Биохимический каскад , также известный как сигнальный каскад или сигнальный путь , представляет собой серию химических реакций , которые происходят внутри биологической клетки, когда инициируются раздражителем. Этот стимул, известный как первый мессенджер, действует на рецептор, который передается внутрь клетки через вторые мессенджеры , которые усиливают сигнал и передают его эффекторным молекулам, заставляя клетку реагировать на первоначальный стимул. [1] Большинство биохимических каскадов представляют собой серии событий, в которых одно событие линейно запускает другое. На каждом этапе сигнального каскада задействованы различные контролирующие факторы, регулирующие действия клеток, чтобы эффективно реагировать на сигналы об изменении их внутренней и внешней среды. [1]
Примером может служить коагуляционный каскад вторичного гемостаза , который приводит к образованию фибрина и, таким образом, к инициации свертывания крови. Другой пример, сигнальный путь sonic hedgehog , является одним из ключевых регуляторов эмбрионального развития и присутствует у всех билатерий . [2] Сигнальные белки передают клеткам информацию, необходимую для правильного развития эмбриона. Когда этот путь нарушается, это может привести к таким заболеваниям, как базальноклеточная карцинома . [3] Недавние исследования указывают на роль передачи сигналов hedgehog в регуляции взрослых стволовых клеток, участвующих в поддержании и регенерации взрослых тканей. Этот путь также участвует в развитии некоторых видов рака. Лекарства, специально нацеленные на передачу сигналов ежей для борьбы с болезнями, активно разрабатываются рядом фармацевтических компаний.
Для жизни клеткам необходим полноценный и функциональный клеточный механизм. Когда они принадлежат к сложным многоклеточным организмам, им необходимо общаться между собой и работать на симбиоз, чтобы дать организму жизнь. Эти коммуникации между клетками запускают внутриклеточные сигнальные каскады, называемые путями передачи сигнала , которые регулируют определенные клеточные функции. Каждая передача сигнала происходит с помощью первичного внеклеточного мессенджера, который связывается с трансмембранным или ядерным рецептором, инициируя внутриклеточные сигналы. Образовавшийся комплекс производит или высвобождает вторичные мессенджеры, которые интегрируют и адаптируют сигнал, усиливая его, активируя молекулярные мишени, которые, в свою очередь, запускают эффекторы, которые приводят к желаемому клеточному ответу. [4]
Передача сигнала реализуется путем активации специфических рецепторов и последующей продукции/доставки вторичных мессенджеров, таких как Ca 2+ или цАМФ . Эти молекулы действуют как преобразователи сигнала, запуская внутриклеточные каскады и, в свою очередь, усиливая исходный сигнал. [4] Были идентифицированы два основных механизма передачи сигнала: через ядерные рецепторы или через трансмембранные рецепторы. В первом случае первый мессенджер проникает через клеточную мембрану, связываясь и активируя внутриклеточные рецепторы, локализованные в ядре или цитозоле , которые затем действуют как транскрипционные факторы , регулирующие непосредственно экспрессию генов. Это возможно благодаря липофильной природе этих лигандов, главным образом гормонов. При передаче сигнала через трансмембранные рецепторы первый мессенджер связывается с внеклеточным доменом трансмембранного рецептора, активируя его. Эти рецепторы могут обладать собственной каталитической активностью или могут быть связаны с эффекторными ферментами или также могут быть связаны с ионными каналами. Таким образом, существует четыре основных типа трансмембранных рецепторов: рецепторы, связанные с G-белком (GPCR), рецепторы тирозинкиназы (RTK), рецепторы серин/треонин киназы (RSTK) и лиганд-управляемые ионные каналы (LGIC). [1] [4] Вторичные мессенджеры можно разделить на три класса:
Клеточный ответ в каскадах сигнальной трансдукции включает изменение экспрессии эффекторных генов или активацию/ингибирование целевых белков. Регуляция активности белка в основном включает события фосфорилирования/дефосфорилирования, приводящие к его активации или ингибированию. Это справедливо для подавляющего большинства ответов вследствие связывания первичных мессенджеров с мембранными рецепторами. Этот ответ быстрый, поскольку он включает в себя регулирование молекул, которые уже присутствуют в клетке. С другой стороны, индукция или репрессия экспрессии генов требует связывания транскрипционных факторов с регуляторными последовательностями этих генов. Транскрипционные факторы активируются первичными мессенджерами, в большинстве случаев, из-за их функции в качестве ядерных рецепторов для этих мессенджеров. Вторичные мессенджеры, такие как DAG или Ca 2+, также могут индуцировать или подавлять экспрессию генов посредством транскрипционных факторов. Этот ответ медленнее, чем первый, поскольку он включает в себя больше этапов, таких как транскрипция генов, а затем воздействие вновь образованных белков на конкретную мишень. Мишенью может быть белок или другой ген. [1] [4] [5]
В биохимии несколько важных ферментативных каскадов и каскадов сигнальной трансдукции участвуют в метаболических путях или сигнальных сетях, в которых обычно участвуют ферменты для катализа реакций. Например, путь тканевого фактора в каскаде свертывания крови вторичного гемостаза является основным путем, ведущим к образованию фибрина и, следовательно, к инициации свертывания крови. Эти пути представляют собой серию реакций, в которых зимоген (неактивный предшественник фермента) сериновой протеазы и ее гликопротеиновые кофакторы активируются и становятся активными компонентами, которые затем катализируют следующую реакцию в каскаде, что в конечном итоге приводит к образованию поперечно-сшитого фибрина. . [6]
Другой пример, сигнальный путь sonic hedgehog , является одним из ключевых регуляторов эмбрионального развития и присутствует у всех билатерий . [2] В разных частях эмбриона содержатся разные концентрации сигнальных белков ежа, которые передают клеткам информацию, необходимую для правильного и правильного развития эмбриона в голову или хвост. Когда этот путь нарушается, это может привести к таким заболеваниям, как базальноклеточная карцинома . [3] Недавние исследования указывают на роль передачи сигналов hedgehog в регуляции взрослых стволовых клеток, участвующих в поддержании и регенерации взрослых тканей. Этот путь также участвует в развитии некоторых видов рака. Лекарства, специально нацеленные на передачу сигналов ежей для борьбы с болезнями, активно разрабатываются рядом фармацевтических компаний. [7] Большинство биохимических каскадов представляют собой серии событий, в которых одно событие линейно запускает другое.
