Сигналдық трансдукция

Сигнал беру жолдарының көпшілігі лигандтар деп аталатын сигналдық молекулалардың жасуша ішіндегі оқиғаларды тудыратын рецепторлармен байланысуын қамтиды. Сигнал беру молекуласының рецептормен байланысуы рецепторлардың белсенділенуі деп аталатын рецептор конформациясының өзгеруіне әкеледі. Лигандтардың көпшілігі жасушадан тыс ортадағы еритін молекулалар, олар жасуша бетіндегі рецепторлармен байланысады. Оларға өсу факторлары, цитокиндер және нейротрансмиттерлер жатады. Жасушадан тыс матрицаның фибронектин және гиалуронан сияқты компоненттері де осындай рецепторлармен байланыса алады (тиісінше интегриндер және CD44). Сонымен қатар, стероидты гормондар сияқты кейбір молекулалар липидтерде ериді және осылайша цитоплазмалық немесе ядролық рецепторларға жету үшін плазмалық мембрана арқылы өтеді. Стероидты гормондық рецепторлар жағдайында олардың стимуляциясы стероидтерге жауап беретін гендердің промоторлық аймағымен байланысуына әкеледі.

Сигнал беру молекулаларының барлық классификациялары әрбір класс мүшесінің молекулалық табиғатын есепке алмайды. Мысалы, хош иістендіргіштер молекулалық класстардың кең ауқымына жатады, олардың мөлшері дофамин сияқты кіші молекулалардан эндорфиндер сияқты нейропептидтерге дейін өзгеретін нейротрансмиттерлер сияқты. Сонымен қатар, кейбір молекулалар бірнеше класқа сәйкес келуі мүмкін, мысалы, эпинефрин орталық жүйке жүйесі бөлген кезде нейротрансмиттер болып табылады және бүйрек үсті безінің медулласынан бөлінетін гормон болып табылады.

HER2 сияқты кейбір рецепторлар шамадан тыс экспрессияланған немесе мутацияланған кезде лигандтарға тәуелсіз белсендіруге қабілетті. Бұл жолдың конститутивтік белсендірілуіне әкеледі, ол компенсация механизмдері арқылы жойылуы немесе жойылуы мүмкін. Басқа EGFR-лердің димеризация серіктесі ретінде әрекет ететін HER2 жағдайында конституитивтік белсендіру гиперпролиферацияға және қатерлі ісікке әкеледі.

Эуметазоандардың тіндерінде базальді мембраналардың таралуы көптеген жасуша түрлерінің өмір сүруі үшін бекітуді қажет ететінін білдіреді. Бұл талап жасушаларға субстраттың қаттылығын сезінуге мүмкіндік беретін күрделі механикалық өткізгіш жолдардың дамуына әкелді. Мұндай сигнализация негізінен интегринмен байланысқан актин цитоскелеті өзгерістерді анықтайтын және оларды YAP1 арқылы төмен қарай жіберетін фокальды адгезияларда, аймақтарда ұйымдастырылады. Кадринден және селектиндер сияқты кальцийге тәуелді жасуша адгезиясы молекулалары да механотрандукцияға делдал бола алады. Жүйке жүйесіндегі механикалық трансдукцияның мамандандырылған нысандары механикалық сезімге жауап береді: есту, сенсорлық, проприоцепция және тепе-теңдік.

Осмостық қысымды жасушалық және жүйелік бақылау (цитозоль мен жасушадан тыс орта арасындағы осмолярлық айырмашылық) гомеостаз үшін өте маңызды. Жасушалардың осмостық тітіркендіргіштерді анықтауының үш әдісі бар: макромолекулярлық толып кетудің өзгеруі, иондық күштің өзгеруі және плазмалық мембрананың немесе цитоскелеттің қасиеттерінің өзгеруі (соңғысы механикалық трансдукцияның бір түрі). Бұл өзгерістер осмоссенсорлар немесе осморецепторлар деп аталатын ақуыздар арқылы анықталады. Адамдарда ең жақсы сипатталған осмоссенсорлар адам жасушаларының бастапқы кірпікшелерінде болатын өтпелі рецепторлық потенциалдық арналар болып табылады. Ашытқыда HOG жолы кеңінен сипатталған.

