Биохимический каскад - Biochemical cascade

Биохимический каскад , также известный как сигнальный каскад или сигнальный путь , представляет собой серию химических реакций , которые происходят в биологическую клетке , когда инициируются стимулом. Этот стимул, известный как первый мессенджер, действует на рецептор, который передается внутрь клетки через вторых мессенджеров, которые усиливают сигнал и передают его эффекторным молекулам, заставляя клетку реагировать на первоначальный стимул. Большинство биохимических каскадов представляют собой серию событий, в которых одно событие линейно запускает следующее. На каждом этапе сигнального каскада задействованы различные контролирующие факторы для регулирования клеточных действий, чтобы эффективно реагировать на сигналы об изменении их внутренней и внешней среды.

Примером может служить каскад коагуляции вторичного гемостаза, который приводит к образованию фибрина и, таким образом, к началу свертывания крови. Другой пример, сигнальный путь sonic hedgehog , является одним из ключевых регуляторов эмбрионального развития и присутствует у всех билатерий . Сигнальные белки дают клеткам информацию, необходимую для правильного развития эмбриона. Когда этот путь нарушается, это может привести к таким заболеваниям, как базальноклеточная карцинома . Недавние исследования указывают на роль передачи сигналов hedgehog в регуляции взрослых стволовых клеток, участвующих в поддержании и регенерации взрослых тканей. Этот путь также участвовал в развитии некоторых видов рака. Ряд фармацевтических компаний активно разрабатывают препараты, которые специально нацелены на передачу сигналов hedgehog для борьбы с болезнями.

Вступление

Сигнальные каскады

Клеткам для жизни необходим полноценный и функциональный клеточный аппарат. Когда они принадлежат к сложным многоклеточным организмам, им необходимо общаться между собой и работать над симбиозом, чтобы дать жизнь организму. Эти коммуникации между клетками запускают внутриклеточные сигнальные каскады, называемые путями передачи сигналов, которые регулируют определенные клеточные функции. Каждая передача сигнала происходит с помощью первичного внеклеточного мессенджера, который связывается с трансмембранным или ядерным рецептором, инициируя внутриклеточные сигналы. Образованный комплекс производит или высвобождает вторичных мессенджеров, которые интегрируют и адаптируют сигнал, усиливая его, активируя молекулярные мишени, которые, в свою очередь, запускают эффекторы, которые приведут к желаемому клеточному ответу.

Трансдукторы и эффекторы

Передача сигнала осуществляется путем активации специфических рецепторов и последующей продукции / доставки вторичных мессенджеров, таких как Ca 2+ или цАМФ . Эти молекулы действуют как преобразователи сигналов, запускают внутриклеточные каскады и, в свою очередь, усиливают исходный сигнал. Были идентифицированы два основных механизма передачи сигнала: через ядерные рецепторы или через трансмембранные рецепторы. В первом случае первый мессенджер проходит через клеточную мембрану, связывая и активируя внутриклеточные рецепторы, локализованные в ядре или цитозоле , которые затем действуют как факторы транскрипции, непосредственно регулирующие экспрессию генов. Это возможно из-за липофильной природы этих лигандов, в основном гормонов. При передаче сигнала через трансмембранные рецепторы первый мессенджер связывается с внеклеточным доменом трансмембранного рецептора, активируя его. Эти рецепторы могут обладать внутренней каталитической активностью или могут быть связаны с эффекторными ферментами или могут также быть связаны с ионными каналами. Таким образом, существует четыре основных типа трансмембранных рецепторов: рецепторы, сопряженные с G-белком (GPCR), рецепторы тирозинкиназы (RTK), рецепторы серин / треонинкиназ (RSTK) и лиганд-зависимые ионные каналы (LGIC). Вторичные мессенджеры можно разделить на три класса:

  1. Гидрофильные / цитозольные - растворимы в воде и локализуются в цитозоле, включая цАМФ, цГМФ , IP3 , Ca 2+ , cADPR и S1P . Их основными мишенями являются протеинкиназы, такие как PKA и PKG , которые затем участвуют в ответах, опосредованных фосфорилированием.
  2. Гидрофобные / ассоциированные с мембраной - нерастворимы в воде и ассоциированы с мембраной, локализуются в межмембранных пространствах, где они могут связываться с ассоциированными с мембранами эффекторными белками. Примеры: PIP3 , DAG , фосфатидная кислота , арахидоновая кислота и церамид . Они участвуют в регуляции киназ и фосфатаз, факторов, связанных с G-белком, и факторов транскрипции.
  3. Газообразный - может широко распространяться через клеточную мембрану и цитозоль, включая оксид азота и монооксид углерода . Оба они могут активировать cGMP и, помимо того, что они способны выполнять независимую деятельность, они также могут работать в скоординированном режиме.

Сотовый ответ

Клеточный ответ в каскадах передачи сигнала включает изменение экспрессии эффекторных генов или активацию / ингибирование белков-мишеней. Регуляция активности белка в основном включает события фосфорилирования / дефосфорилирования, ведущие к его активации или ингибированию. Это имеет место для подавляющего большинства ответов как следствие связывания первичных мессенджеров с мембранными рецепторами. Этот ответ быстрый, поскольку он включает регулирование молекул, которые уже присутствуют в клетке. С другой стороны, индукция или репрессия экспрессии генов требует связывания транскрипционных факторов с регуляторными последовательностями этих генов. Факторы транскрипции активируются первичными мессенджерами в большинстве случаев из-за их функции ядерных рецепторов для этих мессенджеров. Эти вторичные мессенджеры как DAG или Ca 2+ также могут вызывать или экспрессию гена репрессирует, с помощью транскрипционных факторов. Этот ответ медленнее, чем первый, потому что он включает в себя больше шагов, таких как транскрипция генов, а затем воздействие вновь образованных белков на конкретную мишень. Мишенью может быть белок или другой ген.

Примеры биохимических каскадов

В биохимии несколько важных ферментативных каскадов и каскадов передачи сигналов участвуют в метаболических путях или сигнальных сетях, в которых обычно участвуют ферменты, чтобы катализировать реакции. Например, путь тканевого фактора в каскаде свертывания вторичного гемостаза является первичным путем, ведущим к образованию фибрина и, следовательно, к инициации свертывания крови. Пути представляют собой серию реакций, в которых зимоген (предшественник неактивного фермента) сериновой протеазы и его кофакторы гликопротеина активируются, чтобы стать активными компонентами, которые затем катализируют следующую реакцию в каскаде, что в конечном итоге приводит к образованию поперечно-сшитого фибрина. .

