В биологии клеточная сигнализация ( cell signaling в британском английском ) — это процесс , посредством которого клетка взаимодействует сама с собой , другими клетками и окружающей средой. Клеточная сигнализация — это фундаментальное свойство всей клеточной жизни у прокариот и эукариот .
Обычно процесс передачи сигнала включает три компонента: сигнал, рецептор и эффектор. [ необходима цитата ]
В биологии сигналы в основном химические по своей природе, но также могут быть физическими сигналами, такими как давление , напряжение , температура или свет. Химические сигналы — это молекулы, способные связывать и активировать определенный рецептор . Эти молекулы, также называемые лигандами, химически разнообразны, включая ионы (например, Na+, K+, Ca++ и т. д.), липиды (например, стероид, простагландин), пептиды (например, инсулин, АКТГ), углеводы, гликозилированные белки (протеогликаны), нуклеиновые кислоты и т. д. Пептидные и липидные лиганды особенно важны, поскольку большинство гормонов относятся к этим классам химических веществ. Пептиды обычно являются полярными, гидрофильными молекулами. Как таковые, они не могут свободно диффундировать через билипидный слой плазматической мембраны, поэтому их действие опосредовано рецептором, связанным с клеточной мембраной. С другой стороны, жирорастворимые химические вещества, такие как стероидные гормоны, могут пассивно диффундировать через плазматическую мембрану и взаимодействовать с внутриклеточными рецепторами. Клеточная сигнализация может происходить на коротких или длинных расстояниях и может быть далее классифицирована как аутокринная , интракринная , юкстакринная , паракринная или эндокринная . Аутокринная сигнализация происходит, когда химический сигнал действует на ту же клетку, которая произвела сигнальное химическое вещество. [1] Интракринная сигнализация происходит, когда химический сигнал, произведенный клеткой, действует на рецепторы, расположенные в цитоплазме или ядре той же клетки. [2] Юкстакринная сигнализация происходит между физически соседними клетками. [3] Паракринная сигнализация происходит между близлежащими клетками. Эндокринное взаимодействие происходит между отдаленными клетками, при этом химический сигнал обычно переносится кровью. [4]
Рецепторы — это сложные белки или прочно связанные мультимеры белков, расположенные в плазматической мембране или внутри клетки, например, в цитоплазме , органеллах и ядре . Рецепторы обладают способностью обнаруживать сигнал либо путем связывания с определенным химическим веществом, либо путем конформационного изменения при взаимодействии с физическими агентами. Именно специфичность химического взаимодействия между данным лигандом и его рецептором обеспечивает способность вызывать определенный клеточный ответ. Рецепторы можно в целом классифицировать на рецепторы клеточной мембраны и внутриклеточные рецепторы.
Рецепторы клеточной мембраны можно дополнительно классифицировать на рецепторы, связанные с ионными каналами, рецепторы, связанные с G-белком, и рецепторы, связанные с ферментами.
Рецепторы ионных каналов — это крупные трансмембранные белки с функцией лиганд-активируемых ворот. Когда эти рецепторы активируются, они могут разрешать или блокировать прохождение определенных ионов через клеточную мембрану. Большинство рецепторов, активируемых физическими стимулами, такими как давление или температура, относятся к этой категории.
Рецепторы G-белков — это мультимерные белки, встроенные в плазматическую мембрану. Эти рецепторы имеют внеклеточный, трансмембранный и внутриклеточный домены. Внеклеточный домен отвечает за взаимодействие со специфическим лигандом. Внутриклеточный домен отвечает за инициирование каскада химических реакций, которые в конечном итоге запускают специфическую клеточную функцию, контролируемую рецептором.
Рецепторы, связанные с ферментами, представляют собой трансмембранные белки с внеклеточным доменом, ответственным за связывание определенного лиганда, и внутриклеточным доменом с ферментативной или каталитической активностью. После активации ферментативная часть отвечает за стимулирование определенных внутриклеточных химических реакций.
