Передача внутриклеточных сигналов

Коммуникация в клетках чрезвычайно важна, поскольку каждая клетка должна знать, что происходит с соседними, а также должна реагировать на окружающую среду подходящим образом. Например, если клетке нужно расти, делиться или распространяться, то ей необходимо получить инструкции от соседей. Находящиеся рядом клетки постоянно следят друг за другом. Это важно для многоклеточных организмов, так как очевидно, что если каждая клетка будет делать, что ей захочется, то тело не сможет работать. Все компоненты должны работать сообща, как хорошо отлаженный механизм.

Передача биологических сигналов обеспечивает это. Важность передачи сигналов подчеркивается тем, что 15% наших генов связаны с регуляцией и передачей сигналов. Как в бюрократической системе, множество компонентов контролируют небольшое количество рабочих. Это также важно, так как мы знаем, что если передача сигналов нарушается, то получаются такие болезни, как рак, нейродегенеративные заболевания, диабет — большое количество опасных болезней. Поэтому такая регуляция имеет огромное значение.

В процессе попыток выяснить механизм работы онкогенов были сделаны многие важные открытия о сигнальной системе. В области исследования сигналов сейчас проводится больше экспериментов, чем в области изучения онкогенов и рака. Тем не менее эта область зародилась при изучении онкогенов и попытках понять, какие у них функции. Если взглянуть в целом, как работают сигнальные пути, то можно увидеть, что когда поступает некий сигнал извне, сообщающий клетке, что ей нужно делать (например, поделиться), то сигнальная молекула обычно связывается с рецептором. Это может быть фактор роста или рецептор гормона роста. Затем рецептор взаимодействует с другими белками, образуя белковый комплекс. Это похоже на группировку набора белков, которые затем передают сигнал внутрь клетки. Вместо электрических сигналов клетки используют биохимические. Например, рецептор может активировать киназы, которые переносят фосфат, и тем самым регулирует работу других белков. Перенос фосфата контролирует активность других белков, то есть увеличивает или подавляет. И сигнал передается в ядро, где влияет на транскрипцию генов. Эти изменения в транскрипции переводят клетку в другое состояние, которое может означать, например, подготовку к делению, то есть синтез ДНК, рибосом, репликацию ДНК и деление.

Наше знание об этом сигнальном механизме — это только верхушка айсберга. Для чего бы мы ни пытались применить эти сети, мы сталкиваемся с грандиозной сложностью. Именно поэтому вычислительные модели стали очень важными для понимания и анализа этих сетей. Если посмотреть на компоненты такой сети, то их несколько тысяч, возможно, больше. Кроме этого, надо также учесть комбинаторные эффекты. Можно посчитать, что если вы пытаетесь понять такую сеть, то надо понять больше компонентов, чем существует молекул во Вселенной. Очевидно, что это невозможно уместить в голове, надо прибегать к сложным алгоритмам, техникам визуализации. Поэтому в будущем мы увидим гораздо более тесное сотрудничество между биологией и дисциплинами, связанными с вычислениями. С другой стороны, мы увидим появление лекарств, которые управляют сетями, а не просто бьют по определенным целям. Они будут управлять сетями более эффективным способом с лучшим терапевтическим результатом и меньшими побочными эффектами.