Міжклітинна комунікація та мережі передачі сигналів

Вступ до міжклітинної комунікації

Мультиклетонне життя потребує надзвичайно точної міжклітинної комунікації, що забезпечує скоординований розвиток від однієї заплідненої клітини до трильйонної клітинної організмів з сотнями різних типів клітин, реакцій на пошкодження на рівні тканин, фізіологічну гомеостазу в органах-системах та скоординованих імунних відповіддей. Клітини спілкуються за допомогою чотирьох модальностей: ендокринний сигналізування (гормони, що вивільняються у кров і досягають віддалених цілей); паракринний сигналізування (локально поширювані сигнали, які діють на сусідні клітини); контактно-залежне сигналізування (ліганди на поверхні клітин, що активують рецептори на безпосередньо прилеглій клітинах) та синаптичне сигналізування (швидке електрохімічне передавання з точки до точки на нервових синапсах). Кожна модальність використовується в окремих біологічних контекстах, визначених необхідною швидкістю, просторовою специфічністю та амплітудою відповіді.

Трансляція сигналу – це внутрішньоклітинський переклад екстрацелюлярних сигналів у клітинні відповіді – включає активацію рецепторів, генерацію другорядних носіїв, ланцюгову передачу кіназами, ядерне транслокацію факторів транскрипції та зміну експресії генів. Мережі сигнальних шляхів взаємодіють через перехресний зв'язок, зворотні зв’язки та спільних другорядних носіїв, створюючи складні нелінійні залежності вхід-вихід. Системні підходи, що використовують фосфопротеомну аналізу, сигнальні репортерні затворі та обчислювальне моделювання, розкривають виникаючі властивості мереж сигналів – біставні перемикачі, надчутливі відповіді, коливання та схеми прийняття рішень щодо клітинного походження – що лежать в основі розвиткових переходів і переналагодження сигнальних шляхів при раку.

Основні міжклітинні шляхи передачі сигналів

Сигнал Notch: Рецептори Notch (Notch 1-4) – це трансмембранні рецептори, які активуються DSL лігандами (Delta-like 1/3/4, Jagged 1/2) з сусідніх клітин — що вимагає строгого безпосереднього контакту між клітинами. При зв’язуванні лігандом гамма-секретаза обрізає Notch внутрішньоклітинно, звільняючи NICD (Notch внутрішній домен), який транспортується в ядро та витісняє кодупресуратор HDAC з транскрипційного фактора CSL/RBPJ, перемикаючи його на експресію активної комплексної форми NICD-MAML гена Hes/Hey сім’ї репресорів і циклодину D1. Notch керує рішеннями про клітинний дорій за допомогою бокового придушення (клітина з високим вираженням Delta пригнічує Notch у сусідів, підсилюючи свою власну ідентичність, одночасно специфікуючи іншу ідентичність у сусідів — механізми встановлення візерунків «мозаїка» секреторних/абсорбтивних клітин кишківника, нейронів/епітеліальних дорій). Мутації Notch1 з набуттям функції призводять до T-ALL лейкемії (~60% випадків) — підтверджений терапевтичний об’єкт для інгібіторів гамма-секретази.

Сигнал Hedgehog: Ліганди Hedgehog (Sonic Hh—SHH, Desert Hh—DHH, Indian Hh—IHH) сигналізують через систему Patched (PTCH1/2)/Smoothened (SMO). Без Hh PTCH1 пригнічує SMO; зв’язування Hh знімає пригнічення PTCH1 від SMO; активний SMO активує транскрипційні фактори GLI (GLI1—активатор, GLI2—активатор, GLI3—репресор) шляхом звільнення їх від інгібування Suppressor of Fused (SUFU), що дозволяє ядерний транспорт та експресію генів-мішеней (PTCH1, BCL2, N-Myc, Cyclin D). Сигнал Hedgehog визначає ідентичність цифр кінцівки (SHH з Зони Полярної Активізації специфікує задню ідентичність цифри в градієнту концентрації), є необхідним для дорсовентрального патернування нервового каналу та регулює нішеву структуру клітин-жеретелів кишківника. Інгібітори SMO (vismodegib, sonidegib) схвалені для базальноклітинного раку — де мутації PTCH1 конститутивно активують SMO — і для Gorlin синдрому-асоційованих BCC.

Якірні сполуки та хімічні синапси

Якірні сполуки

Якірні сполуки – це міжклітинні канали, що утворюються з гексамерних комплексів екскзинонів (connexons) від сусідніх клітин, які вирівнюються для формування водної порожнини, що з’єднує цитоплазми безпосередньо. Вони дозволяють транспортувати іони, вторинні повідомники (IP3, cAMP, Ca2+), а також невеликі метаболіти (до ~1 кДа), забезпечуючи електричне з’єднання (координована скоротливість серцевої та гладкої м'язів), поширення кальцієвих хвиль в гліах і метаболічну кооперацію між зв’язаними клітинами. Мутації екскзинонів 26 (GJB2) і 30 (GJB6) є найбільш поширеною причиною несиндромного успадкованого сліпого синдрому – порушуючи рециркуляцію калію через мережу якірних сполук у внутрішньому вусі, необхідну для електромотильності волосків. Екскзинони 43 (GJA1) є найбільш поширеними – їх втрата викликає серцеві аритмії та вроджені дефекти розвитку. Медіація якірними сполуками з’єднання регулюється pH, Ca2+ і фосфорилювання, забезпечуючи динамічний контроль метаболічного з’єднання.

Мережі сигналування цитокінами

Цитокіни — це різноманітна суперфамілія, що включає інтерлейкіни, інтерферони, сім’ю TNF, ЦФС, хіміони CXCL — вони опосередковують зв’язок між імунними клітинами та є основними рушійними силами запальних реакцій, гематопоезу та антивірусної імунітету. Сигналування рецепторами цитокінів відбувається переважно через шлях JAK-STAT: конститутивно пов'язані JAK (JAK1/2/3, TYK2) трансфосфорилизують один одного та активують STAT-білки (STAT1-6), що найдено, які димерізуються і мігрують у ядро, активуючи транскрипцію цільових генів. Інгібітори JAK (тофацитиніб, баріцитиніб, руксолітініб) схвалені для ревматоїдного артриту, псоріатичного артриту, мієлофіброзу, поліцитемії вера та ГВМ – вони переривають сигналування JAK-STAT від кількох запальних цитокінів одночасно. Біологічні препарати проти цитокінів (анти-TNF, анти-IL-6R, анти-IL-17A, анти-IL-23) забезпечують цілеспрямоване вплив шляхом, що має чудову ефективність у аутоімунних захворюваннях, де специфічні цитокінові петлі сприяють розвитку патології.

Приклади та застосування

Приклад 1: Градієнт Wnt в ниркових стовбурових клітинах кишечника

Кишевий крипт організовано за допомогою градієнту Wnt, який найвищий у базі крипти (від панетних клітин, що виробляють Wnt3 і Wnt11, та підслизових фібробластів, що виробляють Wnt2b), поступово зменшуючись вздовж осі крипти-вилиці. Клітини Lgr5+ ниркових стовбурів у базі крипти підтримують їхній стовбуровий ідентитет за допомогою високої активності Wnt/бета-катенона; клітини, що рухаються вгору по крипті, диференціюються, коли активність Wnt зменшується, а активність BMP (з виливів вілиці) збільшується. Активіatori Wnt (CHIR-99021, R-спондін1) дозволяють культурувати кишечні органоїди шляхом підтримки стовбурових клітин крипти in vitro. Мутації APC (сімейне аденоматозне поліпозу, FAP) конституюють активність Wnt/бета-катенона в слизових клітинах кишечника — початкова подія у 80% випадків колоректального раку, виявлена шляхом ідентифікації APC (аденоматозної поліпозу колі та бета-катенона як компонента комплексу деградації).

