Paprastoji tarptulingos komunikacijos sistema suteikia įvairią kolektyvinę elgseną • Aleksandras Markovas • Mokslinės naujienos apie "Elementus" • Genetika, mikrobiologija

Paprastoji tarptinklinio ryšio sistema užtikrina skirtingą kolektyvinį elgesį.

Pav. 1. Kairėje: Signalai, pagrįsti principu "yra plačiai paplitęišskirti ir jaustis"(Kai ląstelė reaguoja į signalizavimo medžiagą, kuri pati gamina tą patį). Dešinėje: tokių ląstelių bendruomenėje gali pasireikšti savęs bendravimas (savęs bendravimas), kai ląstelė dažniausiai reaguoja į savo signalą arba bendrauja su kaimynais (kaimyninis ryšys), kai vyrauja reakcija į signalus, kuriuos gamina kitos ląstelės. Pirmuoju atveju ląstelių elgesys gali būti apibūdinamas kaip "asocialus", antrasis – kaip "socialinis". Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Mokslas

Eksperimentai su genetiškai modifikuotomis mielėmis parodė, kad įvairias kolektyvinio elgesio formas galima generuoti paprasta intercellular communication sistema, pagrįsta tuo, kad tos pačios ląstelės gamina cheminį signalą ir reaguoja į jį. Tokios sistemos elgesys priklauso nuo to, ar ląstelė pirmiausia reaguoja į savo signalus ar kaimyninių ląstelių signalus, o tai savo ruožtu lemia ląstelių populiacijos tankis, signalo medžiagos gamybos greitis ir ląstelių jautrumas joje.Gauti rezultatai parodo tokius skirtingus biologinius reiškinius kaip "kvorumo jausmas" mikrobose ir selektyvus T limfocitų dauginimas imuninio atsako metu.

Tarpkultūrinis ryšys per cheminius signalus atlieka pagrindinį vaidmenį plėtojant daugiasluoksnį organizmą ir kolektyviniame vienarūšių organizmų elgesyje (žr. "Kvorumo prasme: kolektyvinių sprendimų priėmimas makro ir mikrokosmos", elementai, 2009 m. Balandžio 2 d.). Šiuo atveju labai dažnai atsitinka taip, kad ląstelė išleidžia signalinę medžiagą į aplinką, į kurią pati reaguoja. Tai vadinama autokrininiu reguliavimu (žr. Autokrine signalizacija).

Kodėl mums reikia tokio "kalbėti garsiai su savimi"? Atrodytų, kad jei ląstelė turi tik savireguliavimo užduotį, tai būtų lengviau ir pigiau "galvoti apie save", ty valdyti intracellular signalizacijos sistemą, o ne išvesti signalo medžiagą į išorę. Akivaizdu, kad garsiai kalbėti yra tai, kad juos gali išgirsti nepažįstami asmenys, šiuo atveju kitos ląstelės, turinčios šio signalo medžiagos receptorius.

Tokiomis cheminių ryšių sistemomis, kai ląstelės išleidžia medžiagą, į kurią jos pačios reaguoja, tai yra kolektyvinis bakterijų elgesys (žr.Kvorumo jutimas), kasetės beta ląstelių, kurie tuo pačiu metu gamina ir reaguoja į insuliną, darbas, T-limfocitų dauginimas, reguliuojamas interleukinu-2, kurį gamina pati T-limfocitai, ir daugelis kitų savireguliavimo procesų. Tačiau kartais signalo medžiaga, kurią gamina ląstelė, pirmiausia pati veikia (savęs bendravimas), kartais tai daro įtaką kitoms ląstelėms (bendravimui su kaimynais), o kartais abi komunikacijos rūšys dirba vienu metu (1 pav.).

Siekiant įvertinti signalizavimo sistemų gebėjimus, pagrįstus "išsiskyrimo ir jausmo" principu (ty gaminant signalinę medžiagą ląstelėms, jautrioms šiai medžiagai) ir suprasti, kodėl šios sistemos yra tokios plačiai paplitęs, biologai iš Kalifornijos universiteto, San Francisko, atliko eksperimentų serija su genetiškai modifikuotomis mielėmis.

