Поскольку большинства молекулярных мессенджеров не так много, и многие из них разрушаются во время передачи сигнала, клетка должна быстро и эффективно обновлять свой запас молекул-мессенджеров, чтобы поддерживать свои сигнальные сети. Учитывая эту необходимость, многие молекулярные мессенджеры «рециркулируют», где продукты распада сигнальной реакции реконструируются с помощью серии катализируемых ферментами реакций для воссоздания исходной молекулы мессенджера.Однако новое исследование Национального центра биологических наук (NCBS), Бангалор, теперь показывает, что регенерация мембраносвязанной молекулы-мессенджера, фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата или PIP2, не так проста, как когда-то считалось. .Математические модели подразумевают, что общепринятый «замкнутый цикл» разрушения и реконструкции PIP2 без чистого добавления или потери молекул в цикл может не соответствовать действительности.
Вместо этого вполне вероятно, что цикл PIP2 является «открытым циклом», когда продукты распада PIP2 отводятся другим биохимическим путям, а не возвращаются в петлю, которая повторно синтезирует PIP2.Работа является результатом совместных усилий групп Рагху Падинджата и Сандипа Кришны в NCBS.
В то время как группа Падинджата в основном полагается на экспериментальный подход с использованием плодовых мушек для понимания клеточной передачи сигналов, группа Кришны в Центре живых машин Саймонса в NCBS использует теоретический и модельный подход для изучения биологических явлений. Результат их совместных усилий привел к открытию, что цикл PIP2, сформулированный много десятилетий назад, не так прост и полон, как полагали исследователи.Некоторые рецепторы на поверхности клетки используют PIP2 в качестве посредника для передачи информации. Когда такие рецепторы активируются, запускается сигнальный каскад, чтобы расщепить PIP2 на два компонента — диацилглицерин (DAG) и инозитол-1,4,5-трифосфат (IP3) — оба из которых продолжают передачу информации.
После этого считалось, что DAG и IP3 возвращаются в многоступенчатый биохимический процесс для ресинтеза PIP2, образуя «замкнутый цикл» без чистой потери или добавления молекул во время процесса.Однако, когда были построены математические модели, использующие это предположение о «замкнутом цикле», исследователи обнаружили, что предсказания моделей не соответствовали экспериментальным данным.В таких моделях, если фермент, превращающий DAG в следующий промежуточный продукт в цикле PIP2, будет дефектным, можно ожидать увеличения уровней DAG.
Удивительно, но экспериментальные данные на мутантных плодовых мушках с таким дефектным ферментом не показали увеличения уровней DAG, как предполагалось.«Это было довольно неожиданно. Мы начали понимать, что, возможно, в нашем нынешнем понимании цикла PIP2 есть пробелы», — говорит Рохит Суратекар, который работал совместно с группами Кришны и Падинджата. «После дальнейшего тщательного исследования мы обнаружили, что добавление двух дополнительных реакций на двух конкретных этапах в текущем определенном цикле может фактически объяснить все данные о мутантах», — добавляет он.Из двух реакций, упомянутых Суратекаром, одна предполагает, что DAG, образующийся как продукт распада передачи сигналов PIP2, отводится в неопределенный биохимический процесс или в « сток » вместо того, чтобы направлять его на следующий этап — образование фосфатидной кислоты (PA ) — для ресинтеза PIP2.
Второй предполагает, что PA, необходимый для синтеза PIP2, приобретается из другого, еще неизвестного биохимического пути или «источника».Следовательно, традиционный «закрытый» цикл рециркуляции PIP2 теперь может потребоваться заменить «открытым» циклом, когда некоторые промежуточные продукты удаляются через «сток» и добавляются через «источник».
Одна из причин этого изменения может лежать в том факте, что ресинтез PIP2 распространяется на два разных компартмента клетки. Некоторые реакции должны происходить на мембранах эндоплазматического ретикулума, в то время как другие происходят на мембране поверхности клетки.
Поскольку PIP2, DAG и некоторые промежуточные соединения цикла являются мембраносвязанными молекулами, они не могут диффундировать через заполненную водой внутреннюю часть клетки и требуют скоординированного переноса между этими компартментами.«Предыдущие математические модели цикла PIP2 не учитывали разделенную природу клеток», — говорит Рагху Падинджат. «Наши новые модели не только учитывают то, как биохимические реакции организуются во времени, но также включают информацию о том, как эти реакции могут быть структурированы в пространстве», — добавляет он.«Непрерывное двустороннее взаимодействие между теорией и экспериментом имело решающее значение для этого открытия, а также невероятно удовлетворило нас интеллектуально», — говорит Сандип Кришна. «Ценность этого типа теоретической работы заключается в прояснении предположений, лежащих в основе нашего понимания биологической передачи сигналов и регуляции, что предполагает новые эксперименты, которые, в свою очередь, предлагают новые модели и так далее», — говорит он, добавляя, что такой подход имеет решающее значение для постановки совершенно новых вопросов, которые можно исследовать экспериментально и теоретически.«Использование моделей, основанных на старом цикле PIP2, может привести к неправильной интерпретации экспериментальных данных», — предупреждает Суратекар. «Поскольку этот сигнальный каскад участвует во многих клеточных функциях, изучение этой темы очень важно», — подчеркивает он.
Как указывает Суратекар, цикл PIP2 функционирует во многих типах клеток. У людей цикл важен для развития, правильного функционирования иммунных клеток, которые защищают организм от инфекций, и нервной ткани, которая является основой функционирования человеческого мозга. Генетические дефекты в элементах, необходимых для запуска цикла PIP2, были связаны с различными видами рака, неврологическими заболеваниями и психическими заболеваниями.
«Разработке лекарств / ингибиторов для лечения заболеваний человека часто помогает глубокое понимание биохимии, лежащей в основе функции клеток и тканей. Таким образом, четкое понимание организации цикла PIP2 может иметь решающее значение при разработке лекарств для терапии», — говорит он. Падинджат, добавив, что в будущем его группа надеется усовершенствовать свою новую математическую модель, чтобы предсказать эффекты терапевтических препаратов, которые действуют через цикл PIP2 для модификации клеточных функций.
Мукунд Таттай, преподаватель Центра Саймонса, не имеющий отношения к исследованию, комментирует: «Этот проект действительно показывает, как работает сотрудничество теории и эксперимента. Это процесс, постоянный разговор; требуется время, чтобы каждая сторона почувствовала себя комфортно. с другой.
Теоретики начинают с наименьшего количества необходимых деталей, а экспериментаторы сталкиваются со всеми деталями сразу. Что действительно похвально, так это то, как Рохиту Суратекару удалось достичь идеального баланса ».