Buněčná signalizace je součástí komplexního systému komunikace, který řídí základní buněčné aktivity a koordinuje buněčné akce. Schopnost buněk vnímat a správně reagovat na své mikroprostředí je základem vývoje, obnovy tkání a imunity, stejně jako normální tkáňové homeostázy. Chyby ve zpracování buněčných informací jsou zodpovědné za nemoci, jako je rakovina, autoimunita a cukrovka. Pochopením buněčné signalizace můžeme účinně léčit nemoci a potenciálně budovat umělé tkáně.
Tradiční práce v biologii se zaměřila na studium jednotlivých částí buněčných signálních drah. Výzkum v oblasti systémové biologie nám pomáhá porozumět základní struktuře buněčných signálních sítí a tomu, jak mohou změny v těchto sítích ovlivnit přenos informací.
Jednobuněčná a mnohobuněčná signalizace buněk organismu
Obrázek 1. Příklad signalizace mezi bakteriemi. Salmonella enteritidis používá acyl-homoserinový lakton pro snímání Quorum (viz: Interbakteriální komunikace)
Buněčná signalizace byla nejrozsáhleji studována v souvislosti s lidskými chorobami a signalizací mezi buňkami jednoho organismu. Buněčná signalizace se však může vyskytovat i mezi buňkami dvou různých organismů. U mnoha savců si časné embryové buňky vyměňují signály s buňkami dělohy . V lidském gastrointestinálním traktu si bakterie vyměňují signály mezi sebou a s buňkami lidského epitelu a imunitního systému . U kvasinek Saccharomyces cerevisiae během páření některé buňky vysílají do svého prostředí peptidový signál (faktor páření). Peptid faktoru páření se může vázat na receptor povrchu buňky na jiných kvasinkových buňkách a přimět je k přípravě na páření.
Obrázek 2. Zářezem zprostředkovaný juxtakrínový signál mezi sousedními buňkami.
Některá komunikace buňky s buňkou vyžaduje přímý kontakt buňky s buňkou. Některé buňky mohou vytvářet mezerové spoje, které spojují jejich cytoplazmu s cytoplazmou sousedních buněk. V srdečním svalu mezerové spoje mezi sousedními buňkami umožňují šíření akčního potenciálu z oblasti srdečního kardiostimulátoru v srdci a koordinačně způsobují kontrakci srdce.
Signalizační mechanismus Notch je příkladem juxtakrinové signalizace, při které musí dvě sousední buňky navázat fyzický kontakt, aby mohly komunikovat. Tento požadavek na přímý kontakt umožňuje velmi přesnou kontrolu diferenciace buněk během embryonálního vývoje. V červu Caenorhabditis elegans mají dvě buňky vyvíjející se gonády stejnou šanci na konečnou diferenciaci nebo se stanou děložní prekurzorovou buňkou, která se bude dál dělit. Volba, která buňka se bude dál dělit, je řízena soutěží povrchových signálů buněk. Jedna buňka náhodou vyprodukuje více povrchového proteinu buňky, který aktivuje receptor Notch na sousední buňce. Tím se aktivuje zpětnovazební systém, který snižuje expresi Notch v buňce, která se bude diferencovat a zvýší Notch na povrchu buňky, který pokračuje jako kmenová buňka .
Mnoho buněčných signálů je přenášeno molekulami, které jsou uvolněny jednou buňkou a pohybují se, aby navázaly kontakt s jinou buňkou. Endokrinní signály se nazývají hormony. Hormony jsou produkovány endokrinními buňkami a cestují krví, aby se dostaly do všech částí těla. Specifičnost signalizace může být kontrolována, pokud pouze některé buňky mohou reagovat na určitý hormon. Parakrinní signály se zaměřují pouze na buňky v blízkosti emitující buňky. Neurotransmitery představují příklad. Některé signalizační molekuly mohou fungovat jako hormon i neurotransmiter. Například epinefrin a norepinefrin mohou fungovat jako hormony, když jsou uvolněny z nadledvinek a transportovány do srdce prostřednictvím krevního řečiště. Norepinefrin může být také produkován neurony a fungovat jako neurotransmiter v mozku . Estrogen může být uvolněn vaječníkem a fungovat jako hormon nebo působit lokálně prostřednictvím parakrinní nebo autokrinní signalizace .
Receptory pro buněčné signály
Buňky přijímají informace ze svého prostředí prostřednictvím třídy bílkovin známých jako receptory. Notch je povrchová bílkovina buňky, která funguje jako receptor. Zvířata mají malou sadu genů, které kódují signalizační bílkoviny, které interagují specificky s receptory Notch a stimulují odezvu v buňkách, které exprimují Notch na svém povrchu. Molekuly, které aktivují (nebo v některých případech inhibují) receptory, lze klasifikovat jako hormony, neurotransmitery, cytokiny, růstové faktory, ale všechny tyto faktory se nazývají receptorové ligandy. Detaily interakcí ligand-receptor jsou zásadní pro buněčnou signalizaci.
Jak je znázorněno na obrázku 2 (nahoře, vlevo), Notch působí jako receptor pro ligandy, které jsou exprimovány na přilehlých buňkách. Zatímco mnoho receptorů jsou buněčné povrchové proteiny, některé se nacházejí uvnitř buněk. Například estrogen je hydrofobní molekula, která může procházet lipidovou dvojvrstvou buněčných povrchových membrán. Estrogenové receptory uvnitř buněk dělohy mohou být aktivovány estrogenem, který pochází z vaječníků, vstupuje do cílových buněk a váže se na estrogenové receptory.
Obrázek 3. Diagram znázorňující klíčové komponenty signálové transdukční dráhy. Podrobnosti viz článek o dráze MAPK/ERK.
V některých případech je aktivace receptoru způsobená vazbou ligandu na receptor přímo spojena s reakcí buňky na ligand. Například neurotransmiter GABA může aktivovat receptor na povrchu buňky, který je součástí iontového kanálu. Vazba GABA na receptor GABA A na neuronu otevře chloridově selektivní iontový kanál, který je součástí receptoru. Aktivace GABA receptoru umožňuje negativně nabitým chloridovým iontům pohybovat se do neuronu, což inhibuje schopnost neuronu vytvářet akční potenciály. Nicméně u mnoha receptorů na povrchu buňky nejsou interakce ligandu s receptorem přímo spojeny s odpovědí buňky. Aktivovaný receptor musí nejprve interagovat s jinými proteiny uvnitř buňky, než je vytvořen konečný fyziologický účinek ligandu na chování buňky. Často je chování řetězce několika interagujících buněčných proteinů změněno po aktivaci receptoru. Celý soubor buněčných změn vyvolaných aktivací receptoru se nazývá signální transdukční mechanismus nebo dráha.
V případě Notchem zprostředkované signalizace může být mechanismus přenosu signálu relativně jednoduchý. Jak ukazuje obrázek 2 (nahoře, vlevo), aktivace Notche může způsobit změnu Notchova proteinu proteázou. Část Notchova proteinu se uvolňuje z buněčné povrchové membrány a může působit na změnu struktury genové transkripce v buněčném jádru. To způsobuje, že reagující buňka vytváří různé proteiny, což vede ke změně struktury buněčného chování. Výzkum buněčné signalizace zahrnuje studium prostorové a časové dynamiky obou receptorů a složek signálních drah, které jsou aktivovány receptory v různých typech buněk.
Složitější signální transdukční dráha je znázorněna na obrázku 3. Mnoho růstových faktorů se váže na receptory na povrchu buňky a stimuluje buňky k postupu buněčným cyklem a dělení. Jedna z signálních transdukčních drah, která je aktivována růstovými faktory, se nazývá mitogenem aktivovaná proteinkinázová dráha (MAPK). Signální transdukční složka označená v dráze jako „MAPK“ se původně jmenovala „ERK“, takže dráha se nazývá MAPK/ERK dráha. Protein MAPK je enzym, proteinkináza, která dokáže navázat fosfát na cílové proteiny, jako je transkripční faktor MYC, a tím změnit transkripci genu a nakonec i progresi buněčného cyklu. Mnoho buněčných proteinů se aktivuje za receptory růstového faktoru (jako je EGFR), které aktivují tuto signální transdukční dráhu.
Komplexní vícesložkové signální transdukční dráhy poskytují možnosti pro zpětnou vazbu, zesílení signálu a interakce uvnitř jedné buňky mezi více signály a signálními dráhami.
Klasifikace mezibuněčné komunikace
V rámci endokrinologie (studium mezibuněčné signalizace u zvířat) a endokrinního systému se mezibuněčná signalizace dělí na tyto klasifikace:
Ligand – Buněčné signalizační sítě – Signální transdukce – Apoptóza – Druhý komunikační systém (signalizace Ca2+, signalizace Lipid)
Parakrin – autokrin – Juxtacrin – Neurotransmitery – endokrin (neuroendokrin)
Receptor (Transmembrána, Intracelulární) – transkripční faktor (Obecný, Preiniciační komplex, TFIID, TFIIH) – protein adaptéru