Идентифицированы два ключевых пути адаптивного ответа клетки
Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF) определили две ключевые схемы (circuits), которые контролируют способность клетки адаптироваться к изменениям окружающей среды. Это открытие может найти применение в исследованиях диабета и аутоиммунных заболеваний, а также в разработке целевых лекарств от сложных болезней.
Результаты, представленные на обложке журнала "Cell" от 21 августа 2009 года, показывают, что ограниченное число схем, способных обеспечить адаптацию, представляет собой фундаментальный сдвиг в понимании этого важного биологического поведения. Ранее считалось, что в нём задействованы сотни различных схем.
Адаптация — это фундаментальное свойство многих клеточных сенсорных систем, позволяющее клетке автоматически перезагружаться после реакции на стимул. Эти адаптивные схемы позволяют глазам приспосабливаться к свету, лейкоцитам двигаться к бактериям, а уровню инсулина — регулироваться в ответ на поступление сахара. Они также часто являются механизмами, которые нарушаются на молекулярном уровне при трудноизлечимых заболеваниях.
"Многие болезни — это болезни гомеостаза, — объясняет соавтор работы Венделл Лим. — Например, диабет или аутоиммунные заболевания основаны на сбое в схеме, которая не позволяет организму перенастроиться".
Используя вычислительный метод, команда проанализировала 160 миллионов схем, задействованных при адаптации клетки к стимулам среды, и оценила их чувствительность и точность адаптации.
В результате был создан исчерпывающий карта-функция схем ферментативных регуляторных сетей, которая выявила две основные структуры, общие для любого адаптивного ответа:
Петля отрицательной обратной связи с буферным узлом.
Петля прямой связи (feed-forward loop), регулирующая пропорцию ответа.
Было установлено, что наиболее устойчивые адаптивные реакции в значительной степени зависят хотя бы от одной из этих двух минимальных "тем" (motifs).
Это исследование закладывает основу для систематического подхода в биологии, аналогичного периодической таблице в химии. Цель — разбить огромный массив генетической информации на узнаваемые модули для изучения и создания терапий сложных заболеваний, таких как рак и диабет.
"С научной точки зрения, это вопрос одного: существуют ли универсальные принципы в биологии, и если да, то какие они", — говорит соавтор Чао Тан.
Потенциальные применения включают:
- Разработку более целенаправленных методов лечения сложных заболеваний за счёт понимания того, что заставляет систему переключаться с одного режима поведения на другой.
- Использование в синтетической биологии в качестве "инструкции" для создания устойчивых биологических схем с заданной функцией.