Жасушалардағы температураны сезіну термоцепция ретінде белгілі және ең алдымен өтпелі рецепторлардың потенциалдық арналары арқылы жүзеге асырылады. Сонымен қатар, жануарлардың жасушаларында жоғары температураның жасушалық зақымдануды, жылу соққысына реакциясын болдырмау үшін сақталған механизм бар. Мұндай реакция жоғары температура белсенді емес HSF1-нің Hsp40/Hsp70 және Hsp90 жылу соққылары бар кешендерінен диссоциациялануын тудырған кезде іске қосылады. ncRNA hsr1 көмегімен HSF1 тримеризацияланады, белсенді болады және мақсатты гендерінің экспрессиясын реттейді. Көптеген басқа термосенсорлық механизмдер прокариоттарда да, эукариоттарда да бар.

Сүтқоректілерде жарық көздің тор қабығындағы фоторецепторлық жасушалардағы жарыққа сезімтал ақуыздарды белсендіру арқылы көру сезімін және тәуліктік сағатты басқарады. Көру жағдайында жарық таяқша мен конус жасушаларында родопсин арқылы анықталады. Циркадиялық сағат жағдайында басқа фотопигмент, меланопсин, тордың фотосезімтал ганглион жасушаларында жарықты анықтауға жауап береді.

Жасушадан тыс рецепторлар интегралды трансмембраналық ақуыздар болып табылады және рецепторлардың көпшілігін құрайды. Олар рецептордың бір бөлігі жасушаның сыртында, ал екіншісі ішкі жағында орналасқан жасушаның плазмалық мембранасын жайып жатыр. Сигналдың берілуі рецептордың сыртқы аймағымен лигандтың байланысуы нәтижесінде пайда болады (лиганд мембрана арқылы өтпейді). Лиганд-рецепторлардың байланысуы рецептордың ішкі бөлігінің конформациясының өзгеруін тудырады, бұл процесс кейде «рецепторларды белсендіру» деп аталады. Бұл рецептордың ферменттік доменінің белсендірілуіне немесе жасуша ішіндегі басқа жасушаішілік сигналдық белоктарға байланыстыру орнының экспозициясына әкеледі, сайып келгенде, сигналды цитоплазма арқылы таратады.

Эукариоттық жасушаларда лиганд-рецепторлардың әрекеттесуімен белсендірілген жасушаішілік ақуыздардың көпшілігі ферментативті белсенділікке ие; мысалдарға тирозинкиназа және фосфатаза жатады. Көбінесе мұндай ферменттер рецептормен ковалентті байланысқан. Олардың кейбіреулері циклдік AMP және IP₃ сияқты екінші хабаршыларды жасайды, соңғылары жасушаішілік кальций қоймаларының цитоплазмаға шығарылуын бақылайды. Басқа белсендірілген белоктар белгілі бір тітіркендіргішке жауап беру үшін қажетті сигналдық кешендердің координациясын және сигналдық ақуыздың өзара әрекеттесуін жеңілдететін адаптер ақуыздарымен әрекеттеседі. Ферменттер мен адаптер белоктары әртүрлі екінші хабаршы молекулаларына жауап береді.

Сигнал беру бөлігі ретінде белсендірілген көптеген адаптер белоктары мен ферменттер арнайы екіншілік хабаршы молекулаларымен байланысатын арнайы протеиндік домендерге ие. Мысалы, кальций иондары кальмодулиннің EF қол домендерімен байланысып, оған кальмодулинге тәуелді киназаны байланыстыруға және белсендіруге мүмкіндік береді. PIP₃ және басқа фосфоинозитидтер AKT киназа протеині сияқты белоктардың Плекстрин гомологиялық домендерімен бірдей әрекет жасайды.