Внутриклеточные рецепторы имеют другой механизм действия. Обычно они связываются с липидорастворимыми лигандами, которые пассивно диффундируют через плазматическую мембрану, например, со стероидными гормонами. Эти лиганды связываются со специфическими цитоплазматическими транспортерами, которые перемещают комплекс гормон-транспортер внутри ядра, где активируются специфические гены и стимулируется синтез специфических белков.
Эффекторный компонент сигнального пути начинается с передачи сигнала . В этом процессе сигнал, взаимодействуя с рецептором, запускает серию молекулярных событий внутри клетки, приводящих к конечному эффекту сигнального процесса. Обычно конечный эффект заключается в активации ионного канала ( лиганд-управляемый ионный канал ) или инициировании каскада системы вторичных мессенджеров , который распространяет сигнал через клетку. Системы вторичных мессенджеров могут усиливать или модулировать сигнал, при этом активация нескольких рецепторов приводит к активации нескольких вторичных мессенджеров, тем самым усиливая начальный сигнал (первичный мессенджер). Последующие эффекты этих сигнальных путей могут включать дополнительные ферментативные активности, такие как протеолитическое расщепление , фосфорилирование , метилирование и убиквитинирование .
Сигнальные молекулы могут синтезироваться различными биосинтетическими путями и высвобождаться посредством пассивного или активного транспорта или даже при повреждении клеток .
Каждая клетка запрограммирована реагировать на определенные внеклеточные сигнальные молекулы и является основой развития , восстановления тканей , иммунитета и гомеостаза . Ошибки в сигнальных взаимодействиях могут вызывать такие заболевания, как рак , аутоиммунитет и диабет .
Во многих мелких организмах, таких как бактерии , кворум-сенсор позволяет особям начинать деятельность только тогда, когда популяция достаточно велика. Эта сигнализация между клетками была впервые обнаружена у морской бактерии Aliivibrio fischeri , которая производит свет , когда популяция достаточно плотная. [5] Механизм включает в себя производство и обнаружение сигнальной молекулы, а также регуляцию транскрипции генов в ответ. Кворум-сенсор работает как у грамположительных, так и у грамотрицательных бактерий, как внутри видов, так и между ними. [6]
В слизевиках отдельные клетки объединяются вместе, образуя плодовые тела и в конечном итоге споры, под воздействием химического сигнала, известного как акрасин . Индивидуумы перемещаются с помощью хемотаксиса , т.е. их привлекает химический градиент. Некоторые виды используют циклический АМФ в качестве сигнала; другие, такие как Polysphondylium violaceum, используют дипептид, известный как глорин . [7]
У растений и животных передача сигналов между клетками происходит либо посредством высвобождения во внеклеточное пространство , разделяясь на паракринную передачу сигналов (на короткие расстояния) и эндокринную передачу сигналов (на большие расстояния), либо посредством прямого контакта, известного как юкстакринная передача сигналов , такая как сигнализация notch . [8] Аутокринная передача сигналов является особым случаем паракринной передачи сигналов, когда секретирующая клетка имеет возможность реагировать на секретируемую сигнальную молекулу. [9] Синаптическая передача сигналов является особым случаем паракринной передачи сигналов (для химических синапсов ) или юкстакринной передачи сигналов (для электрических синапсов ) между нейронами и клетками-мишенями.
