplasm o Cytochrome C binds the initiation caspase called caspase­9

o Cytochrome C and caspase­9 form a large pinwheel shaped multi­protein  complex called an apoptosome: this activates caspase­9 without a need for being cleaved

o Caspase­9 then cleaves an executioner procaspase, activating apoptosis ∙ Clearance 

o Cell fate depends on a balance between pro­ and anti­apoptotic signals o Apoptosis occurs without spilling cellular contents, thereby preventing  inflammation and the release of hydrolytic enzymes into the extracellular  space

o Rather, the cell is destroyed from the inside, disintegrating into a 

condensed, membrane­enclosed apoptotic body

Chapter 16


1) The general characteristics and phenotypes of cancer cells

∙ Cancer principally results from DNA mutations in somatic cells leading to: o Changes in gene expression and protein activity

o Uncontrolled cell proliferation: forming malignant tumors

o Malignant tumors tend to metastasize

o Some inherited mutations increase the risk of developing cancer

∙ Malignancy in cancer is characterized by anaplasia (altered cell morphology,  contact and orientation), invasiveness and metastasis: the ability to leave the  primary tumor, travel throughout the body and establish secondary tumors

∙ Malignant tumors are characterized by genome instability, having between 10,000 and 100,000 mutations in their genomes

∙ Cancer also shows tumor heterogeneity: multiple subclones, each with their own  set of genetic mutations 

∙ Cancer cells frequently have reduced expression of DNA repair enzymes due to  epigenetic methylation of DNA repair genes or altered expression of microRNAs  that control DNA repair gene expression

∙ Contact inhibition: normal somatic cells when grown in culture arrest when they make contact with other cells

∙ Anchorage dependency: normal somatic cells require contact with other cells or  basement membrane 

∙ Normal cells also require external positive growth factors in their media that  instruct them to divide

∙ Malignant cells are not responsive to the influences that cause normal cells to stop growth and division

o Malignant cells do not display:

 Contact inhibition

 Anchorage dependency and

 Have lost the requirement for stimulatory growth factors

∙ Different types of cancer cells share a number of similarities:

o Abberant chromosome numbers (aneuploidy)

o Fail to initiate apoptosis

o High metabolic requirements 

o Activated telomerase

o Glycolysis dependent – even in the presence of )2

o Can stimulate blood vessel formation – in the absence of O2 many cancer  cells activate HIF transcription factor promoting angiogenesis 

∙ Specific causes of most cancers still unknown, but a combination of personal  genetics and environment is at the core of almost all cases

∙ Mutagens, such a carcinogenic chemicals and radiation, promote cancer by  increasing mutation rate

∙ DNA tumor viruses and RNA tumor viruses carry genes whose products interfere  with cell growth regulation

∙ Diet can influence risk of developing cancer 

2) The general process of metastasis

∙ Development of a malignant tumor (tumorigenesis) is a multistep process o Cancer results form an uncontrolled proliferation of a single cell

o Tumorigenesis occurs by a cumulative progression of genetic alterations o Cells become less responsive to growth regulation and better able to  invade normal tissues and evade the immune system

o First step if the formation of a benign tumor, composed of cells that  proliferate rapidly but cannot metastasize to other sites 

o The products of the genes involved in carcinogenesis are usually 

responsible for cell cycle regulation, cell adhesion and DNA repair

o The sequence in which genes mutate influences the development of cancer o Cancer is usually monoclonal – a tumor usually arises from a single cell  that has acquired a set of mutations that allows it to begin growing 

uncontrollably.  Subsequent mutations within the tumor lead to 

heterogeneity and competition

o The most common solid tumors – breast, colon, prostate, skin and lung –  arise in epithelial tissues that normally have a high rate of division

o Also true of leukemia, which arises from rapidly dividing blood stem  populations

o Two, non­mutually exclusive, hypotheses for the origin of most cancers  Stem cells

 Their not yet differentiated daughters – progenitor cells 

o Early mutations prevent the daughter cells from exiting the cell cycle o As well as turn off the cell cycle check points

o As tumors grow, the cells experience natural selection – those that are  capable of better evasion and longer lineage will increase in number 

o Not all alterations are genetic – some that follow are epigenetic

o As tumors progress, cells within continue to acquire mutations and altered  chromatin

o Advanced tumors harbor many clonal sub­populations making them  difficult to treat by specific chemical means