Другой пример, сигнальный путь sonic hedgehog , является одним из ключевых регуляторов эмбрионального развития и присутствует у всех билатерий . Различные части эмбриона имеют разные концентрации сигнальных белков hedgehog, которые дают клеткам информацию, позволяющую эмбриону правильно и правильно развиваться в голову или хвост. Когда этот путь нарушается, это может привести к таким заболеваниям, как базальноклеточная карцинома . Недавние исследования указывают на роль передачи сигналов hedgehog в регуляции взрослых стволовых клеток, участвующих в поддержании и регенерации взрослых тканей. Этот путь также участвовал в развитии некоторых видов рака. Ряд фармацевтических компаний активно разрабатывают препараты, которые специально нацелены на передачу сигналов hedgehog для борьбы с болезнями. Большинство биохимических каскадов представляют собой серию событий, в которых одно событие линейно запускает следующее.

Биохимические каскады включают:

И наоборот, отрицательные каскады включают события, которые имеют циклический характер или могут вызывать или быть вызваны множеством событий. К отрицательным каскадам относятся:

Клеточно-специфические биохимические каскады

Эпителиальные клетки

Адгезия является важным процессом для эпителиальных клеток, так как эпителий может формироваться, и клетки могут находиться в постоянном контакте с внеклеточным матриксом и другими клетками. Существует несколько путей для достижения этой связи и сцепления с окружающей средой. Но основные сигнальные пути - это пути кадгерина и интегрина. Путь кадгерина присутствует в адгезионных соединениях или в десмосомах и отвечает за адгезию эпителия и связь с соседними клетками. Кадгерин представляет собой трансмембранный гликопротеиновый рецептор, который устанавливает контакт с другим кадгерином, присутствующим на поверхности соседней клетки, образуя адгезионный комплекс. Этот адгезионный комплекс образован β-катенином и α-катенином , и p120 CAS необходим для его стабилизации и регуляции. Затем этот комплекс связывается с актином , что приводит к полимеризации. В полимеризации актина через путь кадгерина также участвуют белки семейства Rho GTPases . Этот комплекс регулируется фосфорилированием, что приводит к подавлению адгезии. Несколько факторов могут индуцировать фосфорилирование, например EGF , HGF или v-Src . Путь кадгерина также играет важную роль в выживании и пролиферации, поскольку он регулирует концентрацию цитоплазматического β-катенина. Когда β-катенин находится в цитоплазме в свободном состоянии, обычно он деградирует, однако, если передача сигналов Wnt активирована, деградация β-катенина ингибируется, и он перемещается в ядро, где он образует комплекс с факторами транскрипции. Это приводит к активации генов, ответственных за пролиферацию и выживание клеток. Таким образом, комплекс кадгерин-катенин необходим для регуляции судьбы клеток. Интегрины представляют собой гетеродимерные гликопротеиновые рецепторы, которые распознают белки, присутствующие во внеклеточном матриксе, такие как фибронектин и ламинин. Чтобы функционировать, интегрины должны образовывать комплексы с белками ILK и Fak . Для адгезии к внеклеточному матриксу ILK активирует белки Rac и Cdc42 и приводит к полимеризации актина. ERK также приводит к полимеризации актина через активацию cPLA2 . Рекрутирование FAK интегрином приводит к активации Akt, и это ингибирует проапоптотические факторы, такие как BAD и Bax. Когда адгезия через интегрины не происходит, проапоптотические факторы не ингибируются и приводят к апоптозу .

Гепатоциты

Гепатоцитов представляет собой сложные и многофункциональные дифференцированные клетки , чьи клетки ответа будет зависеть от зоны печеночной дольки , поскольку концентрация кислорода и токсичных веществ , присутствующий в изменении печеночных синусоидов от перипортальной зоны до центродолевая zone10. Гепатоциты промежуточной зоны имеют соответствующие морфологические и функциональные особенности, так как они имеют среду со средними концентрациями кислорода и других веществ. Эта специализированная ячейка способна:

  1. Через cAMP / PKA / TORC (преобразователи регулируемого CREB) / CRE , PIP3 / PKB и PLC / IP3
  2. Экспрессия ферментов синтеза, хранения и распределения глюкозы
  1. Через JAK / STAT / APRE (элемент реакции острой фазы)
  2. Экспрессия С-реактивного белка, ингибиторов глобулиновых протеаз, комплемента, свертывающей и фибринолитической систем и гомеостаза железа
  1. Через Smads / HAMP
  2. Hepcidin выражение
  1. Через LXR / LXRE (элемент ответа LXR)
  2. Экспрессия ApoE CETP , FAS и LPL
  1. Через LXR / LXRE
  2. Экспрессия транспортеров CYP7A1 и ABC
  • Разложение токсичных веществ
  1. Через LXR / LXRE
  2. Выражение транспортеров ABC
  • Эндокринная продукция
  1. Через JAK / STAT / GHRE (элемент ответа на гормон роста)
ИФР-1 и БСИФР-3 выражение
  1. Через THR / THRE (элемент ответа на гормон щитовидной железы)
Экспрессия ангиотензиногена
  • Регенерируется митозом гепатоцитов
  1. Через STAT и Gab1 : RAS / MAPK , PLC / IP3 и PI3K / FAK
  2. Рост, пролиферация, выживание, инвазия и подвижность клеток

Гепатоцит также регулирует другие функции конститутивного синтеза белков ( альбумина , АЛТ и AST ), которые влияют на синтез или активацию других молекул (синтез мочевины и незаменимых аминокислот), активируют витамин D , утилизацию витамина K , экспрессию транспортера витамина. А и превращение тироксина .