Многие клеточные сигналы переносятся молекулами, которые выделяются одной клеткой и перемещаются для контакта с другой клеткой. Сигнальные молекулы могут принадлежать к нескольким химическим классам: липиды , фосфолипиды , аминокислоты , моноамины , белки , гликопротеины или газы . Сигнальные молекулы, связывающиеся с поверхностными рецепторами, как правило, большие и гидрофильные (например, ТРГ , вазопрессин , ацетилхолин ), в то время как те, которые входят в клетку, как правило, маленькие и гидрофобные (например , глюкокортикоиды , гормоны щитовидной железы , холекальциферол , ретиноевая кислота ), но есть много важных исключений из обоих правил, и одна и та же молекула может действовать как через поверхностные рецепторы, так и интракринно, оказывая разное воздействие. [9] В клетках животных специализированные клетки выделяют эти гормоны и отправляют их через кровеносную систему в другие части тела. Затем они достигают целевых клеток, которые могут распознавать гормоны и реагировать на них, производя результат. Это также известно как эндокринная сигнализация. Регуляторы роста растений, или растительные гормоны, перемещаются через клетки или диффундируют через воздух в виде газа, чтобы достичь своих целей. [10] Сероводород вырабатывается в небольших количествах некоторыми клетками человеческого тела и имеет ряд биологических сигнальных функций. В настоящее время известно только о двух других таких газах, которые действуют как сигнальные молекулы в человеческом теле: оксид азота и оксид углерода . [11]
Экзоцитоз — это процесс, посредством которого клетка переносит молекулы, такие как нейротрансмиттеры и белки, из клетки. Как активный транспортный механизм, экзоцитоз требует использования энергии для транспортировки материала. Экзоцитоз и его аналог, эндоцитоз , процесс, который переносит вещества в клетку, используются всеми клетками, поскольку большинство важных для них химических веществ представляют собой крупные полярные молекулы, которые не могут проходить через гидрофобную часть клеточной мембраны путем пассивного транспорта . Экзоцитоз — это процесс, посредством которого высвобождается большое количество молекул; таким образом, это форма объемного транспорта. Экзоцитоз происходит через секреторные порталы в плазматической мембране клетки, называемые поросомами . Поросомы представляют собой постоянные чашеобразные липопротеиновые структуры в плазматической мембране клетки, где секреторные пузырьки временно стыкуются и сливаются, чтобы высвободить внутривезикулярное содержимое из клетки. [12]
При экзоцитозе связанные с мембраной секреторные везикулы переносятся к клеточной мембране , где они прикрепляются и сливаются с поросомами, а их содержимое (т. е. водорастворимые молекулы) секретируется во внеклеточную среду. Эта секреция возможна, поскольку везикула временно сливается с плазматической мембраной. В контексте нейротрансмиссии нейротрансмиттеры обычно высвобождаются из синаптических везикул в синаптическую щель посредством экзоцитоза; однако нейротрансмиттеры могут также высвобождаться посредством обратного транспорта через мембранные транспортные белки . [ необходима цитата ]
Аутокринная сигнализация подразумевает, что клетка секретирует гормон или химический посредник (называемый аутокринным агентом), который связывается с аутокринными рецепторами на той же клетке, что приводит к изменениям в самой клетке. [13] Это можно противопоставить паракринной сигнализации , интракринной сигнализации или классической эндокринной сигнализации.
При интракринной сигнализации сигнальные химикаты производятся внутри клетки и связываются с цитозольными или ядерными рецепторами, не секретируясь из клетки. При интракринной сигнализации сигналы передаются, не секретируясь из клетки. Интракринные сигналы, не секретируемые за пределы клетки, отличают интракринную сигнализацию от других механизмов клеточной сигнализации, таких как аутокринная сигнализация. Как при аутокринной, так и при интракринной сигнализации сигнал оказывает влияние на клетку, которая его произвела. [14]
Juxtacrine сигнализация — это тип сигнализации клетка –клетка или клетка– внеклеточный матрикс в многоклеточных организмах, требующий тесного контакта. Существует три типа:
Кроме того, в одноклеточных организмах, таких как бактерии , юкстакринная сигнализация означает взаимодействие посредством мембранного контакта. Юкстакринная сигнализация наблюдалась для некоторых факторов роста , цитокиновых и хемокиновых клеточных сигналов, играющих важную роль в иммунном ответе . Юкстакринная сигнализация через прямые мембранные контакты также присутствует между телами нейрональных клеток и подвижными отростками микроглии как во время развития, [15] так и во взрослом мозге. [16]
При паракринной сигнализации клетка подает сигнал, чтобы вызвать изменения в соседних клетках, изменяя поведение этих клеток. Сигнальные молекулы, известные как паракринные факторы, распространяются на относительно короткое расстояние (локальное действие), в отличие от клеточной сигнализации эндокринными факторами , гормонами, которые перемещаются на значительно большие расстояния через кровеносную систему ; юкстакринные взаимодействия ; и аутокринная сигнализация . Клетки, которые производят паракринные факторы, секретируют их в непосредственную внеклеточную среду. Затем факторы перемещаются в соседние клетки, в которых градиент полученного фактора определяет результат. Однако точное расстояние, на которое могут перемещаться паракринные факторы, неизвестно.
