stringtranslate.com

Понижающая и повышающая регуляция

В биохимии , в биологическом контексте регуляции организмами экспрессии генов и производства продуктов генов , понижение регуляции — это процесс, посредством которого клетка уменьшает производство и количество своих клеточных компонентов , таких как РНК и белки , в ответ на внешний стимул. Дополнительный процесс, который включает увеличение количества клеточных компонентов, называется повышением регуляции. [1]

Примером даунрегуляции является клеточное снижение экспрессии определенного рецептора в ответ на его повышенную активацию молекулой, такой как гормон или нейротрансмиттер , что снижает чувствительность клетки к молекуле. Это пример локально действующего ( отрицательной обратной связи ) механизма.

Примером апрегуляции является реакция клеток печени , подвергшихся воздействию таких ксенобиотических молекул, как диоксин . В этой ситуации клетки увеличивают выработку ферментов цитохрома P450 , что в свою очередь увеличивает деградацию этих молекул диоксина.

Понижение или повышение регуляции РНК или белка может также возникнуть в результате эпигенетического изменения. Такое эпигенетическое изменение может привести к тому, что экспрессия РНК или белка больше не будет реагировать на внешний стимул. Это происходит, например, при наркотической зависимости или прогрессировании рака .

Понижение и повышение регуляции рецепторов

Все живые клетки обладают способностью получать и обрабатывать сигналы, которые возникают за пределами их мембран, что они делают с помощью белков, называемых рецепторами , которые часто расположены на поверхности клетки, встроенной в плазматическую мембрану. Когда такие сигналы взаимодействуют с рецептором, они эффективно направляют клетку на выполнение какого-либо действия, например деление, смерть или разрешение создания веществ, или вход или выход из клетки. Способность клетки реагировать на химическое сообщение зависит от наличия рецепторов, настроенных на это сообщение. Чем больше рецепторов у клетки, настроенных на сообщение, тем больше клетка будет на него реагировать.

Рецепторы создаются или экспрессируются на основе инструкций в ДНК клетки, и их уровень может быть увеличен или повышен, когда сигнал слабый, или уменьшен или понижен, когда он сильный. [ необходима цитата ] Их уровень также может регулироваться путем модуляции систем, которые разрушают рецепторы, когда они больше не нужны клетке.

Понижение регуляции рецепторов может также происходить, когда рецепторы хронически подвергались чрезмерному воздействию лиганда, либо от эндогенных медиаторов, либо от экзогенных препаратов. Это приводит к лиганд -индуцированной десенсибилизации или интернализации этого рецептора. Это обычно наблюдается в рецепторах гормонов животных. Повышение регуляции рецепторов, с другой стороны, может привести к сверхсенсибилизации клеток, особенно после повторного воздействия антагонистического препарата или длительного отсутствия лиганда.

Некоторые агонисты рецепторов могут вызывать понижение регуляции соответствующих рецепторов, в то время как большинство антагонистов рецепторов временно повышают регуляцию соответствующих рецепторов. Нарушение равновесия, вызванное этими изменениями, часто вызывает синдром отмены при прекращении длительного использования препарата .

Повышение и понижение регуляции также могут происходить в ответ на токсины или гормоны . Примером повышения регуляции во время беременности являются гормоны, которые заставляют клетки в матке становиться более чувствительными к окситоцину .

Пример: снижение регуляции рецепторов инсулина

Повышенные уровни гормона инсулина в крови вызывают снижение регуляции связанных рецепторов. [2] Когда инсулин связывается со своими рецепторами на поверхности клетки, комплекс гормон-рецептор подвергается эндоцитозу и впоследствии подвергается атаке внутриклеточных лизосомальных ферментов . [3] Интернализация молекул инсулина обеспечивает путь для деградации гормона, а также для регуляции количества участков, которые доступны для связывания на поверхности клетки. [4] При высоких концентрациях в плазме количество поверхностных рецепторов для инсулина постепенно уменьшается за счет ускоренной скорости интернализации и деградации рецепторов, вызванной повышенным гормональным связыванием. [5] [ нужна страница ] Скорость синтеза новых рецепторов в эндоплазматическом ретикулуме и их встраивание в плазматическую мембрану не поспевают за скоростью их разрушения. Со временем эта самоиндуцированная потеря рецепторов клетки-мишени для инсулина снижает чувствительность клетки-мишени к повышенной концентрации гормона. [5]

