Informace

Jak dráhy přenosu signálu využívají transkripční faktory k expresi specifického genu?

Jak dráhy přenosu signálu využívají transkripční faktory k expresi specifického genu?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Mám dotaz ohledně regulace genů prostřednictvím extracelulární signalizace.

Pokud je mi známo, v autokrinní, parakrinní a endokrinní buněčné komunikaci velké proteinové ligandy, které nemohou přímo difundovat přes plazmatickou membránu cílové buňky (buňek), používají povrchové receptory k provedení požadovaného účinku na cílovou buňku (buňky).

Dozvěděl jsem se, že některé z těchto ligandů aktivují dráhy přenosu signálu, jako je dráha MAPK/ERK a JAK/STAT, a řídí expresi specifických genů využitím transkripčních faktorů (samozřejmě u eukaryot). Jednoduchým příkladem by bylo působení epinefrinu (adrenalinu) na hepatocyty (jaterní buňky), kde hormon na bázi aminokyselin používá transkripční faktor CREB k expresi genu kódujícího glykogenfosforylázu k zapojení do glykogenolýzy.

Zde mám dvě otázky:

  1. Jak transkripční faktor chemicky indikuje, který gen se má exprimovat? (Existuje systém indexování genů jako počítačový souborový systém?)

  2. Jak transkripční faktor lokalizuje a váže se na promotor genu, který se snaží exprimovat?

Děkuji.


Jedná se o kombinaci více regulačních systémů. Většina genů není regulována jedním faktorem, ale mnoha. Navíc v eukaryotických organismech existuje také epigenetika, která trvale "inaktivuje" určité oblasti genomu zhutněním těchto zón za vzniku heterochromatinu.

Navíc, i když nás zajímá jediná funkce, kterou TF může mít, neznamená to, že má tuto funkci pouze v buňce. Díváme se na to jako na lidi a možná je pro nás logické, že reakce na vysoký metabolit v prostředí jednoduše vede k expresi proteinu, který ho metabolizuje. Pro buňku je však pravděpodobně zajímavé aktivovat také další dráhy a genové sítě (tj. anabolické dráhy, které se živí tímto metabolitem, kompenzační dráhy k udržení homeostázy…). Protože TF normálně přirozeně ovlivňují více než jeden gen.

Mechanismy působení TF jsou četné, ale mají tendenci jednoduše umožnit nebo odepřít přístup k adekvátní RNA polymeráze. Další informace o tomto najdete v článku na wikipedii o struktuře TF

Na tomto obrázku vidíme typický mechanismus účinku, ohýbání DNA

Různé domény interagují při aktivaci genu, zesilovače které jsou obvykle na velké vzdálenosti, promotéry které mají tendenci být v upstream oblasti, i když mohou být downstream nebo v genové sekvenci, a epigenetické faktory které mění zhutnění DNA a znepřístupňují ji proteinům.

Jako poslední věc, kterou je třeba zdůraznit, byste měli uznat, že biologické systémy nejsou ani zdaleka přesné a ano, jeden TF může aktivovat 200 genů, i když jeho hlavním cílem je v tu chvíli aktivovat jeden, ale ve skutečnosti to nebude záležitost, pokud se těchto 199 aktivovaných genů exprimuje velmi nízkou rychlostí (například tím, že nemají přístupnou správnou podjednotku RNA polymerázy, jsou epigenetickými systémy označeny jako neaktivní nebo mají své vlastní inhibitory).


Účinnost sítě transkripčních faktorů v regulaci biofilmů Candida albicans: je to malý svět

Složité biologické procesy jsou často regulovány prostřednictvím sítí složených z mnoha signálních drah, transkripčních faktorů a efektorových molekul. Identita specifických genů provádějících tyto funkce je obvykle určena genetickou analýzou jediného mutantu. Abychom však pochopili, jak jednotlivé geny/genové produkty fungují, je nutné určit, jak interagují s ostatními složkami větší sítě, jedním přístupem je použití analýzy genetické interakce. Lidský plísňový patogen Candida albicans reguluje tvorbu biofilmu prostřednictvím propojené sady uzlů transkripčních faktorů, a je proto příkladem tohoto typu komplexní sítě. Zde popisujeme experimenty a analýzy navržené tak, abychom porozuměli tomu, jak interagují uzly biofilmového transkripčního faktoru C. albicans, a abychom prozkoumali roli síťové struktury v její celkové funkci. Abychom tak učinili, analyzovali jsme publikovaná data o vazbě a genetické interakci, abychom charakterizovali topologii sítě. Huby jsou nejlépe charakterizovány jako malá světová síť, která funguje s vysokou účinností a nízkou robustností (vysoká křehkost). Vysoce účinné sítě rychle přenášejí poruchy v daných uzlech do zbytku sítě. V souladu s tímto modelem jsme zjistili, že relativně mírné odchylky, jako je snížení dávky genu u centrálních transkripčních faktorů o jednu polovinu, vedou k významným změnám v expresi cílových genů a fitness biofilmu. K tvorbě biofilmu C. albicans dochází za velmi specifických podmínek prostředí a my navrhujeme, aby křehká, malá světová struktura genetické sítě byla součástí mechanismu, který tuto přísnost ukládá.

Klíčová slova: Tvorba biofilmu Candida albicans Epistáza Genetické sítě Transkripční faktory.


Cesta přenosu signálu

Během přenosu signálu může mít signál mnoho složek. Existuje primární posel, což může být chemický signál, elektrický impuls nebo dokonce fyzická stimulace. Poté musí receptorový protein zabudovaný v buněčné membráně přijmout signál. Po přijetí signálu prochází tento protein a konformační změna. To mění svůj tvar a tím i způsob interakce s molekulami kolem něj.

Mnoho různých receptorových proteinů působí různými způsoby. Výše je jednoduchá reprezentace mnoha různých signálních transdukčních drah u savců. Nenechte se ohromit složitostí výkresu. Důležité je si uvědomit, že všechny tyto dráhy přenosu signálu obsahují stejné prvky. Signál je přijímán receptorovým proteinem a protein přenáší signál přes buněčnou membránu do buňky. Druhy receptorů a druhých poslů, které vytvářejí, se mohou velmi lišit. To je založeno na akci, kterou musí signál stimulovat. V další části je několik příkladů, které pomohou osvětlit mnohé rozdíly a podobnosti mezi cestami.


REGULACE GENOVÉ EXPRESE

Jedním z mechanismů, kterými eukaryota regulují genovou expresi, jsou modifikace struktury chromatinu. Když je chromatin kondenzován, DNA není přístupná pro transkripci. Acetylace histonových konců snižuje přitažlivost mezi sousedními nukleozomy, což způsobuje, že chromatin nabývá volnější struktury a umožňuje přístup k DNA pro transkripci. Pokud histonové konce podstoupí deacetylaci, chromatin může znovu kondenzovat, čímž se DNA opět stane nepřístupnou pro transkripci.

Nedávné důkazy naznačují, že methylace histonových konců může podporovat buď kondenzaci nebo dekondenzaci chromatinu, v závislosti na tom, kde jsou methylové skupiny umístěny na histonech. Methylace tedy může buď inaktivovat nebo aktivovat transkripci a demethylace může zvrátit účinek methylace.

Která tvrzení o regulaci iniciace transkripce v těchto genech jsou pravdivá?
Vybrat vše, co platí.


DIMORFISMUS, DŮLEŽITÝ FAKTOR VIRULENCE

V souvislosti s C. albicans. Přesně řečeno, tato houba má schopnost přijmout spektrum morfologií, takže C. albicans lze považovat za “polymorfní” nebo “pleomorfní” organismus (71, 289). Produkce zárodečných trubiček vede k přeměně na vláknitou růstovou fázi neboli hyfu, nazývanou také myceliální forma. K tvorbě pseudohyf dochází polarizovaným buněčným dělením, když se kvasinkové buňky rostoucí pučením prodlužují, aniž by se oddělily od sousedních buněk. Za určitých neoptimálních podmínek růstu, C. albicans mohou podléhat tvorbě chlamydospor, což jsou kulaté, vtahovací spory se silnou buněčnou stěnou. Tyto morfologické přechody často představují reakci houby na měnící se podmínky prostředí a mohou umožnit adaptaci na jinou biologickou niku. Přechod z komenzálního na patogenní životní styl může také zahrnovat změny v podmínkách prostředí a rozptýlení v lidském hostiteli. Ačkoli bylo v posledních letech dosaženo pokroku, molekulární mechanismy řídící tyto morfogenetické přeměny stále nejsou plně pochopeny, částečně kvůli obtížnosti genetických manipulací s C. albicans (164), problém, kterému se stručně věnujeme níže.


Kitano H (2004) Biologická robustnost. Nat Rev Genet 5:826–837

Stelling J, Sauer U, Szallasi Z, Doyle FJ, Doyle J (2004) Robustnost buněčných funkcí. Cell 118:675–685

Loewer A, Lahav G (2011) Všichni jsme jednotlivci: příčiny a důsledky negenetické heterogenity v savčích buňkách. Curr Opin Genet Dev 21:753–758

Batchelor E, Loewer A, Mock C, Lahav G (2011) Stimulově závislá dynamika p53 v jednotlivých buňkách. Mol Syst Biol 7:488

Turner DA, Paszek P, Woodcock DJ, Nelson DE, Horton CA, Wang Y, Spiller DG, Rand DA, White MRH, Harper CV (2010) Fyziologické hladiny stimulace TNFalfa indukují stochastickou dynamiku odpovědí NF-kappaB v jednotlivých živých buňkách. J Cell Sci 123:2834-2843

Cheong R, Rhee A, Wang CJ, Nemenman I, Levchenko A (2011) Kapacita přenosu informací šumových biochemických signálních sítí. Science 334:354–358

Huang CY, Ferrell JE (1996) Ultrasensitivity in the mitogen-activated protein kinase cascade. Proč Natl Acad Sci USA 93:10078–10083

Cohen-Saidon C, Cohen AA, Sigal A, Liron Y, Alon U (2009) Dynamika a variabilita odpovědi ERK2 na EGF v jednotlivých živých buňkách. Mol Cell 36:885-893

Goentoro L, Kirschner MW (2009) Důkaz, že násobná změna, a ne absolutní hladina, beta-kateninu diktuje Wnt signalizaci. Mol Cell 36:872-884

Blüthgen N, Herzel H (2003) Jak robustní jsou přepínače v intracelulárních signalizačních kaskádách? J Theor Biol 225:293-300

Spencer SL, Gaudet S, Albeck JG, Burke JM, Sorger PK (2009) Negenetické původy variability mezi buňkami v apoptóze indukované TRAIL. Příroda 459:428–432

Chen J-Y, Lin J-R, Cimprich KA, Meyer T (2012) Dvourozměrný signální kód ERK-AKT pro rozhodnutí o buněčném osudu spouštěné NGF. Mol Cell 45:196-209

Mariani L, Schulz EG, Lexberg MH, Helmstetter C, Radbruch A, Löhning M, Höfer T (2010) Krátkodobá paměť v genové indukci odhaluje regulační princip stochastické exprese IL-4. Mol Syst Biol 6:359

Paszek P, Ryan S, Ashall L, Sillitoe K, Harper CV, Spiller DG, Rand DA, White MRH (2010) Populační robustnost vyplývající z buněčné heterogenity. Proč Natl Acad Sci USA 107:11644–11649

Jaeger J, Martinez-Arias A (2009) Získání míry poziční informace. PLoS Biol 7:e81

Plouhinec J-L, Zakin L, De Robertis EM (2011) Systémová kontrola toku morfogenu BMP v embryích obratlovců. Curr Opin Genet Dev 21:696–703

Sprinzak D, Lakhanpal A, Lebon L, Santat LA, Fontes ME, Anderson GA, Garcia-Ojalvo J, Elowitz MB (2010) Cis-interakce mezi Notch a Delta generují vzájemně se vylučující signalizační stavy. Příroda 465:86–90

Bruggeman FJ, Blüthgen N, Westerhoff HV (2009) Řízení hluku molekulárními sítěmi. PLoS Comput Biol 5:e1000506

Snijder B, Sacher R, Rämö P, Damm E-M, Liberali P, Pelkmans L (2009) Populační kontext určuje variabilitu mezi buňkami při endocytóze a virové infekci. Příroda 461:520–523

Sigal A, Milo R, Cohen A, Geva-Zatorsky N, Klein Y, Liron Y, Rosenfeld N, Danon T, Perzov N, Alon U (2006) Variabilita a paměť hladin proteinů v lidských buňkách. Příroda 444: 643–646

Raj A, van Oudenaarden A (2008) Příroda, výchova nebo náhoda: stochastická genová exprese a její důsledky. Cell 135:216–226

Ben-Zvi D, Shilo B-Z, Barkai N (2011) Scaling of morphogen gradients. Curr Opin Genet Dev 21:704–710

Niehrs C (2004) Regionálně specifická indukce od organizátora Spemann–Mangold. Nat Rev Genet 5:425–434

Spemann H, Mangold H (1924) Vývojové geny a evoluce. Dev Genes Evol 100:3–4

Legewie S, Blüthgen N, Herzel H (2005) Kvantitativní analýza ultrasenzitivních reakcí. FEBS J 272:4071–4079

Heinrich R, Rapoport TA (1974) Lineární léčba enzymatických řetězců v ustáleném stavu. Obecné vlastnosti, kontrola a síla efektoru. Eur J Biochem/FEBS 42:89–95

Hornberg JJ, Binder B, Bruggeman FJ, Schoeberl B, Heinrich R, Westerhoff HV (2005) Řízení signalizace MAPK: od složitosti k tomu, na čem skutečně záleží. Oncogene 24:5533-5542

Westerhoff HV (2008) Síla ovládání signalizace. J Theor Biol 252:555-567

Csete ME, Doyle JC (2002) Reverzní inženýrství biologické složitosti. Science 295:1664–1669

Höfer T, Heinrich R (1993) Přístup druhého řádu k analýze metabolické kontroly. J Theor Biol 164:85–102

Soltis AR, Saucerman JJ (2011) Robustní portréty různých biologických sítí zachovány navzdory řádové nejistotě parametrů. Bioinformatika 27:2888–2894

Raue A, Kreutz C, Maiwald T, Bachmann J, Schilling M, Klingmüller U, Timmer J (2009) Strukturální a praktická analýza identifikace částečně pozorovaných dynamických modelů využitím pravděpodobnosti profilu. Bioinformatika 25:1923–1929

Steuer R, Waldherr S, Sourjik V, Kollmann M (2011) Robustní zpracování signálu v živých buňkách. PLoS Comput Biol 7:e1002218

Shinar G, Feinberg M (2010) Strukturální zdroje robustnosti v sítích biochemických reakcí. Science 327:1389–1391

Aldridge BB, Haller G, Sorger PK, Lauffenburger DA (2006) Přímá Lyapunovova exponentní analýza umožňuje parametrické studium přechodné signalizace řídící buněčné chování. Syst Biol (Stevenage) 153:425–432

Alon U (2007) Síťové motivy: teorie a experimentální přístupy. Nat Rev Genet 8:450–461

Shoval O, Alon U (2010) SnapShot: síťové motivy. Buňka 143:326 el

Bleris L, Xie Z, Glass D, Adadey A, Sontag E, Benenson Y (2011) Syntetické nekoherentní dopředné obvody vykazují adaptaci na množství jejich genetické šablony. Mol Syst Biol 7:519

Hart Y, Madar D, Yuan J, Bren A, Mayo AE, Rabinowitz JD, Alon U (2011) Robustní kontrola asimilace dusíku bifunkčním enzymem v E-coli. Mol Cell 41:117-127

Kollmann M, Lovdok L, Bartholome K, Timmer J, Sourjik V (2005) Principy návrhu bakteriální signalizační sítě. Příroda 438:504–507

Lovdok L, Bentele K, Vladimirov N, Müller A, Pop FS, Lebiedz D, Kollmann M, Sourjik V (2009) Role of translational coupling in robustness of bacterial chemotaxis pathway. PLoS Biol 7:e1000171

Muzzey D, Gómez-Uribe CA, Mettetal JT, van Oudenaarden A (2009) Systémová analýza dokonalé adaptace v kvasinkové osmoregulaci. Cell 138:160–171

Yi TM, Huang Y, Simon MI, Doyle J (2000) Robustní dokonalá adaptace v bakteriální chemotaxi prostřednictvím integrální zpětné vazby. Proč Natl Acad Sci USA 97:4649–4653

Sturm OE, Orton R, Grindlay J, Birtwistle M, Vyshemirsky V, Gilbert D, Calder M, Pitt A, Kholodenko B, Kolch W (2010) Savčí dráha MAPK/ERK vykazuje vlastnosti zesilovače s negativní zpětnou vazbou. Sci Signál 3(153):ra90

Sauro HM, Kholodenko BN (2004) Kvantitativní analýza signalizačních sítí. Prog Biophys Mol Biol 86:5–43

Kholodenko BN, Kiyatkin A, Bruggeman FJ, Sontag E, Westerhoff HV, Hoek JB (2002) Untangling the wires: a strategy to tracking Funkční interakce v signalizačních a genových sítích. Proč Natl Acad Sci USA 99:12841–12846

Kholodenko BN (2000) Negativní zpětná vazba a ultrasenzitivita mohou způsobit oscilace v mitogenem aktivovaných proteinkinázových kaskádách. Eur J Biochem/FEBS 267:1583-1588

Thieffry D, Huerta AM, Pérez-Rueda E, Collado-Vides J (1998) Od specifické genové regulace ke genomickým sítím: globální analýza transkripční regulace v Escherichia coli. BioEssays 20:433–440

Kiełbasa SM, Vingron M (2008) Transkripční autoregulační smyčky jsou v evoluci obratlovců vysoce konzervované. PLoS one 3:e3210

Rosenfeld N, Elowitz MB, Alon U (2002) Negativní autoregulace zrychluje doby odezvy transkripčních sítí. J Mol Biol 323:785-793

Dublanche Y, Michalodimitrakis K, Kümmerer N, Foglierini M, Serrano L (2006) Šum v transkripčních negativních zpětnovazebních smyčkách: simulace a experimentální analýza. Mol Syst Biol 2:41

Becskei A, Serrano L (2000) Inženýrská stabilita v genových sítích autoregulací. Příroda 405:590–593

Denby CM, Im JH, Yu RC, Pesce CG, Brem RB (2012) Negativní zpětná vazba uděluje mutační robustnost v regulaci kvasinkových transkripčních faktorů. Proč Natl Acad Sci USA 109:3874–3878

Legewie S, Herzel H, Westerhoff HV, Blüthgen N (2008) Opakující se návrhové vzory v regulaci zpětné vazby savčí signalizační sítě. Mol Syst Biol 4:190

Blüthgen N, Legewie S, Kielbasa SM, Schramme A, Tchernitsa O, Keil J, Solf A, Vingron M, Schäfer R, Herzel H, Sers C (2009) Systémový biologický přístup naznačuje, že regulace transkripční zpětnou vazbou duální specifickou fosfatázou 6 formuje extracelulární signální kinázovou aktivitu v RAS-transformovaných fibroblastech. FEBS J 276:1024–1035

Amit I, Citri A, Shay T, Lu Y, Katz M, Zhang F, Tarcic G, Siwak D, Lahad J, Jacob-Hirsch J, Amariglio N, Vaisman N, Segal E, Rechavi G, Alon U, Mills GB, Domany E, Yarden Y (2007) Modul regulátorů negativní zpětné vazby definuje signalizaci růstového faktoru. Nat Genet 39:503–512

Blüthgen N (2010) Transkripční zpětné vazby v savčích signálních transdukčních drahách usnadňují rychlou a spolehlivou indukci proteinů. Mol BioSyst 6:1277

Fritsche-Guenther R, Witzel F, Sieber A, Herr R, Schmidt N, Braun S, Brummer T, Sers C, Blüthgen N (2011) Silná negativní zpětná vazba od Erka k Rafovi dodává signalizaci MAPK robustnost. Mol Syst Biol 7:489

Paulsen M, Legewie S, Eils R, Karaulanov E, Niehrs C (2011) Negativní zpětná vazba ve skupině synexprese kostního morfogenetického proteinu 4 (BMP4) řídí její dynamický signální rozsah a kanalizuje vývoj. Proč Natl Acad Sci USA 108:10202–10207

Lefloch R, Pouysségur J, Lenormand P (2009) Celková aktivita ERK1/2 reguluje buněčnou proliferaci. Buněčný cyklus 8:705–711

Blüthgen N, Legewie S (2008) Systémová analýza přenosu signálu MAPK. Essays Biochem 45:95–107

Santos SDM, Verveer PJ, Bastiaens PIH (2007) Topologie sítě MAPK indukovaná růstovým faktorem formuje odpověď Erk určující osud buňky PC-12. Nat Cell Biol 9:324–330

Legewie S, Sers C, Herzel H (2009) Kinetické mechanismy pro overexpression insensitivity a onkogen spolupráce. FEBS Lett 583:93–96

Avraham R, Yarden Y (2011) Zpětnovazební regulace signalizace EGFR: rozhodování pomocí časných a zpožděných smyček. Nat Rev Mol Cell Biol 12:104-117

Cirit M, Wang C–C, Haugh JM (2010) Systematická kvantifikace mechanismů negativní zpětné vazby v signalizační síti extracelulární signálem regulované kinázy (ERK). J Biol Chem 285:36736-36744

Bachmann J, Raue A, Schilling M, Böhm ME, Kreutz C, Kaschek D, Busch H, Gretz N, Lehmann WD, Timmer J, Klingmüller U (2011) Dělba práce duálními zpětnovazebními regulátory řídí signalizaci JAK2/STAT5 přes široký ligand rozsah. Mol Syst Biol 7:516

Friday BB, Yu C, Dy GK, Smith PD, Wang L, Thibodeau SN, Adjei AA (2008) BRAF V600E narušuje AZD6244-indukované zrušení negativní zpětné vazby mezi extracelulárním signálem regulovanou kinázou a proteiny Raf. Cancer Res 68:6145–6153

Patel SP, Kim KB (2012) Selumetinib (AZD6244 ARRY-142886) v léčbě metastatického melanomu. Expert Opin Investig Drugs 21:531–539

Teleman AA, Cohen SM (2000) Tvorba gradientu Dpp v Drosophila křídlový imaginární disk. Cell 103:971–980

Dosch R, Gawantka V, Delius H, Blumenstock C, Niehrs C (1997) Bmp-4 působí jako morfogen v dorzoventrálním vzorování mezodermu u Xenopus. Vývoj 124:2325–2334

Eldar A, Dorfman R, Weiss D, Ashe H, Shilo B-Z, Barkai N (2002) Robustnost gradientu morfogenu BMP v Drosophila embryonální vzorování. Příroda 419:304–308

Ben-Zvi D, Shilo B-Z, Fainsod A, Barkai N (2008) Škálování gradientu aktivace BMP u embryí Xenopus. Příroda 453:1205–1211

Reversade B, De Robertis EM (2005) Regulace ADMP a BMP2/4/7 na opačných embryonálních pólech generuje samoregulační morfogenetické pole. Cell 123:1147–1160

Nevozhay D, Adams RM, Murphy KF, Josic K, Balázsi G (2009) Negativní autoregulace linearizuje dávku-odpověď a potlačuje heterogenitu genové exprese. Proč Natl Acad Sci USA 106:5123–5128

Colman-Lerner A, Gordon A, Serra E, Chin T, Resnekov O, Endy D, Pesce CG, Brent R (2005) Regulovaná variace mezi buňkami v systému rozhodování o osudu buňky. Nature 437:699–706

Niehrs C, Pollet N (1999) Synexpression groups in eukaryotes. Příroda 402:483–487

Feinerman O, Veiga J, Dorfman JR, Germain RN, Altan-Bonnet G (2008) Variabilita a robustnost v aktivaci T buněk z regulované heterogenity v hladinách proteinů. Science 321:1081–1084

Moriya H, Shimizu-Yoshida Y, Kitano H (2006) In vivo analýza robustnosti genů cyklu buněčného dělení v Saccharomyces cerevisiae. PLoS Genet 2:e111


Závěry

Výpočetní simulace je důležitým přístupem systémové biologie k analýze signálních drah a genových regulačních sítí. V této práci představujeme softwarový nástroj nazvaný Sig2GRN, který je schopen propojit buněčné signální dráhy s downstream regulací genové exprese. Při modelování upstream signálních drah se používá zobecněný logický model, zatímco při modelování downstream genové exprese na základě simulovaných aktivit transkripčních faktorů se používá Boolean Network a termodynamický model. Ukázali jsme dvě případové studie o simulaci buněčných odpovědí na extracelulární poruchy a ověřili jsme simulace pomocí experimentálních dat z mokré laboratoře. Jako zásuvný modul Cytoscape je Sig2GRN navržen tak, aby byl rozšiřitelný, aby bylo možné integrovat více výpočetních modelů genové regulace (např. epigenetické modifikace) pro usnadnění studií v systémové biologii. Ve srovnání se stávajícími metodami pro propojení signálních drah s genovou regulací, jako je například v [24], je Sig2GRN software bez parametrů, který nevyžaduje žádné kinetické parametry drah, a proto je stále použitelný, pokud pouze nedostatečné předchozí znalosti o základních mechanismech je k dispozici. Kromě toho je Sig2GRN schopen předpovídat údaje o časovém průběhu genové exprese vzhledem k poruchám signálních drah, zatímco v [24] jsou data genové exprese vyžadována jako vstup do jejich modelu, který proto není schopen předpovědět nové vzorce genové exprese. .


9.3 Odezva na signál

Uvnitř buňky se ligandy vážou na své vnitřní receptory, což jim umožňuje přímo ovlivňovat buněčnou DNA a mechanismy produkující proteiny. Pomocí signálních transdukčních drah vytvářejí receptory v plazmatické membráně různé účinky na buňku. Výsledky signálních drah jsou extrémně rozmanité a závisí na typu zapojené buňky a také na vnějších a vnitřních podmínkách. Malý vzorek odpovědí je popsán níže.

Genová exprese

Některé signální transdukční dráhy regulují transkripci RNA. Jiné regulují translaci proteinů z mRNA. Příkladem proteinu, který reguluje translaci v jádře, je MAP kináza ERK. ERK se aktivuje ve fosforylační kaskádě, když se epidermální růstový faktor (EGF) váže na receptor EGF (viz obrázek 9.10). Po fosforylaci ERK vstupuje do jádra a aktivuje proteinkinázu, která zase reguluje translaci proteinu (obrázek 9.14).

Druhým druhem proteinu, se kterým může PKC interagovat, je protein, který působí jako inhibitor. Inhibitor je molekula, která se váže na protein a brání mu ve fungování nebo snižuje jeho funkci. V tomto případě je inhibitorem protein zvaný Iκ-B, který se váže na regulační protein NF-κB. (Symbol κ představuje řecké písmeno kappa.) Když je Iκ-B navázán na NF-κB, komplex nemůže vstoupit do jádra buňky, ale když je Iκ-B fosforylován PKC, nemůže již vázat NF-κB a NF-KB (transkripční faktor) může vstoupit do jádra a zahájit transkripci RNA. V tomto případě je účinkem fosforylace inaktivace inhibitoru a tím aktivace procesu transkripce.

Zvýšení buněčného metabolismu

Výsledek další signální dráhy ovlivňuje svalové buňky. Aktivace β-adrenergních receptorů ve svalových buňkách adrenalinem vede ke zvýšení cyklického AMP (cAMP) uvnitř buňky. Adrenalin, známý také jako epinefrin, je hormon (produkovaný nadledvinami připojenými k ledvině), který připravuje tělo na krátkodobé nouzové situace. Cyklický AMP aktivuje PKA (proteinkinázu A), která následně fosforyluje dva enzymy. První enzym podporuje degradaci glykogenu aktivací intermediární glykogenfosforylázové kinázy (GPK), která následně aktivuje glykogenfosforylázu (GP), která katabolizuje glykogen na glukózu. (Připomeňme, že vaše tělo přemění přebytečnou glukózu na glykogen pro krátkodobé skladování. Když je potřeba energie, glykogen se rychle přemění na glukózu.) Fosforylace druhého enzymu, glykogensyntázy (GS), inhibuje jeho schopnost tvořit glykogen z glukózy. Tímto způsobem svalová buňka získá hotovou zásobu glukózy aktivací její tvorby prostřednictvím degradace glykogenu a inhibicí použití glukózy k tvorbě glykogenu, čímž se zabrání zbytečnému cyklu degradace a syntézy glykogenu. Glukóza je pak k dispozici pro použití svalovou buňkou v reakci na náhlý nárůst adrenalinu – reflex „bojuj nebo uteč“.

Buněčný růst

Buněčné signální dráhy také hrají hlavní roli v buněčném dělení. Buňky se normálně nedělí, pokud nejsou stimulovány signály z jiných buněk. Ligandy, které podporují buněčný růst, se nazývají růstové faktory. Většina růstových faktorů se váže na receptory buněčného povrchu, které jsou spojeny s tyrosinkinázami. Tyto receptory na buněčném povrchu se nazývají receptorové tyrosinkinázy (RTK). Aktivace RTK iniciuje signální dráhu, která zahrnuje G-protein zvaný RAS, který aktivuje MAP kinázovou dráhu popsanou dříve. Enzym MAP kináza pak stimuluje expresi proteinů, které interagují s jinými buněčnými složkami a iniciují buněčné dělení.

Kariérní spojení

Biolog rakoviny

Biologové zabývající se rakovinou studují molekulární původ rakoviny s cílem vyvinout nové metody prevence a léčebné strategie, které budou inhibovat růst nádorů, aniž by poškodily normální buňky těla. Jak již bylo zmíněno dříve, signální dráhy řídí buněčný růst. Tyto signální dráhy jsou řízeny signálními proteiny, které jsou zase exprimovány geny. Mutace v těchto genech mohou mít za následek špatné fungování signálních proteinů. To zabraňuje buňce regulovat svůj buněčný cyklus, spouštět neomezené buněčné dělení a rakovinu. Geny, které regulují signální proteiny, jsou jedním typem onkogenu, což je gen, který má potenciál způsobit rakovinu. Gen kódující RAS je onkogen, který byl původně objeven, když byly mutace v proteinu RAS spojeny s rakovinou. Další studie ukázaly, že 30 procent rakovinných buněk má mutaci v genu RAS, která vede k nekontrolovanému růstu. Pokud se nekontroluje, nekontrolované dělení buněk může vést k tvorbě nádorů a metastázám, růstu rakovinných buněk na nových místech v těle.

Rakovinovým biologům se podařilo identifikovat mnoho dalších onkogenů, které přispívají k rozvoji rakoviny. Například HER2 je receptor buněčného povrchu, který je přítomen v nadměrném množství u 20 procent lidských rakovin prsu. Biologové zabývající se rakovinou si uvědomili, že duplikace genu vedla k nadměrné expresi HER2 u 25 procent pacientek s rakovinou prsu a vyvinuli lék nazvaný Herceptin (trastuzumab). Herceptin je monoklonální protilátka, která se zaměřuje na HER2 pro odstranění imunitním systémem. Léčba Herceptinem pomáhá kontrolovat signalizaci prostřednictvím HER2. Použití přípravku Herceptin v kombinaci s chemoterapií pomohlo zvýšit celkovou míru přežití pacientek s metastatickým karcinomem prsu.

Více informací o výzkumu biologie rakoviny lze nalézt na webových stránkách National Cancer Institute (http://www.cancer.gov/cancertopics/understandingcancer/targetedtherapies).

Buněčná smrt

Když je buňka poškozená, nadbytečná nebo potenciálně nebezpečná pro organismus, buňka může spustit mechanismus ke spuštění programované buněčné smrti neboli apoptózy. Apoptóza umožňuje buňce zemřít kontrolovaným způsobem, který zabraňuje uvolňování potenciálně škodlivých molekul z nitra buňky. Existuje mnoho vnitřních kontrolních bodů, které monitorují zdraví buňky, pokud jsou pozorovány abnormality, buňka může spontánně zahájit proces apoptózy. V některých případech, jako je virová infekce nebo nekontrolované dělení buněk v důsledku rakoviny, však normální kontroly a rovnováhy buňky selhávají. Externí signalizace může také iniciovat apoptózu. Například většina normálních živočišných buněk má receptory, které interagují s extracelulární matricí, sítí glykoproteinů, která poskytuje strukturální podporu buňkám v organismu. Vazba buněčných receptorů na extracelulární matrix iniciuje signální kaskádu uvnitř buňky. Pokud se však buňka vzdálí od extracelulární matrix, signalizace ustane a buňka podstoupí apoptózu. Tento systém brání buňkám, aby putovaly tělem a množily se mimo kontrolu, jak se to děje u nádorových buněk, které metastázují.

Další příklad externí signalizace, která vede k apoptóze, se vyskytuje při vývoji T-buněk. T-buňky jsou imunitní buňky, které se vážou na cizí makromolekuly a částice a zaměřují je na zničení imunitním systémem. Normálně se T-buňky nezaměřují na „vlastní“ proteiny (na ty svého vlastního organismu), což je proces, který může vést k autoimunitním onemocněním. Aby se rozvinula schopnost rozlišovat mezi vlastními a nevlastními, podstupují nezralé T-buňky screening, aby se zjistilo, zda se vážou na takzvané vlastní proteiny. Pokud se T-buněčný receptor naváže na vlastní proteiny, buňka zahájí apoptózu, aby odstranila potenciálně nebezpečnou buňku.

Apoptóza je také nezbytná pro normální embryologický vývoj. Například u obratlovců raná stádia vývoje zahrnují tvorbu pletivovité tkáně mezi jednotlivými prsty na rukou a nohou (obrázek 9.15). V průběhu normálního vývoje musí být tyto nepotřebné buňky eliminovány, což umožní vytvoření plně oddělených prstů na rukou a nohou. Mechanismus buněčné signalizace spouští apoptózu, která ničí buňky mezi vyvíjejícími se prsty.

Ukončení signální kaskády

Aberantní signalizace často pozorovaná v nádorových buňkách je důkazem toho, že ukončení signálu ve vhodnou dobu může být stejně důležité jako iniciace signálu. Jednou z metod zastavení specifického signálu je degradace ligandu nebo jeho odstranění, takže již nemůže přistupovat ke svému receptoru. Jedním z důvodů, proč hydrofobní hormony jako estrogen a testosteron spouštějí dlouhotrvající události, je to, že vážou nosné proteiny. Tyto proteiny umožňují, aby byly nerozpustné molekuly rozpustné v krvi, ale také chrání hormony před degradací cirkulujícími enzymy.

Uvnitř buňky mnoho různých enzymů obrací buněčné modifikace, které jsou výsledkem signalizačních kaskád. For example, phosphatases are enzymes that remove the phosphate group attached to proteins by kinases in a process called dephosphorylation. Cyclic AMP (cAMP) is degraded into AMP by phosphodiesterase , and the release of calcium stores is reversed by the Ca 2+ pumps that are located in the external and internal membranes of the cell.


TEACHING DISCUSSION

The in-class exercises have been used in a Developmental Biology class (L. Emtage, Fall 2015). The exercises in Supporting Files S2 and S4 were given in class in the week after two lectures on regulation of gene expression and a lecture on signaling mechanisms. The instructor fielded many more questions on the actual material of the lesson (signaling pathways) after the case study exercise than after more traditional lectures.

OUTCOMES

The effect of these exercises on student understanding were measured in two ways. First, we compared students in a traditionally-taught Cell Biology course (Emtage, Spring 2015) with students in the Developmental Biology course described above (Emtage, Fall 2015). The Cell Biology course covered both gene expression and signaling pathways in a traditional lecture format. In the session following the lecture on signaling mechanisms and signaling pathway components, the students were given a quiz question similar to the question included here (Supporting File S8), but on G protein-coupled receptors. Only one out of 35 was able to correctly answer the question (Figure 1). In Developmental Biology, the students participated in the active learning exercises given in Supporting Files S2 and S4. In the class session after the active-learning exercises S2 and S4, they were given a quiz on the Wnt signaling pathway. Three out of fourteen students received full credit for the first quiz question given in S8 (Figure 1), while a further six students received partial credit (not shown).


Figure 1. Student improvement with case study. The fraction of students receiving full credit on a quiz question requiring analysis of a signaling pathway after a traditional lecture (35 students), and after the active-learning activity described here (14 students).

In the following year's Developmental Biology class (Fall 2016), the students again participated in the in-class exercises S2 and S4, were assigned the homework exercise S6, and were given the quiz in S8. We did not discuss the homework assignment prior to the quiz the 2016 cohort performed similarly to their peers from the previous year on the quiz. However, we did review the homework and quiz during the next lecture. Three weeks later, the students were given an exam including two short-answer questions on the β-catenin signaling pathway. One was a simple question on the mechanics of the pathway. Eleven out of 18 students were able to answer this question correctly (Figure 2, Simple exam question). The second question was analytical it asked the students to predict the probable outcome of a manipulation of the pathway. Six out of 18 students were able to answer the question correctly and give a reasonable explanation for their answer (Figure 2, Analytical exam question).


Figure 2. Student performance with case study and homework. Effect of an analytical, challenging homework exercise on student performance in active learning setting.

The fraction of students able to answer analytical questions does gradually increase with practice (Figures 1 and 2). These results indicate that the combination of active-learning exercises and the creation of opportunities to discuss challenging questions can improve both the students' basic understanding of signaling pathways and their ability to analyze and manipulate the information that they have learned.

MODIFICATIONS

The out-of-class exercise was developed to give the students an opportunity to apply the principles that they used in analyzing the MAP kinase pathway to the Wnt signaling pathway, which is more complicated than the MAP kinase pathway. The exercise includes guiding questions and a diagram of the pathway, but no explanatory text. However, the students are free to find additional materials to help them understand the diagram. Our goal is to challenge students to continue to develop build on their problem-solving skills and to encourage them to interpret information that is presented diagrammatically.

The lesson can be pared down to only the Noonan Case Study, to suit an introductory course covering signaling, or expanded upon in a variety of directions for a more in-depth analysis suitable to upper level courses in cellular, molecular genetics or developmental biology. One possible expansion would be to connect mutations that affect signaling and congenital disorders of development. If an instructor prefers, the out-of-class assignment could be altered or expanded to cover a different signaling pathway, such as G protein-coupled receptors Essential Cell Biology, for example, covers GPCRs but not Wnt signaling( )(18). The small group exercise could be expanded with a discussion of oncogenes and tumor suppressors, and chemotherapeutics that target particular oncogenes (personalized medicine). Finally, the instructor could reverse the order of the case study and interleaving exercise if the unit on regulation of gene expression comes after the unit on signaling.


Závěr

The recent evidence to date has strongly cemented the fact that Wnt signaling plays a critical role in pattern formation during embryogenesis. Many studies over the last two decades have identified numerous signaling components that have helped to build a molecular framework for the many branches of the Wnt signal transduction pathway. However, the diverse function, integration and specificity of the Wnt signaling are still unclear. Furthermore, we lack a clear understanding of many of the biochemical aspects within this signaling framework. Recent studies have demonstrated a strong correlation and at times causative relationships between deregulated Wnt signaling and human diseases. Thus the investigation of Wnt signaling remains an important goal for dually understanding both the basic mechanism of embryonic development and human diseases. Undoubtedly, the future holds many important breakthrough studies in Wnt signaling that will further our understanding of this important pathway and we all await these discoveries with eager enthusiasm.


6. CONCLUSIONS

The regulation of gene expression by E2 is a multi-factorial process, involving both genomic and non-genomic actions that converge at certain response elements located in the promoters of target genes. The final gene responses, however, could depend on a number of conditions such as the combination of transcription factors bound to a specific gene promoter, the cellular localization of ERs, the levels of various co-regulator proteins and signal transduction components, as well as the nature of extra-cellular stimuli. These variables are highly specific for cell types. Thus, E2 could use different signaling pathways depending both on the cellular type and on the physiological status of the cell. In this way E2 evokes distinct gene responses in different types of target cells [15, 16, 97, 162].

The possibility that E2 could act on ER pools localized in different cell compartments (tj., membrane versus cytoso-lic) gives rise to questioning the ability of these different ER pools to send parallel or synergic signals to the nucleus. For example, it has been observed that a naturally occurring variant of the metastatic tumor antigen 1 sequesters ER in the cytoplasm of breast cancer cells. The result of this cyto-solic retention is the reduction of E2-mediated transcription and the enhancement of E2-initiated ERK activation [136]. These data suggest that the same ER molecule is involved in genomic and in rapid signal transduction cascade. More data are needed to confirm this hypothesis and the use of dynamic imaging in the near future will help to clarify this issue.

Based upon findings highlighted in this review, one may envisage a dynamic integrated model of action for ERs inside the cell. In this model, ERs would shuttle from cell membrane to the cytoplasm and to the nucleus, in a dynamic equilibrium between different cell compartments. Each could play a different role in a multi step process of target gene activation by ER and co-activators from their upstream non-genomic to their downstream genomic responses would lead to activation of transcription (Fig. ( ​ (2 2 )).

The cell context specific environment (např., differentiation, ER level, and ER co-expression) has an impact on the integration of rapid signaling by E2 from the membrane and on subsequent nuclear transcription. This leads to different signal cascades, different gene expression in response to the same hormone, and different cell biological outcome.

The field is moving quickly. The challenges in the near future are to continue identifying the discrete actions of each ER intracellular pool, in order to clarify the role of ERβ, and to identify the potential cross-talk between ERs and other nuclear receptors. As we gain a deeper understanding of the complex controls exerted by ER and start identifying the critical players, it is likely that some of these putative molecules might emerge target candidates for therapeutic development in the treatment of hormone-responsive diseases, such as for different types of cancer.


Podívejte se na video: Signal Transduction Pathways (Červenec 2022).


Komentáře:

  1. Tauk

    A to se nestává))))

  2. Voodoosho

    Podle mého názoru je to zřejmé. I recommend to you to look in google.com

  3. Hamdan

    Omluva za to zasahuji ... na mě podobnou situaci. Pozval jsem na diskusi.

  4. JoJosida

    Plně sdílím tvůj názor. Něco na tom je a myslím, že je to dobrý nápad. Souhlasím s tebou.

  5. Seymour

    a další varianta je?

  6. Dorian

    Talent, nic neřekneš..



Napište zprávu