Приклад 2: Сигнал NF-kappaB у запаленні

NF-kappaB (Nuclear Factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells) — це родина транскрипційних факторів (RelA/p65, RelB, c-Rel, p50, p52), що активуються запальними стимулами (TNF, IL-1, LPS/TLR4, RANKL [ремоделювання кісток], рецептор T-клітин), регулюючими сотнями запальних, антиапоптотичних і генів циклу клітин. Канонічний NF-kappaB: IKKbeta фосфорилює IkBalpha (інгібітор), що викликає його убіквітину/протеазний розпад, звільняючи p50-p65 для транслокації в ядро. Неканонічний шлях: NIK активує IKKalpha, фосфорилює p100, запускаючи перетворення p100-на-p52. Негативний зворотний зв'язок: NF-kappaB активує транскрипцію IkBalpha, відновлюючи інгібітор. Надмірна активація NF-kappaB спричиняє збільшення пуеризальності (DLBCL, MM), аутоімунність (РЗП, ІБД). Талідомід/ІМІДи деградують субстрати IKZF1/3 CRL у мієломі через механізми NF-kappaB-суміжні — клінічна реалізація біології шляху NF-kappaB.

Приклад 3: Сигнал Ephrin-Eph рецепторів

Ефріни (мембранно-закріплені ліганди на одній клітині) та ефрін-рецептори (тирозинові кінази рецепторів на сусідніх клітинах) посереднюють бідирекційної сигналізації, що залежить від контакту — унікальну в тому, що обидві лігандоносії та рецептоносії одночасно передають сигнали. Взаємодії Eph-ефріни направляють шляхи росту аксонів (анатопічна топографічна картинг в зоровій системі — ефрінA-ефрінA з градієнтами, що судяться, викликають проекцію від нервових клітин сетчатки в певні місця в текторії на основі відповідності концентрації), встановлюють утворення межі тканини в соматичних та хромсомерах (запобігаючи змішуванню клітин між сусідніми сегментами) і регулюють положення крипти кишечника-вилиці (сигнал EphB2/3 вперед сприяє позиціонуванню стовбурових клітин на базі крипти; зворотний сигнал ефрінB1 спрямовує позицію Панетних клітин). Надлишок експресії EphA2 в пуеризальності сприяє інвазії; втрата рецептора EphB у колоректальному раку дозволяє інвазивну фенотип через втрату опосередкованої ефріном сигналізації обмеження меж.

Приклад 4: Сигнал VEGF у ангіогенезі

Фактор росту ендотелію (VEGF-A, VEGF-B, VEGF-C/D, PIGF) передає сигнал через тирозинові кінази (VEGFR1/FLT1, VEGFR2/KDR, VEGFR3), щоб контролювати розвиток судин, їх проникність та ангіогенез (розведення нових судин з існуючої васкуляризації). Tip клітини на фронті ангіогенезу подовжують філопідії, керовані градієнтами VEGF; stalk клітини проліферують позаду tip клітин, розширюючи суди; phalanx клітини утворюють стабільні, неактивні судини. VEGF підвищується HIF-1 в гіпоксії, сприяючи пуеризації пуеризованого — раціональним для анти-VEGF терапії в пуеризаціях. Бевацизумаб (анти-VEGF-A), рамцирумаб (анти-VEGFR2), афліберцепт (уловка VEGF для всіх изоформ VEGF) та ТКІ, що націлені на VEGFR1-3 (сунітініб, сорафениб, азітінібі) широко схвалюються для метастатичного колоректального, легеневого, ниркового та печінкового раку, використовуючи пуеризаційну залежність пуеризованого.