Visų pirma reikėjo išmokti atskirti ir kiekybiškai įvertinti savęs bendravimą ir bendravimą su kaimynais. Bet kaip nustatyti, ar ląstelė reaguoja į pagamintą cheminę medžiagą arba į tą pačią medžiagą, kurią gamina kitos ląstelės? Norėdami išspręsti šią problemą, autoriai sukūrė du mielių štamus,vienas iš jų galėjo pagaminti signalinę medžiagą ir reaguoti į ją, o antroji galėjo tik reaguoti ir negalėjo pagaminti.

Pirmasis štamas, kurį jie vadino paslaptis ir jausmas ("pagaminti ir jaustis"). Šios mielių ląstelės gamina alfa faktorių (lytinis feromonas) ir patys jame reaguoja naudojant Ste2 membranos receptorius (daugiau informacijos apie šios signalizacijos kaskados struktūrą rasite naujienose.) Baltymų molekulių fragmentų sujungimas yra greitas būdas sukurti naujas funkcijas, Elements, 20.04. 2010). Mielių genomas buvo modifikuotas taip, kad alfa veiksnys ne stimuliuotų seksualinį procesą (kaip įprastų mielių), bet suaktyvino žalią fluorescuojantįjį baltymą (žalią fluorescuojantįjį baltymą, GFP). Taigi, pagal ląstelių gaminamą GFP kiekį, tyrėjai galėjo įvertinti reakcijos stiprumą alfa veiksniu. Be to, genas MFα1koduojant alfa faktorių, buvo kontroliuojamas doksicikliną aktyvuojamas promotorius. Tai leido reguliuoti alfa faktoriaus gamybą ląstelėse, tiesiog pakeičiant doksiciklino koncentraciją terpėje.

Antrasis štamas buvo vadinamas tik prasme ("tiesiog jaustis"). Tai skiriasi nuo pirmojo, nes nėra galimybės pagaminti alfa faktorių (jis pašalina geną MFα1), taip pat nuolat dirbantis raudono fluorescentinio baltymo genomas.Paskutinė funkcija leidžia atskirti ląsteles tik prasme ir paslaptis ir jausmas mišrioje kultūroje.

Abi štamos buvo pagamintos keliais variantais, skirtais Ste2 receptoriaus ekspresijos lygiui, nuo kurio priklausomas jautrumas alfa faktoriui.

Idėja yra tokia, kad jei mielių ląstelių elgesys yra nustatomas bendravimu su kaimynais, tada mišrioje kultūroje abiejų štamų ląstelės turėtų gaminti tokį patį GFP kiekį. Jie reaguoja į bendrą alfa faktoriaus koncentraciją aplinkoje, ir nėra svarbu, kas tiksliai sukūrė šį feromoną. Bet jei pasirodys, kad ląstelės paslaptis ir jausmas šviesesnis spindesys, tai reikš, kad jie reaguoja į savo pagamintą feromoną, tai yra "pokalbis su savimi".

Dviejų štamų mišrios kultūros buvo tiriamos skirtingais ląstelių tankiais ir skirtingomis doksiciklino koncentracijomis (kurios, mes prisimename, lemia alfa faktorių gamybos greitį). Naudojant ląsteles su skirtingais Ste2 receptorių ekspresijos lygiais, autoriai taip pat manipuliuoja trečiuoju parametru – ląstelių jautrumu alfa faktoriui.

Kaip paaiškėjo, esant dideliam gyventojų tankiui, abiejų štamų mielės gamina tą patį GFP kiekį, neatsižvelgiant į alfa sintezės greitį ir ląstelių jautrumą joje.Tai reiškia, kad sistemoje vyrauja bendravimas su kaimynais, o savęs bendravimas neturi reikšmingo vaidmens. Akivaizdu, kad dideliu ląstelių tankiu alfa faktoriaus koncentracija yra didelė visame terpės storyje, taigi, ar ląstelė išmeta pačią alfa faktorių, ar tik reaguoja į "svetimų" feromonų, tai neturi įtakos jos elgsenai.

Esant mažam ląstelių tankiui, situacija buvo kitokia. Šiuo atveju viskas priklauso nuo dviejų kitų parametrų: alfa faktoriaus gamybos intensyvumo ir jautrumo jam. Jei ląstelių jautrumas yra mažas ir (arba) ląstelės sintezuoja alfa faktorių lėtai, tada vyrauja bendravimas su kaimynais: štamai paslaptis ir jausmas ir tik prasme pagaminti tą patį GFP kiekį. Tačiau intensyvaus alfa-faktoriaus gamyboje ir didelio jautrumo jam atveju išryškėja savęs bendravimas. Tai pasireiškia tuo, kad mielės paslaptis ir jausmas gaminti žymiai daugiau GFP nei tik prasme (2 pav.).