Нейроны

Пуринергическая передача сигналов играет важную роль во взаимодействиях между нейронами и клетками глии , позволяя им обнаруживать потенциалы действия и модулировать активность нейронов, способствуя регуляции внутри- и внеклеточного гомеостаза. Помимо пуринергического нейромедиатора, АТФ действует как трофический фактор при клеточном развитии и росте, участвуя в активации и миграции микроглии, а также в миелинизации аксонов олигодендроцитами. Существует два основных типа пуринергических рецепторов : связывание P1 с аденозином и связывание P2 с АТФ или АДФ, представляющих разные сигнальные каскады. Nrf2 / ARE сигнальный путь играет фундаментальную роль в борьбе с окислительным стрессом, которому нейроны являются особенно уязвимыми из - за высокого потребления кислорода и высоким содержанием липидов. Этот нейропротективный путь включает в себя контроль активности нейронов перисинаптическими астроцитами и высвобождение глутамата нейронами с установлением трехчастных синапсов. Активация Nrf2 / ARE приводит к более высокой экспрессии ферментов, участвующих в синтезе и метаболизме глутатиона, которые играют ключевую роль в антиоксидантной реакции. Сигнальный путь LKB1 / NUAK1 регулирует ветвление терминального аксона в корковых нейронах посредством локального захвата иммобилизованных митохондрий. Помимо NUAK1 , киназа LKB1 действует под действием других эффекторных ферментов, таких как SAD-A / B и MARK, таким образом регулируя поляризацию нейронов и рост аксонов, соответственно. Эти каскады киназ включают также Tau и другие MAP . Расширенные знания об этих и других нервных путях могут предоставить новые потенциальные терапевтические цели для нескольких нейродегенеративных хронических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера , Паркинсона и Хантингтона , а также боковой амиотрофический склероз .

Кровяные клетки

В кровяные клетки ( эритроциты , лейкоциты и тромбоциты ) получают путем гемопоэза . В эритроцитах иметь в качестве основной функции в О 2 доставки к тканям, и эта передача происходит путем диффузии и определяется O 2 натяжения (PO 2 ). Эритроцит способен ощущать потребность ткани в О 2 и вызывать изменение калибра сосудов через путь высвобождения АТФ , который требует увеличения цАМФ , и регулируется фосфодиэстеразой (ФДЭ). Этот путь может быть запущен с помощью двух механизмов: физиологического стимула (например, снижения давления O2) и активации рецептора простациклина (IPR). Этот путь включает гетеротримерные G-белки , аденилатциклазу (AC), протеинкиназу A (PKA), регулятор трансмембранной проводимости при муковисцидозе (CFTR) и конечный канал, по которому АТФ транспортируется в просвет сосудов ( паннексин 1 или потенциал-зависимый анионный канал (VDAC). )). Высвобожденный АТФ воздействует на пуринергические рецепторы эндотелиальных клеток, запуская синтез и высвобождение ряда вазодилататоров , таких как оксид азота (NO) и простациклин (PGI 2 ). Текущая модель каскада адгезии лейкоцитов включает в себя множество этапов, упомянутых в таблице 1. Опосредованная интегрином адгезия лейкоцитов к эндотелиальным клеткам связана с морфологическими изменениями как лейкоцитов, так и эндотелиальных клеток, которые вместе поддерживают миграцию лейкоцитов через венулярные стенки. Малые ГТФазы Rho и Ras участвуют в основных сигнальных путях лейкоцитов, лежащих в основе стимулируемой хемокинами интегрин- зависимой адгезии, и играют важную роль в регулировании формы, адгезии и подвижности клеток.

Этапы каскада адгезии лейкоцитов и ключевые молекулы, участвующие в каждом этапе

После повреждения сосуда тромбоциты активируются локально экспонированным коллагеном (рецептор гликопротеина (GP) VI), локально генерируемым тромбином (рецепторы PAR1 и PAR4), тромбоксаном A2 (TxA2) (рецептор TP) и АДФ (P2Y1 и P2Y12 ), полученным из тромбоцитов. рецепторы), который либо высвобождается из поврежденных клеток, либо секретируется плотными гранулами тромбоцитов . Фактор фон Виллебранда (ФВ) служит в качестве основного вспомогательного молекулы. В общем, активация тромбоцитов, инициированная агонистом, принимает сигнальный каскад, который приводит к увеличению концентрации кальция в цитозоле. Следовательно, интегрин α IIb β 3 активируется, и связывание с фибриногеном делает возможным агрегацию тромбоцитов друг с другом. Увеличение цитозольного кальция также приводит к изменению формы и синтезу TxA2, что приводит к усилению сигнала.

Лимфоциты

Основная цель биохимических каскадов в лимфоцитах - секреция молекул, которые могут подавлять измененные клетки или устранять патогенные агенты посредством пролиферации, дифференцировки и активации этих клеток. Следовательно, антигенные рецепторы играют центральную роль в передаче сигнала в лимфоцитах, поскольку взаимодействие антигенов с ними приводит к каскаду сигнальных событий. Эти рецепторы, которые распознают растворимый антиген (В-клетки) или связанные с молекулой на антигенпрезентирующих клетках (Т-клетки), не имеют длинных хвостов цитоплазмы, поэтому они прикреплены к сигнальным белкам, которые содержат длинные цитоплазматические хвосты с мотивом которые могут фосфорилироваться ( ITAM - иммунорецепторный мотив активации тирозина) и приводить к различным сигнальным путям. Антиген рецептор и белок сигнала образуют стабильный комплекс, названный BCR или ТКС , в B или Т - клетках, соответственно. Семейство Src необходимо для передачи сигнала в этих клетках, поскольку оно отвечает за фосфорилирование ITAM. Следовательно, Lyn и Lck в лимфоцитах B и T, соответственно, фосфорилируют мотивы активации иммунорецептора на основе тирозина после распознавания антигена и конформационного изменения рецептора, что приводит к связыванию киназ Syk / Zap-70 с ITAM и его активации. . Syk- киназа специфична для лимфоцитов B, а Zap-70 присутствует в Т-клетках. После активации этих ферментов некоторые адаптерные белки фосфорилируются, например, BLNK (B-клетки) и LAT (T-клетки). Эти белки после фосфорилирования активируются и позволяют связываться с другими ферментами, которые продолжают биохимический каскад. Одним из примеров белка, который связывается с адапторными белками и активируется, является PLC, который очень важен в сигнальных путях лимфоцитов. PLC отвечает за активацию PKC через DAG и Ca 2+ , что приводит к фосфорилированию молекулы CARMA1 и образованию комплекса CBM. Этот комплекс активирует киназу Iκκ, которая фосфорилирует I-κB, а затем позволяет, например, транслокацию NF-κB в ядро ​​и транскрипцию генов, кодирующих цитокины . Другие факторы транскрипции, такие как NFAT и комплекс AP1 , также важны для транскрипции цитокинов . Дифференцировка В-клеток в плазматические клетки также является примером сигнального механизма в лимфоцитах, индуцируемого цитокиновым рецептором . В этом случае некоторые интерлейкины связываются со специфическим рецептором, что приводит к активации пути MAPK / ERK . Следовательно, белок BLIMP1 транслируется и ингибирует PAX5 , обеспечивая транскрипцию генов иммуноглобулинов и активацию XBP1 (важного для формирования секреторного аппарата и усиления синтеза белка). Кроме того, корецепторы ( CD28 / CD19 ) играют важную роль, потому что они могут улучшать связывание антиген / рецептор и инициировать параллельные каскадные события, такие как активация киназы PI3. Затем PIP3 отвечает за активацию нескольких белков, таких как vav (приводит к активации пути JNK , что, следовательно, приводит к активации c-Jun ) и btk (также может активировать PLC).

