Кіріспе
Клеткалық жауапқа әкелетін химиялық реакциялар сериясы. Биохимиялық каскад, сондай-ақ сигналдық каскад немесе сигналдық жол деп аталатын бұл процесс, биологиялық жасушада стимулмен іске қосылғанда болатын химиялық реакциялар тізбегі. Бұл стимул, бірінші хабаршы ретінде танылса, екінші хабаршылар арқылы жасуша ішіндегі рецепторға әсер етеді, сигналды күшейтеді және оны эффектші молекулаларға жеткізеді, нәтижесінде жасуша бастапқы стимулға жауап береді. Көптеген биохимиялық каскадтар оқиғалар тізбегі болып табылады, онда әрбір оқиға келесісін тікелей іске қосады. Сигналдық каскадтың әр қадамында жасушалық процестерді реттеу үшін түрлі бақылау факторлары қатысады, бұл жасушаның өзгеріп жатқан ішкі және сыртқы орта туралы сигналдарға тиімді жауап беруіне мүмкіндік береді.
A biochemical cascade, also known as a signaling cascade or signaling pathway, is a series of chemical reactions that occur within a biological cell when initiated by a stimulus. This stimulus, known as a first messenger, acts on a receptor that is transduced to the cell interior through second messengers which amplify the signal and transfer it to effector molecules, causing the cell to respond to the initial stimulus. Most biochemical cascades are series of events, in which one event triggers the next, in a linear fashion. At each step of the signaling cascade, various controlling factors are involved to regulate cellular actions, in order to respond effectively to cues about their changing internal and external environments.
Трансдукторлар мен эффекттерді
Сигналды трандукциялау белгілі бір рецепторлардың белсендірілуі және одан кейін Ca2+ немесе cAMP сияқты екінші хабаршылардың өндірілуі/жеткізілуі арқылы іске асырылады. Бұл молекулалар сигналды түрлендірушілер ретінде жұмыс істейді, жасуша ішіндегі тізбектей реакцияларды қозғап, бастапқы сигналды күшейтеді.
Эпителий жасушалары
Адгезия – эпителий клеткалары үшін эпителийдің қалыптасуына және клеткалардың клеткадан тыс матрицамен және басқа клеткалармен тұрақты байланыста болуына қажетті маңызды процесс. Осы қарым-қатынас пен қоршаған ортамен байланысу үшін бірнеше жол бар. Бірақ негізгі сигналдық жолдар – кадерин және интегралин жолдары. Кадерин жолы адгезиялық байланыстарда немесе десмосомаларда кездеседі және эпителийлік адгезия мен көрші клеткалармен байланыс үшін жауапты. Кадерин – көрші клетканың бетінде орналасқан басқа кадеринмен байланысқа түсіп, адгезия кешенін құрайтын трансмембраналық гликопротеин рецепторы. Бұл жабысу кешенін β-катенин мен α-катенин құрайды, ал p120CAS оның тұрақтандырылуы мен реттелуі үшін маңызды. Бұл кешен актинмен байланысып, полимерленуге әкеледі. Кадерин жолы арқылы актин полимерленуі үшін Rho GTPase отбасына жататын белоктар да қатысады. Бұл кешен фосфорилирлеу арқылы реттеледі, бұл адгезияның төмендеуіне әкеледі. Фосфорилирлеуді EGF, HGF немесе v Src сияқты бірнеше факторлар тудырады. Кадерин жолы тіршілік ету мен көбеюде маңызды рөл атқарады, өйткені ол цитоплазмалық β-катенин концентрациясын реттейді. Цитоплазмада β-катенин бос болған кезде, әдетте ол ыдырайды, бірақ егер Wnt сигналдамасы белсендірсе, β-катенин ыдырауы тежеледі және ол транскрипция факторларымен кешен құрайтын ядроға көшіріледі. Бұл клеткалардың көбеюіне және тіршілік етуіне жауапты гендердің белсендірілуіне әкеледі. Сонымен, кадерин-катенин кешені клетка тағдырын реттеу үшін өте маңызды. Интегриндер – гетеродимерлі гликопротеин рецепторлары, олар фибронектин мен ламинин сияқты клеткадан тыс матрицадағы белоктарды таниды. Интегриндер жұмыс істеу үшін ILK және Fak ақуыздарымен кешен құрауы керек. Клеткадан тыс матрицаға адгезия үшін ILK Rac және Cdc42 ақуыздарын белсендіреді, бұл актин полимерленуімен аяқталады. ERK де cPLA2 белсенділігі арқылы актин полимерлендіруіне әкеледі. Интегриннің FAK-ті қабылдауы Akt-ні белсендіреді, ал бұл BAD және Bax сияқты проапоптотикалық факторларды тежейді. Интегриндер арқылы адгезия болмаған жағдайда проапоптотикалық факторлар тежелмейді және нәтижесінде апоптоз пайда болады.