Интегриндер

Интегриндерді алуан түрлі жасушалар шығарады; олар жасушаның басқа жасушаларға және жасушадан тыс матрицаға қосылуында және фибронектин және коллаген сияқты жасушадан тыс матрица компоненттерінің сигналдарын беруде рөл атқарады. Интегриндердің жасушадан тыс доменімен лигандтардың байланысуы белоктың конформациясын өзгертеді, сигнал беруді бастау үшін оны жасуша мембранасына біріктіреді. Интегриндерде киназа белсенділігі жоқ; демек, интегринмен байланысқан сигналды беру әртүрлі жасушаішілік ақуыз киназалары мен адаптер молекулалары арқылы жүзеге асырылады, негізгі үйлестіруші интегринмен байланысқан киназа болып табылады. Көрші суретте көрсетілгендей, кооперативтік интегрин-RTK сигнализациясы жасушаның өмір сүруінің, апоптоздың, пролиферацияның және дифференциацияның уақытын анықтайды.

Айналымдағы қан жасушаларында интегрин-сигналдар мен эпителий жасушалары сияқты айналымда емес жасушалар арасында маңызды айырмашылықтар бар; Айналымдағы жасушалардың интегриндері әдетте белсенді емес. Мысалы, айналымдағы лейкоциттердегі жасуша мембранасының интегриндері эпителий жасушаларының бекітілуін болдырмау үшін белсенді емес күйде сақталады; олар тек қабыну реакциясы орнында қабылданған ынталандыруларға жауап ретінде белсендіріледі. Сол сияқты, тромбоциттерді болдырмау үшін айналымдағы тромбоциттердің жасушалық мембранасындағы интегриндер әдетте белсенді емес сақталады. Эпителий жасушалары (айналмайтын) әдетте жасуша мембранасында белсенді интегриндерге ие болады, бұл олардың қалыпты жұмыс істеуін қамтамасыз ету үшін сигнал беретін негізгі стромальды жасушаларға тұрақты адгезиясын сақтауға көмектеседі.

Өсімдіктерде бүгінгі күнге дейін анықталған адал интегрин рецепторлары жоқ; дегенмен, метазоандық рецепторлармен құрылымдық гомология негізінде бірнеше интегрин тәрізді ақуыздар ұсынылды. Өсімдіктерде интегринмен байланысқан киназалар бар, олар бастапқы құрылымы бойынша жануарлардың ILK-ларына өте ұқсас. ILK1 интегринмен байланысқан киназа гендерінің бірі Arabidopsis thaliana эксперименттік үлгісінде өсімдіктің бактериялық қоздырғыштардың сигнал молекулаларына және өсімдіктің тұзға және осмостық стресске сезімталдығына иммундық реакциясының маңызды элементі екендігі көрсетілді. ILK1 протеині HAK5 жоғары аффинді калий тасымалдаушысымен және CML9 кальций сенсорымен әрекеттеседі.

Ядролық рецепторлар және цитоплазмалық рецепторлар сияқты жасушаішілік рецепторлар өздерінің тиісті аймақтарында локализацияланған еритін ақуыздар болып табылады. Ядролық рецепторларға тән лигандтар стероидты гормондар тестостерон мен прогестерон сияқты полярлы емес гормондар және А және D витаминдерінің туындылары болып табылады. Сигнал беруді бастау үшін лиганд пассивті диффузия арқылы плазмалық мембрана арқылы өтуі керек. Рецептормен байланысқан кезде лигандтар ядролық мембрана арқылы ядроға өтіп, ген экспрессиясын өзгертеді.