Pav. 2 Savarankiško bendravimo ir bendravimo su kaimynais santykis priklauso nuo trijų parametrų: gyventojų tankis (viršujemažas tankis žemyn žemyn: didelis tankis), ląstelių jautrumas feromonui (receptorius, ant vertikalios ašies) ir feromono gamybos intensyvumas (sekrecijos lygis, ant horizontalios ašies). Įvairios spalvos rodo savarankiško bendravimo ir bendravimo su kaimynais santykį, kurį lemia GFP ląstelių gamybos lygių skirtumas paslaptis ir jausmas ir tik prasme (mėlynas – vyrauja bendravimas su kaimynais, raudona – vyrauja savęs bendravimas). Vaizdas iš straipsnio diskusijoje Mokslas

Faktas yra tas, kad ląstelės, gaminančios alfa faktorius dideliuose kiekiuose, yra padidėjusi feromono koncentracijos formų sritis, kurios neturi laiko išsklaidyti, bet greičiau yra susietos su daugeliu Ste2 receptorių, sėdinčių ant tos pačios ląstelės paviršiaus.

Galima sakyti, kad mažo tankio mielėse paslaptis ir jausmaskurie gamina daug feromonų ir turi daug receptorių, yra "asocialūs": jie dažniausiai bendrauja su savimi. Jei ląstelė lėtai gamina feromoną arba turi keletą Ste2 receptorių, tada feromono molekulės turi laiko išsisklaidyti aplinkoje ir paveikti visas kaimynines ląsteles maždaug tokiu pat dydžiu. Tokias ląsteles paprastai galima vadinti "socialiniais", nes jų pagamintą signalinę medžiagą suvokia ne tik patys, bet ir visi kaimynai.

Autoriai nesibaigė tuo, kas buvo atlikta, ir sudėtinga jų eksperimentinė sistema, pridėdama teigiamų atsiliepimų. Norėdami tai padaryti, jie pakeitė mielių genomą išskirti ir jaustis kad alfa gamybos lygis priklauso ne nuo doksiciklino, bet nuo paties alfa veiksnio. Kalbant apie doksiciklino, dabar ji reguliuoja teigiamą grįžtamąjį ryšį, tai yra, kokiu mastu feromono koncentracijos padidėjimas pagreitins jo gamybą. Rezultatas yra mielės, kuriose alfa faktoriaus sintezės sistema gali būti vienoje iš dviejų atskirų būsenų: "on" (alfa faktorius yra sintezuojamas iki didžiausio, stimuliuoja savo gamybą) arba "off" (pagrindinis žemas alfa faktorių gamybos lygis, nepakankamas aktyvuoti teigiamus atsiliepimus).

Pasirodo, kad mažo ląstelių tankis ir silpni teigiami atsiliepimai (maža doksiciklino koncentracija), visos ląstelės išlieka "išjungtos" būsenos. Jei pridėsite daugiau doksiciklinų į aplinką, ląstelės pradės "įjungti". Tai atsitinka tik dėl savaiminio aktyvavimo (alfa faktoriaus koncentracija terpėje išlieka per maža, kad ląstelę aktyvuotų "svetimas" feromonas).

Kai didelis gyventojų tankis ir maža doksiciklino koncentracija, mielės, kurios iš pradžių buvo "išjungtos", po kelių valandų staiga įsijungia į visas. Bet dabar tai nėra dėl savaiminio aktyvavimo (dėl kurio teigiamų atsiliepimų nėra pakankamai stiprus), bet dėl ​​sukaupto alfa faktoriaus terpėje, sukurto bendromis pastangomis visų ląstelių. Taigi, ląstelės padeda viena kitai aktyvuoti. Tuo pačiu metu jų elgesys tampa suderintas: bendravimas su kaimynais, skirtingai nuo savęs bendravimo, užtikrina tuo pačiu visų ląstelių aktyvavimą vienu metu.

