Сигналка какая лучше: 10 лучших автосигнализаций — Рейтинг 2021 года (Топ 10)

10 лучших автосигнализаций — Рейтинг 2021 года (Топ 10)

Противоугонную систему Starline S96 в обновленном исполнении v2 мы выбрали в наиболее интересной по гибкости, на наш взгляд, комплектации (ибо в силу модульности центрального блока систем StarLine периферийными модулями он может комплектоваться на выбор, и разных комплектаций производят на любой вкус): с максимально универсальным интерфейсным модулем 2CAN+4LIN и полноценной телематической системой.

Основа системы – это, как всегда, надежный диалоговый код, но при работе в Slave-режиме он ранее оставлял «лазейку»: если владелец предпочитал сохранить и штатное управление радиоключом автомобиля, то угонщик для доступа в машину имел возможность «крякнуть» сначала штатный протокол, а, уже получив доступ в машину, начинать возиться с сигнализацией. S96 v2 же имеет возможность полной блокировки штатного радиоканала автомобиля в дополнение к уже привычному набору «умных» блокировок (в частности, косвенная блокировка по CAN-шине, не требующая врезать в штатную проводку какие-либо блокирующие устройства).

Боитесь забыть ключи в машине? Чего уж там, это бывает со всеми. Что ж, опциональный емкостный сенсор StarLine EC-1, устанавливаемый в ручке двери, позволит этой сигнализации использовать «Пляжный режим»: для открытия машины можно будет использовать персональный секретный код, набираемый под ручкой максимально незаметно для окружающих. Также в версии v2 расширен набор программ «гибкой логики», позволяющий наиболее удобно для пользователя интегрировать охранную систему с штатной электроникой.

GSM-модуль сигнализации имеет гнездо под вторую SIM-карту в дополнение к штатной: это сохранит доступ к телематике, если Вы случайно забудете оплатить баланс основной карты или попадете в зону, где качество связи у этого оператора (штатно установлена сим-карта МТС) неудовлетворительное. Ну и, естественно, пользователю доступен весь функционал телематики StarLine, включая диагностику состояния автомобиля прямо через мобильное приложение. Собственно, телефон и носимая метка здесь и являются основными органами управления: брелок, если уж так хочется, можно докупить, хотя для современных телематических систем это уже скорее атавизм.

Выбор автосигнализации — какие бывают и что лучше выбрать

Расскажем какие бывают авто сигнализации и что лучше выбрать от угона. Полезные функции, которыми должна обладать сигналка.

Какие бывают

Автосигнализации условно делятся на несколько видов — односторонние, двусторонние, с управлением по телефону (телематические) и с использованием спутниковой системы.

Односторонние

Односторонние считаются устаревшими из-за отсутствия оповещения владельца автомобиля в случае посягательства на его машину. Для оповещения в них используются звуковой и световой способы, а максимальная дальность действия — 200 метров в условиях открытой местности. Т.е. если злоумышленник проберётся в машину, когда находитесь далеко, то звук охраны просто не услышите.

Двусторонние с обратной связью

Более совершенные, оснащены ЖК-дисплеем на брелке. Помимо светового и звукового способа оповещения, этот вид передает сведения о посягательстве на автомобиль на брелок владельца. Дальность его действия примерно от 2 до 4 км. При наличии жидкокристаллического дисплея, на брелке отображаются события, происходящие в данный момент с машиной. Т.е., если вор залез в автомобиль, то брелок оповестит об этом с помощью звукового сигнала.

Двусторонние сигнализации часто оснащаются специальными датчиками, реагирующими на наклон автомобиля, а также датчиками объема. Они могут действовать на расстоянии от 2 до 4 км.

Телематические охранные системы

Это когда помимо брелка имеется дополнительный GSM модуль. Узнать о взломе машины можно с помощью сотового телефона. Его дальность действия ограничена лишь доступностью сети, а значит работает при больших расстояниях. Также запустить двигатель можно со смартфона. У спутниковых систем имеется дополнительный GPS модуль. Дальность действия ограничена только присутствием или отсутствием спутниковой связи в определенном месте. Кроме того, данные сигнализации в любой момент могут предоставить владельцу точные данные о местоположении его машины (сообщить координаты) и её передвижениях. Некоторые устройства имеют встроенный микрофон в салоне авто.Если имеется КАСКО, то наличие авто сигнализации и её тип влияют на стоимость полиса. Чем более продвинутая установлена система, чем меньше цена КАСКО по угону. Поэтому лучше ставить телематические или спутниковые сигнализации, особенно если автомобиль дорогой. Их цена дороже, чем на автосигнализации с двухсторонней связью, но они окупаются меньшей стоимостью страховки.

Какие функции должны быть

Двусторонняя связь

Обеспечивают связь до 2000 метров между брелком машины и охранной сигнализацией. Как правило, это максимальное расстояние на открытом воздухе без помех. Если поблизости есть высотные здания или вышки, дальность может сократиться вдвое. В условиях современного города с высоким шумом радиоэфира максимальное расстояние о получении извещений на брелок о происходящим с автомобилем составляет примерно один километр.

Автозапуск

Запуск двигателя с брелка на автомобилях с механической коробкой передач и «автоматом». Непосредственно влияет на цену, но советую выбирать сигнализацию с данной функцией. Очень удобна в зимнее время, когда можно из дома запустить мотор, что сокращает время прогрева холодной машины. Позволяет установить автозапуск на определенное время и поддерживать в салоне оптимальную температуру.

Турботаймер

Система во время движения отслеживает обороты двигателя и запоминает их. Когда автомобиль ставится под охрану, длительность работы двигателя зависит от того, в каком режиме эксплуатировалась машина до включения сигнализации: езда на высоких оборотах — контрольное время может достигать 6 минут, спокойное движение — достаточно 1-2 минут.

Турботаймер работает после постановки авто под охрану, т.е. после вынимания ключа из замка зажигания, мотор продолжает работать контрольное время. Подойдет для владельцев машин с турбонаддувом.

Программирование функций

Позволяет использовать дополнительные функция для удобства пользователей. Например, можно настроить открытие багажника без открывания дверей, контролировать состояние аккумуляторной батареи, температуры двигателя и воздуха в салоне. Очень удобной функцией является поиск автомобиля на стоянке или функция автоматического закрывания дверей при наборе определенной скорости.
При выборе автомобильной сигнализации нужно обязательно знать дальность действия и наличие функции автозапуска. Не требуйте от авто сигнализации слишком многого — она не должна противостоять попытке угона, ее функция — в оповещении владельца о происходящем с машиной. Если нужна сигнализация, чтобы просто открывать/закрывать двери — берите самую дешевую. Наиболее популярны автосигнализации фирм StarLine, Пандора, Аллигатор, Scher-Khan.

Авто сигнализация — лишь часть противоугонной системы, которая должна быть установлена на каждом автомобиле. Она предупреждает автолюбителя об угоне, а не полностью защищает. К тому же есть глушилки, которые могут заглушить сигнал. Поэтому для надежной и комплексной защиты от угона должны устанавливаться механические противоугонные средства — блокираторы педалей, коробки, руля или капота.

Какая сигнализация лучше? | Ответы на Ваши вопросы

Сигнализация для автомобиля представляет собой надежную систему электроники. Она включает встроенный иммобилайзер, и уникальный защитный код, предназначенный для приведения автосигнализации в действие. Автомобиль с установленной сигнализацией будет находиться под надежной охраной. Система сигнализации — наиболее эффективная защита машины от угона на сегодняшний день.

Хорошая сигнализация поможет сохранить автомобиль

На что обратить внимание, выбирая сигнализацию

При выборе необходимо учитывать следующие критерии:

— Надо ориентироваться на место хранения автомобиля. От этого зависит выбор радиуса действия сигнализации и односторонней или двухсторонней связи. Если авто хранится в гараже или на охраняемой стоянке нет необходимости в наличии сирены.

— Находящимся у дома автомобилям оптимально подходит сигнализация с пейджером, радиусом действия 300-500 м, с сиреной и включающимися световыми приборами.

Как выбрать сигнализацию для авто? — Чтобы не украли автомобиль, рекомендуется устанавливать сигнализации с множеством датчиков — они более надежные. Датчик наклона актуален, если у авто дорогие диски, которые могут снять.

— Сигнализации с модулями GSM, CAN – отличный вариант, однако недешевый. Поэтому они преимущественно устанавливаются на дорогие автомобили, в основном иномарки.

Машины оснащают системой противоугонных средств

Виды автомобильных сигнализаций

— Автосигнализация с односторонней связью. Устройство прекрасно себя зарекомендовало. Включает функции: блокировка двигателя, датчик удара, возможность управления центральным замком, сирена, световая сигнализация, охрана дверей, багажника и капота. Устанавливается чаще на недорогие машины.

Односторонняя сигнализация подойдет для недорогой подержанной машины

— Автосигнализация с двухсторонней связью. Она представляет собой более совершенные устройство, которое характеризуется обратной связью, наличием на брелоке ЖК-дисплея и часто имеет дополнительные датчики, чувствительные к изменению наклона машины. ЖК-дисплей информирует о том, что происходит с авто в настоящий момент. Действие охранной системы распространяется на расстояние до 4 км.

Двухсторонняя сигнализация оснащена дисплеем

— Двухсторонняя сигнализация с автозапуском. Оборудование осуществляет обратную связь и автоматический запуск двигателя. Она устанавливается на транспорт с автоматической и механической коробкой переключения передач. Запуск двигателя проводится автоматически: через заданный интервал времени, падении напряжения в аккумуляторе или при снижении температуры двигателя до определенного уровня.

— Сигнализация с GPS-модулем. С помощью сотовой связи она контролирует авто на любом расстоянии при наличии зоны покрытия сети GSM и связи со спутником. Сигнализация с автозапуском GPS, GSM состоит из датчиков охраны, которые подключаются к центральному блоку. В комплект сигнализации входит брелок управления.

Охранная система позволяет отключать двигатель дистанционно, блокировать двери с включением сигнализации. Установленные датчики обнаруживают проникновение в авто, а при необходимости можно определить его местонахождение с точностью до двух метров по присланным со спутника координатам. Использование приемников GPS и ГЛОНАСС одновременно повышает точность определения положения авто, особенно в тоннелях, районах плотной застройки, закрытых стоянках.

Что может авто GSM-сигнализация? — Диалоговая сигнализация с автозапуском. Ее отличает наличием индивидуального ключа шифрования длиной 128 бит. Поэтому система исключает интеллектуальный взлом и имеет устойчивость к кодграбберам. Применяется для защиты кода алгоритм диалогового кодирования и новый метод прыгающих частот. Система охраны контролирует процесс дистанционного запуска двигателя и автозапуск: от заданного предела напряжения, при снижении температуры и в определенное время. Брелок оснащен по последним новейшим технологиям.

Хорошая сигнализация — ваш надежный помощник с ворами

Редакция Uznayvse.ru напоминает, что при покупке сигнализации следует обращать внимание не только на функционал и стоимость, но и на марку. Рационально отдать предпочтение продукции известных производителей: популярные фирмы вкладывают большие средства в разработку, тестирование продукции, что сказывается на ее уровне надежности. не лишним будет оснастить машину видеорегистратором.

Выбираем автосигнализацию правильно: какую лучше поставить, какая сигналка с автозапуском лучше в Казани | Старлайн-Казань

Каждый автовладелец вне зависимости от стоимости его автомобиля должен установить на машину специальную защитную сигнализацию, которая позволяет защитить автомобиль от угона.

Многие автовладельцы не разбираются во всех тонкостях  современных моделей автомобильных сигнализаций, поэтому перед выбором предпочтительно изучить дополнительную литературу, что позволит получить нужные знания и сделать правильный выбор.  Имея хороший багаж знаний, вы сможете сделать правильный выбор.

Первое, что необходимо знать при выборе автомобильной сигнализации, так это то, что ее установку должен осуществлять профессиональный специалист. Попытавшись сэкономить на установке, автовладелец неизменным образом потеряет в безопасности автомобиля.

Специалисты рекомендуют, что качественная автосигнализация должна иметь ни один используемый рубеж охраны. Это позволит повысить эффективность охранного автомобильного комплекса.

Все противоугонные системы можно разделить на несколько типов  — механические и электромеханические устройства защиты, охранно-поисковые системы, автосигнализации и иммобилайзеры.

Наибольшую популярность сегодня получили автосигнализации, которые  оснащены широким функционалом, что позволяет им обеспечить безопасность транспортного средства. В настоящее время существует множество различных типов автомобильных сигнализаций, как относительно  недорогие устройства, так и многофункциональные автомобильные защитные сигнализации. Если простые модели оснащаются лишь датчиками удара и движения. Тогда как сигнализации премиум уровня оснащены многочисленными зонами защиты. У самых «навороченных» моделей число таких зон приближается к десятку. Все это позволяет обеспечить максимальную степень защиты. Специалисты рекомендуют комбинировать сразу несколько видов сигнализаций. Подобное оправдано для защиты по-настоящему дорогих автомобилей.

В основе принципа управления работой автомобильных сигнализаций  лежит передача радиочастот от брелока к основному блоку. Современные высокотехнологичные виды автомобильных сигнализаций имеют функцию обратной связи, что позволяет обеспечить возможность контроля за состоянием автомобиля непосредственно с брелока автосигнализации.  Защита передаваемого сигнала – одна из главных задач, которые решают производители охранных комплексов. Так сегодня используется динамический код, который с каждым новым сигналом генерируется заново.

Следует понимать, что автомобильная сигнализация в одиночку обеспечить полную безопасность автомобиля не в состоянии. Да и скажем по правде, полную защиту вам не обеспечит ни один из используемых сегодня охранных автомобильных комплексов. Поэтому специалисты рекомендуют использовать дополнительные устройства, которые повышают эффективность сигнализации. Одним из таких устройств считается иммобилайзер.

Еще одним достаточно полезным защитным устройством можно назвать GPS-модуль. Данное устройство  используется на дорогих моделях сигнализаций. С помощью такого модуля можно отследить положение автомобиля, даже если злоумышленнику удалось похититель автомобиль. GPS модуль присылает координаты расположения автомобиля, после чего найти его не составит никакого труда.

Специалисты нашей компании советуют следующие сигнализации исходя из многолетнего опыта:
Starline A91
Starline A94
Starline E90 Совместимость сигнализации с вашим автомобилем можно посмотреть здесь.

Какую сигналку лучше поставить на авто

Сегодня сигнализация является одним из тех устройств, без которых сложно представить даже самый дешевый автомобиль. Основная задача сигналки заключается в надежной блокировке двигателя и четкой, незамедлительной реакции на открывание дверей, багажника и капота автомобиля.

Что умеют современные автосигнализации

Помимо основных функций, разработчики охранных автомобильных систем комплектуют свои устройства разнообразными ноу-хау, которые могут заинтересовать многих автолюбителей. К примеру, новые модели сигналок дают возможность водителю запускать двигатель авто дистанционно; иметь полный контроль за состоянием автомобиля, благодаря наличию в устройстве функции двусторонней связи и ЖК-экрана, а также программировать новые функции.

Надо сказать, что уровень защиты автомобиля постоянно усовершенствуется и все чаще автовладельцы приобретают так называемые разнесенные сигнализации, компоненты которых можно разместить в разных местах авто. По сравнению с обычной моноблочной, разнесенная сигнализация гарантирует более высокий уровень защиты транспортного средства, практически не оставляя шанса грабителям.

Правильный выбор сигналки

Если автомобиль почти всегда отдыхает на стоянке или в гараже, не стоит тратить деньги на самые последние модели сигнализаций. Достаточно будет простого устройства – специального пейджера, посылающего сигнал на брелок на расстоянии от 300 до 500 метров. Оптимальным же вариантом для автомобиля, который ночует возле парадного, будет сигнализация, оповещающая о проникновении звуком громкой сирены.

Сделав выбор в пользу сигнализации-сирены, следует позаботиться о том, чтобы укомплектовать устройство не только датчиками, реагирующими на открывание дверей, багажника и капота, но и датчиками изменения угла наклона. Данные устройства срабатывают при попытке недоброжелателей разуть авто.

Чрезвычайно эффективны и сигнализации с функцией GPS-модуля, позволяющие оперативно отследить местонахождение автомобиля в случае угона.

Если в штатном оснащении автомобиля не предусмотрен иммобилайзер, можно приобрести и установить сигнализацию, оснащенную данным устройством. Сигналка со встроенным иммобилайзером будет не только посылать сигнал о попытке проникновения в салон автомобиля, но и заблокирует работу основных узлов – двигателя, электрических цепей стартера, зажигания и других. Часто сигнализация со встроенным иммобилайзером комплектуется еще и специальным замком для капота.

Естественно, что большинство автолюбителей хотят превратить своего железного коня во что-то наподобие неприступной крепости, однако специалисты рекомендуют тратить на автосигнализацию сумму, не превышающую 5-7% от общей стоимости автомобиля.

Подбор сигнализации на Ниву – установка, цены, автозапуск. Защита от угона для автомобиля Niva

Защита Нивы от угона

Для установки сигнализации на Ниву используются только аналоговые подключения; рассмотрим, какая противоугонная система лучше всего подойдет для российского внедорожника. 

На Ниву можно установить любую автосигнализацию, при этом все подключения будут только по аналоговым цепям: ряд сервисных функций будет недоступен, но на качестве противоугонной защиты это никак не скажется.

Самые базовые модели будут охранять весь периметр автомобиля, и уведомлять владельца о несанкционированном воздействии на транспортное средство, включая удары, наклон и движение; управление будет осуществляться с ЖК-брелока. Более продвинутые системы позволят осуществлять управление с мобильного телефона – как по Bluetooth, так и по GSM, контролируя автомобиль на неограниченном расстоянии.

Цены

Ниже приведены сигнализации, которые мы рекомендуем для данного автомобиля. Цена напрямую зависит от функционала — дешевле всего будет стоить простая модель с обратной связью на ЖК-брелок, а более продвинутые модели предложат управление сигнализацией со смартфона по GSM и Bluetooth, определение GPS-координат и другие возможности.

Все цены на сайте актуальны — уже сейчас вы можете выбрать модель охранной системы, ориентируясь на бюджет, которым располагаете.

Автозапуск

Если установлена сигнализация с автозапуском Нива будет заводиться автоматически, при достижении определенного напряжения аккумулятора или температуры двигателя. Кроме того, двигатель может запускаться в заранее установленное время или через заданные промежутки времени, а также вы можете заводить его дистанционно, за 5-10 минут перед началом поездки. 

Установка сигнализации на Ниву не представляет никаких проблем, а время и цена установки напрямую зависят от выбранного охранного комплекса и количества реализуемых функций. 

Установка сигнализации на Ниву

При установке любой сигнализации Pandora на Ниву вы будете в курсе:

• напряжения аккумулятора
• состояния всех охраняемых зон
• любого воздействия на автомобиль
  

В некоторых сигнализациях уже есть GPS-модули, которые позволяют определить актуальные координаты автомобиля и отследить проделанный путь. Однако, может быть хорошей идеей установить обычную сигнализацию на Ниву, дополнив ее GPS-трекером: в отличие от модуля сигнализации, трекер полностью автономен и не связан проводами с охранной системой, поэтому найти его будет крайне проблематично. На экране мобильного телефона вы сможете в любой момент проверять текущие координаты, смотреть треки и настраивать геозоны (последнее особенно актуально, если вы даете свой автомобиль кому-то еще).

Какая сигнализация лучше старлайн или шериф (starline или sheriff)

Обычно перед тем, как приобрести новую сигнализацию, каждый автолюбитель пытается разобраться в многообразии моделей и характеристик девайсов, представленных на рынке, посоветоваться с друзьями и знакомыми, которые недавно приобретали сигнализацию, или почитать отзывы реальных покупателей в глобальной сети.

Большинство статистических исследований как раз и основываются на мнении таких покупателей. Недавние исследования показали, что одними из самых популярных моделей сигнализаций на российском рынке являются товары под марками Старлайн и Шериф. Первый чуть превосходит своего конкурента, но всего на одну позицию. Различия незначительные, но все же они есть и в них стоит разобраться.

Пожалуй, одним из главных достоинств Старлайна является дальность действия сигнала. Производитель утверждает, что можно завести машину с брелока, даже если она находится на расстоянии в 800 метров. Потребители же утверждают, что расстояние и того больше. в любом случае, даже если машина находится на стоянке не совсем рядом с домом, вы сможете ее прогреть, не выходя на улицу.

Если у вас нет времени утром долго прогревать двигатель, запрограммируйте сигнализацию и Старлайн будет сам периодически прогревать двигатель. Все эти функции выполняются при помощи одного брелока, который не боится никаких повреждений.Это не все преимущества данной марки сигнализации. Установив такую сигнализацию, вы можете быть уверены, что защитите свой автомобиль от всех известных видов интеллектуального взлома. Более того, сигнализация имеет 9 охранных зон, функцию вызова хозяина к его авто, блокировки двигателя, открывание багажника на расстоянии и работает при диапазоне температур от -50 до +85 градусов. Все это входит в стоимость от 72 до 145 долларов США.

Сигнализация Шериф ничуть не уступает своему конкуренту по характеристикам и функциям. Она также защищает вас от любых видов механического и интеллектуального взлома. Если кто-то попытается проникнуть в авто, вы тут же будет оповещены об этом. Кроме того, система может блокировать двигатель и центральный замок при попытке завести автомобиль или вскрыть его любым путем.В придачу ко всему этому можно будет удаленно открыть багажник, включить сигнализацию даже с включенным двигателем, защитить авто даже при попытке подменить блок управления сигнализацией и, конечно же, включить двигатель даже на значительном расстоянии от авто. Все эти и многие другие функции можно получить за сумму от 73 долларов.

Функции и стоимость этих двух товаров примерно одинаковые, поэтому при размышлениях о том, какая сигнализация лучше — Старлайн или Шериф — лучше всего полагаться на собственный вкус и необходимые вам функции.

Какие типы сигналов используют клетки для связи?

Клетки не только взаимодействуют со своим непосредственным микроокружением, но также могут обнаруживать и реагировать на сигналы, исходящие гораздо дальше. Сигнальные пути можно классифицировать в соответствии с источником сигнальной молекулы или лиганда.

В зависимости от происхождения лиганда (из той же клетки, из соседней клетки или издалека) взаимодействие рецептор-лиганд и активация сигнального пути подразделяются на четыре различных типа: аутокринный, эндокринный, паракринный и юкстакринный.Активация любого из этих путей в конечном итоге приводит к экспрессии генов.

Эндокринная сигнализация

Эндокринная передача сигналов является примером связи на больших расстояниях между продуцирующими гормоны клетками, тканями и железами и клетками, которые экспрессируют молекулы рецепторов гормонов. Сами гормоны представляют собой небольшие молекулы или гликопротеины, которые обычно секретируются в кровоток, прежде чем распространяться по организму. Эндокринные сигналы часто исходят из головного мозга, однако другие железы и органы, включая щитовидную железу, желудок, поджелудочную железу, печень, почки и репродуктивные органы, также производят гормоны.Один из эндокринных сигналов, который должен проходить на большое расстояние, — это сигнал фолликулостимулирующего гормона (ФСГ), который отправляется из передней доли гипофиза в яички или яичники, где он стимулирует созревание половых клеток.

Паракринная сигнализация

Паракринная передача сигналов происходит между клетками в непосредственной близости друг от друга. Здесь растворимая сигнальная молекула, секретируемая одной клеткой, диффундирует в другую клетку по соседству. Например, нейротрансмиттеры, секретируемые нейронами, диффундируют на несколько нанометров перед связыванием с рецепторами на нейронах-мишенях или мышечных клетках.Другой пример — высвобождение хемокинов нейтрофилами, которые привлекают другие клетки посредством процесса, известного как хемотаксис.

Juxtacrine сигнальный

Передача сигналов Juxtacrine происходит между соседними клетками, которые находятся в физическом контакте друг с другом. В этом случае сигнальная молекула не свободна, а вместо этого связана с мембраной клетки. Затем он может взаимодействовать с рецептором на мембране соседней клетки. Примером передачи сигналов юкстакрина является взаимодействие между рецептором notch и его лигандом «дельта».Соединения клетки-клетки, содержащие комплексы кадгерина, также работают аналогичным образом.

Автокринная сигнализация

При аутокринной передаче сигналов сигнальная молекула исходит из самой клетки-мишени. Это происходит, когда клетки экспрессируют рецепторы к лиганду, который они секретируют. Например, тромбоциты крови выделяют эйкозаноиды, которые влияют на их собственную активность. Аутокринная передача сигналов также наблюдалась во время развития эмбриона.