∙ Loss of a critical tumor suppressor  followed by activating mutation in a proto oncogene  loss and gain of additional tumor suppressors and proto­oncogenes  leads to malignancy  additional mutations promote metastasis

3) The use of chemotherapy and radiation to fight cancer

∙ Conventional cancer therapy is being augmented or replaced by new targeted  therapies based on molecular profile of malignancy

o Targeted to attack only cancer cells, leaving normal cells unscathed o Targeted to a specific protein whose inactivation leaves the cancer cells  unable to grow or survive

o Targets to the cancer cells of a particular patient based on their unique  pattern on somatic mutations

∙ New strategies include:

o Antibodies against tumor cells

o Antibodies against our immune system

o Inhibition of cancer­promoting proteins

o Preventing the growth of blood vessels that nourish the tumor

∙ Immunotherapy 

o Passive immunotherapy uses antibodies targets against specific oncogene  proteins

 Herceptin is an antibody against growth factors that stimulates 

proliferation of breast cancer cells

 Rituxan is an antibody that binds to cell surface proteins of non

hodgkin’s lymphoma

 Vestibix is an antibody directed against the EGF receptor of colon  cancer 

4) The evidence that cancer has to some extent a genetic basis

∙ Genetic changes during tumor progression are accompanied by histological  changes – the appearance of the cells

∙ Initial changes often produce precancerous cells that have gained some cancer cell properties, such as loss of certain growth controls, but lack the capability to  invade normal tissues or metastasize to distant site.  

∙ For example: cervical cancer typically progresses over a period of 10+ years and  is characterized by cells that appear increasingly abnormal

∙ Some tissues are prone to developing benign tumors that have entered senescence ∙ However, people with large number of moles have an increased risk of  developing melanoma which account for 75% of skin cancer deaths

∙ Studies of cancer genomes suggest that the same tumors from different  individuals express highly divergent combinations of genes

∙ A small number of pathways are shared by specific types of cancer

∙ But each individual’s cancer also has a large number of distinct individual mutant  genes 

5) Tumorigenesis: initiation and promotion

6) Tumor­suppressor genes and oncogenes

∙ Tumor suppressor genes encode proteins that restrain cell growth

o Loss of function mutations that inactivate or delete tumor suppressor  genes promote cancer formation

o Tumor suppressor mutations act recessively.  Both copies normally need  to be inactivated in order to promote cancer progression

∙ Proto­oncogenes encode proteins that normally function, under tight regulation, to promote cell growth and proliferation

o An oncogene is a mutated proto­oncogene

o Oncogenes result from dominant gain of function mutations that 

inappropriately activate proto­oncogenes 

o This means that a heterozygous gain of function mutation can 

contribute to tumor formation

∙ For a cell to become malignant, both alleles of a tumor suppressor gene must be  lost, and a proto­oncogene must be converted into an oncogene 

∙ Most tumor suppressor gene encoded proteins that act as negative regulators of  cell proliferation (like p53)

∙ Products of tumor suppressor genes also help maintain genetic stability, which is  the primary reason that tumors present such aberrant karyotypes

7) The connection between oncogenes and proto­oncogenes

∙ Proto­oncogenes can be converted into oncogenes (activated) by several  mechanisms:

o Mutations that lead to constitutive expression or activation

o Gene duplication resulting in excess transcription and translation

o Chromosome rearrangement that bring the proto­oncogene into close  proximity to regulatory regions of other genes 

∙ Oncogenes 

o Primarily encode growth factors of their receptors

o Diversity of oncogene activity reflects the variation in signaling pathways  that operate in diverse call types

o The most commonly mutated proto­oncogene in humans in the Ras G protein

∙ Oncogenes that encode cytoplasmic protein kinases

o Raf, a serine­threonine protein kinase in the MAP kinase cascade, can be  converted into an oncogene by mutations that turn it into a kinase that is  always “on”

o The proto­oncogene Src is a protein tyrosine kinase that phosphorylates  proteins involved in signal transduction, control of the cytoskeleton and  cell adhesion

∙ Other oncogenes encode nuclear transcription factors

o For example, Myc protein stimulates cells to re­enter cell cycle from G0  stage

o Overexpression of Myc may cause cells to proliferate uncontrollably  ∙ Others encode proteins that affect DNA methylation or histone modification o Examples include: DNA methyltransferases, histone acetylases and  deacetylases, histone methyltransferases and demethylases and proteins in  chromatin remodeling complexes