Этот процесс иллюстрируется участками рецепторов инсулина на целевых клетках, например, клетках печени, у человека с диабетом 2 типа . [6] Из-за повышенного уровня глюкозы в крови у человека, β-клетки ( островки Лангерганса ) в поджелудочной железе должны выделять больше инсулина, чем обычно, чтобы удовлетворить потребность и вернуть кровь к гомеостатическому уровню. [7] Почти постоянное повышение уровня инсулина в крови является результатом попытки соответствовать повышению уровня глюкозы в крови, что приведет к снижению регуляции рецепторных участков на клетках печени и уменьшению количества рецепторов для инсулина, увеличивая резистентность субъекта за счет снижения чувствительности к этому гормону. [ необходима цитата ] Также наблюдается снижение чувствительности печени к инсулину . Это можно увидеть в продолжающемся глюконеогенезе в печени, даже когда уровень глюкозы в крови повышен. Это более распространенный процесс резистентности к инсулину , который приводит к диабету у взрослых. [8]

Другой пример можно увидеть при несахарном диабете , при котором почки становятся нечувствительными к аргинин-вазопрессину .

Наркомания

Исследования, проведенные на семьях, усыновленных и близнецовых людях, показали, что существует сильная (50%) наследственная составляющая уязвимости к наркотической зависимости. [9]

Особенно среди генетически уязвимых людей, повторное воздействие наркотиков в подростковом или взрослом возрасте вызывает зависимость, вызывая устойчивую регуляцию вниз или вверх в экспрессии определенных генов и микроРНК через эпигенетические изменения . [10] Было показано, что такая регуляция вниз или вверх происходит в областях вознаграждения мозга, таких как прилежащее ядро . [10]

Рак

Повреждение ДНК, по-видимому, является основной причиной рака. [11] Повреждение ДНК также может увеличить эпигенетические изменения из-за ошибок во время восстановления ДНК. [12] [13] Такие мутации и эпигенетические изменения могут привести к раку (см. злокачественные новообразования ). [12] [13] [ требуется проверка ] Исследования эпигенетического снижения или повышения регуляции восстановленных генов ДНК как возможного центрального фактора прогрессирования рака регулярно проводятся с 2000 года. [14]

Эпигенетическая депрессия гена репарации ДНК MGMT наблюдается в 93% случаев рака мочевого пузыря, [15] в 88% случаев рака желудка, в 74% случаев рака щитовидной железы, в 40–90% случаев колоректального рака и в 50% случаев рака мозга. [ необходима ссылка ] Аналогично, эпигенетическая депрессия LIG4 наблюдается в 82% случаев колоректального рака, а эпигенетическая депрессия NEIL1 наблюдается в 62% случаев рака головы и шеи и в 42% случаев немелкоклеточного рака легких .

Эпигенетическая регуляция генов репарации ДНК PARP1 и FEN1 происходит при многочисленных видах рака (см. Регуляция транскрипции при раке ). PARP1 и FEN1 являются важными генами в подверженном ошибкам и мутагенном пути репарации ДНК микрогомологически-опосредованном соединении концов . Если этот путь активируется, избыточные мутации, которые он вызывает, могут привести к раку. PARP1 сверхэкспрессируется при лейкозах, активируемых тирозинкиназой, [16] при нейробластоме, [17] при опухолях яичек и других опухолях зародышевых клеток, [18] и при саркоме Юинга. [19] FEN1 активируется при большинстве видов рака молочной железы, простаты, желудка, нейробластом, поджелудочной железы и легких. [20] [ необходима цитата ]

