Введение
Каскад внутриклеточных и молекулярных событий для передачи/усиления сигналов, обеспечивающий передачу сигналов на клеточном уровне. Трансдукция сигнала – это процесс, посредством которого химический или физический сигнал передается через клетку в виде последовательности молекулярных событий. Чаще всего фосфорилирование белков катализируется протеинкиназами, что в конечном итоге приводит к клеточному ответу. Белки, ответственные за обнаружение стимулов, обычно называются рецепторами, хотя в некоторых случаях используется термин «сенсоры». Изменения, вызванные связыванием лиганда (или восприятием сигнала) с рецептором, запускают биохимический каскад – цепочку биохимических событий, известных как сигнальный путь. Взаимодействуя друг с другом, сигнальные пути формируют сети, позволяющие координировать клеточные ответы, часто посредством комбинаторных сигнальных событий. На молекулярном уровне такие ответы включают изменения в транскрипции или трансляции генов, посттрансляционные и конформационные изменения белков, а также изменения в их локализации. Эти молекулярные события являются основными механизмами, контролирующими рост клеток, пролиферацию, метаболизм и многие другие процессы. В многоклеточных организмах пути трансдукции сигнала регулируют межклеточные взаимодействия различными способами. Каждый компонент (или узел) сигнального пути классифицируется в соответствии с его ролью относительно исходного стимула. Лиганды называются первичными мессенджерами, рецепторы – преобразователями сигнала, которые затем активируют первичные эффекторы. Эти эффекторы обычно представляют собой белки и часто связаны со вторичными мессенджерами, которые могут активировать вторичные эффекторы и так далее. В зависимости от эффективности узлов сигнал может усиливаться (явление, известное как усиление сигнала), так что одна сигнальная молекула может вызывать ответ, включающий сотни или миллионы молекул. Как и другие сигналы, трансдукция биологических сигналов характеризуется задержкой, шумом, обратной и прямой связью, а также интерференцией, которые могут варьироваться от незначительных до патологических. С развитием вычислительной биологии анализ сигнальных путей и сетей стал важным инструментом для понимания клеточных функций и заболеваний, включая механизмы перестройки сигнальных путей, лежащие в основе развития приобретенной лекарственной устойчивости.
signaling at the cellular levelSignal transduction is the process by which a chemical or physical signal is transmitted through a cell as a series of molecular events. Most commonly, protein phosphorylation is catalyzed by protein kinases, ultimately resulting in a cellular response. Proteins responsible for detecting stimuli are generally termed receptors, although in some cases the term sensor is used. The changes elicited by ligand binding (or signal sensing) in a receptor give rise to a biochemical cascade, which is a chain of biochemical events known as a signaling pathway. When signaling pathways interact with one another they form networks, which allow cellular responses to be coordinated, often by combinatorial signaling events. At the molecular level, such responses include changes in the transcription or translation of genes, and post translational and conformational changes in proteins, as well as changes in their location. These molecular events are the basic mechanisms controlling cell growth, proliferation, metabolism and many other processes. In multicellular organisms, signal transduction pathways regulate cell communication in a wide variety of ways. Each component (or node) of a signaling pathway is classified according to the role it plays with respect to the initial stimulus. Ligands are termed first messengers, while receptors are the signal transducers, which then activate primary effectors. Such effectors are typically proteins and are often linked to second messengers, which can activate secondary effectors, and so on. Depending on the efficiency of the nodes, a signal can be amplified (a concept known as signal gain), so that one signaling molecule can generate a response involving hundreds to millions of molecules. As with other signals, the transduction of biological signals is characterised by delay, noise, signal feedback and feedforward and interference, which can range from negligible to pathological. With the advent of computational biology, the analysis of signaling pathways and networks has become an essential tool to understand cellular functions and disease, including signaling rewiring mechanisms underlying responses to acquired drug resistance.
Стимулы
Основой для трансдукции сигнала является преобразование определенного стимула в биохимический сигнал. Природа таких стимулов может сильно варьироваться – от внеклеточных сигналов, таких как присутствие EGF, до внутриклеточных событий, например, повреждения ДНК, возникающего в результате репликативного укорочения теломер. Традиционно сигналы, достигающие центральной нервной системы, классифицируются как органы чувств. Они передаются от нейрона к нейрону в процессе, называемом синаптической передачей. В многоклеточных организмах существует множество других механизмов межклеточной передачи сигналов, например, те, которые регулируют эмбриональное развитие.
Лиганды
Большинство путей передачи сигналов включают связывание сигнальных молекул, известных как лиганды, с рецепторами, которые запускают события внутри клетки. Связывание сигнальной молекулы с рецептором вызывает изменение конформации рецептора, известное как активация рецептора. Большинство лигандов – это растворимые молекулы из внеклеточной среды, которые связываются с рецепторами на поверхности клетки. К ним относятся факторы роста, цитокины и нейротрансмиттеры. Компоненты внеклеточного матрикса, такие как фибронектин и гиалуронан, также могут связываться с такими рецепторами (интегрины и CD44, соответственно). Кроме того, некоторые молекулы, такие как стероидные гормоны, липидно-растворимы и, следовательно, проникают через плазматическую мембрану, чтобы достичь цитоплазматических или ядерных рецепторов. В случае рецепторов стероидных гормонов, их стимуляция приводит к связыванию с промоторной областью стероидочувствительных генов. Не все классификации сигнальных молекул учитывают молекулярную природу каждого представителя класса. Например, запахи относятся к широкому спектру молекулярных классов, как и нейротрансмиттеры, которые различаются по размеру от небольших молекул, таких как дофамин, до нейропептидов, таких как эндорфины. Более того, некоторые молекулы могут относиться к более чем одному классу, например, адреналин (эпинефрин) является нейротрансмиттером при секреции центральной нервной системой и гормоном при секреции надпочечниками. Некоторые рецепторы, такие как HER2, способны к активации без участия лиганда при переэкспрессии или мутации. Это приводит к конститутивной активации пути, которая может быть или не быть обращена вспять компенсаторными механизмами. В случае HER2, который выступает в качестве партнера димеризации других EGFR, конститутивная активация приводит к гиперпролиферации и раку.
Механические силы
Распространенность базальных мембран в тканях эуметазоев означает, что для выживания большинство типов клеток нуждаются в прикреплении. Эта необходимость привела к развитию сложных путей механотрансдукции, позволяющих клеткам воспринимать жесткость субстрата. Эта сигнализация в основном осуществляется в очаговых адгезиях – областях, где актиновый цитоскелет, связанный с интегринами, обнаруживает изменения и передает их ниже по потоку через YAP1. Кальцийзависимые молекулы клеточной адгезии, такие как кадерины и селектины, также могут опосредовать механотрансдукцию. Специализированные формы механотрансдукции в нервной системе отвечают за механосенсорные функции: слух, осязание, проприоцепцию и чувство равновесия.
Осмолярность
Клеточный и системный контроль осмотического давления (разница в осмолярности между цитозолем и внеклеточной средой) критически важен для гомеостаза. Существует три способа, с помощью которых клетки могут обнаруживать осмотические стимулы: как изменения в концентрации макромолекул, ионной силы и изменения свойств плазматической мембраны или цитоскелета (последнее является формой механотрансдукции). Эти изменения обнаруживаются белками, известными как осмосенсоры или осморецепторы. У человека наиболее хорошо изучены осмосенсоры – это транзиентные рецепторные потенциал-каналы, присутствующие в первичных ресничках клеток человека. У дрожжей широко изучен HOG-путь.
Температура
Ощущение температуры в клетках известно как термоцепция и в основном опосредовано транзиентными рецепторными потенциальными каналами. Кроме того, в клетках животных существует консервативный механизм, предотвращающий повреждение клеток при высоких температурах, – реакция теплового шока. Эта реакция запускается, когда высокие температуры вызывают диссоциацию неактивного HSF1 от комплексов с белками теплового шока Hsp40/Hsp70 и Hsp90. С помощью некодирующей РНК hsr1, HSF1 затем тримеризуется, активируется и повышает экспрессию своих генов-мишеней. Многие другие термосенсорные механизмы существуют как у прокариот, так и у эукариот. В случае с циркадными часами, за обнаружение света в ганглиозных клетках сетчатки, обладающих собственной светочувствительностью, отвечает другой фотопигмент – меланопсин.
Рецепторы
Рецепторы можно разделить на два основных класса: внутриклеточные и внеклеточные рецепторы.
Экстраклеточные рецепторы
Экстраклеточные рецепторы являются интегральными трансмембранными белками и составляют большинство рецепторов. Они пронизывают плазменную мембрану клетки, с одной частью рецептора, обращенной наружу клетки, а другой – внутрь. Трансдукция сигнала происходит в результате связывания лиганда с наружной областью рецептора (лиганд не проникает через мембрану). Связывание лиганда с рецептором индуцирует изменение конформации внутренней части рецептора, процесс, иногда называемый «активацией рецептора». Это приводит либо к активации энзимного домена рецептора, либо к обнажению участка связывания для других внутриклеточных сигнальных белков внутри клетки, что в конечном итоге распространяет сигнал через цитоплазму. В эукариотических клетках большинство внутриклеточных белков, активируемых взаимодействием лиганд/рецептор, обладают ферментативной активностью, например, тирозинкиназы и фосфатазы. Часто такие ферменты ковалентно связаны с рецептором. Некоторые из них создают вторичные мессенджеры, такие как циклический АМФ и IP3, последний контролирует высвобождение запасов внутриклеточного кальция в цитоплазму. Другие активированные белки взаимодействуют с адапторными белками, которые облегчают взаимодействие сигнальных белков и координацию сигнальных комплексов, необходимых для ответа на определенный стимул. Ферменты и адапторные белки реагируют на различные молекулы вторичных мессенджеров. Многие адапторные белки и ферменты, активируемые в процессе трансдукции сигнала, обладают специализированными белковыми доменами, которые связываются со специфическими вторичными мессенджерами. Например, ионы кальция связываются с EF-руками кальмодулина, что позволяет ему связываться и активировать кальмодулин-зависимую киназу. PIP3 и другие фосфоинозитиды оказывают аналогичное действие на плекстриновые гомологические домены белков, таких как киназный белок AKT.
G-белоксоединенные рецепторы
G-белок-связанные рецепторы (GPCR) – это семейство интегральных трансмембранных белков, обладающих семью трансмембранными доменами и связанных с гетеротримерным G-белком. Состоящее почти из 800 членов, это самое большое семейство мембранных белков и рецепторов у млекопитающих. Если учитывать все виды животных, их число превышает 5000. GPCR млекопитающих классифицируются на 5 основных семейств: родопсиноподобные, секретиноподобные, метаботропные глутаматные, адгезионные и frizzled/smoothened, при этом некоторые группы GPCR сложно классифицировать из-за низкой схожести последовательностей, например, вомероназальные рецепторы. После того как GPCR распознает лиганд, конформация рецептора изменяется, активируя G-белок, что приводит к связыванию Gα с молекулой GTP и диссоциации от двух других субъединиц G-белка. Диссоциация обнажает участки на субъединицах, способные взаимодействовать с другими молекулами. Активированные субъединицы G-белка отделяются от рецептора и инициируют передачу сигнала через множество эффекторных белков, таких как фосфолипазы и ионные каналы, последние обеспечивают высвобождение вторичных посредников. Общая сила усиления сигнала GPCR определяется временем жизни комплекса лиганд-рецептор и комплекса рецептор-эффекторный белок, а также временем деактивации активированного рецептора и эффекторов посредством собственной ферментативной активности, например, через фосфорилирование протеинкиназой или интернализацию, зависимую от β-аррестина. Было проведено исследование, в котором точечная мутация была введена в ген, кодирующий рецептор хемокина CXCR2; мутировавшие клетки подверглись злокачественной трансформации из-за экспрессии CXCR2 в активной конформации, несмотря на отсутствие связывания с хемокином. Это указывает на то, что рецепторы хемокинов могут способствовать развитию рака.
Тирозин, сер/тир и гистидиноспецифические белковые киназы
Рецепторные тирозинкиназы (РТК) – это трансмембранные белки, содержащие внутриклеточный киназный домен и внеклеточный домен, связывающий лиганды; примерами служат рецепторы факторов роста, такие как инсулиновый рецептор. Для осуществления передачи сигнала РТК необходимо формировать димеры в плазматической мембране; димер стабилизируется связыванием лигандов с рецептором. Взаимодействие между цитоплазматическими доменами стимулирует аутофосфорилирование тирозиновых остатков во внутриклеточных киназных доменах РТК, вызывая конформационные изменения. После этого активируются киназные домены рецепторов, инициируя каскады фосфорилирования цитоплазматических молекул, которые способствуют различным клеточным процессам, таким как клеточная дифференцировка и метаболизм. Как и в случае с GPCR, белки, связывающие ГТФ, играют важную роль в передаче сигнала от активированного РТК внутрь клетки. В данном случае G-белки принадлежат к семействам Ras, Rho и Raf, которые в совокупности называются малыми G-белками. Они функционируют как молекулярные переключатели, обычно закрепленные на мембранах изопренильными группами, связанными с их карбоксильными концами. После активации они направляют белки в специфические субдомены мембраны, где они участвуют в передаче сигналов. Активированные РТК, в свою очередь, активируют малые G-белки, которые активируют гуаниннуклеотид-обменные факторы, такие как SOS1. После активации эти обменные факторы могут активировать большее количество малых G-белков, тем самым усиливая первоначальный сигнал рецептора. Мутация определенных генов РТК, как и в случае с GPCR, может приводить к экспрессии рецепторов, находящихся в конститутивно активированном состоянии; такие мутировавшие гены могут выступать в роли онкогенов. Гистидинспецифические протеинкиназы структурно отличаются от других протеинкиназ и обнаружены у прокариот, грибов и растений как часть двухкомпонентного механизма передачи сигнала: фосфатная группа из АТФ сначала присоединяется к остатку гистидина в киназе, а затем переносится на аспартатный остаток в рецепторном домене другого белка или самой киназы, тем самым активируя аспартатный остаток.
Интегрины
Интегрины продуцируются широким спектром клеток; они играют роль в прикреплении клеток к другим клеткам и внеклеточному матриксу, а также в трансдукции сигналов от компонентов внеклеточного матрикса, таких как фибронектин и коллаген. Связывание лигандов с внеклеточным доменом интегринов изменяет конформацию белка, вызывая его кластеризацию на клеточной мембране для инициирования передачи сигнала. Интегрины не обладают киназной активностью; следовательно, передача сигнала, опосредованная интегринами, осуществляется посредством различных внутриклеточных белковых киназ и адапторных молекул, главным координатором которых является интегран-связанная киназа. На сегодняшний день у растений не идентифицировано подлинных интегральных рецепторов; тем не менее, несколько белков, подобных интегранам, были предложены на основе структурного гомологии с рецепторами метазоев. Растения содержат интегран-связанные киназы, которые очень похожи по своей первичной структуре на животные ILK. В модельном растении Arabidopsis thaliana, один из генов интегран-связанной киназы, ILK1, был показан как критически важный элемент в иммунном ответе растения на сигнальные молекулы бактериальных патогенов и чувствительность растения к солевому и осмотическому стрессу. Белок ILK1 взаимодействует с высокоаффинным калиевым транспортером HAK5 и с кальциевым сенсором CML9.
Толлоподобные рецепторы
При активации рецепторы, подобные Toll-подобным рецепторам (TLR), используют адаптерные молекулы в цитоплазме клеток для распространения сигнала. Известно, что в передаче сигналов участвуют четыре адаптерные молекулы: Myd88, TIRAP, TRIF и TRAM. Эти адаптеры активируют другие внутриклеточные молекулы, такие как IRAK1, IRAK4, TBK1 и IKKi, которые усиливают сигнал, в конечном итоге приводя к индукции или подавлению генов, вызывающих определенные ответы. Тысячи генов активируются посредством сигнализации TLR, что указывает на то, что этот механизм является важным звеном в модуляции генов.
Лигандо-восходящие ионные каналы
Лиганд-зависимый ионный канал, при связывании с лигандом, изменяет свою конформацию, открывая канал в клеточной мембране, через который могут проходить ионы, передающие сигналы. Пример этого механизма можно найти в постсинаптической клетке нейронного синапса. Приток ионов, возникающий в ответ на открытие этих каналов, индуцирует потенциалы действия, такие как те, что распространяются по нервам, посредством деполяризации мембраны постсинаптических клеток, что приводит к открытию потенциал-зависимых ионных каналов. Примером иона, проникающего в клетку при открытии лиганд-зависимого ионного канала, является Ca2+; он выступает в роли вторичного мессенджера, инициируя каскады передачи сигнала и изменяя физиологию реагирующей клетки. Это приводит к усилению синаптического ответа между синаптическими клетками за счет ремоделирования дендритных шипиков, участвующих в синапсе.
Внутриклеточные рецепторы
Внутриклеточные рецепторы, такие как ядерные и цитоплазматические рецепторы, представляют собой растворимые белки, локализованные в соответствующих областях. Типичными лигандами для ядерных рецепторов служат неполярные гормоны, например стероидные гормоны тестостерон и прогестерон, а также производные витаминов А и D. Для инициирования передачи сигнала лиганд должен пройти через плазматическую мембрану посредством пассивной диффузии. При связывании с рецептором лиганды проникают через ядерную мембрану в ядро, изменяя экспрессию генов. Активированные ядерные рецепторы присоединяются к ДНК в рецептор-специфических гормонально-чувствительных элементах (HRE), расположенных в промоторной области генов, активируемых гормонально-рецепторным комплексом. Благодаря способности индуцировать транскрипцию генов, они также называются индукторами экспрессии генов. Все гормоны, действующие посредством регуляции экспрессии генов, имеют два следствия в своем механизме действия: их эффекты проявляются после характерно длительного периода времени и сохраняются в течение еще одного длительного периода времени, даже после снижения их концентрации до нуля, из-за относительно медленного обновления большинства ферментов и белков, которые либо деактивируют, либо прекращают связывание лиганда с рецептором. Ядерные рецепторы содержат домены связывания ДНК, включающие цинковые пальцы, и домен связывания лиганда; цинковые пальцы стабилизируют связывание ДНК, удерживая его фосфатный остов. ДНК-последовательности, комплементарные рецептору, обычно представляют собой гексамерные повторы любого типа; последовательности схожи, но различаются ориентацией и расстоянием между ними. Домен связывания лиганда также отвечает за димеризацию ядерных рецепторов перед связыванием и обеспечивает структуры для трансактивации, используемые для взаимодействия с трансляционным аппаратом. Стероидные рецепторы – это подкласс ядерных рецепторов, расположенных преимущественно в цитозоле. В отсутствие стероидов они ассоциируются в апорецепторный комплекс, содержащий белки-шапероны или белки теплового шока (HSP). HSP необходимы для активации рецептора, помогая белку правильно сворачиваться таким образом, чтобы сигнальная последовательность, обеспечивающая его прохождение в ядро, стала доступной. С другой стороны, стероидные рецепторы могут оказывать репрессивное действие на экспрессию генов, когда их трансактивационный домен скрыт. Активность рецепторов может быть усилена фосфорилированием остатков серина в N-концевой области в результате другого пути передачи сигнала, процесса, называемого перекрестным взаимодействием (crosstalk). Ретиновые рецепторы – это еще один подкласс ядерных рецепторов. Они могут быть активированы эндокринно синтезированным лигандом, который проник в клетку посредством диффузии, лигандом, синтезированным из предшественника, такого как ретинол, доставленного в клетку кровотоком, или полностью внутриклеточно синтезированным лигандом, например простагландином. Эти рецепторы локализованы в ядре и не сопровождаются HSP. Они подавляют экспрессию гена, связываясь со своей специфической последовательностью ДНК в отсутствие лиганда и наоборот. Определенные внутриклеточные рецепторы иммунной системы являются цитоплазматическими рецепторами; недавно идентифицированные NOD-подобные рецепторы (NLR) находятся в цитоплазме некоторых эукариотических клеток и взаимодействуют с лигандами, используя мотив, богатый лейцином (LRR), аналогичный TLR. Некоторые из этих молекул, такие как NOD2, взаимодействуют с киназой RIP2, которая активирует сигнализацию NFκB, в то время как другие, такие как NALP3, взаимодействуют с воспалительными каспазами и инициируют процессинг определенных цитокинов, таких как интерлейкин-1β, и митохондрии. Два комбинированных рецепторных/ионных канала контролируют транспорт кальция: рецептор InsP3, который транспортирует кальций при взаимодействии с инозитолтрифосфатом на цитозольной стороне, и рианодиновый рецептор, названный в честь алкалоида рианодина, аналогичный рецептору InsP3, но обладающий механизмом обратной связи, который высвобождает больше кальция при связывании с ним. Характер кальция в цитозоле обуславливает его активность лишь в течение очень короткого времени, что означает, что его свободная концентрация очень низка и в неактивном состоянии в основном связана с молекулами органелл, такими как кальретикулин. Кальций используется во многих процессах, включая сокращение мышц, высвобождение нейротрансмиттеров из нервных окончаний и миграцию клеток. Три основных пути, приводящие к его активации, – это пути, опосредованные GPCR, RTK и ионными каналами с управляемым доступом; он регулирует белки либо напрямую, либо посредством связывания с ферментом.
Липидные мессенджеры
Липофильные молекулы вторичных посредников образуются из липидов, находящихся в клеточных мембранах; ферменты, активируемые активированными рецепторами, активируют эти липиды путем их модификации. Примерами служат диацилглицерол и керамид, причем первый необходим для активации протеинкиназы С.
Окись азота
Окись азота (NO) действует как второй мессенджер, поскольку является свободным радикалом, способным диффундировать через плазматическую мембрану и влиять на соседние клетки. Она синтезируется из аргинина и кислорода NO-синтазой и действует посредством активации растворимой гуанилатциклазы, которая при активации производит другой второй мессенджер – цГМФ. NO также может действовать посредством ковалентного модифицирования белков или их металлических кофакторов; некоторые из них обладают редокс-механизмом и являются обратимыми. В высоких концентрациях она токсична и вызывает повреждения при инсульте, но в то же время является причиной многих других функций, таких как расслабление кровеносных сосудов, апоптоз и эрекция.
Редоксовая сигнализация
В дополнение к оксиду азота, другие электронно-активированные частицы также выступают посредниками передачи сигналов в процессе, называемом редокс-сигнализацией. К ним относятся супероксид, перекись водорода, монооксид углерода и сероводород. Редокс-сигнализация также включает активную модуляцию потоков электронов в полупроводящих биологических макромолекулах.
Основные пути
Ниже приведены некоторые основные сигнальные пути, демонстрирующие, как связывание лигандов с их рецепторами может влиять на вторичных посредников и в конечном итоге приводить к изменению клеточных реакций. MAPK/ERK путь: Путь, который связывает внутриклеточные реакции со связыванием факторов роста с клеточными поверхностными рецепторами. Этот путь очень сложен и включает множество белковых компонентов. Во многих типах клеток активация этого пути стимулирует деление клеток, и многие формы рака связаны с нарушениями в нем. cAMP-зависимый путь: У человека cAMP действует посредством активации протеинкиназы А (PKA, cAMP-зависимой протеинкиназы) (см. рисунок), и, следовательно, дальнейшие эффекты зависят главным образом от cAMP-зависимой протеинкиназы, которые варьируются в зависимости от типа клетки. IP3/DAG путь: PLC расщепляет фосфолипид фосфатидилинозитол 4,5-бисфосфат (PIP2), образуя диацилглицерол (DAG) и инозитол 1,4,5-трифосфат (IP3). DAG остается связанным с мембраной, а IP3 высвобождается в виде растворимой молекулы в цитозоль. Затем IP3 диффундирует по цитозолю и связывается с IP3-рецепторами – специфическими кальциевыми каналами в эндоплазматическом ретикулуме (ER). Эти каналы специфичны для кальция и пропускают только ионы кальция. Это приводит к увеличению концентрации кальция в цитозоле, вызывая каскад внутриклеточных изменений и активности.
История
Самое раннее представление о передаче сигналов можно проследить до 1855 года, когда Клод Бернар предположил, что безпротоковые железы, такие как селезенка, щитовидная и надпочечниковые железы, отвечают за высвобождение "внутренних секреций", оказывающих физиологическое воздействие. "Секреции" Бернара позднее, в 1905 году, были названы "гормонами" Эрнестом Старлингом. Вместе с Уильямом Бейлиссом Старлинг открыл секретин в 1902 году. Их работа, а также открытие Эрлом Уилбуром Сазерлендом циклического АМФ в 1956 году, привели к переопределению эндокринной сигнализации, ограничивая ее сигнализацией исключительно от желез, в то время как термины "автокринная" и "паракринная" начали использоваться. Сазерленд был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1971 году, а Леви Монтальчини и Коэн разделили ее в 1986 году. В 1970 году Мартин Родбелл исследовал влияние глюкагона на рецептор клеточной мембраны печени крысы. Он заметил, что гуанозинтрифосфат диссоциировал глюкагон от этого рецептора и стимулировал G-белок, который оказывал сильное влияние на метаболизм клетки. Таким образом, он пришел к выводу, что G-белок является трансдуктором, который принимает молекулы глюкагона и воздействует на клетку. За это он разделил Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1994 года с Альфредом Г. Гилманом. Таким образом, характеристика РТК и ГПЦР привела к формулированию концепции "трансдукции сигнала", слово, впервые использованное в 1972 году. В некоторых ранних статьях использовались термины "передача сигнала" и "сенсорная трансдукция". В 2007 году было опубликовано в общей сложности 48 377 научных статей, включая 11 211 обзорных статей. Термин впервые появился в названии статьи в 1979 году. Широкое использование термина связано с обзорной статьей Родбелла 1980 года: исследовательские работы, посвященные трансдукции сигналов, впервые стали появляться в большом количестве в конце 1980-х и начале 1990-х годов.
Трансдукция сигналов в иммунологии
Целью данного раздела является краткое описание некоторых достижений в иммунологии 1960-х и 1970-х годов, имеющих отношение к начальным стадиям трансмембранной передачи сигнала, и того, как они повлияли на наше понимание иммунологии и, в конечном итоге, других областей клеточной биологии. Ключевые события начинаются с секвенирования легких цепей миеломного белка, которые в большом количестве обнаруживаются в моче пациентов с множественной миеломой. Биохимические эксперименты показали, что эти так называемые белки Бенс-Джонса состоят из двух отдельных доменов – одного, который варьируется от молекулы к молекуле (V-домен), и другого, который остается неизменным (Fc-домен или кристаллизуемый фрагмент). Анализ множества последовательностей V-области, проведенный У и Кабатом, выявил гипервариабельные участки в V-области, которые, по их гипотезе, в сложенном белке формируют сайт распознавания антигена. Таким образом, за относительно короткий промежуток времени была разработана правдоподобная модель молекулярной основы иммунологической специфичности и опосредования биологической функции через Fc-домен. Вскоре последовала кристаллизация молекулы IgG, что подтвердило выводы, основанные на секвенировании, и позволило понять иммунологическую специфичность на самом высоком уровне разрешения. Биологическая значимость этих достижений была отражена в теории клонального отбора, согласно которой на поверхности B-клетки находятся иммуноглобулиновые рецепторы, чей антигенсвязывающий сайт идентичен сайту антител, секретируемых клеткой при контакте с антигеном, и, в частности, конкретный клон B-клеток секретирует антитела с идентичными последовательностями. Завершающим элементом стала модель жидкомозаичной плазматической мембраны, предоставившая все необходимые компоненты для новой модели инициации передачи сигнала, а именно – димеризации рецептора. Первые намеки на это были получены Беккером и соавторами, которые показали, что степень дегрануляции человеческих базофилов, для которых двухвалентный иммуноглобулин E (IgE) функционирует как поверхностный рецептор, зависит от концентрации анти-IgE антител, с которыми они контактируют, и приводит к перераспределению поверхностных молекул, что не наблюдается при использовании моновалентного лиганда. Последнее наблюдение согласуется с более ранними данными Фангера и соавторов. Эти наблюдения связали биологический ответ с событиями и структурными особенностями молекул на поверхности клетки. Вскоре накопилось множество доказательств того, что димеризация рецепторов инициирует ответ (обзор в) в различных типах клеток, включая B-клетки. Эти наблюдения привели к ряду теоретических (математических) разработок. Первой из них была простая модель, предложенная Беллом, которая разрешила кажущийся парадокс: кластеризация формирует стабильные сети, то есть связывание по сути необратимо, в то время как аффинность антител, секретируемых B-клетками, увеличивается по мере прогрессирования иммунного ответа. Теория динамики кластеризации клеточной поверхности на мембранах лимфоцитов была разработана ДеЛизи и Перелсоном, которые определили распределение размеров кластеров как функцию времени и его зависимость от аффинности и валентности лиганда. Последующие теории для базофилов и тучных клеток были разработаны Голдштейном и Соботкой и их коллегами, все они были направлены на анализ моделей дозовой зависимости иммунных клеток и их биологических коррелятов. См. для недавнего обзора кластеризации в иммунологических системах. Связывание лигандов с рецепторами клеточной поверхности также имеет решающее значение для подвижности, явление, которое лучше всего изучено в одноклеточных организмах. Примером является обнаружение и реакция на градиенты концентрации бактериями – классическая математическая теория, представленная в. Последний отчет можно найти в.