Белсендірілген ядролық рецепторлар ДНҚ-ға гормон-рецепторлық кешенмен белсендірілген гендердің промоторлық аймағында орналасқан рецепторларға тән гормонға жауап беретін элемент (HRE) тізбегі бойынша бекітіледі. Геннің транскрипциясын қамтамасыз ететіндіктен, оларды ген экспрессиясының индукторлары деп атайды. Геннің экспрессиясын реттеу арқылы әрекет ететін барлық гормондардың әсер ету механизмінде екі салдары бар; олардың әсері тән ұзақ уақыт кезеңінен кейін пайда болады және олардың әсері лигандты деактивациялайтын немесе тоқтататын көптеген ферменттер мен ақуыздардың салыстырмалы түрде баяу айналымына байланысты олардың концентрациясы нөлге дейін төмендегеннен кейін де басқа ұзақ уақыт бойы сақталады. рецепторлармен байланысады.

Нуклеиндік рецепторлардың құрамында мырыш саусақтары және лигандтарды байланыстыратын домені бар ДНҚ-байланыстырушы домендері бар; мырыш саусақтары ДНҚ байланысын оның фосфатты омыртқасын ұстап тұру арқылы тұрақтандырады. Рецепторға сәйкес келетін ДНҚ тізбегі әдетте кез келген түрдегі гексамерлі қайталанулар болып табылады; тізбектері ұқсас, бірақ олардың бағыты мен қашықтығы оларды ажыратады. Лиганды байланыстырушы домен нуклеиндік рецепторлардың байланысқанға дейін димеризациялануына және трансактациялық аппаратпен байланыс үшін пайдаланылатын трансактивация құрылымдарын қамтамасыз етуге қосымша жауап береді.

Стероидты рецепторлар негізінен цитозоль ішінде орналасқан ядролық рецепторлардың қосалқы класы болып табылады. Стероидтер болмаған жағдайда олар шаперон немесе жылу шок ақуыздары (HSPs) бар апорецепторлық кешенде біріктіріледі. HSP-тер ақуыздың ядроға өтуіне мүмкіндік беретін сигнал тізбегі қолжетімді болатындай етіп қатпарлануына көмектесу арқылы рецепторды белсендіру үшін қажет. Стероидты рецепторлар, керісінше, олардың трансактивті домені жасырылған кезде ген экспрессиясына репрессивті болуы мүмкін. Рецепторлардың белсенділігін олардың N-терминалындағы серин қалдықтарының фосфорлануы арқылы сигнал берудің басқа жолы, яғни айқас сөйлесу деп аталатын процесс нәтижесінде күшейтуге болады.

Ретиной қышқылы рецепторлары ядролық рецепторлардың тағы бір бөлігі болып табылады. Оларды жасушаға диффузия арқылы енген эндокриндік синтезделген лиганд, қан арқылы жасушаға әкелінетін ретинол сияқты прекурсордан синтезделген лиганд немесе простагландин сияқты толығымен жасушаішілік синтезделген лиганд арқылы белсендіруге болады. Бұл рецепторлар ядрода орналасқан және HSP-мен бірге жүрмейді. Ешбір лиганд байланыспаған кезде, олар ДНҚ-ның нақты тізбегімен байланысу арқылы өз генін репрессиялайды және керісінше.

Иммундық жүйенің кейбір жасушаішілік рецепторлары цитоплазмалық рецепторлар болып табылады. Жақында анықталған NOD тәрізді рецепторлар (NLR) кейбір эукариоттық жасушалардың цитоплазмасында орналасады және TLR-ге ұқсас лейцинге бай қайталану (LRR) мотивін пайдаланып лигандтармен әрекеттеседі. NOD2 сияқты осы молекулалардың кейбіреулері NF-κB сигнализациясын белсендіретін RIP2 киназасымен әрекеттеседі, ал басқалары NALP3 қабыну каспазаларымен әрекеттеседі және интерлейкин-1 β сияқты белгілі бір цитокиндерді өңдеуді бастайды.

