Биохимические каскады и клеточная сигнализация.

Введение

Серия химических реакций, приводящих к клеточному ответу.

Биохимический каскад, также известный как сигнальный каскад или сигнальный путь, — это последовательность химических реакций, происходящих внутри биологической клетки при воздействии стимула. Этот стимул, известный как первый посредник, воздействует на рецептор, который передает сигнал во внутреннюю часть клетки посредством вторых посредников, усиливающих сигнал и передающих его эффекторным молекулам, что вызывает ответ клетки на первоначальный стимул. Большинство биохимических каскадов представляют собой последовательность событий, в которой одно событие запускает следующее, в линейном порядке. На каждом этапе сигнального каскада различные факторы контроля участвуют в регуляции клеточных действий, чтобы эффективно реагировать на сигналы об изменяющейся внутренней и внешней среде.

Трансдукторы и эффекторы

Трансдукция сигнала осуществляется посредством активации специфических рецепторов и последующего производства/доставки вторичных посредников, таких как Ca2+ или cAMP. Эти молекулы функционируют как передатчики сигнала, запуская внутриклеточные каскады и, в свою очередь, усиливая исходный сигнал.

Эпителиальные клетки

Адгезия — важнейший процесс для эпителиальных клеток, обеспечивающий формирование эпителия и постоянный контакт клеток с внеклеточным матриксом и другими клетками. Существует несколько путей реализации этого взаимодействия и прикрепления к окружающей среде, однако основными сигнальными путями являются кадериновый и интеграновый. Кадериновый путь представлен в адгезионных соединениях или десмосомах и отвечает за эпителиальную адгезию и взаимодействие с соседними клетками. Кадерин — трансмембранный гликопротеиновый рецептор, который устанавливает контакт с другим кадерином на поверхности соседней клетки, формируя адгезионный комплекс. Этот комплекс состоит из β-катенина и α-катенина, а p120CAS необходим для его стабилизации и регуляции. Затем этот комплекс связывается с актином, что приводит к полимеризации. В актин-полимеризацию через кадериновый путь также вовлечены белки семейства Rho GTPases. Регуляция этого комплекса осуществляется посредством фосфорилирования, которое приводит к снижению адгезии. Фосфорилирование могут индуцировать различные факторы, такие как EGF, HGF или v Src. Кадериновый путь также играет важную роль в выживании и пролиферации, поскольку он регулирует концентрацию цитоплазматического β-катенина. Когда β-катенин свободен в цитоплазме, он обычно подвергается деградации, однако при активации Wnt-сигналинга деградация β-катенина ингибируется, и он транслоцируется в ядро, где образует комплекс с факторами транскрипции. Это приводит к активации генов, ответственных за пролиферацию и выживание клеток. Таким образом, комплекс кадерин-катенин играет важную роль в регуляции клеточной судьбы. Интегрины — гетеродимерные гликопротеиновые рецепторы, распознающие белки внеклеточного матрикса, такие как фибронектин и ламинин. Для функционирования интегринам необходимо формировать комплексы с белками ILK и Fak. Для адгезии к внеклеточному матриксу ILK активирует белки Rac и Cdc42, что приводит к полимеризации актина. ERK также индуцирует актин-полимеризацию через активацию cPLA2. Регрутирование FAK интегрином приводит к активации Akt, что ингибирует проапоптотические факторы, такие как BAD и Bax. При отсутствии адгезии через интегрины проапоптотические факторы не ингибируются, что приводит к апоптозу.

Adhesion is an essential process to epithelial cells so that epithelium can be formed and cells can be in permanent contact with extracellular matrix and other cells. Several pathways exist to accomplish this communication and adhesion with environment. But the main signalling pathways are the cadherin and integrin pathways. The cadherin pathway is present in adhesion junctions or in desmosomes and it is responsible for epithelial adhesion and communication with adjacent cells. Cadherin is a transmembrane glycoprotein receptor that establishes contact with another cadherin present in the surface of a neighbour cell forming an adhesion complex. This adhesion complex is formed by β catenin and α catenin, and p120CAS is essential for its stabilization and regulation. This complex then binds to actin, leading to polymerization. For actin polymerization through the cadherin pathway, proteins of the Rho GTPases family are also involved. This complex is regulated by phosphorylation, which leads to downregulation of adhesion. Several factors can induce the phosphorylation, like EGF, HGF or v Src. The cadherin pathway also has an important function in survival and proliferation because it regulates the concentration of cytoplasmic β catenin. When β catenin is free in the cytoplasm, normally it is degraded, however if the Wnt signalling is activated, β catenin degradation is inhibited and it is translocated to the nucleus where it forms a complex with transcription factors. This leads to activation of genes responsible for cell proliferation and survival. So the cadherin catenin complex is essential for cell fate regulation. Integrins are heterodimeric glycoprotein receptors that recognize proteins present in the extracellular matrix, like fibronectin and laminin. In order to function, integrins have to form complexes with ILK and Fak proteins. For adhesion to the extracellular matrix, ILK activate the Rac and Cdc42 proteins and leading to actin polymerization. ERK also leads to actin polymerization through activation of cPLA2. Recruitment of FAK by integrin leads to Akt activation and this inhibits pro apoptotic factors like BAD and Bax. When adhesion through integrins do not occur the pro apoptotic factors are not inhibited and resulting in apoptosis.