Смотрите также


Ссылки

  1. ^ Аткинсон, Тейлор Дж.; Халфон, Марк С. (2014-01-01). «Регулирование экспрессии генов в геномном контексте». Журнал вычислительной и структурной биотехнологии . 9 (13): e201401001. doi : 10.5936/csbj.201401001 . ISSN  2001-0370. PMC  3962188. PMID  24688749 .
  2. ^ Крупп, М.; Лейн, М. Д. (25 февраля 1981 г.). «О механизме индуцированного лигандом снижения уровня рецепторов инсулина в клетках печени». Журнал биологической химии . 256 (4): 1689–94. doi : 10.1016/S0021-9258(19)69862-5 . PMID  7007369.
  3. ^ Заляускиене, Лолита; Канг, Сонгюн; Бруйетт, Кристи Г.; Лебовиц, Якоб; Арани, Рамин Б.; Коллон, Джеймс Ф. (2016). «Понижение регуляции рецепторов клеточной поверхности модулируется полярными остатками в трансмембранном домене». Молекулярная биология клетки . 11 (8): 2643–2655. doi :10.1091/mbc.11.8.2643. ISSN  1059-1524. PMC 14946. PMID  10930460 . 
  4. ^ Карпентье, Ж.-Л. (1994). «Интернализация рецептора инсулина: молекулярные механизмы и физиопатологические последствия». Diabetologia . 37 (2): S117–S124. doi : 10.1007/BF00400835 . ISSN  0012-186X. PMID  7821727.
  5. ^ ab Шервуд, Лорали; Кландорф, Хиллар; Янси, Пол (2012-01-01). Физиология животных: от генов к организмам. Cengage Learning. ISBN 978-1133709510.
  6. ^ Fröjdö, Sara; Vidal, Hubert; Pirola, Luciano (2009-02-01). «Изменения сигнализации инсулина при диабете 2 типа: обзор текущих данных по людям». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Молекулярная основа заболеваний . 1792 (2): 83–92. doi : 10.1016/j.bbadis.2008.10.019 . PMID  19041393.
  7. ^ Уилкокс, Гизела (2016-11-20). «Инсулин и резистентность к инсулину». Clinical Biochemist Reviews . 26 (2): 19–39. ISSN  0159-8090. PMC 1204764. PMID 16278749  . 
  8. ^ Франц, Мэрион Дж. (2000). «Проблемы белков при диабете». Diabetes Spectrum . 13 (3). Архивировано из оригинала 2016-03-05 . Получено 2016-11-20 .
  9. ^ Уокер, Дина М.; Нестлер, Эрик Дж. (2018). «Нейроэпигенетика и зависимость». Справочник по клинической неврологии . Том 148. С. 747–765. doi :10.1016/B978-0-444-64076-5.00048-X. ISBN 9780444640765. PMC  5868351 . PMID  29478612.
  10. ^ ab Nestler, Eric J. (январь 2014 г.). «Эпигенетические механизмы наркотической зависимости». Neuropharmacology . 76 Pt B: 259–68. doi :10.1016/j.neuropharm.2013.04.004. PMC 3766384 . PMID  23643695. 
  11. ^ Бернстайн, C; Прасад, AR; Нфонсам, V; Бернстайн, H. (2013). "Глава 16: Повреждение ДНК, восстановление ДНК и рак". В Чен, Кларк (ред.). Новые направления исследований в области восстановления ДНК . BoD – Книги по запросу. стр. 413. ISBN 978-953-51-1114-6.
  12. ^ ab O'Hagan, Heather M.; Mohammad, Helai P.; Baylin, Stephen B. (15 августа 2008 г.). «Двойные разрывы цепи могут инициировать подавление генов и зависимое от SIRT1 начало метилирования ДНК на экзогенном промоторном острове CpG». PLOS Genetics . 4 (8): e1000155. doi : 10.1371/journal.pgen.1000155 . PMC 2491723 . PMID  18704159. Взятые вместе, наши данные свидетельствуют о том, что нормальное восстановление разрыва ДНК может иногда вызывать наследуемое подавление промотора, содержащего остров CpG, путем привлечения белков, участвующих в подавлении... Это открытие свидетельствует о том, что повреждение ДНК может напрямую способствовать большому количеству эпигенетически подавленных генов в опухолях. 