Сигнальные молекулы и их рецепторы — Клетка

Множество различных видов молекул передают информацию между клетками многоклеточных организмов.Хотя все эти молекулы действуют как лиганды, которые связываются с рецепторами, экспрессируемыми их клетками-мишенями, существуют значительные различия в структуре и функциях различных типов молекул, которые служат передатчиками сигналов. Структурно сигнальные молекулы, используемые растениями и животными, различаются по сложности от простых газов до белков. Некоторые из этих молекул переносят сигналы на большие расстояния, тогда как другие действуют локально, передавая информацию между соседними клетками. Кроме того, сигнальные молекулы различаются по способу действия на клетки-мишени.Некоторые сигнальные молекулы способны пересекать плазматическую мембрану и связываться с внутриклеточными рецепторами в цитоплазме или ядре, тогда как большинство из них связываются с рецепторами, экспрессируемыми на поверхности клетки-мишени. В следующих разделах обсуждаются основные типы сигнальных молекул и рецепторы, с которыми они взаимодействуют. Дальнейшее обсуждение в этой главе сосредоточено на механизмах, с помощью которых рецепторы клеточной поверхности затем функционируют, регулируя поведение клетки.

Режимы передачи сигналов клетка

Передача сигналов клетки может быть результатом либо прямого взаимодействия клетки с ее соседом, либо действия секретируемых сигнальных молекул ().Передача сигналов посредством прямых взаимодействий клетка-клетка (или клетка-матрица) играет решающую роль в регулировании поведения клеток в тканях животных. Например, интегрины и кадгерины (которые обсуждались в предыдущей главе) функционируют не только как молекулы клеточной адгезии, но также как сигнальные молекулы, которые регулируют пролиферацию и выживание клеток в ответ на контакты клетка-клетка и клеточный матрикс. Кроме того, клетки экспрессируют множество рецепторов клеточной поверхности, которые взаимодействуют с сигнальными молекулами на поверхности соседних клеток.Передача сигналов через такие прямые межклеточные взаимодействия играет решающую роль в регулировании многих взаимодействий между разными типами клеток, которые происходят во время эмбрионального развития, а также в поддержании тканей взрослого человека.

Рисунок 13.1

Режимы передачи сигналов ячейка-ячейка. Передача клеточных сигналов может происходить либо через прямые межклеточные контакты, либо за счет действия секретируемых сигнальных молекул. (A) В эндокринной передаче сигналов гормоны переносятся через систему кровообращения, чтобы воздействовать на удаленные (подробнее…)

Множественные разновидности передачи сигналов секретируемыми молекулами часто делятся на три основные категории в зависимости от расстояния, на которое передаются сигналы. В эндокринной передаче сигналов сигнальные молекулы (гормоны) секретируются специализированными эндокринными клетками и переносятся по кровотоку, чтобы воздействовать на клетки-мишени в удаленных участках тела. Классический пример — стероидный гормон эстроген, который вырабатывается яичниками и стимулирует развитие и поддержание женской репродуктивной системы и вторичных половых признаков.У животных эндокринные железы вырабатывают более 50 различных гормонов, включая гипофиз, щитовидную железу, паращитовидную железу, поджелудочную железу, надпочечники и гонады.

В отличие от гормонов, некоторые сигнальные молекулы действуют локально, влияя на поведение соседних клеток. В паракринной передаче сигналов молекула, высвобождаемая одной клеткой, действует на соседние клетки-мишени. Примером может служить действие нейротрансмиттеров при передаче сигналов между нервными клетками в синапсе. Наконец, некоторые клетки реагируют на сигнальные молекулы, которые они сами производят.Одним из важных примеров такой аутокринной передачи сигналов является ответ клеток иммунной системы позвоночных на чужеродные антигены. Определенные типы Т-лимфоцитов реагируют на антигенную стимуляцию путем синтеза фактора роста, который стимулирует их собственную пролиферацию, тем самым увеличивая количество реагирующих Т-лимфоцитов и усиливая иммунный ответ. Также следует отметить, что аномальная аутокринная передача сигналов часто способствует неконтролируемому росту раковых клеток (см. Главу 15). В этой ситуации раковая клетка производит фактор роста, на который она также реагирует, тем самым непрерывно управляя собственной нерегулируемой пролиферацией.

Стероидные гормоны и суперсемейство стероидных рецепторов

Как уже отмечалось, все сигнальные молекулы действуют путем связывания с рецепторами, экспрессируемыми их клетками-мишенями. Во многих случаях эти рецепторы экспрессируются на поверхности клетки-мишени, но некоторые рецепторы представляют собой внутриклеточные белки, расположенные в цитозоле или ядре. Эти внутриклеточные рецепторы отвечают на небольшие гидрофобные сигнальные молекулы, которые способны диффундировать через плазматическую мембрану. Стероидные гормоны являются классическими примерами этой группы сигнальных молекул, которая также включает гормон щитовидной железы, витамин D ₃ и ретиноевую кислоту ().

Рис. 13.2

Структура стероидных гормонов, гормона щитовидной железы, витамина D ₃ и ретиноевой кислоты. Стероиды включают половые гормоны (тестостерон, эстроген и прогестерон), глюкокортикоиды и минералокортикоиды.

Стероидные гормоны (включая тестостерон, эстроген, прогестерон, кортикостероиды и экдизон) синтезируются из холестерина. Тестостерон, эстроген и прогестерон — это половые стероиды, вырабатываемые гонадами.Кортикостероиды вырабатываются надпочечниками. К ним относятся глюкокортикоиды , которые действуют на различные клетки, чтобы стимулировать выработку глюкозы, и минералокортикоиды , которые действуют на почки, регулируя солевой и водный баланс. Экдизон — это гормон насекомых, который играет ключевую роль в развитии, вызывая метаморфоз личинок во взрослых особей.

Хотя гормон щитовидной железы, витамин D ₃ и ретиноевая кислота структурно и функционально отличаются от стероидов, они имеют общий механизм действия на свои клетки-мишени.Гормон щитовидной железы синтезируется из тирозина в щитовидной железе; он играет важную роль в развитии и регуляции обмена веществ. Витамин D ₃ регулирует метаболизм Ca ²⁺ и рост костей. Ретиноевая кислота и родственные соединения ( ретиноиды ), синтезированные из витамина А, играют важную роль в развитии позвоночных.

Благодаря своему гидрофобному характеру стероидные гормоны, гормон щитовидной железы, витамин D ₃ и ретиноевая кислота могут проникать в клетки, диффундируя через плазматическую мембрану ().Попав внутрь клетки, они связываются с внутриклеточными рецепторами, которые экспрессируются гормонально-чувствительными клетками-мишенями. Эти рецепторы, которые являются членами семейства белков, известного как суперсемейство стероидных рецепторов, представляют собой факторы транскрипции, которые содержат родственные домены для связывания лиганда, связывания ДНК и активации транскрипции. Связывание лигандов регулирует их функцию в качестве активаторов или репрессоров своих генов-мишеней, поэтому стероидные гормоны и родственные молекулы непосредственно регулируют экспрессию генов.

Рисунок 13.3

Действие стероидных гормонов. Стероидные гормоны диффундируют через плазматическую мембрану и связываются с ядерными рецепторами, которые напрямую стимулируют транскрипцию своих генов-мишеней. Рецепторы стероидных гормонов связывают ДНК в виде димеров.

Связывание лиганда по-разному влияет на разные рецепторы. Некоторые члены суперсемейства стероидных рецепторов, такие как рецепторы эстрогена и глюкокортикоидов, неспособны связываться с ДНК в отсутствие гормона. Связывание гормона вызывает конформационное изменение рецептора, позволяя ему связываться с регуляторными последовательностями ДНК и активировать транскрипцию генов-мишеней.В других случаях рецептор связывает ДНК в присутствии или в отсутствие гормона, но связывание гормона изменяет активность рецептора как молекулы, регулирующей транскрипцию. Например, рецептор гормона щитовидной железы действует как репрессор в отсутствие гормона, но связывание гормона превращает его в активатор, который стимулирует транскрипцию генов, индуцируемых гормоном щитовидной железы ().

Рисунок 13.4

Регулирование гена рецептором тироидного гормона. Рецептор тироидного гормона связывает ДНК в присутствии или в отсутствие гормона.Однако связывание гормона изменяет функцию рецептора с репрессора на активатор транскрипции гена-мишени. (подробнее …)

Оксид азота и окись углерода

Простая газовая окись азота (NO) является основной паракринной сигнальной молекулой в нервной, иммунной и кровеносной системах. Как и стероидные гормоны, NO способен диффундировать непосредственно через плазматическую мембрану своих клеток-мишеней. Однако молекулярная основа действия NO отличается от действия стероидов; NO изменяет активность внутриклеточных ферментов-мишеней вместо связывания с рецептором, регулирующим транскрипцию.

Оксид азота синтезируется из аминокислоты аргинина ферментом синтазой оксида азота (). После синтеза NO диффундирует из клетки и может действовать локально, воздействуя на соседние клетки. Его действие ограничено такими локальными эффектами, потому что NO чрезвычайно нестабилен, с периодом полураспада всего несколько секунд. Одним из хорошо известных примеров действия NO является сигнализация о расширении кровеносных сосудов. Первым шагом в этом процессе является высвобождение нейромедиаторов, таких как ацетилхолин, из окончаний нервных клеток в стенке кровеносных сосудов.Эти нейротрансмиттеры действуют на эндотелиальные клетки, стимулируя синтез NO. Затем NO диффундирует в соседние гладкомышечные клетки, где он вступает в реакцию с железом, связанным с активным центром фермента гуанилилциклазы. Это увеличивает ферментативную активность, что приводит к синтезу вторичного циклического GMP-мессенджера (обсуждается далее в этой главе), который вызывает расслабление мышечных клеток и расширение кровеносных сосудов. Например, NO отвечает за сигнализирование о расширении кровеносных сосудов, которое приводит к эрекции полового члена.Также интересно отметить, что медицинское использование нитроглицерина при лечении сердечных заболеваний основано на его превращении в NO, который расширяет коронарные кровеносные сосуды и увеличивает приток крови к сердцу.

Рисунок 13.5

Синтез оксида азота. Фермент синтаза оксида азота (NOS) катализирует образование оксида азота из аргинина.

Другой простой газ, окись углерода (CO), также действует как сигнальная молекула в нервной системе. CO тесно связан с NO и, по-видимому, действует аналогичным образом как нейротрансмиттер и медиатор расширения кровеносных сосудов.Синтез CO в клетках мозга, как и NO, стимулируется нейротрансмиттерами. Кроме того, CO может стимулировать гуанилатциклазу, которая также может представлять собой главную физиологическую мишень передачи сигналов CO.

Нейротрансмиттеры

Нейротрансмиттеры переносят сигналы между нейронами или от нейронов к другим типам клеток-мишеней (например, мышечным клеткам). Они представляют собой разнообразную группу небольших гидрофильных молекул, включая ацетилхолин, дофамин, адреналин (адреналин), серотонин, гистамин, глутамат, глицин и γ-аминомасляную кислоту (ГАМК) ().Высвобождение нейротрансмиттеров сигнализируется появлением потенциала действия на конце нейрона (см.). Затем нейротрансмиттеры диффундируют через синаптическую щель и связываются с рецепторами на поверхности клетки-мишени. Обратите внимание, что некоторые нейротрансмиттеры также могут действовать как гормоны. Например, адреналин действует как нейротрансмиттер и как гормон, вырабатываемый надпочечниками, чтобы сигнализировать о распаде гликогена в мышечных клетках.

Рисунок 13.6

Структура репрезентативных нейромедиаторов.Нейромедиаторы — это гидрофильные молекулы, которые связываются с рецепторами клеточной поверхности.

Поскольку нейротрансмиттеры представляют собой гидрофильные молекулы, они не могут пересекать плазматическую мембрану своих клеток-мишеней. Следовательно, в отличие от стероидных гормонов и NO или CO, нейротрансмиттеры действуют путем связывания с рецепторами клеточной поверхности. Многие рецепторы нейротрансмиттеров представляют собой ионные каналы, управляемые лигандами, такие как рецептор ацетилхолина, описанный в предыдущей главе (см.). Связывание нейротрансмиттера с этими рецепторами вызывает конформационные изменения, которые открывают ионные каналы, что напрямую приводит к изменениям потока ионов в клетке-мишени.Другие рецепторы нейротрансмиттеров связаны с G-белками — основной группой сигнальных молекул (обсуждаемых далее в этой главе), которые связывают рецепторы клеточной поверхности с различными внутриклеточными ответами. В случае рецепторов нейротрансмиттеров ассоциированные G-белки часто действуют, косвенно регулируя активность ионных каналов.

Пептидные гормоны и факторы роста

Самым большим разнообразием сигнальных молекул у животных являются пептиды, размер которых варьируется от нескольких до более сотни аминокислот.Эта группа сигнальных молекул включает пептидные гормоны, нейропептиды и разнообразный набор факторов роста полипептидов (). Хорошо известные примеры пептидных гормонов включают инсулин, глюкагон и гормоны, вырабатываемые гипофизом (гормон роста, фолликулостимулирующий гормон, пролактин и другие).

Таблица 13.1

Типичные пептидные гормоны, нейропептиды и факторы роста.

Нейропептиды секретируются некоторыми нейронами вместо низкомолекулярных нейромедиаторов, рассмотренных в предыдущем разделе.Некоторые из этих пептидов, такие как энкефалины и эндорфины , функционируют не только как нейротрансмиттеры в синапсах, но также как нейрогормоны , которые действуют на отдаленные клетки. Энкефалины и эндорфины широко изучались из-за их активности в качестве естественных анальгетиков, уменьшающих болевые реакции в центральной нервной системе. Обнаруженные в ходе исследований наркозависимости, они представляют собой соединения природного происхождения, которые связываются с теми же рецепторами на поверхности клеток мозга, что и морфин.

Факторы роста полипептидов включают широкий спектр сигнальных молекул, которые контролируют рост и дифференцировку клеток животных. Первый из этих факторов ( фактор роста нервов, или NGF ) был открыт Ритой Леви-Монтальчини в 1950-х годах. NGF является членом семейства полипептидов (называемых нейротрофинами ), которые регулируют развитие и выживание нейронов. В ходе экспериментов с NGF Стэнли Коэн по счастливой случайности обнаружил неродственный фактор (так называемый эпидермальный фактор роста, или EGF ), который стимулирует пролиферацию клеток.EGF, полипептид из 53 аминокислот (), послужил прототипом большого набора факторов роста, которые играют критическую роль в контроле пролиферации клеток животных как во время эмбрионального развития, так и во взрослых организмах.

Рисунок 13.7

Структура эпидермального фактора роста (EGF). EGF представляет собой одну полипептидную цепь из 53 аминокислот. Указаны дисульфидные связи между остатками цистеина. (По G. Carpenter и S. Cohen, 1979. Ann. Rev. Biochem. 48: 193.)

Хорошим примером действия фактора роста является активность фактора роста, полученного из тромбоцитов ( PDGF ) в заживлении ран.PDGF хранится в тромбоцитах крови и высвобождается во время свертывания крови на месте раны. Затем он стимулирует пролиферацию фибробластов вблизи сгустка, тем самым способствуя возобновлению роста поврежденной ткани. Члены другой большой группы факторов роста полипептидов (называемых цитокинами) регулируют развитие и дифференцировку клеток крови и контролируют активность лимфоцитов во время иммунного ответа. Другие полипептидные факторы роста (заякоренные в мембране факторы роста) остаются связанными с плазматической мембраной, а не секретируются во внеклеточные жидкости, поэтому функционируют специфически как сигнальные молекулы во время прямых межклеточных взаимодействий.

Пептидные гормоны, нейропептиды и факторы роста не могут проникать через плазматическую мембрану своих клеток-мишеней, поэтому они действуют путем связывания с рецепторами клеточной поверхности, как обсуждается далее в этой главе. Как и следовало ожидать, исходя из критической роли факторов роста полипептидов в контроле пролиферации клеток, нарушения передачи сигналов факторов роста являются основой множества заболеваний, включая многие виды рака. Например, аномальная экспрессия близкого родственника рецептора EGF является важным фактором в развитии многих видов рака груди и яичников у человека.

Эйкозаноиды

Несколько типов липидов служат сигнальными молекулами, которые, в отличие от стероидных гормонов, действуют путем связывания с рецепторами на поверхности клетки. Наиболее важные из этих молекул являются членами класса липидов, называемых эйкозаноидами, который включает простагландины , простациклин , тромбоксаны и лейкотриены (). Эйкозаноиды быстро разрушаются и поэтому действуют локально в аутокринных или паракринных сигнальных путях.Они стимулируют различные реакции в своих клетках-мишенях, включая агрегацию тромбоцитов, воспаление и сокращение гладких мышц.

Рисунок 13.8

Синтез и структура эйкозаноидов. К эйкозаноидам относятся простагландины, простациклин, тромбоксаны и лейкотриены. Они синтезируются из арахидоновой кислоты, которая образуется в результате гидролиза фосфолипидов, катализируемого фосфолипазой (подробнее …)

Все эйкозаноиды синтезируются из арахидоновой кислоты, которая образуется из фосфолипидов.Первым этапом пути, ведущего к синтезу простагландинов или тромбоксанов, является превращение арахидоновой кислоты в простагландин H ₂ . Интересно, что фермент, который катализирует эту реакцию (циклооксигеназа), является мишенью для аспирина и других нестероидных противовоспалительных препаратов. Подавляя синтез простагландинов, аспирин уменьшает воспаление и боль. Ингибируя синтез тромбоксана, аспирин также снижает агрегацию тромбоцитов и свертывание крови. Из-за этой активности для профилактики инсультов часто назначают небольшие суточные дозы аспирина.Кроме того, было обнаружено, что аспирин и нестероидные противовоспалительные препараты снижают частоту рака толстой кишки как у животных, так и у людей, по-видимому, за счет ингибирования синтеза простагландинов, которые действуют, стимулируя пролиферацию клеток и способствуя развитию рака.

Гормоны растений

Рост и развитие растений регулируются группой небольших молекул, называемых гормонами растений. Уровни этих молекул в растении обычно изменяются факторами окружающей среды, такими как свет или инфекция, поэтому они координируют реакцию тканей в различных частях растения на сигналы окружающей среды.

Растительные гормоны обычно делятся на пять основных классов: ауксины , гиббереллины , цитокинины , абсцизовая кислота и этилен (), хотя недавно были обнаружены несколько дополнительных растительных гормонов. Первым растительным гормоном, который был идентифицирован, был ауксин, первые эксперименты, приведшие к его открытию, были выполнены Чарльзом Дарвином в 1880-х годах. Один из эффектов ауксинов — вызвать удлинение растительных клеток за счет ослабления клеточной стенки (см.).Кроме того, ауксины регулируют многие другие аспекты развития растений, включая деление и дифференцировку клеток. Другие гормоны растений также оказывают множественное воздействие на свои ткани-мишени, включая удлинение стебля (гиббереллины), созревание плодов (этилен), деление клеток (цитокинины) и наступление состояния покоя (абсцизовая кислота).

Наше понимание молекулярных механизмов действия гормонов растений менее продвинуто, чем сопоставимые исследования клеток животных, и рецепторы для гормонов растений только начинают идентифицироваться и охарактеризовывать.Одной из областей, заслуживающих внимания, стало понимание механизма реакции растительных клеток на этилен. Используя в качестве модели небольшой сорняк Arabidopsis , были идентифицированы несколько генов, необходимых для чувствительности к этилену. К ним относятся гены, кодирующие рецептор этилена, который похож на семейство рецепторов, обычно обнаруживаемых у бактерий и дрожжей. Дополнительные гены, которые были идентифицированы в сигнальном пути этилена, включают белок, связанный с протеинкиназой Raf, который играет ключевую роль в сигнальных путях животных клеток (обсуждается далее в этой главе), и факторы транскрипции, которые регулируют экспрессию этилен- отзывчивые гены.

Почему и как используются дифференциальные сигналы

Узнайте о важных характеристиках, преимуществах и приложениях дифференциальной сигнализации, а также о методах правильной компоновки для дифференциальных сигналов.

Основы: односторонняя и дифференциальная сигнализация

Во-первых, мы должны изучить некоторые основы о том, что такое несимметричная сигнализация, прежде чем мы сможем перейти к дифференциальной сигнализации и ее характеристикам.

Односторонняя сигнализация

Несимметричная сигнализация — это простой и распространенный способ передачи электрического сигнала от отправителя к получателю.Электрический сигнал передается напряжением (часто изменяющимся напряжением), которое относится к фиксированному потенциалу, обычно узлу 0 В, называемому «землей».

Один проводник передает сигнал, а один провод несет общий опорный потенциал. Ток, связанный с сигналом, проходит от отправителя к получателю и возвращается к источнику питания через заземление. Если передается несколько сигналов, для схемы потребуется один проводник для каждого сигнала плюс одно общее заземление; таким образом, например, 16 сигналов могут быть переданы с использованием 17 проводников.

Несимметричная топология

Дифференциальная сигнализация

Дифференциальная сигнализация, которая менее распространена, чем несимметричная сигнализация, использует два дополнительных сигнала напряжения для передачи одного информационного сигнала. Итак, один информационный сигнал требует пары проводов; один передает сигнал, а другой — инвертированный сигнал.

Несимметричный и дифференциальный: общая временная диаграмма

Приемник извлекает информацию, обнаруживая разность потенциалов между инвертированными и неинвертированными сигналами.Два сигнала напряжения являются «сбалансированными», что означает, что они имеют одинаковую амплитуду и противоположную полярность относительно синфазного напряжения. Обратные токи, связанные с этими напряжениями, также уравновешиваются и, таким образом, компенсируют друг друга; по этой причине мы можем сказать, что дифференциальные сигналы имеют (в идеале) нулевой ток, протекающий через заземление.

При дифференциальной сигнализации отправитель и получатель не обязательно имеют общий опорный заземляющий провод. Однако использование дифференциальной сигнализации не означает, что разность потенциалов земли между отправителем и получателем не влияет на работу цепи.

Если передается несколько сигналов, для каждого сигнала необходимы два проводника, и часто необходимо или, по крайней мере, полезно включить заземление, даже если все сигналы являются дифференциальными. Таким образом, например, для передачи 16 сигналов потребуется 33 проводника (по сравнению с 17 для несимметричной передачи). Это демонстрирует очевидный недостаток дифференциальной сигнализации.

Топология дифференциальной сигнализации

Преимущества дифференциальной сигнализации

Однако есть важные преимущества дифференциальной сигнализации, которые могут более чем компенсировать увеличенное количество проводников.

Нет обратного тока

Поскольку у нас (в идеале) нет обратного тока, заземление становится менее важным. Потенциал заземления может даже быть различным у отправителя и получателя или перемещаться в пределах определенного допустимого диапазона. Однако вам нужно быть осторожным, потому что для дифференциальной сигнализации по постоянному току (например, USB, RS-485, CAN) обычно требуется общий потенциал земли, чтобы сигналы оставались в пределах максимального и минимально допустимого синфазного напряжения интерфейса.

Устойчивость к входящим электромагнитным помехам и перекрестным помехам

Если электромагнитные помехи (электромагнитные помехи) или перекрестные помехи (т. Е. Электромагнитные помехи, генерируемые соседними сигналами) вносятся извне дифференциальных проводников, они добавляются в равной степени к инвертированному и неинвертированному сигналу. Приемник реагирует на разницу в напряжении между двумя сигналами, а не на несимметричное (то есть с привязкой к земле) напряжение, и, таким образом, схема приемника значительно уменьшит амплитуду помех или перекрестных помех.

Вот почему дифференциальные сигналы менее чувствительны к электромагнитным помехам, перекрестным помехам или любому другому шуму, который возникает в обоих сигналах дифференциальной пары.

Уменьшение исходящих электромагнитных помех и перекрестных помех

Быстрые переходы, такие как нарастающие и спадающие фронты цифровых сигналов, могут вызывать значительное количество электромагнитных помех. Как несимметричные, так и дифференциальные сигналы генерируют электромагнитные помехи, но два сигнала в дифференциальной паре будут создавать электромагнитные поля, которые (в идеале) равны по величине, но противоположны по полярности.Это, в сочетании с методами, которые поддерживают непосредственную близость между двумя проводниками (например, использование кабеля с витой парой), гарантирует, что излучения от двух проводов будут в значительной степени компенсировать друг друга.

Работа при низком напряжении

Несимметричные сигналы должны поддерживать относительно высокое напряжение, чтобы обеспечить адекватное отношение сигнал / шум (SNR). Обычные несимметричные интерфейсные напряжения составляют 3,3 В и 5 В. Из-за повышенной устойчивости к шуму для дифференциальных сигналов можно использовать более низкие напряжения и при этом поддерживать адекватное отношение сигнал / шум.Кроме того, SNR дифференциальной сигнализации автоматически увеличивается в два раза по сравнению с эквивалентной несимметричной реализацией, потому что динамический диапазон в дифференциальном приемнике вдвое превышает динамический диапазон каждого сигнала в дифференциальной паре.

Возможность успешной передачи данных с использованием более низкого напряжения сигнала дает несколько важных преимуществ:

• Можно использовать более низкие напряжения питания.
• Меньшие переходы напряжения
  • уменьшить излучаемые электромагнитные помехи,
  • снизить энергопотребление, а
  • позволяют использовать более высокие рабочие частоты.