Нейроны

Пуринергическая сигнализация играет существенную роль во взаимодействиях между нейронами и клетками глии, позволяя им обнаруживать потенциалы действия и модулировать нейронную активность, способствуя регуляции внутри- и внеклеточного гомеостаза. Помимо пуринергического нейротрансмиттера, АТФ выступает в роли трофического фактора при развитии и росте клеток, участвуя в активации и миграции микроглии, а также в аксональной миелинизации олигодендроцитами. Существуют два основных типа пуринергических рецепторов: P1, связывающийся с аденозином, и P2, связывающийся с АТФ или АДФ, которые активируют различные сигнальные каскады. Сигнальный путь Nrf2/ARE играет фундаментальную роль в защите от окислительного стресса, к которому нейроны особенно уязвимы из-за высокого потребления кислорода и высокого содержания липидов. Этот нейропротекторный путь включает контроль нейронной активности перисинаптическими астроцитами и высвобождение глутамата нейронами, что приводит к формированию трипартных синапсов. Активация Nrf2/ARE приводит к увеличению экспрессии ферментов, участвующих в синтезе и метаболизме глутатиона, играющих ключевую роль в антиоксидантной защите. Сигнальный путь LKB1/NUAK1 регулирует ветвление терминальных аксонов в корковых нейронах посредством захвата локально иммобилизованных митохондрий. Помимо NUAK1, киназа LKB1 действует на другие эффекторные ферменты, такие как SAD A/B и MARK, регулируя, соответственно, поляризацию нейронов и рост аксонов. Эти каскады киназ также затрагивают Tau и другие MAP. Более глубокое понимание этих и других нейронных путей может предоставить новые потенциальные терапевтические мишени для ряда нейродегенеративных хронических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, болезнь Хантингтона и боковой амиотрофический склероз. Современная модель каскада адгезии лейкоцитов включает множество этапов, перечисленных в таблице 1. Интегрино-опосредованная адгезия лейкоцитов к эндотелиальным клеткам связана с морфологическими изменениями как в лейкоцитах, так и в эндотелиальных клетках, которые совместно поддерживают миграцию лейкоцитов через стенки венул. Малые GTPазы Rho и Ras участвуют в основных сигнальных путях лейкоцитов, лежащих в основе адгезии, стимулируемой хемокинами, и играют важную роль в регулировании формы клеток, их адгезии и подвижности. После повреждения сосуда тромбоциты активируются локально обнажившимся коллагеном (гликопротеиновый (GP) рецептор VI), локально образовавшимся тромбином (рецепторы PAR1 и PAR4), тромбоксаном A2, продуцируемым тромбоцитами (TP-рецептор), и АДФ (рецепторы P2Y1 и P2Y12), который высвобождается из поврежденных клеток или секретируется из плотных гранул тромбоцитов. Фактор фон Виллебранда (ФВВ) служит важной вспомогательной молекулой. В общем, активация тромбоцитов, инициированная агонистом, запускает сигнальный каскад, приводящий к увеличению концентрации цитозольного кальция. В результате активируется интеграл αIIbβ3, и связывание с фибриногеном обеспечивает агрегацию тромбоцитов. Увеличение цитозольного кальция также приводит к изменению формы клеток и синтезу TxA2, что усиливает сигнал.

Purinergic signalling has an essential role at interactions between neurons and glia cells, allowing these to detect action potentials and modulate neuronal activity, contributing for intra and extracellular homeostasis regulation. Besides purinergic neurotransmitter, ATP acts as a trophic factor at cellular development and growth, being involved on microglia activation and migration, and also on axonal myelination by oligodendrocytes. There are two main types of purinergic receptors, P1 binding to adenosine, and P2 binding to ATP or ADP, presenting different signalling cascades. The Nrf2/ARE signalling pathway has a fundamental role at fighting against oxidative stress, to which neurons are especially vulnerable due to its high oxygen consumption and high lipid content. This neuroprotective pathway involves control of neuronal activity by perisynaptic astrocytes and neuronal glutamate release, with the establishment of tripartite synapses. The Nrf2/ARE activation leads to a higher expression of enzymes involved in glutathione syntheses and metabolism, that have a key role in antioxidant response. The LKB1/NUAK1 signalling pathway regulates terminal axon branching at cortical neurons, via local immobilized mitochondria capture. Besides NUAK1, LKB1 kinase acts under other effectors enzymes as SAD A/B and MARK, therefore regulating neuronal polarization and axonal growth, respectively. These kinase cascades implicates also Tau and others MAP. An extended knowledge of these and others neuronal pathways could provide new potential therapeutic targets for several neurodegenerative chronic diseases as Alzheimer's, Parkinson's and Huntington's disease, and also amyotrophic lateral sclerosis. The current model of leukocyte adhesion cascade includes many steps mentioned in Table 1. The integrin mediated adhesion of leukocytes to endothelial cells is related with morphological changes in both leukocytes and endothelial cells, which together support leukocyte migration through the venular walls. Rho and Ras small GTPases are involved in the principal leukocyte signaling pathways underlying chemokine stimulated integrin dependent adhesion, and have important roles in regulating cell shape, adhesion and motility. After a vascular injury occurs, platelets are activated by locally exposed collagen (glycoprotein (GP) VI receptor), locally generated thrombin (PAR1 and PAR4 receptors), platelet derived thromboxane A2 (TxA2) (TP receptor) and ADP (P2Y1 and P2Y12 receptors) that is either released from damaged cells or secreted from platelet dense granules. The von Willebrand factor (VWF) serves as an essential accessory molecule. In general terms, platelet activation initiated by agonist takes to a signaling cascade that leads to an increase of the cytosolic calcium concentration. Consequently, the integrin αIIbβ3 is activated and the binding to fibrinogen allows the aggregation of platelets to each other. The increase of cytosolic calcium also leads to shape change and TxA2 synthesis, leading to signal amplification.

Лимфоциты

Основная цель биохимических каскадов в лимфоцитах – секреция молекул, способных подавлять измененные клетки или элиминировать патогенные агенты посредством пролиферации, дифференцировки и активации этих клеток. Следовательно, антигенные рецепторы играют центральную роль в трансдукции сигнала в лимфоцитах, поскольку взаимодействие антигенов с ними запускает каскад сигнальных событий. Эти рецепторы, распознающие растворимый антиген (В-клетки) или антиген, связанный с молекулой на антигенпрезентирующих клетках (Т-клетки), не имеют длинных цитоплазматических хвостов, поэтому они связаны с сигнальными белками, содержащими длинные цитоплазматические хвосты с мотивом, подвергающимся фосфорилированию (ITAM – мотив активации иммунорецептора тирозином) и приводящим к активации различных сигнальных путей. Антигенный рецептор и сигнальный белок формируют стабильный комплекс, называемый BCR или TCR, в В- и Т-клетках соответственно. Семейство Src необходимо для трансдукции сигнала в этих клетках, поскольку оно отвечает за фосфорилирование ITAM. Таким образом, Lyn и Lck, в В- и Т-лимфоцитах соответственно, фосфорилируют тирозиновые мотивы активации иммунорецепторов после распознавания антигена и конформационных изменений рецептора, что приводит к связыванию киназ Syk/Zap 70 с ITAM и их активации. Syk-киназа специфична для В-лимфоцитов, а Zap 70 присутствует в Т-клетках. После активации этих ферментов фосфорилируются некоторые адапторные белки, такие как BLNK (В-клетки) и LAT (Т-клетки). Эти белки, после фосфорилирования, активируются и обеспечивают связывание других ферментов, продолжающих биохимический каскад. Примером белка, связывающегося с адапторными белками и активирующегося, является PLC, играющий важную роль в сигнальных путях лимфоцитов. PLC отвечает за активацию PKC через DAG и Ca2+, что приводит к фосфорилированию молекулы CARMA1 и образованию комплекса CBM. Этот комплекс активирует Iκκ-киназу, которая фосфорилирует IκB, что позволяет NFκB транслоцироваться в ядро и осуществлять транскрипцию генов, кодирующих цитокины, например. Другие транскрипционные факторы, такие как NFAT и комплекс AP1, также важны для транскрипции цитокинов. Дифференцировка В-клеток в плазматические клетки также является примером сигнального механизма в лимфоцитах, индуцированного рецептором цитокина. В этом случае некоторые интерлейкины связываются со специфическим рецептором, что приводит к активации пути MAPK/ERK. В результате транслируется белок BLIMP1 и ингибируется PAX5, что позволяет осуществлять транскрипцию генов иммуноглобулина и активацию XBP1 (важного для формирования секреторного аппарата и усиления синтеза белка). Кроме того, корецепторы (CD28/CD19) играют важную роль, поскольку они могут усиливать связывание антигена/рецептора и инициировать параллельные каскадные события, такие как активация PI3-киназы. PIP3, в свою очередь, отвечает за активацию нескольких белков, таких как vav (приводит к активации пути JNK, что, в конечном итоге, приводит к активации c-Jun) и btk (также может активировать PLC).

