Ряд биохимических переключателей контролируют переходы между различными фазами клеточного цикла и внутри них. Клеточный цикл представляет собой серию сложных, упорядоченных, последовательных событий, которые контролируют деление одной клетки на две клетки и включают в себя несколько различных фаз. Фазы включают фазы G1 и G2, репликацию ДНК или S-фазу, а также фактический процесс клеточного деления, митоза или М-фазуMorgan D. (2006), The Cell Cycle: Principles of Control, OUP/New Science Press. Во время М-фазы хромосомы расходятся и происходит цитокинез.
Переключатели поддерживают упорядоченное развитие клеточного цикла и действуют как контрольные точки, гарантирующие правильное завершение каждой фазы перед переходом к следующей фазе. Например, Cdk, или циклинзависимая киназа, является главным регулятором клеточного цикла и позволяет клетке переходить от G1 к S или от G2 к M путем добавления фосфата к белковым субстратам. Было показано, что такие многокомпонентные (с участием множества взаимосвязанных белков) переключатели генерируют решительные, надежные (и потенциально необратимые) переходы и запускают стабильные колебания. В результате они являются предметом активных исследований, пытающихся понять, как такие сложные свойства связаны с системами биологического контроля.
Петли обратной связи
Многие биологические цепи производят сложные выходные данные, используя одну или несколько петель обратной связи. В последовательности биохимических событий обратная связь будет относиться к нижестоящему элементу последовательности (B на соседнем изображении), влияющему на некоторый восходящий компонент (A на соседнем изображении), чтобы повлиять на его собственное производство или активацию (выход) в будущем. Если этот элемент действует, чтобы увеличить свой собственный результат, то он участвует в положительной обратной связи (синяя стрелка). Петля положительной обратной связи также известна как самоусиливающаяся петля, и вполне возможно, что эти петли могут быть частью более крупной петли, поскольку это характерно для регулирующих цепей.
И наоборот, если этот элемент приводит к собственному торможению через вышестоящие элементы, это канонически отрицательная обратная связь (красная тупая стрелка). Петля отрицательной обратной связи также известна как уравновешивающая петля, и часто можно увидеть колебания, в которых задержанный сигнал отрицательной обратной связи используется для поддержания гомеостатического баланса в системе.
Петли обратной связи могут использоваться для усиления (положительные) или самокоррекции (отрицательные). Правильное сочетание положительных и отрицательных обратных связей может генерировать сверхчувствительность и бистабильность , что, в свою очередь, может генерировать решающие переходы и колебания.
Сочетание положительной и отрицательной обратной связи Петли положительной и отрицательной обратной связи не всегда работают четко. В механизме биохимических переключателей они работают вместе, создавая гибкую систему. Например, согласно Pfeuty & Kaneko (2009), чтобы преодолеть недостаток биохимических систем, петли регуляции положительной обратной связи могут взаимодействовать с петлями отрицательной регуляции, чтобы облегчить выход из стабильных состояний. Сосуществование двух стабильных состояний известно как бистабильность, которая часто является результатом регулирования с положительной обратной связью.
Примером, выявляющим взаимодействие множественных отрицательных и положительных петель обратной связи, является активация циклинзависимых протеинкиназ, или Cdks14. Петли положительной обратной связи играют роль, переключая клетки с низкой на высокую активность Cdk. Взаимодействие между двумя типами петель проявляется в митозе. В то время как положительная обратная связь инициирует митоз, петля отрицательной обратной связи способствует инактивации циклинзависимых киназ комплексом, стимулирующим анафазу. Этот пример ясно показывает комбинированные эффекты положительной и отрицательной обратной связи на регуляцию клеточного цикла.
Ультрачувствительность Реакция «все или ничего» на раздражитель называется сверхчувствительностью. Другими словами, очень небольшое изменение стимула вызывает очень большое изменение реакции, создавая сигмоидальную кривую доза-реакция. Сверхчувствительный отклик описывается общим уравнением V = Sn /(Sn + Km), известным как уравнение Хилла, когда n, коэффициент Хилла, больше 1. Крутизна сигмоидальной кривой зависит от значения n. Значение n = 1 дает гиперболический или михаэлевский отклик. Ультрачувствительность достигается в различных системах; примечательным примером является кооперативное связывание гемоглобина фермента с его субстратом. Поскольку сверхчувствительная реакция является почти «цифровой», её можно использовать для усиления реакции на стимул или для резкого резкого перехода (между состояниями «выключено» и «включено»).
Ультрачувствительность играет большую роль в регуляции клеточного цикла. Например, Cdk1 и Wee1 являются регуляторами митоза и способны инактивировать друг друга посредством ингибирующего фосфорилирования. Это представляет собой двойную петлю отрицательной обратной связи, в которой оба регулятора инактивируют друг друга. Согласно Киму и др. (2007), должен быть сверхчувствительный элемент, чтобы генерировать бистабильный отклик. Оказалось, что Wee1 обладает сверхчувствительным ответом на Cdk1, и это, вероятно, возникает из-за конкуренции субстратов между различными сайтами фосфорилирования на Wee1.
Бистабильность Бистабильность подразумевает гистерезис, а гистерезис подразумевает мультистабильность. Мультистабильность указывает на наличие двух или более устойчивых состояний для данного входа. Следовательно, бистабильность — это способность системы существовать в двух стационарных состоянияхStrogatz S.H. (1994), Nonlinear Dynamics and Chaos, Perseus Books Publishing. Другими словами, существует диапазон значений стимула, для которого реакция может иметь два установившихся значения. Бистабильность сопровождается гистерезисом, что означает, что система приближается к одному из двух устойчивых состояний предпочтительно в зависимости от её истории. Бистабильность требует обратной связи, а также сверхчувствительного элемента схемы.
При соответствующих обстоятельствах петли положительной и отрицательной обратной связи могут обеспечить условия для бистабильности; например, за счет положительной обратной связи, связанной со сверхчувствительным ответным элементом схемы. Гистерезисная бистабильная система может действовать как надежный обратимый переключатель, потому что системе труднее переходить между состояниями «включено» и «выключено» (по сравнению с эквивалентным моностабильным сверхчувствительным откликом). Система также может быть настроена так, что один из переходов будет физически недостижим; например, никакое уменьшение стимула не вернет систему в состояние «выключено», если она уже находится в состоянии «включено». Это сформирует надежный необратимый переключатель. Как спроектировать простой биологический переключатель, описано в документе конференцииhttps://dr.ntu.edu.sg/handle/10356/83213 .
Между топологией сети нет однозначного соответствия, поскольку многие сети имеют сходные отношения входа и выхода. Топология сети не подразумевает ввод или вывод, и точно так же ввод или вывод не подразумевает топологию сети. Именно по этой причине параметризация очень важна для работы схемы. Если динамика входа сравнима или быстрее, чем реакция системы, реакция может показаться гистерезисной.
Ниже описаны три переключателя клеточного цикла, которые обеспечивают резкие и/или необратимые переходы за счет использования некоторых механизмов, описанных выше.
Переключатель G1/S
Переход G1/S, более известный как контрольная точка старта у почкующихся дрожжей (точка рестрикции у других организмов), регулирует протекание клеточного цикла. В этой контрольной точке клетки либо останавливаются перед репликацией ДНК (из-за ограничения питательных веществ или сигнала феромона), либо продлевают G1 (контроль размера), либо начинают репликацию и проходят оставшуюся часть клеточного цикла. Регуляторная сеть G1/S или регулон у почкующихся дрожжей включает циклины G1 Cln1, Cln2 и Cln3, Cdc28 (Cdk1), факторы транскрипции SBF и MBF и ингибитор транскрипции Whi5. Cln3 взаимодействует с Cdk1, чтобы инициировать последовательность событий путем фосфорилирования большого количества мишеней, включая SBF, MBF и Whi5. Фосфорилирование Whi5 заставляет его перемещаться из ядра, предотвращая его ингибирование SBF и MBF. Активные SBF/MBF управляют переходом G1/S, включая циклины B-типа и инициируя репликацию ДНК, формирование почек и удвоение веретенообразных тел. Более того, SBF/MBF управляет экспрессией Cln1 и Cln2, которые также могут взаимодействовать с Cdk1, способствуя фосфорилированию его мишеней.
Первоначально предполагалось, что этот переключатель G1/S функционирует как линейная последовательность событий, начинающаяся с Cln3 и заканчивающаяся фазой S. Однако наблюдение, что любого из Clns было достаточно для активации регулона, указывает на то, что Cln1 и Cln2 могут быть способны задействовать положительную обратную связь для активации своей собственной транскрипции. Это привело бы к постоянно ускоряющемуся циклу, который мог бы действовать как необратимый бистабильный триггер. Скотхейм и др. использовали измерения одиночных клеток в почкующихся дрожжах, чтобы показать, что эта положительная обратная связь действительно имеет место. Небольшое количество Cln3 индуцирует экспрессию Cln1/2, а затем вступает в действие петля обратной связи, приводящая к быстрому и резкому выходу Whi5 из ядра и, следовательно, когерентной экспрессии генов регулона G1/S. В отсутствие когерентной экспрессии генов клеткам требуется больше времени для выхода из G1, и значительная их часть даже останавливается перед S-фазой, что подчеркивает важность положительной обратной связи в усилении переключения G1/S.
Контрольная точка клеточного цикла G1/S контролирует переход эукариотических клеток из первой фазы промежутка G1, в фазу синтеза ДНК, S. В этом переключении в клетках млекопитающих есть две киназы клеточного цикла, которые помогают контролировать контрольную точку: клетка циклические киназы CDK4/6-циклин D и CDK2-циклин E. Транскрипционный комплекс, включающий Rb и E2F, важен для контроля этой контрольной точки. В фазе первого гэпа репрессорный комплекс Rb-HDAC связывается с факторами транскрипции E2F-DP1, тем самым ингибируя транскрипцию ниже по течению. Фосфорилирование Rb с помощью CDK4/6 и CDK2 диссоциирует комплекс Rb-репрессор и служит в качестве выключателя клеточного цикла. После фосфорилирования Rb снимается ингибирование транскрипционной активности E2F. Это позволяет транскрипцию генов S-фазы, кодирующих белки, которые усиливают переключение G1 на S-фазу.
Многие различные стимулы применяются для контроля контрольных точек, включая TGFb, повреждение ДНК, контактное ингибирование, репликативное старение и изъятие фактора роста. Первые четыре действуют, индуцируя членов семейств INK4 или Kip/Cip ингибиторов киназ клеточного цикла. TGFb ингибирует транскрипцию Cdc25A, фосфатазы, которая активирует киназы клеточного цикла, а удаление фактора роста активирует GSK3b, который фосфорилирует циклин D. Это приводит к его быстрому убиквитинированию.
Переключатель G2/M G2 начинается с E2F-опосредованной транскрипции циклина А, который образует комплекс циклин А-Cdk2. Чтобы перейти к митозу, комплекс циклин B — Cdk1 (впервые обнаруженный как фактор, способствующий MPF или M-фазе; Cdk1 также известен как Cdc2 у делящихся дрожжей и Cdc28 у почкующихся дрожжей) активируется Cdc25, протеинфосфатазой. Когда начинается митоз, ядерная оболочка распадается, хромосомы конденсируются и становятся видимыми, и клетка готовится к делению. Активация циклин B-Cdk1 приводит к разрушению ядерной оболочки, что характерно для инициации митоза.