Биохимические каскады включают:
И наоборот, негативные каскады включают события, которые происходят по кругу или могут вызывать или быть вызваны несколькими событиями. [8] К негативным каскадам относятся:
Адгезия является важным процессом для эпителиальных клеток, благодаря которому может формироваться эпителий и клетки могут находиться в постоянном контакте с внеклеточным матриксом и другими клетками. Существует несколько путей достижения этой связи и сцепления с окружающей средой. Но основными сигнальными путями являются кадгериновые и интегриновые пути. [9] Путь кадгерина присутствует в адгезионных соединениях или в десмосомах и отвечает за эпителиальную адгезию и связь с соседними клетками. Кадгерин представляет собой трансмембранный гликопротеиновый рецептор, который устанавливает контакт с другим кадгерином, присутствующим на поверхности соседней клетки, образуя адгезионный комплекс. [10] Этот адгезивный комплекс образуется β-катенином и α-катенином , и p120 CAS необходим для его стабилизации и регуляции. Затем этот комплекс связывается с актином , что приводит к полимеризации. В полимеризации актина по кадгериновому пути также участвуют белки семейства Rho GTPases . Этот комплекс регулируется фосфорилированием, что приводит к снижению регуляции адгезии. Несколько факторов могут индуцировать фосфорилирование, например, EGF , HGF или v-Src . Путь кадгерина также играет важную функцию в выживании и пролиферации, поскольку он регулирует концентрацию цитоплазматического β-катенина. Когда β-катенин находится в цитоплазме в свободном состоянии, он обычно разрушается, однако если передача сигналов Wnt активирована, деградация β-катенина ингибируется, и он транслоцируется в ядро, где образует комплекс с факторами транскрипции. Это приводит к активации генов, ответственных за пролиферацию и выживание клеток. Таким образом, комплекс кадгерин-катенин необходим для регуляции судеб клеток. [11] [12] Интегрины представляют собой гетеродимерные гликопротеиновые рецепторы, которые распознают белки, присутствующие во внеклеточном матриксе, такие как фибронектин и ламинин. Чтобы функционировать, интегрины должны образовывать комплексы с белками ILK и Fak . Для адгезии к внеклеточному матриксу ILK активирует белки Rac и Cdc42 , что приводит к полимеризации актина. ERK также приводит к полимеризации актина посредством активации cPLA2 . Рекрутирование FAK интегрином приводит к активации Akt , что ингибирует проапоптотические факторы, такие как BAD и Bax. Когда адгезия через интегрины не происходит, проапоптотические факторы не ингибируются, что приводит к апоптозу . [13] [14]
Гепатоцит представляет собой сложную и многофункциональную дифференцированную клетку, клеточный ответ которой будет зависеть от зоны в печеночной дольке , поскольку концентрации кислорода и токсичных веществ , присутствующих в печеночных синусоидах, изменяются от перипортальной зоны к центрилобулярной зоне10. Гепатоциты промежуточной зоны имеют соответствующие морфологические и функциональные особенности, так как имеют среду со средними концентрациями кислорода и других веществ. [15] Эта специализированная клетка способна: [16]
Гепатоцит также регулирует другие функции конститутивного синтеза белков ( альбумина , АЛТ и АСТ ), что влияет на синтез или активацию других молекул (синтез мочевины и незаменимых аминокислот), активацию витамина D , утилизацию витамина К , транспортерную экспрессию витамина А и конверсия тироксина . [15] [30]
Пуринергическая передача сигналов играет важную роль во взаимодействиях между нейронами и клетками глии , позволяя им обнаруживать потенциалы действия и модулировать активность нейронов, способствуя регуляции внутри- и внеклеточного гомеостаза. Помимо пуринергического нейромедиатора, АТФ действует как трофический фактор клеточного развития и роста, участвуя в активации и миграции микроглии, а также в миелинизации аксонов олигодендроцитами. Существует два основных типа пуринергических рецепторов : P1, связывающийся с аденозином , и P2, связывающийся с АТФ или АДФ, представляющие разные сигнальные каскады. [31] [32] Сигнальный путь Nrf2 / ARE играет фундаментальную роль в борьбе с окислительным стрессом, к которому нейроны особенно уязвимы из-за высокого потребления кислорода и высокого содержания липидов. Этот нейропротекторный путь включает контроль активности нейронов с помощью перисинаптических астроцитов и высвобождение глутамата нейронами с образованием трехсторонних синапсов. Активация Nrf2/ARE приводит к более высокой экспрессии ферментов, участвующих в синтезе и метаболизме глутатиона, которые играют ключевую роль в антиоксидантном ответе. [33] [34] [35] [36] Сигнальный путь LKB1/NUAK1 регулирует ветвление терминальных аксонов корковых нейронов посредством локального захвата иммобилизованных митохондрий. Помимо NUAK1 , киназа LKB1 действует под действием других эффекторных ферментов, таких как SAD-A/B и MARK, тем самым регулируя поляризацию нейронов и рост аксонов соответственно. В этих киназных каскадах участвуют также Тау и другие MAP . [37] [38] [39] Расширенные знания об этих и других нейрональных путях могут обеспечить новые потенциальные терапевтические цели для некоторых нейродегенеративных хронических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера , Паркинсона и Хантингтона , а также боковой амиотрофический склероз . [31] [32] [33]
