Клеточные сигналы сортируются и интегрируются
В пути и в сетях передающих систем сигналы сортируются и интегрируются.
Основные положения:
- Процессы передачи сигнала обычно являются многоступенчатыми и могут дивергировать и конвергировать.
- Дивергенция обеспечивает множественность ответа на один сигнал.
- Конвергенция позволяет сигналам интегрироваться и выполняет координирующую функцию.
Рецепторы редко непосредственно воздействуют на внутриклеточные процессы, которые они регулируют. Обычно они запускают последовательность регуляторных процессов, в которых участвуют промежуточные белки и небольшие молекулы. За счет функционирования многоступенчатых систем передачи сигналов клетка способна их усиливать, изменять кинетику, вставлять контрольные точки, интегрировать множественные сигналы и направлять их к различным эффекторам.
Разветвленные пути передачи сигнала дают клетке возможность интегрировать множество входящих сигналов и передавать информацию в необходимые контрольные точки. Как показано на рис. 18.4 , разветвление может носить конвергентный характер, когда множественные сигналы регулируют общие конечные точки, или дивергентный характер, при котором система передачи сигнала разветвляется, чем достигается контроль за несколькими процессами. У многоклеточных, дивергентное разветвление позволяет одному гормональному рецептору инициировать в клетках и тканях определенный тип ответа. Благодаря дивергенции, рецептор обеспечивает количественно разный клеточный ответ. Этот ответ определяется усилением сигнала в на промежуточных этапах его передачи.
Также часто наблюдается конвергентное разветвление - когда для получения одинакового ответа несколько рецепторов активируют один и тот же процесс. Конвергентное разветвление позволяет интегрировать и скоординированно регулировать множественные входящие сигналы стимулирующей и ингибирующей природы в одном общем месте. Рецепторы для нескольких различных гормонов часто инициируют в одной и той же клетке-мишени появление аналогичного или перекрывающегося сигнала.
Перекрывание конвергентных и дивергентных путей передачи сигнала формирует в клетке сигнальную сеть, которая выполняет координирующую роль по отношению к множественным входным сигналам ( рис. 18.4 ). Обычно такие пути отличаются сложностью, которая проявляется как в их количестве и разнообразии компонентов, так и в пространственном расположении циклов процессов. Сети передачи сигнала также сложно организованы в пространстве. Они могут включать компоненты, расположенные в различных местах клетки, причем рецепторы и связанные с ними белки могут располагаться в плазматической мембране, а белки, участвующие в последующих процессах передачи сигнала, могут находиться в цитоплазме или в органеллах. Такая сложная организация необходима для того, чтобы клетка могла интегрировать и сортировать приходящие сигналы, а также одновременно регулировать несколько внутриклеточных функций.
Из-за сложности сигнальных сетей и их способности к адаптации, что иллюстрируется нижней частью рис. 18.4 , трудно или даже невозможно интуитивно понять их динамику на уровне всей клетки. Организация сигнальных сетей напоминает мощные компьютеры, и чтобы разобраться в потоках информции в клетке и в их регуляции, исследователи все больше нуждаются в специфических компьютерных понятиях. Во-первых, многие сигнальные процессы, включающие только два или три белка, функционируют так же, как обычные логические компьютерные сети (см. следующий раздел). Известные теоретические основы построения таких сетей и опыт работы с ними в электронике облегчают понимание принципов работы аналогичных биологических систем.
Можно упростить чрезвычайную сложность клеточных сигнальных сетей, если рассматривать их как состоящие из взаимодействующих сигнальных модулей, т.е. групп белков, обрабатывающих сигнал хорошо понятным способом. Клеточный сигнальный модуль аналогичен интегрированной схеме, входящей в состав электронного прибора, выполняющего определенную функцию, причем эта схема может быть использована для выполнения аналогичной функции в другом приборе. Модульная концепция помогает разобраться в количественных и качественных аспектах функционирования сигнальной сети. В дальнейшем, в этой главе мы будем рассматривать много стандартных сигнальных модулей. В качестве примеров назовем модуль гетеротримера G-белка , каскад MAPK , рецепторы тирозинкиназы (Tyr) и связывающиеся с ними белки, а также модуль выхода/захвата ионов Са2+ . В каждом случае, несмотря на многочисленные филогенетические, эволюционные и физиологические различия, понимание основных принципов функционирования этих типов модулей способствует пониманию всех их изменившихся вариантов. Наконец, важную роль играет эволюционная значимость модуля; если организовалась его архитектура, то модуль может использоваться многократно.
В случае крупномасштабных сетей мультиплексные высокопроизводительные измерения, проведенные на живых клетках, объединялись с данными кинетического моделирования с тем, чтобы иметь возможность точно и количественно выразить величину потока информации по сигнальному модулю или по всем сетям. Такие модели с достоверным и экспериментально подтвержденным набором параметров могут описывать сигнальные процессы в системах, слишком сложных для интуитивного или ad hoc анализа . Они также представляют ценность в качестве тестов, поскольку с их помощью можно предсказывать результаты экспериментов и использовать это для проверки модели. Хорошо обоснованными моделями затем можно пользоваться (с осторожностью) для того, чтобы сформулировать предположения относительно механизма функционирования системы, для которой оказалось невозможным установить набор параметров. Для более высоких уровней сложности, теоретические предпосылки и принципиальная схема устройства компьютера позволяют провести анализ сигнальных потоков в клетках на уровне системы. Используя принципы устройства компьютера для анализа больших массивов количественных данных, можно разобраться в потоке клеточной информации и выяснить, как он регулируется. Развитие количественных моделей клеточных сигнальных сетей является совершенно новой областью биологии. Эти модели помогают описывать функционирование сетей и планировать эксперименты, направленные на выяснение механизмов передачи сигналов.
Смотрите также:
