Клеточные сигналы

Межклеточные связи играют огромную роль у многоклеточных организмов. Внеклеточные сигналы определяют судьбу клетки практически на молекулярном уровне — жить клетке или умереть, находиться в стадии покоя (вне клеточного цикла) или активироваться для выполнения определенной функции. Межклеточные сигналы важны для развивающегося эмбриона, поддержания архитектоники ткани, приспособления ткани к воздействию различных неблагоприятных факторов, например таких, как местное повреждение, или при системных. Потеря межклеточных связей и «контроля» над клеточным сообществом приводит к нарушению взаимоотношений клеток, что способствует неконтролируемому росту (злокачественная опухоль) или неадекватной ответной реакции на внешние раздражители (например, при шоке).

 

Содержание

  1. Источники клеточных сигналов
  2. Виды клеточных сигналов
  3. Поверхностные и внутриклеточные рецепторы
  4. Пути передачи сигналов
  5. Модульные сигнальные белки, «хабы» и узлы
  6. Факторы транскрипции

Источники клеточных сигналов

В каждую клетку постоянно поступает огромное количество сигналов, которые должны быть интерпретированы и интегрированы в ответы, полезные для организма. Некоторые сигналы способствуют дифференцировке определенного типа клеток, другие стимулируют пролиферацию, а третьи направляют клетку на выполнение узко специализированной функции. Множественные сигналы, полученные клеткой в одно и то же время, могут вызвать парадоксальную реакцию. Многие клетки требуют определенных сигналов только для того, чтобы продолжать жить; при отсутствии соответствующих экзогенных сигналов они погибают путем апоптоза.

 

Все источники сигналов, на которые отвечает большинство клеток, можно разделить на несколько групп:

 

  • Патогенные факторы и поврежденные соседние клетки. Многие клетки отличаются способностью чувствовать и реагировать на повреждения клеток (сигналы опасности) и на внешние патогены (например, микробы).
  • Межклеточные контакты, образующиеся с помощью молекул адгезии и/или щелевидных контактов. Как уже упоминалось выше, сигналы между соседними клетками передаются через гидрофильные каналы, по которым перемещаются небольшие ионы (например, кальций), различные метаболиты и потенциальные молекулы вторичных мессенджеров (внутриклеточные сигнальные молекулы), такие как циклический аденозинмонофосфат (цАМФ).
  • Контакты между внеклеточным матриксом и клеткой осуществляются с помощью интегринов.
  • Секретируемые молекулы. К наиболее важным секретируемым молекулам относятся факторы роста, цитокины — медиаторы воспалительной и иммунной реакций и гормоны, которые секретируются эндокринными органами и воздействуют на разные типы клеток.

Виды клеточных сигналов

Можно выделить разные типы сигнальных путей на основе пространственных отношений между передающей сигнал клеткой и клеткой, принимающей этот сигнал.

 

  • Паракринный сигнал. В нем участвуют клетки, расположенные в непосредственной близости. Паракринный сигнал может включать трансмембранные «посылающие» молекулы, которые активируют рецепторы на соседних клетках, и секретируемые факторы, распространяющиеся только на короткие расстояния. В некоторых случаях сигнал, распространяющийся на короткое расстояние, достигает цели благодаря тесной связи с внеклеточным матриксом.
  • Аутокринный сигнал возникает, когда клетка, на которую направлен сигнал, сама секретирует молекулы и отвечает на него. Такого рода сигналы способны вовлечь группу клеток, находящихся в состоянии синхронной дифференцировки в период развития организма, или подобный сигнал используется для усиления действия (положительной обратной связи) либо ослабления (отрицательной обратной связи) ответной реакции.
  • Синаптический сигнал. Активированные нейроны выделяют нейротрансмиттеры в специализированные клеточные переходы (синапсы) для воздействия на клетки-мишени.
  • Эндокринный сигнал. Гормон высвобождается непосредственно в кровоток и воздействует на клетки-мишени, находящиеся на расстоянии.

Поверхностные и внутриклеточные рецепторы

Вне зависимости от природы внеклеточного стимула (паракринного, синаптического или эндокринного) сигнал передается в клетку через специфический белок-рецептор. Сигнальные молекулы — дополнительные небелковые группы (лиганды) образуют с белком комплементарные структуры (с соответствующими рецепторами) и инициируют целый каскад внутриклеточных событий, кульминацией которых становится ожидаемая клеточная ответная реакция. Лиганды характеризуются высокой степенью сродства к рецепторам, а в физиологических концентрациях связывают исключительно специфичные рецепторы. Рецепторы могут находиться на поверхности или внутри клетки (рис. 1.12).