Состояние высокого или низкого уровня и точная синхронизация

Вы когда-нибудь задумывались, как именно мы решаем, находится ли сигнал в состоянии высокого или низкого логического уровня? В несимметричных системах мы должны учитывать напряжение источника питания, пороговые характеристики схемы приемника, возможно, значение опорного напряжения. И, конечно же, есть вариации и допуски, которые вносят дополнительную неопределенность в вопрос о высоком или низком логическом уровне.

В дифференциальных сигналах определить логическое состояние проще.Если напряжение неинвертированного сигнала выше, чем напряжение инвертированного сигнала, у вас высокий логический уровень. Если неинвертированное напряжение ниже, чем инвертированное, у вас низкий логический уровень. И переход между двумя состояниями — это точка, в которой пересекаются неинвертированный и инвертированный сигналы, то есть точка пересечения.

Это одна из причин, по которой важно согласовывать длины проводов или дорожек, несущих дифференциальные сигналы: для максимальной точности синхронизации вы хотите, чтобы точка кроссовера точно соответствовала логическому переходу, но когда два проводника в паре не соответствуют равной длины, разница в задержке распространения приведет к смещению точки кроссовера.

Приложения

В настоящее время существует множество стандартов интерфейсов, использующих дифференциальные сигналы. К ним относятся следующие:

Очевидно, что теоретические преимущества дифференциальной сигнализации подтверждены практическим применением в бесчисленных реальных приложениях.

Основные методы разводки дифференциальных трасс на печатных платах

Наконец, давайте изучим основы того, как разводятся дифференциальные трассы на печатных платах. Маршрутизация дифференциальных сигналов может быть немного сложной, но есть несколько основных правил, которые делают процесс более простым.

Подбор длины и длины — оставайтесь равными!

Дифференциальные сигналы (в идеале) равны по величине и противоположны по полярности. Таким образом, в идеальном случае через землю не будет протекать чистый обратный ток. Это отсутствие обратного тока — это хорошо, поэтому мы хотим, чтобы все было как можно лучше, а это означает, что нам нужны одинаковые длины для двух дорожек в дифференциальной паре.

Чем выше время нарастания / спада вашего сигнала (не путать с частотой сигнала), тем больше вы должны гарантировать, что трассы имеют одинаковую длину.Ваша программа компоновки может включать в себя функцию, которая поможет вам точно настроить длину трасс для дифференциальных пар. Если вам трудно добиться одинаковой длины, вы можете использовать технику «меандра».

Пример извилистой трассы

Ширина и интервал — сохраняйте постоянство!

Чем ближе дифференциальные проводники, тем лучше будет связь сигналов. Сгенерированные электромагнитные помехи будут подавляться более эффективно, а полученные электромагнитные помехи будут более равномерно связаны с обоими сигналами.Так что постарайтесь максимально сблизить их.

Проводники дифференциальной пары следует прокладывать как можно дальше от соседних сигналов, чтобы избежать помех. Ширина и расстояние между дорожками должны выбираться в соответствии с целевым импедансом и должны оставаться постоянными по всей длине дорожек. Поэтому, если возможно, следы должны оставаться параллельными при перемещении по печатной плате.

Импеданс — минимизация отклонений!

Одна из наиболее важных вещей, которую необходимо сделать при разработке печатной платы с дифференциальными сигналами, — это определить целевой импеданс для вашего приложения и затем соответствующим образом разложить дифференциальные пары.Кроме того, старайтесь, чтобы изменения импеданса были как можно меньше.

Импеданс вашей дифференциальной линии зависит от таких факторов, как ширина дорожки, соединение дорожек, толщина меди, а также материал печатной платы и наложение слоев. Учитывайте каждый из них, пытаясь избежать всего, что изменяет импеданс вашей дифференциальной пары.

Не направляйте высокоскоростные сигналы через промежуток между медными участками на плоском слое, потому что это также влияет на ваш импеданс. Старайтесь избегать разрывов в плоскости заземления.

Рекомендации по макету — прочтите, проанализируйте и вдумайтесь в них!

И, наконец, что не менее важно, есть одна очень важная вещь, которую вы должны сделать при маршрутизации дифференциальных трасс: получить техническое описание и / или примечания по применению для микросхемы, которая отправляет или принимает дифференциальный сигнал, прочитать рекомендации по компоновке, и внимательно их проанализируйте. Таким образом, вы можете реализовать наилучший макет в рамках ограничений конкретного дизайна.

Заключение

Дифференциальная сигнализация позволяет нам передавать информацию с более низким напряжением, хорошим соотношением сигнал / шум, повышенной устойчивостью к шуму и более высокими скоростями передачи данных.С другой стороны, количество проводников увеличивается, и системе потребуются специализированные передатчики и приемники вместо стандартных цифровых ИС.

В настоящее время дифференциальные сигналы являются частью многих стандартов, включая LVDS, USB, CAN, RS-485 и Ethernet, и поэтому мы все должны быть (по крайней мере) знакомы с этой технологией. Если вы действительно разрабатываете печатную плату с дифференциальными сигналами, не забудьте ознакомиться с соответствующими техническими описаниями и примечаниями к приложениям, а при необходимости прочитайте эту статью еще раз!

Показанное изображение любезно предоставлено Hardwareonkel (собственная работа) [CC BY-SA 3.0]

Сигнальные молекулы и клеточные рецепторы

Сигнальные молекулы и клеточные рецепторы

Клеточная связь обеспечивает регуляцию биологических процессов в различных средах от одноклеточных до многоклеточных организмов.

Цели обучения

Объясните важность сотовой связи

Основные выводы

Ключевые моменты

• Способность клеток общаться с помощью химических сигналов возникла в отдельных клетках и была необходима для эволюции многоклеточных организмов.
• В многоклеточных организмах клетки постоянно отправляют и получают химические сообщения, чтобы координировать действия отдаленных органов, тканей и клеток.
• Клетки могут получать сообщение, передавать информацию через плазматическую мембрану, а затем производить изменения внутри клетки в ответ на сообщение.
• Одноклеточные организмы, такие как дрожжи и бактерии, общаются друг с другом, помогая в спаривании и координации.
• Сотовая связь разработана как средство общения с окружающей средой, создания биологических изменений и, при необходимости, обеспечения выживания.

Ключевые термины

• биопленка : тонкая пленка слизи, созданная колонией бактерий и других микроорганизмов и содержащая ее.

Введение: сигнальные молекулы и клеточные рецепторы

Представьте, какой была бы жизнь, если бы вы и окружающие не могли общаться. Вы не сможете выразить свои пожелания другим или задать вопросы, чтобы узнать больше о вашем окружении. Социальная организация зависит от общения между людьми, составляющими это общество; без общения общество развалится.

Общение — ключ к успеху : Расставались ли вы когда-нибудь с другом в толпе? Если да, то вы знаете, как сложно найти кого-то в окружении тысяч других людей. Если у вас и вашего друга есть сотовые телефоны, у вас хорошие шансы найти друг друга. Способность сотового телефона отправлять и получать сообщения делает его идеальным устройством связи.

Как и в случае с людьми, для отдельных клеток жизненно важно иметь возможность взаимодействовать с окружающей средой.Это верно независимо от того, растет ли клетка сама по себе в пруду или является одной из многих клеток, образующих более крупный организм. Чтобы правильно реагировать на внешние раздражители, клетки разработали сложные механизмы коммуникации, которые могут принимать сообщение, передавать информацию через плазматическую мембрану, а затем производить изменения внутри клетки в ответ на сообщение.

В многоклеточных организмах клетки постоянно отправляют и получают химические сообщения, чтобы координировать действия отдаленных органов, тканей и клеток.Возможность быстро и эффективно отправлять сообщения позволяет ячейкам координировать и настраивать свои функции.

Хотя необходимость клеточной коммуникации у более крупных организмов кажется очевидной, даже одноклеточные организмы общаются друг с другом. Клетки дрожжей сигнализируют друг другу, чтобы способствовать спариванию. Некоторые формы бактерий координируют свои действия, чтобы сформировать большие комплексы, называемые биопленками, или организовать производство токсинов для удаления конкурирующих организмов. Способность клеток общаться с помощью химических сигналов возникла в отдельных клетках и была необходима для эволюции многоклеточных организмов.Эффективное и безошибочное функционирование систем связи жизненно важно для всех форм жизни.

Формы сигнализации

Основными типами сигнальных механизмов, встречающихся в многоклеточных организмах, являются паракринные, эндокринные, аутокринные и прямые сигналы.

Цели обучения

Опишите четыре типа передачи сигналов, обнаруженных в многоклеточных организмах.

Основные выводы

Ключевые моменты

• Клетки общаются посредством различных типов сигналов, которые позволяют химическим веществам перемещаться к сайтам-мишеням, чтобы вызвать ответ.
• Передача паракринных сигналов происходит между локальными клетками, где сигналы вызывают быстрые ответы и длятся лишь короткое время из-за деградации паракринных лигандов.
• Эндокринная передача сигналов происходит между отдаленными клетками и опосредуется гормонами, выделяемыми конкретными эндокринными клетками, которые перемещаются к клеткам-мишеням, вызывая более медленный и продолжительный ответ.
• Аутокринные сигналы производятся сигнальными клетками, которые также могут связываться с высвобождаемым лигандом, что означает, что сигнальная клетка и клетка-мишень могут быть одной и той же или подобной клеткой.
• Прямая передача сигналов может происходить путем передачи сигнальных молекул через щелевые соединения между соседними клетками.

Ключевые термины

• передача эндокринных сигналов : сигналы от отдаленных клеток, исходящие от эндокринных клеток, обычно производящие медленный ответ, но имеющие длительный эффект
• аутокринная передача сигналов : продуцируется сигнальными клетками, которые также могут связываться с высвобождаемым лигандом: сигнальная клетка и клетка-мишень могут быть одной и той же или подобной клеткой (префикс авто означает себя)
• паракринная сигнализация : форма клеточной сигнализации, при которой целевая клетка находится рядом (пара = рядом) с высвобождающей сигнал клеткой

Формы сигнализации

Существует четыре категории химической передачи сигналов, обнаруженных в многоклеточных организмах: паракринная передача сигналов, эндокринная передача сигналов, аутокринная передача сигналов и прямая передача сигналов через щелевые соединения.Основное различие между различными категориями передачи сигналов — это расстояние, на которое сигнал проходит через организм, чтобы достичь клетки-мишени. Также важно отметить, что не на все клетки действуют одни и те же сигналы.

Формы химической передачи сигналов : При передаче химических сигналов клетка может нацеливаться на себя (аутокринная передача сигналов), клетка, соединенная щелевыми соединениями, соседняя клетка (паракринная передача сигналов) или удаленная клетка (передача эндокринных сигналов). Паракринная передача сигналов действует на близлежащие клетки, эндокринная передача сигналов использует систему кровообращения для транспортировки лигандов, а аутокринная передача сигналов действует на сигнальные клетки.Передача сигналов через щелевые соединения включает в себя сигнальные молекулы, перемещающиеся непосредственно между соседними клетками.

Паракринная сигнализация

Сигналы, которые действуют локально между близко расположенными клетками, называются паракринными сигналами. Паракринные сигналы распространяются через внеклеточный матрикс. Эти типы сигналов обычно вызывают быстрые реакции, которые длятся недолго. Чтобы реакция оставалась локализованной, молекулы паракринного лиганда обычно быстро разрушаются ферментами или удаляются соседними клетками.Удаление сигналов восстановит градиент концентрации сигнала, позволяя им быстро диффундировать через внутриклеточное пространство, если они снова высвобождаются.

Одним из примеров паракринной передачи сигналов является передача сигналов через синапсы между нервными клетками. Нервная клетка состоит из тела клетки, нескольких коротких разветвленных отростков, называемых дендритами, которые получают стимулы, и длинного отростка, называемого аксоном, который передает сигналы другим нервным клеткам или мышечным клеткам. Соединение между нервными клетками, где происходит передача сигнала, называется синапсом.Синаптический сигнал — это химический сигнал, который проходит между нервными клетками. Сигналы в нервных клетках передаются быстро движущимися электрическими импульсами. Когда эти импульсы достигают конца аксона, сигнал переходит к дендриту следующей клетки путем высвобождения химических лигандов, называемых нейротрансмиттерами, пресинаптической клеткой (клеткой, излучающей сигнал). Нейромедиаторы переносятся на очень небольшие расстояния между нервными клетками, которые называются химическими синапсами. Небольшое расстояние между нервными клетками позволяет сигналу быстро распространяться; это дает возможность немедленного ответа.

Синапс : расстояние между пресинаптической клеткой и постсинаптической клеткой, называемое синаптической щелью, очень мало и обеспечивает быструю диффузию нейромедиатора. Ферменты в синаптической щели разрушают некоторые типы нейротрансмиттеров, чтобы прекратить передачу сигнала.

Эндокринная сигнализация

Сигналы от отдаленных клеток называются эндокринными сигналами; они происходят из эндокринных клеток. В организме многие эндокринные клетки расположены в эндокринных железах, таких как щитовидная железа, гипоталамус и гипофиз.Эти типы сигналов обычно вызывают более медленную реакцию, но имеют более продолжительный эффект. Лиганды, высвобождаемые при эндокринной передаче сигналов, называются гормонами, сигнальными молекулами, которые вырабатываются в одной части тела, но влияют на другие области тела на некотором расстоянии.

Гормоны перемещаются на большие расстояния между эндокринными клетками и их клетками-мишенями через кровоток, что является относительно медленным способом перемещения по телу. Из-за своей формы транспорта гормоны разбавляются и присутствуют в низких концентрациях, когда действуют на свои клетки-мишени.Это отличается от паракринной передачи сигналов, при которой локальные концентрации лигандов могут быть очень высокими.

Автокринная сигнализация

Аутокринные сигналы производятся сигнальными клетками, которые также могут связываться с высвобождаемым лигандом. Это означает, что сигнальная ячейка и целевая ячейка могут быть одной и той же или подобной ячейкой (префикс автоматически означает себя, напоминание о том, что сигнальная ячейка отправляет сигнал самой себе). Этот тип передачи сигналов часто возникает на раннем этапе развития организма, чтобы гарантировать, что клетки развиваются в правильные ткани и принимают правильные функции.Аутокринная передача сигналов также регулирует болевые ощущения и воспалительные реакции. Кроме того, если клетка инфицирована вирусом, клетка может подать себе сигнал о запрограммированной гибели клетки, убивая вирус в процессе. В некоторых случаях высвобождающийся лиганд также влияет на соседние клетки одного типа. В эмбриологическом развитии этот процесс стимуляции группы соседних клеток может помочь направить дифференцировку идентичных клеток в один и тот же тип клеток, обеспечивая тем самым правильный результат для развития.

Прямая передача сигналов через щелевые соединения

Щелевые соединения у животных и плазмодесмы у растений — это соединения между плазматическими мембранами соседних клеток. Эти заполненные водой каналы позволяют небольшим сигнальным молекулам, называемым внутриклеточными медиаторами, диффундировать между двумя клетками. Небольшие молекулы, такие как ионы кальция (Ca ²⁺ ), могут перемещаться между клетками, но большие молекулы, такие как белки и ДНК, не могут проходить через каналы. Специфика каналов гарантирует, что ячейки остаются независимыми, но могут быстро и легко передавать сигналы.Передача сигнальных молекул сообщает о текущем состоянии клетки, которая находится непосредственно рядом с клеткой-мишенью; это позволяет группе ячеек координировать свою реакцию на сигнал, который могла получить только одна из них. У растений плазмодесмы распространены повсеместно, превращая все растение в гигантскую коммуникационную сеть.

Типы рецепторов

Рецепторы, внутриклеточные или поверхностные, связываются со специфическими лигандами, которые активируют многочисленные клеточные процессы.

Цели обучения

Сравнить внутренние рецепторы с рецепторами на поверхности клетки

Основные выводы

Ключевые моменты

• Внутриклеточные рецепторы расположены в цитоплазме клетки и активируются молекулами гидрофобных лигандов, которые могут проходить через плазматическую мембрану.
• Рецепторы клеточной поверхности связываются с молекулой внешнего лиганда и преобразуют внеклеточный сигнал во внутриклеточный сигнал.
• Три основные категории рецепторов клеточной поверхности включают: ионный канал, G-белок и рецепторы белков, связанных с ферментами.
• Рецепторы, связанные с ионным каналом, связывают лиганд и открывают канал через мембрану, который позволяет специфическим ионам проходить через них.
• Рецепторы, связанные с G-белком, связывают лиганд и активируют мембранный белок, называемый G-белком, который затем взаимодействует либо с ионным каналом, либо с ферментом в мембране.
• Рецепторы, связанные с ферментом, представляют собой рецепторы на поверхности клетки с внутриклеточными доменами, которые связаны с ферментом.

Ключевые термины

• интегральный белок : молекула белка (или совокупность белков), которая постоянно прикреплена к биологической мембране
• транскрипция : синтез РНК под руководством ДНК

Типы рецепторов

Рецепторы

— это белковые молекулы в клетке-мишени или на ее поверхности, которые связывают лиганды.Есть два типа рецепторов: внутренние рецепторы и рецепторы на поверхности клетки.

Внутренние рецепторы

Внутренние рецепторы, также известные как внутриклеточные или цитоплазматические рецепторы, обнаруживаются в цитоплазме клетки и отвечают на молекулы гидрофобных лигандов, которые способны перемещаться через плазматическую мембрану. Попав внутрь клетки, многие из этих молекул связываются с белками, которые действуют как регуляторы синтеза мРНК, опосредуя экспрессию генов. Экспрессия генов — это клеточный процесс преобразования информации клеточной ДНК в последовательность аминокислот, которая в конечном итоге формирует белок.Когда лиганд связывается с внутренним рецептором, конформационное изменение открывает сайт связывания ДНК на белке. Комплекс лиганд-рецептор перемещается в ядро, связывается со специфическими регуляторными областями хромосомной ДНК и способствует инициации транскрипции. Внутренние рецепторы могут напрямую влиять на экспрессию генов, не передавая сигнал другим рецепторам или мессенджерам.

Внутриклеточные рецепторы : гидрофобные сигнальные молекулы обычно диффундируют через плазматическую мембрану и взаимодействуют с внутриклеточными рецепторами в цитоплазме.Многие внутриклеточные рецепторы представляют собой факторы транскрипции, которые взаимодействуют с ДНК в ядре и регулируют экспрессию генов.

Рецепторы клеточной поверхности

Рецепторы клеточной поверхности, также известные как трансмембранные рецепторы, представляют собой поверхностные, закрепленные на мембране или интегральные белки, которые связываются с молекулами внешнего лиганда. Этот тип рецептора охватывает плазматическую мембрану и выполняет передачу сигнала, преобразовывая внеклеточный сигнал во внутриклеточный. Лиганды, которые взаимодействуют с рецепторами клеточной поверхности, не должны проникать в клетку, на которую они воздействуют.Рецепторы клеточной поверхности также называют клеточно-специфическими белками или маркерами, поскольку они специфичны для отдельных типов клеток.

Каждый рецептор клеточной поверхности состоит из трех основных компонентов: внешнего лиганд-связывающего домена (внеклеточного домена), гидрофобной области, охватывающей мембрану, и внутриклеточного домена внутри клетки. Размер и степень каждого из этих доменов широко варьируются в зависимости от типа рецептора.

Рецепторы клеточной поверхности участвуют в большей части передачи сигналов в многоклеточных организмах.Существует три основные категории рецепторов клеточной поверхности: рецепторы, связанные с ионным каналом, рецепторы, связанные с G-белком, и рецепторы, связанные с ферментом.

Рецепторы, связанные с ионным каналом

Рецепторы, связанные с ионным каналом, связывают лиганд и открывают канал через мембрану, через который проходят определенные ионы. Чтобы сформировать канал, этот тип рецептора клеточной поверхности имеет обширную область, охватывающую мембрану. Чтобы взаимодействовать с хвостами фосфолипидных жирных кислот, которые образуют центр плазматической мембраны, многие аминокислоты в области, охватывающей мембрану, являются гидрофобными по природе.И наоборот, аминокислоты, выстилающие внутреннюю часть канала, являются гидрофильными, что позволяет проходить воде или ионам. Когда лиганд связывается с внеклеточной областью канала, в структуре белка происходит конформационное изменение, позволяющее проходить ионам, таким как натрий, кальций, магний и водород.

Каналы закрытых ионов : каналы закрытых ионов образуют поры через плазматическую мембрану, которые открываются при связывании сигнальной молекулы. Открытая пора позволяет ионам проникать в ячейку или выходить из нее.

Рецепторы, связанные с G-белком

рецепторов, связанных с G-белком, связывают лиганд и активируют мембранный белок, называемый G-белком. Затем активированный G-белок взаимодействует либо с ионным каналом, либо с ферментом в мембране. Все рецепторы, связанные с G-белком, имеют семь трансмембранных доменов, но каждый рецептор имеет свой собственный специфический внеклеточный домен и сайт связывания G-белка.

Передача клеточных сигналов с использованием рецепторов, связанных с G-белком, происходит в виде циклической серии событий. Прежде чем лиганд свяжется, неактивный G-белок может связываться с недавно обнаруженным сайтом рецептора, специфичным для его связывания.Как только G-белок связывается с рецептором, возникающее в результате изменение формы активирует G-белок, который высвобождает GDP и улавливает GTP. Затем субъединицы G-белка расщепляются на субъединицу α и субъединицу β. В результате один или оба этих фрагмента G-белка могут активировать другие белки. Позже GTP на активной α-субъединице G-белка гидролизуется до GDP, а β-субъединица дезактивируется. Субъединицы повторно связываются с образованием неактивного G-белка, и цикл начинается заново.

G-белки : Гетеротримерные G-белки состоят из трех субъединиц: α, β и γ.Когда сигнальная молекула связывается с рецептором, связанным с G-белком, в плазматической мембране, молекула GDP, связанная с субъединицей α, обменивается на GTP. Субъединицы β и γ диссоциируют от субъединицы α, и клеточный ответ запускается либо субъединицей α, либо диссоциированной парой β. Гидролиз GTP до GDP прерывает сигнал.

Ферментативные рецепторы

Рецепторы, связанные с ферментом, представляют собой рецепторы на поверхности клетки с внутриклеточными доменами, которые связаны с ферментом.В некоторых случаях внутриклеточный домен самого рецептора представляет собой фермент, или рецептор, связанный с ферментом, имеет внутриклеточный домен, который непосредственно взаимодействует с ферментом. Связанные с ферментом рецепторы обычно имеют большие внеклеточные и внутриклеточные домены, но охватывающая мембрану область состоит из одной альфа-спиральной области пептидной цепи. Когда лиганд связывается с внеклеточным доменом, сигнал передается через мембрану и активирует фермент, который запускает цепочку событий внутри клетки, которая в конечном итоге приводит к ответу.Примером этого типа рецептора, связанного с ферментом, является рецептор тирозинкиназы. Рецептор тирозинкиназы передает фосфатные группы молекулам тирозина. Сигнальные молекулы связываются с внеклеточным доменом двух близлежащих рецепторов тирозинкиназы, которые затем димеризуются. Затем к остаткам тирозина во внутриклеточном домене рецепторов добавляются фосфаты, которые затем могут передавать сигнал следующему мессенджеру в цитоплазме.

Сигнальные молекулы

Сигнальные молекулы необходимы для координации клеточных ответов, выступая в качестве лигандов и связываясь с клеточными рецепторами.

Цели обучения

Сравните и сопоставьте различные типы сигнальных молекул: гидрофобные, водорастворимые и газовые лиганды

Основные выводы

Ключевые моменты

• Сигнальные молекулы могут варьироваться от небольших белков до небольших ионов и могут быть гидрофобными, водорастворимыми или даже газовыми.
• Гидрофобные сигнальные молекулы (лиганды) могут диффундировать через плазматическую мембрану и связываться с внутренними рецепторами.
• Водорастворимые лиганды не могут свободно проходить через плазматическую мембрану из-за своей полярности и должны связываться с внеклеточным доменом рецептора на поверхности клетки.
• Другие типы лигандов могут включать газы, такие как оксид азота, который может свободно диффундировать через плазматическую мембрану и связываться с внутренними рецепторами.

Ключевые термины

• лиганд : ион, молекула или функциональная группа, которая связывается с другим химическим соединением с образованием более крупного комплекса
• гидрофобный : не имеет сродства к воде; не может впитаться или намокать водой

Сигнальные молекулы

Вырабатываемые сигнальными клетками и последующим связыванием с рецепторами в клетках-мишенях лиганды действуют как химические сигналы, которые перемещаются к клеткам-мишеням для координации ответов.Типы молекул, которые служат лигандами, невероятно разнообразны и варьируются от небольших белков до небольших ионов, таких как кальций (Ca ²⁺ ).