Паракринные сигналы, такие как ретиноевая кислота, нацелены только на клетки, находящиеся поблизости от излучающей клетки. [17] Нейротрансмиттеры представляют собой еще один пример паракринного сигнала.
Некоторые сигнальные молекулы могут функционировать как гормон и нейротрансмиттер. Например, адреналин и норадреналин могут функционировать как гормоны, когда высвобождаются надпочечниками и транспортируются к сердцу через кровоток. Норадреналин также может вырабатываться нейронами , чтобы функционировать как нейротрансмиттер в мозге. [18] Эстроген может выделяться яичником и функционировать как гормон или действовать локально через паракринную или аутокринную сигнализацию. [19]
Хотя паракринная сигнализация вызывает разнообразный набор ответов в индуцированных клетках, большинство паракринных факторов используют относительно оптимизированный набор рецепторов и путей. Фактически, известно, что различные органы в организме — даже между разными видами — используют схожие наборы паракринных факторов в дифференциальном развитии. [20] Высококонсервативные рецепторы и пути можно организовать в четыре основных семейства на основе схожих структур: семейство факторов роста фибробластов (FGF), семейство Hedgehog , семейство Wnt и суперсемейство TGF-β . Связывание паракринного фактора с соответствующим ему рецептором инициирует каскады передачи сигнала , вызывая различные ответы.
Эндокринные сигналы называются гормонами . Гормоны вырабатываются эндокринными клетками и перемещаются по крови , чтобы достичь всех частей тела. Специфичность сигнализации можно контролировать, если только некоторые клетки могут реагировать на определенный гормон. Эндокринная сигнализация включает в себя высвобождение гормонов внутренними железами организманепосредственно в кровеносную систему , регулируя отдаленные органы-мишени. У позвоночных гипоталамусявляется нервным центром управления всеми эндокринными системами. У человека основными эндокринными железами являются щитовидная железа и надпочечники . Изучение эндокринной системы и ее расстройств известно как эндокринология .
Клетки получают информацию от своих соседей через класс белков, известных как рецепторы . Рецепторы могут связываться с некоторыми молекулами (лигандами) или могут взаимодействовать с физическими агентами, такими как свет, механическая температура, давление и т. д. Прием происходит, когда клетка-мишень (любая клетка с рецепторным белком, специфичным для сигнальной молекулы ) обнаруживает сигнал, обычно в форме небольшой водорастворимой молекулы, посредством связывания с рецепторным белком на поверхности клетки, или, оказавшись внутри клетки, сигнальная молекула может связываться с внутриклеточными рецепторами , другими элементами или стимулировать активность ферментов (например, газов), как при интракринной сигнализации.
Сигнальные молекулы взаимодействуют с целевой клеткой как лиганд для рецепторов клеточной поверхности и/или проникают в клетку через ее мембрану или эндоцитоз для внутрикринной сигнализации. Это обычно приводит к активации вторичных мессенджеров , что приводит к различным физиологическим эффектам. У многих млекопитающих ранние эмбриональные клетки обмениваются сигналами с клетками матки . [ 21] В желудочно-кишечном тракте человека бактерии обмениваются сигналами друг с другом и с эпителиальными и иммунными клетками человека. [22] Для дрожжей Saccharomyces cerevisiae во время спаривания некоторые клетки посылают пептидный сигнал ( феромоны фактора спаривания ) в окружающую среду. Пептид фактора спаривания может связываться с рецептором клеточной поверхности на других клетках дрожжей и побуждать их готовиться к спариванию. [23]
Рецепторы клеточной поверхности играют важную роль в биологических системах одноклеточных и многоклеточных организмов, а нарушение или повреждение этих белков связано с раком, болезнями сердца и астмой. [24] Эти трансмембранные рецепторы способны передавать информацию извне клетки внутрь, поскольку они изменяют конформацию, когда с ними связывается определенный лиганд. Существует три основных типа: рецепторы, связанные с ионными каналами , рецепторы, связанные с G-белком , и рецепторы, связанные с ферментами .
Рецепторы, связанные с ионными каналами, представляют собой группу трансмембранных белков -ионных каналов , которые открываются, позволяя ионам, таким как Na + , K + , Ca2 + и/или Cl− , проходить через мембрану в ответ на связывание химического посредника (т. е. лиганда ), такого как нейротрансмиттер . [25] [26] [27]
Когда пресинаптический нейрон возбуждается, он высвобождает нейротрансмиттер из везикул в синаптическую щель . Затем нейротрансмиттер связывается с рецепторами, расположенными на постсинаптическом нейроне . Если эти рецепторы являются лиганд-управляемыми ионными каналами, результирующее конформационное изменение открывает ионные каналы, что приводит к потоку ионов через клеточную мембрану. Это, в свою очередь, приводит либо к деполяризации , для возбуждающего ответа рецептора, либо к гиперполяризации , для ингибирующего ответа.
Эти рецепторные белки обычно состоят по крайней мере из двух различных доменов: трансмембранного домена, который включает ионную пору, и внеклеточного домена, который включает место связывания лиганда ( аллостерический сайт связывания). Эта модульность позволила использовать подход «разделяй и властвуй» для поиска структуры белков (кристаллизация каждого домена по отдельности). Функция таких рецепторов, расположенных в синапсах, заключается в прямом и очень быстром преобразовании химического сигнала пресинаптически высвобождаемого нейротрансмиттера в постсинаптический электрический сигнал. Многие LIC дополнительно модулируются аллостерическими лигандами , блокаторами каналов , ионами или мембранным потенциалом . LIC подразделяются на три суперсемейства, которые не имеют эволюционной связи: рецепторы cys-loop , ионотропные рецепторы глутамата и каналы, управляемые АТФ .
Рецепторы, сопряженные с G-белком, представляют собой большую группу эволюционно связанных белков , которые являются рецепторами клеточной поверхности , которые обнаруживают молекулы вне клетки и активируют клеточные ответы. Связываясь с G-белками , они называются семитрансмембранными рецепторами, потому что они проходят через клеточную мембрану семь раз. G-белок действует как «посредник», передавая сигнал от своего активированного рецептора к своей цели и, следовательно, косвенно регулирует этот целевой белок. [28] Лиганды могут связываться либо с внеклеточным N-концом и петлями (например, глутаматные рецепторы), либо с сайтом связывания внутри трансмембранных спиралей (семейство родопсиноподобных). Все они активируются агонистами, хотя также может наблюдаться спонтанная автоактивация пустого рецептора. [28]
Рецепторы , сопряженные с G-белком, встречаются только у эукариот , включая дрожжи , хоанофлагелляты [29] и животных. Лиганды , которые связывают и активируют эти рецепторы, включают светочувствительные соединения, запахи , феромоны , гормоны и нейротрансмиттеры и различаются по размеру от небольших молекул до пептидов и крупных белков . Рецепторы, сопряженные с G-белком, участвуют во многих заболеваниях.
Существует два основных пути передачи сигнала, включающих рецепторы, сопряженные с G-белком: сигнальный путь цАМФ и сигнальный путь фосфатидилинозитола . [30] Когда лиганд связывается с GPCR, он вызывает конформационное изменение в GPCR, что позволяет ему действовать как фактор обмена гуаниновых нуклеотидов (GEF). Затем GPCR может активировать связанный с ним белок G , обменивая GDP, связанный с белком G, на GTP . Субъединица α белка G вместе со связанным GTP затем может диссоциировать от субъединиц β и γ для дальнейшего воздействия на внутриклеточные сигнальные белки или целевые функциональные белки напрямую в зависимости от типа субъединицы α ( G αs , G αi/o , G αq/11 , G α12/13 ). [31] : 1160
Рецепторы, сопряженные с G-белком, являются важной мишенью для лекарственных средств, и приблизительно 34% [32] всех одобренных Управлением по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) лекарственных средств нацелены на 108 членов этого семейства. По оценкам, глобальный объем продаж этих препаратов составляет 180 миллиардов долларов США по состоянию на 2018 год [обновлять]. [32] Предполагается, что GPCR являются мишенями примерно для 50% лекарственных средств, которые в настоящее время находятся на рынке, в основном из-за их участия в сигнальных путях, связанных со многими заболеваниями, т. е. психическими, метаболическими, включая эндокринологические расстройства, иммунологическими, включая вирусные инфекции, сердечно-сосудистыми, воспалительными, расстройствами органов чувств и раком. Давно обнаруженная связь между GPCR и многими эндогенными и экзогенными веществами, приводящая, например, к анальгезии, является еще одной динамично развивающейся областью фармацевтических исследований. [28]
Рецепторы, связанные с ферментами (или каталитические рецепторы), представляют собой трансмембранные рецепторы , которые при активации внеклеточным лигандом вызывают ферментативную активность на внутриклеточной стороне. [33] Таким образом, каталитический рецептор представляет собой интегральный мембранный белок, обладающий как ферментативной , так и каталитической и рецепторной функциями. [34]
Они имеют два важных домена, внеклеточный домен связывания лиганда и внутриклеточный домен, который имеет каталитическую функцию; и одну трансмембранную спираль . Сигнальная молекула связывается с рецептором снаружи клетки и вызывает конформационное изменение каталитической функции, расположенной на рецепторе внутри клетки. [ необходима цитата ] Примеры ферментативной активности включают:
Внутриклеточные рецепторы существуют свободно в цитоплазме, ядре или могут быть связаны с органеллами или мембранами. Например, наличие ядерных и митохондриальных рецепторов хорошо документировано. [36] Связывание лиганда с внутриклеточным рецептором обычно вызывает ответ в клетке. Внутриклеточные рецепторы часто имеют уровень специфичности, что позволяет рецепторам инициировать определенные ответы при связывании с соответствующим лигандом. [37] Внутриклеточные рецепторы обычно действуют на липидорастворимые молекулы. Рецепторы связываются с группой ДНК-связывающих белков. После связывания комплекс рецептор-лиганд перемещается в ядро, где они могут изменять паттерны экспрессии генов. [38]
Рецепторы стероидных гормонов находятся в ядре , цитозоле , а также на плазматической мембране клеток-мишеней. Они, как правило, являются внутриклеточными рецепторами (обычно цитоплазматическими или ядерными) и инициируют передачу сигнала для стероидных гормонов , что приводит к изменениям в экспрессии генов в течение периода времени от нескольких часов до нескольких дней. Наиболее изученные рецепторы стероидных гормонов являются членами подсемейства ядерных рецепторов 3 (NR3), которые включают рецепторы для эстрогена (группа NR3A) [39] и 3-кетостероидов (группа NR3C). [40] В дополнение к ядерным рецепторам, несколько рецепторов, связанных с G-белком , и ионных каналов действуют как рецепторы клеточной поверхности для определенных стероидных гормонов.
Эндоцитоз, опосредованный рецепторами, является распространенным способом «выключения» рецепторов. Эндоцитарная регуляция вниз рассматривается как способ снижения рецепторной сигнализации. [41] Процесс включает связывание лиганда с рецептором, что затем запускает образование покрытых ямок, покрытые ямки трансформируются в покрытые везикулы и транспортируются в эндосому.
Фосфорилирование рецептора — это еще один тип подавления рецептора. Биохимические изменения могут снизить сродство рецептора к лиганду. [42]
Снижение чувствительности рецептора является результатом того, что рецепторы заняты в течение длительного времени. Это приводит к адаптации рецептора, при которой рецептор больше не реагирует на сигнальную молекулу. Многие рецепторы обладают способностью изменяться в ответ на концентрацию лиганда. [43]
При связывании с сигнальной молекулой рецепторный белок каким-то образом изменяется и запускает процесс трансдукции, который может происходить за один шаг или как серия изменений в последовательности различных молекул (называемых путем сигнальной трансдукции). Молекулы, которые составляют эти пути, известны как релейные молекулы. Многоступенчатый процесс стадии трансдукции часто состоит из активации белков путем добавления или удаления фосфатных групп или даже высвобождения других небольших молекул или ионов, которые могут действовать как мессенджеры. Усиление сигнала является одним из преимуществ этой многоступенчатой последовательности. Другие преимущества включают больше возможностей для регулирования, чем у более простых систем, и тонкую настройку ответа как в одноклеточных, так и в многоклеточных организмах. [10]
В некоторых случаях активация рецептора, вызванная связыванием лиганда с рецептором, напрямую связана с реакцией клетки на лиганд. Например, нейротрансмиттер ГАМК может активировать рецептор клеточной поверхности, который является частью ионного канала . Связывание ГАМК с рецептором ГАМК А на нейроне открывает хлорид -селективный ионный канал, который является частью рецептора. Активация рецептора ГАМК А позволяет отрицательно заряженным ионам хлора перемещаться в нейрон, что подавляет способность нейрона производить потенциалы действия . Однако для многих рецепторов клеточной поверхности взаимодействия лиганд-рецептор не связаны напрямую с реакцией клетки. Активированный рецептор должен сначала взаимодействовать с другими белками внутри клетки, прежде чем будет произведен конечный физиологический эффект лиганда на поведение клетки. Часто поведение цепи из нескольких взаимодействующих клеточных белков изменяется после активации рецептора. Весь набор изменений клетки, вызванных активацией рецептора, называется механизмом или путем передачи сигнала . [44]
Более сложным путем передачи сигнала является путь MAPK/ERK, который включает изменения белок-белковых взаимодействий внутри клетки, вызванные внешним сигналом. Многие факторы роста связываются с рецепторами на поверхности клетки и стимулируют клетки к прохождению клеточного цикла и делению . Некоторые из этих рецепторов являются киназами , которые начинают фосфорилировать себя и другие белки при связывании с лигандом. Это фосфорилирование может генерировать сайт связывания для другого белка и, таким образом, вызывать белок-белковое взаимодействие. В этом случае лиганд (называемый эпидермальным фактором роста , или EGF) связывается с рецептором (называемым EGFR ). Это активирует рецептор для фосфорилирования себя. Фосфорилированный рецептор связывается с адаптерным белком ( GRB2 ), который связывает сигнал с дальнейшими нисходящими сигнальными процессами. Например, один из активированных путей передачи сигнала называется путем митоген-активируемой протеинкиназы (MAPK). Компонент передачи сигнала, обозначенный как «MAPK» в пути, изначально назывался «ERK», поэтому путь называется путем MAPK/ERK . Белок MAPK — это фермент, протеинкиназа , которая может присоединять фосфат к целевым белкам, таким как фактор транскрипции MYC, и, таким образом, изменять транскрипцию генов и, в конечном итоге, прогрессию клеточного цикла. Многие клеточные белки активируются ниже рецепторов факторов роста (таких как EGFR), которые инициируют этот путь передачи сигнала. [ необходима цитата ]
Некоторые пути передачи сигналов реагируют по-разному, в зависимости от количества сигналов, полученных клеткой. Например, белок hedgehog активирует различные гены в зависимости от количества присутствующего белка hedgehog. [ необходима цитата ]
Сложные многокомпонентные пути передачи сигнала обеспечивают возможности для обратной связи, усиления сигнала и взаимодействия внутри одной клетки между несколькими сигналами и сигнальными путями. [ необходима ссылка ]
Специфический клеточный ответ является результатом трансдуцированного сигнала на заключительном этапе клеточной сигнализации. Этот ответ может быть по существу любой клеточной активностью, присутствующей в организме. Он может подстегнуть перестройку цитоскелета или даже катализ ферментом. Все эти три шага клеточной сигнализации гарантируют, что нужные клетки ведут себя так, как им сказано, в нужное время и синхронно с другими клетками и их собственными функциями в организме. В конце концов, конец сигнального пути приводит к регуляции клеточной активности. Этот ответ может иметь место в ядре или в цитоплазме клетки. Большинство сигнальных путей контролируют синтез белка, включая и выключая определенные гены в ядре. [45]
В одноклеточных организмах, таких как бактерии, сигнализация может использоваться для «активации» сверстников из состояния покоя , усиления вирулентности , защиты от бактериофагов и т. д. [46] В кворумном чувстве , которое также встречается у социальных насекомых, множественность индивидуальных сигналов имеет потенциал для создания положительной обратной связи, генерируя скоординированный ответ. В этом контексте сигнальные молекулы называются аутоиндукторами . [47] [48] [49] Этот сигнальный механизм мог быть задействован в эволюции от одноклеточных к многоклеточным организмам. [47] [50] Бактерии также используют контактно-зависимую сигнализацию, в частности, для ограничения своего роста. [51]
Сигнальные молекулы, используемые многоклеточными организмами, часто называются феромонами . Они могут иметь такие цели, как предупреждение об опасности, указание на наличие пищи или помощь в размножении. [52]
. [53] [54]
. [53] [54]
Notch — это белок клеточной поверхности, который функционирует как рецептор. У животных есть небольшой набор генов , которые кодируют сигнальные белки, которые специфически взаимодействуют с рецепторами Notch и стимулируют ответ в клетках, которые экспрессируют Notch на своей поверхности. Молекулы, которые активируют (или, в некоторых случаях, ингибируют) рецепторы, можно классифицировать как гормоны, нейротрансмиттеры , цитокины и факторы роста , в целом называемые лигандами рецепторов . Известно, что взаимодействия лигандов рецепторов, такие как взаимодействие рецепторов Notch, являются основными взаимодействиями, ответственными за механизмы сигнализации и коммуникации клеток. [55] Notch действует как рецептор для лигандов, которые экспрессируются на соседних клетках. В то время как некоторые рецепторы являются белками клеточной поверхности, другие находятся внутри клеток. Например, эстроген — это гидрофобная молекула, которая может проходить через липидный бислой мембран . Как часть эндокринной системы , внутриклеточные рецепторы эстрогена из различных типов клеток могут активироваться эстрогеном, вырабатываемым в яичниках . [ необходима цитата ]
В случае Notch-опосредованной сигнализации механизм передачи сигнала может быть относительно простым. Как показано на рисунке 2, активация Notch может привести к изменению белка Notch протеазой . Часть белка Notch высвобождается из мембраны клеточной поверхности и принимает участие в регуляции генов . Исследование клеточной сигнализации включает изучение пространственной и временной динамики как рецепторов, так и компонентов сигнальных путей, которые активируются рецепторами в различных типах клеток. [56] [57] Новые методы анализа масс-спектрометрии отдельных клеток обещают позволить изучать передачу сигнала с разрешением отдельных клеток. [58]
В передаче сигналов Notch прямой контакт между клетками позволяет точно контролировать дифференциацию клеток во время эмбрионального развития. У червя Caenorhabditis elegans две клетки развивающейся гонады имеют равные шансы на терминальную дифференциацию или превращение в маточные клетки-предшественники, которые продолжают делиться. Выбор того, какая клетка продолжит делиться, контролируется конкуренцией сигналов клеточной поверхности. Одна клетка будет производить больше белка клеточной поверхности, который активирует рецептор Notch на соседней клетке. Это активирует петлю обратной связи или систему, которая снижает экспрессию Notch в клетке, которая будет дифференцироваться, и увеличивает Notch на поверхности клетки, которая продолжает быть стволовой клеткой . [59]