Natūraliose signalizacijos sistemose, pagrįstose "išsiskyrimo ir prasmės" principu, dažnai būna ne tik teigiami, bet ir neigiami atsiliepimai. Autorius taip pat sugebėjo imituoti. Jie privertė eksperimentines padermes, turinčias teigiamų atsiliepimų, taip pat gamindavo proteazę Bar1 – fermentą, kuris skaldo alfa faktoriaus molekules. Rezultatas buvo signalinė grandinė su dviem reguliatoriais: aktyvatorius ir inhibitorius, beveik panašus į Turingo morfogenezinį modelį, kuris gali užtikrinti įvairių sudėtingų struktūrų ir modelių savarankišką organizavimą (žr.: Alano Turingo idėjos padėjo suprasti pirštų vystymosi mechanizmą stuburiniams, Elementai, 18.12. 2012 m.).

Šioje sistemoje su tam tikru parametrų deriniu (mažas gyventojų tankis, stiprūs teigiami atsiliepimai ir silpnas neigiamas) autoriai užfiksuoti bimodal sistemos būklė: keletą valandų kai kurios ląstelės buvo "įjungtos" būsenos, o kai kurios – "išjungtos" būsenos. Be to, visos ląstelės buvo genetiškai identiškos. Skirtumas jų elgesyje, greičiausiai, buvo nustatytas atsitiktine kintamumu jautrumo alfa veiksniu (po to visi genai nustato ne tik grynų, bet tik apytikslį kiekį receptorių molekulių ląstelių paviršiuje), bet ir kitų signalizacijos kaskados komponentų aktyvumą. Tačiau anksčiau ar vėliau šiose bimodalinėse populiacijose alfa faktoriaus koncentracija terpėje pasiekė lygį, pakankamą abipusiškai aktyvinti, ir tada visos išjungtos ląstelės buvo įjungtos.

Darbas parodė, kad paprastos signalizacijos sistemos, pagrįstos "išsiskyrimo ir jausmo" principu, gali užtikrinti skirtingą grupių elgesį. Įvairią veiklą sudaro tam tikra konkurencija tarp savęs bendravimo ir bendravimo su kaimynais. Kai mažas gyventojų tankis, atsiranda savęs bendravimas, nes aplink kiekvieną langelį susidaro didesnė signalinės medžiagos koncentracija.Tai neleidžia ląstelei jautriai reaguoti į signalus, kuriuos gamina kitos ląstelės, tai yra, savistaba blokuoja bendravimą su savo kaimynais. Su dideliu tankiu (taip pat su mažu jautrumu signalinei medžiagai arba mažu jos gamybos lygiu) bendravimas su kaimynais tampa vis svarbesnis nei "kalbant su savimi". Tai leidžia, pvz., Sudėtingai grupei elgtis bakterijų, remiantis "kvorumo prasme".

Autoriai pabrėžia, kad tokio elgesio pagrindas – bakterijų tiek signalizuojančios medžiagos, tiek jos receptorių gamybai žemas lygis. Dėl to savęs bendravimas silpnėja, o ląstelė prisitaiko prie kitų ląstelių siunčiamų signalų suvokimo. T-limfocitų metu pastebimas priešingas vaizdas: jie yra sukonfigūruoti savarankiškai (jie gamina daug interleukino-2 ir daug itin jautrių receptorių). Tai leidžia imuninio atsako metu selektyviai padauginti tik į atskirus T-ląstelių klonus, nors visi klonai turi tą pačią signalinės medžiagos sintezės sistemą ir atsaką į ją.

Rezultatai padės geriau suprasti daugybę paslaptingų atskirų daugelio elementų vystymosi aspektų, procesų,kur lemiamas vaidmuo tenka įvairiems savireguliacijos ir ląstelių elgesio tarpusavio reguliavimui.

Šaltinis: Hyun Tu, Vendelis A. Limas. Molekulės sekrecija ir jutimas | Mokslas. 2014. V. 343. P. 628.

Taip pat žiūrėkite:
1) Alano Turingo idėjos padėjo suprasti, kaip vystosi pirštų stuburai, "Elements", 2012 12 12.
2) "Kvorumo samprata": kolektyvinis sprendimų priėmimas makro ir mikroskoje, Elements, 2009 04 02.
3) Sukurtos bakterijos su dryžuotomis kolonijomis, "Elements", 2011 10 10.

Aleksandras Markovas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: