Каскад клітинного сигналування: Підсилення однієї молекули в тисячі

Один рецептор, тисячі післядуючих молекул

Фактор росту зв’язується з рецептором тирозину на клітинній поверхні, і це одне подія зв’язування запускає ланцюг активації кіназ: Ras, потім Raf, потім MEK, потім ERK — канонічна MAPK-каскада. Кожна активізована фермент у цій ланцюзі каталітична, тобто вона може фосфорилювати та активувати багато копій наступної ферменти перед тим, як сама буде вимкнена. Оскільки це множення відбувається на кожному рівні каскади, кілька подій зв’язування рецептора-ліганда зверху можуть в результаті активувати популяцію тисяч молекул ERK знизу — справжній підсилювач сигналу, побудований на основі звичайної кінетики ферментів.

Чому каскад, а не окремий вимикач

Збільшення сигналу само по собі не пояснює, чому клітини використовують три або більше незалежних ступенів замість одного дуже чутливого ферменту. Багатоступеневий каскад надає декілька додаткових переваг: кожен рівень є окремим точком, де сигнал можна налаштувати за допомогою зворотного зв’язку або взаємодії з іншими шляхами, комбінування кількох ступенів створює значно гострішу та більш перемикається відповідь, ніж один крок, а незалежні фізично відокремлені ступені дозволяють клітині контролювати сигнал у просторі як і в часі.

Ультрачутливість: створення перемикача з поступових реакцій

Одинокий ферментний етап Мішелін-Ментена дає плавний, градієнтний гіперболічний кривий залежності дози – пропорційний збільшення вхідних даних призводить до пропорційного збільшення вихідних, без різкого порогу. Однак, якщо зібрати кілька циклів ковалентного модифікації кіназ-фосфатаза послідовно, їхні індивідуальні сиґмоїдальні форми ускладнюються. Коли ферменти, що беруть участь у цьому, знаходяться поблизу насичення, кожен цикл створює те, що називається «нульовою ультрачутливістю» Goldbeter-Koshland, і три таких цикли, зібрані разом – як у каскаді MAPK – виробляють набагато крутішу та більш рішучу криву активації, ніж будь-який окремий рівень.

одинокий ферментний етап: градієнтна, гіперболічна відповідь м’якші послідовні ультрачутливі кроки: крива посилюється з кожним доданим рівнем поблизу насичених ферментів: нульова ультрачутливість, найгостріша відповідь Це крутизна має значення для біології: вона дозволяє клітині рішуче прийняти долю – ділитися чи ні – замість того, щоб пропорційно та безшумно реагувати на коливання вхідного сигналу.

single enzyme step:             graded, hyperbolic response
n cascaded ultrasensitive steps: response steepens with each added tier
near-saturated enzymes:          zero-order ultrasensitivity, sharpest response

Обратные связи: поддержанные, кратковременные или периодические

Отрицательная обратная связь — активируется фосфорилирование и ингибирование прекурсоров посредством ERK, формирует продолжительность ответа. Быстрая отрицательная обратная связь может превратить поддерживаемый сигнал в кратковременный импульс, а в классической системе клеток PC12 эта разница сама по себе направляет один и тот же путь к двум совершенно различным судьбам: кратковременная активация ERK стимулирует пролиферацию, поддержанная активация ERK — дифференцирование. Циклы положительной обратной связи, с другой стороны, могут создавать бистабильность — неразличимое «все или ничего», гистерезисное обязательство клетки, которое трудно обратить вспять — и сочетание положительной обратной связи с задержкой отрицательной обратной связи может генерировать настоящие колебания, которые были непосредственно наблюдаемы в одноклеточных исследованиях как импульсы активности ERK.

Опорні білки: маршрутизація сигналу в просторі

Опорні білки, такі як KSR, фізично зв’язують кілька компонентів каскаду – Raf, MEK та ERK – разом у одному комплексі. Підтримка співзначення ферменту та субстрату підвищує їх ефективну місцеву концентрацію і може зробити сигналізацію набагато більш ефективною, але опорний комплекс також може легко протидіяти цьому: ізолюючи шлях від взаємодії з іншими каскадами, які мають деякі з тих самих кіназ, або перетворюючи реакцію, яка є градієнтом, у щось ближче до цифрової, всі-або-нічого локальної події, контролюючи точну кількість комплексів каскаду, які можуть зібратися.

Чому це має клінічне значення

Оскільки цей шлях контролює фундаментальне рішення про проліферацію або диференціацію, мутації, які постійно «вмикають» його — конститутивно активний Ras або надзвичайно поширений BRAF V600E мутація — є серед найчастіших факторів розвитку раку у людей. Кілька схвалюваних методів лікування раку використовують саме цю структуру: інгібітори MEK та інгібітори BRAF, такі як вемурафеніб, діють шляхом блокування певного рівня тієї ж ланцюжка Ras-Raf-MEK-ERK, на якому покладається сигнал цього шляху спочатку.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

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