Когда свет падает на глаз мухи, по ее клеткам струятся потоки сообщений. Эти сообщения передаются молекулярными посредниками, образующими сложную информационную систему, существующую не только в клетках глаза мухи, но и в большинстве живых клеток.
Поскольку молекулярных мессенджеров немного, и многие из них разрушаются во время передачи сигнала, клетка должна быстро и эффективно обновлять свой запас молекул-мессенджеров, чтобы поддерживать свои сигнальные сети. Учитывая эту необходимость, многие молекулярные мессенджеры «перерабатываются», когда продукты распада сигнальной реакции реконструируются с помощью серии катализируемых ферментами реакций для воссоздания исходной молекулы мессенджера.
Однако новое исследование, проведенное Национальным центром биологических наук (NCBS) в Бангалоре, теперь показывает, что регенерация мембраносвязанной молекулы-мессенджера, фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата или PIP2, не так проста, как кажется на первый взгляд. когда-то считалось.
Математические модели подразумевают, что общепринятый «замкнутый цикл» распада и реконструкции PIP2 без чистого добавления или потери молекул в цикле может быть неверным. Вместо этого вполне вероятно, что цикл PIP2 является «открытым циклом», в котором продукты распада PIP2 направляются на другие биохимические пути, а не возвращаются в петлю, которая ресинтезирует PIP2.
Работа является результатом совместных усилий групп Рагху Падинджата и Сандипа Кришны в NCBS. В то время как группа Падинжата в основном полагается на экспериментальный подход с использованием плодовых мушек для понимания клеточных сигналов, группа Кришны в Центре живых машин Саймонса в NCBS использует теоретический и модельный подход к изучению биологических явлений. Результат их совместных усилий привел к открытию того, что цикл PIP2, сформулированный много десятилетий назад, не так прост и завершен, как считали исследователи.
Некоторые рецепторы на клеточной поверхности используют PIP2 в качестве посредника для передачи информации. Когда такие рецепторы активируются, инициируется сигнальный каскад, расщепляющий PIP2 на две составляющие - диацилглицерин (DAG) и инозитол-1,4,5-трифосфат (IP3), оба из которых в дальнейшем продолжают передачу информации. Считалось, что после этого DAG и IP3 возвращаются в многоэтапный биохимический процесс для повторного синтеза PIP2, образуя «замкнутый цикл» без чистой потери или добавления молекул во время процесса.
Однако, когда были построены математические модели, использующие это предположение о «замкнутом цикле», исследователи обнаружили, что предсказания моделей не отражают экспериментальные данные.
В соответствии с такими моделями, если фермент, превращающий DAG в следующее промежуточное соединение в цикле PIP2, окажется дефектным, можно ожидать повышения уровня DAG. Удивительно, но экспериментальные данные о мутантных плодовых мушках с таким дефектным ферментом не показали ожидаемого повышения уровня DAG.
«Это было довольно неожиданно. Мы начали понимать, что, возможно, в нашем нынешнем понимании цикла PIP2 есть пробелы», - говорит Рохит Суратекар, работавший совместно с группами Кришны и Падинжат. «После дальнейшего тщательного исследования мы обнаружили, что добавление двух дополнительных реакций на двух конкретных этапах в текущем цикле может фактически объяснить все данные о мутантах», - добавляет он..
Из двух реакций, упомянутых Суратекаром, одна предполагает, что DAG, образованный как продукт распада передачи сигналов PIP2, перекачивается в неопределенный биохимический процесс или «слив» вместо того, чтобы направляться на следующий этап - формирование фосфатидная кислота (ФК) - для ресинтеза PIP2. Второй предполагает, что PA, необходимый для синтеза PIP2, приобретается другим, пока неизвестным биохимическим путем или «источником».
Следовательно, традиционный «закрытый» цикл переработки PIP2, возможно, теперь необходимо заменить «открытым» циклом, в котором некоторые промежуточные продукты удаляются через «приемник» и добавляются через «источник».
Одна из причин этого изменения может заключаться в том факте, что ресинтез PIP2 распространяется на два отдельных компартмента клетки. Некоторые реакции должны протекать на мембранах эндоплазматического ретикулума, тогда как другие происходят на мембранах клеточной поверхности. Поскольку PIP2, DAG и некоторые промежуточные продукты цикла являются молекулами, связанными с мембраной, они не могут диффундировать через заполненную водой внутреннюю часть клетки и требуют скоординированного переноса между этими компартментами.
«Предыдущие математические модели цикла PIP2 не учитывали разделенный характер клеток», - говорит Рагху Падинжат. «Наши новые модели не только учитывают, как биохимические реакции организуются во времени, но также включают информацию о том, как эти реакции могут быть структурированы в пространстве», - добавляет он.
«Непрерывное двустороннее взаимодействие между теорией и экспериментом имело решающее значение для этого открытия, а также принесло нам невероятное интеллектуальное удовлетворение», - говорит Сандип Кришна. «Ценность этого типа теоретической работы заключается в прояснении предположений, лежащих в основе нашего понимания биологической передачи сигналов и регуляции, что предполагает новые эксперименты, которые, в свою очередь, предлагают новые модели и так далее», - говорит он, добавляя, что такой подход имеет решающее значение для постановки совершенно новых вопросов, которые можно исследовать экспериментально и теоретически.
«Опирание на модели, основанные на старом цикле PIP2, может привести к неправильной интерпретации экспериментальных данных», - предупреждает Суратекар. «Поскольку этот сигнальный каскад задействован во многих клеточных функциях, изучение этой темы очень важно», - далее подчеркивает он.
Как указывает Суратекар, цикл PIP2 функционирует во многих типах клеток. У людей цикл необходим для развития, правильного функционирования иммунных клеток, защищающих организм от инфекций, и нервной ткани, являющейся основой функционирования человеческого мозга. Генетические дефекты в элементах, необходимых для запуска цикла PIP2, связаны с различными видами рака, неврологическими и психическими заболеваниями.
Разработке лекарств/ингибиторов для лечения болезней человека часто помогает глубокое понимание биохимии, лежащей в основе функции клеток и тканей. Таким образом, четкое понимание организации цикла PIP2 может иметь решающее значение при разработке лекарств. для терапии», - говорит Падинжат, добавляя, что в будущем его группа надеется усовершенствовать свою новую математическую модель, чтобы предсказывать эффекты терапевтических препаратов, которые действуют через цикл PIP2 для изменения клеточных функций..
Мукунд Таттай, преподаватель Центра Саймонса, не связанный с исследованием, комментирует: «Этот проект действительно показывает, как работает сотрудничество между теорией и экспериментом. каждая сторона, чтобы привыкнуть к другой. Теоретики начинают с наименьшего количества необходимых деталей, а экспериментаторы сталкиваются со всеми деталями сразу. Что действительно похвально, так это то, как Рохиту Суратекару удалось достичь идеального баланса».