Малые гидрофобные лиганды

Небольшие гидрофобные лиганды могут напрямую диффундировать через плазматическую мембрану и взаимодействовать с внутренними рецепторами. Важными членами этого класса лигандов являются стероидные гормоны. Стероиды — это липиды, которые имеют углеводородный скелет с четырьмя конденсированными кольцами; разные стероиды имеют разные функциональные группы, прикрепленные к углеродному скелету.Стероидные гормоны включают женский половой гормон эстрадиол, который является разновидностью эстрогена; мужской половой гормон тестостерон; и холестерин, который является важным структурным компонентом биологических мембран и предшественником стероидных гормонов. Другие гидрофобные гормоны включают гормоны щитовидной железы и витамин D. Чтобы быть растворимыми в крови, гидрофобные лиганды должны связываться с белками-носителями, пока они транспортируются через кровоток.

Стероидные гормоны : Стероидные гормоны имеют химическую структуру, аналогичную их предшественнику, холестерину.Поскольку эти молекулы малы и гидрофобны, они могут диффундировать прямо через плазматическую мембрану в клетку, где они взаимодействуют с внутренними рецепторами.

Водорастворимые лиганды

Водорастворимые лиганды полярны и, следовательно, не могут проходить через плазматическую мембрану без посторонней помощи; иногда они слишком велики, чтобы вообще пройти через мембрану. Вместо этого большинство водорастворимых лигандов связываются с внеклеточным доменом рецепторов клеточной поверхности. Рецепторы клеточной поверхности включают: ионные каналы, G-белок и рецепторы белков, связанных с ферментами.Связывание этих лигандов с этими рецепторами приводит к ряду клеточных изменений. Эти водорастворимые лиганды весьма разнообразны и включают небольшие молекулы, пептиды и белки.

Другие лиганды

Оксид азота (NO) — это газ, который также действует как лиганд. Он способен диффундировать прямо через плазматическую мембрану; одна из его функций — взаимодействовать с рецепторами гладких мышц и вызывать расслабление ткани. NO имеет очень короткий период полураспада; поэтому он работает только на небольших расстояниях.Нитроглицерин, средство для лечения сердечных заболеваний, запускает высвобождение NO, что вызывает расширение (расширение) кровеносных сосудов, тем самым восстанавливая приток крови к сердцу.

Сильная инактивация внутриклеточного сигнала обеспечивает более четкую и надежную передачу сигналов от клеточной мембраны к ядру.

Цитата: Ma J, Do M, Le Gros MA, Peskin CS, Larabell CA, Mori Y, et al. (2020) Сильная инактивация внутриклеточного сигнала обеспечивает более четкую и надежную передачу сигналов от клеточной мембраны к ядру.PLoS Comput Biol 16 (11): e1008356. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1008356

Редактор: Джеймс Р. Фейдер, Университет Питтсбурга, США

Поступила: 23.03.2020; Одобрена: 21 сентября 2020 г .; Опубликовано: 16 ноября 2020 г.

Авторские права: © 2020 Ma et al. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Все файлы изображений В-клеток доступны по адресу http://math.bu.edu/people/isaacson/data/2020-plos-comp-bio.zip.

Финансирование: SAI и JM были поддержаны наградами Национального научного фонда (http://nsf.gov) DMS-1255408 и DMS-1

4. SAI благодарит Институт математических наук Исаака Ньютона за прием его программы по стохастическим динамическим системам в биологии во время работы над этим проектом. В это время ВОФК частично поддерживалось стипендией Саймонса Института Исаака Ньютона (https: // www.newton.ac.uk/). В части представленных имитаций использовался кластер общих вычислений Бостонского университета. YM получил поддержку NSF DMS 13 и премии Simons Foundation Math + X. Исследование, описанное в этой публикации, было проведено в Национальном центре рентгеновской томографии, расположенном в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, при поддержке грантов Национальных институтов здравоохранения (https://www.nih.gov). /) (P41GM103445) и Управление биологических и экологических исследований Министерства энергетики (https: // www.energy.gov/) (DE-AC02-5Ch21231). MAL и CAL были поддержаны Национальными институтами здравоохранения (http://nih.gov) (U1DA040582) и Программой атласа человеческих клеток инициативы Чана Цукерберга (https://chanzuckerberg.com/). Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что никаких конкурирующих интересов не существует.

Введение

Пространственная динамика может играть решающую роль в успешном функционировании клеточных сигнальных процессов, где такое основное свойство, как форма клетки, может существенно влиять на поведение сигнальных путей [1, 2].Идеализированная одномерная [3], сферическая [2, 4, 5] или планарная [6] геометрии обычно используются в математических моделях клетки, при этом цитозоль представлен как пустая область жидкости [1–3]. Несмотря на простоту представления плазматической мембраны и / или цитозольного пространства, изучение динамики пространственной передачи сигналов в рамках математических моделей дало ключевое понимание функции многих биологических путей, включая передачу сигналов циклического АМФ в нейронах [1], синапсов Т-клеток. образование посредством передачи сигналов рецептора Т-клеток [6], активация В-клеток посредством взаимодействий киназа-рецептор [4] и общая передача сигналов протеинкиназы [2, 3, 5].Например, изменения идеализированной формы клеток могут вызывать значительные изменения во времени распространения сигнала и величине градиентов концентрации в цитозоле [2].

При моделировании распространения сигнала от клеточной мембраны к ядру возникает дополнительная проблема из-за переполненной, пространственно неоднородной природы цитозольного пространства [7]. В этой работе мы исследуем вопрос, как пространственная неоднородность, возникающая из-за барьеров органелл, как показано на рис. 1b, может влиять на распространение сигналов от клеточной мембраны к ядерной мембране.Мы рассматриваем простейшую возможную модель распространения сигнала от клеточной мембраны к ядру, высвобождения одного или нескольких активированных белков из внутренней клеточной мембраны и их диффузии по цитозолю, пока они не достигнут ядерной мембраны. Поскольку классическая картина распространения сигнала к ядру обычно включает в себя большие пути многих химически реагирующих молекул (например, путь MAPK [3]), эта модель может показаться чрезмерно упрощенной. Однако известно, что ряд белков активируется на клеточной мембране, а затем непосредственно перемещается в ядро ​​[8, 9].Например, при передаче сигналов Notch внеклеточный домен рецептора Notch может взаимодействовать с лигандами, что приводит к высвобождению NICD (внутриклеточный домен Notch) из плазматической мембраны в цитозоль. Затем NICD перемещается в ядро, где он может регулировать транскрипцию гена [8, 9]. В более общем плане изучение сигналов, которые соответствуют диффузионному распространению от клеточной мембраны к ядру отдельных белков, обеспечивает первый шаг к пониманию того, как клеточная субструктура может влиять на динамику более сложных сигнальных путей.

Рис. 1. Мягкая рентгеновская томография (SXT) B-клеток человека.

(a) Одна плоскость 2D изображения в 3D SXT реконструкции B-клетки. Соответствующая трехмерная реконструкция впоследствии при моделировании обозначается как Bcell1. Интенсивность пикселей соответствует линейному коэффициенту поглощения (LAC), измеряющему локальную плотность органического материала [10, 11]. Большие значения LAC показаны более светлыми цветами. Яркая белая полоса соответствует стеклянному капилляру, в котором находилась криоконсервированная ячейка. (b) 3D SXT-реконструкция B-клетки человека с вырезом, показывающим сегментированные органеллы: гетерохроматин (синий), эухроматин (зеленый), митохондрии (бежевый), Гольджи (фиолетовый) и эндоплазматический ретикулум (ER) (красный). Объемный цитозоль показан серым цветом, а клеточная мембрана обозначена внешней границей цитозоля. В нашей математической модели ядро, N , задается набором вокселей с метками, соответствующими компонентам ядра (например, эухроматин и гетерохроматин на этом изображении).Цитозоль, C , представлен вокселями, отображенными серым цветом, в то время как все другие (цветные) воксели вне ядра помечены как органеллы, O . (c) Значения поля метки органеллы для вокселей в пределах ячейки в плоскости изображения, показанной на (a). Здесь свободное цитозольное пространство соответствует областям, выделенным желтым цветом, а воксели вне клетки не показаны.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1008356.g001

Используя сегментированные реконструкции геометрии органелл, полученные с помощью мягкой рентгеновской томографии (SXT), мы изучаем, как наличие барьеров органелл изменяет время, необходимое для диффундирующие молекулы для достижения ядра по сравнению со временем, требуемым в пустом цитозоле.Поскольку сигнальные молекулы, диффундирующие через цитозоль, не могут существовать бесконечно долго, мы далее исследуем, как инактивация сигнала может влиять на процесс поиска. Это создает конкуренцию, при которой распространяющийся сигнал может быть инактивирован или деградирован до того, как достигнет ядерной мембраны. Мы изучаем, как сила инактивации сигнала может модулировать статистику времени первого прохождения (FPT) для отдельной молекулы, чтобы достичь ядра, при условии, что она достигнет ядра до инактивации.Показано, что если общий сигнал (то есть количество молекул), которые в конечном итоге достигают ядра, остается постоянным, увеличение скорости инактивации приводит к усилению сигнала. Мы также обнаружили, что инактивация сигнала может обеспечить устойчивость к присутствию барьеров органелл, значительно уменьшая разницу между средним временем прибытия молекул, которые успешно достигают ядра в геометриях, содержащих барьеры органелл, от времени в геометриях, содержащих пустой цитозоль.

Отметим, что наши исследования сосредоточены на статистике времени, необходимого диффундирующему белку для достижения ядра.В случае отсутствия инактивации, когда белок просто диффундирует, пока не достигнет ядра, это пример классической проблемы времени первого прохождения, ограниченной диффузией [12]. Задачи времени первого прохождения широко используются при изучении химических реакций [13, 14], с различными асимптотическими результатами и методами точного решения, когда целевой участок небольшой или имеет базовую геометрическую форму, такую ​​как сфера [15–18].

Результаты

Математическая модель

Мы рассматриваем время, необходимое белку для диффузии от клеточной мембраны к ядерной мембране.Пусть N обозначает ядро ​​клетки, а ∂ N обозначает ядерную мембрану. Точно так же мы обозначим C цитозоль клетки, а ∂ C обозначим клеточную мембрану. Мы предполагаем, что цитозоль может быть заполнен совокупностью закрытых подобъемов, соответствующих органеллам, обозначенным как O , с граничными поверхностями ∂ O . На рис. 1а показана плоскость среза трехмерной реконструкции В-клетки человека с помощью мягкой рентгеновской томографии (SXT), иллюстрирующая такую ​​геометрию, а на рис. 1b показана трехмерная реконструкция, идентифицирующая ядро, цитозольные органеллы и цитозоль.

Мы предполагаем, что молекула первоначально активируется на клеточной мембране и диффундирует по всему цитозольному пространству, пока не достигнет ядерной мембраны. Предполагается, что как клеточная мембрана, так и поверхность органелл отражают барьеры для диффузии молекулы. Обозначим D = 10 ( μ м) ² s ⁻¹ коэффициент диффузии молекулы, а через p ( x , t ) плотность вероятности расположения молекулы в позиции x в пределах C во время t . η ( x ) будет обозначать единицу, направленную наружу перпендикулярно поверхности x . p ( x , t ) тогда удовлетворяет уравнению диффузии (1)

Обратите внимание, далее мы предполагаем, что исходное положение молекулы находится на внутренней поверхности клеточной мембраны, так что g ( x ) находится на нулевом расстоянии от ∂ C . Граничное условие Дирихле на ∂ N в (1) кодирует, что белок мгновенно абсорбируется при достижении ядерной мембраны, что позволяет нам изучать статистику времени прибытия диффундирующего белка на ядерную мембрану.

Пусть T обозначает случайное время, в которое белок впервые достигает поверхности ядерной мембраны. Вероятность выживания того, что белок еще не достиг ∂ N в момент времени t , тогда определяется как

Соответствующая вероятность при достижении молекулой ∂ N — это функция плотности вероятности (pdf) (2) где dA ( x ) обозначает меру площади поверхности при x ∈ ∂ N .Зная f ( t ), мы можем вычислить статистику T , используя то, что среднее значение функции w ( T ), обозначенное, определяется как

Наши представления клеточной геометрии получены из 3D-реконструкций SXT, см. Методы, для которых поле метки, идентифицирующее органеллы, представлено в виде декартовой сетки кубов с шириной ячейки х , см. Рис. 1. Чтобы смоделировать время, необходимое для белок для прохождения цитозоля, поэтому мы дискретизируем (1) на эту сетку, создавая систему ODE, которую мы решаем численно.Пусть C _h обозначает набор вокселов сетки, которые помечены как цитозоль, с N _h те, которые помечены как находящиеся в ядре, и O _h внутри органелл. Мы помечаем отдельные воксели в цитозоле с помощью и обозначим индексы подмножества шести ближайших соседей декартовой сетки вокселя V _i , которые находятся на в пределах цитозоля.аналогично будет обозначать индексы подмножества шести ближайших соседей декартовой сетки V _i , которые находятся в ядре. Для x _i , обозначающего центр тяжести вокселя V _i , мы позволяем p _h ( x i

) ≈ p ( x _i , t ). p _h тогда удовлетворяет полудискретному уравнению диффузии, которое (3) где дискретный лапласиан определяется формулой (4) и g _h ( x _i ) обозначает начальное состояние в полудискретной модели.

Эта полудискретная модель соответствует аппроксимации непрерывного броуновского движения частицы в C случайным блужданием в непрерывном времени молекулы, прыгающей между вокселями ближайшего соседа C _h .

Если мы обозначим T _h соответствующее случайное время, в течение которого белок сначала достигнет вокселя, который помечен как находящийся внутри ядра, мы получим соответствующую вероятность выживания, с аналогичными определениями для pdf f _h ( t ) и средних значений, как указано выше.

В остальном, если не указано иное, время будет указано в секундах, а расстояние — в единицах мкм м.

Барьеры органелл замедляют распространение сигнала от клеточной мембраны к ядру, увеличивая вариабельность времени прибытия сигналов, инициированных в разных местах

Мы начинаем с численного решения (3), чтобы исследовать, как присутствие органелл в качестве отражающих барьеров влияет на статистику времени, необходимого для того, чтобы диффундирующий белок достиг ядерной мембраны. Пусть ∂ C _h обозначает совокупность вокселей в свободном цитозоле, C _h , которые граничат с внешней стороной клетки, с | ∂ C _h | обозначающий объем этого набора вокселей.Обратите внимание, что этот набор вокселей соответствует тонкой области цитозоля, граничащей с клеточной мембраной. В полудискретной модели мы аппроксимируем начало белка, равномерно распределенного на внутренней поверхности клеточной мембраны, равномерно начав белок в объеме ∂ C _h . потом (5)

На рис. 2a мы показываем вероятность выживания S _h ( t ) из Bcell1, реконструкция показана на рис. 1 (результаты двух дополнительных реконструкций клеток, обозначенных Bcell2 и Bcell3, показаны на рис. A и Рис B текста S1).Мы рассматриваем три случая: физиологические данные, когда воксели, соответствующие органеллам внутри цитозоля, недоступны (помечены как «физиологические»), измененная геометрия, где воксели, соответствующие эндоплазматическому ретикулуму (ER), добавляются обратно в коллекцию цитозольных вокселей, которые белок может диффундирует через (обозначено как «нет ER») и измененную геометрию, при которой все воксели внутри цитозольных органелл добавляются обратно в набор цитозольных вокселей, через которые белок может диффундировать (помечены как «без органелл»).Эта последняя геометрия соответствует цитозолю, заполняющему все пространство между клеточной мембраной и ядерной мембраной. На рис. 2а мы наблюдаем, что присутствие барьеров органелл резко увеличивает время, необходимое белку для достижения ядерной мембраны (сдвиг кривой вероятности выживания вверх), причем основной вклад в этот сдвиг возникает из-за барьера, обеспечиваемого ER. Таблица 1 показывает, что соответствующее среднее и медианное время достижения клеточной мембраны изменяются аналогичным образом.Для Bcell1 присутствие ER в качестве барьера составляет большую часть времени, необходимого для достижения ядра; удаление ER уменьшает медианное значение T _h почти в три раза.

Рис. 2. Присутствие органелл в качестве диффузионных барьеров увеличивает время, необходимое диффундирующей (сигнальной) молекуле, чтобы пройти от клеточной мембраны к ядерной мембране.

(a) Вероятность выживания, S _h ( t ), когда диффундирующая молекула начинает равномерно распределяться в тонкой области, ∂ C _h , на границе цитозоля внутренняя поверхность клеточной мембраны (5). (b) Среднее время первого прохождения (MFPT) u ( x _i ) от каждого воксела в пределах ∂ C _h для достижения ядерной мембраны в «физиологическом» состоянии. случай, когда органеллы присутствуют как диффузионные барьеры. Colorbar дает значения MFPT в секундах, пространственные единицы: мкм м. (c) Соответствующие MFPT в случае «отсутствия органелл», когда молекулы могут свободно диффундировать повсюду между клеткой и ядерными мембранами.Цветовая шкала такая же, как (б). (d) Объемная визуализация органелл в Bcell1 с ячейкой в ​​той же ориентации, что и в (b) и (c) (но с увеличением). Обратите внимание, визуализация ER (зеленый) ослаблена, чтобы сделать другие органеллы более заметными, а клеточная мембрана не показана. Ядро — желтым, митохондрии — голубым, а Гольджи — фиолетовым. (e) Распределение среднего времени первого прохождения (MFPTs), начиная с той же тонкой области цитозольных вокселей, граничащих с клеточной мембраной, как в (b) и (c).Обратите внимание, что здесь распределение происходит по вокселям в пределах области, что показывает, как запуск в различных начальных положениях может привести к изменению MFPT. Для случая «Нет ER» мы используем аналогичную область, когда удаляется только ER. См. (6) определение MFPT u _h ( x _i ). Ширина корзины составляет 0,01 (секунды). (f) Распределение соотношений соответствующих «физиологических» МФПТ «без органелл» из (e).Это показывает, начиная с каждого отдельного вокселя, граничащего с клеточной мембраной, насколько барьеры органелл увеличивают MFPT, чтобы достичь ядра из этого воксела. Ширина бункера составляет 0,1. Обратите внимание, почти все местоположения имеют соотношение два или более, показывая, что барьеры органелл значительно увеличивают время, необходимое для достижения ядерной мембраны из большинства начальных положений. Рис. A и Рис. B текста S1 показывают аналогичные результаты для Bcell2 и Bcell3 соответственно. Скрытые метки оси Z на панелях (b) и (c) находятся в диапазоне от нуля до восемнадцати по линейной шкале.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1008356.g002

Таблица 1. Статистика T _h , случайное время для достижения ядра в Bcell1.

Предполагается, что диффундирующая молекула изначально случайно распределена на клеточной мембране, ∂ C _h . Здесь STD обозначает стандартное отклонение, а CV обозначает коэффициент вариации (стандартное отклонение, деленное на среднее значение). Значения в скобках обозначают отношение физиологического значения к соответствующим значениям без ER или без органелл.См. Таблицу A текста S1 для получения статистики в Bcells 2 и 3.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1008356.t001

На рис. 2b – 2f мы исследуем, как изменяется время достижения ядра, когда диффундирующая молекула запускается в разных точках клеточной мембраны. Пусть u ( x ) обозначает среднее время первого прохождения (MFPT) для диффузии от x ∈ C к ядерной мембране. u ( x ) тогда удовлетворяет [19]

На практике мы решаем дискретную версию этого PDE, которая дает соответствующие MFPT на нашей декартовой сетке, полученные из данных изображения.Пусть u _h ( x _i ) обозначает MFPT для достижения ядра из x _i , что удовлетворяет линейной системе уравнений (6)

На рис. 2b показаны графики u _h ( x _i ) над цитозольными вокселями, граничащими с клеточной мембраной (∂ C _h ) в физиологическом случае, а на рис. показывает случай без органелл (т.е. пустой цитозоль). Мы видим, что присутствие органелл значительно замедляет MFPT к ядру для большинства точек, граничащих с клеточной мембраной. Неудивительно, что места, наиболее близкие к ядру (левая сторона), обычно имеют меньшие MFPT, чем места, расположенные далеко от ядра (правая сторона). Рис. 2e показывает, что распределение MFPTs в цитозольных вокселях, граничащих с клеточной мембраной, намного более плоское и широкое, когда органеллы присутствуют как барьеры (зеленый, физиологический случай) по сравнению с пустым цитозолем (фиолетовый, случай без органелл).Более того, исследуя отношение этих MFPTs в физиологическом случае к случаю отсутствия органелл, Fig 2f, мы обнаруживаем, что почти во всех местах присутствие барьеров органелл увеличивает MFPT в два или более раз.

В заключение, мы наблюдаем, что барьеры органелл могут существенно препятствовать диффузии молекул через цитозоль, значительно увеличивая время, необходимое для достижения ядерной мембраны, и увеличивая вариабельность этого времени по цитозольным вокселям, граничащим с клеточной мембраной при сравнении сигналов инициируется в разных точках (рис. 2е).В то время как наше обсуждение было сосредоточено на Bcell1, мы наблюдаем аналогичное качественное поведение в Bcell2 и Bcell3, см. Рис. A и Рис. B текста S1.

Инактивация отфильтровывает молекулы, подлежащие более длительному поиску, уменьшая вариабельность времени прихода сигнала

Активированные сигнальные молекулы не могут бесконечно диффундировать в цитозоле клеток, ищущих ядерную мембрану. Будь то механизмы деградации или механизмы инактивации (такие как фосфорилирование или дефосфорилирование), клеточные сигналы в конечном итоге прекращаются.С точки зрения распространяющейся сигнальной молекулы это создает конкуренцию между поиском ядерной мембраны и процессом инактивации. Теперь мы исследуем, как взаимодействие между этими двумя процессами может модулировать время, в которое активируемые сигналы достигают клеточной мембраны.

Мы рассматриваем простейший возможный механизм моделирования инактивации сигнала, предполагая, что диффундирующая молекула теперь также может быть инактивирована с вероятностью за время λ. Пусть p _λ ( x , t ) обозначает плотность вероятности, что диффундирующая молекула все еще активирована и находится внутри цитозоля в момент времени t . p _λ тогда удовлетворяет (7)

Обратите внимание, что p _λ ( x , t ) = e ^{— λt} p ( x , t ) p 902, поэтому ₀ ( x , t ) = p ( x , t ), решение уравнения диффузии (1).

Нас интересует статистика времени выхода через ядерную мембрану, T _λ , при условии, что белок действительно достиг ядерной мембраны до инактивации (т.е.е. событие T _λ <∞). Тогда вероятность того, что диффундирующая молекула достигнет ядерной мембраны в момент времени t , равна (8) где f ( t ) = f ₀ ( t ) обозначает вероятность достижения ядерной мембраны за время в отсутствие деградации, определяемую (2). С этими определениями вероятность того, что молекула достигнет ядерной мембраны до инактивации, равна

Обозначение условной интегральной функции распределения (CDF) T _λ как (9) в разделе SI1 текста S1 мы доказываем следующие результаты

Теорема 1 Для всех фиксированных t > 0 и λ ≥ 0, Z _λ ( t ) является строго убывающей функцией от λ, и F _λ ( t ) является строго возрастающей функцией λ.

Этот результат дает несколько непосредственных следствий, в том числе

Следствие 1 Как условное MFPT « , так и условное медианное время первого прохождения « строго убывают по отношению к λ. То, что 〈 T _λ 〉 уменьшается по λ, было также показано в [20] для функций плотности вероятности с факторизованной формой e ^{— λt} g ( t ).

Теорема 1 и следствие 1 вместе демонстрируют, что по мере увеличения скорости инактивации λ время, за которое молекула достигает ядра, обусловлено молекулой, фактически достигающей ядра, уменьшается.Вероятность того, что любая отдельная молекула действительно достигает ядра, Z _λ , также уменьшается с увеличением λ. Таким образом, сильная инактивация сигнала отфильтровывает молекулы, подвергающиеся более длительному диффузионному поиску.

Чтобы изучить, как увеличение скорости инактивации λ влияет на статистику времени достижения ядра, мы теперь изучаем полудискретную модель, определенную на сетках, представляющих геометрию B-клеток и соответствующую пространственной дискретизации (7).Пусть p _{λ, h} ( x _i , t ) ≈ p _λ ( x _i , 9020) обозначают плотность вероятности того, что диффундирующая молекула находится в точке x _i в момент времени t , тогда (10) где p _{λ, h} ( x _i , t ) = e ^{— λt} p _{h x x i , т ).Аналогично, f λ, h ( t ) = e ^{— λt} f h ( t ), так что вероятность диффундирующей молекулы достигает ядро задается (11)}

Для T _{λ, ч} случайное время, в которое достигается ядро, тогда условное MFPT для достижения ядра равно (12)

На рис.3 мы рассматриваем статистику T _{λ, h} , когда диффундирующая молекула изначально случайным образом размещается на клеточной мембране (т.е.е. равномерное начальное условие (5)). На рис. 3а показано следствие 1, показывающее, что для каждой ячейки 〈 T _{λ, h} 〉 строго уменьшается с увеличением λ. Точно так же рис. 3c иллюстрирует теорему 1, показывающую, что вероятность того, что молекула достигает ядра, Z _{λ, h} , строго уменьшается с увеличением λ. На рис. 3b мы исследуем условную дисперсию T _{λ, h} , определяемую (13)

Рис 3.Инактивация сигнала отфильтровывает молекулы, подвергающиеся более длительному диффузионному поиску, сокращая как среднее время, так и дисперсию времени, в течение которого молекула достигает ядра, при условии, что молекула достигает ядра до инактивации.