The main goal of biochemical cascades in lymphocytes is the secretion of molecules that can suppress altered cells or eliminate pathogenic agents, through proliferation, differentiation and activation of these cells. Therefore, the antigenic receptors play a central role in signal transduction in lymphocytes, because when antigens interact with them lead to a cascade of signal events. These receptors, that recognize the antigen soluble (B cells) or linked to a molecule on Antigen Presenting Cells (T cells), do not have long cytoplasm tails, so they are anchored to signal proteins, which contain a long cytoplasmic tails with a motif that can be phosphorylated (ITAM – immunoreceptor tyrosine based activation motif) and resulting in different signal pathways. The antigen receptor and signal protein form a stable complex, named BCR or TCR, in B or T cells, respectively. The family Src is essential for signal transduction in these cells, because it is responsible for phosphorylation of ITAMs. Therefore, Lyn and Lck, in lymphocytes B and T, respectively, phosphorylate immunoreceptor tyrosine based activation motifs after the antigen recognition and the conformational change of the receptor, which leads to the binding of Syk/Zap 70 kinases to ITAM and its activation. Syk kinase is specific of lymphocytes B and Zap 70 is present in T cells. After activation of these enzymes, some adaptor proteins are phosphorylated, like BLNK (B cells) and LAT (T cells). These proteins after phosphorylation become activated and allow binding of others enzymes that continue the biochemical cascade. One example of a protein that binds to adaptor proteins and become activated is PLC that is very important in the lymphocyte signal pathways. PLC is responsible for PKC activation, via DAG and Ca2+, which leads to phosphorylation of CARMA1 molecule, and formation of CBM complex. This complex activates Iκκ kinase, which phosphorylates I κB, and then allows the translocation of NF κB to the nucleus and transcription of genes encoding cytokines, for example. Others transcriptional factors like NFAT and AP1 complex are also important for transcription of cytokines. The differentiation of B cells to plasma cells is also an example of a signal mechanism in lymphocytes, induced by a cytokine receptor. In this case, some interleukins bind to a specific receptor, which leads to activation of MAPK/ERK pathway. Consequently, the BLIMP1 protein is translated and inhibits PAX5, allowing immunoglobulin genes transcription and activation of XBP1 (important for the secretory apparatus formation and enhancing of protein synthesis). Also, the coreceptors (CD28/CD19) play an important role because they can improve the antigen/receptor binding and initiate parallel cascade events, like activation o PI3 Kinase. PIP3 then is responsible for activation of several proteins, like vav (leads to activation of JNK pathway, which consequently leads to activation of c Jun) and btk (can also activate PLC).

Не работает сигнальный путь

Сигнальный путь Wnt можно разделить на канонический и неканонический. Каноническая сигнализация включает связывание Wnt с Frizzled и корецептором LRP5, что приводит к фосфорилированию GSK3 и ингибированию деградации β-катенина, в результате чего происходит его накопление и транслокация в ядро, где он функционирует как фактор транскрипции. Неканоническая сигнализация Wnt подразделяется на путь плоскоклеточной полярности (PCP) и путь Wnt/кальция. Она характеризуется связыванием Wnt с Frizzled и активацией G-белков, а также повышением внутриклеточного уровня кальция посредством механизмов, включающих PKC 50. Сигнальный путь Wnt играет важную роль в остеобластогенезе и формировании кости, индуцируя дифференцировку мезенхимальных плюрипотентных клеток в остеобласты и ингибируя путь RANKL/RANK и остеокластогенез.

Сигнальный путь RANKL/RANK

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

Аденозин сигнальный путь

Аденозин играет важную роль в метаболизме костей, поскольку участвует в формировании и активации как остеокластов, так и остеобластов. Аденозин действует, связываясь с пуринергическими рецепторами и влияя на активность аденилциклазы и образование цАМФ и PKA 54. Аденозин может оказывать противоположное влияние на метаболизм костей, поскольку одни пуринергические рецепторы стимулируют активность аденилциклазы, а другие – подавляют ее. В определенных условиях аденозин стимулирует разрушение костной ткани, а в других – способствует ее образованию, в зависимости от активируемого пуринергического рецептора.

Стволовые клетки

Способность к самообновлению и дифференцировке – исключительные свойства стволовых клеток. Эти клетки можно классифицировать по их дифференцировочному потенциалу, который прогрессивно снижается в процессе развития, на тотипотентные, плюрипотентные, мультипотентные и унипотентные. Процесс самообновления строго регулируется клеточным циклом и контролем генетической транскрипции. Существуют сигнальные пути, такие как LIF/JAK/STAT3 (фактор ингибирования лейкемии/Янус-киназа/сигнальный трансдуктор и активатор транскрипции 3) и BMP/SMADs/Id (костные морфогенетические белки/матери против декапентаплегии/ингибитор дифференцировки), опосредованные факторами транскрипции, эпигенетическими регуляторами и другими компонентами, которые отвечают за экспрессию генов самообновления и ингибирование экспрессии генов дифференцировки, соответственно. На уровне клеточного цикла наблюдается увеличение сложности механизмов в соматических стволовых клетках. Однако с возрастом отмечается снижение потенциала к самообновлению. Эти механизмы регулируются сигнальными путями p16Ink4a/CDK4/6/Rb и p19Arf/p53/P21Cip1. Эмбриональные стволовые клетки обладают конститутивной активностью циклина E/CDK2, который гиперфосфорилирует и инактивирует Rb. Это приводит к короткой фазе G1 клеточного цикла с быстрым переходом G1-S и незначительной зависимостью от митогенных сигналов или D-циклинов для входа в фазу S. В стволовых клетках плода митогены способствуют относительно быстрому переходу G1-S посредством кооперативного действия циклина D/CDK4/6 и циклина E/CDK2 для инактивации белков семейства Rb. Экспрессия p16Ink4a и p19Arf ингибируется регуляцией хроматина, зависимой от Hmga2. Многие молодые взрослые стволовые клетки находятся в состоянии покоя большую часть времени. В отсутствие митогенных сигналов циклин-CDK и переход G1-S подавляются ингибиторами клеточного цикла, включая белки семейств Ink4 и Cip/Kip. В результате Rb гипофосфорилируется и ингибирует E2F, способствуя поддержанию покоя в фазе G0 клеточного цикла. Митогенная стимуляция мобилизует эти клетки в цикл, активируя экспрессию циклина D. В старых взрослых стволовых клетках повышается экспрессия микроРНК let-7, что приводит к снижению уровня Hmga2 и увеличению уровней p16Ink4a и p19Arf. Это снижает чувствительность стволовых клеток к митогенным сигналам путем ингибирования циклиновых CDK-комплексов. В результате стволовые клетки либо не могут войти в клеточный цикл, либо деление клеток замедляется во многих тканях. Внешнее регулирование осуществляется сигналами из ниши, где находятся стволовые клетки, которые способны поддерживать состояние покоя и активировать клеточный цикл в соматических стволовых клетках. Асимметричное деление характерно для соматических стволовых клеток, обеспечивая поддержание резерва стволовых клеток в ткани и производство специализированных клеток. Стволовые клетки обладают значительным терапевтическим потенциалом, особенно при гематоонкологических заболеваниях, таких как лейкемия и лимфомы. В опухолях были обнаружены небольшие популяции стволовых клеток, называемые раковыми стволовыми клетками. Существуют данные, свидетельствующие о том, что эти клетки способствуют росту опухоли и метастазированию.

Self renewal and differentiation abilities are exceptional properties of stem cells. These cells can be classified by their differentiation capacity, which progressively decrease with development, in totipotents, pluripotents, multipotents and unipotents. Self renewal process is highly regulated from cell cycle and genetic transcription control. There are some signaling pathways, such as LIF/JAK/STAT3 (Leukemia inhibitory factor/Janus kinase/Signal transducer and activator of transcription 3) and BMP/SMADs/Id (Bone morphogenetic proteins/ Mothers against decapentaplegic/ Inhibitor of differentiation), mediated by transcription factors, epigenetic regulators and others components, and they are responsible for self renewal genes expression and inhibition of differentiation genes expression, respectively. At cell cycle level there is an increase of complexity of the mechanisms in somatic stem cells. However, it is observed a decrease of self renewal potential with age. These mechanisms are regulated by p16Ink4a CDK4/6 Rb and p19Arf p53 P21Cip1 signaling pathways. Embryonic stem cells have constitutive cyclin E CDK2 activity, which hyperphosphorylates and inactivates Rb. This leads to a short G1 phase of the cell cycle with rapid G1 S transition and little dependence on mitogenic signals or D cyclins for S phase entry. In fetal stem cells, mitogens promote a relatively rapid G1 S transition through cooperative action of cyclin D CDK4/6 and cyclin E CDK2 to inactivate Rb family proteins. p16Ink4a and p19Arf expression are inhibited by Hmga2 dependent chromatin regulation. Many young adult stem cells are quiescent most of the time. In the absence of mitogenic signals, cyclin CDKs and the G1 S transition are suppressed by cell cycle inhibitors including Ink4 and Cip/Kip family proteins. As a result, Rb is hypophosphorylated and inhibits E2F, promoting quiescence in G0 phase of the cell cycle. Mitogen stimulation mobilizes these cells into cycle by activating cyclin D expression. In old adult stem cells, let 7 microRNA expression increases, reducing Hmga2 levels and increasing p16Ink4a and p19Arf levels. This reduces the sensitivity of stem cells to mitogenic signals by inhibiting cyclin CDK complexes. As a result, either stem cells cannot enter the cell cycle, or cell division slows in many tissues. Extrinsic regulation is made by signals from the niche, where stem cells are found, which is able to promote quiescent state and cell cycle activation in somatic stem cells. Asymmetric division is characteristic of somatic stem cells, maintaining the reservoir of stem cells in the tissue and production of specialized cells of the same. Stem cells show an elevated therapeutic potential, mainly in hemato oncologic pathologies, such as leukemia and lymphomas. Little groups of stem cells were found into tumours, calling cancer stem cells. There are evidences that these cells promote tumor growth and metastasis.

Ооциты

Ооцит – это женская клетка, участвующая в репродукции. Существует тесная взаимосвязь между ооцитом и окружающими фолликулярными клетками, которая критически важна для развития обоих. GDF9 и BMP15, продуцируемые ооцитом, связываются с BMPR2-рецепторами на фолликулярных клетках, активируя SMADs 2/3 и обеспечивая развитие фолликулов. Одновременно рост ооцита инициируется связыванием KITL со своим рецептором KIT в ооците, что приводит к активации пути PI3K/Akt, обеспечивая выживание и развитие ооцита. В процессе эмбриогенеза ооциты начинают мейоз и останавливаются в профазе I. Этот арест поддерживается повышенным уровнем cAMP внутри ооцита. Недавно было предложено, что cGMP кооперирует с cAMP для поддержания остановки клеточного цикла. Во время мейотического созревания пик ЛГ, предшествующий овуляции, активирует MAPK-путь, приводя к нарушению межклеточных контактов и распаду связи между ооцитом и фолликулярными клетками. PDE3A активируется и деградирует cAMP, что приводит к прогрессированию клеточного цикла и созреванию ооцита. Всплеск ЛГ также стимулирует выработку прогестерона и простагландинов, которые индуцируют экспрессию ADAMTS1 и других протеаз, а также их ингибиторов. Это приведет к деградации фолликулярной стенки, но ограничит повреждение и обеспечит разрыв в нужном месте, высвобождая ооцит в фаллопиевы трубы. Активация ооцита зависит от оплодотворения сперматозоидами. Она начинается с привлечения сперматозоидов, индуцированного простагландинами, производимыми ооцитом, которые создают градиент, влияющий на направление и скорость сперматозоидов. После слияния со сперматозоидом PLC ζ сперматозоида высвобождается в ооцит, что приводит к увеличению уровня Ca2+, который активирует CaMKII, деградирующий MPF и возобновляющий мейоз. Повышение уровня Ca2+ индуцирует экзоцитоз кортикальных гранул, которые разрушают ZP-рецепторы, используемые сперматозоидами для проникновения в ооцит, блокируя полиспермию. Нарушение регуляции этих путей может привести к различным заболеваниям, таким как синдром незрелости ооцитов, вызывающий бесплодие. Углубление наших молекулярных знаний о механизмах развития ооцитов может улучшить результаты вспомогательных репродуктивных технологий и способствовать зачатию.

The oocyte is the female cell involved in reproduction. There is a close relationship between the oocyte and the surrounding follicular cells which is crucial to the development of both. GDF9 and BMP15 produced by the oocyte bind to BMPR2 receptors on follicular cells activating SMADs 2/3, ensuring follicular development. Concomitantly, oocyte growth is initiated by binding of KITL to its receptor KIT in the oocyte, leading to the activation of PI3K/Akt pathway, allowing oocyte survival and development. During embryogenesis, oocytes initiate meiosis and stop in prophase I. This arrest is maintained by elevated levels of cAMP within the oocyte. It was recently suggested that cGMP cooperates with cAMP to maintain the cell cycle arrest. During meiotic maturation, the LH peak that precedes ovulation activates MAPK pathway leading to gap junction disruption and breakdown of communication between the oocyte and the follicular cells. PDE3A is activated and degrades cAMP, leading to cell cycle progression and oocyte maturation. The LH surge also leads to the production of progesterone and prostaglandins that induce the expression of ADAMTS1 and other proteases, as well as their inhibitors. This will lead to degradation of the follicular wall, but limiting the damage and ensuring that the rupture occurs in the appropriate location, releasing the oocyte into the fallopian tubes. Oocyte activation depends on fertilization by sperm. It is initiated with sperm's attraction induced by prostaglandins produced by the oocyte, which will create a gradient that will influence the sperm's direction and velocity. After fusion with the oocyte, PLC ζ of the spermatozoa is released into the oocyte leading to an increase in Ca2+ levels that will activate CaMKII which will degrade MPF, leading to the resumption of meiosis. The increased Ca2+ levels will induce the exocytosis of cortical granules that degrade ZP receptors, used by sperm to penetrate the oocyte, blocking polyspermy. Deregulation of these pathways will lead to several diseases like, oocyte maturation failure syndrome which results in infertility. Increasing our molecular knowledge of oocyte development mechanisms could improve the outcome of assisted reproduction procedures, facilitating conception.

Сперматозоид

Сперматозоид – это мужская гамета. После эякуляции эта клетка незрелая и не способна к оплодотворению яйцеклетки. Для приобретения способности оплодотворять женскую гамету, эта клетка подвергается капацитации и акросомной реакции в женском репродуктивном тракте. Сигнальные пути, наиболее изученные в сперматозоидах, связаны с этими процессами. Сигнальный путь cAMP/PKA приводит к капацитации сперматозоидов; однако аденилатциклаза в сперматозоидах отличается от аденилатциклазы в соматических клетках. Аденилатциклаза в сперматозоидах не распознает G-белки, поэтому она стимулируется бикарбонатом и ионами Ca2+. Затем она преобразует аденозинтрифосфат в циклический АМФ, который активирует протеинкиназу А. PKA приводит к фосфорилированию тирозиновых белков. Фосфолипаза C (PLC) участвует в акросомной реакции. ZP3 – это гликопротеин, присутствующий в лучистом венце яйцеклетки и взаимодействующий с рецепторами на сперматозоидах. Таким образом, ZP3 может активировать рецепторы, связанные с G-белком, и рецепторы тирозинкиназы, что приводит к продукции PLC. PLC расщепляет фосфолипид фосфатидилинозитол 4,5-бисфосфат (PIP2) на диацилглицерол (DAG) и инозитол 1,4,5-трисфосфат. IP3 высвобождается в цитозоль в виде растворимой молекулы, а DAG остается связанным с мембраной. IP3 связывается с IP3-рецепторами, расположенными в мембране акросомы. Кроме того, кальций и DAG совместно активируют протеинкиназу C, которая, в свою очередь, фосфорилирует другие молекулы, что приводит к изменению клеточной активности. Эти действия вызывают увеличение цитозольной концентрации Ca2+, что приводит к дисперсии актина и, как следствие, к слиянию плазматической и внешней акросомной мембран. Прогестерон – это стероидный гормон, вырабатываемый в кумулюсе ооцита. В соматических клетках он связывается с рецепторами в ядре; однако в сперматозоидах его рецепторы расположены в плазматической мембране. Этот гормон активирует AKT, что приводит к активации других протеинкиназ, участвующих в капацитации и акросомной реакции. Реактивные формы кислорода (ROS) в высокой концентрации могут негативно влиять на физиологию клеток, но в умеренных концентрациях они важны для акросомной реакции и капацитации. ROS могут взаимодействовать с путями cAMP/PKA и прогестерона, стимулируя их. ROS также взаимодействуют с путем ERK, который приводит к активации Ras, MEK и MEK-подобных белков. Эти белки активируют протеинтирозинкиназу (PTK), которая фосфорилирует различные белки, важные для капацитации и акросомной реакции.

Spermatozoon is the male gamete. After ejaculation this cell is not mature, so it can not fertilize the oocyte. To have the ability to fertilize the female gamete, this cell suffers capacitation and acrosome reaction in female reproductive tract. The signaling pathways best described for spermatozoon involve these processes. The cAMP/PKA signaling pathway leads to sperm cells capacitation; however, adenylyl cyclase in sperm cells is different from the somatic cells. Adenylyl cyclase in spermatozoon does not recognize G proteins, so it is stimulated by bicarbonate and Ca2+ ions. Then, it converts adenosine triphosphate into cyclic AMP, which activates Protein kinase A. PKA leads to protein tyrosine phosphorylation. Phospholipase C (PLC) is involved in acrosome reaction. ZP3 is a glycoprotein present in zona pelucida and it interacts with receptors in spermatozoon. So, ZP3 can activate G protein coupled receptors and tyrosine kinase receptors, that leads to production of PLC. PLC cleaves the phospholipid phosphatidylinositol 4,5 bisphosphate (PIP2) into diacyl glycerol (DAG) and inositol 1,4,5 trisphosphate. IP3 is released as a soluble structure into the cytosol and DAG remains bound to the membrane. IP3 binds to IP3 receptors, present in acrosome membrane. In addition, calcium and DAG together work to activate protein kinase C, which goes on to phosphorylate other molecules, leading to altered cellular activity. These actions cause an increase in cytosolic concentration of Ca2+ that leads to dispersion of actin and consequently promotes plasmatic membrane and outer acrosome membrane fusion. Progesterone is a steroid hormone produced in cumulus oophorus. In somatic cells it binds to receptors in nucleus; however, in spermatozoon its receptors are present in plasmatic membrane. This hormone activates AKT that leads to activation of other protein kinases, involved in capacitation and acrosome reaction. When ROS (reactive oxygen species) are present in high concentration, they can affect the physiology of cells, but when they are present in moderated concentration they are important for acrosome reaction and capacitation. ROS can interact with cAMP/PKA and progesterone pathway, stimulating them. ROS also interacts with ERK pathway that leads to activation of Ras, MEK and MEK like proteins. These proteins activate protein tyrosine kinase (PTK) that phosphorylates various proteins important for capacitation and acrosome reaction.

Эмбрионы

Различные сигнальные пути, такие как FGF, WNT и TGF β, регулируют процессы, вовлеченные в эмбриогенез. Лиганды FGF (фактор роста фибробластов) связываются с рецепторами тирозинкиназы, FGFR (рецепторы фактора роста фибробластов), и образуют стабильный комплекс с сорецепторами HSPG (гепараносульфатные протеогликаны), который способствует аутофосфорилированию внутриклеточного домена FGFR и последующей активации четырех основных путей: MAPK/ERK, PI3K, PLCγ и JAK/STAT. MAPK/ERK (Mitogen Activated Protein Kinase/Extracellular Signal Regulated Kinase) регулирует транскрипцию генов посредством последовательного фосфорилирования киназ и 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 PI3K (фосфатидилинозитол-3-киназа) приводит к активации AKT/PKB (белковая киназа B). Эта киназа участвует в выживании клеток и ингибировании апоптоза, клеточном росте и поддержании плюрипотентности в эмбриональных стволовых клетках. PLCγ (фосфоинозид фосфолипаза C γ) гидролизует мембранные фосфолипиды с образованием IP3 (инозитолтрифосфата) и DAG (диацилглицерола), что приводит к активации киназ и регулированию морфогенных движений во время гаструляции и нейруляции. STAT (Signal Transducer and Activator of Transcription) фосфорилируется JAK (Janus Kinase) и регулирует транскрипцию генов, определяя судьбу клеток. В эмбриональных стволовых клетках мыши этот путь помогает поддерживать плюрипотентность. Хотя существуют некоторые разногласия относительно влияния этого пути на эмбриогенез, считается, что сигнализация WNT индуцирует образование примитивной полоски, мезодермы и эндодермы. Активин необходим для дифференциации мезодермы и особенно эндодермы, а Нодаль и BMP участвуют в паттернировании эмбриона. BMP также отвечает за формирование внезародышевых тканей до и во время гаструляции, а также за раннюю дифференциацию мезодермы, когда активируются пути Активина и FGF.

Various signalling pathways, as FGF, WNT and TGF β pathways, regulate the processes involved in embryogenesis. FGF (Fibroblast Growth Factor) ligands bind to receptors tyrosine kinase, FGFR (Fibroblast Growth Factor Receptors), and form a stable complex with co receptors HSPG (Heparan Sulphate Proteoglycans) that will promote autophosphorylation of the intracellular domain of FGFR and consequent activation of four main pathways: MAPK/ERK, PI3K, PLCγ and JAK/STAT. MAPK/ERK (Mitogen Activated Protein Kinase/Extracellular Signal Regulated Kinase) regulates gene transcription through successive kinase phosphorylation and in human embryonic stem cells it helps maintaining pluripotency. However, in the presence of Activin A, a TGF β ligand, it causes the formation of mesoderm and neuroectoderm. Phosphorylation of membrane phospholipids by PI3K (Phosphatidylinositol 3 Kinase) results in activation of AKT/PKB (Protein Kinase B). This kinase is involved in cell survival and inhibition of apoptosis, cellular growth and maintenance of pluripotency, in embryonic stem cells. PLCγ (Phosphoinositide Phospholipase C γ) hydrolyzes membrane phospholipids to form IP3 (Inositoltriphosphate) and DAG (Diacylglycerol), leading to activation of kinases and regulating morphogenic movements during gastrulation and neurulation. STAT (Signal Trandsducer and Activator of Transcription) is phosphorylated by JAK (Janus Kinase) and regulates gene transcription, determining cell fates. In mouse embryonic stem cells, this pathway helps maintaining pluripotency. Although there is some controversy about the effects of this pathway in embryogenesis, it is thought that WNT signalling induces primitive streak, mesoderm and endoderm formation. Activin is necessary for mesoderm and specially endoderm differentiation, and Nodal and BMP are involved in embryo patterning. BMP is also responsible for formation of extra embryonic tissues before and during gastrulation, and for early mesoderm differentiation, when Activin and FGF pathways are activated.

Строительство тропы

Построение путей осуществлялось отдельными группами, изучающими интересующую сеть (например, путь иммунного сигналинга), а также крупными биоинформатическими консорциумами (например, Reactome Project) и коммерческими организациями (например, Ingenuity Systems). Построение путей – это процесс идентификации и интеграции сущностей, взаимодействий и связанных с ними аннотаций, а также наполнения базы знаний. Конструирование путей может иметь цель, основанную на данных (DDO), или цель, основанную на знаниях (KDO). Построение путей на основе данных используется для получения информации о взаимосвязях генов или белков, идентифицированных в конкретном эксперименте, таком как исследование с использованием микромассивов. Построение путей на основе знаний предполагает разработку подробной базы знаний путей для конкретных областей интереса, таких как тип клетки, заболевание или система. Процесс курирования биологического пути включает в себя идентификацию и структурирование контента, извлечение информации вручную и/или вычислительным путем, а также сборку базы знаний с использованием соответствующих программных инструментов. Схема иллюстрирует основные этапы, связанные с процессами построения на основе данных и знаний. Недавние попытки улучшить интеграцию знаний привели к усовершенствованной классификации клеточных сущностей, таких как GO, и к созданию структурированных хранилищ знаний. Хранилища данных, содержащие информацию о данных последовательностей, метаболизме, сигнализации, реакциях и взаимодействиях, являются основным источником информации для построения путей. В следующей таблице описаны некоторые полезные базы данных. KEGG предоставляет эталонную базу знаний для связи геномов с биологическими системами, классифицированными как строительные блоки в геномном пространстве (KEGG GENES), химическом пространстве (KEGG LIGAND), схемы соединений сетей взаимодействия и сетей реакций (KEGG PATHWAY) и онтологии для реконструкции путей (база данных BRITE). База данных KEGG PATHWAY представляет собой коллекцию вручную созданных карт путей для метаболизма, обработки генетической информации, обработки информации об окружающей среде, такой как передача сигналов, взаимодействие лиганд-рецептор и межклеточная коммуникация, различных других клеточных процессов и заболеваний человека, основанных на всестороннем анализе опубликованной литературы.

Pathway building has been performed by individual groups studying a network of interest (e. g., immune signaling pathway) as well as by large bioinformatics consortia (e. g., the Reactome Project) and commercial entities (e. g., Ingenuity Systems). Pathway building is the process of identifying and integrating the entities, interactions, and associated annotations, and populating the knowledge base. Pathway construction can have either a data driven objective (DDO) or a knowledge driven objective (KDO). Data driven pathway construction is used to generate relationship information of genes or proteins identified in a specific experiment such as a microarray study. Knowledge driven pathway construction entails development of a detailed pathway knowledge base for particular domains of interest, such as a cell type, disease, or system. The curation process of a biological pathway entails identifying and structuring content, mining information manually and/or computationally, and assembling a knowledgebase using appropriate software tools. A schematic illustrating the major steps involved in the data driven and knowledge driven construction processes. Recent attempts to improve knowledge integration have led to refined classifications of cellular entities, such as GO, and to the assembly of structured knowledge repositories. Data repositories, which contain information regarding sequence data, metabolism, signaling, reactions, and interactions are a major source of information for pathway building. A few useful databases are described in the following table. provides a reference knowledge base for linking genomes to biological systems, categorized as building blocks in the genomic space (KEGG GENES), the chemical space (KEGG LIGAND), wiring diagrams of interaction networks and reaction networks (KEGG PATHWAY), and ontologies for pathway reconstruction (BRITE database). The KEGG PATHWAY database is a collection of manually drawn pathway maps for metabolism, genetic information processing, environmental information processing such as signal transduction, ligand–receptor interaction and cell communication, various other cellular processes and human diseases, all based on extensive survey of published literature.

GenMAPP

Gene Map Annotator and Pathway Profiler (GenMAPP) – это бесплатная, программа с открытым исходным кодом, работающая автономно, и предназначенная для организации, анализа и обмена геномными данными в контексте биологических путей. База данных GenMAPP поддерживает множественные аннотации генов и различные виды, а также позволяет создавать пользовательские базы данных для потенциально неограниченного числа видов. Ресурсы путей расширяются за счет использования информации о гомологии для переноса содержания путей между видами и дополнения существующих путей данными, полученными на основе консервативных белковых взаимодействий и коэкспрессии. В GenMAPP реализован новый режим визуализации данных, включающий временные ряды, однонуклеотидные полиморфизмы (SNP) и сплайсинг, для поддержки анализа сложных данных. GenMAPP также предлагает инновационные способы представления и обмена данными, включая экспорт анализов в формате HTML для целых наборов путей в виде структурированных веб-страниц. В целом, GenMAPP предоставляет возможность быстрого анализа сложных экспериментальных данных для выявления изменений на уровне путей в широком спектре организмов.

Реактом

Учитывая генетический состав организма, полный набор возможных реакций составляет его реактом. Reactome, расположенный по адресу http://www.reactome.org, – это курируемый, прошедший рецензирование ресурс данных о биологических процессах и путях у человека. Основной единицей базы данных Reactome является реакция; реакции затем группируются в причинно-следственные цепи для формирования путей. Модель данных Reactome позволяет представлять множество разнообразных процессов в организме человека, включая пути промежуточного метаболизма, регуляторные пути и передачу сигналов, а также процессы более высокого уровня, такие как клеточный цикл. Reactome предоставляет качественную основу, на которую можно наложить количественные данные. Разработаны инструменты для упрощения ввода данных и аннотирования экспертами-биологами, а также для визуализации и изучения готового набора данных в виде интерактивной карты процессов. Хотя основная область курирования – это пути, характерные для *Homo sapiens*, электронные проекции человеческих путей на другие организмы регулярно создаются на основе предполагаемых ортологов, что делает Reactome актуальным для исследовательских сообществ, работающих с модельными организмами. База данных находится в открытом доступе на условиях открытого исходного кода, что позволяет свободно использовать и распространять как ее содержимое, так и программную инфраструктуру. Изучение полных транскрипционных профилей и каталогизация взаимодействий между белками принесли много ценной биологической информации – от генома или протеома до физиологии организма, органа, ткани или даже отдельной клетки. База данных Reactome содержит структуру возможных реакций, которая, в сочетании с данными об экспрессии и кинетике ферментов, обеспечивает инфраструктуру для количественных моделей, а следовательно, – интегрированный взгляд на биологические процессы, связывающий такие продукты генов и позволяющий систематически извлекать информацию с помощью биоинформатических приложений. Данные Reactome доступны в различных стандартных форматах, включая BioPAX, SBML и PSI MI, а также обеспечивают обмен данными с другими базами данных путей, такими как Cycs, KEGG и amaze, и базами данных молекулярных взаимодействий, такими как BIND и HPRD. Следующий выпуск данных будет посвящен апоптозу, включая пути передачи сигналов рецепторов смерти и пути Bcl2, а также пути, участвующие в гемостазе. Другие темы, находящиеся в стадии разработки, включают несколько сигнальных путей, митоз, визуальную фототрансдукцию и гематопоэз. В заключение, Reactome предоставляет высококачественные курируемые обзоры фундаментальных биологических процессов у человека в виде удобной для биологов визуализации данных о путях и является проектом с открытым исходным кодом.

Given the genetic makeup of an organism, the complete set of possible reactions constitutes its reactome. Reactome, located at http://www. reactome. org is a curated, peer reviewed resource of human biological processes/pathway data. The basic unit of the Reactome database is a reaction; reactions are then grouped into causal chains to form pathways The Reactome data model allows us to represent many diverse processes in the human system, including the pathways of intermediary metabolism, regulatory pathways, and signal transduction, and high level processes, such as the cell cycle. Reactome provides a qualitative framework, on which quantitative data can be superimposed. Tools have been developed to facilitate custom data entry and annotation by expert biologists, and to allow visualization and exploration of the finished dataset as an interactive process map. Although the primary curational domain is pathways from Homo sapiens, electronic projections of human pathways onto other organisms are regularly created via putative orthologs, thus making Reactome relevant to model organism research communities. The database is publicly available under open source terms, which allows both its content and its software infrastructure to be freely used and redistributed. Studying whole transcriptional profiles and cataloging protein–protein interactions has yielded much valuable biological information, from the genome or proteome to the physiology of an organism, an organ, a tissue or even a single cell. The Reactome database containing a framework of possible reactions which, when combined with expression and enzyme kinetic data, provides the infrastructure for quantitative models, therefore, an integrated view of biological processes, which links such gene products and can be systematically mined by using bioinformatics applications. Reactome data available in a variety of standard formats, including BioPAX, SBML and PSI MI, and also enable data exchange with other pathway databases, such as the Cycs, KEGG and amaze, and molecular interaction databases, such as BIND and HPRD. The next data release will cover apoptosis, including the death receptor signaling pathways, and the Bcl2 pathways, as well as pathways involved in hemostasis. Other topics currently under development include several signaling pathways, mitosis, visual phototransduction and hematopoeisis. In summary, Reactome provides high quality curated summaries of fundamental biological processes in humans in a form of biologist friendly visualization of pathways data, and is an open source project.

Подходы, ориентированные на путь

В постгеномную эпоху высокопроизводительное секвенирование и методы профилирования генов/белков кардинально изменили биологические исследования, обеспечив всесторонний мониторинг биологических систем и получение списков дифференциально экспрессируемых генов или белков. Это полезно для выявления генов, которые могут играть роль в конкретном явлении или фенотипе. С помощью ДНК-микромассивов и геномной инженерии стало возможным анализировать глобальные профили экспрессии генов, обогащая общедоступные базы данных. РНК-интерференция позволяет систематизировать информацию из экспериментальной литературы и первичных баз данных в базы знаний, содержащие аннотированные представления биологических путей. В этом случае известно, что отдельные гены и белки участвуют в биологических процессах, компонентах или структурах, а также в механизмах и локализации взаимодействия продуктов генов. Подходы, ориентированные на анализ путей, путем группировки длинных списков отдельных генов, белков и/или других биологических молекул в соответствии с вовлеченными в них путями, в более компактные наборы связанных генов или белков, снижают сложность и позволяют связать геномные данные с конкретными биологическими процессами и системами. Выявление активных путей, различающихся между двумя состояниями, может быть более информативным, чем простой перечень дифференцированно экспрессируемых генов или белков. Кроме того, многие методы анализа путей используют знания о путях, хранящиеся в общедоступных репозиториях, таких как Gene Ontology (GO) или Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG), вместо того, чтобы выводить пути на основе молекулярных измерений. Более того, различные направления исследований придают термину "путь" разные значения. Например, "путь" может обозначать метаболический путь, включающий последовательность ферментативно катализируемых реакций малых молекул, или сигнальный путь, включающий каскад реакций фосфорилирования белков и событий регуляции генов. Следовательно, термин "анализ пути" имеет широкую область применения. Он может относиться к анализу сетей физических взаимодействий (например, белок-белковых взаимодействий), кинетическому моделированию путей, анализу путей в стационарном состоянии (например, анализу баланса потоков), а также к выводу путей на основе данных об экспрессии и последовательности. Для улучшения интерпретации данных разработано несколько инструментов и алгоритмов анализа функционального обогащения. Современные методы анализа путей, основанные на существующих базах знаний, были обобщены в недавней литературе.

In the post genomic age, high throughput sequencing and gene/protein profiling techniques have transformed biological research by enabling comprehensive monitoring of a biological system, yielding a list of differentially expressed genes or proteins, which is useful in identifying genes that may have roles in a given phenomenon or phenotype. With DNA microarrays and genome wide gene engineering, it is possible to screen global gene expression profiles to contribute a wealth of genomic data to the public domain. With RNA interference, it is possible to distill the inferences contained in the experimental literature and primary databases into knowledge bases that consist of annotated representations of biological pathways. In this case, individual genes and proteins are known to be involved in biological processes, components, or structures, as well as how and where gene products interact with each other. Pathway oriented approaches for analyzing microarray data, by grouping long lists of individual genes, proteins, and/or other biological molecules according to the pathways they are involved in into smaller sets of related genes or proteins, which reduces the complexity, have proven useful for connecting genomic data to specific biological processes and systems. Identifying active pathways that differ between two conditions can have more explanatory power than a simple list of different genes or proteins. In addition, a large number of pathway analytic methods exploit pathway knowledge in public repositories such as Gene Ontology (GO) or Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG), rather than inferring pathways from molecular measurements. Furthermore, different research focuses have given the word "pathway" different meanings. For example, 'pathway' can denote a metabolic pathway involving a sequence of enzyme catalyzed reactions of small molecules, or a signaling pathway involving a set of protein phosphorylation reactions and gene regulation events. Therefore, the term "pathway analysis" has a very broad application. For instance, it can refer to the analysis physical interaction networks (e. g., protein–protein interactions), kinetic simulation of pathways, and steady state pathway analysis (e. g., flux balance analysis), as well as its usage in the inference of pathways from expression and sequence data. Several functional enrichment analysis tools and algorithms have been developed to enhance data interpretation. The existing knowledge base–driven pathway analysis methods in each generation have been summarized in recent literature.

Рак толстой кишки (CRC)

Программа MatchMiner использовалась для сканирования названий генов HUGO в поисках клонированных генов, представляющих интерес, которые затем вводились в GoMiner. GoMiner использовал базу данных GO для идентификации биологических процессов, функций и компонентов, представленных в профиле генов. Кроме того, база данных для аннотации, визуализации и интегрированного поиска (DAVID) и база данных KEGG могут быть использованы для анализа данных экспрессии микрочипов и анализа каждой онтологии биологических процессов GO (P), клеточных компонентов (C) и молекулярных функций (F). Инструменты DAVID также могут быть использованы для анализа роли генов в метаболических путях и отображения биологических взаимосвязей между генами или продуктами генов, представляющих собой метаболические пути. Обе эти базы данных также предоставляют онлайн-биоинформатические инструменты для объединения специфической биохимической информации об определенном организме и облегчения интерпретации биологического значения экспериментальных данных. С помощью комбинированного подхода биоинформатических технологий микрочипов был продемонстрирован потенциальный метаболический механизм, способствующий развитию колоректального рака (КРК). В этот механизм вовлечены 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 в процессе развития КРК.

Болезнь Альцгеймера (АД)

Синнаптическая дегенерация и гибель нервных клеток – определяющие характеристики болезни Альцгеймера (БА), наиболее распространенного нейродегенеративного заболевания, связанного с возрастом. При БА нейроны гиппокампа и базального лобного мозга (областей мозга, отвечающих за процессы обучения и памяти) особенно уязвимы. Исследования посмертной ткани мозга пациентов с БА выявили повышенный уровень окислительного стресса, дисфункцию митохондрий и нарушение захвата глюкозы в уязвимых популяциях нейронов. Исследования на животных моделях и клеточных культурах БА показывают, что повышенный окислительный стресс (особенно пероксидация липидов мембран) может нарушать энергетический метаболизм нейронов и ионный гомеостаз, ухудшая функцию мембранных ионных АТФаз, а также транспортеров глюкозы и глутамата. Такой окислительный и метаболический дисбаланс может сделать нейроны восприимчивыми к экзитотоксичности и апоптозу. Недавние исследования свидетельствуют о том, что БА может сопровождаться системными нарушениями энергетического обмена (например, повышенной инсулинорезистентностью и нарушением метаболизма глюкозы). Появляющиеся данные о том, что ограничение калорийности может замедлить развитие БА, подтверждают важную "метаболическую" составляющую этих заболеваний и вселяют оптимизм, что эти тяжелые возрастные заболевания мозга во многом можно предотвратить.