Нейрондар
Пуринергиялық сигналдау нейрондар мен глиялық жасушалар арасындағы өзара әрекеттесуде маңызды рөл атқарады, оларға әрекет потенциалын анықтауға және нейрондық белсенділікті модуляциялауға мүмкіндік береді, бұл ішкі және жасушалық гомеостазды реттеуге көмектеседі. Пуринергиялық нейротрансмиттерден басқа, АТФ жасушалық даму мен өсуде трофикалық фактор ретінде әрекет етеді, микроглияның белсендірілуі мен миграциясына, сондай-ақ олигодендроциттердің аксоналды миелиндалуына қатысады. Пуринергиялық рецепторлардың екі негізгі түрі бар: P1 аденозинге, ал P2 АТФ немесе АДФ-қа байланысты, әртүрлі сигналдық каскадтарды ұсынады. Nrf2/ARE сигналдық жолы тотығу стресіне қарсы күресте маңызды рөл атқарады, оған нейрондар ерекше сезімтал, себебі олардың жоғары оттегі тұтынуы және жоғары липидтік құрамы бар. Бұл нейропротективті жол перисинаптикалық астроциттер және нейрондық глутамат бөлінуі арқылы нейрондық белсенділікті бақылайды, үш жақты синапстардың қалыптасуына себеп болады. Nrf2/ARE белсенділігі глутатион синтезі мен метаболизміне қатысатын ферменттердің жоғары экспрессиясына әкеледі, олар антиоксиданттық жауапта маңызды рөл атқарады. LKB1/NUAK1 сигналдық жолы митохондрияларды жергіліктік тұрақтандыру арқылы қыртыстық нейрондардағы терминалды аксон тармақталуын реттейді. NUAK1-ден басқа, LKB1 киназа басқа эффектші ферменттермен, мысалы SAD A/B және MARK-пен әрекеттеседі, соның салдарынан нейрондық поляризацияны және аксондық өсуді реттейді. Бұл киназа каскадтары сонымен қатар Тау және басқа да MAP-терге қатысады. Осы және басқа нейрондық жолдар туралы кеңірек білім Альцгеймер, Паркинсон және Хантингтон аурулары сияқты бірнеше нейродегенеративті созылмалы ауруларға, сондай-ақ амиотрофиялық бүйірлік склерозға жаңа терапиялық мақсаттарды ұсынуы мүмкін. Лейкоциттердің жабысу каскадының қазіргі моделі 1-кестеде көрсетілген көптеген қадамдарды қамтиды. Интегрин арқылы лейкоциттердің эндотелий жасушаларына жабысуы лейкоциттер мен эндотелий жасушаларының морфологиялық өзгерістерімен байланысты, олар лейкоциттердің венулярлық қабырғалар арқылы миграциясын қолдайды. Rho және Ras шағын GTPаздары химиокинмен стимуляцияланған интегралға тәуелді жабысудың негізіндегі негізгі лейкоциттердің сигналдық жолдарына қатысады және жасуша пішінін, жабысуын және қозғалғыштығын реттеуде маңызды рөл атқарады. Қан тамырларының зақымдануынан кейін тромбоциттер жергіліктік ортада көрінетін коллаген (гликопротеин (GP) VI рецепторы), жергілікті пайда болатын тромбин (PAR1 және PAR4 рецепторлары), тромбоциттерден алынған тромбоксан A2 (TxA2) (TP рецепторы) және ADP (P2Y1 және P2Y12 рецепторлары) арқылы белсендіріледі, бұл зақымдалған жасушалардан босатылады немесе тромбоциттердің тығыз гранулаларынан бөлінеді. Фон Виллебранд факторы (VWF) маңызды қосымша молекула болып табылады. Жалпы алғанда, агонистпен басталатын тромбоциттердің белсенділігі цитозольдік кальций концентрациясының артуына әкелетін сигналдық каскадқа әкеледі. Нәтижесінде, интеграл αIIbβ3 белсендіріледі және фибриногенге байланысу тромбоциттердің бір-біріне бірігуіне мүмкіндік береді. Цитозольдік кальцийдің артуы сонымен қатар пішіннің өзгеруіне және TxA2 синтезіне әкеледі, бұл сигналдың күшеюіне себеп болады.
Лимфоциттер
Лимфоциттердегі биохимиялық каскадтардың басты мақсаты – осы жасушалардың көбеюі, дифференциациялануы және белсендірілуі арқылы өзгерген жасушаларды басуға немесе патогенді агенттерді жоюға қабілетті молекулалардың секрециясы болып табылады. Сондықтан, антигендік рецепторлар лимфоциттердегі сигнал трандукциясында орталық рөл атқарады, себебі антигендер олармен өзара әрекеттескенде сигнал оқиғаларының тізбегі басталады. Бұл рецепторлар антигенді ерітілген күйде (B жасушалары) немесе антигенді ұсынатын жасушалардағы (T жасушалары) молекуламен байланысқан күйде таниды, оларда цитоплазманың ұзын тізбегі болмайды, сондықтан олар фосфорилирленетін мотиві (ITAM – иммунорецепторлық тирозинге негізделген активация мотиві) және әртүрлі сигналдық жолдарды тудыратын ұзын цитоплазмалық тізбегі бар сигналдық ақуыздарға бекітіледі. Антигендік рецептор