На рисунках показана статистика условного времени первого прохождения, T _{λ, ч} , для достижения ядра, когда диффундирующая молекула запускается случайным образом на клеточной мембране (т.е. равномерно распределена, см. (5)), и молекула может быть инактивирована со скоростью λ. (а) Условное среднее время первого прохождения (MFPT), 〈 T _{λ, ч} 〉 (12). Во всех случаях мы видим, что 〈 T _{λ, h} 〉 строго убывает с увеличением λ, иллюстрируя следствие 1. На рис. D текста S1 показан расширенный диапазон значений λ с логарифмической шкалой на y. — ось. (b) Условная дисперсия T _{λ, h} , заданная формулой (13), уменьшается с увеличением λ. (c) Вероятность того, что диффундирующая молекула достигнет ядра, Z _{λ, h} , строго убывает с увеличением λ, что иллюстрирует теорему 1.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1008356.g003

В каждой B-клетке условная дисперсия строго уменьшается. На Рис. E, Рис. F и Рис. G текста S1 мы показываем, что аналогичные результаты справедливы, когда исходное положение диффундирующей молекулы более локализовано. Сначала молекула случайным образом размещается в небольших участках клеточной мембраны, подробности см. В разделе SI2 текста S1.

Инактивация может усилить сигнал, достигающий ядерной мембраны

Чтобы понять, как инактивация может повлиять на распространение сигнала, мы исследуем, как сигнал, достигающий ядра, изменяется по мере увеличения скорости инактивации λ, но количество молекул, достигающих ядра, остается фиксированным. Зафиксировав количество молекул (то есть общий сигнал), которые в конечном итоге достигают ядра, мы можем исследовать, как инактивация влияет на синхронизацию сигнала, не модулируя общую мощность сигнала.Обратите внимание: чтобы зафиксировать общий сигнал, достигающий ядра, необходимо, чтобы все большее количество сигнальных молекул высвобождалось из клеточной мембраны по мере увеличения λ.

Рассмотрим детерминированную версию (10). Предположим, что молекулы N ₀ изначально равномерно распределены по внутренней части клеточной мембраны, и пусть u _h ( x _i , t ) обозначает (детерминированный ) концентрация молекул, расположенных в точке x _i в момент времени t .Мы предполагаем, что u _h имеет количество единиц на ( μ м) ³ . u _h тогда также удовлетворяет (10), но с начальным условием так что u _h ( x _i , t ) = N ₀ p _{λ, h} ( x 9002) и , т ).Число молекул за раз, которые успешно достигают ядра, определяется общим потоком u _h в ядро, N ₀ f _{λ, h} ( t ). Точно так же общее количество молекул, которые успешно достигают ядра, равно

Мы определяем сигнал, достигающий ядра, как количество молекул за раз, которые достигают ядра, учитывая, что мы предполагаем, что всего прибывает N молекул. N ₀ , следовательно, выбирается так, чтобы N оставался фиксированным при изменении скорости инактивации, так что

При таком выборе сигнал, то есть количество молекул за раз, достигающих ядерной мембраны, будет.

На рис. 4 мы изображаем сигнал, достигающий ядра в Bcell1, когда скорость инактивации увеличивается. Рис. H текста S1 показывает соответствующие сигналы, достигающие ядра в Bcell2 и Bcell3. Мы видим явный эффект увеличения резкости по мере увеличения λ, когда молекулы прибывают в более раннее и более локализованное временное окно.В этом контексте мы можем интерпретировать усиление инактивации как ускорение поступления сигнала на ядерную мембрану. Отметим, что в стохастической модели одиночной частицы (10), соответствует плотности времени первого прохождения частицы, чтобы достичь ядра, при условии, что она достигнет ядра до инактивации. Таким образом, на рис. 4 показано, что (условная) плотность случайных времен прихода для отдельной частицы также становится более резкой по мере увеличения силы инактивации (установка N = 1 на оси y ).

Рис. 4. Сигнал в Bcell1, который успешно достигает ядерной мембраны, обостряется по мере увеличения скорости инактивации λ.

Здесь сигнал обозначает ожидаемую скорость прибытия сигнальных молекул на ядерную мембрану, когда общее количество прибывающих молекул составляет N . Ожидаемая скорость прибытия представлена ​​как функция времени, прошедшего с момента высвобождения сигнальных молекул, равномерно распределенных по внутренней части клеточной мембраны.Обратите внимание, что общее количество из прибывающих молекул остается постоянным в результатах, представленных здесь, и это требует, чтобы больше сигнальных молекул высвобождалось, когда λ больше. Это достигается выбором общего количества молекул, которые первоначально высвобождаются как. Как объяснялось выше, в детерминированной модели с этим начальным условием сигнал соответствует потоку (количеству молекул за время), успешно достигающему ядра (обозначенному). В качестве альтернативы для одночастичной стохастической модели (10) мы можем определить сигнал как.Это соответствует плотности времени первого прохождения отдельной частицы, чтобы достичь ядра, при условии, что молекула прибыла до инактивации. График этой функции математически эквивалентен предыдущему рисунку с блоками N = 1 на оси y . Аналогичный эффект усиления сигнала наблюдается в Bcell2 и Bcell3, см. Рис. H текста S1.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1008356.g004

В то время как детерминированная модель показывает, что окно, в которое прибывают молекулы, становится меньше по мере увеличения инактивации, одночастичная стохастическая модель (10) позволяет нам увидеть насколько сильно изменится количество молекул, которые успешно достигают ядра.Мы снова предполагаем, что N ₀ сигнальные молекулы активируются равномерно внутри клеточной мембраны, и что динамика молекул полностью независима . Число молекул, которые достигают ядра, тогда будет биномиальной случайной величиной, N ∼ B ( N ₀ , Z _{λ, h} ), в N ₀ с параметром Z _{λ, h} .Среднее число молекул, которые должны достичь ядра, будет равно (14) для больших λ. Здесь мы использовали, что вероятность достичь ядра, Z _{λ, h} приближается к нулю при λ → ∞, см. Следующий раздел, и аппроксимировали квадратный корень в числителе старшим членом его Расширение ряда Тейлора около Z _{λ, h} = 0. Сохранение N ₀ Z _{λ, h} фиксированным, поскольку скорость инактивации увеличивается, а затем сохраняется ожидаемое количество молекул для достижения ядро.Более того, (14) демонстрирует, что относительное изменение числа молекул, которые достигают ядра, будет небольшим, если среднее число молекул, которые достигают ядра, достаточно велико. Модулируя как скорость инактивации, так и количество сигнальных молекул, высвобождаемых на клеточной мембране, клетка может затем настраивать как локализацию сигнала во времени, так и шумность количества молекул, которые успешно достигают ядерной мембраны.

Инактивация может обеспечить устойчивость по отношению к клеточной субструктуре за время, пока сигнал достигнет ядра

На рис. 5а мы изображаем отношение 〈 T _{λ, h} 〉 в физиологическом случае к случаю отсутствия органелл.Для очень малых значений скорости инактивации рисунок демонстрирует, что присутствие органелл может значительно увеличить время, необходимое одной диффундирующей молекуле для достижения ядра. Напротив, по мере увеличения λ для каждой B-клетки мы видим, что отношение уменьшается до значения, близкого к единице. То есть, сильная инактивация сигнала, по-видимому, может нейтрализовать влияние клеточной геометрии. Это происходит за счет значительного уменьшения вероятности того, что любая отдельная сигнальная молекула достигнет ядра.

Рис. 5. Сильная инактивация сигнала может нейтрализовать влияние клеточной субструктуры на время нахождения ядра.

(a) Отношение условного среднего времени первого прохождения (MFPT) для достижения ядра, 〈 T _{λ, h} 〉, в физиологическом случае к условному MFPT в случае отсутствия органелл значительно уменьшается от исходного значения с увеличением λ. Для каждой клетки это отношение приближается к числу, близкому к единице, что указывает на то, что сильная инактивация сигнала может полностью нейтрализовать влияние клеточной субструктуры на время, необходимое для обнаружения ядра. (b) Отличие отношения 〈 T _{λ, h} 〉, показанного на (a), от его асимптотического предела (18). Обратите внимание: (b) демонстрирует, что небольшое увеличение отношения (18) в Bcell1 по сравнению с одним — это всего лишь приближение к его асимптотическому пределу, 1,125. Отношения (18) для Bcell2 и Bcell3 сходятся к 1 в (a).

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1008356.g005

Эти модели показывают, что соотношение MFPT между физиологическим случаем и случаем отсутствия органелл уменьшается для достаточно сильной инактивации сигнала.Чтобы понять предел того, насколько сильная инактивация сигнала может нейтрализовать эффект барьеров органелл в нашей модели, мы теперь исследуем большое λ-асимптотическое расширение условного MFPT, 〈 T _{λ, h} 〉. Наша цель — получить явную формулу для асимптотического предела 〈 T _{λ, h} 〉 при λ → ∞, которая иллюстрирует роль геометрии цитозольного пространства. Наш вывод демонстрирует, как возникает влияние геометрии на предельное условное MFPT.Читатели, интересующиеся только полученной формулой, могут сразу перейти к (17).

Согласно (12), знание асимптотики Z _{λ, h} при λ → ∞ позволило бы нам вычислить поведение 〈 T _{λ, h} 〉. В свою очередь, поведение Z _{λ, h} может быть вычислено из интегрального представления (11). Это будет определяться кратковременным поведением f _h ( t ) из-за быстрого затухания экспоненты при больших λ.Поэтому мы начинаем с изучения поведения f _h при t → 0. Мы можем оценить это кратковременное поведение прямым разложением в ряд Тейлора с использованием матричного экспоненциального представления для оператора эволюции, т. Е. (15)

Чтобы упростить это выражение, мы используем соотношение между степенями дискретного лапласиана и расстояний геодезического (ближайшего соседа) графа.

Напомним наше предположение, что g _h ( x _i ) = 0 для всех x _i ∉ ∂ C _{h, и обозначим набором вокселей, в котором g h ( x i ) ≠ 0 (т.е.е. опора г х ). Если частица запускается случайным образом в вокселях, граничащих с клеточной мембраной, тогда, тогда как если частица изначально запускается в фиксированной точке, x i , тогда. Учитывая набор вокселей, мы определяем как кратчайшее (целочисленное) расстояние графа вдоль пути ближайшего соседа от каждого воксела до первого достижения воксела в N h . Здесь под ближайшим соседом мы подразумеваем шесть ближайших соседей к данному вокселю, по два от каждого из направлений x , y и z .Например, если нет воксела в пределах N h , но некоторый воксель имеет ближайшего соседа, который находится в пределах N h , тогда.}

Именно из степеней дискретного лапласиана в (15) проистекает роль цитозольной геометрии в кратковременном поведении f _h ( t ), что в конечном итоге диктует большое λ-поведение 〈 T _{λ, h} 〉.Как показано в лемме 1 текста S1, { V _i ∈ C _h | (Δ _h ) ^k g _h ( x _i ) ≠ 0} не будет содержать вокселей , граничащих с ядром до тех пор, пока. Для любого меньшего k одно дополнительное применение дискретного лапласиана затем просто перемещает вероятностную массу внутри цитозоля.Таким образом, масса сохраняется, и мы получаем следующий результат, который доказан в Разделе SI1 текста

S1.

Теорема 2 для .

При, из теоремы следует, что (15) можно упростить до

Предполагая, что d _g > 1, мы получаем соответствующую оценку для Z _{λ, h} при λ → ∞ на (16)

В теореме 3 текста S1 мы доказываем, что эта асимптотическая формула верна. Взяв логарифмические производные, находим, что (17) На рис. D текста S1 показана сходимость 〈 T _{λ, h} 〉 к этой асимптотической формуле при λ → ∞.

Позвольте обозначить расстояние от ядра в физиологическом случае, с расстоянием в случае отсутствия органелл. Определите 〈 T _{λ, h} 〉 _Phys и 〈 T _{λ, h} 〉 _н.у. аналогично. Тогда соотношение условных MFPT приближается к (18)

То есть, насколько влияние геометрии на время поиска может быть нейтрализовано с помощью сильной инактивации в нашей модели, по существу, определяется тем, как расстояние графа кратчайшего пути (ближайшего соседа) от начального набора, в которое может быть помещена частица. ядро изменяется между физиологическим случаем и случаем отсутствия органелл.В частности, поскольку вокселы в цитозоле в физиологическом случае всегда являются строгим подмножеством таковых в случае отсутствия органелл, мы видим, что соотношение всегда равно по крайней мере единице (в пределе).

На рис. 5b изображена разница между отношением условных MFPT и полученным асимптотическим пределом в (18). Мы видим, что для каждой ячейки достигается асимптотический предел при λ → ∞, но этот подход не всегда монотонен. В частности, асимптотический предел (18), по-видимому, не является строгой нижней границей того, насколько влияние геометрии может быть затушевано при всех возможных скоростях инактивации.

Если диффундирующая молекула начинается в фиксированном месте, x _i , мы получаем отношение кратчайших расстояний графа (ближайшего соседа) от x _i до ядра в двух случаях. В частности, если расстояние кратчайшего пути от x _i до ядра одинаково в обоих случаях, мы обнаруживаем, что влияние барьеров органелл на условный MFPT полностью отфильтровывается в пределе сильной инактивация сигнала.

В разделе SI2 текста S1 мы показываем результаты, аналогичные рис. 5, когда диффундирующая молекула запускается случайным образом в небольших участках клеточной мембраны. Мы видим аналогичное качественное поведение для статистики T _{λ, h} и для отношения 〈 T _{λ, h} 〉 в случаях физиологического или отсутствия органелл. Обратите внимание, однако, что мы наблюдаем вариации в том, насколько эффект геометрии может быть нейтрализован, когда участок клеточной мембраны, где инициируется сигнал, перемещается.

Discussion

Наши результаты демонстрируют, что барьеры органелл для молекулярной диффузии сигнальных молекул могут значительно замедлить распространение сигнала от клеточной мембраны к ядру. Такие барьеры также увеличивают вариабельность в распределении времени достижения ядра для сигналов, активируемых в различных локализованных частях клеточной мембраны. Сильная инактивация сигнала обеспечивает один потенциальный механизм как для нейтрализации эффекта барьеров органелл, так и для уменьшения вариабельности во времени, в течение которого сигналы достигают ядра.Могут потребоваться механизмы для уменьшения такой изменчивости, чтобы гарантировать надежное функционирование путей, которые включают пульсирующие ответы. Например, относительная экспрессия гормонов гипофиза LH и FSH контролируется частотой импульсов внеклеточных лигандов GnRH [21]. Достаточная вариативность в обработке таких сигналов может привести к неправильным уровням экспрессии из-за неправильной идентификации частоты импульсов.

При ограничении, что ожидаемое количество молекул, которые должны достичь ядра, должно быть фиксировано при N , скорость инактивации может быть скорректирована при условии, что начальное количество молекул, активированных на внутренней поверхности клеточной мембраны, варьируется в зависимости от компенсирующий способ.Исходя из этих предположений, рис. 4 демонстрирует, что время, за которое сигнал достигает ядерной мембраны, можно сделать сколь угодно малым за счет увеличения скорости инактивации. Однако это имеет очевидную цену; увеличение скорости инактивации сигнала требует, чтобы на клеточной мембране активировалось все большее количество сигнальных молекул, чтобы поддерживать фиксированное количество молекул, которые успешно достигают ядра.

Наши выводы можно обобщить по-разному. Во-первых, в то время как мы сосредоточились на распространении сигнала между клеткой и ядерными мембранами, наши результаты в более общем плане должны относиться к различным источникам сигналов и мишеням внутри клеток.В более общих сигнальных путях они также должны применяться к самому низовому сигнальному компоненту, предполагая, что он не активируется непосредственно возле ядерной мембраны. Наконец, мы отмечаем, что хотя сигнальные пути могут включать сложную кинетику реакции во всем цитозоле, может оказаться, что в некоторых случаях их общий эффект может быть аппроксимирован как единый сигнал, который распространяется по цитозолю и инактивируется в некоторой временной шкале.

Режим применимости модели: Важно отметить, что большое асимптотическое масштабирование λ в (17) и сходимость к соотношению (18) могут потребовать относительно больших значений λ (порядка λ между 10 ⁴ с ⁻¹ и 10 ⁶ с ⁻¹ для D = 10 ( мкм м) ² с ⁻¹ , см. Рис. 5b и Рис. D текста S1).Молекулы, которые успешно достигают ядра, в среднем прибывают в масштабе времени 10 ^-4 с ^-1 или меньше, см. Рис. D текста S1, что не обязательно будет физически правдоподобным в типичной клетке млекопитающего. В более общем плане, при λ → ∞ эти результаты основываются на (все более и более) кратковременном поведении модели случайных блужданий с непрерывным временем (10). Однако как модель непрерывной диффузии (7), так и модель случайных блужданий в непрерывном времени (10) становятся физически нереалистичными в качестве моделей очень кратковременного движения молекулы внутри клетки.Более того, нельзя ожидать, что поведение очень кратковременного полудискретной модели (10) и модели непрерывной диффузии (7) согласуется, поскольку первая только аппроксимирует последнюю на достаточно больших временных масштабах.

Относительное поведение двух моделей показано на рис. I и в разделе SI3 текста S1. Здесь мы сравниваем аналитическое решение PDE, когда ядерная мембрана и клеточная мембрана представлены в виде концентрических сфер, с численным решением соответствующей полудискретной модели на декартовой сетке аппроксимации цитозольной области между сферами.Мы обнаружили, что для шага ячеек h = 0,0351 μ м, что сравнимо с таковым в наших реконструкциях B-клеток, 〈 T _λ 〉 и 〈 T _{λ, h} 〉 согласуются исключительно хорошо, пока асимптотическое масштабирование λ ⁻¹ не вступит в силу в полудискретной модели. Затем мы видим несоответствие из-за различного кратковременного поведения полудискретной модели с масштабированием λ ⁻¹ и точного решения PDE с непрерывной диффузией, которое демонстрирует масштабирование λ ^−1/2 см. (SI5) в S1 Text.

По этим причинам полезность понимания асимптотики больших λ заключается не в предсказанном масштабировании 〈 T _{λ, h} 〉 (17), а в убывающей асимптотике условного отношения MFPT (18) . Этот асимптотический предел дает представление о том, почему в физиологических временных масштабах мы наблюдаем уменьшение влияния барьеров органелл на распространение сигнала. А именно, инактивация сигнала отфильтровывает молекулы, которым пришлось бы пройти более длинные пути, чтобы добраться до ядра.Это уменьшает различия между длинами путей, которые молекулы, достигающие ядра, должны пройти в заполненной органелле и пустой органелле клетки.

Предположения и открытые проблемы: Для модели непрерывной диффузии (7) позвольте обозначить набор, на котором г ( x ) ≠ 0 (то есть поддержка г ( x )). Например, если частица равномерно запускается на внутренней поверхности клеточной мембраны, чем. Мы предполагаем, что соответствующее соотношение условных MFPT удовлетворяет где относится к кратчайшему геодезическому расстоянию через цитозоль от места инициирования сигнала, до ядерной мембраны ∂ N .Мы получили частичные результаты в этом отношении, когда есть прямые пути от ∂ N и основные кривизны ядерной мембраны удовлетворяют определенным ограничениям, но общий случай остается открытой проблемой.

Недавно было высказано предположение, что геодезическое расстояние также возникает в контексте проблемы первого поисковика. Здесь нас интересует среднее время, в которое первые из N искателей достигают цели, поскольку количество искателей, N , становится большим (т.е. N → ∞). В [22] было высказано предположение, что, подобно нашим наблюдениям для сильной инактивации сигнала, этот предел также отфильтровывает все пути, кроме кратчайших, со средним временем достижения цели первым искателем, масштабируемым как квадрат геодезического расстояния. Интересный вопрос в будущем будет заключаться в том, чтобы понять взаимодействие этих двух проблем; то есть время, необходимое первому из многих поисковиков для успешного достижения цели связывания в присутствии сильной инактивации сигнала.

Наконец, мы отмечаем, что это открытый вопрос, чтобы понять, включают ли пространственные сигнальные пути [3, 23, 24] более общие механизмы для фильтрации эффекта пространственной гетерогенности в цитозольной среде. Было бы особенно интересно исследовать такие вопросы, одновременно изучая роль двух эффектов, которые мы явно не разрешили; скопление молекул внутри цитозоля и активный транспорт сигнальных молекул к ядерной мембране.Кроме того, в данной работе мы рассмотрели только самый простой из компонентов сигнализации: линейную инактивацию. Для многих сигнальных путей, включая передачу сигналов BCR в В-клетках и общую передачу сигналов протеинкиназ, более целесообразно моделировать инактивацию как происходящую посредством нелинейного взаимодействия с фосфатазой [4, 5]. Такие пути также обычно включают каскады взаимодействий [3], которые предположительно могут иметь дополнительные механизмы, которые нейтрализуют влияние клеточной субструктуры на синхронизацию сигнала.Мы надеемся изучить такие модели в будущей работе.

Передача сигналов в клетках и компьютерное моделирование — это огромная область, в которой проводился широкий спектр исследований, как пространственных, так и непространственных, см. Многочисленные ссылки в [25, 26]. В этой области множество исследований изучали пространственную динамику клеточной передачи сигналов, которая может иметь решающее значение для правильного функционирования и принятия решений клетками, см. Обзор [23] и ссылки. В частности, одним из направлений этих работ является понимание того, как форма клетки и расположение органелл могут влиять на передачу сигналов [1, 4], первая из которых рассмотрена в [27].Наша работа дополняет такие исследования, демонстрируя, как внутренние барьеры органелл могут влиять на передачу сигналов, и дает представление о механизмах, которые регулируют время распространения сигнала. Он представляет собой еще один шаг в разработке подробных, анатомически точных пространственных моделей целой клетки, которые могут объяснить присущую стохастичность как пространственному переносу, так и химическим реакциям [28].

границ | Методы изучения декодирования динамики отдельных клеток

Введение

Специфичность требует, чтобы ячейка могла распознавать разнородные сигналы как входные и надежно вычислять разнородные выходные данные в ответ.Клетки получают сигналы, которые могут быть получены от самого организма — аутокринные, паракринные и эндокринные сигналы — из окружающей среды или от других организмов, например, во время инфекции. Часто несколько сигналов присутствуют одновременно и быстро меняются по величине и длительности. Несмотря на это, клетки должны иметь возможность надежно различать сигналы и генерировать конкретный ответ на основе идентичности сигнала, интенсивности (т. Е. Количества присутствующего сигнала), частоты (т. Е. Продолжительности, в течение которой присутствует сигнал) и контекста (i .е., присутствуют другие сигналы и состояние клетки).

Соответственно, клетки разработали множество механизмов для воспроизводимого приема, передачи и обработки информации в изменчивой и зашумленной среде. Клетки обычно сначала «кодируют» получаемый ими сигнал, передавая информацию о сигнале для активации определенных сигнальных путей. Затем клетки могут «декодировать» эту информацию в фенотипические ответы и изменения в экспрессии генов и белков. Примечательно, что стохастические колебания концентрации сигнальных молекул, количества внутриклеточных сигнальных белков и состава микроокружения могут быть существенными на уровне отдельной клетки (1).Таким образом, эти пути эволюционировали и стали устойчивыми к этому неизбежному биологическому шуму. Сигнальные пути также часто дублируются или перекрываются; многие клеточные сигнальные пути способны передавать информацию из множества сигналов для получения неоднородных результатов, в то время как многие сигналы могут влиять на несколько путей (2–4).

За последние пару десятилетий становится все более очевидным, что клетки используют различные сигнальные архитектуры для кодирования подробной информации о сигналах, с которыми они сталкиваются, в виде временных паттернов активации факторов транскрипции, киназ, ионов кальция и других сигнальных молекул (5–5). 7).Следовательно, клетки также должны обладать механизмами для интерпретации этой динамической информации и преобразования ее в транскрипционный или фенотипический ответ. Одним из классических примеров является различение фактора роста нервов (NGF) и фактора роста эпидермиса (EGF) предшественниками нейронов крысы. Стимуляция NGF вызывает устойчивую активацию пути ERK, которая побуждает клетку дифференцироваться, тогда как стимуляция EGF порождает временную активацию пути ERK, которая расшифровывается как пролиферативный сигнал (Figure 1A) (8-10).Другим классическим примером является сигнальный путь врожденного иммунитета ядерного фактора (NF) -κB, который проявляет колебательные паттерны активации при стимуляции фактором некроза опухоли (TNF) -α, но устойчивую активацию при стимуляции липополисахаридом (LPS), что приводит к различной экспрессии генов. узоры (11–13).

Рисунок 1 . Основы динамического кодирования и декодирования. (A) Клетки могут кодировать информацию о сигналах, с которыми они сталкиваются, в виде динамических паттернов активации сигнального пути.Затем эти шаблоны можно декодировать для получения определенного ответа. Например, NGF создает устойчивую активацию ERK, которая ведет к дифференцировке, в то время как EGF создает временную активацию ERK, которая приводит к пролиферации. (B) Измерения на уровне популяции, такие как вестерн-блоттинг, могут скрыть поведение отдельных клеток в основной системе. Например, аналоговый или цифровой ответ может дать аналогичный вестерн-блоттинг, несмотря на различное количество активных клеток и активность на клетку. (C) Примеры некоторых функций динамических трассировок, которые можно использовать для кодирования информации.

Важность динамического декодирования дозы и идентичности стимула также описана в нескольких других путях. Например, известно, что р53 использует динамику для дифференциации доз гамма-излучения, а также между гамма- и УФ-излучением (14, 15). Путь Msn2 у дрожжей использует динамику, чтобы различать осмотический и окислительный стресс, а также тяжесть глюкозного голодания (16).Более того, недавно было обнаружено, что путь Notch позволяет различать некоторые Delta-подобные лиганды с использованием динамических паттернов (17). Наконец, недавние исследования описали, как отдельные клетки интерпретируют несколько одновременных стимуляторов (18, 19). Это всего лишь несколько примеров в большом пространстве; мы настоятельно рекомендуем читателям ссылаться на некоторые из превосходных обзоров, опубликованных по кодированию и декодированию сотовой связи, для более полного обзора, особенно классических примеров (20–22).

Очевидно, что динамическое кодирование и декодирование широко распространены в биологии, но изучение того, как клетки интерпретируют клеточную динамику, может быть сложной задачей, потому что измерения популяции скрывают поведение отдельных клеток (рис. 1B), а создание целевых возмущений в сигнальных путях затруднено.Чтобы понять, как отдельные ячейки кодируют и декодируют динамику, часто необходимо выполнить несколько различных измерений в одной и той же ячейке в разные моменты времени. Характеристики сигнальных динамических паттернов (рис. 1C) можно затем сопоставить с другими измерениями поведения клетки, чтобы понять, как клетка использует динамику. В последнее время портфель высокопроизводительных и одноклеточных технологий значительно расширился и стал доступным для более широкого круга лабораторий, что позволяет изучать динамику передачи сигналов в бесчисленных системах.

Например, оптогенетика позволила точно нацеленную активацию сигнальных путей, что позволило лучше понять роль динамики в развитии и передаче сигналов рака (23–26). Достижения в области микрофлюидики сделали возможным новую точность в выборе времени и дозировки стимуляции (19, 27–29), а также в исследованиях секреции или транскриптомики единичных клеток (30–33). Наконец, новые репортеры создали возможности для проведения измерений в новых сигнальных путях и контекстах (29, 34–41).В этом обзоре мы выделим различные экспериментальные стратегии, которые были успешно использованы для изучения клеточного динамического декодирования, с акцентом на исследования отдельных клеток. Мы также обсудим последние технологические разработки, которые позволили этой области быстро расти, и в заключение обсудим некоторые потенциальные направления исследований в будущем и технологические проблемы, которые все еще сохраняются.

Динамическое декодирование сотовой информации

Исследования на уровне популяции выявили некоторые связи между динамикой передачи сигналов и клеточными ответами (12, 13, 42, 43).Однако, как обсуждалось ранее, измерения популяции не обязательно указывают на поведение отдельных клеток (рис. 1B). Чтобы понять, как отдельные клетки декодируют динамические сигналы в фенотипический ответ, необходимо провести комбинированные измерения динамики передачи сигналов и последующего клеточного ответа в одной и той же клетке. Микроскопия оказалась бесценным инструментом для этих исследований, учитывая универсальность измерений, которые она может производить, включая не только флуоресценцию живых клеток для измерения динамики самих сигналов, но также флуоресценцию одиночных молекул in situ гибридизацию (smFISH) для измерение экспрессии генов (44) и иммунофлуоресценция или другие методы на основе антител для измерения экспрессии белка.Кроме того, недавно была проведена работа по объединению других методов, таких как RNA-seq и микрофлюидика, с визуализацией живых клеток, расширяя репертуар возможных измерений. Здесь мы представляем коллекцию недавних исследований, которые демонстрируют эффективные стратегии исследования связи между динамикой и клеточными ответами на уровне отдельной клетки.

Визуализация живых клеток в сочетании с измерениями физических фенотипов

Самый простой способ выяснить, как клетки декодируют динамику, — это измерить динамику передачи сигналов и четкие фенотипические ответы, такие как гибель клеток, миграция клеток или деление клеток.Эти измерения хорошо адаптированы для микроскопии живых клеток, поскольку измерения клеточной динамики и фенотипического ответа могут быть выполнены с использованием одного и того же метода измерения с небольшими техническими ограничениями.

Например, р53 представляет собой фактор транскрипции, играющий важную роль в регуляции роста клеток и апоптоза в ответ на повреждение ДНК (45). Предыдущие исследования на уровне популяции предполагали, что клетки с активацией p53 ниже определенного порога инициируют остановку роста, а клетки выше этого порога будут подвергаться апоптозу (46).Однако исследования отдельных клеток с использованием флуоресцентного репортера p53 показали, что для того, чтобы подвергнуться апоптозу, уровни p53 в клетке действительно должны достичь порогового значения, но этот порог со временем увеличивается (рис. 2A) (47). Следовательно, решение об апоптозе или остановке роста клеток определяется динамикой активации p53, а не статическим порогом. Это наблюдение могло быть сделано только с использованием динамического подхода к одной ячейке.

Рисунок 2 . Примеры декодирования динамических шаблонов сигнализации. (A) Апоптоз из-за передачи сигналов p53 определяется не статическим порогом, а динамическим возрастающим порогом. Некоторые клетки не подвергаются апоптозу, даже несмотря на то, что они имеют более высокий уровень p53, чем некоторые клетки, которые подвергаются апоптозу. Рисунок адаптирован из Paek et al. (47). (B) Субпопуляции с различными паттернами активности NF-κB существуют в отдельных клетках, стимулированных LPS. Эти паттерны коррелируют с различными паттернами экспрессии генов для известных мишеней NF-κB. Рисунок адаптирован из Lane et al.(32). (C) Базальные скорости дифференцировки адипоцитов низкие in vivo , несмотря на большие импульсы выработки глюкокортикоидов ежедневно. Однако постоянное поступление глюкокортикоидов аналогичной общей величины вызывает большую стабилизацию PPARG, обозначенную зеленым цветом, и более высокую скорость дифференцировки. Рисунок адаптирован из Bahrami-Nejad et al. (73).

Аналогичное исследование выявило аспекты передачи сигналов TNF, которые коррелируют с апоптозом. Передача сигналов TNF инициирует проапоптотический каскад, а также индукцию генов, способствующих выживанию, с помощью NF-κB (48).Используя микрофлюидное устройство для точного контроля времени и дозы стимула, Lee et al. показали, что короткие импульсы — всего 1 мин — TNF-α могут быть более эффективными для индукции апоптоза, чем более длинные импульсы. Одноклеточные измерения активации NF-κB показали, что более длинные импульсы TNF поддерживали более длительное время пребывания NF-κB в ядре, предполагая, что динамика NF-κB коррелирует с относительным балансом проапоптотических сигналов и сигналов, способствующих выживанию (49). ). Проапоптотическая ветвь пути инициируется в более медленном масштабе времени, чем проапоптотическая ветвь пути, и ингибируется ею (48, 50, 51).Следовательно, авторы предлагают модель, в которой устойчивая активация NF-κB, вызванная более длинными импульсами TNF, поддерживает ингибирование проапоптотического сигнального плеча, что приводит к большей относительной передаче сигналов, способствующих выживанию (49).

Микроскопия живых клеток также использовалась для понимания того, как пространственно-временная динамика митоген-активируемых протеинкиназ (MAPKs) регулирует процессы спаривания в отдельных дрожжевых клетках. Для успешного спаривания и слияния отдельные дрожжевые клетки должны ремоделировать свои клеточные стенки, останавливать клеточный цикл и поляризовать свой рост (52, 53).Репортер ферстеровского резонансного переноса энергии (FRET) активности двух MAPK, Fus3 и Kss1, в сочетании с визуальным наблюдением за формой и ростом клеток, показал, что повышенная активность Fus3 в местах поляризованного роста необходима для инициирования полярности и слияния между спариванием. клетки, показывая, что пространственно-временное формирование паттерна активности Fus3, а не только уровни Fus3, необходимы для правильного фенотипа спаривания (54).

Репортеры нескольких различных путей могут также показать, как контекст иммунного стимула может влиять на реакцию иммунной клетки (55).Врожденные иммунные клетки используют рецепторы распознавания образов (PRR), такие как Toll-подобные рецепторы (TLR), для обнаружения молекул, которые указывают на инфекцию. Клеточная линия, экспрессирующая репортер NF-κB и c-Jun N-терминальной киназы (JNK), подвергалась контрольному тестированию с повышением уровней иммунной стимуляции, от только ЛПС до инфицирования Salmonella typhimirium , что позволило измерить сигнальный ответ клетки. в каждом случае (35). Эта работа показала, как отдельная ячейка использует сигнализацию TLR, чтобы различать похожие сигналы в различных контекстах.Например, в популяции клеток, подвергшихся воздействию S . typhimirium , неинфицированные клетки обычно активировали только NF-κB, тогда как те клетки, которые были инфицированы бактериями, обычно активировали как JNK, так и NF-κB (35).

Существуют множественные репортеры живых клеток, которые расширяют типы физических фенотипов, которые можно непосредственно измерить с помощью микроскопии живых клеток. Например, были разработаны флуоресцентные зонды, которые позволяют количественно измерять активацию киназ отдельных клеток (34, 37), визуализировать различные способы гибели клеток и активации каспаз (36, 56), а также прогрессию клеточного цикла и измерения пролиферации. оценка (57).Этот репортер пролиферации использовали вместе с основанным на FRET репортером активности ERK, чтобы показать, что клетки используют длительность импульса ERK и общую активность для регулирования входа в S-фазу и времени клеточного цикла. Последующие эксперименты с использованием иммунофлуоресценции с высоким содержанием (HCIF) показали, что основным количественным фактором, контролирующим устойчивую пролиферацию в отдельных клетках, является выход ERK (58).

Эти эксперименты являются яркими примерами того, как мы можем начать понимать, как динамика передачи сигналов порождает физические фенотипические реакции.Кроме того, разработка новых биосенсоров, улучшение нашей способности регулировать клеточную динамику (см. «Экспериментальные стратегии для разработки или модуляции динамических сигнальных паттернов») и улучшение высокопроизводительной характеристики фенотипа (59) должны позволить еще больше понять это направление исследований.

Визуализация живых клеток в сочетании с измерениями экспрессии и транскрипции генов

Сигнальные пути часто контролируют клетку, изменяя экспрессию определенных генов-мишеней.В таких случаях динамические паттерны передачи сигналов, вероятно, будут декодированы как количественные изменения в экспрессии генов. Однако выяснение этой связи может быть более сложной задачей, чем измерение физических фенотипов, поскольку для этого требуется измерение динамики передачи сигналов и экспрессии генов в одной и той же клетке. Несмотря на это осложнение, многие недавние исследования продемонстрировали экспериментальные стратегии успешного комбинирования методов измерения для получения интересных результатов.

Напр., Ядерное содержание NF-κB значительно варьирует как в стимулированных, так и в нестимулированных клетках, предполагая, что транскрипция NF-κB также может быть сильно изменчивой (60).Однако измерения smFISH в отдельных клетках показывают, что уровни транскриптов для многих мишеней NF-κB варьируются меньше, чем активность NF-κB (61). Измерения флуоресцентного репортера NF-κB в сочетании с количественной оценкой по конечной точке smFISH транскриптов, регулируемых NF-κB, показали, что динамические величины, такие как кратное изменение NF-κB, лучше предсказывают уровни транскрипции, чем статические величины, такие как NF. -κB ядерное изобилие. Последующее математическое моделирование выявило потенциальный механизм, основанный на некогерентной петле прямой связи, генерируемой конкуренцией факторов транскрипции (61).Недавняя работа, также использующая стратегию на основе smFISH, дополнительно показала, что кратное изменение NF-κB является точным предиктором уровней транскриптов на промоторах как с высокими, так и с низкими уровнями TNF-индуцированной транскрипции (62).

Аналогичный пример включал изучение ответов NF-κB на одновременную стимуляцию LPS и TNF-α, чтобы понять, как клетки реагируют на множественные стимулы. Флуоресцентный репортер использовали для измерения активации NF-κB в клетках 3T3 в диапазоне концентраций LPS и TNF-α.Для большинства концентраций ответ можно было классифицировать как ответ только LPS или только TNF-α, но для ряда промежуточных концентраций был синергетический ответ, который имел характеристики как TNF-, так и LPS-стимулированных клеток. Последующее измерение мРНК ряда соответствующих хемокинов и цитокинов с помощью smFISH показало, что клетки с двойным ответом имели в среднем более высокую экспрессию Cxcl10 и Csf3 (18). Сходные стратегии также успешно использовались в др. Сигнальных системах (63–65).

Одноклеточная динамическая визуализация может также выявить новые явления, которые можно изучить с помощью других методов. Например, известно, что вирус ВИЧ интегрируется в геном хозяина и находится в состоянии покоя в некоторых Т-лимфоцитах, что представляет собой серьезное препятствие для лечения антиретровирусной терапией (66). Хотя эти латентные резервуары вируса проявляют стохастическую активацию низкого уровня, молекулярные регуляторы, контролирующие активацию вируса, все еще не полностью изучены (67). NF-κB является известным регулятором промотора длинных концевых повторов (LTR) ВИЧ; однако недавнее исследование с использованием флуоресцентных репортеров ВИЧ и активации NF-κB показало, что активация NF-κB не позволяет прогнозировать уровни вирусной активации в разных клонах (68).Вместо этого, используя smFISH и иммунопреципитацию хроматина (ChIP), авт. Обнаружили, что среда хроматина регулирует взрыв транскрипции и может объяснить изменчивость от клона к клону. Эти находки показали, что взаимодействия NF-κB-хроматина необходимы для объяснения взрыва транскрипции и вирусной активации (68).

Стратегии на основе

FISH также использовались для выяснения роли, которую динамика может играть in vivo во время развития. Напр., Было показано, что миогенез требует временной, а не постоянной активации Notch, но механизм временной активации Notch не ясен (69).Недавно было обнаружено, что путь Notch также использует динамику для кодирования и декодирования информации об идентичности активирующего стимула (17). Творческая экспериментальная система, использующая сконструированные линии клеток-отправителей, которые продуцируют либо Dll1, либо Dll4, и линию клеток-приемников с химерным рецептором Notch, управляющим экспрессией флуоресцентного белка, позволила измерить динамику активации Notch в присутствии любого лиганда. . Эти эксперименты показали, что стимуляция Dll1 приводит к пульсирующей активации Notch, в то время как Dll4 создает устойчивую активацию Notch, в результате чего возникают различия в экспрессии генов.Результаты были воспроизведены в модели in vivo путем электропорации либо Dll1, либо Dll4 на одной стороне нервного гребня куриного эмбриона, а затем с использованием FISH с цепной реакцией гибридизации (HCR) для окрашивания MyoD1, фактора регуляции мышц. Их результаты показали, что MyoD1 активируется с помощью Dll1, который создает пульсирующую динамику, в то время как Dll4, который создает устойчивую динамику, подавляет MyoD1 (17).

В системах, где конечных измерений экспрессии генов недостаточно, можно использовать несколько флуоресцентных репортеров для одновременного измерения передачи сигналов и транскрипции.Например, TNF-α является известной регуляторной мишенью NF-κB, которая впоследствии может регулировать нисходящие ответы посредством паракринной и аутокринной передачи сигналов (11, 32, 70). Клеточную линию с репортерами как для активности NF-κB, так и для транскрипции с промотора TNF-α использовали для одновременного измерения динамики передачи сигналов и транскрипции в режиме реального времени. Измерения выявили низкую корреляцию между многими показателями активности NF-κB и выходом промотора TNF-α. Однако интегрированная во времени активность NF-κB хорошо коррелировала с общим выходом промотора TNF-α, демонстрируя, что непрерывные измерения транскрипционной активности могут дать больше информации, чем измерения конечных точек в некоторых системах (71).

Наконец, теперь также возможно измерить динамику передачи сигналов и транскрипционные ответы по всему геному в одной и той же отдельной клетке. RNA-seq предоставил метод для измерения всего транскриптома отдельной клетки, но оставалось нерешенным, как связать эти данные с измерениями динамики активации фактора транскрипции. Lane et al. использовали микрофлюидику для выделения клеток для визуализации живых клеток и секвенирование РНК одной клетки, чтобы связать идентичность клетки в обоих наборах данных. Их результаты показали, что различные паттерны передачи сигналов NF-κB в ответ на один и тот же стимул коррелируют с разными глобальными транскрипционными ответами (Рисунок 2B) (32).Способность измерять глобальную экспрессию генов, являющуюся результатом гетерогенной динамики, чрезвычайно полезна, потому что она позволяет фенотипически характеризовать динамику отдельных клеток без необходимости a priori знания целевых генов.

Визуализация живых клеток в сочетании с измерениями экспрессии белков

Часто клеточный ответ на сигналы, которые он получает, заключается в дифференцированном регулировании экспрессии или секреции белков. Например, большая часть иммунного ответа — это координация секреции цитокинов и хемокинов иммунными клетками в очаге инфекции.Следовательно, еще одно многообещающее направление исследований клеточной динамики — это изучение изменений экспрессии и секреции белков в сочетании с измерениями динамики. Иммунофлуоресценцию можно использовать для измерения внутриклеточной экспрессии белка, аналогично измерениям экспрессии генов с использованием smFISH. В качестве альтернативы, для измерения секреции белка отдельными клетками можно использовать микрофлюидные устройства или анализы на основе микролунок.

Например, количественное определение белка можно использовать для понимания того, как сигнальные пути в клетках контролируют дифференцировку.Гормоны, такие как глюкокортикоиды, сильно индуцируют адипогенез in vivo и in vitro , но базальные скорости дифференцировки преадипоцитов у живых животных низкие, несмотря на большие ежедневные всплески продукции глюкокортикоидных гормонов (72). Это поднимает вопрос о том, как путь дифференцировки в преадипоцитах может фильтровать ежедневные пульсирующие сигналы. Визуализация живых клеток эндогенных адипогенных факторов транскрипции CEBPB и PPARG и окрашивание на маркеры дифференцировки жировых клеток показали, что транскрипционный контур в преадипоцитах эффективно отфильтровывает пульсирующие сигналы, но отвечает на непрерывные сигналы той же общей величины (рис. 2C).Модель предсказывала, что такой ответ может быть достигнут, если в системе есть как быстрые, так и медленные петли обратной связи, а дальнейшее окрашивание белков и мРНК выявило FABP4 как потенциального партнера по медленной обратной связи в этом пути (73).

Чаще всего экспрессию белка измеряют в конечной точке эксперимента, но иногда требуются более частые измерения последующих изменений экспрессии белка. Передача сигналов ERK описывается как «детектор персистентности», который управляет приблизительно цифровой экспрессией генов-мишеней на основе продолжительности активности ERK (74–76), а также как система, в которой пиковая амплитуда качественно регулирует индукцию генов (77).Одновременное измерение активности ERK и индукции Fra-1, мишени ERK, с использованием вместо этого с использованием репортеров живых клеток, показало, что линейная интеграция активности ERK была основной детерминантой последующих ответов (78).

Секрецию одноклеточного белка измерить сложнее из-за низкого количества секретируемого белка и необходимости изолировать отдельные клетки. Одной из стратегий изучения секреции белков одной клетки является использование микроскопии полного внутреннего отражения для измерения секретируемых белков в лунке с помощью сэндвич-иммуноанализа (79).Этот подход был использован для одновременного измерения активации каспазы-1 с использованием репортера FRET и секреции IL-1β в отдельных клетках. Дальнейший анализ показал, что активация каспазы-1 является цифровой и контролирует выброс IL-1β, секретируемого мертвыми макрофагами (33). В качестве альтернативы были разработаны множественные микрофлюидные стратегии для сочетания визуализации живых клеток и обнаружения секретируемых белков на основе антител (30, 31). Клетки первоначально захватываются в лунки с одиночными клетками, где они могут подвергаться точным дозам и длительности стимулов и визуализироваться с помощью флуоресцентного микроскопа.Среда из лунки каждой клетки может быть взята и измерена с помощью антител к секретируемым белкам в различные моменты времени во время эксперимента. В зависимости от устройства также можно окрашивать клетки с помощью иммунофлуоресценции, что позволяет измерять как секретируемые, так и внутриклеточные белки (30).

Наконец, изменения в экспрессии белков также могут контролироваться регуляторами хроматина, которые придают модификации гистонов и ДНК (80, 81). Теперь можно изучить, как отдельные клетки используют разные регуляторы хроматина для создания различной динамики экспрессии генов.Bintu et al. использовали систему, индуцируемую доксициклином, для набора индивидуальных регуляторов хроматина для регулирования экспрессии флуоресцентного белка. Они показали, что эпигенетическое молчание и реактивация являются цифровыми процессами в отдельных клетках и что различные регуляторы хроматина модулируют долю молчаливых клеток. Далее, используя стохастическую модель, они описывают различную динамику как для сайленсинга, так и для реактивации, создаваемую каждым регулятором хроматина (82). Как клетки используют модификации хроматина для обработки сигнальной информации, все еще плохо изучено (83), но исследования динамики регуляции хроматина отдельных клеток предоставляют многообещающее направление для будущих исследований.

Экспериментальные стратегии для разработки или модуляции динамических шаблонов сигналов

Изучение клеточного декодирования сложнее, чем изучение клеточного кодирования, по техническим и биологическим причинам. Основная биологическая проблема заключается в том, что клетки имеют сложные сигнальные пути, которые взаимодействуют друг с другом и контролируют гетерогенные выходы. Таким образом, технически сложно доказать, что динамика является причинным фактором фенотипического измерения. Также было трудно нарушить динамику передачи сигналов способами, которые помогли бы установить причинную связь фенотипа, особенно в одиночных клетках.Здесь мы суммируем стратегии, которые были успешно использованы для модуляции динамики передачи сигналов, а также значительные технические достижения, которые сделали возможным новые способы управления динамикой передачи сигналов в отдельных клетках.

Инженерная динамика с использованием оптогенетики и других синтетических систем

Последние достижения в синтетической биологии открыли новые захватывающие способы точного и избирательного управления динамическими сигналами. Одним из таких достижений является область оптогенетики, которая использует свет для контроля функции белков и активности клеток с высоким пространственно-временным разрешением (рис. 3А).Оптогенетические инструменты, как правило, быстрее и более избирательны, чем фармакологическая стимуляция, а их способность генерировать гибкие временные паттерны привела нас к концепции идентификации инженерных систем для более непосредственного изучения характеристик клеточного сигнального пути. Здесь мы представляем несколько примеров оптогенетических стратегий, применимых к динамике передачи сигналов, но более подробная информация об ограничениях и других приложениях также была недавно рассмотрена (84–86).

Рисунок 3 .Инженерные подходы к управлению динамическими сигнальными паттернами. (A) Оптогенетические инструменты могут динамически и выборочно активировать путь изолированно от контекста передачи сигналов эндогенного рецептора. (B) Синий свет вызывает димеризацию N-концевого домена CIB1 и Cry2, слитого с cRaf, что приводит к привлечению cRaf к мембране. Ras активирует cRaf на мембране и, таким образом, активирует нижележащий путь ERK. (C) Микрожидкостные устройства использовали для контроля потока низкомолекулярных ингибиторов сигнального пути Notch и Wnt.Синфазные колебания этих двух путей приводят к правильной сегментации мезодермы, тогда как не синфазные колебания нарушают сегментацию.

Одной из часто используемых систем является Phy-PIF, оптогенетическая система с высокой скоростью дезактивации. И связывание, и диссоциация индуцируются световой стимуляцией; красный свет вызывает связывание, а инфракрасный свет вызывает диссоциацию (87). OptoSOS использует эту систему для активации сигнального пути Ras-ERK путем индукции транслокации SOS к плазматической мембране.Его можно использовать для воспроизводимой активации пути, используя очень короткие импульсы (<1 мин) и высокие частоты активации, что позволяет измерить частотную характеристику пути (88). Эта система недавно была использована, чтобы показать, что мутация в B-Raf в линии рака человека привела к более медленной кинетике распада пути, что означает, что большее пространство входных частот и сил интерпретируется как сигналы роста в этой клеточной линии (23). .

Cry2 — еще одна широко используемая оптогенетическая система.Он имеет более медленную скорость активации и дезактивации по сравнению с другими системами, но он обладает уникальным свойством, заключающимся в том, что он проявляет как гетеро-, так и гомодимеризацию при стимуляции синим светом. Cry2 связывается с N-концевым доменом CIB1 зависимым от синего света образом. Подобно OptoSOS, слияние cRaf с Cry2 было использовано для активации пути ERK путем индукции транслокации к плазматической мембране (89) (Рисунок 3B). Используя эту систему, было показано, что пульсирующая активация ERK приводит к более высокой пролиферации клеток, чем устойчивая активация.Также были идентифицированы несколько генов, которые лучше индуцируются пульсирующей активацией ERK. Фотоактивация путем привлечения партнера к мембране включает множество примеров, таких как PKA (90), AKT (26, 91) и TrkA (92). В дополнение к этой гетеродимеризации между Cry2 и CIB1 известно, что Cry2 имеет склонность к олигомеризации. Позднее это свойство олигомеризации было улучшено за счет небольшого изменения последовательностей (93, 94). Поскольку многие сигнальные события инициируются гомоолигомеризацией, особенно передача сигналов рецептора, они широко применяются во многих сигнальных путях (95–100).

Домен свет-кислород-напряжение (LOV) — это фотосенсорный мотив, обнаруженный во многих белках у разных видов. Стимуляция синим светом индуцирует образование ковалентной связи между доменом LOV и его кофактором флавина, что приводит к частичному разворачиванию между доменом LOV и С-концевой спиралью A . Домены LOV были разработаны для многих приложений из-за небольшого размера этого домена (~ 110 аминокислот). Например, промоторная система гена с переключаемым светом была разработана путем слияния грибкового домена LOV и фактора транскрипции Gal4, лишенного домена димеризации (101).Эту систему также применяли для контроля временных паттернов экспрессии пронейрального гена Ascl1 в нейральных клетках-предшественниках (24), и было показано, что осцилляторная и устойчивая экспрессия Ascl1 индуцируют пролиферацию и дифференцировку, соответственно.

В отличие от приведенных выше примеров использования транслокации или рекрутирования, существует множество оптогенетических инструментов, которые могут напрямую контролировать аллостерию и комплементацию фрагментов. Сюда входят стратегии на основе Dronpa (25, 102), белки на основе домена LOV, использующие фото-развязывание (103-106), а также ряд светочувствительных каналов и рецепторов.Например, Ханнанта-Анан и Чоу использовали меланопсин для генерации волны высвобождения кальция (107). Систематически контролируя амплитуду, частоту и рабочие циклы колебаний кальция, они обнаружили, что ниже по потоку NFAT объединяет общие повышенные концентрации кальция из-за его низкой скорости вывода.

Димеризация также может быть вызвана химическим путем; димеризация FKBP и FRB рапамицином — классический пример, который уже много лет используется в самых разных областях (108–110).Хотя многие инструменты по существу необратимы из-за высокой аффинности связывания, острая индукция димеризации или транслокации была эффективной стратегией для исследования причин сигнальных событий. Например, Santos et al. сконструировали ядерные репортеры Cdk1-FKBP и cyclin B1-FRB для тестирования регуляции пространственной положительной обратной связи Cdk1-cyclin B1 (111). Химическая димеризация этих комплексов в ядрах запускает ядерную транслокацию циклина B1, что подтверждается транслокацией флуоресцентного белка, слитого с циклином B1, но не слитого с FRB.

Другой потенциальный подход к контролю динамики — создание полностью синтетической версии пути в ортогональной клеточной среде. Например, путь ERK был реконструирован у дрожжей, и было показано, что сам этот минимальный каскад генерирует сверхчувствительность (112). Недавно в дрожжах был введен синтетический сигнальный путь NF-κB для изучения его колебательного поведения (113). Амплитуда и период колебательного ответа на α-фактор можно экспериментально регулировать путем настройки уровня RelA от индуцибельного промотора, стабильности белка и / или силы промотора, определяющей экспрессию компонента отрицательной обратной связи, IκBα.Синтетические системы обеспечивают простой способ манипулировать параметрами путей и структурными цепями с помощью низкомолекулярных входов.

Microfluidics может точно контролировать дозу и время воздействия

Гидравлический контроль был стандартным подходом к динамическому манипулированию паттерном стимуляции до того, как генетические или синтетические подходы стали популярными. Простая жидкостная установка с насосом использовалась в течение нескольких десятилетий для управления входным потоком, включая ранние исследования передачи сигналов глюкагона (114) и передачи сигналов кальция (115).Микрожидкостные устройства теперь представляют собой резкое улучшение, предоставляя нам более точный контроль для создания практически любого временного паттерна для изучения как динамического кодирования, так и декодирования.

Активация

NF-κB в единичных клетках хорошо изучена с использованием таких устройств (116, 117). Одно исследование показало, что клетки реагируют на TNF-α вероятностным образом, что означает, что только часть клеток активирует путь NF-κB при низких концентрациях TNF-α. Основанный на микрофлюидике временный контроль стимуляции TNF позволил доставить в среду множественные дискретные импульсы TNF-α.Эти эксперименты показали, что вариабельность ответа NF-κB зависит не только от ранее существовавшей клеточной изменчивости, но также от ранее неизвестного стохастического элемента (118).

С точки зрения динамического декодирования, характеристики фильтрации пути дрожжевого стресса были тщательно изучены с использованием микрофлюидных устройств (16, 119, 120). Путем модуляции амплитуды, частоты и продолжительности периодической ядерной транслокации Msn2 было показано, что каждый промотор, транскрибируемый с помощью Msn2, обладает особой чувствительностью к амплитуде и частоте импульсов.Эти различия могут по-разному регулировать по крайней мере четыре класса генов ниже Msn2 (121).

Microfluidics также использовалась для управления клеточными фенотипами путем управления динамикой передачи сигналов. Например, стимуляция EGF и NGF в клетках PC12 активирует путь ERK временным и устойчивым образом, соответственно, что приводит к различным клеточным результатам. С помощью микрофлюидного устройства Ryu et al. инвертировал результаты каждого фактора роста, просто изменив модели стимулов (28).В качестве другого примера Sonnen et al. наблюдали, что сегментация пресомитной мезодермы зависит от относительного времени между сигнальными колебаниями Wnt и Notch (29). Они использовали микрофлюидику для генерации синфазных или не синфазных колебаний этих двух путей и показали, что не синфазные колебания ухудшают сегментацию (рис. 3C).

Технические усовершенствования в высокопроизводительных измерениях одиночных ячеек

Многие из приведенных выше примеров демонстрируют универсальность и способность микроскопии исследовать взаимосвязи между динамикой передачи сигналов и нижележащими фенотипами в отдельных клетках.Становится ясно, что динамика передачи сигналов может быть декодирована в различные программы экспрессии генов, приводящие к различным клеточным фенотипам; тем не менее, в большинстве исследований удалось измерить только несколько генов из-за технических проблем. Здесь мы рассмотрим некоторые из последних технических достижений, которые потенциально увеличивают пропускную способность и доступность этого метода измерения.

Как мы видели в приведенных выше примерах, FISH и иммунофлуоресценция являются обычно используемыми методами для регистрации последующих ответов.FISH может быть реализован с высокой пропускной способностью, так как можно снимать или отбеливать зонды и, таким образом, повторять обнаружение (122–124). Обратной стороной этих методов является их стоимость и чувствительность, поскольку для связывания одного вида мРНК и, таким образом, усиления специфического сигнала требуется множество зондов. Два недавно разработанных метода используют разные схемы усиления сигнала, что обеспечивает более высокую чувствительность и усиление. Первый метод — это бесконтактное лигирование in situ с использованием технологии гибридизации (PLISH) (125).PLISH амплифицирует область-мишень путем амплификации по типу «катящегося круга» после получения олигонуклеотидов зонда с замкнутым кругом с помощью лигирования близости с помощью РНК-шаблона. Второй метод, называемый FISH с усилением щелчков (ClampFISH), использует неферментативную химию щелчков для генерации олигонуклеотидов замкнутого круга (126, 127). Было показано, что оба метода обеспечивают лучшие сигналы флуоресценции как в культуре клеток, так и в образцах тканей (126).

Подобно высокопроизводительным подходам FISH, существуют методы, которые пытаются определить количество многих специфических белков с помощью иммунофлуоресценции в течение нескольких циклов.Например, Lin et al. разработали cycIF путем отбеливания флуорофора, конъюгированного с первичным антителом, перекисью водорода (128). Они смогли обнаружить 60 белков в образце опухолевой ткани, повторив этапы отбеливания и окрашивания для каждого интересующего белка (129). Другая группа разработала метод элюции антител, названный 4i, который элюирует антитела смесью восстанавливающего агента, низкого pH и хаотропных солей, а также блокирующего буфера (130). Это совместимо с непрямой иммунофлуоресценцией, и с помощью этого подхода было обнаружено 40 белков.Аналогичный подход, совместное обнаружение путем индексации (CODEX), использует антитела, конъюгированные с олигонуклеотидами (131). Вместо повторения этапов связывания антител этот метод сначала выполняет процесс связывания с последующим повторным обнаружением антител со штрих-кодом путем включения нуклеотидов, меченных флуорофором, с помощью полимеразы.

Эти методы основаны на обнаружении флуоресценции, поэтому количество одновременных обнаружений ограничено спектральным перекрытием. В отличие от этих подходов, визуализирующая массовая цитометрия и мультиплексная ионно-лучевая визуализация используют меченные металлами антитела (132–134).Сигнал от изотопов металлов измеряется с помощью масс-спектрометрии, что позволяет одновременно обнаруживать больше белков, чем это было бы возможно с помощью флуоресценции. Оба метода позволили измерить более 30 белков в образцах опухолей (135, 136), и их также можно комбинировать с высокопроизводительными методами FISH (137).

Для анализа изображений живых ячеек автоматизация вычислений становится все более востребованной из-за большого количества данных, которые могут быть легко получены. Одно из недавних достижений в этой области связано с глубоким обучением.Сверточные нейронные сети были впервые применены для классификации гистопатологических изображений с диагностической целью (138–140). В 2016 году программный инструмент DeepCell использовал этот тип задачи классификации для автоматической сегментации изображений клеток (141). Помимо более высокой точности сегментации флуоресцентных изображений, этот подход, основанный на глубоком обучении, также позволяет нам сегментировать объекты с использованием немаркированных изображений, таких как фазово-контрастные или ДИК-изображения (142–144).

Заключительные замечания

Возможности и совместимость методов измерения одиночных ячеек значительно расширились за последние несколько лет.Теперь можно измерять активацию сигнального пути и уровни РНК, белка или метаболитов в отдельных клетках, часто в режиме реального времени. Производительность этих измерений также быстро увеличивается, особенно с развитием более совершенных вычислительных методов для анализа изображений и итерационных подходов FISH и иммунофлуоресценции. Более того, наша способность конструировать динамику отдельных клеток также быстро улучшается с развитием таких методов, как оптогенетика. В результате исследования, описывающие, как отдельные клетки реагируют на входные данные с использованием динамических паттернов, расширились до новых систем и уровней детализации.

На практике эти новые открытия могут выявить способы нацеливания на динамику передачи сигналов в контексте болезни, что потенциально может привести к новым методам лечения (145). Фармакологически измененная динамика передачи сигналов была продемонстрирована только в нескольких исследованиях, но это может измениться с развитием более совершенных инструментов и знаний (64, 146). Кроме того, лучшее понимание динамических клеточных ответов может помочь проложить путь к клеткам с функционально сконструированными сигнальными цепями, которые имеют большой потенциал в качестве возможных терапевтических и научных инструментов (147).

Тем не менее, эта область все еще находится на начальной стадии, и многие проблемы еще предстоит решить. Развитие репортера остается сложной проблемой, и поэтому репортеры в настоящее время существуют только для небольшого подмножества путей. Более того, большинство измерений сигнальных путей продолжают полагаться на экзогенные репортеры, которые могут отличаться от ответов, наблюдаемых с эндогенными белками. Несмотря на то, что была проделана работа по упрощению прямого измерения эндогенных белков, эти методы все еще остаются более сложными, чем использование экзогенных репортеров.Наконец, крупномасштабные генетические скрининги позволили перейти на новый уровень понимания во многих областях благодаря способности искать важные эффекторы по всему геному. Однако использование микроскопии в сочетании с экранами всего генома все еще является чрезвычайно сложной задачей из-за необходимости увязать измерения, сделанные с помощью микроскопии, с генетическими нарушениями в каждой клетке. Таким образом, есть еще много возможностей для улучшения как методов, доступных для изучения динамики, так и количества систем, к которым эти методы могут быть применены.

Авторские взносы

SJ, TK и MC разработали и написали рукопись.

Финансирование

Авторы с благодарностью признают финансирование из нескольких источников, в том числе премию Центра Аллена Дискавери и Премию выдающегося исследователя Аллена, присужденную MC, стипендию Фонда Накадзима, присужденную ТЗ, и финансирование, предоставленное Национальным институтом здравоохранения (NIH) NIGMS Training Grant в области биотехнологии. (5T32GM008412) предоставлен SJ.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить сотрудников лаборатории Covert за полезные обсуждения и отзывы о рукописи.

Список литературы

5. Хансен А.С., О’Ши Е.К. Ограничения на передачу информации за счет амплитудной и частотной регуляции активности транскрипционного фактора. Элиф. (2015) 4: e06559. DOI: 10.7554 / eLife.06559

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

6. Селимханов Дж., Тейлор Б., Яо Дж., Пилко А., Олбек Дж., Хоффманн А. и др.Точная передача информации через динамические биохимические сигнальные сети. Наука. (2014) 346: 1370–3. DOI: 10.1126 / science.1254933

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

7. Zhang Q, Gupta S, Schipper DL, Kowalczyk GJ, Mancini AE, Faeder JR, et al. Динамика NF-κB различает дозы TNF в отдельных клетках. Cell Syst. (2017) 5: 638–645.e5. DOI: 10.1016 / j.cels.2017.10.011

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

8.Маршалл CJ. Специфичность передачи сигналов рецепторной тирозинкиназы: временная или длительная активация киназы, регулируемая внеклеточными сигналами. Cell. (1995) 80: 179–85. DOI: 10.1016 / 0092-8674 (95)

-8

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

9. Nguyen TT, Scimeca JC, Filloux C, Peraldi P, Carpentier JL, Van Obberghen E. Совместная регуляция митоген-активированной протеинкиназы, внеклеточной сигнальной киназы 1 и рибосомальной S6-киназы 90 кДа в PC12 клетки.Отчетливые эффекты нейротрофического фактора, фактора роста нервов и митогенного фактора, фактора роста эпидермиса. J Biol Chem. (1993) 268: 9803–10.

PubMed Аннотация | Google Scholar

10. Santos SDM, Verveer PJ, Bastiaens PIH. Индуцированная фактором роста топология сети MAPK формирует ответ Erk, определяющий судьбу клеток PC-12. Nat Cell Biol. (2007) 9: 324–30. DOI: 10.1038 / ncb1543

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

12.Хоффманн А., Левченко А., Скотт М.Л., Балтимор Д. Сигнальный модуль IκB-NF-κB: временной контроль и селективная активация генов. Наука. (2002) 298: 1241–5. DOI: 10.1126 / science.1071914

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

13. Nelson DE, Ihekwaba AEC, Elliott M, Johnson JR, Gibney CA, Foreman BE, et al. Колебания в передаче сигналов NF-κB контролируют динамику экспрессии генов. Наука. (2004) 306: 704–8. DOI: 10.1126 / наука.1099962

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

15. Лахав Г., Розенфельд Н., Сигал А., Гева-Заторски Н., Левин А. Дж., Эловиц М. Б. и др. Динамика петли обратной связи p53-Mdm2 в отдельных клетках. Nat Genet. (2004) 36: 147–50. DOI: 10.1038 / ng1293

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

17. Нандагопал Н., Сантат Л.А., ЛеБон Л., Спринзак Д., Броннер М.Э., Эловиц МБ. Динамическое различение лигандов в сигнальном пути Notch. Cell. (2018) 172: 869–880.e19. DOI: 10.1016 / j.cell.2018.01.002

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

18. Гучева М.В., Мейсон Дж. К., Лейн К. М., Мааян И., Хью Дж. Дж., Баджар Б. Т. и др. Комбинаторная обработка стимулов врожденного иммунитета бактерий и хозяев на одноклеточном уровне. Mol Biol Cell. (2019) 30: 282–92. DOI: 10.1091 / mbc.E18-07-0423

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

23.Bugaj LJ, Sabnis AJ, Mitchell A, Garbarino JE, Toettcher JE, Bivona TG, et al. Мутации рака и таргетные препараты могут нарушить кодирование динамического сигнала по пути Ras-Erk. Наука. (2018) 361: eaao3048. DOI: 10.1126 / science.aao3048

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

24. Имаёси И., Исомура А., Харима Ю., Кавагути К., Кори Х., Миячи Х. и др. Осцилляторный контроль факторов, определяющих мультипотентность и судьбу нейральных предшественников мышей. Наука. (2013) 342: 1203–8. DOI: 10.1126 / science.1242366

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

26. Чжоу X, Ван Дж, Чен Дж, Ци Й, Нан Д., Джин Л. и др. Оптогенетический контроль эпителиально-мезенхимального перехода в раковых клетках. Научный доклад (2018) 8: 14098. DOI: 10.1038 / s41598-018-32539-3

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

27. Kellogg RA, Gómez-Sjöberg R, Leyrat AA, Tay S. Высокопроизводительный микрожидкостный анализатор отдельных клеток для изучения динамики передачи сигналов. Nat Protoc. (2014) 9: 1713–26. DOI: 10.1038 / nprot.2014.120

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

28. Ryu H, Chung M, Dobrzyński M, Fey D, Blum Y, Sik Lee S. и др. Частотная модуляция динамики активации ERK изменяет судьбу клетки. Mol Syst Biol. (2015) 11: 838. DOI: 10.15252 / msb.20156458

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

29. Sonnen KF, Lauschke VM, Uraji J, Falk HJ, Petersen Y, Funk MC, et al.Модуляция сдвига фазы между сигнальными колебаниями Wnt и Notch контролирует сегментацию мезодермы. Cell. (2018) 172: 1079–1090.e12. DOI: 10.1016 / j.cell.2018.01.026

CrossRef Полный текст | Google Scholar

30. Джункин М., Кестли А.Дж., Ченг З., Хорди С., Албайрак С., Хоффманн А. и др. Высококачественная количественная оценка одноклеточной иммунной динамики. Cell Rep. (2016) 15: 411–22. DOI: 10.1016 / j.celrep.2016.03.033

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

31.Kaestli AJ, Junkin M, Tay S. Интегрированная платформа для культивирования клеток и динамической количественной оценки секреции клеток. Лабораторный чип. (2017) 17: 4124–33. DOI: 10.1039 / C7LC00839B

CrossRef Полный текст | Google Scholar

32. Lane K, Van Valen D, DeFelice MM, Macklin DN, Kudo T, Jaimovich A, et al. Измерение передачи сигналов и последовательности РНК в одной и той же клетке связывает экспрессию генов с динамическими паттернами активации NF-κB. Cell Syst. (2017) 4: 458–469.e5. DOI: 10.1016 / j.cels.2017.03.010

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

33. Лю Т., Ямагути Ю., Ширасаки Ю., Шикада К., Ямагиши М., Хосино К. и др. Одноклеточная визуализация динамики каспазы-1 выявляет полную или нулевую сигнальную реакцию инфламмасомы. Cell Rep. (2014) 8: 974–82. DOI: 10.1016 / j.celrep.2014.07.012

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

34. Кудо Т., Йекнич С., Маклин Д. Н., Ахтер С., Хью Дж. Дж., Регот С. и др.Измерение активности киназы на живых клетках в отдельных клетках с использованием репортеров транслокации. Nat Protoc. (2018) 13: 155–69. DOI: 10.1038 / nprot.2017.128

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

35. Lane K, Andres-Terre M, Kudo T, Monack DM, Covert MW. Возрастающие уровни угрозы бактериальной инфекции можно различить по разной динамике передачи сигналов MAPK и NF-κB в отдельных клетках-хозяевах. Cell Syst. (2019) 8: 183–96. DOI: 10.1016 / j.cels.2019.02.008

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

36. Мураи С., Ямагути Ю., Ширасаки Ю., Ямагиши М., Шиндо Р., Хильдебранд Дж. М. и др. Биосенсор FRET для некроптоза обнаруживает два разных режима высвобождения DAMP. Nat Commun. (2018) 9: 4457. DOI: 10.1038 / s41467-018-06985-6

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

37. Регот С., Хьюджи Дж. Дж., Баджар Б.Т., Карраско С., Тайный М.В. Высокочувствительные измерения активности нескольких киназ в живых одиночных клетках. Cell. (2014) 157: 1724–34. DOI: 10.1016 / j.cell.2014.04.039

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

38. Стюарт-Орнштейн Дж., Лахав Г. Динамика CDKN1A в отдельных клетках, определяемая с помощью инструментария эндогенного флуоресцентного мечения. Cell Rep. (2016) 14: 1800–11. DOI: 10.1016 / j.celrep.2016.01.045

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

39. Strasen J, Sarma U, Jentsch M, Bohn S, Sheng C, Horbelt D, et al.Клеточно-специфические ответы на цитокин TGFβ определяются вариабельностью уровней белка. Mol Syst Biol. (2018) 14: e7733. DOI: 10.15252 / msb.20177733

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

40. Yissachar N, Fischler TS, Cohen AA, Reich-Zeliger S, Russ D, Shifrut E, et al. Разнообразие динамического ответа изоформ NFAT в индивидуальных живых клетках. Mol Cell. (2013) 49: 322–30. DOI: 10.1016 / j.molcel.2012.11.003

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

41.Чжан Кью, Хуанг Х., Чжан Л., Ву Р., Чунг Си-И, Чжан С.-Кью и др. Визуализация динамики передачи сигналов клеток in vivo с киназным репортером на основе фазового разделения. Mol Cell. (2018) 69: 334–346.e4. DOI: 10.1016 / j.molcel.2017.12.008

CrossRef Полный текст | Google Scholar

42. Tsai TY-C, Theriot JA, Ferrell JE Jr. Изменения колебательной динамики в клеточном цикле ранних эмбрионов Xenopus laevis . PLoS Biol. (2014) 12: e1001788. DOI: 10.1371 / journal.pbio.1001788

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

43. Вернер С.Л., Баркен Д., Хоффманн А. Стимул-специфичность программ экспрессии генов, определяемая временным контролем активности IKK. Наука. (2005) 309: 1857–61. DOI: 10.1126 / science.1113319

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

44. Радж А., ван ден Богаард П., Рифкин С.А., ван Ауденаарден А., Тиаги С. Визуализация отдельных молекул мРНК с использованием нескольких однозначно меченых зондов. Нат. Методы. (2008) 5: 877–9. DOI: 10.1038 / nmeth.1253

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

46. Крачикова М., Акири Г., Джордж А., Сачиданандам Р., Ааронсон С.А. Пороговый механизм опосредует решение о судьбе клеток р53 между остановкой роста и апоптозом. Cell Death Differ. (2013) 20: 576–88. DOI: 10.1038 / cdd.2012.155

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

49. Lee REC, Qasaimeh MA, Xia X, Juncker D, Gaudet S.Передача сигналов NF-κB и решение судьбы клеток в ответ на короткий импульс фактора некроза опухоли. Научный доклад (2016) 6: 39519. DOI: 10.1038 / srep39519

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

50. Tian B, Nowak DE, Jamaluddin M, Wang S, Brasier AR. Идентификация прямых геномных мишеней ниже ядерного фактора транскрипции κB, опосредующего передачу сигналов фактора некроза опухоли. J Biol Chem. (2005) 280: 17435–48. DOI: 10.1074 / JBC.M500437200

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

52. Чен Р.Э., Торнер Дж. Функция и регуляция сигнальных путей MAPK: уроки, извлеченные из дрожжей Saccharomyces cerevisiae . Biochim Biophys Acta. (2007) 1773: 1311–40. DOI: 10.1016 / j.bbamcr.2007.05.003

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

54. Конлон П., Гелин-Лихт Р., Ганесан А., Чжан Дж., Левченко А. Одноклеточная динамика и вариабельность активности MAPK в пути дифференцировки дрожжей. Proc Natl Acad Sci USA. (2016) 113: E5896 – E5905. DOI: 10.1073 / pnas.1610081113

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

55. Ванс Р.Э., Исберг Р.Р., Портной Д.А. Паттерны патогенеза: различение патогенных и непатогенных микробов системой врожденного иммунитета. Клеточный микроб-хозяин. (2009) 6: 10–21. DOI: 10.1016 / j.chom.2009.06.007

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

57. Сакауэ-Савано А., Курокава Х., Моримура Т., Ханю А., Хама Х., Осава Х. и др.Визуализация пространственно-временной динамики развития многоклеточного клеточного цикла. Cell. (2008) 132: 487–98. DOI: 10.1016 / j.cell.2007.12.033

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

58. Albeck JG, Mills GB, Brugge JS. Частотно-модулированные импульсы активности ERK передают количественные сигналы пролиферации. Mol Cell. (2013) 49: 249–61. DOI: 10.1016 / j.molcel.2012.11.002

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

59.Пиччинини Ф., Баласса Т., Скалисити А., Мольнар С., Пааволайнен Л., Куяла К. и др. Расширенный классификатор клеток: удобное программное обеспечение на основе машинного обучения для обнаружения фенотипов в данных визуализации с высоким содержанием. Cell Syst. (2017) 4: 651–655.e5. DOI: 10.1016 / j.cels.2017.05.012

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

60. Cheong R, Rhee A, Wang CJ, Nemenman I, Levchenko A. Способность передачи информации зашумленными биохимическими сигнальными сетями. Наука. (2011) 334: 354–8. DOI: 10.1126 / science.1204553

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

61. Lee REC, Walker SR, Savery K, Frank DA, Gaudet S. Кратковременное изменение ядерного NF-κB определяет TNF-индуцированную транскрипцию в отдельных клетках. Mol Cell. (2014) 53: 867–79. DOI: 10.1016 / j.molcel.2014.01.026

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

62. Вонг В.К., Мэтью С., Рамджи Р., Годе С., Миллер-Дженсен К.Обнаружение складчатости NF-κB в генах-мишенях с разными выходами транскриптов. Biophys J. (2019) 116: 709–24. DOI: 10.1016 / j.bpj.2019.01.011

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

67. Хо Й.-К, Шан Л., Хосман Н. Н., Ван Дж., Ласки С. Б., Розенблум ДИС и др. Компетентные к репликации неиндуцированные провирусы в латентном резервуаре повышают барьер на пути лечения ВИЧ-1. Cell. (2013) 155: 540–51. DOI: 10.1016 / j.cell.2013.09.020

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

68.Wong VC, Bass VL, Elise Bullock M, Chavali AK, Lee REC, Mothes W. и др. Взаимодействия NF-κB-хроматина управляют разнообразными фенотипами, модулируя шум транскрипции. Cell Rep. (2018) 22: 585–99. DOI: 10.1016 / j.celrep.2017.12.080

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

70. Ли Т.К., Денни Е.М., Сангви Дж. К., Гастон Дж. Э., Мейнард Н. Д., Хью Дж. Дж. И др. Шумный паракринный сигнал определяет клеточный ответ NF-κB на липополисахарид. Sci Signal. (2009) 2: ra65. DOI: 10.1126 / scisignal.2000599

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

71. Сун М-Х, Ли Н, Лао К., Готтшалк Р.А., Хагер Г.Л., Фрейзер IDC. Переключение относительного доминирования между механизмами обратной связи в индуцированной липополисахаридом передаче сигналов NF-κB. Sci Signal. (2014) 7: ra6. DOI: 10.1126 / scisignal.2004764

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

73. Bahrami-Nejad Z, Zhao ML, Tholen S, Hunerdosse D, Tkach KE, van Schie S, et al.Контур транскрипции фильтрует колеблющиеся циркадные гормональные сигналы для регулирования дифференцировки жировых клеток. Cell Metab. (2018) 27: 854–868.e8. DOI: 10.1016 / j.cmet.2018.03.012

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

74. Mackeigan JP, Murphy LO, Dimitri CA, Blenis J. Постепенная активность митоген-активируемой протеинкиназы предшествует индукции подобного переключателю c-Fos в клетках млекопитающих. Mol Cell Biol. (2005) 25: 4676–82. DOI: 10.1128 / MCB.25.11.4676-4682.2005

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

75. Мерфи Л.О., Смит С., Чен Р.Х., Фингар Д.К., Бленис Дж. Молекулярная интерпретация продолжительности сигнала ERK продуктами непосредственных ранних генов. Nat Cell Biol. (2002) 4: 556–64. DOI: 10.1038 / ncb822

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

76. Накакуки Т., Биртвистл М.Р., Саэки Ю., Юмото Н., Иде К., Нагашима Т. и др. Лиганд-специфическая экспрессия c-Fos возникает из пространственно-временного контроля динамики сети ErbB. Cell. (2010) 141: 884–96. DOI: 10.1016 / j.cell.2010.03.054

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

77. Kwong LN, Costello JC, Liu H, Jiang S, Helms TL, Langsdorf AE, et al. Передача онкогенных сигналов NRAS по-разному регулирует выживаемость и пролиферацию при меланоме. Nat Med. (2012) 18: 1503–10. DOI: 10,1038 / нм.2941

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

78. Гиллис Т.Э., Паргетт М., Минге М., Дэвис А.Е., Олбек Дж. Г..Линейная интеграция активности ERK преобладает над обнаружением персистенции в регуляции Fra-1. Cell Syst. (2017) 5: 549–563.e5. DOI: 10.1016 / j.cels.2017.10.019

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

82. Бинту Л., Йонг Дж., Антеби Ю.Е., МакКью К., Казуки Ю., Уно Н. и др. Динамика эпигенетической регуляции на одноклеточном уровне. Наука. (2016) 351: 720–4. DOI: 10.1126 / science.aab2956

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

83.Badeaux AI, Shi Y. Новые роли хроматина как платформы для интеграции и хранения сигналов. Nat Rev Mol Cell Biol. (2013) 14: 211–24. DOI: 10.1038 / nrm3545

CrossRef Полный текст | Google Scholar

84. Репина Н.А., Розенблум А., Мукерджи А., Шаффер Д.В., Кейн Р.С. Со скоростью света: достижения в области оптогенетических систем для регулирования передачи сигналов и поведения клеток. Анну Рев Хем Биомол Рус . (2017) 8: 13–39. DOI: 10.1146 / annurev-chembioeng-060816-101254

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

85.Рост Б.Р., Шнайдер-Варм Ф., Шмитц Д., Хегеманн П. Оптогенетические инструменты для субклеточных приложений в нейробиологии. Нейрон. (2017) 96: 572–603. DOI: 10.1016 / j.neuron.2017.09.047

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

87. Левская А, Вайнер О.Д., Лим Ва, Фойгт CA. Пространственно-временной контроль клеточной передачи сигналов с использованием переключаемого светом белкового взаимодействия. Природа. (2009) 461: 997–1001. DOI: 10.1038 / nature08446

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

88.Toettcher JE, Weiner OD, Lim WA. Использование оптогенетики для исследования динамического контроля передачи сигнала модулем Ras / Erk. Cell. (2013) 155: 1422–34. DOI: 10.1016 / j.cell.2013.11.004

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

89. Аоки К., Кумагаи Ю., Сакураи А., Комацу Н., Фудзита Ю., Шионю С. и др. Стохастическая активация ERK, индуцированная шумом и распространением от клетки к клетке, регулирует пролиферацию, зависящую от плотности клеток. Mol Cell. (2013) 52: 529–40.DOI: 10.1016 / j.molcel.2013.09.015

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

90. О’Бэнион С.П., Пристман М.А., Хьюз Р.М., Херринг Л.Е., Капуцци С.Дж., Лоуренс Д.С. Дизайн и профилирование субклеточной целевой оптогенетической цАМФ-зависимой протеинкиназы. Cell Chem Biol. (2018) 25: 100–109.e8. DOI: 10.1016 / j.chembiol.2017.09.011

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

93. Пак Х, Ким Нью-Йорк, Ли С., Ким Н., Ким Дж, Хео В.Д.Оптогенетическая кластеризация белков посредством флуоресцентной маркировки белков и удлинения CRY2. Nat Commun. (2017) 8:30. DOI: 10.1038 / s41467-017-00060-2

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

94. Таслими А., Врана Дж. Д., Чен Д., Боринская С., Майер Б. Дж., Кеннеди М. Дж. И др. Оптимизированный инструмент оптогенетической кластеризации для исследования взаимодействия и функции белков. Nat Commun. (2014) 5: 4925. DOI: 10.1038 / ncomms5925

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

95.Алапин Ю.М., Динес М., Васильев М., Тамир Т., Рам А., Локк С. и др. Активация прямой передачи сигналов EphB2 усиливает консолидацию памяти. Cell Rep. (2018) 23: 2014–25. DOI: 10.1016 / j.celrep.2018.04.042

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

96. Эндо М., Хаттори М., Ториябе Х., Оно Х., Камигучи Х., Иино Й. и др. Оптогенетическая активация рецепторов наведения аксонов контролирует направление роста нейритов. Научный доклад (2016) 6: 23976. DOI: 10.1038 / srep23976

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

97. Fischer A, Warscheid B, Weber W, Radziwill G. Оптогенетическая кластеризация CNK1 раскрывает механистические взгляды на передачу сигналов RAF и AKT, контролирующих решения о судьбе клеток. Научный доклад (2016) 6: 38155. DOI: 10.1038 / srep38155

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

98. Ким Н., Парк Х, Ву Д., До Хео В. Создание светоиндуцируемых рецепторных тирозинкиназ.В: Вриз С., Одзава Т., редакторы. Оптогенетика: световые приводы и светоизлучающие датчики в клеточной биологии. Лондон: Королевское химическое общество (2018). п. 181–96.

Google Scholar

99. Kyung T, Lee S, Kim JE, Cho T, Park H, Jeong Y-M и др. Оптогенетический контроль эндогенных каналов Ca ²⁺ in vivo . Nat Biotechnol. (2015) 33: 1092–6. DOI: 10.1038 / NBT.3350

CrossRef Полный текст | Google Scholar

103.Cosentino C, Alberio L, Gazzarrini S, Aquila M, Romano E, Cermenati S и др. Проектирование светозатворного калиевого канала. Наука. (2015) 348: 707–10. DOI: 10.1126 / science.aaa2787

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

104. Гериг С., Макферсон Дж. А., Дрисколл П. К., Саймон А., Мартин С. Р., Макрей Дж. И. и др. Сконструированная фотопереключаемая пируваткиназа млекопитающих. FEBS J. (2017) 284: 2955–80. DOI: 10.1111 / febs.14175

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

105.Oakes PW, Wagner E, Brand CA, Probst D, Linke M, Schwarz US, et al. Оптогенетический контроль RhoA выявляет опосредованную циксином эластичность стрессовых волокон. Nat Commun. (2017) 8: 15817. DOI: 10.1038 / ncomms15817

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

106. Wu YI, Frey D, Lungu OI, Jaehrig A, Schlichting I., Kuhlman B, et al. Генетически кодируемый фотоактивируемый Rac контролирует подвижность живых клеток. Природа. (2009) 461: 104–8. DOI: 10.1038 / природа08241

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

107. Ханнанта-Анан П., Чоу Б. Оптогенетический контроль формы колебаний кальциевых колебаний определяет NFAT как интегратор кальциевой нагрузки. Cell Syst. (2016) 2: 283–8. DOI: 10.1016 / j.cels.2016.03.010

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

109. ДеРоуз Р., Миямото Т., Иноуэ Т. Управление передачей сигналов по желанию: методы химически индуцибельной димеризации (CID) решают проблемы клеточной биологии. Pflügers Arch. (2013) 465: 409–17. DOI: 10.1007 / s00424-012-1208-6

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

110. Иноуэ Т., Хео В.Д., Гримли Дж. С., Wandless TJ, Мейер Т. Стратегия индуцибельной транслокации для быстрой активации и ингибирования малых путей передачи сигналов GTPase. Нат. Методы. (2005) 2: 415–8. DOI: 10.1038 / nmeth763

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

113. Zhang Z-B, Wang Q-Y, Ke Y-X, Liu S-Y, Ju J-Q, Lim WA и др.Разработка настраиваемой колебательной динамики в синтетической сигнальной цепи NF-κB. Cell Syst. (2017) 5: 460–470.e5. DOI: 10.1016 / j.cels.2017.09.016

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

114. Weigle DS, Koerker DJ, Goodner CJ. Пульсирующая доставка глюкагона увеличивает выработку глюкозы перифузированными гепатоцитами крысы. Am J Physiol Endoc M. (1984) 247: E564 – E568. DOI: 10.1152 / ajpendo.1984.247.4.E564

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

118.Тай С., Хью Дж. Дж., Ли Т.К., Липняцки Т., Quake SR, Covert MW. Динамика одноклеточного NF-κB обнаруживает цифровую активацию и аналоговую обработку информации. Природа. (2010) 466: 267–71. DOI: 10.1038 / nature09145

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

119. Hansen AS, O’Shea EK. Промоторное декодирование динамики факторов транскрипции предполагает компромисс между шумом и контролем экспрессии генов. Mol Syst Biol. (2013) 9: 704. DOI: 10,1038 / msb.2013,56

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

121. Hansen AS, O’Shea EK. Кодирование четырех программ экспрессии генов в динамике активации одного фактора транскрипции. Curr Biol. (2016) 26: R269–71. DOI: 10.1016 / j.cub.2016.02.058

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

123. Chen KH, Boettiger AN, Moffitt JR, Wang S, Zhuang X. Пространственно разрешенное, высоко мультиплексированное профилирование РНК в отдельных клетках. Наука. (2015) 348: eaaa6090. DOI: 10.1126 / science.aaa6090

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

125. Нагендран М., Риордан Д.П., Харбери ПБ, Десаи Т.Дж. Автоматическая классификация типов клеток в интактных тканях путем молекулярного профилирования отдельных клеток. Элиф. (2018) 7: e30510. DOI: 10.7554 / eLife.30510

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

126. Набхан А.Н., Браунфилд Д.Г., Харбери ПБ, Краснов М.А., Десаи Т.Дж.Одноклеточные сигнальные ниши Wnt поддерживают стволовые клетки альвеолярного типа 2. Наука. (2018) 359: 1118–23. DOI: 10.1126 / science.aam6603

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

127. Rouhanifard SH, Mellis IA, Dunagin M, Bayatpour S, Jiang CL, Dardani I, et al. ClampFISH обнаруживает отдельные молекулы нуклеиновых кислот с помощью амплификации на основе химии щелчков. Nat Biotechnol. (2018) 37: 84–9. DOI: 10.1038 / NBT.4286

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

128.Лин Дж.Р., Фаллахи-Сичани М., Соргер П.К. Высоко мультиплексная визуализация отдельных клеток с использованием высокопроизводительного метода циклической иммунофлуоресценции. Nat Commun. (2015) 6: 8390. DOI: 10.1038 / ncomms9390

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

129. Лин Дж.Р., Изар Б., Мей С., Ван С., Шах П., Япп С. и др. Высоко мультиплексная иммунофлуоресцентная визуализация тканей и опухолей человека с использованием t-CyCIF и обычных оптических микроскопов. Элиф. (2018) 7: e31657.DOI: 10.7554 / eLife.31657

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

131. Гольцев Ю., Самусик Н., Кеннеди-Дарлинг Дж., Бхате С., Хейл М., Васкес Дж. И др. Глубокое профилирование архитектуры селезенки мыши с помощью мультиплексной визуализации CODEX. Cell. (2018) 174: 968–81. DOI: 10.1016 / j.cell.2018.07.010

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

133. Боденмиллер Б., Зундер Э.Р., Финк Р., Чен Т.Дж., Савиг Е.С., Бруггнер Р.В. Мультиплексная массовая цитометрия профилей клеточных состояний, нарушенных регуляторами малых молекул. Нат Биотехнолог . (2012) 30: 858–67. DOI: 10.1038 / NBT.2317

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

135. Giesen C, Wang HAO, Schapiro D, Zivanovic N, Jacobs A, Hattendorf B и др. Мультиплексная визуализация опухолевых тканей с субклеточным разрешением методом массовой цитометрии. Нат. Методы. (2014) 11: 417–22. DOI: 10.1038 / Nmeth.2869

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

136. Керен Л., Боссе М., Маркес Д., Ангоштари Р., Джайн С., Варма С. и др.Структурированное опухолево-иммунное микроокружение при тройном негативном раке молочной железы, выявленное методом мультиплексной ионно-лучевой визуализации. Cell. (2018) 174: 1373–87. DOI: 10.1016 / j.cell.2018.08.039

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

137. Schulz D, Zanotelli VRT, Fischer JR, Schapiro D, Engler S, Lun X-K, et al. Одновременная мультиплексная визуализация мРНК и белков с субклеточным разрешением в образцах ткани рака молочной железы методом массовой цитометрии. Клеточная система .(2018) 6: 25–36. DOI: 10.1016 / j.cels.2017.12.001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

138. Шен В., Чжоу М., Ян Ф, Ян С., Тиан Дж. Многомасштабные сверточные нейронные сети для классификации легочных узлов. В: Ourselin S, Alexander D, Westin CF, Cardoso M, editors . Обработка информации в медицинской визуализации. Чам: Springer (2015). п. 588–99.

PubMed Аннотация | Google Scholar

139. Ван Х., Круз-Роа А., Басаванхалли А., Гилмор Х., Ши Н., Фельдман М. и др.Обнаружение митоза на изображениях патологии рака молочной железы путем объединения созданных вручную и сверточных нейронных сетей. J Med Imaging. (2014) 1: 034003. DOI: 10.1117 / 1.JMI.1.3.034003

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

140. Chen X, Xu Y, Kee Wong DW, Wong TY, Liu J. Обнаружение глаукомы на основе глубокой сверточной нейронной сети. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. (2015) 2015: 715–8. DOI: 10.1109 / EMBC.2015.7318462

CrossRef Полный текст | Google Scholar

141.Ван Вален Д.А., Кудо Т., Лейн К.М., Маклин Д.Н., Квач Н.Т., ДеФелис М.М. и др. Глубокое обучение автоматизирует количественный анализ отдельных клеток в экспериментах по визуализации живых клеток. PLoS Comput Biol. (2016) 12: e1005177. DOI: 10.1371 / journal.pcbi.1005177

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

142. Кристиансен Е.М., Янг С.Дж., Андо Д.М., Джавахериан А., Скибински Г., Липник С. и др. In silico маркировка: прогнозирование флуоресцентных меток в немаркированных изображениях. Cell. (2018) 173: 792–803.e19. DOI: 10.1016 / j.cell.2018.03.040

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

143. Фальк Т., Май Д., Бенш Р., Чичек О, Абдулкадир А., Марракчи Ю. и др. U-Net: глубокое обучение для подсчета, обнаружения и морфометрии клеток. Нат. Методы. (2019) 16: 67–70. DOI: 10.1038 / s41592-018-0261-2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

144. Sadanandan SK, Ranefall P, Le Guyader S, Wählby C. Автоматическое обучение глубоких сверточных нейронных сетей для сегментации ячеек. Научный доклад (2017) 7: 7860. DOI: 10.1038 / s41598-017-07599-6

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

146. Сун М-Х, Багаин Л., Чен З., Карпова Т., Ян Х, Сильвин С. и др. Динамическое влияние бортезомиба на активность ядерного фактора-κB и экспрессию гена в опухолевых клетках. Мол Фармакол . (2008) 74: 1215–22. DOI: 10.1124 / моль. 108.049114

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Как раковые клетки часто посылают неверные сигналы

Человеческое тело функционирует в значительной степени благодаря миллиардам химических сигналов, передаваемых между клетками и внутри них.Здоровые клетки обмениваются сигналами, чтобы регулировать иммунную систему, помогать мышцам и органам функционировать, а также выполняют бесконечный список биологических задач. Эти сигналы также определяют, как клетки растут и делятся, и когда они закрываются, чтобы освободить место для новых, здоровых клеток (так называемый апоптоз) — критические процессы, которые определяют все, от того, как организм исцеляет колено с кожей до старения кожи и мозг обрабатывает боль.

Это постоянное общение настолько важно для здоровья и развития организма, что, когда клеточные сигналы сбиваются, вмешательство может вызвать ряд состояний или заболеваний, таких как диабет или рак.Фактически, исследователи пришли к выводу, что многие виды рака образуются, когда эти сигналы нарушаются, перенаправляются или используются для других, более вредных целей. Эти развивающиеся идеи стали ключевым направлением исследований, которые привели к появлению новой и появляющейся линии лечения рака.

По мере того, как ученые узнают больше о том, как работают клеточные сигналы и что происходит, когда они смешиваются, они обнаружили, что перехват сигналов сломанных раковых клеток может помочь организму бороться с болезнью. Некоторые лекарства, например, предназначены для блокирования сигналов, которые раковые клетки посылают, чтобы уклониться от иммунной системы.В других случаях передача сигналов раковых клеток остается загадкой и серьезным направлением будущих исследований. «Нам предстоит многое узнать о сложностях передачи сигналов клеток, уклонении от апоптоза и других механизмах роста и регуляции клеток», — говорит доктор Памела Крилли, председатель отделения медицинской онкологии в Центрах лечения рака Америки ^®. (CTCA) и заведующий отделением медицинской онкологии нашей больницы в Филадельфии. «В то же время были достигнуты важные успехи в области биологии, онкологии и иммунологии, которые могут превратить научные открытия в методы лечения.«

Получение сообщения

Клетка получает сообщения через рецепторы на своей поверхности. Рецепторы похожи на спутниковые тарелки клеток, которые получают химические сигналы через белковые молекулы или лиганды от других клеток. Когда лиганд достигает рецептора, он запускает цепную реакцию, которая позволяет сигналу проникать через поверхность клетки и достигать густой жидкости внутри, называемой цитоплазмой. Попав внутрь клетки, сообщение передается от одного фермента к другому по сигнальному пути, пока не достигнет своего пункта назначения — ядра, где находится ДНК каждой клетки.Затем ячейка выполняет инструкции, закодированные в сигнале.

В определенный день клетки тела отправляют и получают миллиарды сигналов. В некоторых раковых клетках сигналы, посылаемые для регулирования роста или инициирования апоптоза, замыкаются, что приводит к быстрому росту клеток, который может привести к опухолям. Например, рецептор 2 эпидермального фактора роста человека (HER2), обнаруженный на поверхности нормальных клеток, посылает сигналы, которые помогают клеткам расти. У некоторых пациентов с раком груди клетки производят слишком много рецепторов HER2, создавая перегрузку сигналов, которая может вызвать неконтролируемый рост.

Подавление ключевых сигналов

В то время как здоровые клетки общаются, чтобы делиться и развиваться, раковые клетки могут взять на себя эти сигнальные пути и использовать их во вред, например, чтобы помочь им расти и метастазировать. Один из самых ранних и важных сигнальных путей в организме называется «еж». Наиболее активен до рождения и в детстве, путь ежа передает разнообразный набор инструкций, которые говорят организму, как развивать и поддерживать наши органы, кожу и кости.Когда мы вступаем во взрослую жизнь, путь ежа практически отключается — если только он не включается снова раковыми клетками. Будучи активным, сигнальный путь, который когда-то помогал телу созревать, когда мы росли, теперь может использоваться для распространения опухолей. Ученые из Калифорнии связали реактивацию пути ежа с опухолями стромы желудочно-кишечного тракта, в то время как исследователи из Северной Каролины пришли к выводу, что один из сигналов, который реактивирует этот путь, «связан со многими видами рака человека, на которые приходится до 25 процентов рака человека. летальные исходы.«

Если клеточная коммуникация является ключом к развитию некоторых опухолей, ее также можно использовать для изменения поведения — и в некоторых случаях убить рак, считают ученые. Разработка лекарств, предназначенных для конкретного рецептора, лиганда или пути, лежит в основе некоторых целевых методов лечения, используемых для лечения ряда видов рака. Эти препараты предназначены для нарушения клеточной коммуникации:

• Нацелены на лиганд, чтобы он не мог связываться с рецептором. Например, бевацизумаб (Авастин®), используемый для лечения колоректального рака, рака груди, почек и немелкоклеточного рака легких, а также некоторых опухолей головного мозга, пытается предотвратить связывание определенного белка с рецептором, который запускает сигналы роста, прерывая общение, которое помогает раку расти и процветать.
• Нацелен на рецептор. Например, трастузумаб (Герцептин®), один из наиболее часто назначаемых лекарств от HER2-положительного рака молочной железы, предназначен для нацеливания на рецепторы дефектных белков HER2 и блокирования сигналов роста.
• Нацеленность на сигнальный путь внутри клетки. Когда рецептор активируется, он запускает фермент, известный как тирозинкиназа, который действует как переключатель для многих клеточных сигналов. Ингибиторы тирозинкиназы, такие как эрлотиниб (Tarceva®), используемые для лечения некоторых немелкоклеточных форм рака легких и рака поджелудочной железы, предназначены для удержания этого переключателя в выключенном положении.

  No related posts.