Et simpelt system af intercellulær kommunikation giver en forskellig kollektiv adfærd • Alexander Markov • Videnskabsnyheder om "Elements" • Genetik, Mikrobiologi

Et simpelt intercellulært kommunikationssystem giver forskellig kollektiv adfærd.

Fig. 1. Til venstre: Signaler baseret på princippet "er udbredt i naturenudskille og fornemme"(Når en celle reagerer på et signalerende stof, som selv producerer det samme). Til højre: i sådanne cellers samfund kan enten selvkommunikation herske (selv-kommunikation), når cellen reagerer fortrinsvis til sit eget signal eller kommunikation med naboer (nabo kommunikation), når svaret på signaler produceret af andre celler hersker. I det første tilfælde kan opførelsen af ​​celler beskrives som "asocial", i den anden – som "social". Figur fra den diskuterede artikel i Videnskab

Eksperimenter på genetisk modificeret gær har vist, at forskellige former for kollektiv celleadfærd kan genereres ved et simpelt system af intercellulær kommunikation baseret på det faktum, at de samme celler begge producerer et kemisk signal og reagerer på det. Opførelsen af ​​et sådant system afhænger af, hvorvidt cellen reagerer primært på sine egne signaler eller til de tilstødende cellers signaler, og dette bestemmes igen af ​​cellepopulationens tæthed, hastigheden af ​​produktion af signalsubstansen og følsomheden af ​​cellerne til den.De opnåede resultater belyste sådanne forskellige biologiske fænomener som "kvorumfornemmelsen" i mikrober og den selektive reproduktion af T-lymfocytter under immunresponset.

Intercellulær kommunikation gennem kemiske signaler spiller en nøglerolle i udviklingen af ​​en multicellular organisme og i de kollektive opførsel af enhedsorganer (se: Quorum Sense: Making Collective Decisions in Macro and Microcosm, Elements, 2 april 2009). I dette tilfælde sker det meget ofte, at en celle udløser et signalstof i miljøet, som det selv reagerer på. Dette kaldes autokrin regulering (se Autocrine signalering).

Hvorfor har vi brug for sådan "at tale højt med dig selv"? Det ser ud til, at hvis cellen kun har selvreguleringsopgaver, ville det være lettere og billigere for det at "tænke på sig selv", det vil sige at styre det intracellulære signalsystem og ikke at udstille signalstoffet til ydersiden. Det er klart, at fordelene med at tale højt er, at de kan høres af udenforstående, i dette tilfælde andre celler, der har receptorer til dette signalstof.

Det er på sådanne systemer af kemisk kommunikation, når celler frigiver et stof, som de selv reagerer på, er den kollektive opførsel af bakterier baseret (seQuorum sensing), arbejdet i pancreas beta celler, som samtidig producerer insulin og reagerer på det, reproduktionen af ​​T-lymfocytter reguleret af interleukin-2, som produceres af T-lymfocytterne selv og mange andre selvregulerende processer. Somme tider påvirker signalstoffet, der produceres af cellen, først og fremmest sig selv (selvkommunikation), nogle gange påvirker det de andre celler (kommunikation med naboer), og undertiden arbejder begge typer kommunikation samtidigt (figur 1).

For at evaluere signalsystemernes evner baseret på princippet om "secrete and sense" (det vil sige ved produktion af et signalstof ved celler, der er følsomme for dette stof) og for at forstå, hvorfor disse systemer er så udbredt i naturen, gennemførte biologer fra University of California, San Francisco en række forsøg på genetisk modificeret gær.

Først og fremmest var det nødvendigt at lære at skelne og kvantificere selvkommunikation og kommunikation med naboer. Men hvordan man bestemmer om en celle reagerer på et stof produceret af sig selv eller til nøjagtigt det samme stof produceret af andre celler? For at løse dette problem konstruerede forfatterne to stammer af gær,hvoraf den ene var i stand til at producere signalsubstans og reagere på det, mens den anden kun kunne reagere og ikke kunne producere.

Den første stamme de kaldte hemmelighed og sans ("make and feel"). Disse gærceller producerer alfafaktoren (sexferomon) og reagerer selv på den ved hjælp af Ste2-membranreceptoren (for mere information om strukturen af ​​denne signaleringskaskade, se nyhederne. Kombinering af proteinmolekyler er fragmenter en hurtig måde at oprette nye funktioner, Elements, 20.04. 2010). Gærgenomet blev modificeret således, at alfafaktoren ikke stimulerede den seksuelle proces (som i normal gær), men aktiverede syntesen af ​​grønt fluorescerende protein (grønt fluorescerende protein, GFP). Således kunne forskere ved mængden af ​​GFP produceret af cellen dømme styrken af ​​reaktionen på alfafaktoren. Derudover er genet MFa1kodende for alphafaktoren, blev anbragt under kontrollen af ​​promotoren aktiveret af doxycyclin. Dette gjorde det muligt at regulere produktionen af ​​alpha faktor med celler, simpelthen ved at ændre koncentrationen af ​​doxycyclin i mediet.