және сигналдық ақуыз B немесе T жасушаларында сәйкесінше BCR немесе TCR деп аталатын тұрақты кешен құрайды. Src отбасы бұл жасушалардағы сигнал трандукциясы үшін маңызды, себебі ол ITAM-дардың фосфорилирленуіне жауапты. Сондықтан, Lyn және Lck, сәйкесінше B және T лимфоциттерінде, антигенді тану және рецептордың конформациялық өзгерісінен кейін Syk/Zap 70 киназаларының ITAM-ға байланысуына және оның белсендірілуіне әкелетін иммунорецепторлық тирозинге негізделген активация мотивтерін фосфорилирлейді. Syk киназасы B лимфоциттеріне тән, ал Zap 70 T жасушаларында кездеседі. Бұл ферменттер белсендірілгеннен кейін BLNK (B жасушалары) және LAT (T жасушалары) сияқты кейбір адапторлық ақуыздар фосфорилирленеді. Фосфорилирленгеннен кейін бұл ақуыздар белсендіріледі және биохимиялық каскадты жалғастыратын басқа ферменттердің байланысуына мүмкіндік береді. Адапторлық ақуыздарға байланысып, белсендірілетін ақуыздардың бірі – лимфоциттердің сигналдық жолдарында маңызды PLC. PLC DAG және Ca2+ арқылы PKC-ның белсендірілуіне жауапты, бұл CARMA1 молекуласының фосфорилирленуіне және CBM кешенінің пайда болуына әкеледі. Бұл кешен Iκκ киназасын белсендіреді, ол IκB-ді фосфорилирлейді, содан кейін NFκB-нің ядроға транслокациясына және цитокиндерді кодтайтын гендердің транскрипциясына мүмкіндік береді. Цитокиндердің транскрипциясы үшін NFAT және AP1 кешені сияқты басқа транскрипциялық факторлар да маңызды. B жасушаларының плазмалық жасушаларға дифференциациялануы – цитокин рецепторының әсерінен туындайтын лимфоциттердегі сигналдық механизмнің мысалы. Бұл жағдайда кейбір интерлейкиндер белгілі бір рецептормен байланысады, бұл MAPK/ERK жолын белсендіреді. Нәтижесінде BLIMP1 ақуызы трансляцияланады және PAX5-ті тежейді, иммуноглобулин гендерінің транскрипциясын және XBP1-дің белсендірілуін қамтамасыз етеді (бұл секреторлық аппараттың қалыптасуы және белок синтезі үшін маңызды). Сонымен қатар, корецепторлар (CD28/CD19) маңызды рөл атқарады, өйткені олар антиген/рецептор байланысын жақсарта алады және PI3 киназаның белсендірілуі сияқты параллель каскадты оқиғаларды бастай алады. PIP3 бірнеше ақуыздарды, мысалы vav (JNK жолын белсендіреді, нәтижесінде c Jun белсендіріледі) және btk (PLC-ді де белсендіре алады) белсендіре алады.
Сигнал беру жолы жоқ
Wnt сигналдық жолы каноникалық және каноникалық емес болып бөлінеді. Каноникалық сигнализация Wnt-ті Frizzled және LRP5 корецепторларына байланыстыруды қамтиды, бұл GSK3 фосфорилирлеуіне және β-катениннің ыдырауын тежеуге әкеледі, нәтижесінде оның жиналуы және ядроға транслокациясы жүреді, онда ол транскрипция факторы ретінде әрекет етеді. Каноникалық емес Wnt сигнализациясын жазық жасушалық полярлық (PCP) жолына және Wnt/кальций жолына бөлуге болады. Ол Wnt-ті Frizzled-ке байланыстырумен, G белоктарын белсендірумен және PKC 50-ге қатысы бар механизмдер арқылы жасуша ішіндегі кальций деңгейінің артуымен сипатталады. Wnt сигналдық жолы остеобластогенезде және сүйек түзілуде маңызды рөл атқарады, мезенхималық көпұяшы жасушалардың остеобластарға дифференциациялануын ынталандырады және RANKL/RANK жолын және остеокластогенезді тежейді.
RANKL/RANK сигналды беру жолы
RANKL – TNF лигандтар суперотбасының мүшесі. RANK рецепторымен байланысу арқылы NF каппа B, MAPK, NFAT және PI3K52 сияқты әртүрлі молекулаларды қоса алғанда, белсендіреді. RANKL/RANK сигналдық жолы остеокластогенезді, сондай-ақ остеокласттардың өмір сүруін және белсенділігін реттейді.
Аденозинді сигналды жол
Аденозин сүйек метаболизмінде маңызды рөл атқарады, себебі ол остеокластар мен остеобластардың қалыптасуына және белсенділігіне қатысады. Аденозин пуринергиялық рецепторларға байланысу арқылы әрекет етеді, сондай-ақ аденилциклазаның активтілігіне және cAMP мен PKA 54-тің түзілуіне ықпал етеді. Аденозин сүйек метаболизміне қарама-қарсы әсер ете алады, өйткені кейбір пуринергиялық рецепторлар аденилциклаза активтілігін күшейтеді, ал басқалары оны төмендетеді. Нақты жағдайларда аденозин сүйектердің жойылуын күшейтеді, ал басқа жағдайларда белсендірілген пуринергиялық рецепторға байланысты сүйектердің түзілуін қолдайды.