Приклад 5: Гормональна дисфункція

Гормональні порушники — це екзогенні хімікати, які перешкоджають сигналізації гормонів — включають промислові хімікати (поліхлорванілові бісфеноли, діоксини, BPA), пестициди (ДDT, атразин), фармацевтичні препарати (DES, етил остеодіол) та важкі метали (свинець, ртуть). BPA (бісфенол A) з пластиків зв’язується з рецепторами естрогенів ERalpha і ERbeta з низькою приналежністю та мембранним рецептором естрогену GPER1 з вищою приналежністю — викликаючи немонотонні криві залежності дози (ефекти при низьких концентраціях, які не передбачаються токсикологією на високих дозах), що призводить до немонотонних кривих залежності дози. Естрогенне вплив під час вагітності (DES, призначено в 1940-х -70-х роках) спричинило вузлове захворювання яєчників у дочок — демонструючи трансплацентарну ендокринну дисфункцію, що призводить до раку у дитини.

Приклад 6: Сигнал mTOR Hub

mTOR (механічний ціль рапоміцина) кіназа формує два комплекси: mTORC1 (рапоміцин-чутливий, включаючи Raptor — інтегрує сигнали PI3K/Akt, амінокислотне відчуття через Rag/Ragulator, енергетичне відчуття через AMPK, та відчуття кисню через HIF) коли активний фосфорилює S6K1 і 4E-BP1 для сприяння біогенезу рибосом та синтезу білків (через ліпідну синтету), придушує автофагію; mTORC2 (Rictor-містять, нечутливий до рапоміцина) фосфорилює Akt-S473, SGK, і PKC для організації цитоскелету. Надмірна активація mTOR через зміни PI3K/PTEN, мутації TSC1/2 та LKB1 спричиняє пуеризацію раку та використовується пуеризованими пуеризованими. Інгібітори mTOR (евролімус, теміролімус) схвалені для карциноми нирок, раку грудей, панкреатичної NET та туберкульозного комплексу (TSC). Рапоміцин (сіролімус) подовжує тривалість життя в багатьох організмах — ціль mTOR як ціль інтервенції старіння.

Приклад 7: Сигнал гормональних рецепторів у раку грудей

Остеогенний рецептор альфа (ESR1) експресується у ~75% пуеризованих раків грудей; ER+ пуеризовані пуеризовані за допомогою зв’язування естрогену ESR1, викликаючи димерізацію рецептора, ядерну транслокацію та активацію генів, що роблять цілі PR, циклоїн D1, BRCA1, гени GATA3. Ендокрейн терапія (тамуксифен — анти-ESR1; інгибітори синтезу естрогену летрозол, анастрозол, екземестан знижують синтез естрогену; фульвестрант — деградатор ESR1) ефективно запобігає транскрипції ER-залежній та лікує ранні та метастатичні ER+ раки грудей.

Приклад 8: Сигнал паракрейн старіючих клітин — SASP

Старіння клітин — незворотке зупинення циклу клітин, супроводжується значним зсувом секрету, що називається SASP (сеносенсорна секреторна фенотип) що містить десятки цитокінів (IL-6, IL-8), хемокінів (CXCL1/2, CCL2), матричних металопротеїназ (MMP1/3/9), факторів росту (VEGF, HGF, EGF), та не кодуючих РНК. SASP здійснює паракрейн ефекти на сусідню тканину: залучає імунні клітини для видалення старих клітин (корисний); сприяє хронічному запаленню, що погіршує гомеостазу та функцію тканин (патологічне при накопиченні старіючих клітин); парадоксально сприяє пуеризації та метастазуванню пуеризованих мікросередовищ. Фактори NF-kappaB і C/EBP-beta запускають експресію генів SASP, які активуються фрагментами хроматину з ядра, що активує cGAS-STING. Ліки сенолітичні, що знищують старіючі клітини (ABT-263 навітоклоккс, дазатиніб+кверцитин) зменшують запалення, спричинене SASP з раннім клінічним підтвердженням користі при ідіопатичній полімофізі та інших фіброзних захворюваннях.

Спробуйте онлайн

Все вище працює у вашому браузері – відкрийте Мережу Інтерклітинного Сигnalування та змініть параметри під час роботи. Не встановлюється нічого, не завантажується нічого, весь модель живе в одному вікні.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Intercellular Signalling Networks і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.