Кальций иондарының эндоплазмалық ретикулумнан цитозолға шығарылуы оның кейін белсендірілетін сигналдық белоктармен байланысуына әкеледі; содан кейін ол тегіс эндоплазмалық ретикулумда және митохондрияда секвестрленеді. Екі біріктірілген рецепторлық/иондық арна ақуыздары кальцийдің тасымалдануын бақылайды: цитозолдық жағында инозитолтрифосфатпен әрекеттескен кезде кальцийді тасымалдайтын InsP₃-рецептор; және InsP₃ рецепторына ұқсас, бірақ онымен байланысу кезінде кальцийді көбірек бөлетін кері байланыс механизмі бар рианодин алкалоидының атымен аталған рианодиндік рецептор. Цитозольдегі кальцийдің табиғаты оның өте қысқа уақытқа ғана белсенді екендігін білдіреді, яғни оның бос күйінің концентрациясы өте төмен және белсенді емес кезде негізінен калретикулин сияқты органеллалар молекулаларымен байланысады.

Кальций бұлшықеттердің жиырылуын, жүйке ұштарынан нейротрансмиттерлерді шығаруды және жасуша миграциясын қоса алғанда көптеген процестерде қолданылады. Оның белсендірілуіне әкелетін үш негізгі жол GPCR жолдары, RTK жолдары және қақпалы иондық арналар; ол ақуыздарды тікелей немесе ферментпен байланысу арқылы реттейді.

Липофильді екінші хабаршы молекулалар жасуша мембраналарында тұратын липидтерден алынған; белсендірілген рецепторлармен ынталандырылған ферменттер липидтерді өзгерту арқылы белсендіреді. Мысалы, диацилглицерол және керамид жатады, біріншісі протеинкиназа С белсендіру үшін қажет.

Азот оксиді (NO) екінші хабаршы ретінде әрекет етеді, өйткені ол плазмалық мембрана арқылы диффузиялануы және жақын орналасқан жасушаларға әсер етуі мүмкін бос радикал. Ол NO синтаза арқылы аргинин мен оттегіден синтезделеді және белсендірілген кезде басқа екінші хабаршы cGMP түзетін еритін гуаниллил циклазаны белсендіру арқылы жұмыс істейді. NO ақуыздардың немесе олардың металл ко-факторларының ковалентті модификациясы арқылы да әсер ете алады; кейбірінің тотығу-тотықсыздану механизмі бар және қайтымды. Ол жоғары концентрацияларда улы және инсульт кезінде зақым келтіреді, бірақ қан тамырларының босаңсуы, апоптоз және пениса эрекциясы сияқты көптеген басқа функциялардың себебі болып табылады.

Азот оксидінен басқа, электронды түрде белсендірілген басқа түрлер де тотығу-тотықсыздану сигнализациясы деп аталатын процесте сигналды түрлендіретін агенттер болып табылады. Мысалдар супероксид, сутегі асқын тотығы, көміртек тотығы және күкіртті сутек. Тотығу-тотықсыздану сигналы сонымен қатар жартылай өткізгіш биологиялық макромолекулалардағы электрондық ағындардың белсенді модуляциясын қамтиды.

Бұл бөлімнің мақсаты 1960 және 1970 жылдардағы иммунологиядағы кейбір өзгерістерді қысқаша сипаттау, трансмембраналық сигнал берудің бастапқы кезеңдеріне қатысты және олардың иммунологияны түсінуімізге, сайып келгенде жасуша биологиясының басқа салаларына қалай әсер еткенін сипаттау.