∙ Others encode metabolic enzymes

o Tumor cells are more reliant on glycolysis compared to normal cells o TCA mutations cause conversion of isocitrate to an abnormal metabolite  that impacts histone demethylation and DNA methylation, leading to 

aberrant gene expression

8) Discuss some of the genes involved in cancer initiation and progression ∙ Retinoblastoma (RB) gene was the first discovered tumor­suppressor gene o RB mutation is inherited in certain families, and occurs sporadically in the population at large

o Often inherited as a single copy deletion 

o Development of RB cancer required the second copy to be altered or  eliminated via spontaneous mutation

o Retinoblastoma regulates cell cycle at the G1/S transition – one of the  three critical check points

o The RB protein (pRB) binds and inhibits E2F1 activity during early G1  E2F1 protein activates genes required for the G1/S transition – 

principally those involved in DNA replication

 The G1/S Cdk phosphorylates pRB, releasing this inhibition and 

therefore promoting G1/S transition

 Animals with one mutated copy of RB gene have an elevated risk 

of developing cancer

o Tumor promoting viruses like human papilloma virus, SV40 and 

adenovirus encode a protein called the Large Tumor Antigen (Tag) that  binds and inhibits pRB function

o Tag also inhibits other major tumor suppressor proteins like p53

∙ P53: guardian of the genome

o P53 protein suppresses formation of tumors and maintains genetic stability o Half of all human cancer cells have mutations in the p53 gene

o Poorest survival rate of all cancer types 

o P53 transcription factor, activates expression of p21 a G1/S Cyclin­Cdk  inhibitor

o When a cell sustains damage to its DNA, the concentration of p53 rises so  that the damage can be repaired before initiating DNA replication

o P53 also triggers apoptosis in cells whose DNA is damaged beyond repair  o P53 is normally bound by a protein called MDM2 which 1) keeps it out of  the nucleus and 2) ubiquinates it for proteasome destruction

o DNA damage activates the ATM kinase and one of its targets is p53

o This phosphorylation releases p53 from MDM2 allowing it to translocate  into the nucleus and transcribe target genes like p21 

∙ Mutations of tumor suppressors other than RB or p53 are found in only a few  cancer types

∙ Colon cancer is often associated with an inherited deletion in a tumor suppressor  gene called APC

∙ Inherited breast cancer is caused by mutations in BRCA tumor suppressor genes  encoding enzymes involved in DNA mismatch repair

9) The connection between apoptosis and cancer 

∙ Also affects apoptosis because alterations tend to diminish the cell’s ability to  self­destruct increasing likelihood of a cell giving rise to a tumor

∙ Overexpression of Bcl­2 leads to suppression of apoptosis, allowing abnormal  cells to proliferate into tumors

∙ Protein products from tumor suppressor genes and proto­oncogenes finely  regulate several pathways including:

o Apoptosis or the sensitivity to apoptosis after an insult

o Proliferation and the response to external stimuli

o Immortalization through the regulation of telomerase

o Senescence, where cells are metabolically active but are non­diving

∙ The mutator phenotype: mutant genes involved in DNA repair

o Mismatch repair defects predispose cells to abnormally high mutation  rates, which increases the risk of malignancy

∙ MicroRNAs: new players in the genetics of cancer

o Two miRNAs inhibit expression of the mRNA that encodes the anti

apoptotic proteins BCL­2.  They are activated to promote apoptosis.  Loss  of these miRNAs promotes cancer progression

o Others behave as proto­oncogenes: one cluster of miRNA genes is 

overexpressed during the formation of some lymphomas

o Some miRNAs are implicated in tumor metastasis

Chapter 17

The Immune Response

A. The innate immune response

∙ All plants and animals

∙ Recognize and respond to pathogens in a generic way

∙ First line of defense

∙ Lacks molecular specificity

1. Anatomical barriers: epithelial surfaces act as barriers to pathogenic cells and  viruses

in the GI and respiratory tract extracellular movement helps remove infectious  agents

the gut flora compete with and generate a toxic environment to invading pathogens

2. Inflammation: chemical factors released by injured/infected cells establish barriers  against the spread of infection, and promote healing of damaged tissue after  pathogens are cleared

∙ Acute inflammation: follows injury/bacterial infection.  Localized and short lived ∙ Resident myeloid immune cells (mast cells, macrophages, dendritic cells) express  a variety of pattern recognition receptor (PRR) proteins that recognize molecules  broadly expressed by pathogens but not host cells.  Such pathogen molecules are  called pathogen associated molecular patterns (PAMPs)