Кости

Wnt сигнальный путь

Путь передачи сигналов Wnt можно разделить на канонический и неканонический. Каноническая передача сигналов включает связывание Wnt с корецептором Frizzled и LRP5, что приводит к фосфорилированию GSK3 и ингибированию деградации β-катенина, что приводит к его накоплению и перемещению в ядро, где он действует как фактор транскрипции. Неканоническая передача сигналов Wnt может быть разделена на путь планарной полярности клеток (PCP) и путь Wnt / кальций. Он характеризуется связыванием Wnt с Frizzled и активацией G-белков, а также увеличением внутриклеточных уровней кальция посредством механизмов, включающих PKC 50. Путь передачи сигналов Wnt играет значительную роль в остеобластогенезе и формировании костей, вызывая дифференцировку мезенхимальных плюрипотентных клеток. в остеобластах и ​​ингибируя путь RANKL / RANK и остеокластогенез.

Путь передачи сигналов RANKL / RANK

RANKL является членом суперсемейства лигандов TNF. Связываясь с рецептором RANK, он активирует различные молекулы, такие как NF-каппа B, MAPK, NFAT и PI3K52. Сигнальный путь RANKL / RANK регулирует остеокластогенез, а также выживание и активацию остеокластов.

Путь передачи сигналов аденозина

Аденозин очень важен для метаболизма костей, поскольку он играет роль в образовании и активации как остеокластов, так и остеобластов. Аденозин действует, связываясь с пуринергическими рецепторами и влияя на активность аденилатциклазы и образование цАМФ и ПКА 54. Аденозин может иметь противоположные эффекты на метаболизм костей, потому что в то время как одни пуринергические рецепторы стимулируют активность аденилатциклазы, другие имеют противоположный эффект. При определенных обстоятельствах аденозин стимулирует разрушение костей, а в других ситуациях он способствует формированию костей, в зависимости от активируемого пуринергического рецептора.

Стволовые клетки

Способность к самообновлению и дифференцировке - исключительные свойства стволовых клеток. Эти клетки можно классифицировать по их способности к дифференцировке, которая постепенно снижается с развитием, на тотипотенты, плюрипотенты, мультипотенты и унипотенты.

Процесс самообновления строго регулируется клеточным циклом и генетическим контролем транскрипции. Существуют некоторые сигнальные пути, такие как LIF / JAK / STAT3 (фактор ингибирования лейкемии / киназа Janus / сигнальный преобразователь и активатор транскрипции 3) и BMP / SMADs / Id (костные морфогенетические белки / матери против декапентаплегии / ингибитор дифференцировки), опосредованные транскрипционными факторами, эпигенетическими регуляторами и другими компонентами, и они отвечают за экспрессию генов самообновления и ингибирование экспрессии генов дифференцировки, соответственно.

На уровне клеточного цикла происходит усложнение механизмов соматических стволовых клеток. Однако с возрастом наблюдается снижение потенциала самообновления. Эти механизмы регулируются сигнальными путями p16 Ink4a -CDK4 / 6- Rb и p19 Arf - p53 - P21 Cip1 . Эмбриональные стволовые клетки обладают конститутивной активностью циклина E-CDK2, которая гиперфосфорилирует и инактивирует Rb. Это приводит к короткой фазе G1 клеточного цикла с быстрым переходом G1-S и небольшой зависимостью от митогенных сигналов или D-циклинов для входа в S-фазу. В фетальных стволовых клетках митогены способствуют относительно быстрому переходу G1-S за счет кооперативного действия циклина D-CDK4 / 6 и циклина E-CDK2 для инактивации белков семейства Rb. Экспрессия p16 Ink4a и p19 Arf подавляется Hmga2-зависимой регуляцией хроматина. Многие молодые взрослые стволовые клетки большую часть времени находятся в состоянии покоя. В отсутствие митогенных сигналов циклин-CDK и переход G1-S подавляются ингибиторами клеточного цикла, включая белки семейства Ink4 и Cip / Kip. В результате Rb гипофосфорилируется и ингибирует E2F, способствуя покою в G0-фазе клеточного цикла. Стимуляция митогеном мобилизует эти клетки в цикл, активируя экспрессию циклина D. В старых взрослых стволовых клетках экспрессия микроРНК let-7 увеличивается, снижая уровни Hmga2 и увеличивая уровни p16 Ink4a и p19 Arf . Это снижает чувствительность стволовых клеток к митогенным сигналам за счет ингибирования комплексов циклин-CDK. В результате либо стволовые клетки не могут войти в клеточный цикл, либо деление клеток во многих тканях замедляется.

Внешняя регуляция осуществляется сигналами из ниши, в которой находятся стволовые клетки, что может способствовать состоянию покоя и активации клеточного цикла в соматических стволовых клетках. Асимметричное деление характерно для соматических стволовых клеток, поддерживая резервуар стволовых клеток в ткани и продуцируя их специализированные клетки.

Стволовые клетки обладают повышенным терапевтическим потенциалом, в основном при гематоонкологических патологиях, таких как лейкемия и лимфомы. В опухолях были обнаружены небольшие группы стволовых клеток, названных раковыми стволовыми клетками. Есть свидетельства того, что эти клетки способствуют росту опухоли и метастазированию.

Ооциты

Ооцитов является женской клетки участвуют в воспроизводстве. Между ооцитом и окружающими фолликулярными клетками существует тесная связь, которая имеет решающее значение для развития обоих. GDF9 и BMP15, продуцируемые ооцитом, связываются с рецепторами BMPR2 на фолликулярных клетках, активируя SMAD 2/3 , обеспечивая развитие фолликулов. Одновременно рост ооцитов инициируется связыванием KITL с его рецептором KIT в ооците, что приводит к активации пути PI3K / Akt , что способствует выживанию и развитию ооцитов. Во время эмбриогенеза ооциты инициируют мейоз и останавливаются в профазе I. Этот останов поддерживается повышенными уровнями цАМФ в ооците. Недавно было высказано предположение, что цГМФ взаимодействует с цАМФ для поддержания остановки клеточного цикла . Во время созревания мейоза пик ЛГ, который предшествует овуляции, активирует путь MAPK, приводящий к разрыву щелевого соединения и нарушению связи между ооцитом и фолликулярными клетками. PDE3A активируется и расщепляет цАМФ, что приводит к прогрессированию клеточного цикла и созреванию ооцитов. Всплеск ЛГ также приводит к выработке прогестерона и простагландинов, которые вызывают экспрессию ADAMTS1 и других протеаз, а также их ингибиторов. Это приведет к разрушению стенки фолликула, но ограничит повреждение и обеспечит разрыв в соответствующем месте, высвобождая ооцит в фаллопиевы трубы . Активация ооцитов зависит от оплодотворения спермой. Он инициируется притяжением сперматозоидов, вызванным простагландинами, продуцируемыми ооцитом, которые создают градиент, который будет влиять на направление и скорость сперматозоидов. После слияния с ооцитом, PLC ζ сперматозоидов высвобождается в ооцит, что приводит к увеличению уровней Ca2 +, что активирует CaMKII, который разрушает MPF , что приводит к возобновлению мейоза. Увеличилась Ca 2+ уровни будут индуцировать экзоцитоз из кортикальных гранул , которые разрушают ZP рецепторы , используемые для проникновения сперматозоидов в яйцеклетку, блокируя полиспермию . Нарушение регуляции этих путей приведет к нескольким заболеваниям, таким как синдром нарушения созревания ооцитов, который приводит к бесплодию . Расширение наших молекулярных знаний о механизмах развития ооцитов может улучшить результаты процедур вспомогательной репродукции , облегчая зачатие.

Сперматозоид

Сперматозоид - это мужская гамета. После эякуляции эта клетка не созревает, поэтому она не может оплодотворять ооцит. Чтобы иметь возможность оплодотворять женскую гамету, эта клетка подвергается емкостной и акросомной реакции в женских половых путях. Сигнальные пути, лучше всего описанные для сперматозоидов, включают эти процессы. Путь передачи сигналов цАМФ / PKA приводит к емкости сперматозоидов; однако аденилатциклаза в сперматозоидах отличается от соматических клеток. Аденилатциклаза в сперматозоидах не распознает G-белки , поэтому она стимулируется бикарбонатом и ионами Ca 2+ . Затем он преобразует аденозинтрифосфата в цАМФ, который активирует протеинкиназы . PKA приводит к фосфорилированию тирозина белка. Фосфолипаза C (PLC) участвует в акросомной реакции. ZP3 представляет собой гликопротеин, присутствующий в блестящей оболочке, и он взаимодействует с рецепторами сперматозоидов. Итак, ZP3 может активировать рецепторы, связанные с G-белком, и рецепторы тирозинкиназы , что приводит к образованию PLC. PLC расщепляет фосфолипид- фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат (PIP2) на диацилглицерин (DAG) и инозитол-1,4,5-трифосфат . IP3 высвобождается в виде растворимой структуры в цитозоль, а DAG остается связанным с мембраной. IP3 связывается с рецепторами IP3, присутствующими в мембране акросомы. Кроме того, кальций и DAG вместе работают, чтобы активировать протеинкиназу C , которая затем фосфорилирует другие молекулы, что приводит к изменению клеточной активности. Эти действия вызывают увеличение цитозольной концентрации Ca 2+, что приводит к дисперсии актина и, следовательно, способствует слиянию плазматической мембраны и внешней акросомной мембраны. Прогестерон - это стероидный гормон, вырабатываемый кумулюсами. В соматических клетках он связывается с рецепторами ядра ; однако у сперматозоидов его рецепторы присутствуют в плазматической мембране. Этот гормон активирует AKT, что приводит к активации других протеинкиназ, участвующих в капситационной и акросомной реакции. Когда ROS (активные формы кислорода) присутствуют в высокой концентрации, они могут влиять на физиологию клеток, но когда они присутствуют в умеренных концентрациях, они важны для реакции акросом и емкости. АФК могут взаимодействовать с цАМФ / ПКА и прогестероновым путем, стимулируя их. АФК также взаимодействует с путем ERK, что приводит к активации Ras, MEK и MEK-подобных белков. Эти белки активируют протеинтирозинкиназу (PTK), которая фосфорилирует различные белки, важные для капситации и акросомной реакции.

Эмбрионы

Различные сигнальные пути, такие как пути FGF, WNT и TGF-β , регулируют процессы, вовлеченные в эмбриогенез .

Лиганды FGF (фактора роста фибробластов) связываются с рецепторами тирозинкиназы , FGFR (рецепторы фактора роста фибробластов) и образуют стабильный комплекс с корецепторами HSPG (гепаран-сульфатные протеогликаны), которые будут способствовать аутофосфорилированию внутриклеточного домена FGFR. четыре основных пути: MAPK / ERK , PI3K , PLCγ и JAK / STAT .

  • MAPK / ERK (митоген-активированная протеинкиназа / киназа, регулируемая внеклеточными сигналами) регулирует транскрипцию генов посредством последовательного фосфорилирования киназ, а в эмбриональных стволовых клетках человека помогает поддерживать плюрипотентность. Однако в присутствии активина А, лиганда TGF-β, он вызывает образование мезодермы и нейроэктодермы .
  • Фосфорилирование мембранных фосфолипидов с помощью PI3K (фосфатидилинозитол-3-киназы) приводит к активации AKT / PKB (протеинкиназы B). Эта киназа участвует в выживании клеток и ингибировании апоптоза , клеточного роста и поддержании плюрипотентности в эмбриональных стволовых клетках .
  • PLC γ (фосфоинозитидфосфолипаза C γ) гидролизует фосфолипиды мембран с образованием IP3 (инозитолтрифосфат) и DAG (диацилглицерин), что приводит к активации киназ и регулированию морфогенных движений во время гаструляции и нейруляции .
  • STAT (сигнальный трансдуктор и активатор транскрипции) фосфорилируется JAK (янус-киназой) и регулирует транскрипцию генов, определяя судьбы клеток. В эмбриональных стволовых клетках мыши этот путь помогает поддерживать плюрипотентность.

Путь WNT позволяет β-катенину участвовать в транскрипции гена, как только взаимодействие между лигандом WNT и рецептором, связанным с G-белком, Frizzled ингибирует GSK-3 (гликоген-синтаза-киназа-3) и, таким образом, образование комплекса разрушения β-катенина. Хотя есть некоторые разногласия относительно эффектов этого пути в эмбриогенезе, считается, что передача сигналов WNT индуцирует образование примитивной полоски , мезодермы и энтодермы . В пути TGF-β (трансформирующий фактор роста β) лиганды BMP (Bone Morphogenic Protein), Activin и Nodal связываются со своими рецепторами и активируют Smads, которые связываются с ДНК и способствуют транскрипции генов. Activin необходим для дифференцировки мезодермы и особенно энтодермы , а Nodal и BMP участвуют в формировании паттерна эмбриона. BMP также отвечает за образование внеэмбриональных тканей до и во время гаструляции, а также за раннюю дифференцировку мезодермы, когда активируются пути активина и FGF.

Строительство дорожки

Построение пути было выполнено отдельными группами, изучающими интересующую сеть (например, путь иммунной передачи сигналов), а также крупными биоинформатическими консорциумами (например, Reactome Project) и коммерческими организациями (например, Ingenuity Systems ). Построение пути - это процесс идентификации и интеграции сущностей, взаимодействий и связанных с ними аннотаций, а также заполнения базы знаний. Построение пути может иметь либо цель, основанную на данных (DDO), либо цель, основанную на знаниях (KDO). Построение пути на основе данных используется для получения информации о взаимосвязи генов или белков, идентифицированных в конкретном эксперименте, таком как исследование на микрочипах. Построение пути, основанного на знаниях, влечет за собой разработку подробной базы знаний о путях для конкретных представляющих интерес областей, таких как тип клетки, заболевание или система. Процесс курирования биологического пути влечет за собой идентификацию и структурирование контента, извлечение информации вручную и / или с помощью вычислений и сборку базы знаний с использованием соответствующих программных инструментов. Схема, показывающая основные этапы процессов строительства на основе данных и знаний.

Для построения пути DDO или KDO первым шагом является сбор соответствующей информации из соответствующих источников информации о сущностях и взаимодействиях. Полученная информация собирается с использованием соответствующих форматов, информационных стандартов и инструментов построения пути для получения прототипа пути. Путь дополнительно уточняется для включения контекстно-зависимых аннотаций, таких как вид, тип клетки / ткани или тип заболевания. Затем путь может быть проверен экспертами в предметной области и обновлен кураторами на основе соответствующих отзывов. Недавние попытки улучшить интеграцию знаний привели к уточненным классификациям клеточных сущностей, таких как GO, и к сборке структурированных репозиториев знаний. Репозитории данных, которые содержат информацию о последовательностях, метаболизме, передаче сигналов, реакциях и взаимодействиях, являются основным источником информации для построения путей. Несколько полезных баз данных описаны в следующей таблице.

База данных Тип курирования Аннотация GO (Да / Нет) Описание
1. Базы данных белок-белковых взаимодействий
СВЯЗЫВАТЬ Ручное курирование N 200000 задокументированных биомолекулярных взаимодействий и комплексов
МЯТА Ручное курирование N Экспериментально подтвержденные взаимодействия
HPRD Ручное курирование N Элегантное и всестороннее представление взаимодействий, сущностей и свидетельств
MPact Ручное и автоматическое курирование N Дрожжевые взаимодействия. Часть MIPS
ОКУНАТЬ Ручное и автоматическое курирование Y Экспериментально определенные взаимодействия
Нетронутый Ручное курирование Y База данных и система анализа бинарных и мультибелковых взаимодействий
PDZBase Ручное курирование N PDZ-домен, содержащий белки
ВНПВ Ручное и автоматическое курирование Y На основе конкретных экспериментов и литературы
BioGrid Ручное курирование Y Физические и генетические взаимодействия
UniHi Ручное и автоматическое курирование Y Всестороннее взаимодействие белков человека
OPHID Ручное курирование Y Сочетает PPI ​​от BIND, HPRD и MINT
2. Базы данных метаболического пути
EcoCyc Ручное и автоматическое курирование Y Полный геном и биохимический аппарат E. Coli
MetaCyc Ручное курирование N Пути более 165 видов
HumanCyc Ручное и автоматическое курирование N Метаболические пути человека и геном человека
BioCyc Ручное и автоматическое курирование N Сборник баз данных для нескольких организмов
3. Базы данных сигнального пути
КЕГГ Ручное курирование Y Полный набор путей, таких как болезни человека, сигнализация, пути обработки генетической информации. Ссылки на несколько полезных баз данных
ПАНТЕРА Ручное курирование N Сборник метаболических и сигнальных путей, созданный с помощью CellDesigner. Пути можно скачать в формате SBML
Reactome Ручное курирование Y Иерархический макет. Обширные ссылки на соответствующие базы данных, такие как NCBI, ENSEMBL, UNIPROT, HAPMAP, KEGG, CHEBI, PubMed, GO. Соответствует стандартам PSI-MI
Биомодели Ручное курирование Y Специалисты предметной области разработали карты биологических связей и связанные с ними математические модели.
STKE Ручное курирование N Хранилище канонических путей
Системы изобретательности Ручное курирование Y Коммерческая база биологических знаний о млекопитающих о генах, лекарствах, химических, клеточных и болезненных процессах, а также о сигнальных и метаболических путях.
Сеть сигнализации людей Ручное курирование Y Созданная в литературе сеть передачи сигналов человека, крупнейшая база данных сетей передачи сигналов человека.
PID Ручное курирование Y Сборник нескольких высокоструктурированных, собранных сигнальных путей
БиоПП Ручное и автоматическое курирование Y Репозиторий биологических путей, построенный с помощью CellDesigner

