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细胞信号传导需要空间
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Boris N. Kholodenko and Walter Kolch
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Cell 133, 566 – 567, May 16, 2008
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在反应途径中酶组分的空间分离形成了信号传导的微区和梯度。成像技术和计算机建模可帮助我们理解在信号传导和空间之间存在的复杂关系。Neves等在本期《Cell》报道了海马神经元的形状和β肾上腺素受体信号传导途径的反馈和前馈怎样控制空间信息的扩增。
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不久之前，人们还认为细胞是一个在反应物得到充分混合的区室中，催化化学转换的酶的“袋子”，而信号传导途径是使信号通过均一空间逐级传递到标靶的传递体的线性传递链。但来自代谢的研究告诉我们，细胞中的酶反应链在空间上严密地组织在一起，通常可以使反应产物从一个酶转移到另一个酶，不需要有很大的反应体积。最近的证据表明，在细胞膜、胞内细胞器和细胞质中，信号传递分子的分布并不是随机的，而是通常形成有特殊功能的微区。例如，脂筏是富含胆固醇和鞘脂的特定膜结构，它可以建立调节信号传导途径中的蛋白质相互作用的微环境。起固定作用的蛋白亚基可以使酶定位于不同的亚细胞结构和微区。例如，依赖于环AMP的蛋白酶A (PKA)可以通过与各种A激酶固定蛋白(AKAP)的结合，进入特定的细胞微区室。AKAP也可与其他信号传导分子结合，从而可组装成有特定生物化学功能的集成电路板。Ras蛋白可在质膜中形成纳米簇，这对刺激Raf激酶是必需的。纳米簇的形成不但将Raf的活化局限在一定位置，而且每个纳米簇都可产生一个活化胞外信号调节激酶(ERK)的特定数字信号输出。正如Neves等在本期《Cell》所清晰证实的，空间微区可以在定性和定量两方面改变信号传导。
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: o- a( z; Y [6 g% O 重要的是，微区的形成完全是由与扩散偶联的化学转化动力学驱动的。如果一个可扩散分子是在不同的细胞位点迅速产生和消耗，它可形成浓度梯度。例如，对于一个由细胞膜结合激酶磷酸化，但由细胞浆磷酸酶脱磷酸化的蛋白质而言，这个蛋白的磷酸化形式可在从细胞膜至细胞内部的空间形成梯度。在1980年代最早进行的计算机模拟已证实，在腺苷环化酶与质膜结合、而磷酸二脂酶（可降解cAMP）是可溶性的细胞中，可出现环AMP (cAMP)梯度。使用基于荧光共振能量转移(FRET)的生物传感器，研究人员发现了cAMP微区和磷酸蛋白梯度，它们围绕有重要生理学作用（包括细胞分裂和化学趋药性）的亚细胞结构，进行信号传导。; H7 N! B7 [! ~7 U- f6 `& b. z5 z
7 b* W |2 a2 f 因此，一个新出现的概念是，细胞信号传导在空间上基本上是非均一的，信号分子的时空动力学决定了信号传导专一性的规则。Neves等通过分析在分离的细胞和完整的组织中，源自β肾上腺素受体(β-AR)的完整信号传导级联如何控制海马神经元ERK活性的时空规则，将这个概念进一步深化。他们使用计算机成像和实验成像方法，研究了三个主要问题。第一个问题是一个神经元的大小和几何形状如何控制cAMP浓度和cAMP诱导的信号传导。在海马神经元中，细胞体和树突有相同的表面β-AR密度，在表面附近有相似的腺苷环化酶活性和cAMP水平。cAMP梯度来自空间上分隔的膜中的腺苷环化酶和胞浆中的磷酸二脂酶。假定是简单球形，而且磷酸二脂酶有很大的米氏常数(Km，在该底物浓度时，反应速度是最大反应速度的一半)，发生稳态cAMP梯度衰减(Lgrad)的距离取决于cAMP扩散(D)与磷酸二脂酶活性(Vmax/Km)的比率，即L2grad=D/( Vmax/Km)。由此得出该梯度衰减长度约为4μm，在PKA反馈激活磷酸二脂酶时，可减少到约2.5μm。神经元细胞体的直径约为20 – 30μm，随着距细胞膜的距离增加，cAMP被逐渐水解。但同一时间在树突内的cAMP可保持高水平，因为树突直径较小（1 – 4μm）。值得注意的是，在可迁移细胞中也有类似现象。可迁移细胞的前端的板状伪足和丝状伪足比细胞体和后端要薄很多。由于在膜和在细胞质中的激活因子和去激活因子之间有空间上的隔离，信号传导分子（如GTPase Cdc42或磷酸蛋白）优先在前端活化，因为前端的表面与体积之比有所增加。3 j! t8 ]- n7 v- O
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Neves等提出的另外两个问题主要是关于空间不均一性怎样影响输入信号在下游效应子中的扩增，以及特定的网络怎样与信号传导微区遵循的规则相关联。关键的网络特征是前馈和反馈基元的网络连接性质，以及各组分进行反应的特定动力学性质，如饱和度和速度常数。cAMP/PKA诱导的ERK级联包括一个因磷酸二脂酶活化产生的负反馈环。它也有一个正反馈基元，包括PKA激活B-Raf（它进一步激活ERK激酶MEK）和抑制ERK磷酸酶PTP。在一定的动力学参数范围内，该反馈基元作为逻辑与门进行运做，即ERK的正确活化需要有MEK的活化和PTP的抑制。输入水平的主调节因子是cAMP分布的空间不均一性以及它的下游直接标靶PKA。PKA—磷酸二脂酶负反馈环使cAMP梯度和PKA活性更为突然和呈局部化。另外，Neves等的计算机模拟表明PKA诱导的B-Raf和MEK活性的稳态空间分布几乎是均一的（可用该模型假设的B-Raf活化动力学参数来解释），MEK缺少空间梯度也已在实验上得到证实。由于反馈环的存在，cAMP和PKA活性的空间不均一性也转移到PKA/ERK级联的下游。只有与PKA诱导的PTP抑制结合在一起，空间上均一的、活化的MEK才能启动ERK的活性，这将ERK激活限定在有高PKA活性的空间区域。因此，正确的相互作用模式和合适的反应动力学，对保证信号传导级联为下游效应子反应进行精细、复杂的空间指导是必需的。8 ^$ g3 {" A0 D; Y
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Neves等的研究朝空间规则的实验分析迈出了重要一步，但也有其局限性，需要有进一步的工作以便确切理解细胞信号传导的时空动力学。例如，数学和实验分析的细化可使我们进一步分析空间浓度对细胞大小和形状、级联构成、动力学参数和扩散等因素变化的敏感性。另外，可极大改变反应动力学和限制扩散的AKAP等支架和固定蛋白的作用尚未得到深入研究。与在均一介质反应网络中建立的原则类似，我们可以预期对时空形态主要特征的控制不会只限于单个负调节因子或正调节因子。这种控制会分布在多种过程之中，包括空间上分隔的活化因子和去活化因子、反馈环和前馈环、扩散以及细胞大小等。因此，信号传导空间的引入为我们揭示信号传导网络如何产生生化和生物学专一性，开辟了一个新的极有吸引力的方向。; {' M# [3 F* {+ h/ O# Z- X, J: D/ c. O
本文转自建人先生原创，感谢 |
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发表于 2009-4-28 21:54
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