∙ A critical class of PRRs are the toll like receptors: activation of TLRs induces  NF­kB signaling leading to secretion of pro­inflammatory cyotkines.   Collectively, these cytokine signals activate the inflammation response of the  innate immune system

∙ Cytokine: a broad category of signaling proteins that regulate immune response  by affecting behavior of other cells through regulated growth, maturation and  responsiveness to other signals

o Cytokines circulate locally and through the blood system and bind  receptors on target cells

o Recruit white blood cells (dendritic cell, macrophages, neutrophils) that  engulf foreign bacteria and communicate with acquired immune response o Stimulate blood vessel dilation: through controlled release of NO and  histamine.  Dilation increases ability of macrophages to penetrate infected  tissue

∙ Humans have 10 TLRs that bind various foreign agents like: bacteria cell wall,  peptidoglycans, flagellar proteins, dsRNA from viruses and unmethylated DNA ∙ TLR signaling also initiates activation of the adaptive response by recruiting  dendritic cells and macrophages

∙ The complement system: “complements” the acquired immune system, but is also activated by non­acquired immune system mechanisms

∙ When antibodies of the acquired system bind a foreign particle they recruit  complement proteins.  These are diverse, liver produced, blood soluble proteins  that are activated by proteolytic cleavage into small functional proteins. o Dilate blood vessels for enhanced entry of immune cells

o Recruit phagocytes to the cite of infection

o Tag pathogens for destruction by phagocytes

o Puncture the cell walls of invading bacteria, leading to ionic imbalance  and cell death

∙ Some virally infected cells produce ligands that bind receptors on natural killer  (NK) cells, which induce apoptosis in the infected cell

∙ NK cells also function as the first line of defense against tumor cells by  recognizing certain “stress” or “danger” signals from the tumors

∙ Many viral­infected cells produce and secrete cytokines called interferons ∙ Interferons bind non­infected cells and activate signal transduction that inhibits  the translation factor eIF2

∙ Such cells stop protein translation and therefore cannot synthesize viral proteins  required for viral replication

∙ Other interferons induce transcription of miRNAs that target viral RNA genomes  for destruction

B. The acquired immune response: humoral and cell­mediated immunity ∙ Vertebrates only

∙ Immunological memory that enhance response to subsequent encounters with an  invading pathogen or foreign substance

∙ Humoral: soluble proteins (including antibodies) that neutralize, immobilize,  agglutinate or lead to the death of pathogens

∙ Cell­dependent: cells that directly kill or ingest infectious or altered cells without  the aid of antibodies 

∙ Has molecular specificity

∙ Leukocytes: “white blood cells”: born from hematopoietic stem cells of the bone  marrow and differentiate into either myeloid or lymphoid lineages

∙ Myeloid: mediate innate immune responses along with Natural Killer cells of the  lymphoid lineage

∙ Lymphoid: (T cells, B cells, Natural Killer cells and plasma cells) mediate the  acquired immune response

∙ The adaptive immune response requires a lag period to attack the foreign agent ∙ Two broad categories of adaptive immunity carried out by lymphocytes: o Humoral immunity (B cells)

 Mediated by macromolecules found in extracellular fluids

 Include secreted antibodies – proteins of the immunoglobulin 

superfamily (IgSF)

o Cell mediated immunity (T cells)

 Does not involve antibodies

 Involves the activation of phagocytes, antigen­specific cytotoxic T  lymphocytes and the release of various cytokines in response to an 


C. The clonal selection theory for both T and B cells

∙ B and T cells are part of the lymphoid lineage, born in the bone marrow from  hematopoietic stem cells

∙ Both undergo early proliferation in a process known as commitment ∙ B cell commitment: cells mature in marrow and migrate to lymphatic system o They undergo genetic rearrangements that lead to each cell expressing a  single antibody isoform as an integral membrane protein.  Such antibodies  are known as B cell receptors

∙ Antigen: a foreign molecule like a protein that is bound by an antibody ∙ Epitope: the precise region of the antigen to which an antibody binds ∙ During embryogenesis and adulthood, millions of distinct B cells are born, each  expressing a B cell receptor with unique specificity for different antigens/epitope. 

