Многоклеточные организмы подобно нам зависят от постоянного обмена информацией между клетками, позволяющего координировать их активность в смысле пролиферации или дифференцировки. Расшифровка языка межклеточных коммуникаций важна для биологии. Учёные из Caltech открыли, что клетки используют способ передачи множества сообщений посредством одного пути или канала сообщений, путем кодирования сообщений ритмично во времени.

Работа осуществлена в лаб. Michael Elowitz из Howard Hughes Medical Institute Investigator. В частности, учёные изучали ключевую систему коммуникаций, наз. "Notch," которая используется в каждой ткани животных. Нарушения функции передачи сигналов Notch вносит вклад в возникновение разных раковых опухолей и болезней развития, делая её соблазнительной для поиска лекарств.

Клетки, осуществляющие общение, используют специализированные коммуникационные молекулы, наз. лигандами, которые взаимодействуют с соотв. молекулярными антеннами, наз. рецепторами. Когда клетка использует путь Notch чтобы передавать инструкции соседям -- приказывая им делиться, напр., или дифференцироваться в разного типа клетки -- то клетка, посышающая сообщение, дожна продуцировать определенные Notch лиганды на своей поверхности. Эти лиганды, затем соединяются Notch рецепторами, расположенными на поверхности соседних клеток, заставляя рецепторы высвобождать ген-модифицирующие молекулы, наз. транскрипционными факторами, во внутрь их клеток. Транскрипционные факторы перемещаются в ядро клетки, где хранится ДНК клетки и активируют специфические гены. Система Notch т.о., позволяет клеткам получать сигналы от своих соседей и менять соотв. свою экспрессию генов.

Лиганды способствуют активации транскрипционных факторов путем модификации структуры рецепторов, в которые они проникают. Все лиганды модифицируют свои рецепторы сходным образом и активируют одни и те же транскрипционные факторы в воспринимающих клетках и по этой причине учёные полагали, что воспринимающая клетка не должна быть способна надежно определять, какой лиганд был активирован и значит, какое сообщение было получено.

"На первый взгляд, единственным объяснением того, как клетки различают два лиганда, если это происходит, по-видимому, заключается в том, что они д. каким-то образом, аккуратно определять различия, как в точности два лиганда активируют рецепторы. Однако, все доказательства этого указывают на то, что в отличие от мобильных телефонов или радио, клетки значительно больше обеспокоены с точностью анализировать поступающие сигналы," говорит Elowitz. "Они обычно превосходно различают между присутствием и отсутствием сигнала, но не более того. В этом смысле, клеточные сообщения скорее посылают дымовой сигнал, чем текстовой. Остается вопрос, как клетка различает действие двух лигандов, оба из которых выглядят подобно затяжкам курильщика с расстояния?"

вИсследователи были удивлены, когда ответ оказался лежащим на поверхности в виде временного паттерна активации Notch разными лигандами -- др. словами, как "дым" испускается во времени. Чтобы проверить это, команда разработала новую базирующуюся на видео систему, посредством которой они смогли записывать передачу сигналов в реальном времени с каждой индивидуальной клетки. Нагрузив рецепторы и лиганды флюоресцентыми белковыми маркерами, исследователи смогли отслеживать, как молекулы взаимодействуют, когда происходит передача сигналов.

Исследователи изучали два химически сходных Notch лиганда, дублирующие Delta1 и Delta4. Они открыли, что несмотря на сходство лигандов, оба активируют один и тот же рецептор в виде четко отличающегося временного паттерна. Delta1 лиганды активировали кластеры рецепторов одновременно, посылая внезапно кучу (burst) транскрипционных факторов внутрь ядра все одновременно, подобно дымовому сигналу, состоящему из немногих гигантских затяжек. С др. стороны, Delta4 лиганды активировали индивидуально рецепторы в виде устойчивого паттерна, посылая постоянно струйки из одиночных транскрипционных факторов в ядро, как если бы шел постоянный поток дыма.

Эти два паттерна являются ключом к кодированию разных инструкций клетке. Фактически такой механизм позволяет двум лигандам посылать драматически отличающиеся сообщения. Анализируя эмбрионов кур, авт. установили, что Delta1 активирует продукцию абдоминальных мышц, тогда как Delta4 строго подавляет этот процесс в тех же самых клетках.

"Клетки говорят лишь на горстке разных молекулярных языков, но они работают совместно, чтобы осуществлять неправдоподобно отличающиеся цели," говори Elowitz. "Мы в целом предполагали, что эти языки чрезвычайно просты и что клетки могут, по существу, лишь ворчать на каждом из них. Путем наблюдения за клетками в процессе коммуникаций, мы можем увидеть, что эти языки более сложные и имеют больший словарь, чем это предполагалось. И это, по-видимому, лишь кончик айсберга в межклеточных коммуникациях."