 

Внутриклеточные рецепторы включают факторы транскрипции, которые активируются жирорастворимыми лигандами и легко проходят плазматические мембраны. К таким лигандам относятся витамин D и стероидные гормоны, которые активируют ядерные рецепторы. В других случаях (из-за небольших размеров и/или неполярный сигнальный лиганд) может раствориться в соседней клетке. Так дело обстоит с оксидом азота (NO), который через эндотелиальные клетки регулирует внутрисосудистое давление. Активированные эндотелиальные клетки образуют оксид азота, который затем диффундирует в гладкомышечные клетки сосудистой стенки. Там он активирует гуанилилциклазу для образования циклического гуанозинмонофосфата (внутриклеточного вторичного сигнала), вызывающего расслабление гладкомышечных клеток.

 

Рецепторы на поверхности клеток — это трансмембранные белки с внеклеточными доменами, которые связывают активированные лиганды. В зависимости от рецептора связывание лиганда позволяет:

 

  1. открывать ионные каналы (как правило, посредством изменения ионной проводимости мембран);
  2. активировать соответствующий ГТФ-связанный регуляторный белок (G-белок);
  3. активировать эндогенный или ассоциированный фермент, чаще всего ти-розинкиназу;
  4. инициировать протеолиз, изменить связывание белка или стабильность для активации скрытого транскрипционного фактора.

Семейства рецепторов (2) и (3) связаны с сигнальными путями фактора роста и способствуют клеточной пролиферации и клеточной активности, тогда как семейство рецепторов (4) характерно для нескольких сигнальных путей (например, Notch, Wnt и Hedgehog), которые регулируют нормальное развитие организма. Понятно, что сигналы, посылаемые рецепторами, расположенными на поверхности клеток, часто повреждаются при врожденной патологии и злокачественных опухолях.

 

Рецептор-опосредованные сигналы

Рис. 1.12. Рецептор-опосредованные сигналы: А — категории сигнальных рецепторов, включая рецепторы, которые используют нерецепторную тирозинкиназу; рецепторы, использующие тирозинкиназу; ядерные рецепторы, которые при связывании со своими лигандами могут влиять на транскрипцию генов; несколько вариантов трансмембранных рецепторов, сопряженных с гетеротримерными G-белками; Notch-рецепторный белок распознает лиганд на отдельной клетке, затем расщепляется с получением внутриклеточного фрагмента, который может проникать в ядро и влиять на транскрипцию специфических генов-мишеней; сигнальный путь Wnt/Frizzled, при активации которого высвобождается внутриклеточный бета-катенин из белкового комплекса, в нормальных условиях приводящий к его деградации. Высвобожденный бета-катенин может затем мигрировать в ядро и действовать как фактор транскрипции. Lrp5/Lrp6, липопротеины низкой плотности, связанные с рецепторами 5 и б, являются высокогомологичными и действуют как корецепторы в сигнальном пути Wnt/Frizzled.

 

Пути передачи сигналов

Связывание лиганда с рецептором клеточной поверхности опосредует сигнал, индуцируя кластеризацию рецептора (перекрестное сшивание рецепторов) или другие конформационные изменения (см. рис. 1.12). Объединяющим фактором является то, что все эти изменения меняют физическое состояние внутриклеточного домена рецептора, что затем способствует развитию дополнительных биохимических событий и приводят к трансдукции сигнала.

 

Рецептор-опосредованные сигналы

Рис. 1.12. (Окончание) Б — сигнальный путь от тирозинкиназного рецептора. Связывание фактора роста (лиганд) вызывает димеризацию рецепторов и аутофосфорилирование тирозиновых остатков. Присоединение адаптерных (или мостиковых) белков соединяет рецептор с неактивным, связанным с гуанозиндисфосфатом RAS, позволяя превращать гуанозиндифосфат в гуанозинтрифосфат и тем самым способствовать активированию RAS. Активированный RAS взаимодействует и активирует RAF (также известный как МАРкиназа). Эта киназа затем фосфорилирует митоген-активированную протеинкиназу (МАРК), а активированная МАРК фосфорилирует другие цитоплазматические белки и факторы ядерной транскрипции, генерируя клеточные ответы. Активированный RAS также может взаимодействовать с другими компонентами, такими как фосфатидил-3-киназа (Р13-киназа), которая активирует другие сигнальные системы. Каскад отключается, когда активированный RAS в конечном итоге гидролизует гуанозинтрифосфат в гуанозиндифосфат, преобразуя RAS в его неактивную форму. Мутации в RAS приводят к задержке гидролиза гуанозинтрифосфата и могут способствовать усилению сигналов, вызывающих пролиферацию клеток. ГДФ — гуанозиндифосфат; ГТФ — гуанозинтрифосфат

 

Клеточные рецепторы можно классифицировать в зависимости от используемых ими сигнальных механизмов и внутриклеточных биохимических путей, которые они активируют. Рецепторные сигналы чаще всего приводят к образованию или модификации биохимических промежуточных соединений и/или активации ферментов и в конечном итоге к образованию активных факторов транскрипции, которые входят в ядро и меняют экспрессию гена.

 

  1. Рецепторы, связанные с киназной активностью. Фосфорилирование нижестоящих сигнальных молекул является обычным путем передачи сигнала. Сигнальная молекула меняет геометрию рецептора на поверхности клеточной мембраны, рецептор протеинкиназы активирует внутриклеточные киназы. Эти киназы присоединяют заряженные фосфатные остатки к молекулам-мишеням, то есть запускается каскад биохимических реакций. Тирозинкиназы фосфорилируют характерные тирозиновые остатки, тогда как серин/треонинкиназы прикрепляют фосфаты к определенным остаткам серина или треонина, а липидкиназы фосфорилируют липидные субстраты. Для каждого этапа фосфорилирования существует контррегуляторная фосфатаза, фермент, который может удалять фосфатный остаток и таким образом модулировать передачу сигналов; обычно фосфатазы играют ингибирующую роль в передаче сигнала.
  2. Рецепторные тирозинкиназы (RTK) представляют собой интегральные мембранные белки [например, рецепторы для инсулина, эпидермальный фактор роста (EGF) и тромбоцитарный фактор роста (PDGF)]; лиганд-индуцированное перекрестное сшивание активирует внутренние тирозинкиназные домены, расположенные в цитоплазматических хвостах рецепторов.
  3. Рецепторы, не имеющие собственной каталитической активности. Отдельные разновидности рецепторов, например, иммунные рецепторы, некоторые рецепторы цитокинов и интегринов. Взаимодействуют с рецепторами после связывания лиганда и фосфорилируют специфические сайты на рецепторе или других белках. В таких случаях отдельный внутриклеточный белок, известный как нерецепторная тирозинкиназа, взаимодействует с рецепторами после связывания лиганда и фосфорилирует специфические последовательности в рецепторе или других белках. Клеточный гомолог трансформирующего белка вируса саркомы Руса, называемый SRC, является прототипом важного семейства таких нерецепторных тирозинкиназ (киназы Src-семейства). SRC содержит уникальные функциональные области, называемые Src-гомологическими (SH) доменами. Домены SH2 обычно связываются с рецепторами, фосфорилированными другой киназой, что позволяет агрегировать множественные ферменты, тогда как БНЗ-домены опосредуют межбелковые взаимодействия, часто включающие домены, богатые пролином.
  4. Рецепторы, связанные с G-белком, представляют собой полипептиды, содержат семь альфа-спиральных доменов, пронизывающих мембрану, которые также известны как семиспиральные рецепторы, или серпентины. В настоящее время известно более 1500 таких рецепторов. После связывания лиганда рецепторы передают сигнал внутриклеточным белкам, связанным с гуанозинтрифосфатом (ГТФ) (G-белок). Исходно эти G-белки содержат гуанозиндифосфат (ГДФ); взаимодействие с комплексом рецептор-лиганд приводит к активации G-белка посредством обмена ГДФ на ГТФ. Исходящая передача сигналов обычно включает генерацию цАМФ и инозит-1,4,5-трифосфата (IP3), последний высвобождает кальций из ЭР.
  5. Ядерные рецепторы. Липид-растворимые лиганды могут растворяться в клетках, где они взаимодействуют с внутриклеточными белками с образованием комплекса рецептор-лиганд, который непосредственно связывается с ядерной ДНК. В результате такого связывания активируется или угнетается транскрипция гена.
  6. Другие классы рецепторов. Другие рецепторы, первоначально признанные важными только при развитии эмбриона и определении судьбы клеток, на самом деле влияют на работу зрелых клеток, и особенно клеток иммунной системы. Такие сигнальные пути в большей степени зависят от межбелковых взаимодействий, чем от ферментативной активности при трансдукции сигнала, что может обеспечить очень точный контроль.
  • Рецепторные белки семейства Notch: связывание лиганда с рецепторами Notch приводит к протеолитическому расщеплению рецептора и последующей ядерной транслокации цитоплазматического домена (внутриклеточный Notch) с образованием комплекса транскрипции.
  • Белковые лиганды Wnt действуют в сигнальном пути, включающем трансмембранные рецепторы семейства Frizzled, которые регулируют внутриклеточные уровни (β-катенина. В отсутствие белка Wnt β-катенин становится мишенью убиквитина для разрушения в протеасомах. Связывание белка Wnt с Frizzled (и другими корецепторами) вовлекает другие белки для участия в разрушении комплекса. Это стабилизирует β-катенин, позволяя ему переместиться в ядро и сформировать транскрипционный комплекс.