Тиісті оқиғалар миелома белоктарының жеңіл тізбектерінің секвенирленуінен басталады, олар көп миеломасы бар адамдардың зәрінде көп кездеседі. Биохимиялық эксперименттер Бенс Джонс деп аталатын белоктардың 2 дискретті доменнен тұратынын анықтады – біреуі бір молекуладан екіншісіне (V домені) өзгеретін және екіншісі жоқ (Fc домені немесе Фрагменттің кристалданатын аймағы). Ву және Кабат жасаған бірнеше V аймақтық тізбектердің талдауы V аймағындағы гиперөзгермелі орындарды анықтады және олар гипотеза бойынша антигенді тану орнын құру үшін қатпарланған ақуызға біріктірілген. Осылайша, салыстырмалы түрде қысқа уақыт ішінде иммунологиялық ерекшеліктің молекулярлық негізі үшін және Fc домені арқылы биологиялық функцияның делдалдылығы үшін қолайлы модель жасалды. Көп ұзамай IgG молекуласының кристалдануы ) секвенирлеуге негізделген қорытындыларды растады және рұқсаттың ең жоғары деңгейінде иммунологиялық ерекшелік туралы түсінікті қамтамасыз етті.

Бұл құбылыстардың биологиялық маңызы клондық сұрыпталу теориясында қамтылған, ол В-жасушасының бетінде антигенмен байланысатын жері жасушадан бөлінетін антиденелермен бірдей болатын иммуноглобулин рецепторлары болады деп есептейді. антиген, дәлірек айтқанда, белгілі бір В жасуша клоны бірдей реттілікпен антиденелерді бөледі. Әңгіменің соңғы бөлігі, плазмалық мембрананың сұйық мозаикалық үлгісі сигнал беруді бастау үшін жаңа модель үшін барлық ингредиенттерді қамтамасыз етті; яғни рецепторлардың димерленуі.

Бұл туралы алғашқы анықтамаларды Беккер және басқалары алды, олар адам базофилдерінің — бивалентті иммуноглобулин Е (IgE) беткі рецептор ретінде қызмет ететін — дегрануляция дәрежесі IgE антиденелерінің концентрациясына байланысты екенін көрсетті. олар әсер етеді және беттік молекулалардың қайта бөлінуіне әкеледі, бұл моновалентті лигандты қолданғанда болмайды. Соңғы бақылау Фангер және т.б. Бұл бақылаулар оқиғаларға және жасуша бетіндегі молекулалардың құрылымдық бөлшектеріне биологиялық жауапты байланыстырды. Көп ұзамай рецепторлардың димеризациясы әртүрлі жасуша түрлерінде, соның ішінде В жасушаларында жауаптарды бастайтыны туралы дәлелдердің (басымдығы пайда болды).

Мұндай бақылаулар бірқатар теориялық (математикалық) жаңалықтарға әкелді. Олардың біріншісі Белл ұсынған қарапайым модель болды, ол айқын парадоксты шешті: кластерлеу тұрақты желілерді құрайды; яғни байланысуы негізінен қайтымсыз, ал В жасушалары бөлетін антиденелердің жақындығы иммундық жауаптың өсуіне қарай артады. Лимфоциттердің мембраналарындағы жасуша бетінің кластерленуінің динамикасының теориясын ДеЛиси мен Перельсон дамытты, олар кластерлердің өлшемдік таралуын уақытқа байланысты және оның лигандтың жақындығы мен валенттілігіне тәуелділігін анықтады. Базофилдер мен мастикалық жасушалардың кейінгі теорияларын Голдштейн мен Соботка және олардың әріптестері әзірледі, олардың барлығы иммундық жасушалардың доза-жауап үлгілерін және олардың биологиялық корреляциясын талдауға бағытталған. Иммунологиялық жүйелердегі кластерлеуге жақында шолу үшін қараңыз.

Лигандтардың жасуша бетіндегі рецепторлармен байланысуы моторика үшін де маңызды, бұл құбылыс бір жасушалы организмдерде жақсы түсініледі. Мысал ретінде бактериялардың концентрация градиенттерін анықтау және оларға жауап беру – классикалық математикалық теория пайда болады. Соңғы есептік жазбаны ішінен табуға болады