∙ Such cells that never encountered the epitope for which they are specified are said to be naïve B cells

∙ Lymphatic system circulates antigens present in the body, presenting them to the  naïve B cells to be screened for foreign material

∙ The function of most B cells requires activation by helper T cells

∙ But some antigens like bacterial cell wall polysaccharides can directly activate B  cells by binding their B cell receptors

∙ Most of the daughter cells become plasma cells – antibody production factories  released into the blood and lymph system where they churn out blood soluble  antibodies with the same epitope specificity as the B cell receptor

∙ These antibodies bind the foreign body and stimulate phagocytes to engulf the  foreign material 

∙ Other daughter cells initiate immunological memory: they remain in the lymph  system as memory B cells and survive with a record of potential pathogenic  material 

∙ B cells

o Immunologic tolerance prevents production of antibodies against host  antigens

 Autoantibodies: B cell receptors which would trigger autoimmune  response and could lead to organ destruction and disease are 


 As B cells mature in the lymph system they are presented with host derived antigens.  Such B cells are destroyed if they are reactive to 

the host born antigen

D. How T lymphocytes are activated and their mechanism of action

∙ T cells are similarly activated by clonal selection

∙ T cell receptors are bound by antigens presented on the surface of antigen presenting  cells.  APCs include:

o Macrophages, which ingest antigens by phagocytosis

o Dendritic cells, which ingest antigens by endocytosis

o Dendritic cells scavenge the body’s peripheral tissues and absorb antigens,  digest them and present them on their surface bound to protein complexes  called the major histocompatibility complex

 Major histocompatibility complex (MHC) proteins

∙ Present antigen fragments on APCs to T cells

∙ About 20 different MHC genes and over 7,000 human alleles

∙ Major cause of tissue rejection following transplant 

o These cells then migrate into nearby lymph nodes where they mature into  professional antigen­presenting cells

o In the lymph node, the professional antigen presenting cells encounter naïve T cells and activate them

o The activated T cells then interact with and activate B cells through a process  called immunoglobulin class switching

o As with B cells, activation of T cells produces many daughter cells that  express the same T cell receptor

o Many remain in the lymph system as memory T cells while others serve to  activate B cells – physical association of complementary T and B cells, as  well as release of cytokines that change B cell physiology

o Three classes of T cells are distinguished by unique surface proteins and  distinct biological functions:

 These surface proteins include the TCRs as well as co­receptors called CD proteins that aid in antigen recognition

o Cytotoxic T cell: similar to Natural Killer Cells of the innate 

immune response, cytotoxic T cells kill target cells by inducing 


o Regulatory T cells: suppress activity of other immune cells and 

promote immunological self­tolerance

E. Cytotoxic T lymphocytes and helper T lymphocytes

∙ Helper T cells: principally regulate the activity of B cells

o Distinguished by the co­receptor CD4

o CD4 promotes interaction between antigen loaded MHC complex and T  cell receptors

o This activates the helper T cell, generating armed helper T cells

o When a naïve B cell encounters an antigen it is internalized and processed  into epitopes that are presented on the cell surface via MHC proteins

o Armed T cells encounter such B cells and associate with the MHC epitope via their armed T cell receptors

o T cells then release several cytokines that alter physiology of immune  cells, including initiating the immunoglobulin class switching of B cells  F. Basic antibody structure

∙ Antibodies: members of the immunoglobulin (Ig) super family glycoproteins ∙ Each antibody is composed of 2 identical heavy and 2 identical light chains  configured in a Y shape – joined covalently by disulfide bonds

∙ Five distinct classes of antibodies are expressed at different times following  antigen exposure 

G. Importance and function of the variable and constant portions of antibody heavy and light chains

∙ Classes are distinguished by possessing different heavy chains ith distinct roles: o Agglutinate antigen

o Activate complement system

o Promote perfusion into tissue

o Recognition by phagocytic immune cells

o Release of cytokines

∙ Each light chain is composed of one constant domain (Cl) – that is identical for all antibodies – and one variable domain (Cv) that is unique to the ab

∙ Each heavy chain contains 3 constant domains, one variable domain and a hinge  region for flexibility 

∙ Each B cell expresses a single antibody species whose epitope specificity is  determined by the variable domains of the light and heavy chains

H. How DNA rearrangement generates antibody diversity

∙ The human genome contains a single heavy chain locus that undergoes two types  of recombination to generate:

o Five antibody classes (via immunoglobulin class switching that alters the  constant domain)

o The variable domain (via V(D)J recombination

o Two light chain loci (kappa, k and lambda) also undergo recombination  (V(D)J recombination) to produce epitope specificity via production of  unique variable domains