Клетки крови ( эритроциты , лейкоциты и тромбоциты ) образуются в результате кроветворения . Основная функция эритроцитов — доставка О 2 к тканям, причем этот перенос происходит путем диффузии и определяется напряжением О 2 (РО 2 ). Эритроцит способен чувствовать потребность тканей в О 2 и вызывать изменение калибра сосудов через путь высвобождения АТФ , который требует увеличения цАМФ и регулируется фосфодиэстеразой ( ФДЭ). Этот путь может быть запущен посредством двух механизмов: физиологического стимула (например, снижения напряжения O2) и активации рецептора простациклина (IPR). Этот путь включает гетеротримерные G-белки , аденилатциклазу (AC), протеинкиназу A (PKA), регулятор трансмембранной проводимости при муковисцидозе (CFTR) и конечный канал, транспортирующий АТФ в просвет сосудов ( паннексин 1 или потенциал-зависимый анионный канал (VDAC). )). Высвобожденный АТФ действует на пуринергические рецепторы эндотелиальных клеток, запуская синтез и высвобождение нескольких вазодилататоров , таких как оксид азота (NO) и простациклин (PGI 2 ). [40] [41] Современная модель каскада адгезии лейкоцитов включает в себя множество этапов, упомянутых в Таблице 1. [42] Интегрин - опосредованная адгезия лейкоцитов к эндотелиальным клеткам связана с морфологическими изменениями как в лейкоцитах, так и в эндотелиальных клетках, которые вместе поддерживают лейкоциты. миграция через стенки вен. Малые ГТФазы Rho и Ras участвуют в основных сигнальных путях лейкоцитов, лежащих в основе стимулируемой хемокинами интегринозависимой адгезии, и играют важную роль в регуляции формы клеток, адгезии и подвижности. [43]
После повреждения сосудов тромбоциты активируются локально подвергающимся воздействию коллагеном (рецептор гликопротеина (GP) VI), локально генерируемым тромбином (рецепторы PAR1 и PAR4), тромбоцитарным тромбоксаном A2 (TxA2) (рецептор TP) и АДФ (P2Y1 и P2Y12). рецепторы), который либо высвобождается из поврежденных клеток, либо секретируется из плотных гранул тромбоцитов . Фактор фон Виллебранда (ФВ) служит важной вспомогательной молекулой. В общих чертах, активация тромбоцитов , инициированная агонистом, переходит в сигнальный каскад, который приводит к увеличению концентрации кальция в цитозоле. Следовательно, интегрин α IIb β 3 активируется и связывание с фибриногеном позволяет агрегировать тромбоциты друг с другом. Увеличение цитозольного кальция также приводит к изменению формы и синтезу TxA2, что приводит к усилению сигнала.
Основной целью биохимических каскадов в лимфоцитах является секреция молекул, способных подавлять измененные клетки или элиминировать патогенные агенты, посредством пролиферации, дифференцировки и активации этих клеток. Следовательно, антигенные рецепторы играют центральную роль в передаче сигналов в лимфоцитах, поскольку взаимодействие антигенов с ними приводит к каскаду сигнальных событий. Эти рецепторы, которые распознают растворимый антиген (В-клетки) или связаны с молекулой на антигенпрезентирующих клетках (Т-клетки), не имеют длинных цитоплазматических хвостов, поэтому они прикреплены к сигнальным белкам, которые содержат длинные цитоплазматические хвосты с мотивом которые могут фосфорилироваться ( ITAM – мотив активации иммунорецептора на основе тирозина) и образовывать различные сигнальные пути. Рецептор антигена и сигнальный белок образуют стабильный комплекс, называемый BCR или TCR , в В- или Т-клетках соответственно. Семейство Src важно для передачи сигнала в этих клетках, поскольку оно отвечает за фосфорилирование ITAM. Следовательно, Lyn и Lck в лимфоцитах В и Т соответственно фосфорилируют мотивы активации иммунорецептора на основе тирозина после распознавания антигена и конформационного изменения рецептора, что приводит к связыванию киназ Syk / Zap-70 с ITAM и его активации. . Киназа Syk специфична для лимфоцитов B, а Zap-70 присутствует в Т-клетках. После активации этих ферментов некоторые адаптерные белки фосфорилируются, например BLNK (В-клетки) и LAT (Т-клетки). Эти белки после фосфорилирования активируются и позволяют связывать другие ферменты, которые продолжают биохимический каскад. [4] [44] [45] [46] Одним из примеров белка, который связывается с адаптерными белками и активируется, является PLC, который очень важен в сигнальных путях лимфоцитов. PLC отвечает за активацию PKC через DAG и Ca 2+ , что приводит к фосфорилированию молекулы CARMA1 и образованию комплекса CBM. Этот комплекс активирует киназу Iκκ, которая фосфорилирует I-κB, а затем обеспечивает транслокацию NF-κB в ядро и транскрипцию , например, генов, кодирующих цитокины . Другие факторы транскрипции, такие как комплекс NFAT и AP1, также важны для транскрипции цитокинов . [45] [47] [48][49] Дифференцировка В-клеток в плазматические клетки также является примером сигнального механизма в лимфоцитах, индуцируемого цитокиновым рецептором . В этом случае некоторые интерлейкины связываются со специфическим рецептором, что приводит к активации пути MAPK/ERK . Следовательно, белок BLIMP1 транслируется и ингибирует PAX5 , обеспечивая транскрипцию генов иммуноглобулинов и активацию XBP1 (важно для формирования секреторного аппарата и усиления синтеза белка). [50] [51] [52] Кроме того, корецепторы ( CD28 / CD19 ) играют важную роль, поскольку они могут улучшить связывание антигена/рецептора и инициировать параллельные каскадные события, такие как активация киназы PI3. Затем PIP3 отвечает за активацию нескольких белков, таких как vav (приводит к активации пути JNK , что, следовательно, приводит к активации c-Jun ) и btk (также может активировать PLC). [45] [53]
Сигнальный путь Wnt можно разделить на канонический и неканонический. Каноническая передача сигналов включает связывание Wnt с корецептором Frizzled и LRP5, что приводит к фосфорилированию GSK3 и ингибированию деградации β-катенина, что приводит к его накоплению и транслокации в ядро, где он действует как фактор транскрипции. Неканоническую передачу сигналов Wnt можно разделить на путь планарной клеточной полярности (PCP) и путь Wnt/кальций. Он характеризуется связыванием Wnt с Frizzled и активацией G-белков, а также увеличением внутриклеточных уровней кальция посредством механизмов, включающих PKC 50. [54] Сигнальный путь Wnt играет значительную роль в остеобластогенезе и формировании кости, индуцируя дифференцировку мезенхимальные плюрипотентные клетки в остеобластах и ингибирование пути RANKL/RANK и остеокластогенеза. [55]
RANKL является членом суперсемейства лигандов TNF. Путем связывания с рецептором RANK он активирует различные молекулы, такие как NF-каппа B, MAPK, NFAT и PI3K52. Сигнальный путь RANKL/RANK регулирует остеокластогенез, а также выживание и активацию остеокластов. [56] [57]
Аденозин очень важен для метаболизма костной ткани, поскольку он играет роль в формировании и активации как остеокластов, так и остеобластов. Аденозин действует путем связывания с пуринергическими рецепторами и влияет на активность аденилатциклазы и образование цАМФ и ПКА 54. [58] Аденозин может оказывать противоположные эффекты на метаболизм костной ткани, поскольку в то время как одни пуринергические рецепторы стимулируют активность аденилатциклазы, другие оказывают противоположный эффект. [58] [59] При определенных обстоятельствах аденозин стимулирует разрушение костей, а в других ситуациях он способствует образованию костей, в зависимости от активируемого пуринергического рецептора.
Способность к самообновлению и дифференцировке является исключительным свойством стволовых клеток. Эти клетки можно классифицировать по их способности к дифференцировке, которая прогрессивно снижается по мере развития, на тотипотентные, плюрипотентные, мультипотентные и унипотентные. [60]
Процесс самообновления строго регулируется клеточным циклом и контролем генетической транскрипции. Существуют некоторые сигнальные пути, такие как LIF / JAK / STAT3 (фактор ингибирования лейкемии/янус-киназа/преобразователь сигнала и активатор транскрипции 3) и BMP / SMADs /Id (костные морфогенетические белки/матери против декапентаплегии/ингибитор дифференцировки), опосредованные факторами транскрипции, эпигенетическими регуляторами и другими компонентами, и они ответственны за экспрессию генов самообновления и ингибирование экспрессии генов дифференцировки соответственно. [61]
На уровне клеточного цикла происходит усложнение механизмов соматических стволовых клеток. Однако с возрастом наблюдается снижение потенциала самообновления. Эти механизмы регулируются сигнальными путями p16 Ink4a -CDK4/6- Rb и p19 Arf - p53 - P21 Cip1 . Эмбриональные стволовые клетки обладают конститутивной активностью циклина E-CDK2, который гиперфосфорилирует и инактивирует Rb. Это приводит к короткой фазе G1 клеточного цикла с быстрым переходом G1-S и небольшой зависимостью от митогенных сигналов или D-циклинов для входа в S-фазу. В фетальных стволовых клетках митогены способствуют относительно быстрому переходу G1-S за счет совместного действия циклина D-CDK4/6 и циклина E-CDK2 по инактивации белков семейства Rb. Экспрессия p16 Ink4a и p19 Arf ингибируется Hmga2-зависимой регуляцией хроматина. Многие молодые взрослые стволовые клетки большую часть времени находятся в состоянии покоя. В отсутствие митогенных сигналов циклин-CDK и переход G1-S подавляются ингибиторами клеточного цикла, включая белки семейства Ink4 и Cip/Kip. В результате Rb гипофосфорилируется и ингибирует E2F, способствуя покою в G0-фазе клеточного цикла. Стимуляция митогеном мобилизует эти клетки в цикл путем активации экспрессии циклина D. В старых взрослых стволовых клетках экспрессия микроРНК let-7 увеличивается, снижая уровни Hmga2 и повышая уровни p16 Ink4a и p19 Arf . Это снижает чувствительность стволовых клеток к митогенным сигналам за счет ингибирования комплексов циклин-CDK. В результате либо стволовые клетки не могут войти в клеточный цикл, либо деление клеток во многих тканях замедляется. [62]
Внешняя регуляция осуществляется сигналами из ниши, где находятся стволовые клетки, что способно способствовать состоянию покоя и активации клеточного цикла в соматических стволовых клетках. [63] Асимметричное деление характерно для соматических стволовых клеток, поддерживая резервуар стволовых клеток в тканях и производя их специализированные клетки. [64]