Den anden stamme blev kaldt kun mening ("bare føler"). Det adskiller sig fra den første i mangel af evnen til at producere alfafaktoren (den har genet fjernet MFa1), såvel som det konstant arbejdende genom af det røde fluorescerende protein.Den sidste funktion giver dig mulighed for at skelne celler kun mening og hemmelighed og sans i blandet kultur.

Begge stammer blev produceret i flere varianter, der afviger i ekspressionsniveauet af Ste2-receptoren, hvor følsomheden over for alphafaktoren afhænger.

Tanken er, at hvis gærcellernes opførsel bestemmes ved kommunikation med naboer, så i en blandet kultur, skal cellerne i begge stammer producere samme mængde GFP. De vil reagere på den samlede koncentration af alfa-faktor i miljøet, og det er ikke vigtigt, hvem der præcist producerede denne feromon. Men hvis det viser sig, at cellerne hemmelighed og sans skinner lysere, det vil betyde, at de reagerer på selve feromonen, det vil sige, at der vil være en "samtale med mig selv".

Blandede kulturer af to stammer blev testet ved forskellige celle densiteter og forskellige koncentrationer af doxycyclin (som vi husker bestemmer alfa-faktorproduktionens hastighed). Ved hjælp af celler med forskellige niveauer af ekspression af Ste2-receptoren manipulerede forfatterne også den tredje parameter – følsomheden af ​​cellerne til alfa-faktoren.

Som det viste sig, producerer gæren af ​​begge stammer ved en høj befolkningstæthed den samme mængde GFP uanset alfa-syntesens hastighed og følsomheden af ​​cellerne til den.Det betyder, at kommunikation med naboer hersker i systemet, og selvkommunikation spiller ikke en væsentlig rolle. Ved en højcelletæthed er alfafaktorkoncentrationen åbenbart høj gennem hele tykkelsen af ​​mediet, og derfor er det uafhængigt af dets adfærd, om cellen udsender alfafaktoren selv eller kun reagerer på "fremmede" feromon.

Med en lav celletæthed var situationen anderledes. I dette tilfælde afhænger det hele af to andre parametre: intensiteten af ​​produktionen af ​​alfa-faktoren og følsomheden over for den. Hvis cellernes følsomhed er lav, og (eller) cellerne syntetiserer alfafaktoren langsomt, råder kommunikationen med naboerne: stammer hemmelighed og sans og kun mening producerer den samme mængde GFP. Men i tilfælde af intensiv produktion af alpha-faktor og høj følsomhed over for det, kommer selvkommunikation frem i forgrunden. Dette manifesteres i det faktum, at gær hemmelighed og sans producerer betydeligt mere GFP end kun mening (Fig. 2).

Fig. 2. Forholdet mellem selvkommunikation og kommunikation med naboer afhænger af tre parametre: befolkningstæthed (øverstlav densitet nedenunder: høj densitet), følsomheden af ​​celler til pheromon (receptor, på den lodrette akse) og intensiteten af ​​feromonproduktion (sekretionshastighed, på den vandrette akse). Forskellige farver viser forholdet mellem selvkommunikation og kommunikation med naboer, hvilket er bestemt af forskellen i produktionsniveauerne for GFP-celler hemmelighed og sans og kun mening (blå – Kommunikation med naboer hersker den røde – selvkommunikation hersker). Billede fra artiklen i diskussion Videnskab

Faktum er, at omkring celler, som producerer alfafaktoren i store mængder, danner et område med forhøjet feromonkoncentration, der ikke har tid til at diffunde, men i stedet er hurtigt forbundet med adskillige Ste2-receptorer, der sidder på overfladen af ​​den meget celle, der producerede den.

Det kan siges at ved lavdensitetsgær hemmelighed og sansder producerer meget feromon og har mange receptorer til det, er "asociale": de kommunikerer for det meste med sig selv. Hvis cellen producerer langsomt feromon eller har få Ste2-receptorer, har pheromonmolekylerne tid til at sprede sig i miljøet og påvirke alle nærliggende celler i omtrent samme grad. Sådanne celler kan konventionelt kaldes "sociale", fordi signalstoffet de producerer opfattes ikke kun af sig selv, men også af alle naboer.

Forfatterne stoppede ikke ved, hvad der var opnået og kompliceret deres eksperimentelle system og tilføjede positiv feedback til det. For at gøre dette ændrede de gærgenomet udskille og fornemme således at niveauet af alfa-produktion ikke afhænger af doxycyclin, men på alfafaktoren selv. Hvad angår doxycyklin regulerer det nu styrken af ​​denne positive tilbagemelding, det vil sige, i hvilket omfang stigningen i feromonkoncentration vil fremskynde sin produktion. Resultatet er en gær, hvor alpha-faktor syntese systemet kan være i en af ​​to diskrete tilstande: "on" (alpha-faktor syntetiseres til maksimum, stimulerer egen produktion) eller "off" (grundlæggende lavt niveau af alfa-faktor produktion, utilstrækkelig for at aktivere positiv feedback).

Det viste sig, at med lav celle densitet og svag positiv feedback (lav doxycyclin koncentration), forbliver alle celler i "off" tilstand. Hvis du tilføjer mere doxycyclin til miljøet, begynder cellerne at "tændes". Dette sker udelukkende på grund af selvaktivering (koncentrationen af ​​alfa-faktor i mediet forbliver for lav for cellen at blive aktiveret af "alien" feromon).

Med en høj befolkningstæthed og en lav koncentration af doxycyclin blev gæren, som oprindeligt blev "slukket", pludselig tændt på en gang efter flere timer. Men nu skyldes dette ikke selvaktivering (for hvilken positiv feedback er ikke stærk nok), men på grund af den akkumulerede alphafaktor i mediet, der produceres af alle cellernes fælles indsats. Således hjælper cellerne hinanden til at aktivere. Samtidig bliver deres adfærd koordineret: Kommunikation med naboer i modsætning til selvkommunikation sikrer samtidig aktivering af alle celler på én gang.

I naturlige signalsystemer baseret på princippet om "secrete and sense" er ikke kun positiv, men også negativ tilbagemelding ofte til stede. Forfatterne lykkedes også at simulere dem. De tvang eksperimentelle stammer, udstyret med positiv feedback, foruden at producere proteasen Bar1 – et enzym, der spalter alfa-faktormolekylerne. Resultatet var et signal kredsløb med to regulatorer: en aktivator og en hæmmer, næsten som i Turing morfogenetiske model, som er i stand til at tilvejebringe selvorganisering af forskellige komplekse strukturer og mønstre (se: Alan Turing's ideer bidrog til at forstå mekanismen for fingerudvikling hos hvirveldyr, Elements, 18.12. 2012).

I dette system, med en bestemt kombination af parametre (lav befolkningstæthed, stærk positiv feedback og svag negativ) registrerede forfatterne bimodal Systemets tilstand: I flere timer var nogle celler i "on" -staten og nogle – i "off" -tilstanden. Desuden var alle celler genetisk identiske. Forskellen i deres adfærd blev bestemt sandsynligvis ved tilfældig variabilitet ved følsomhed over for alfa-faktor (alligevel bestemmer gener antallet af receptormolekyler på celleoverfladen ikke strengt, men kun ca.) eller ved aktiviteten af ​​andre komponenter i signaleringskaskaden. Før eller senere nåede koncentrationen af ​​alfa-faktor i mediet i disse bimodale populationer et niveau, der var tilstrækkeligt til gensidig aktivering, og derefter blev alle celler slukket tændt.

Arbejdet viste, at enkle signalsystemer baseret på princippet om "secrete and sense" er i stand til at tilvejebringe forskellig gruppe celleadfærd. Mangfoldighed er genereret af en form for konkurrence mellem selvkommunikation og kommunikation med naboer. Med en lav befolkningstæthed kommer selvkommunikation frem i forgrunden, fordi der omkring hver celle dannes et område med øget koncentration af signalsubstansen.Dette tillader ikke cellen at reagere sensitivt på signaler produceret af andre celler, det vil sige selvkommunikation blokkerer kommunikation med sine naboer. Med en høj densitet (såvel som med lav følsomhed for et signalstof eller med et lavt niveau af dets produktion) bliver kommunikation med naboer vigtigere end at tale til dig selv. Dette gør det muligt for eksempel den komplekse gruppe opførsel af bakterier baseret på "quorum sense".

Forfatterne understreger, at grundlaget for denne adfærd er det lave niveau af produktion af både signalstoffet og dets receptorer af bakterier. Som følge heraf svækkes effekten af ​​selvkommunikation, og cellen tilpasser sig opfattelsen af ​​signaler sendt af andre celler. Det modsatte billede ses i T-lymfocytter: De er konfigureret til selvkommunikation (de producerer meget interleukin-2 og mange meget følsomme receptorer til det). Dette tillader under immunresponset at selektivt reproducere kun individuelle kloner af T-celler, skønt alle klonerne har det samme system af syntese af signalsubstansen og respons på det.

Resultaterne vil bidrage til bedre at forstå de mange mystiske aspekter af den individuelle udvikling af multicellular, proces,hvor forskellige kombinationer af selvregulering og gensidig regulering af celleadfærd spiller en afgørende rolle.

Kilde: Hyun Youk, Wendell A. Lim. Molecular Secreting & Sensing | Videnskab. 2014. V. 343, s. 628.

Se også:
1) Alan Turing's ideer bidrog til at forstå mekanismen for udvikling af fingre hos hvirveldyr, "Elements", 12/18/2012.
2) "Quorum Sense": kollektiv beslutningstagning i makro- og mikrokosmos, Elements, 02.04.2009.
3) Oprettet bakterier med stribede kolonier, "Elements", 10/20/2011.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

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