∙ Naïve B cells express, as integral membrane proteins, IgM class antibodies,  associated with the CD79 co­receptor

∙ Antigen binding causes:

o Internalization of the antigen/antibody and presentation of the antigen on  the B cell surface via MHC 

o Maturation of B cell

o Secretion of soluble antibody

o Class switching

∙ Within each variable domain, 3 stretches of amino acids known as hypervariable  loops establish antigen specificity via V(D)J recombination

∙ Such recombination establishes unique amino acids in these positions which give  the mature antibody high specificity for specific antigen conformations ∙ Like B cell antibodies, T cell receptors are also Ig superfamily members with  epitope specificity 

∙ Both antibodies and TCRs undergo similar DNA rearrangement to generate  incredible diversity in peptide sequence and antigen specificity

∙ The single heavy chain and two light chain loci possess a number of clustered  genes that will encode the distinct domains of the peptide produced

∙ These genes are akin to exons, in that they will be transcribed and spliced together after recombination occurs

∙ The domains are the:

o Variable genes

o Joiner segments

o Constant genes

o Diversity genes (heavy chain only)

∙ The C gene (constant) encodes the constant portion of the protein and is located at the 3’ end of the locus

∙ The V locus (variable) contains multiple similar V genes – 40 in humans ∙ The J locus (joining) contains a smaller number of segments – 5 in humans

∙ As B cells are generate in the marrow the heavy and light chain loci undergo  recombination to produce one antibody species with unique epitope specificity  ∙ A protein complex called V(D)J recombinase is activated and excises a random  number of V and J segments

∙ The complex then joins a single V gene and J segment into one continuous exon ∙ Transcription initiates at the 5’ most V gene and terminates at the end of the  single kappa C gene

∙ Non­joined J fragments are removed by splicing to generate the mature mRNA ∙ Such mature light chain mRNAs therefore contain coding sequence for one C and  one VJ domain

∙ The same V(D)J recombinase complex similarly performs recombination at these  loci, with the added complexity of diversity genes in the heavy chains – hence  V(D)J recombination

∙ A single B cell expresses only kappa or lambda light chains, not both ∙ V(D)J recombination occurs only at one of the two alleles for these three loci.   The second allele is transcriptionally silenced

∙ Collectively these rearrangements can produce approximately 2000 kappa chains  and an equivalent number of lambda chains

∙ Heavy chain recombination is estimated to produce approximately 100,000unique peptides

∙ Therefore, over 200,000,000 unique antibody combinations are possible from  heavy and kappa light chains alone

∙ Of the three hypervariable loops in the peptides two are encoded within the V  gene.  The third falls at the joint between the V gene segment and the J gene ∙ Recombination at this site is imprecise, such that the same V and J genes joined  together in different cells will have different amino acid sequences in this loop ∙ DNA repair enzymes that are also deployed during NHEJ double stranded break  repair, splice the V gene and J segment together

∙ The enzyme deoxynucleotidyl transferase randomly adds extr nucleotides at the  site of ligation

∙ In doing so, additional amino acids are incorporated into the VJ hypervariable  loop

I. How lymphocytes are activated: the involvement of antigen­presenting cells ∙ When a B cell recognizes an antigen, it is stimulated to divide

∙ During proliferation the V region undergoes somatic mutation at a rate that is at  least 10^5 to 10^6 greater than the rest of the genome.  Somatic hypermutation  increases single base pair substitution

∙ Mechanism:

o Activation induced cytosine deaminase: converts C to U, leading to U:G  mismatches and removal of the uracil

o Translesion DNA polymerases: error prone DNA polymerases that fill in  the spot where uracils were, creating mutations that are propogated when  the cell divides 

o As a result there is increased diversity of the hypervariable region of B  cell antibodies

o This can produce antibodies with even greater specificity for the offending antigen.  And these cells will be preferentially selected following antigen  reintroduction

∙ Class switching: once a B cell is committed to producing a specific antibody it  can be induced to change the class of antibody it produces

∙ In response to T cell cytokines, during B cell maturation other enzymes rearrange  the C genes encoding the different heavy chains

∙ The VDJ region remains the same, but genes for class specific heavy chains are  moved proximal to the VJ (light) or VDJ (heavy) gene 

Page Expired
It looks like your free minutes have expired! Lucky for you we have all the content you need, just sign up here