Клетки могут «слышать» ответ на свои сигналы
Известно, что клетки выделяют химические сигналы в ответ на внешние условия, запуская внутренние реакции. Однако новое исследование показывает, что такая коммуникация — улица с двусторонним движением: сигнальные механизмы клеток могут определять, принимаются ли их сигналы, и при необходимости регулировать «громкость» своих сообщений.
Клетки используют эти химические сигнальные системы для контроля многих базовых функций: включения и выключения генов, роста, организации внутренних структур и даже запуска апоптоза (запрограммированной гибели клеток).
Новое открытие может привести к новым способам тонкого контроля выхода сигнальных молекул клетками. Это может быть полезно для синтетической биологии и, например, для замедления распространения раковых клеток.
Исследователи под руководством Домитиллы Дель Веккьо из MIT три года назад предположили, что сигнальные системы внутри клеток могут обнаруживать и реагировать на близлежащие рецепторы для своих сигналов. Их новая работа представляет первые прямые экспериментальные доказательства в поддержку этой теории.
Статья с этими «удивительными» и «неинтуитивными» результатами была опубликована в октябре в журнале Science Signaling. В работе также участвовали исследователи из Мичиганского университета, Университета Буэнос-Айреса и Университета Рутгерса.
Эффект аналогичен взаимодействию электрических или гидравлических систем с так называемой нагрузкой. Например, когда вы смываете воду в туалете, давление воды в ближайшем кране может упасть. Точно так же, когда клетка выделяет сигнальные молекулы, время ее реакции изменится, если есть «нисходящие мишени» — рецепторы внутри клетки, принимающие сигнал. Это сравнение может помочь ученым понять, как использовать новые знания о поведении клеток.
Эти системы — «строительные блоки, используемые для передачи информации извне клетки, через клеточную мембрану, внутрь, где происходят процессы, определяющие реакцию клетки». Новое понимание дает ученым представление о том, «как реальные организмы анализируют информацию, поступающую извне мембраны».
Это понимание может в конечном итоге привести к новым способам контроля некоторых болезненных процессов. «Многие недавние статьи говорят о том, что образование рака может быть связано с нарушением сигналинга», — отмечает Дель Веккьо. Это открытие может предложить пример метода, который клетки используют для контроля передачи сигналов, что может помочь найти новые способы целенаправленного управления этими системами.
«В принципе, это дает нам способ настраивать поведение системы, что раньше не было известно. Кроме того, это дает нам представление о том, как мы можем создавать устройства» для использования этого механизма.
Еще одно возможное применение — создание клеток, которые могут реагировать (например, изменением цвета) на определенные болезнетворные вещества или токсины, создавая таким образом очень чувствительные биологические детекторы.
«Сигнальные каскады часто изображаются как однонаправленные», — говорит Станислав Шварцман из Принстонского университета. Но более ранняя работа Дель Веккьо и коллег «утверждала, что эта картина далека от истины даже в очень простых каскадах». Теперь в новой статье они «предоставляют убедительное доказательство своей более ранней теории. Результаты их прекрасно спланированных и тщательно выполненных экспериментов глубоко влияют на наше понимание передачи сигналов в клеточных сетях».