Перспективы изучения передачи внутриклеточных сигналов
Почти каждый день обнаруживаются новые сигнальные белки и новые механизмы регуляции передачи сигналов. Сейчас основная задача состоит в том, чтобы выяснить, каким образом эти белки организованы в клетке и как они взаимодействуют между собой, образуя разветвленные сети процессов обработки поступающей информации, которые обладают широкими адаптационными возможностями.
Каким образом клетки используют простые химические реакции для сортировки и интеграции множества одновременно поступающих входных сигналов и как они в дальнейшем адресуют эту информацию разнообразным эффекторам? Каким образом они переводят язык входных сигналов на язык процессов роста и метаболической активности? В принципе, проведение исследований в трех областях биологии должно способствовать нашему пониманию интегральной картины сигнальных систем.
Во-первых, необходима разработка неинвазивных биосенсоров, позволяющих отслеживать протекание внутриклеточных сигнальных процессов в шкале реального времени. Большинство современных сенсоров для оптической регистрации быстрых изменений используют комбинации флуоресцентных остатков с белками, связывающимися с сигнальными компонентами. В промежутки времени, составляющие менее секунды, в клетках можно одновременно регистрировать несколько процессов.
Необходимо создание большего набора сенсоров, отличающихся надежностью и быстротой, а также таких сенсоров, которые могут быть использованы на уровне одной клетки и могут применяться на субклеточном уровне. Генетически кодированные сенсоры будут дополнены синтетическими молекулами.
Существенно возросли наши возможности манипуляции сигнальными сетями, однако они все еще являются недостаточными. Мы можем влиять на передачу сигналов за счет гиперэкспрессии белков, а также при нокауте и нокдауне генов, однако сигнальные процессы обладают удивительной способностью к адаптации, что часто сводит на нет все наши попытки контроля над ними. Также нам необходимо иметь химические регуляторы, которые могли бы функционировать в клетке. Чрезвычайно важным представляется направленное создание таких регуляторных молекул исходя из структурных принципов.
Наконец, наша способность анализировать свойства сигнальных сетей определяется возможностями количественного измерения процессов передачи сигналов. Как бы ни казалось парадоксальным утверждение о том, что не располагая понятной количественной моделью, невозможно понять, как работают по-настоящему сложные системы, оно является справедливым. Для успешного компьютерного моделирования и реконструкции отдельных процессов в сетях сигнальных систем необходимо понимание теоретических основ их динамики и алгоритма выполнения ими своих функций.
Целью этих исследований является понимание того, как клетка «думает».
Система внутриклеточной передачи сигналов включает процессы, которые используются всеми клетками для узнавания и выработки ответной реации на внешние стимулы. В клетке экспрессируются рецепторы, которые узнают отдельные внешние сигналы: питательные компоненты, гормоны, нейромедиаторы, а также другие клетки. После связывания с рецепторами сигнал превращается в конкретные химические реакции или физические процессы, которые изменяют в клетке активность и организацию белковых комплексов.
Изменения в ответ на поступление сигнала меняют поведение клетки. Это поведение начинает определяться характером внутриклеточных процессов и совокупностью информации, полученной от внеклеточного стимула, что приводит к развитию соответствующего ответа.
В ходе эволюции сохранились основные биохимические компоненты и процессы передачи сигналов. Во многих физиологических процессах различным образом используются отдельные семейства белков. Часто, клетки используют одни и те же наборы сигнальных белков для регуляции нескольких процессов, таких как транскрипция, ионный транспорт, подвижность и метаболизм.
Процессы передачи сигналов объединяются в сигнальные сети, что позволяет клетке согласовывать ответ на множественные сигналы с ее онкогенными функциями. В настоящее время можно рассматривать консервативную последовательность отдельных процессов в самих сетях передачи сигнала, и между ними по аналогии с функциональной схемой компьютера. В обоих случаях можно выделить усилители, логические шлюзы, существование обратной связи, упреждающего контроля и памяти.
Рецепторы группируются в относительно небольшую группу семейств,
которые характеризуются общими механизмами действия и общностью структуры.