  13. ^ аб Куоццо, Кончетта; Порчеллини, Антонио; Ангризано, Тициана; Морано, Анналиса; Ли, Бонгён; Пардо, Альба Ди; Мессина, Саманта; Юлиано, Родольфо; Фуско, Альфредо; Сантильо, Мария Р; Мюллер, Марк Т; Кьяриотти, Лоренцо; Готтесман, Макс Э; Авведименто, Энрико V (6 июля 2007 г.). «Повреждение ДНК, репарация, направленная на гомологию, и метилирование ДНК». ПЛОС Генетика . 3 (7): е110. дои : 10.1371/journal.pgen.0030110 . ЧВК 1913100 . PMID  17616978. ...данные подтверждают механистическую связь между HR и метилированием ДНК и предполагают, что метилирование ДНК у эукариот маркирует гомологичные рекомбинированные сегменты. 
  14. ^ Бакстер, Ева; Виндлох, Каролина; Ганнон, Фрэнк; Ли, Джейсон С. (декабрь 2014 г.). «Эпигенетическая регуляция при прогрессировании рака». Cell & Bioscience . 4 (1): 45. doi : 10.1186/2045-3701-4-45 . PMC 4422217 . PMID  25949794. 
  15. ^ Bilgrami, Shumaila M; Qureshi, Sohail A; Pervez, Shahid; Abbas, Farhat (декабрь 2014 г.). «Промоторное гиперметилирование генов-супрессоров опухолей коррелирует со степенью злокачественности опухоли и инвазивностью у пациентов с уротелиальным раком мочевого пузыря». SpringerPlus . 3 (1): 178. doi : 10.1186/2193-1801-3-178 . PMC 4000596 . PMID  24790823. 
  16. ^ Muvarak, Nidal; Kelley, Shannon; Robert, Carine; Baer, ​​Maria R.; Perrotti, Danilo; Gambacorti-Passerini, Carlo; Civin, Curt; Scheibner, Kara; Rassool, Feyruz V. (1 апреля 2015 г.). "c-MYC генерирует ошибки восстановления посредством повышенной транскрипции факторов Alternative-NHEJ, LIG3 и PARP1, при лейкозах, активируемых тирозинкиназой". Molecular Cancer Research . 13 (4): 699–712. doi :10.1158/1541-7786.MCR-14-0422. PMC 4398615. PMID  25828893 . 
  17. ^ Newman, Erika A.; Lu, Fujia; Bashllari, Daniela; Wang, Li; Opipari, Anthony W.; Castle, Valerie P. (1 марта 2015 г.). «Альтернативные компоненты пути NHEJ являются терапевтическими мишенями при нейробластоме высокого риска». Molecular Cancer Research . 13 (3): 470–482. doi :10.1158/1541-7786.MCR-14-0337. PMID  25563294. S2CID  1830505.
  18. ^ Мего, Михал; Чиерна, Сузана; Светловская, Даниэла; Мачак, Душан; Мачалекова, Катарина; Мисковска, Вера; Хованец, Михал; Усакова, Ванда; Обертова, Яна; Бабал, Павел; Мардиак, Йозеф (июль 2013 г.). «Экспрессия PARP в опухолях зародышевых клеток». Журнал клинической патологии . 66 (7): 607–612. doi : 10.1136/jclinpath-2012-201088. PMID  23486608. S2CID  535704.
  19. ^ Ньюман, Роберт; Солдатенков, Вячеслав; Дричило, Анатолий; Нотарио, Висенте (1 мая 2002 г.). «Изменения оборота поли(АДФ-рибоза)полимеразы не способствуют сверхэкспрессии PARP в клетках саркомы Юинга». Oncology Reports . 9 (3): 529–532. doi :10.3892/or.9.3.529. PMID  11956622.
  20. ^ Сюй, Х; Чжэн, Л; Дай, Х; Чжоу, М; Хуа, И; Шен, Б (2011). «Заболеваемость химическими веществами и основные механизмы у мышей-мутантов Fen1». Онкоген . 30 (9): 1072–1081. doi :10.1038/onc.2010.482. PMC 3832200 . PMID  20972458. 

Внешние ссылки