Стволовые клетки демонстрируют повышенный терапевтический потенциал, главным образом, при гематоонкологических патологиях, таких как лейкемия и лимфомы. В опухолях были обнаружены небольшие группы стволовых клеток, называемые раковыми стволовыми клетками. Есть доказательства того, что эти клетки способствуют росту опухоли и метастазированию. [65]
Ооцит – женская клетка, участвующая в размножении . [66] Существует тесная связь между ооцитом и окружающими фолликулярными клетками , что имеет решающее значение для развития обоих. [67] GDF9 и BMP15 , продуцируемые ооцитом, связываются с рецепторами BMPR2 на фолликулярных клетках, активируя SMAD 2/3 , обеспечивая развитие фолликула. [68] Одновременно рост ооцитов инициируется связыванием KITL с его рецептором KIT в ооците, что приводит к активации пути PI3K/Akt , обеспечивая выживание и развитие ооцитов. [69] Во время эмбриогенеза ооциты инициируют мейоз и останавливаются в профазе I. Этот арест поддерживается повышенными уровнями цАМФ внутри ооцита. [70] Недавно было высказано предположение, что цГМФ взаимодействует с цАМФ, поддерживая остановку клеточного цикла . [70] [71] Во время мейотического созревания пик ЛГ , который предшествует овуляции, активирует путь МАРК , что приводит к нарушению щелевого соединения и нарушению связи между ооцитом и фолликулярными клетками. PDE3A активируется и разрушает цАМФ, что приводит к прогрессированию клеточного цикла и созреванию ооцитов. [72] [73] Всплеск ЛГ также приводит к выработке прогестерона и простагландинов , которые индуцируют экспрессию ADAMTS1 и других протеаз, а также их ингибиторов. Это приведет к деградации стенки фолликула, но ограничит повреждение и обеспечит разрыв в соответствующем месте, высвобождая яйцеклетку в фаллопиевы трубы . [74] [75] Активация ооцитов зависит от оплодотворения сперматозоидами. [76] Он инициируется притяжением спермы, вызванным простагландинами, вырабатываемыми ооцитом, что создает градиент, влияющий на направление и скорость сперматозоида. [77] После слияния с ооцитом PLC ζ сперматозоидов высвобождается в ооцит, что приводит к увеличению уровней Ca2+, что активирует CaMKII , что приводит к деградации MPF , что приводит к возобновлению мейоза. [78] [79] Повышенные уровни Ca 2+ индуцируют экзоцитозкортикальные гранулы , которые разрушают рецепторы ZP , используемые сперматозоидами для проникновения в ооцит, блокируя полиспермию . [80] Нарушение регуляции этих путей приведет к нескольким заболеваниям, таким как синдром нарушения созревания ооцитов, который приводит к бесплодию . [81] Расширение наших молекулярных знаний о механизмах развития ооцитов может улучшить результаты процедур вспомогательной репродукции , способствуя зачатию.
Сперматозоид – мужская гамета. После эякуляции эта клетка не созревает и не может оплодотворить яйцеклетку. Чтобы иметь возможность оплодотворять женскую гамету, эта клетка подвергается капацитации и акросомной реакции в женских репродуктивных путях. Сигнальные пути, лучше всего описанные для сперматозоидов, включают эти процессы. Сигнальный путь цАМФ /ПКА приводит к капацитации сперматозоидов; однако аденилатциклаза в сперматозоидах отличается от соматических клеток. Аденилатциклаза в сперматозоидах не распознает G-белки , поэтому стимулируется ионами бикарбоната и Са 2+ . Затем он превращает аденозинтрифосфат в циклический АМФ, который активирует протеинкиназу А. PKA приводит к фосфорилированию тирозина белка. [82] [83] [84] Фосфолипаза C (PLC) участвует в акросомной реакции. ZP3 представляет собой гликопротеин, присутствующий в прозрачной зоне и взаимодействующий с рецепторами сперматозоидов. Так, ZP3 может активировать рецепторы, связанные с G-белком, и рецепторы тирозинкиназы , что приводит к продукции PLC. PLC расщепляет фосфолипид фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат (PIP2) на диацилглицерин (DAG) и инозитол-1,4,5-трифосфат . IP3 высвобождается в виде растворимой структуры в цитозоль, а DAG остается связанным с мембраной. IP3 связывается с рецепторами IP3, присутствующими в мембране акросомы. Кроме того, кальций и ДАГ вместе активируют протеинкиназу С , которая фосфорилирует другие молекулы, что приводит к изменению клеточной активности. Эти действия вызывают увеличение цитозольной концентрации Ca 2+ , что приводит к диспергированию актина и, следовательно, способствует слиянию плазматической мембраны и наружной мембраны акросомы. [85] [86] Прогестерон — это стероидный гормон, вырабатываемый кучевыми офорами. В соматических клетках он связывается с рецепторами в ядре ; однако в сперматозоидах его рецепторы присутствуют в плазматической мембране. Этот гормон активирует АКТ, что приводит к активации других протеинкиназ, участвующих в капацитации и акросомной реакции. [87] [88] Когда АФК (активные формы кислорода)присутствуют в высоких концентрациях, они могут влиять на физиологию клеток, но когда они присутствуют в умеренных концентрациях, они важны для акросомной реакции и капацитации. АФК могут взаимодействовать с цАМФ/ПКА и прогестероновым путем, стимулируя их. АФК также взаимодействует с путем ERK , что приводит к активации Ras, MEK и MEK-подобных белков. Эти белки активируют протеинтирозинкиназу (PTK), которая фосфорилирует различные белки, важные для капацитации и акросомной реакции. [89] [90]
Различные сигнальные пути, такие как пути FGF, WNT и TGF-β , регулируют процессы, участвующие в эмбриогенезе .
Лиганды FGF (фактора роста фибробластов) связываются с рецепторами тирозинкиназы , FGFR (рецепторами фактора роста фибробластов) и образуют стабильный комплекс с корецепторами HSPG (гепарансульфатпротеогликанами), который будет способствовать аутофосфорилированию внутриклеточного домена FGFR и последующей активации четыре основных пути: MAPK/ERK , PI3K , PLCγ и JAK/STAT . [91] [92] [93]
Путь WNT позволяет β-катенину участвовать в транскрипции генов, как только взаимодействие между лигандом WNT и рецептором Frizzled, связанным с G-белком, ингибирует GSK-3 (киназу гликогенсинтазы-3) и, таким образом, образует комплекс разрушения β-катенина. [93] [99] [100] Хотя существуют некоторые разногласия по поводу эффектов этого пути в эмбриогенезе, считается, что передача сигналов WNT индуцирует образование примитивных полосок , мезодермы и энтодермы . [100] В пути TGF-β (трансформирующий фактор роста β) BMP (костный морфогенный белок), активин и лиганды Nodal связываются со своими рецепторами и активируют Smads , которые связываются с ДНК и способствуют транскрипции генов. [93] [101] [102] Активин необходим для дифференцировки мезодермы и особенно энтодермы , а Nodal и BMP участвуют в формировании паттерна эмбриона. BMP также отвечает за формирование внеэмбриональных тканей до и во время гаструляции, а также за раннюю дифференцировку мезодермы, когда активируются пути активина и FGF. [101] [102] [103]
Построение путей осуществлялось отдельными группами, изучающими интересующую сеть (например, иммунный сигнальный путь), а также крупными биоинформатическим консорциумами (например, Reactome Project) и коммерческими организациями (например, Ingenuity Systems ). Построение пути — это процесс идентификации и интеграции сущностей, взаимодействий и связанных аннотаций, а также заполнения базы знаний. Построение пути может иметь либо цель, основанную на данных (DDO), либо цель, основанную на знаниях (KDO). Построение пути на основе данных используется для получения информации о взаимосвязях генов или белков, выявленных в конкретном эксперименте, таком как исследование на микрочипе. [104] Построение путей, основанное на знаниях, влечет за собой разработку подробной базы знаний о путях для конкретных областей, представляющих интерес, таких как тип клеток, заболевание или система. Процесс курирования биологического пути включает в себя идентификацию и структурирование контента, сбор информации вручную и/или с помощью вычислений, а также сбор базы знаний с использованием соответствующих программных инструментов. [105] Схема, иллюстрирующая основные этапы процессов построения, основанных на данных и знаниях. [104]
Для построения пути DDO или KDO первым шагом является сбор соответствующей информации из соответствующих источников информации об объектах и взаимодействиях. Полученная информация собирается с использованием соответствующих форматов, информационных стандартов и инструментов построения маршрута для получения прототипа маршрута. Путь дополнительно уточняется, чтобы включать аннотации, специфичные для контекста, такие как вид, тип клетки/ткани или тип заболевания. Затем путь может быть проверен экспертами в предметной области и обновлен кураторами на основе соответствующих отзывов. [106] Недавние попытки улучшить интеграцию знаний привели к уточнению классификаций сотовых объектов, таких как GO, и к созданию структурированных хранилищ знаний. [107] Репозитории данных, которые содержат информацию о данных о последовательностях, метаболизме, передаче сигналов, реакциях и взаимодействиях, являются основным источником информации для построения путей. [108] Несколько полезных баз данных описаны в следующей таблице. [104]
Легенда: Д – Да, Н – Нет; BIND - База данных сети биомолекулярных взаимодействий, DIP - База данных взаимодействующих белков, GNPV - Средство просмотра платформы геномной сети, HPRD = Справочная база данных белков человека, MINT - База данных молекулярных взаимодействий, MIPS - Мюнхенский информационный центр белковых последовательностей, UNIHI - Унифицированный интерактом человека, OPHID – Онлайн-база данных прогнозируемых человеческих взаимодействий, EcoCyc – Энциклопедия генов и метаболизма E. Coli, MetaCyc – База данных метаболических путей, KEGG – Киотская энциклопедия генов и геномов, PANTHER – База данных анализа белков через эволюционные взаимоотношения, STKE – Среда знаний о передаче сигналов, PID – База данных взаимодействия путей, BioPP – Издательство биологических путей. Полный список ресурсов можно найти на http://www.pathguide.org.
Растущее количество геномной и молекулярной информации является основой для понимания биологических систем более высокого порядка, таких как клетка и организм, и их взаимодействия с окружающей средой, а также для медицинских, промышленных и других практических приложений. Ресурс KEGG [109] предоставляет справочную базу знаний для связи геномов с биологическими системами, классифицированную как строительные блоки в геномном пространстве (KEGG GENES), химическом пространстве (KEGG LIGAND), схемах соединений сетей взаимодействия и реакционных сетей (KEGG PATHWAY) . ) и онтологии для реконструкции путей (база данных BRITE). [110] База данных KEGG PATHWAY представляет собой набор нарисованных вручную карт путей метаболизма , обработки генетической информации, обработки информации об окружающей среде, такой как передача сигнала, взаимодействие лиганд -рецептор и клеточная коммуникация, различные другие клеточные процессы и заболевания человека, и все это основано на обширных данных. обзор опубликованной литературы. [111]
Аннотатор генной карты и профилировщик путей ( GenMAPP ) [112] — бесплатная автономная компьютерная программа с открытым исходным кодом, предназначенная для организации, анализа и обмена данными масштаба генома в контексте биологических путей. База данных GenMAPP поддерживает несколько аннотаций генов и видов, а также создание собственной базы данных видов для потенциально неограниченного числа видов. [113] Ресурсы путей расширяются за счет использования информации о гомологии для трансляции содержания путей между видами и расширения существующих путей с помощью данных, полученных на основе взаимодействий консервативных белков и совместной экспрессии. Новый режим визуализации данных, включая динамику, однонуклеотидный полиморфизм (SNP) и сплайсинг , был реализован с базой данных GenMAPP для поддержки анализа сложных данных. GenMAPP также предлагает инновационные способы отображения и обмена данными, включая экспорт результатов анализа в формате HTML для целых наборов путей в виде организованных веб-страниц. [114] Короче говоря, GenMAPP предоставляет средства для быстрого анализа сложных экспериментальных данных об изменениях на уровне путей в различных организмах.
Учитывая генетическую структуру организма, полный набор возможных реакций составляет его реактом . Reactome , расположенный по адресу http://www.reactome.org, представляет собой тщательно рецензируемый ресурс данных о биологических процессах и путях человека. Основной единицей базы данных Reactome является реакция; реакции затем группируются в причинные цепочки для формирования путей [115]. Модель данных Reactome позволяет нам представлять множество разнообразных процессов в человеческой системе, включая пути промежуточного метаболизма, регуляторные пути и передачу сигналов, а также процессы высокого уровня, такие как как клеточный цикл . [116] Reactome обеспечивает качественную основу, на которую можно накладывать количественные данные. Были разработаны инструменты, облегчающие ввод и аннотирование данных экспертами-биологами, а также позволяющие визуализировать и исследовать готовый набор данных в виде интерактивной карты процесса. [117] Хотя основным курационным доменом являются пути от Homo sapiens, электронные проекции человеческих путей на другие организмы регулярно создаются с помощью предполагаемых ортологов, что делает Reactome актуальным для исследовательских сообществ модельных организмов. База данных общедоступна на условиях открытого исходного кода, что позволяет свободно использовать и распространять как ее содержимое, так и ее программную инфраструктуру. Изучение целых профилей транскрипции и каталогизация белок-белковых взаимодействий позволило получить много ценной биологической информации: от генома или протеома до физиологии организма, органа, ткани или даже отдельной клетки. База данных Reactome, содержащая структуру возможных реакций, которая в сочетании с данными об экспрессии и кинетике ферментов обеспечивает инфраструктуру для количественных моделей и, следовательно, комплексное представление биологических процессов, которое связывает такие генные продукты и может систематически анализироваться с использованием приложений биоинформатики. . [118] Данные реактома доступны в различных стандартных форматах, включая BioPAX , SBML и PSI-MI, а также позволяют обмениваться данными с другими базами данных путей, такими как Cycs, KEGG и amaze , а также базами данных молекулярных взаимодействий, такими как BIND и HPRD . Следующий выпуск данных будет охватывать апоптоз, включая сигнальные пути рецептора смерти и пути Bcl2, а также пути, участвующие в гемостазе . Другие темы, находящиеся в стадии разработки, включают несколько сигнальных путей, митоз , зрительную фототрансдукцию и кроветворение . [119]Таким образом, Reactome предоставляет высококачественные тщательно подобранные сводки фундаментальных биологических процессов в организме человека в форме удобной для биологов визуализации данных о путях и является проектом с открытым исходным кодом.
В постгеномную эпоху высокопроизводительное секвенирование и методы профилирования генов/белков преобразовали биологические исследования, обеспечив всесторонний мониторинг биологической системы, давая список дифференциально экспрессируемых генов или белков, что полезно для идентификации генов, которые могут играть определенную роль. в данном явлении или фенотипе. [120] С помощью микрочипов ДНК и полногеномной генной инженерии можно проверять глобальные профили экспрессии генов, чтобы внести в общественное достояние множество геномных данных. С помощью РНК-интерференции можно преобразовать выводы, содержащиеся в экспериментальной литературе и первичных базах данных, в базы знаний, состоящие из аннотированных представлений биологических путей. При этом известно, что отдельные гены и белки участвуют в биологических процессах, компонентах или структурах, а также в том, как и где генные продукты взаимодействуют друг с другом. [121] [122] Подходы, ориентированные на пути анализа данных микрочипов, путем группировки длинных списков отдельных генов, белков и/или других биологических молекул в соответствии с путями, в которых они участвуют, в меньшие наборы связанных генов или белков, что снижает сложность, оказались полезными для связи геномных данных с конкретными биологическими процессами и системами. Идентификация активных путей, которые различаются между двумя состояниями, может иметь большую объяснительную силу, чем простой список различных генов или белков. Кроме того, большое количество методов анализа путей используют знания о путях из общедоступных репозиториев, таких как Gene Ontology (GO) или Киотская энциклопедия генов и геномов ( KEGG ), а не выводят пути на основе молекулярных измерений. [123] [124] Кроме того, разные направления исследований придали слову «путь» разные значения. Например, «путь» может обозначать метаболический путь, включающий последовательность ферментативно-катализируемых реакций малых молекул, или сигнальный путь, включающий набор реакций фосфорилирования белков и событий регуляции генов. Поэтому термин «путевой анализ» имеет очень широкое применение. Например, он может относиться к анализу сетей физических взаимодействий (например, белок-белковые взаимодействия), кинетическому моделированию путей и анализу установившихся путей (например, анализ баланса потоков), а также к его использованию при выводе пути на основе данных об экспрессии и последовательностях. Для улучшения интерпретации данных было разработано несколько инструментов анализа функционального обогащения [125] [126] [127] [128] и алгоритмов [129] . Существующие методы анализа путей, основанные на базе знаний, в каждом поколении были обобщены в недавней литературе. [130]
Пакет программ MatchMiner использовался для сканирования имен HUGO на предмет клонированных интересующих генов, которые затем вводились в GoMiner, который использовал GO для идентификации биологических процессов, функций и компонентов, представленных в профиле гена. Кроме того, база данных для аннотаций, визуализации и интегрированного обнаружения ( DAVID ) и база данных KEGG могут использоваться для анализа данных экспрессии микрочипов и анализа каждого биологического процесса GO (P), клеточного компонента (C) и молекулярной функции (F). ) онтология. Кроме того, инструменты DAVID можно использовать для анализа роли генов в метаболических путях и демонстрации биологических связей между генами или генными продуктами, а также могут представлять метаболические пути. Эти две базы данных также предоставляют онлайн-инструменты биоинформатики, позволяющие объединить конкретную биохимическую информацию об определенном организме и облегчить интерпретацию биологического значения экспериментальных данных. С помощью комбинированного подхода микрочип-биоинформатических технологий был продемонстрирован потенциальный метаболический механизм, способствующий колоректальному раку (CRC) [131]. Несколько факторов окружающей среды могут быть вовлечены в ряд точек генетического пути к CRC. К ним относятся гены, связанные с метаболизмом желчных кислот, метаболизмом гликолиза и путями метаболизма жирных кислот , что подтверждает гипотезу о том, что некоторые метаболические изменения, наблюдаемые при карциноме толстой кишки , могут возникать при развитии CRC. [131]
Клеточные модели помогают разделить сложный патологический процесс на более простые молекулярные события. Болезнь Паркинсона (БП) является многофакторной и клинически гетерогенной; этиология спорадической (и наиболее распространенной) формы до сих пор неясна , и до сих пор выяснено лишь несколько молекулярных механизмов нейродегенеративного каскада . В такой многогранной картине особенно важно выявить экспериментальные модели, которые упрощают изучение различных задействованных сетей белков и генов. Клеточные модели, воспроизводящие некоторые особенности нейронов, дегенерирующих при БП, способствовали многим достижениям в нашем понимании патогенного течения заболевания. В частности, основные биохимические пути (т.е. апоптоз и окислительный стресс , митохондриальные нарушения и дисфункциональная митофагия , стресс развернутых белков и неправильное удаление неправильно свернутых белков) широко изучались в клеточных линиях, подвергшихся токсическим воздействиям или генетически модифицированных. Центральная роль альфа-синуклеина привела к появлению множества моделей, направленных на выяснение его вклада в нарушение регуляции различных клеточных процессов. Классические клеточные модели кажутся правильным выбором для предварительных исследований молекулярного действия новых лекарств или потенциальных токсинов, а также для понимания роли отдельных генетических факторов. Более того, доступность новых клеточных систем, таких как цибриды или индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, дает возможность использовать преимущества исследований in vitro, хотя и более точно отражающих затронутую популяцию клеток. [132]
Синаптическая дегенерация и гибель нервных клеток являются определяющими особенностями болезни Альцгеймера (БА), наиболее распространенного возрастного нейродегенеративного заболевания. При болезни Альцгеймера нейроны в гиппокампе и базальном отделе переднего мозга (области мозга, отвечающие за функции обучения и памяти) избирательно уязвимы. Исследования посмертной ткани головного мозга людей с болезнью Альцгеймера предоставили доказательства повышенного уровня окислительного стресса, митохондриальной дисфункции и нарушения поглощения глюкозы в уязвимых популяциях нейронов. Исследования моделей БА на животных и клеточных культурах позволяют предположить, что повышенные уровни окислительного стресса ( в частности , перекисного окисления липидов мембран ) могут нарушать энергетический метаболизм нейронов и ионный гомеостаз , нарушая функцию мембранных ион-движущих АТФаз , переносчиков глюкозы и глутамата . Такой окислительный и метаболический компромисс может, таким образом, сделать нейроны уязвимыми к эксайтотоксичности и апоптозу . Недавние исследования показывают, что БА может проявляться системными изменениями в энергетическом обмене (например, повышением резистентности к инсулину и нарушением регуляции метаболизма глюкозы). Появляющиеся данные о том, что ограничения в питании могут предотвратить развитие болезни Альцгеймера, согласуются с основным «метаболическим» компонентом этих расстройств и вселяют оптимизм в отношении того, что эти разрушительные нарушения мозга, связанные со старением, можно в значительной степени предотвратить. [133]
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )