сверхчувствительность

В молекулярной биологии сверхчувствительность описывает выходной ответ, который более чувствителен к изменению стимула, чем гиперболический ответ Михаэлиса-Ментен . Сверхчувствительность является одним из биохимических переключателей клеточного цикла и участвует в ряде важных клеточных событий, включая выход из остановки клеточного цикла G2 в ооцитах Xenopus laevis , стадию, на которую клетка или организм не хотели бы возвращаться.

Сверхчувствительность — это клеточная система, которая запускает переход в другое клеточное состояние. Сверхчувствительность дает небольшой отклик на первый входной сигнал, но увеличение входного сигнала приводит к все более высоким уровням выходного сигнала. Это действует для фильтрации шума, поскольку для триггера необходимы небольшие стимулы и пороговые концентрации стимула (входного сигнала), который позволяет системе быстро активироваться. Сверхчувствительные реакции представлены сигмоидальными графиками, напоминающими кооперативность . Количественную оценку сверхчувствительности часто выполняют приблизительно по уравнению Хилла :

${\textstyle {\ce {Response}}={Stimulus^{n} \over ({\ce {EC50}}^{n}+Stimulus^{n})}}$

Где коэффициент Хилла (n) может представлять собой количественную меру сверхчувствительной реакции.

Схема сверхчувствительного ответа (сплошная линия). Для сравнения приведена кривая Михаэля (пунктирная линия).

Историческое развитие

Сверхчувствительность нулевого порядка была впервые описана Альбертом Голдбетером и Дэниелом Кошландом-младшим в 1981 году в статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences . они показали С помощью математического моделирования , что модификация ферментов, действующих за пределами кинетики первого порядка, требует лишь небольших изменений концентрации эффектора, чтобы вызвать большие изменения в количестве модифицированного белка. Это усиление обеспечило дополнительную чувствительность биологического контроля и показало его важность во многих биологических системах.

Многие биологические процессы являются бинарными (ВКЛ-ВЫКЛ), например, принятие решений о судьбе клеток, метаболические состояния и сигнальные пути. Сверхчувствительность — это переключатель, который помогает принимать решения в таких биологических процессах. Например, в процессе апоптоза модель показала, что положительная обратная связь ингибирования каспазы 3 (Casp3) и Casp9 ингибиторами апоптоза может привести к сверхчувствительности (бистабильности). Эта положительная обратная связь взаимодействует с опосредованным Casp3 расщеплением Casp9 по обратной связи, вызывая необратимость активации каспазы (включение), что приводит к апоптозу клеток. Другая модель также продемонстрировала сходные, но разные элементы контроля положительной обратной связи в белках семейства Bcl-2 в апоптотическом процессе.

Недавно Джейераман и др. предположили, что феномен сверхчувствительности можно дополнительно разделить на три подрежима, разделенных пороговыми значениями резких стимулов: ВЫКЛ, ВЫКЛ-ВКЛ-ВЫКЛ и ВКЛ. Основываясь на своей модели, они предположили, что этот подрежим сверхчувствительности, ВЫКЛ-ВКЛ-ВЫКЛ, подобен адаптации, подобной переключателю, которая может быть достигнута путем однонаправленного соединения N циклов фосфорилирования-дефосфорилирования, без каких-либо явных петель обратной связи.

В другой недавней работе подчеркивается, что не только топология сетей важна для создания реакций сверхчувствительности, но и то, что их состав (ферменты или факторы транскрипции) сильно влияет на то, будут ли они проявлять устойчивую сверхчувствительность. Математическое моделирование предполагает, что для широкого спектра сетевых топологий комбинация ферментов и факторов транскрипции имеет тенденцию обеспечивать более устойчивую сверхчувствительность, чем та, которая наблюдается в сетях, состоящих полностью из факторов транскрипции или полностью состоящих из ферментов.

Механизмы

Сверхчувствительность может быть достигнута за счет нескольких механизмов:

1. Многоступенчатые механизмы (примеры: сотрудничество) и многосайтовое фосфорилирование
2. Механизмы буферизации (примеры: ложные сайты фосфорилирования) или стехиометрические ингибиторы
3. Изменения локализации (например, транслокация через ядерную оболочку)
4. Механизмы насыщения (также известные как сверхчувствительность нулевого порядка)
5. Положительный отзыв
6. Алловалентность
7. Ультрачувствительность ненулевого порядка в мембранных белках
8. Диссипативная аллостерия

Многоступенчатые механизмы

Многоступенчатая сверхчувствительность возникает, когда один эффектор действует на несколько ступеней каскада. Последовательные каскадные сигналы могут привести к введению в сигнал более высоких уровней шума, который может повлиять на конечный выходной сигнал. Это особенно актуально для крупных каскадов, таких как жгутиковая регуляторная система, в которой сигнал главного регулятора передается через множество промежуточных регуляторов перед активацией транскрипции. Сверхчувствительность каскада может снизить шум и, следовательно, требует меньше усилий для активации. Кроме того, примером сверхчувствительности являются множественные события фосфорилирования. Недавнее моделирование показало, что множественные сайты фосфорилирования на мембранных белках могут служить для локального насыщения активности фермента. Подвижность белков на мембране значительно снижена по сравнению с белками в цитоплазме. Это означает, что мембранно-связанному ферменту, действующему на мембранный белок, потребуется больше времени, чтобы диффундировать. При добавлении нескольких сайтов фосфорилирования к мембранному субстрату фермент может - за счет сочетания повышенной локальной концентрации фермента и увеличения количества субстратов - быстро достичь насыщения.

Буферные механизмы

Буферные механизмы, такие как молекулярное титрование, могут вызывать сверхчувствительность. In vitro это можно наблюдать по простому механизму:

${\ce {A + B <=> AB}}$

Когда мономерная форма А активна и ее можно инактивировать путем связывания B с образованием гетеродимера AB. Когда концентрация $B_{T}$ ( = [B] + [AB]) намного больше, чем $K_{d}$, эта система имеет порог, определяемый концентрацией $B_{T}$. В концентрациях $A_{T}$ ( = [A] +[AB]), ниже, чем $B_{T}$, B действует как буфер для освобождения A, и почти весь A будет найден как AB. Однако в точке эквивалентности, когда $A_{T}$ ≈ $B_{T}$, $B_{T}$ больше не может сдерживать рост $A_{T}$, поэтому небольшое увеличение $A_{T}$ вызывает значительное увеличение А. Сила сверхчувствительности [А] к изменениям $A_{T}$ определяется $B_{T}$/ $K_{d}$. Сверхчувствительность возникает, когда это соотношение больше единицы, и увеличивается с увеличением этого отношения. Выше точки эквивалентности $A_{T}$ и A снова линейно связаны. In vivo синтез A и B, а также деградация всех трех компонентов усложняют возникновение сверхчувствительности. Если скорости синтеза A и B равны, эта система все равно проявляет сверхчувствительность в точке эквивалентности.

Одним из примеров механизма буферизации является секвестрация белка, которая является распространенным механизмом, обнаруженным в сигнальных и регуляторных сетях. В 2009 году Бухлер и Кросс создали синтетическую генетическую сеть, которая регулировалась путем секвестрации белка активатора транскрипции доминантно-негативным ингибитором. Они показали, что эта система приводит к гибкому сверхчувствительному ответу на экспрессию генов. Он гибок в том смысле, что степень сверхчувствительности можно изменять путем изменения уровней экспрессии доминантно-негативного ингибитора. Рисунок 1 в их статье иллюстрирует, как активный фактор транскрипции может быть секвестрирован ингибитором в неактивный комплекс AB, который не способен связываться с ДНК. Этот тип механизма приводит к реакции «все или ничего», или сверхчувствительности, когда концентрация регуляторного белка увеличивается до точки истощения ингибитора. Ниже этого порога концентрации существует надежная буферизация против реакции, и когда он достигается, любое небольшое увеличение входных данных усиливается, приводя к значительному изменению выходных данных.

Изменения в локализации

Транслокация

Трансдукция сигнала регулируется различными способами, и одним из способов является транслокация. Регулируемая транслокация вызывает сверхчувствительную реакцию главным образом тремя способами:

1. Регулируемая транслокация увеличивает локальную концентрацию сигнального белка. Когда концентрация сигнального белка достаточно высока, чтобы частично насытить фермент, который его инактивирует, генерируется сверхчувствительный ответ.
2. Транслокация нескольких компонентов сигнального каскада, при которой стимул (входной сигнал) вызывает транслокацию как сигнального белка, так и его активатора в один и тот же субклеточный компартмент и тем самым генерирует сверхчувствительный ответ, который увеличивает скорость и точность сигнала.
3. Транслокация в отсек, содержащий стехиометрические ингибиторы.

Транслокация является одним из способов регуляции передачи сигнала и может генерировать сверхчувствительные реакции, подобные переключателям, или механизмы многоступенчатой ​​обратной связи. Реакция, подобная переключателю, произойдет, если транслокация повысит локальную концентрацию сигнального белка. Например, рецепторы эпидермального фактора роста (EGF) могут быть интернализованы посредством клатрин-независимого эндоцитоза (CIE) и/или клатрин-зависимого эндоцитоза (CDE) в зависимости от концентрации лиганда. Было показано, что распределение рецепторов по двум путям зависит от концентрации EGF. В присутствии низких концентраций EGF рецептор интернализовался исключительно через CDE, тогда как при высоких концентрациях рецепторы распределялись поровну между CDE и CIE.

Механизмы насыщения (сверхчувствительность нулевого порядка)

Сверхчувствительность нулевого порядка имеет место в условиях насыщения. Например, рассмотрим ферментативную стадию с киназой, фосфатазой и субстратом. Стабильные уровни фосфорилированного субстрата имеют сверхчувствительную реакцию, когда субстрата достаточно для насыщения всех доступных киназ и фосфатаз. В этих условиях небольшие изменения в соотношении активности киназы и фосфатазы могут резко изменить количество фосфорилированного субстрата (график, иллюстрирующий это поведение, см. ). Это повышение чувствительности фосфорилированного субстрата в устойчивом состоянии к Km, или отношения активности киназы к фосфатазе, называется нулевым порядком, чтобы отличить его от поведения первого порядка, описываемого динамикой Михаэлиса-Ментен, где концентрация в устойчивом состоянии реагирует более постепенно, чем переключающее поведение, проявляющееся при сверхчувствительности.

Используя обозначения Голдбетера и Кошланда, пусть W будет определенным белком-субстратом и пусть W' будет ковалентно модифицированной версией W. Превращение W в W' катализируется некоторым ферментом. ${\ce {E1}}$ а обратное превращение W' в W катализируется вторым ферментом. ${\ce {E2}}$ согласно следующим уравнениям:

${\begin{array}{rcrcr}\\W+E_{1}&{\ce {<=>[a_1][d_1]}}&WE_{1}&{\ce {->[k_1]}}&W'+E_{1}\\{}\\W'+E_{2}&{\ce {<=>[a_2][d_2]}}&W'E_{2}&{\ce {->[k_2]}}&W+E_{2}\\{}\end{array}}$

Концентрации всех необходимых компонентов (таких как АТФ) считаются постоянными и представлены в виде кинетических констант. Используя приведенные выше химические уравнения, уравнения скорости реакции для каждого компонента выглядят следующим образом:

${\frac {d[W]}{dt}}=-a_{1}[W][E_{1}]+d_{1}[WE_{1}]+k_{2}[W'E_{2}]$

${\frac {d[WE_{1}]}{dt}}=a_{1}[W][E_{1}]-(d_{1}+k_{1})[WE_{1}]$

${\frac {d[W']}{dt}}=-a_{2}[W'][E_{2}]+d_{2}[W'E_{2}]+k1[WE_{1}]$

${\frac {d[W'E_{2}]}{dt}}=a_{2}[W'][E_{2}]-(d_{2}+k_{2})[W'E_{2}]$

Общая концентрация каждого компонента определяется выражением:

$[W_{T}]=[W]+[W']+[WE_{1}]+[W'E_{2}]$

$[E_{1T}]=[E_{1}]+[WE_{1}]$

$[E_{2T}]=[E_{2}]+[W'E_{2}]$

Механизм нулевого порядка предполагает, что $[W_{T}]\gg [E_{1}]$ или $[E_{2}]$. Другими словами, система находится в устойчивом состоянии Михаэлиса-Ментен, что означает, в хорошем приближении, $[WE_{1}]$ и $[W'E_{2}]$ постоянны. Из этих кинетических выражений можно решить $V_{1}/V_{2}$ в устойчивом состоянии, определяющем $W=[W]/[W_{T}]$ и $W=1-W'$

${\frac {V_{1}}{V_{2}}}={\frac {W'\left(1-W'+K_{1}\right)}{\left(1-W'\right)\left(W'+K_{2}\right)}},$

где $k_{1}[WE_{1}]=k_{2}[W'E_{2}]$ и

$V_{1}=k_{1}[E_{1T}],$

$V_{2}=k_{2}[E_{2T}],$

$K_{1}={\frac {d_{1}+k_{1}}{a_{1}[W_{T}]}}={\frac {K_{M1}}{[W_{T}]}},$

$K_{2}={\frac {d_{2}+k_{2}}{a_{2}[W_{T}]}}={\frac {K_{M2}}{[W_{T}]}}.$

Когда $V_{1}/V_{2}$ построен график зависимости молярного соотношения $W'$ и $W$ видно, что преобразование W в W' происходит при гораздо меньшем изменении $V_{1}/V_{2}$ соотношение, чем в условиях первого порядка (ненасыщающих), что является явным признаком сверхчувствительности.

Положительный отзыв

Петли положительной обратной связи могут вызывать сверхчувствительные реакции. Примером этого является транскрипция некоторых эукариотических генов, в которых некооперативное связывание транскрипционных факторов изменяет петли положительной обратной связи модификации гистонов, что приводит к сверхчувствительной активации транскрипции. Связывание транскрипционного фактора привлекает гистон-ацетилтрансферазы и метилтрансферазы. Ацетилирование и метилирование гистонов привлекают больше ацетилтрансфераз и метилтрансфераз, что приводит к возникновению петли положительной обратной связи. В конечном итоге это приводит к активации транскрипции.

Кроме того, положительная обратная связь может вызвать бистабильность циклина B1 - двух регуляторов Wee1 и Cdc25C, что приводит к решению клетки совершить митоз. Система не может быть стабильной при промежуточных уровнях циклина B1, и переход между двумя стабильными состояниями происходит резко, когда повышение уровня циклина B1 переключает систему с низкой активности на высокую. Обладая гистерезисом , для разных уровней циклина B1 переключение с низкого на высокое и с высокого на низкое состояния различается. Однако на появление бистабильной системы сильно влияет чувствительность ее контуров обратной связи. было показано На экстрактах яиц Xenopus , что гиперфосфорилирование Cdc25C является высокочувствительной функцией активности Cdk, демонстрируя высокое значение коэффициента Хилла (около 11), а также стадию дефосфорилирования Ser 287 в Cdc25C (также участвующего в активации Cdc25C). еще более сверхчувствителен, его коэффициент Хилла равен примерно 32.

Алловалентность

Предлагаемый механизм сверхчувствительности, называемый алловалентностью, предполагает, что активность «происходит из высокой локальной концентрации сайтов взаимодействия, движущихся независимо друг от друга». Алловалентность была впервые предложена, когда считалось, что она возникает на пути разрушения Sic1 , чтобы Cdk1 -Clb ( циклины B-типа ) могли войти в митоз. Sic1 должен быть фосфорилирован несколько раз, чтобы его распознал и разложил Cdc4 комплекса SCF . Поскольку Cdc4 имеет только один сайт узнавания этих фосфорилированных остатков, было высказано предположение, что по мере увеличения степени фосфорилирования экспоненциально увеличивается вероятность того, что Sic1 распознается и разрушается Cdc4. Считалось, что этот тип взаимодействия относительно невосприимчив к потере какого-либо одного сайта и легко настраивается на любой заданный порог путем регулирования свойств отдельных сайтов. Предположения о механизме алловалентности основывались на общей математической модели, описывающей взаимодействие между поливалентным неупорядоченным лигандом и единственным рецепторным участком. Позже было обнаружено, что сверхчувствительность уровней Cdk1 из-за деградации Sic1 на самом деле обусловлена ​​петлей положительной обратной связи.

Ультрачувствительность ненулевого порядка в мембранных белках

Modeling by Dushek et al. предлагает возможный механизм сверхчувствительности вне режима нулевого порядка. В случае мембраносвязанных ферментов, действующих на мембраносвязанные субстраты с несколькими ферментативными сайтами (такими как тирозинфосфорилированные рецепторы, такие как рецептор Т-клеток), можно наблюдать сверхчувствительные реакции, решающим образом зависящие от трех факторов: 1) ограниченная диффузия в мембране, 2) множественные сайты связывания на субстрате и 3) кратковременная ферментативная инактивация после катализа.

В этих конкретных условиях, хотя фермент может находиться в избытке по отношению к субстрату (режим первого порядка), фермент эффективно локально насыщается субстратом из-за множественных сайтов связывания, что приводит к реакциям, подобным переключениям. Этот механизм сверхчувствительности не зависит от концентрации фермента, однако сигнал значительно усиливается в зависимости от количества сайтов связывания на субстрате. Оба условных фактора (ограниченная диффузия и инактивация) физиологически возможны, но еще не подтверждены экспериментально. Моделирование Душека обнаружило увеличение числа кооперативных связей Хилла с увеличением количества сайтов субстрата (сайтов фосфорилирования) и с большими стерическими / диффузионными препятствиями между ферментом и субстратом. Этот механизм сверхчувствительности, основанный на локальном насыщении ферментов, частично возникает из-за пассивных свойств медленной мембранной диффузии и, следовательно, может быть широко применим.

Диссипативная аллостерия

Было предложено, чтобы бактериальный жгутиковый мотор следовал диссипативной аллостерической модели, в которой сверхчувствительность проявляется как комбинация сродства к связыванию белка и энергетического вклада от движущей силы протонов (см. Жгутиковые моторы и хемотаксис ниже).

Влияние вышестоящих и последующих компонентов на сверхчувствительность модуля

В живой клетке сверхчувствительные модули встроены в более крупную сеть с восходящими и нисходящими компонентами. Эти компоненты могут ограничивать диапазон входных данных, которые модуль будет получать, а также диапазон выходных сигналов модуля, которые сеть сможет обнаружить. Альтшилер и др. (2014) изучили, как эти ограничения влияют на эффективную сверхчувствительность модульной системы. Для некоторых сверхчувствительных модулей они обнаружили, что ограничения динамического диапазона, налагаемые последующими компонентами, могут обеспечить эффективную чувствительность, намного большую, чем у исходного модуля, если рассматривать его изолированно.

Коэффициент Хилла

Сверхчувствительное поведение обычно представляет собой сигмоидальную кривую, когда небольшие изменения в стимуле $[L]$ может вызвать большие изменения в ответе $\theta$. Одним из таких соотношений является уравнение Хилла :

$\theta ={\frac {[L]^{n}}{K_{d}+[L]^{n}}}={\frac {[L]^{n}}{(K_{A})^{n}+[L]^{n}}},$

где $n$ - это коэффициент Хилла, который количественно определяет крутизну сигмоидальной кривой стимул-реакция и, следовательно, является параметром чувствительности. Его часто используют для оценки кооперативности системы. Коэффициент Хилла больше единицы указывает на положительную кооперативность и, таким образом, система проявляет сверхчувствительность. Системы с коэффициентом Хилла, равным 1, некооперативны и следуют классической кинетике Михаэлиса-Ментен. Ферменты, проявляющие некооперативную активность, представлены гиперболическими кривыми стимул/реакция по сравнению с сигмоидальными кривыми для кооперативных (сверхчувствительных) ферментов. При передаче сигнала митоген-активируемой протеинкиназой (MAPK) (см. пример ниже) сверхчувствительность передачи сигнала поддерживается сигмоидальной кривой стимул/ответ, которая сравнима с ферментом с коэффициентом Хилла 4,0-5,0. Это еще более сверхчувствительно к кооперативной связывающей активности гемоглобина, коэффициент Хилла которого составляет 2,8.

Расчет

С эксплуатационной точки зрения коэффициент Хилла можно рассчитать как:

$n_{H}={\frac {\ce {\log(81)}}{\ce {\log(EC90/EC10)}}}$.

где ${\ce {EC90}}$ и ${\ce {EC10}}$ — это входные значения, необходимые для получения 10% и 90% максимального ответа соответственно.

Коэффициент отклика

Меры глобальной чувствительности, такие как коэффициент Хилла, не характеризуют локальное поведение s-образных кривых. Вместо этого эти особенности хорошо фиксируются показателем коэффициента отклика. определяется как:

$R(x)={\frac {x}{y}}{\frac {dy}{dx}}$

В системной биологии такие реакции системы называются коэффициентами управления . В частности, коэффициенты контроля концентрации измеряют реакцию концентраций на изменения данного входного сигнала. Кроме того, в рамках более общего анализа биохимического контроля такие реакции можно описать с точки зрения отдельных локальных реакций, называемых эластичностью .

Связь между коэффициентом Хилла и коэффициентом отклика

Альтшилер и др. (2017) показали, что эти показатели сверхчувствительности можно связать следующим уравнением:

$n_{H}=2{\frac {\int _{\ce {\log(EC10)}}^{\ce {\log(EC90)}}R_{f}(I)d(\log I)}{\ce {\log(EC90)-\log(EC10)}}}=2\langle R_{f}\rangle _{\ce {EC10,EC90}}$

где $\langle X\rangle _{a,b}$ обозначает среднее значение переменной x в диапазоне [a,b].

Сверхчувствительность функционального состава

Рассмотрим два связанных сверхчувствительных модуля, не учитывая эффекты секвестрации молекулярных компонентов между слоями. В этом случае выражение для кривой доза-реакция системы $F$, является результатом математического состава функций, $f_{i}$, которые описывают взаимосвязь ввода/вывода изолированных модулей. $i=1,2$:

$F(I_{1})=f_{2}{\big (}f_{1}(I_{1}){\big )}$

Браун и др. (1997) показали, что локальная сверхчувствительность разных слоев мультипликативно объединяется:

$R(x)=R_{2}(f_{1}(x)).R_{1}(x)$.

В связи с этим результатом Феррелл и др. (1997) показал для модулей типа Хилла, что общая глобальная сверхчувствительность каскада должна быть меньше или равна произведению оценок глобальной сверхчувствительности каждого слоя каскада,

$n\leq n_{1}.n_{2}$,

где $n_{1}$ и $n_{2}$ – коэффициент Хилла модулей 1 и 2 соответственно.

Альтшилер и др. (2017) показали, что глобальную сверхчувствительность каскада можно рассчитать аналитически:

$n=2\overbrace {\langle R_{2}\rangle _{X10_{2},X90_{2}}} ^{\nu _{2}}\overbrace {\langle R_{1}\rangle _{X10_{1},X90_{1}}} ^{\nu _{1}}=2\,\nu _{2}\,\nu _{1}$

где $X10_{i}$ и $X90_{i}$ ограничил рабочий диапазон входа Хилла составной системы, т. е. входные значения для i-го слоя так, чтобы последний слой (соответствующий $i=2$ в данном случае) достигли 10% и 90% от максимального уровня выпуска. Из этого уравнения следует, что коэффициент Хилла системы $n$ можно записать как произведение двух факторов: $\nu _{1}$ и $\nu _{2}$, который характеризовал локальную среднюю чувствительность в соответствующей входной области для каждого слоя: $[X10_{i},X90_{i}]$, с $i=1,2$ в этом случае.

В более общем случае каскада $N$ модулей, коэффициент Хилла может быть выражен как:

$n=\nu _{N}\,\nu _{N-1}...\nu _{1}$,

Супрамультипликативность

Некоторые авторы сообщили о существовании супрамультипликативного поведения в сигнальных каскадах. (т.е. сверхчувствительность комбинации слоев выше, чем произведение индивидуальных сверхчувствительность), но во многих случаях окончательное происхождение супрамультипликативности оставалось неясным. Альтшилер и др. (2017) Фреймворк естественным образом предложил общий сценарий, в котором может иметь место супрамультипликативное поведение. Это могло произойти, когда для данного модуля соответствующий входной рабочий диапазон Хилла находился во входной области с локальной сверхчувствительностью, превышающей глобальную ультрачувствительность соответствующей кривой зависимости доза-реакция.

Роль в клеточных процессах

Сигнальный каскад MAP-киназы

Повсеместным сигнальным мотивом, проявляющим сверхчувствительность, является каскад MAPK ( митоген-активируемая протеинкиназа ), который может принимать градуированный входной сигнал и производить выходные сигналы, подобные переключателю, такие как транскрипция гена или прогрессирование клеточного цикла . В этом общем мотиве МАРК активируется более ранней киназой в каскаде, называемой киназой МАРК или МАПКК. Аналогично, MAPKK активируется киназой MAPKK или MAPKKK. Эти киназы последовательно фосфорилируются при активации MAPKKK, обычно посредством сигнала, получаемого мембраносвязанным рецепторным белком. MAPKKK активирует MAPKK, а MAPKK активирует MAPK. Сверхчувствительность возникает в этой системе из-за нескольких особенностей:

1. И MAPK, и MAPKK требуют активации двух отдельных событий фосфорилирования.
2. Обращение фосфорилирования МАРК специфическими фосфатазами требует увеличения концентрации сигналов активации от каждой предшествующей киназы для достижения результата той же величины.
3. МАРКК находится в концентрации выше K _Μ для ее специфической фосфатазы, а МАРК находится в концентрации выше K _Μ для МАПКК.

Ультрачувствительность в митоген-активируемом протеинкиназном каскаде (MAP)

Помимо каскада МАРК, сверхчувствительность также наблюдалась при мышечном гликолизе, фосфорилировании изоцитратдегидрогеназы и активации кальмодулин-зависимой протеинкиназы II (CAMKII).

Сверхчувствительный переключатель был создан путем объединения простого линейного сигнального белка (N-WASP) с одним-пятью модулями взаимодействия SH3 , которые обладают аутоингибирующими и кооперативными свойствами. Добавление одного модуля SH3 создало переключатель, который линейно активировался экзогенным SH3-связывающим пептидом. Увеличение количества доменов увеличивало сверхчувствительность. Конструкция с тремя модулями SH3 была активирована с кажущимся коэффициентом Хилла 2,7, а конструкция с пятью модулями SH3 была активирована с кажущимся коэффициентом Хилла 3,9.

Транслокация

Во время фазы G2 клеточного цикла Cdk1 и циклин B1 образуют комплекс и образуют фактор, способствующий созреванию (MPF). Комплекс накапливается в ядре за счет фосфорилирования циклина B1 во многих местах, что ингибирует ядерный экспорт комплекса. Фосфорилирование остатков Thr19 и Tyr15 Cdk1 с помощью Wee1 и MYT1 сохраняет комплекс неактивным и ингибирует вступление в митоз, тогда как дефосфорилирование Cdk1 фосфатазой CDC25C по остаткам Thr19 и Tyr15 активирует комплекс, необходимый для вступления в митоз. Фосфатаза Cdc25C присутствует в цитоплазме и в поздней фазе G2 транслоцируется в ядро ​​посредством передачи сигналов, таких как PIK1, ПИК3. Регулируемая транслокация и накопление множества необходимых компонентов сигнального каскада, MPF и его активатора Cdc25, в ядре вызывает эффективную активацию MPF и обеспечивает сверхчувствительный переход в митоз.

Фигура показывает различные возможные механизмы того, как усиление регуляции локализации сигнальных компонентов стимулом (входным сигналом) сдвигает выходной сигнал от михаэловского ответа к сверхчувствительному ответу. Когда стимул регулирует только ингибирование ядерного экспорта Cdk1-cyclinB1, результатом является реакция Михаэля, рис. (а). Но если стимул может регулировать локализацию нескольких компонентов сигнального каскада, т.е. ингибировать ядерный экспорт Cdk1-циклинB1 и транслокацию Cdc25C в ядро, то результатом будет сверхчувствительная реакция, рис (b). По мере того, как большее количество компонентов сигнального каскада регулируется и локализуется стимулом, т.е. ингибирование ядерного экспорта Cdk1-циклинB1, транслокация Cdc25C в ядро ​​и активация Cdc25C, выходной ответ становится все более и более сверхчувствительным, рис (c). .

Буферизация (приманка)

Во время митоза ориентация митотического веретена важна для определения места борозды расщепления и положения дочерних клеток для последующего определения клеточной судьбы . Эта ориентация достигается за счет поляризации корковых факторов и быстрого выравнивания веретена с осью полярности. У плодовых мушек было обнаружено три корковых фактора, регулирующих положение веретена: гетеротримерная α-субъединица G-белка (Gαi), Партнер Inscuteable (Pins), и Дефект грибовидного тела (грязь). Gαi локализуется в апикальной коре головного мозга для привлечения пинов. При связывании с Gαi, связанным с ВВП, Pins активируется и привлекает грязь для достижения поляризованного распределения корковых факторов. N-концевые тетратрикопептидные повторы (TPR) в Pins являются областью связывания для Mud, но они автоматически ингибируются внутренними C-концевыми доменами GoLoco (GL) в отсутствие Gαi. Активация пинов путем связывания Gαi с GL очень сверхчувствительна и достигается с помощью следующего механизма ловушки: GL 1 и 2 действуют как домены-ловушки, конкурируя с регуляторным доменом GL3 за входные данные Gαi. Этот внутримолекулярный механизм-ловушка позволяет Пинсу устанавливать его порог и крутизну в ответ на определенную концентрацию Gαi. При низких входных сигналах Gαi предпочтительно связываются ложные GL 1 и 2. При промежуточной концентрации Gαi ловушки почти насыщаются, и GL3 начинает заселяться. При более высокой концентрации Gαi приманки полностью насыщаются, и Gαi связывается с GL3, что приводит к активации Pins. Сверхчувствительность Pins в ответ на Gαi гарантирует, что Pins активируется только в апикальной коре головного мозга, где концентрация Gαi превышает пороговое значение, что обеспечивает максимальное рекрутирование грязи.

Переключение поведения GTPases

ГТФазы – это ферменты, способные связывать и гидролизовать гуанозинтрифосфат (ГТФ). Малые GTPases, такие как Ran и Ras, могут существовать либо в форме, связанной с GTP (активной), либо в форме, связанной с GDP (неактивной), и преобразование между этими двумя формами обеспечивает им поведение, подобное переключению. Таким образом, малые GTPases участвуют во многих клеточных событиях, включая ядерную транслокацию и передачу сигналов. Переходу между активным и неактивным состояниями способствуют факторы обмена гуаниновых нуклеотидов (GEF) и белки, активирующие ГТФазу (GAP).

