«Ras — это семейство заякоренных в мембране белков, активация которых является критическим этапом в передаче сигналов в клетке, но почти все, что мы знаем о том, как активируются сигналы Ras, было получено из массовых анализов в растворе или в живых клетках, в которых информация о теряется роль мембранной среды и всего, что касается вариаций между отдельными молекулами », — говорит Джей Гроувс, химик из отдела физических биологических наук лаборатории Беркли и отдела химии Калифорнийского университета в Беркли. «Используя платформу с поддерживаемыми мембранами, мы смогли провести исследования активации Ras в мембранной среде с отдельными молекулами и открыть удивительный новый механизм, с помощью которого передача сигналов Ras активируется белками Son of Sevenless (SOS)».Гровс, который также является исследователем Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI), является автором статьи в Science, в которой сообщается об этом открытии.
Статья озаглавлена «Активация Ras посредством SOS: аллостерическая регуляция измененной динамикой колебаний». Ведущими авторами были Ларс Иверсен и Сюн-Лин Ту, оба члены исследовательской группы Гроувса на момент исследования.Клеточные сигнальные сети живых клеток начинаются с рецепторных белков, находящихся на поверхности клетки, которые обнаруживают окружающую среду и взаимодействуют с ней. Сигналы от этих рецепторов передаются в химические сети внутри клетки, которые обрабатывают поступающую информацию, принимают решения и направляют последующую клеточную деятельность.
«Хотя сотовые сети передачи сигналов выполняют логические операции, как микропроцессоры компьютера, они не работают таким же образом», — говорит Гровс. «Отдельные этапы вычислений в стандартном компьютере являются детерминированными; результат определяется входными данными. Однако для химических реакций, составляющих клеточную сигнальную сеть, результаты молекулярного уровня определяются только вероятностями.
Это означает, что один и тот же вход может приводят к разным результатам ".Для клеточных сигнальных сетей, включающих большое количество белковых молекул, результат может быть напрямую определен процессом усреднения. Несмотря на то, что поведение отдельного белка по своей сути изменчиво, среднее поведение большой группы идентичных белков точно определяется вероятностями молекулярного уровня. Однако активация Ras в живой клетке включает относительно небольшое количество молекул SOS, что делает невозможным усреднение изменчивого поведения отдельных молекул.
Это изменение называется стохастическим «шумом» и широко рассматривается учеными как ошибка, которую клетка должна преодолеть.«Наше исследование показало, что на самом деле важный аспект сигнала SOS, который активирует Ras, закодирован в шуме», — говорит Гровс. «Динамические колебания белка между различными состояниями активности передают информацию, что означает, что мы обнаружили регуляторную связь в сигнальной реакции белка, которая полностью основана на динамике, без каких-либо следов сигнала, наблюдаемого в среднем поведении».Рас загадкаБелки Ras являются важными компонентами сигнальных сетей, которые контролируют клеточную пролиферацию, дифференциацию и выживание.
Мутации в генах Ras были первыми специфическими генетическими изменениями, связанными с раком человека, и в настоящее время считается, что почти треть всех раковых заболеваний человека может быть связана с чем-то неправильным с активацией Ras. Дефектная передача сигналов Ras также упоминается как фактор, способствующий развитию других заболеваний, включая диабет, иммунологические и воспалительные нарушения.
Несмотря на эту долгую историю признанной ассоциации с раком и другими заболеваниями, белки Ras были названы «не поддающимися лечению» в основном из-за того, что механизм их активации плохо изучен.Препятствием на пути к пониманию передачи сигналов Ras является то, что мембраны, к которым прикреплены Ras белки, играют главную роль в их активации посредством факторов обмена SOS. В свою очередь, считалось, что активность SOS аллостерически регулируется посредством взаимодействия белков и мембран, но это было выведено из клеточных биологических исследований, а не прямых наблюдений. Для лучшего понимания того, как регулируется активация Ras с помощью SOS, ученым необходимо наблюдать отдельные молекулы SOS, взаимодействующие с Ras в мембранной среде.
Однако мембранные среды традиционно представляли серьезную экспериментальную проблему.Гровс и его исследовательская группа преодолели эту проблему с помощью разработки поддерживаемых мембранных массивов, построенных из липидных слоев, встроенных в фиксированные образцы металлических наноструктур и собранных на подложке из диоксида кремния. Металлические структуры позволяют контролировать расстояние между белками и другими клеточными молекулами, размещенными на мембранах.
Это позволяет мембранам служить платформой для анализов, которые можно использовать для наблюдения в реальном времени за активностью отдельных молекул.«В этом случае поддерживаемая нами мембрана позволила нам загнать отдельные молекулы SOS в нанотехнологические участки, которые захватили все связанные с мембраной молекулы Ras, которые они активировали», — говорит Гровс. «Это, в свою очередь, позволило нам отслеживать индивидуальный вклад каждой молекулы в ансамбле и выявить, как динамические переходы отдельных молекул кодируют информацию, которая в среднем теряется».Сотрудничество обнаружило, что регулирование SOS основано на динамике различных стохастических флуктуаций между различными состояниями активности, которые длятся примерно 100 секунд, но не отображаются в средних значениях ансамбля. Эти долгоживущие колебания обеспечивают механизм аллостерической регуляции SOS и активации Ras.
«Аллостерическая регуляция SOS, выведенная из клеточных биологических и биохимических исследований в целом, явно отсутствует в прямых исследованиях отдельных молекул», — говорит Гровс. «Это означает, что что-то, что предполагалось существовать, оказалось отсутствующим, когда мы провели эксперимент, который явно измерил это. Динамические флуктуации, которые мы наблюдали внутри системы, коррелировали с ожидаемой аллостерической регуляцией, и последующее теоретическое моделирование подтвердило, что такие стохастические флуктуации могут давать подняться до известных объемных эффектов ".Понимание роли стохастических динамических флуктуаций как механизмов передачи сигналов для белков Ras может указать путь к новым и эффективным методам лечения рака, вызванного Ras, и других клеточных нарушений. В своей научной статье соавторы также выражают уверенность в том, что обнаруженный ими механизм динамических флуктуаций не является уникальным для белков Ras, но может быть применим к широкому спектру других клеточных сигнальных белков.
«Причина, по которой об этом механизме не сообщалось ранее, заключается в том, что ни один предыдущий эксперимент не мог его выявить», — говорит Гроувс. "Все предыдущие эксперименты с этой системой — и большинство других, если на то пошло — основывались на усредненном поведении. Только измерения одной молекулы, которые позволяют рассматривать все молекулы в системе, способны выявить этот тип эффекта, который, как мы думаем, может оказались очень важными для функционирования сигнальных систем живых клеток ».
Другими соавторами научной статьи были Ван-Чен Линь, Ребекка Пети, Скотт Хансен, Питер Тилль и Кристофер Роудс из Калифорнийского университета в Беркли; Джефф Ивиг и Джоди Гуреаско, HHMI; Суне Кристенсен и Димитриос Стаму, Копенгагенский университет; Стивен Абель, Университет Теннесси; Хун-Джен Ву, штат Техас, АМ; Ченг-Хан Ю, Национальный университет Сингапура; Аруп Чакраборти, Массачусетский технологический институт; и Джон Куриян, который также работает совместно с Berkeley Lab, Калифорнийским университетом в Беркли и HHMI. Это исследование в первую очередь было поддержано Национальными институтами здравоохранения и опиралось на сотрудничество с Институтом механобиологии в Сингапуре в рамках Образовательного альянса по исследованиям Беркли в Сингапуре и сингапурской программой CREATE.