Көздік жасушалар
Өзін-өзі жаңарту және дифференциациялау қабілеттері – бұл дің жасушаларының ерекше қасиеттері. Бұл жасушалар дифференциациялық қабілеттері бойынша жіктеледі, ол даму барысында біртіндеп төмендейді: тотипотентті, плюрипотентті, мультипотентті және унипотентті. Өзін-өзі жаңарту процесі жасуша циклы және генетикалық транскрипцияны бақылау арқылы қатаң реттеледі. Транскрипция факторлары, эпигенетикалық реттеушілер және басқа компоненттер арқылы LIF/JAK/STAT3 (лейкемияны тежеуші фактор/Янус киназасы/Сигналдық трандуктор және транскрипцияның активаторы 3) және BMP/SMADs/Id (сүйек морфогенетикалық белоктары/Декапентаплегияға қарсы аналар/Дифференциация ингибиторы) сияқты бірнеше сигналдық жолдар бар, олар өзін-өзі жаңарту гендерінің экспрессиясы және дифференциация гендерінің экспрессиясын тежеуге жауапты. Жасуша циклы деңгейінде соматикалық дің жасушаларындағы механизмдердің күрделілігі артады. Дегенмен, жасқа байланысты өзін-өзі жаңарту әлеуеті төмендейді. Бұл механизмдер p16Ink4a CDK4/6 Rb және p19Arf p53 P21Cip1 сигналдық жолдарымен реттеледі. Эмбриональды дің жасушаларында конститутивті циклин E CDK2 белсенділігі болады, ол Rb-ні гиперфосфорилирлейді және инактивациялайды. Бұл жасуша циклының қысқа G1 фазасына, G1-ден S фазасына жылдам өтуге және S фазасына кіру үшін митогендік сигналдарға немесе D циклиндеріне азырақ тәуелділікке әкеледі. Ұрықтық дің жасушаларында митогендер циклин D CDK4/6 және циклин E CDK2 бірлескен әрекеті арқылы Rb отбасылық ақуыздарын инактивациялап, салыстырмалы түрде жылдам G1-ден S фазасына өтуді ынталандырады. p16Ink4a және p19Arf экспрессиясы Hmga2-ге тәуелді хроматин реттеуі арқылы тежеледі. Көптеген жас ересек дің жасушалары көбінесе тыныш күйде болады. Митогендік сигналдардың болмауы жағдайында, Ink4 және Cip/Kip отбасылық ақуыздары сияқты жасуша циклының ингибиторларымен циклин CDK-лар мен G1-ден S фазасына өту тоқтатылады. Нәтижесінде, Rb гипофосфорилирленеді және E2F-ті тежейді, жасуша циклының G0 фазасында тыныштыққа ықпал етеді. Митогендік стимуляция осы жасушаларды циклин D экспрессиясын белсендіре отырып, циклге енгізеді. Егде жастағы дің жасушаларында let-7 микроРНК экспрессиясы артады, Hmga2 деңгейі төмендейді және p16Ink4a және p19Arf деңгейі жоғарылайды. Бұл циклин CDK кешендерін тежеу арқылы дің жасушаларының митогендік сигналдарға сезімталдығын азайтады. Нәтижесінде, дің жасушалары жасуша циклына кіре алмайды немесе көптеген тіндерде жасушалардың бөлінуі баяулайды. Сыртқы реттеуді дің жасушалары орналасқан микроортадан келетін сигналдар жүзеге асырады, ол соматикалық дің жасушаларында тыныш күйді және жасуша циклын белсендіруді ынталандыра алады. Асимметриялық бөліну соматикалық дің жасушаларына тән, ол тіндердегі дің жасушаларының резервін сақтайды және олардан арнайы жасушаларды өндіреді. Дің жасушалардың емдік әлеуеті жоғары, әсіресе гематоонкологиялық патологияларда, мысалы, лейкемия және лимфомаларда. Ісіктерде аз мөлшердегі дің жасушалары табылған, оларға ісік дің жасушалары деп аталды. Бұл жасушалар ісік өсуін және метастаздауды ынталандырады деген дәлелдер бар.
Ооциттер
Ооцит – көбеюге қатысатын әйел жасушасы. Ооцит пен оны қоршаған фолликулярлық жасушалар арасында тығыз байланыс бар, бұл екеуінің де дамуы үшін өте маңызды. Ооцит өндіретін GDF9 және BMP15 фолликулярлық жасушалардағы BMPR2 рецепторларына байланысып, SMADs 2/3-ті белсендіреді, соның нәтижесінде фолликулярлық даму қамтамасыз етіледі. Бір мезгілде, KITL-дің өзінің рецепторы KIT-імен байланысуы ооцит өсуін бастайды, бұл PI3K/Akt жолын белсендіріп, ооциттің тірі қалуына және дамуына жағдай жасайды. Эмбриогенез кезінде ооцит мейозды бастап, I профазасында тоқтайды. Бұл тоқтау ооцит ішіндегі cAMP деңгейінің жоғарылауымен сақталады. Жақында, cGMP клеткалық циклді тоқтату үшін cAMP-пен бірлесіп жұмыс істейді деген болжам айтылды. Мейотикалық жетілу кезінде овуляцияға дейін болатын ЛГ шығыры MAPK жолын белсендіреді, бұл ооцит пен фолликулярлық жасушалар арасындағы байланыстың бұзылуына және аралық түйісудің жойылуына алып келеді. PDE3A белсендіріліп, cAMP-ты ыдыратады, бұл жасуша циклының прогрессиясына және ооцит жетілуіне әкеледі. ЛГ-ның күшеюі прогестерон мен простагландиндердің өндірісіне де ықпал етеді, олар ADAMTS1 және басқа протеазалардың, сондай-ақ олардың тежегіштерінің экспрессиясын тудырады. Бұл фолликулярлық қабырғаның ыдырауына алып келеді, бірақ зақымды шектеп, жарылудың дұрыс жерде жүзеге асуын қамтамасыз етеді, нәтижесінде ооцит фаллопий түтікшелеріне босатылады. Ооцит белсенділігі сперматозоидтармен ұрықтандыруға байланысты. Бұл процесс ооцит өндіретін простагландиндердің әсерінен басталады, олар сперматозоидтың бағытын және жылдамдығын анықтайтын градиент құрайды. Ооцитпен біріккеннен кейін, сперматозоидтың PLC ζ-і ооцитке шығарылып, Ca2+ деңгейінің артуына себеп болады, бұл CaMKII-ді белсендіріп, MPF-ты ыдыратады, нәтижесінде мейоз қайта басталады. Ca2+ деңгейінің жоғарылауы қабықшалық гранулалардың экзоцитозын тудырады, олар сперматозоидтардың ооцитке енуі үшін қолданатын ZP рецепторларын ыдыратады, полиспермияның алдын алады. Бұл жолдардың бұзылуы бірнеше ауруларға, мысалы, ооцит жетілуінің жетіспеушілігі синдромына алып келеді, бұл сүйексіздікке әкеледі. Ооцит даму механизмдері туралы молекулалық білімді арттыру көмектесетін репродукция процедураларының нәтижесін жақсарта алады, соның нәтижесінде жүктілікке қол жеткізу жеңілдейді.
Сперматозоидтар
Сперматозоид - еркек жыныс жасушасы. Эякуляциядан кейін бұл жасуша толық жетілмейді, сондықтан жұмыртқа жасушасын ұрықтандыра алмайды. Әйел жыныс жолдарында бұл жасуша қабілеттену және акросомалық реакциядан өтеді, осылайша әйел жыныс жасушасын ұрықтандыру қабілетіне ие болады. Сперматозоидтардағы ең жақсы зерттелген сигналдық жолдар осы процестермен байланысты. cAMP/PKA сигналдық жолы сперматозоидтардың қабілеттенуіне әкеледі; бірақ сперматозоидтардағы аденоилциклаза дене жасушаларындағыдан өзгеше. Сперматозоидтағы аденоилциклаза G белоктарын тани алмайды, сондықтан ол бикарбонат және Ca2+ иондарымен стимулданады. Содан кейін ол аденозин трифосфатын циклдік АМФ-қа айналдырады, ол протеинкиназа А-ны белсендіреді. PKA протеин тирозин фосфорилеуіне әкеледі. Фосфолипаза С (PLC) акросомалық реакцияға қатысады. ZP3 – зона пеллюцидада кездесетін гликопротеин, ол сперматозоидтағы рецепторлармен өзара әрекеттеседі. Осылайша, ZP3 G белоктарымен байланысқан рецепторларды және тирозинкиназа рецепторларын белсендіре алады, бұл PLC өндірісіне әкеледі. PLC фосфолипид фосфатидилинозитол 4,5-бисфосфатын (PIP2) диацилглицеролге (DAG) және инозитол 1,4,5-трифосфатқа (IP3) ыдыратады. IP3 цитозольге ерігіш түрінде шығарылады, ал DAG мембранаға байланысқан күйде қалады. IP3 акросомалық мембранадағы IP3 рецепторларына байланысады. Сонымен қатар, кальций мен DAG бірлесіп протеинкиназа C-ны белсендіреді, ол басқа молекулаларды фосфорилеуге қатысады, нәтижесінде жасушаның белсенділігі өзгереді. Бұл әрекеттер Ca2+ цитозольдық концентрациясының артуына алып келеді, бұл актиннің таралуына және плазмалық мембрана мен сыртқы акросомалық мембрананың бірігуіне ықпал етеді. Прогестерон – кумулюс оофоруста синтезделген стероидтық гормон. Дене жасушаларында ол ядродағы рецепторларға байланысады; бірақ сперматозоидтарда оның рецепторлары плазмалық мембранада орналасқан. Бұл гормон AKT-ны белсендіреді, ол қабілеттену және акросомалық реакцияға қатысатын басқа протеинкиназалардың белсендірілуіне әкеледі. Реактивті оттегі түрлері (ROS) жоғары концентрацияда болғанда жасушалар физиологиясына әсер ете алады, бірақ орташа концентрацияда акросомалық реакция мен қабілеттену үшін маңызды. ROS cAMP/PKA және прогестерон жолдарымен өзара әрекеттесе алады, оларды стимулдайды. ROS ERK жолымен де өзара әрекеттеседі, бұл Ras, MEK және MEK-қа ұқсас белоктардың белсендірілуіне әкеледі. Бұл белоктар қабілеттену және акросомалық реакция үшін маңызды әртүрлі белоктарды фосфорилдейтін протеин тирозинкиназаны (PTK) белсендіреді.
Ұрықтар
Әртүрлі сигнализациялық жолдар, мысалы FGF, WNT және TGF β жолдары, эмбриогенезге қатысы бар процестерді реттейді. FGF (фибробласт өсу факторы) лигандтары рецепторлы тирозинкиназалармен, FGFR (фибробласт өсу факторы рецепторларымен) байланысады және HSPG (гепараносульфат протеогликандары) корецепторларымен тұрақты кешен құрайды, бұл FGFR ішкі доменінің автофосфорилирленуіне және төрт негізгі жолдың белсенділігіне әкеледі: MAPK/ERK, PI3K, PLCγ және JAK/STAT. MAPK/ERK (митогендік белсендірілген протеинкиназа/сыртқы сигналмен реттелетін киназа) ген транскрипциясын тізбектей киназалық фосфорилирлеу арқылы реттейді және адам эмбриональды дің жасушаларында плюрипотенттілікті сақтауға көмектеседі. Дегенмен, Activin A, TGF β лигандтарының қатысуымен, ол мезодерма мен нейроэктодерманың қалыптасуына себеп болады. PI3K (фосфатидил инозитол 3 киназа) мембраналық фосфолипидтерді фосфорилирлеу нәтижесінде AKT/PKB (белсенді киназа) белсендіріледі. Бұл киназа жасушалардың тірі қалуына және апоптозды тежеуге, жасушалардың өсуіне және эмбриональды дің жасушаларында плюрипотенттілікті сақтауға қатысады. PLCγ (фосфоинозидті фосфолипаза C γ) мембраналық фосфолипидтерді гидролиздеп IP3 (инозитолтрифосфат) және DAG (диацилглицерол) құрайды, бұл киназалардың белсендірілуіне және гаструляция мен нейруляция кезінде морфогендік қозғалыстарды реттеуге әкеледі. STAT (сигналды түрлендіргіш және транскрипцияны белсендіргіш) JAK (Janus киназа) арқылы фосфорилирленеді және ген транскрипциясын реттейді, жасуша тағдырын анықтайды. Бұл жол тышқанның эмбриональды дің жасушаларында плюрипотенттілікті сақтауға көмектеседі. Бұл жолдың эмбриогенезге тигізетін әсері туралы пікірталастар болғанымен, WNT сигнализациясы бастапқы жолақтың, мезодерманың және эндодерманың қалыптасуын тудырады деп саналады. Activin мезодермалық және әсіресе эндодермалық дифференциацияға қажет, ал Nodal және BMP эмбрион қалыптасуына қатысады. BMP гаструляцияға дейін және оның кезінде қосымша эмбрионалды тіндердің қалыптасуына, сондай-ақ Activin және FGF жолдары белсендірілген кезде мезодерманың ерте дифференциациялануына жауапты.
Жол салу
Жол құруды қызығушылық тудыратын желіні зерттейтін жекелеген топтар (мысалы, иммундық сигналдық жол), сондай-ақ ірі биоинформатикалық консорциумдар (мысалы, Reactome жобасы) және коммерциялық ұйымдар (мысалы, Ingenuity Systems) жүзеге асырды. Жол құру – бұл объектілерді, өзара әрекеттесулерді және қатысты түсіндірмелерді анықтау және біріктіру, сондай-ақ білім базасын толтыру процесі. Жол құрылысында деректерге бағытталған мақсат (DDO) немесе білімге бағытталған мақсат (KDO) болуы мүмкін. Деректерге бағытталған жол құрылысы микромассивтерді зерттеу сияқты нақты экспериментте анықталған гендер мен ақуыздардың қарым-қатынасы туралы ақпаратты жасау үшін қолданылады. Білімге бағытталған жол құрылысы жасуша типі, ауру немесе жүйе сияқты қызығушылық тудыратын нақты салалар үшін егжей-тегжейлі жол білімі базасын әзірлеуді қамтиды. Биологиялық жолды өңдеу процесі мазмұнды анықтау және құрылымдауды, ақпаратты қолмен және/немесе есептеу арқылы іздеуді және тиісті бағдарламалық құралдарды пайдалану арқылы білім базасын құрастыруды қамтиды. Деректерге және білімге бағытталған құрылыс процестеріндегі негізгі қадамдарды көрсететін схема. Білімді интеграциялауды жақсартуға жасалған соңғы әрекеттер жасушалық объектілердің GO сияқты жақсартылған жіктелуіне және құрылымдалған білімді сақтау орындарын құрастыруға әкелді. Тізбектер туралы мәліметтерді, метаболизмді, сигнал беруді, реакцияларды және өзара әрекеттесулерді қамтитын деректер қоймалары жол құру үшін маңызды ақпарат көзі болып табылады. Келесі кестеде бірнеше пайдалы деректер базалары сипатталған. Геномдарды биологиялық жүйелермен байланыстыратын анықтамалық білім базасын ұсынады, олар геномдық кеңістіктегі (KEGG GENES), химиялық кеңістіктегі (KEGG LIGAND) құрылыс блоктары, өзара әрекеттесу және реакция желілерінің схемалары (KEGG PATHWAY) және жолдарды қайта құру үшін онтологиялар (BRITE деректер базасы) ретінде жіктеледі. KEGG PATHWAY деректер базасы – бұл метаболизм, генетикалық ақпаратты өңдеу, сигнал трансляциясы, лиганд-рецептор өзара әрекеттесуі және жасушалық байланыс сияқты қоршаған орта туралы ақпаратты өңдеу, сондай-ақ әртүрлі жасушалық процестер мен адам аурулары үшін қолмен салынған жол карталарының жиынтығы, барлығы жарияланған әдебиеттің кең ауқымын зерттеуге негізделген.
GenMAPP
Gene Map Annotator and Pathway Profiler (GenMAPP) – биологиялық жолдар контекстінде геномдық масштабтағы деректерді ұйымдастыру, талдау және бөлісуге арналған тегін, ашық кодты, дербес компьютерлік бағдарлама. GenMAPP дерекқоры бірнеше гендік түсіндірмелерді және түрлерді, сондай-ақ әлеуетті шексіз түрлер саны үшін жеке түрлер дерекқорын құруды қолдайды. Түрлер арасындағы жол мазмұнын аудару үшін гомологиялық ақпаратты пайдалану және сақталған белок өзара әрекеттесулері мен коэкспрессиядан алынған деректермен қолданыстағы жолдарды кеңейту арқылы жол ресурстары дамытылады. GenMAPP дерекқорымен бірге күрделі деректерді талдауды қолдау үшін уақытқа қатысты өзгерістер, жалғыз нуклеотидтік полиморфизм (SNP) және сплайсинг сияқты жаңа деректерді визуализациялау әдістері енгізілді. GenMAPP сонымен қатар талдауларды ұйымдастырылған веб-беттер түрінде HTML форматында экспорттау арқылы деректерді көрсету және бөлісудің жаңа тәсілдерін ұсынады. Қысқасы, GenMAPP – түрлі организмдерде жол деңгейіндегі өзгерістерді күрделі эксперименттік деректерде жылдам анықтауға мүмкіндік беретін құрал.
Реактом
Организмнің генетикалық құрамын ескере отырып, мүмкін болатын реакциялардың толық жиынтығы оның реактомын құрайды. Reactome, http://www.reactome.org – адам биологиялық процестері мен жолдары туралы мәліметтердің жиынтығы. Reactome дерекқорының негізгі бірлігі – реакция; реакциялар себептік тізбектерге біріктіріліп, одан кейін жолдар құрылады. Reactome дерек моделі адам ағзасындағы көптеген әртүрлі процестерді бейнелеуге мүмкіндік береді, оның ішінде аралық метаболизм, реттеуші жолдар, сигналдарды беру жолдары және жасуша циклі сияқты жоғары деңгейдегі процестер. Reactome сандық деректерді қоса беруге болатын сапалық база ұсынады. Сарапшы биологтардың жеке деректерді енгізуі мен түсіндіруін жеңілдету үшін, сондай-ақ аяқталған деректерді интерактивті процесс картасы ретінде визуализациялау және зерттеуге мүмкіндік беру үшін құралдар жасалған. Негізгі жинақтау саласы *Homo sapiens* организмдерінен жолдар болғанымен, адам жолдарының электрондық проекциялары басқа организмдерге ықтимал ортологтар арқылы тұрақты түрде жасалады, осылайша Reactome модельді организмдерді зерттеу қауымдастығы үшін де маңызды. Дерекқоры ашық лицензия бойынша тегін қолжетімді, бұл оның мазмұнын және бағдарламалық қамтамасын еркін пайдалануға және таратуға мүмкіндік береді. Толық транскрипциялық профильдерді зерттеу және белок-белок өзара әрекеттесуін каталогтау геномнан немесе протеомнан бастап организмнің, мүшесінің, тінінің немесе тіпті бір жасушаның физиологиясына дейін көптеген құнды биологиялық ақпаратты берді. Мүмкін болатын реакциялардың жиынтығын қамтитын Reactome дерекқоры, экспрессия және фермент кинетикалық деректермен біріктірілгенде сандық модельдер үшін инфрақұрылымды қамтамасыз етеді, демек биологиялық процестердің интеграцияланған көрінісін ұсынады, бұл ген өнімдерін байланыстырады және биоинформатикалық қолданбаларды пайдалану арқылы жүйелі түрде зерттеуге мүмкіндік береді. Reactome деректері BioPAX, SBML және PSI MI сияқты әртүрлі стандартты форматтарда қолжетімді, сондай-ақ Cycs, KEGG және amaze сияқты басқа жолдар дерекқорымен және BIND және HPRD сияқты молекулалық өзара әрекеттесу дерекқорымен деректер алмасуға мүмкіндік береді. Келесі деректерді жаңарту апоптозды, оның ішінде өлім рецепторларының сигналдық жолдарын, Bcl2 жолдарын, сондай-ақ гемостазға қатысты жолдарды қамтиды. Қазіргі уақытта дамытылып жатқан басқа тақырыптарға бірнеше сигналдық жолдар, митоз, көру фототрансдукциясы және гематопоэз жатады. Қорытындылай айтқанда, Reactome адамдағы негізгі биологиялық процестердің жоғары сапалы жинақталған жиынтығын, биологтарға қолайлы жолдар деректерін визуализациялау түрінде ұсынады және ашық бастапқы кодты жоба болып табылады.
Жолға бағдарланған тәсілдер
Постгеномдық дәуірде жоғары өтімділік секвенирлеу және ген/белок профильдеу техникалары биологиялық жүйені жан-жақты мониторингтеуге мүмкіндік беріп, биологиялық зерттеулерді өзгертіп, айырмашылықпен экспрессияланатын гендер немесе белоктардың тізімін жасады, бұл белгілі бір құбылыста немесе фенотипте рөл атқаратын гендерді анықтау үшін пайдалы. ДНҚ микромассивтері және геномдық гендік инженерияның көмегімен геномдық экспрессияның жаһандық профильдерін скринингтеуге және көптеген геномдық деректерді қоғамдық қолжетімділікке енгізуге болады. РНҚ интерференциясының арқасында эксперименталды әдебиеттер мен бастапқы деректер базаларындағы қорытындыларды биологиялық жолдардың түсіндірмелі бейнелеулерінен тұратын білім базаларына жинақтауға болады. Бұл жағдайда жеке гендер мен белоктар биологиялық процестерге, компоненттерге немесе құрылымдарға қатысқандығы, сондай-ақ ген өнімдерінің бір-бірімен қалай және қайда өзара әрекеттесетіндігі белгілі. Микромассив деректерін талдау үшін жолға бағытталған тәсілдер, жеке гендердің, белоктардың және/немесе басқа биологиялық молекулалардың ұзақ тізімдерін олар қатысатын жолдарға сәйкес, күрделілігін азайтатын, байланысты гендердің немесе белоктардың кішігірім жиынтықтарына топтастыру арқылы геномдық деректерді нақты биологиялық процестер мен жүйелерге байланыстыру үшін тиімді болып табылды. Екі жағдайдың арасындағы айырмашылықты көрсететін белсенді жолдарды анықтау, әртүрлі гендер мен белоктардың қарапайым тізіміне қарағанда көбірек түсіндіру күшіне ие болуы мүмкін. Сонымен қатар, көптеген жол талдау әдістері молекулалық өлшемдерден жолдарды шығарудың орнына, Gene Ontology (GO) немесе Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) сияқты қоғамдық репозиторийлердегі жол туралы білімді пайдаланады. Бұдан бөлек, әртүрлі зерттеу бағыттары "жол" сөзіне әртүрлі мағыналар берді. Мысалы, "жол" кіші молекулалардың ферменттік катализделген реакцияларының тізбесін қамтитын метаболикалық жолды немесе белоктың фосфорилирлеу реакциялары мен гендік реттелу оқиғаларының жиынтығын қамтитын сигналдық жолды білдіре алады. Сондықтан "жол талдау" термині өте кең қолданысқа ие. Мысалы, ол физикалық өзара әрекеттесу желілерін талдауды (мысалы, белок-белок өзара әрекеттесуі), жолдардың кинетикалық симуляциясын және тұрақты күйдегі жол талдауын (мысалы, ағын тепе-теңдігі талдауын), сондай-ақ экспрессия және реттілік деректерінен жолдарды шығаруда оны пайдалануды қамти алады. Деректерді түсіндіруді жақсарту үшін бірнеше функционалдық байыту талдау құралдары мен алгоритмдер әзірленді. Әр буын үшін қолданылатын білім базасына негізделген жол талдау әдістері соңғы әдебиеттерде жинақталды.
Ішімдік қатерлі ісігі (ІІК)
MatchMiner бағдарламалық жиынтығы HUGO атауларын қызығушылық тудыратын клондық гендерді іздеу үшін қолданылды, содан кейін нәтижелер GoMiner-ге енгізілді. GoMiner GO дерекқорын пайдаланып, ген профиліндегі биологиялық процестерді, функцияларды және компоненттерді анықтады. Сонымен қатар, Аннотация, Визуализация және Біріктірілген Ашу (DAVID) және KEGG дерекқоры микроаррайлік экспрессия деректерін талдауға, сондай-ақ әрбір GO биологиялық процесін (P), жасушалық компонентін (C) және молекулалық функцияны (F) талдауға қолданылуы мүмкін. DAVID құралдары метаболизм жолдарындағы гендердің рөлін талдауға, гендер немесе ген өнімдері арасындағы биологиялық байланыстарды көрсетуге және метаболизм жолдарының суреттемесін жасауға мүмкіндік береді. Бұл екі дерекқор да белгілі бір организм туралы нақты биохимиялық ақпаратты біріктіруге және тәжірибелік деректердің биологиялық мағынасын түсіндіруді жеңілдету үшін онлайн биоинформатикалық құралдарды ұсынады. Микроаррай биоинформатикалық технологияларын бірлесіп қолдану арқылы колоректальды қатерлі ісікке (КРК) әкелуі мүмкін метаболизм механизмі анықталды. Бұл механизмге өт қышқылы метаболизмімен, гликолиз метаболизмімен және май қышқылы метаболизмімен байланысты гендер қатысты, бұл ішек карциномында байқалатын метаболизм өзгерістері КРК дамуында пайда болуы мүмкін деген гипотезаны қолдайды.
Альцгеймер ауруы (АД)
Синапс дегенерациясы және жүйке жасушаларының өлімі – Альцгеймер ауруының (АА) анықтамалық белгілері, бұл жасқа байланысты ең көп таралған нейродегенеративтік аурулардың бірі. АА кезінде гиппокамп пен базальды алдыңғы мидағы нейрондар (оқу және есте сақтау функцияларын қамтамасыз ететін ми аймақтары) ерекше түрде осал болады. АА-мен ауыратын адамдардың өлімнен кейінгі ми тіндерін зерттеулер, осал нейрондық популяцияларда окислик стрестің жоғары деңгейін, митохондриялық дисфункцияны және глюкоза сіңірудің бұзылуын көрсетті. АА-ның жануарлар мен жасуша мәдениеті үлгілеріндегі зерттеулер, окислик стрестің (әсіресе мембраналық липидтердің пероксидациясы) жоғары деңгейі мембраналық иондық потенциалды АТФ-азалардың, глюкоза және глутамат тасымалдаушыларының жұмысын бұзу арқылы нейрондық энергия метаболизмі мен иондық гомеостазды бұзатынын ұсынады. Мұндай окислик және метаболизмдік бұзылулар нейрондарды экзитотоксикалық әсерге және апоптозға сезімтал етуі мүмкін. Жақындағы зерттеулер АА энергия метаболизміне жүйелік өзгерістерді (мысалы, инсулинге қарсылықтың күшеюі және глюкоза метаболизмінің бұзылуы) тудыратынын көрсетеді. Диеталық шектеулердің АА дамуын тежеуі мүмкін деген жаңа дәлелдер осы аурулардың маңызды "метаболизмдік" компонентімен сәйкес келеді және қартаюмен байланысты осы ауыр ми ауруларын көбінесе алдын алуға болады деген үміт береді.