Компьютерные исследования переключения поведения ГТФаз показали, что система ГТФаза-GAP-GEF проявляет сверхчувствительность. В своем исследовании Липштат и др. смоделировали влияние уровней активации GEF и GAP на сигнальную сеть активации Rap в ответ на сигналы от активированных α2-адренергических (α2R) рецепторов, которые приводят к деградации активированного Rap GAP. Они обнаружили, что поведение переключения активации Rap было сверхчувствительным к изменениям концентрации (т.е. амплитуды) и продолжительности сигнала α2R, что давало коэффициенты Хилла nH=2,9 и nH=1,7 соответственно (коэффициент Хилла больше nH=1). характерна сверхчувствительность ). Авторы подтвердили это экспериментально, обрабатывая нейробласты HU-210, который активирует RAP посредством деградации Rap GAP. Ультрачувствительность наблюдалась как дозозависимым образом (nH=5±0,2) при обработке клеток различными концентрациями HU-210 в течение фиксированного времени, так и в зависимости от продолжительности (nH=8,6±0,8) при обработке клеток с фиксированной концентрацией HU-210 в разное время.

Путем дальнейшего изучения системы авторы определили, что (степень отзывчивости и сверхчувствительности) сильно зависит от двух параметров: исходного соотношения kGAP/kGEF, где k включает в себя как концентрацию активных GAP или GEF, так и их соответствующие кинетические скорости; и влияние сигнала, которое является произведением скорости деградации активированного GAP и либо амплитуды сигнала, либо продолжительности сигнала. Параметр kGAP/kGEF влияет на крутизну перехода из двух состояний переключения ГТФазы, причем более высокие значения (~10) приводят к сверхчувствительности. Воздействие сигнала влияет на точку переключения. Следовательно, в зависимости от соотношения концентраций, а не от индивидуальных концентраций, переключающее поведение системы может проявляться и вне режима нулевого порядка.

Ультрачувствительность и нейрональное потенцирование

Постоянная стимуляция синапса нейрона может привести к совершенно разным результатам для постсинаптического нейрона. Продолжительная слабая передача сигналов может привести к долгосрочной депрессии (LTD), при которой для активации постсинаптического нейрона требуется более сильный сигнал, чем до инициации LTD. Напротив, долговременная потенциация (ДП) возникает, когда постсинаптический нейрон подвергается сильному стимулу, и это приводит к усилению нервного синапса (т. е. для активации требуется меньше сигнала нейромедиатора).

В области СА1 гиппокампа решение между LTD и LTP опосредовано исключительно уровнем внутриклеточного ${\ce {\scriptstyle Ca^{2}+}}$ в постсинаптическом дендритном отростке. Низкий уровень ${\ce {\scriptstyle Ca^{2}+}}$ (в результате стимуляции низкого уровня) активирует протеинфосфатазу кальциневрин , которая индуцирует LTD. Более высокие уровни ${\ce {\scriptstyle Ca^{2}+}}$ приводит к активации $\scriptstyle \color {Blue}{\ce {Ca^2+}}$/кальмодулинзависимая протеинкиназа II (CaMKII), приводящая к LTP. Разница в Ca ²⁺ Концентрация, необходимая для того, чтобы клетка подверглась LTP, лишь незначительно выше, чем для LTD, и поскольку нейроны демонстрируют бистабильность (либо LTP, либо LTD) после постоянной стимуляции, это предполагает, что один или несколько компонентов системы реагируют в виде переключения или сверхчувствительно. образом. Брэдшоу и др. продемонстрировали, что CaMKII (индуктор LTP) сверхчувствительно реагирует на внутриклеточные уровни кальция, с активностью <10% при 1,0 мкМ и активностью ~90% при 1,5 мкМ, что приводит к коэффициенту Хилла ~8. Дальнейшие эксперименты показали, что эта сверхчувствительность опосредована кооперативным связыванием CaMKII двумя молекулами кальмодулина (CaM) и аутофосфорилированием активированного CaMKII, приводящим к образованию петли положительной обратной связи.

Таким образом, внутриклеточный кальций может вызывать постепенную, неультрачувствительную активацию кальциневрина на низких уровнях, что приводит к LTD, тогда как сверхчувствительная активация CaMKII приводит к пороговому внутриклеточному уровню кальция, который создает петлю положительной обратной связи, которая усиливает сигнал и приводит к к противоположному клеточному результату: LTP. Таким образом, связывание одного субстрата с несколькими ферментами с различной чувствительностью облегчает принятие бистабильного решения о том, будет ли клетка подвергаться LTD или LTP.

Сверхчувствительность в развитии

Было высказано предположение, что сверхчувствительность нулевого порядка может генерировать пороговые значения во время развития, позволяющие конвертировать градуированный входной сигнал морфогена в ответ, подобный бинарному переключателю. Мелен и др. (2005) нашли доказательства существования такой системы в формировании паттерна дрозофилы эмбриональной вентральной эктодермы . В этой системе градуированная активность митоген-активируемой протеинкиназы (MAPK) преобразуется в бинарный результат - деградацию транскрипционного репрессора Ян по принципу «все или ничего». Они обнаружили, что MAPK-фосфорилирование Яна одновременно необходимо и достаточно для деградации Яна. В соответствии с ультрачувствительностью нулевого порядка увеличение белка Yan удлиняло время, необходимое для деградации, но не влияло на границу деградации Yan в развивающихся эмбрионах. Их результаты соответствуют ситуации, когда большой запас Ян либо полностью деградирует, либо сохраняется. Конкретный ответ каждой клетки зависит от того, больше или меньше скорость обратимого Ян-фосфорилирования с помощью МАРК, чем дефосфорилирования. Таким образом, небольшое увеличение фосфорилирования МАРК может сделать его доминирующим процессом в клетке и привести к полной деградации Ян.

Механизм многоступенчатой ​​обратной связи также приводит к сверхчувствительности.

Механизм многоступенчатой ​​петли обратной связи также приводит к сверхчувствительности. Существует статья, в которой рассказывается о разработке синтетических петель обратной связи с использованием пути митоген-активируемой протеинкиназы (MAP) спаривания дрожжей в качестве модельной системы.

В пути спаривания дрожжей: альфа-фактор активирует рецепторы Ste2 и Ste4, а активированный Ste4 рекрутирует комплекс Ste5 на мембрану, позволяя PAK-подобной киназе Ste20 (мембранной локализации) активировать MAPKKK Ste11. Ste11 и нижестоящие киназы Ste7 (MAPKK) и Fus3 (MAPK) колокализуются на каркасе, и активация каскада приводит к программе транскрипции. Они использовали модуляторы путей вне основного каскада: Ste50 способствует активации Ste11 с помощью Ste20; Msg5 (отрицательный, красный) представляет собой МАРК-фосфатазу, которая деактивирует Fus3 (рис.2А).

То, что они построили, представляло собой схему с улучшенным поведением сверхчувствительного переключения за счет конститутивной экспрессии отрицательного модулятора, Msg5, который является одной из фосфатазы MAPK, и индуцируемой экспрессии положительного модулятора, Ste50, который является модулятором пути вне основного каскада (рис. 2B). Успех этой инженерной стратегии, основанной на рекрутинге, предполагает, что возможно перепрограммировать клеточные реакции с высокой точностью.

Жгутиковые моторы и хемотаксис

Направление вращения E. coli контролируется переключателем жгутикового двигателя . Кольцо из 34 белков FliM вокруг ротора связывает CheY, состояние фосфорилирования которого определяет, вращается ли двигатель по часовой стрелке или против часовой стрелки. Механизм быстрого переключения объясняется сверхчувствительным откликом, коэффициент Хилла которого составляет ~10. Было предложено следовать этой системе диссипативной аллостерической модели, в которой переключение вращения является результатом как связывания CheY, так и потребления энергии от движущей силы протона , которая также приводит в действие вращение жгутика.

Разработка синтетического сверхчувствительного сигнального пути

Недавно было показано, что михаэловский сигнальный путь может быть преобразован в сверхчувствительный сигнальный путь путем введения двух петель положительной обратной связи. В этом подходе синтетической биологии Палани и Саркар начали с линейного, ступенчатого пути ответа, пути, который показал пропорциональное увеличение выходного сигнала относительно количества входного сигнала в определенном диапазоне входных сигналов. Этот простой путь состоял из мембранного рецептора, киназы и фактора транскрипции. При активации мембранный рецептор фосфорилирует киназу, которая перемещается в ядро, и фосфорилирует фактор транскрипции, который включает экспрессию генов. Чтобы превратить эту систему ступенчатого ответа в сверхчувствительный сигнальный путь, похожий на переключатель, исследователи создали две петли положительной обратной связи. В сконструированной системе активация мембранного рецептора приводила к усилению экспрессии как самого рецептора, так и транскрипционного фактора. Это было достигнуто путем размещения промотора, специфичного для этого транскрипционного фактора, перед обоими генами. Авторам удалось продемонстрировать, что синтетический путь обладает высокой сверхчувствительностью и бистабильностью.

Недавний компьютерный анализ влияния концентрации сигнального белка на наличие сверхчувствительного ответа привел к дополнительным выводам о влиянии концентрации сигнального белка на преобразование дифференцированного ответа в сверхчувствительный. Однако вместо того, чтобы сосредоточиться на генерации сигнальных белков посредством положительной обратной связи, исследование сосредоточилось на том, как динамика выхода сигнального белка из системы влияет на реакцию. Сойер, Кувахара и Чикаш-Надь разработали сигнальный путь, состоящий из белка (P), который обладает двумя возможными состояниями (немодифицированный P или модифицированный P*) и может быть модифицирован входящим стимулом E. Более того, хотя немодифицированной форме P разрешено входить или выходить из системе P* разрешено только покинуть (т.е. он не генерируется где-либо еще). Изменяя параметры этой системы, исследователи обнаружили, что модификация P на P* может переключаться между градуированным ответом и сверхчувствительным ответом за счет изменения скоростей выхода P и P* относительно друг друга. Переход от сверхчувствительного ответа на E и ступенчатого ответа на E возникал, когда эти две скорости переходили от очень похожих к очень разным, независимо от кинетики самого преобразования P в P *. Это открытие предполагает, по крайней мере, две вещи: 1) упрощающее предположение о том, что уровни сигнальных молекул остаются постоянными в системе, может серьезно ограничить понимание сложности сверхчувствительности; и 2) возможно искусственно индуцировать или ингибировать сверхчувствительность, регулируя скорость входа и выхода сигнальных молекул, занимающих интересующую систему.

Ограничения модульности

Было показано, что интеграция данного синтетического сверхчувствительного модуля с вышестоящими и последующими компонентами часто изменяет его возможности обработки информации. Это влияние необходимо учитывать в процессе проектирования.

См. также

• Логистическая функция
• Ступенчатая функция Хевисайда
• Стимул (физиология)
• Уравнение Хилла (биохимия)