Модульные сигнальные белки, «хабы» и узлы

Традиционный прямолинейный взгляд на сигнальные пути не может объяснить всю сложность течения процессов. Упрощенная трактовка подразумевает активацию рецептора с дальнейшим развитием последовательных биохимических реакций, которые в конечном итоге приводят к изменениям в экспрессии генов и желаемому биологическому результату. Сегодня все более очевидно, что любой исходный сигнал вызывает множественные первичные и вторичные эффекты, каждый из которых в той или иной степени вносит вклад в финальный результат. Это в первую очередь касается сигнальных путей, связанных с ферментативной активностью, которая меняется в зависимости от сложных взаимодействий полипептидов.

 

Например, фосфорилирование любого белка сопровождается связыванием с множеством других молекул и приводит к разнообразным результатам:

 

  • Активация фермента (или инактивация).
  • Локализация факторов транскрипции в ядре (или цитоплазме).
  • Активация (или инактивация) факторов транскрипции.
  • Полимеризация (или деполимеризация) актина.
  • Деградация (или стабилизация) белка.
  • Активация угнетающих (или стимулирующих) механизмов.

Адаптерные белки играют ключевую роль в организации внутриклеточных сигнальных путей. Эти белки функционируют как соединения между молекулами, которые физически связывают различные ферменты и способствуют сбору белковых комплексов. Адаптерами могут быть мембранные или цитоплазматические белки. Типичный адаптер содержит несколько специфических областей (например, SH2 или SH3), через которые происходят межбелковые взаимодействия. Влияя на белки, вовлеченные в сигнальные комплексы, адаптеры могут направить нисходящие сигналы.

 

По аналогии с компьютерными сетями межбелковые комплексы можно рассматривать как узлы, а результаты биохимических реакций, в которых эти узлы участвуют как «хабы». Тогда трансдукция сигнала представляет своего рода сетевой феномен; понимание такой сложной организации относится к разделу системной биологии, которая представляет собой союз биологии и вычислительной техники.

 

Факторы транскрипции

Большинство сигнальных путей в конечном итоге влияют на функцию клетки путем модуляции транскрипции гена за счет активации ядерных факторов транскрипции. Конформационные изменения факторов транскрипции (например, после фосфорилирования) способствуют их перемещению в ядро или могут выявить специфические ДНК-связывающие последовательности. Факторы транскрипции могут приводить к экспрессии относительно ограниченный набор генов или оказывать существенное влияние на экспрессию генов. Среди факторов транскрипции, регулирующих экспрессию генов, необходимых для роста, деления и дифференцировки клеток, имеются MYC и JUN, в то время как транскрипционный фактор р53 вызывает остановку роста клеток. Факторы транскрипции имеют модульное строение и часто включают домены, которые взаимодействуют с ДНК, и другие домены, которые взаимодействуют с другими белками, например компонентами комплекса РНК-полимеразы, необходимыми для транскрипции.

 

ДНК-связывающие домены определяют специфическое связывание с короткими последовательностями ДНК. Некоторые участки связывания факторов транскрипции обнаружены в промоторах близко к участку, где начинается транскрипция, но в настоящее время стало понятно, что большинство факторов транскрипции способно связываться с ДНК по всему геному, в том числе с энхансерами, расположенными далеко от регулируемых ими генов. Энхансеры функционируют в связке с генными промоторами и, следовательно, как правило, пространственно расположены близко к генам, которые они регулируют, даже если с точки зрения геномной последовательности они могут показаться далеко. Такие находки подчеркивают важность организации хроматина в регуляции экспрессии генов как в условиях нормы, так и при патологических процессах.

 

Чтобы транскрипционный фактор индуцировал транскрипцию, он должен обладать доменами межбелковых взаимодействий, которые прямо или косвенно вовлекают гистон-модифицирующие ферменты, комплексы ремоделирования хроматина и (что более важно) РНК-полимеразу — крупный многобелковый ферментативный комплекс, который отвечает за синтез РНК.

Подписывайтесь, друзья, на наш телеграм-канал и группу ВК