Условные обозначения: Д - да, Н - нет; BIND - база данных сети биомолекулярного взаимодействия, DIP - база данных взаимодействующих белков, GNPV - программа просмотра сетевой платформы генома, HPRD = база данных эталонных белков человека, MINT - база данных молекулярных взаимодействий, MIPS - Мюнхенский информационный центр последовательностей белков, UNIHI - унифицированный человеческий интерактом, OPHID - Онлайн-база данных прогнозируемого взаимодействия человека, EcoCyc - Энциклопедия генов и метаболизма E. Coli, MetaCyc - База данных метаболического пути, KEGG - Киотская энциклопедия генов и геномов, PANTHER - База данных анализа белков через эволюционные отношения, STKE - Среда знаний о передаче сигналов, PID - База данных взаимодействия путей, BioPP - издательство Biological Pathway. Полный список ресурсов можно найти на http://www.pathguide.org .

Базы данных и инструменты, связанные с путями

КЕГГ

Растущий объем геномной и молекулярной информации является основой для понимания биологических систем более высокого порядка, таких как клетки и организм, и их взаимодействия с окружающей средой, а также для медицинских, промышленных и других практических приложений. KEGG ресурс представляет собой базу опорных знаний для связывания геном в биологические системы, классифицированных в качестве строительных блоков в геномном пространстве (KEGG гены), химическое пространство (KEGG лиганд), электрические схемы сетей взаимодействия и сети реакции (KEGG путь), и онтологии для реконструкции путей (база данных BRITE). База данных KEGG PATHWAY представляет собой набор вручную составленных карт путей метаболизма , обработки генетической информации, обработки информации об окружающей среде, такой как передача сигналов, взаимодействие лиганд- рецептор и клеточная связь, различные другие клеточные процессы и заболевания человека, основанные на обширном обзоре опубликованных литература.

GenMAPP

Аннотатор карты генов и профилировщик путей ( GenMAPP ) - бесплатная автономная компьютерная программа с открытым исходным кодом, предназначенная для организации, анализа и обмена данными о масштабе генома в контексте биологических путей. База данных GenMAPP поддерживает несколько аннотаций генов и видов, а также создание пользовательской базы данных видов для потенциально неограниченного числа видов. Ресурсы путей расширяются за счет использования информации о гомологии для трансляции содержания пути между видами и расширения существующих путей с помощью данных, полученных из консервативных белковых взаимодействий и коэкспрессии. Новый режим визуализации данных, включая динамику , однонуклеотидный полиморфизм (SNP) и сплайсинг , был реализован с базой данных GenMAPP для поддержки анализа сложных данных. GenMAPP также предлагает инновационные способы отображения и обмена данными за счет включения экспорта в HTML анализов для целых наборов путей в виде организованных веб-страниц. Короче говоря, GenMAPP предоставляет средства для быстрого опроса сложных экспериментальных данных об изменениях на уровне метаболических путей у разнообразных организмов.

Reactome

Учитывая генетический состав организма, полный набор возможных реакций составляет его реактом . Reactome , расположенный по адресу http://www.reactome.org, является тщательно отобранным и рецензируемым ресурсом с данными о биологических процессах / путях метаболизма человека. Основная единица базы данных Reactome - это реакция; затем реакции группируются в причинные цепочки для формирования путей. Модель данных Reactome позволяет нам представить множество разнообразных процессов в человеческой системе, включая пути промежуточного метаболизма, регуляторные пути и передачу сигналов, а также процессы высокого уровня, такие как клетка. цикл . Reactome предоставляет качественную основу, на которую можно накладывать количественные данные. Были разработаны инструменты, облегчающие ввод данных и аннотации опытными биологами, а также позволяющие визуализировать и исследовать готовый набор данных в виде интерактивной карты процесса. Хотя первичным курирующим доменом являются пути от Homo sapiens, электронные проекции путей человека на другие организмы регулярно создаются с помощью предполагаемых ортологов, что делает Reactome актуальным для сообществ исследователей модельных организмов. База данных общедоступна на условиях открытого исходного кода, что позволяет свободно использовать и распространять как ее контент, так и ее программную инфраструктуру. Изучение полных профилей транскрипции и каталогизация белок-белковых взаимодействий дало много ценной биологической информации, от генома или протеома до физиологии организма, органа, ткани или даже отдельной клетки. База данных Reactome, содержащая структуру возможных реакций, которая в сочетании с данными экспрессии и кинетики ферментов обеспечивает инфраструктуру для количественных моделей, следовательно, интегрированное представление о биологических процессах, которое связывает такие генные продукты и может быть систематически получено с помощью приложений биоинформатики. . Reactome данные , доступные в различных стандартных форматах, в том числе BioPAX , SBML и PSI-MI, а также дают возможность обмена данными с другими базами данных Pathway, таких как Cycs, KEGG и поражают и баз данных молекулярных взаимодействий, таких как BIND и HPRD . Следующий выпуск данных будет касаться апоптоза, включая пути передачи сигналов рецептора смерти и пути Bcl2, а также пути, участвующие в гемостазе . Другие темы, которые в настоящее время разрабатываются, включают несколько сигнальных путей, митоз , зрительную фототрансдукцию и гематопоэз . Таким образом, Reactome предоставляет высококачественные тщательно отобранные резюме фундаментальных биологических процессов в организме человека в форме удобной для биологов визуализации данных о путях и является проектом с открытым исходным кодом.

Путь-ориентированные подходы

В постгеномную эпоху методы высокопроизводительного секвенирования и профилирования генов / белков трансформировали биологические исследования, сделав возможным всесторонний мониторинг биологической системы, предоставив список дифференциально экспрессируемых генов или белков, который полезен для идентификации генов, которые могут играть роль в данном явлении или фенотипе. С помощью ДНК-микрочипов и геномной генной инженерии можно проверять глобальные профили экспрессии генов, чтобы внести большой объем геномных данных в общественное достояние. С помощью РНК-интерференции можно выделить выводы, содержащиеся в экспериментальной литературе и первичных базах данных, в базы знаний, которые состоят из аннотированных представлений о биологических путях. В этом случае известно, что отдельные гены и белки участвуют в биологических процессах, компонентах или структурах, а также в том, как и где генные продукты взаимодействуют друг с другом. Подходы, ориентированные на пути анализа данных микрочипов, путем группирования длинных списков отдельных генов, белков и / или других биологических молекул в соответствии с путями, в которых они участвуют, в меньшие наборы связанных генов или белков, что снижает сложность, оказались полезными. для связи геномных данных с конкретными биологическими процессами и системами. Идентификация активных путей, которые различаются между двумя состояниями, может иметь больше объяснительной силы, чем простой список разных генов или белков. Кроме того, большое количество методов анализа путей используют знания о путях из общедоступных репозиториев, таких как Gene Ontology (GO) или Киотская энциклопедия генов и геномов ( KEGG ), вместо того, чтобы делать выводы о путях из молекулярных измерений. Более того, различные исследования придали слову «путь» разные значения. Например, «путь» может обозначать метаболический путь, включающий последовательность катализируемых ферментами реакций малых молекул, или сигнальный путь, включающий набор реакций фосфорилирования белка и событий регуляции генов. Следовательно, термин «анализ пути» имеет очень широкое применение. Например, он может относиться к анализу сетей физического взаимодействия (например, белок-белковые взаимодействия), кинетическому моделированию путей и стационарному анализу путей (например, анализ баланса потока), а также его использование для вывода пути из данных экспрессии и последовательности. Несколько инструментов и алгоритмов функционального анализа обогащения были разработаны для улучшения интерпретации данных. Существующие методы анализа путей, основанные на базе знаний, в каждом поколении обобщены в недавней литературе.

Применение анализа путей в медицине

Колоректальный рак (CRC)

Программный пакет MatchMiner использовался для сканирования имен HUGO на предмет клонированных интересующих генов, которые сканируются, затем вводятся в GoMiner, который использует GO для идентификации биологических процессов, функций и компонентов, представленных в профиле гена. Кроме того , база данных для аннотации, визуализации и Integrated Discovery ( DAVID ) и KEGG базы данных может быть использована для анализа данных экспрессии микрочип и анализа каждого биологического процесса GO (P), клеточный компонент (С), и молекулярной функции (F ) онтология. Кроме того, инструменты DAVID могут использоваться для анализа роли генов в метаболических путях и демонстрации биологических отношений между генами или генными продуктами, а также могут представлять метаболические пути. Эти две базы данных также предоставляют онлайн-инструменты биоинформатики для объединения конкретной биохимической информации об определенном организме и облегчения интерпретации биологических значений экспериментальных данных. Используя комбинированный подход технологий микроматрицы и биоинформатики, был продемонстрирован потенциальный метаболический механизм, способствующий развитию колоректального рака (CRC). Несколько факторов окружающей среды могут быть вовлечены в ряд точек генетического пути к CRC. К ним относятся гены, связанные с метаболизмом желчных кислот, метаболизмом гликолиза и метаболизмом жирных кислот , что подтверждает гипотезу о том, что некоторые метаболические изменения, наблюдаемые при карциноме толстой кишки, могут возникать при развитии CRC.

Болезнь Паркинсона (БП)

Клеточные модели играют важную роль в разделении сложного патологического процесса на более простые молекулярные события. Болезнь Паркинсона (БП) многофакторна и клинически неоднородна; Этиология спорадической (и наиболее распространенная) формы до сих пор неясно , и лишь немногие молекулярные механизмы были выяснены до сих пор в нейродегенеративный каскаде. В такой многогранной картине особенно важно определить экспериментальные модели, которые упрощают изучение различных сетей белков и вовлеченных генов. Клеточные модели, воспроизводящие некоторые особенности нейронов, дегенерирующих при БП, внесли большой вклад в наше понимание патогенного течения болезни. В частности, основные биохимические пути (т.е. апоптоз и окислительный стресс , митохондриальные нарушения и дисфункциональная митофагия , развернутый белковый стресс и неправильное удаление неправильно свернутых белков) широко исследовались в клеточных линиях, подвергшихся токсическим воздействиям или генетически модифицированных. Центральная роль α-синуклеина породила множество моделей, направленных на выяснение его вклада в нарушение регуляции различных клеточных процессов. Классические клеточные модели кажутся правильным выбором для предварительных исследований молекулярного действия новых лекарств или потенциальных токсинов и для понимания роли отдельных генетических факторов. Более того, наличие новых клеточных систем, таких как кибриды или индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, дает возможность использовать преимущества исследования in vitro, хотя и более точно отражает затронутую популяцию клеток.

Болезнь Альцгеймера (БА)

Синаптическая дегенерация и гибель нервных клеток являются определяющими признаками болезни Альцгеймера (БА), наиболее распространенного нейродегенеративного расстройства, связанного с возрастом. При БА нейроны гиппокампа и базального отдела переднего мозга (области мозга, которые отвечают за функции обучения и памяти) избирательно уязвимы. Исследования посмертной ткани мозга людей с БА предоставили доказательства повышенного уровня окислительного стресса, митохондриальной дисфункции и нарушения усвоения глюкозы в уязвимых популяциях нейронов. Исследования моделей БА на животных и клеточных культурах показывают, что повышенные уровни окислительного стресса ( в частности, перекисного окисления липидов мембран ) могут нарушать энергетический метаболизм нейронов и ионный гомеостаз , нарушая функцию мембранных ион-двигательных АТФаз , переносчиков глюкозы и глутамата . Такой окислительный и метаболический компромисс может, таким образом, сделать нейроны уязвимыми для эксайтотоксичности и апоптоза . Недавние исследования показывают, что БА может проявлять системные изменения в энергетическом обмене (например, повышенная инсулинорезистентность и нарушение регуляции метаболизма глюкозы). Появляющиеся доказательства того, что ограничение питания может предотвратить развитие БА, согласуется с основным «метаболическим» компонентом этих расстройств и вселяет оптимизм в отношении того, что эти разрушительные старческие нарушения мозга можно в значительной степени предотвратить.

использованная литература

внешние ссылки