Развитие многоклеточных организмов связано с генерацией различных типов клеток и с приобретением ими различных форм и функций1-3. Количество азличных типов клеток может достигать 1014 у млекопитающих, сюда входят ~109 различных типов нейронов, которые составляют только мозжечок. Это количество, по-видимому, на несколько порядков величин выше, если учесть количество переходных состояний (клеточных состояний, которые ведут от нативной клетки раннего эмбриона, скажем на стадии бластодермы, к дифференцированными типам, таким как мышцы), количество клеток, которые обновляются каждый день в гематопоэтической системе, коже или кишечнике, и разные физиологические состояния каждой данной клетки. На наиболее характерном базовом уровне определенных клеточных состояний, определяемых профилем экспрессии генов и, следовательно, набором транскрипционных факторов в организме, значительно меньше количества типов клеток, которые они специфицируют и обычно задействовано не более, чем 20% геном-кодирующей способности4-7, поэтому не удивительно, что эти факторы действуют в виде комбинаторных кодов. Развитие, по существу, последовательность переходов между клеточными состояниями, которые управляются комбинациями внутренне присущих влияний (транскрипционная история клетки) и внешних влияний (межклеточных сигналов), которые и предопределяют транскрипционные коды для каждой клетки.
Последовательность переходов клеточных судеб может быть представлена с помощью non-Markovian последовательности простых бинарных выборов. В каждой точке выбора клетка оказывается перед лицом принятия решения между двумя альтернативными профилями генной экспрессии, которые д. предопределять их 'state' и потенциал развития (FIG. 1). Каждая реакция клетки на морфоген2,8 может быть сконструирована таким же образом, т.к. в любом данном положении внутри поля клеток, которое подвергается воздействию морфогена, принимает бинарное решение между тем, чтобы остаться в 'ground' состоянии или экспрессировать гены, которые детерминируются локальной концентрацией морфогена (FIG. 1b).
Огромное количество клеточных состояний, которые присутствуют в течение жизни организма, и воспроизводимость, с которой они генерируются, указывают на существование не только программ, но и механизмов, которые гарантируют их реальное исполнение. Это особенно наглядно, если принять во внимание существование шумов - флюктуаций в осуществлении молекулярных операций, которые создают изменчивость в фенотипе клеточной популяции. Однако, в контексте развития, особенно при формировании паттерна, эта вариабельность противодействует точному и воспроизводимому поведению, которое наблюдается в клеточных популяциях. Если шумы являются внутренне присущим свойством биологических систем, то возникает вопрос, как они контролируются, и используются ли они для конструкции организма9.
Здесь мы начинаем разрабатывать этот вопрос в контексте эмбрионального развития на базе информации, которая была собрана в недавних исследованиях на бактериях и дрожжах. Мы впервые вносим концептуальный и экспериментальный каркас (framework) в изучение шумов; мы сконцентрируемся на процессе приобретения клеточных судеб и предложим генеральную схему, которая может быть использована в качестве каркаса для анализа влияния шумов на этот процесс.
Sources of noise that affect gene expression
Переходы между клеточными состояниями во время развития управляются комбинацией транскрипции и трансляции, т.к.. контролируются взаимодействиями между ДНК, РНК и белками. Подобно любому молекулярному взаимодействию эти переходы являются предметом случайных флюктуаций, которые могут влиять на их исход - др. словами, они имеют наследуемый уровень шумов (BOX 1). Недавние работы на бактериях и дрожжах продемонстрировали, что шумы являются важным компонентом генной экспрессии9-14. Источники помех, которые ассоциируют с генной экспрессией, включают небольшие количества молекул, которые участвуют в определенных биохимических реакциях в в клеточном пространстве, стохастическую природу молекулярных взаимодействий, которые лежат в основе химических реакций, и встроенную эффективность транскрипционного и трансляционного процессов. Эксперименты с простыми искусственно созданными gene-regulatory networks (GRNs) начаты, чтобы вычленить по отдельности каждый из этих элементов для точности экспрессии гена в одиночной клетке и в клеточных популяциях11-14 (BOX 1).
Большинство исследований помех, которые ассоциируют с экспрессией генов, сконцентрировано на транскрипции и отличается от шумов, которые происходят в результате взаимодействия между polymerases и ДНК (внетренне присущие шумы) и теми, которые продуцируются др. влияниями, такими как случайные флюктуации пищевых веществ, клеточных делений или регуляторных импульсов на транскрипционную кухню (machinery) (внешние шумы)11,13 (BOX 1). Эти эксперименты показали, что шумы являются всеобъемлющим свойством GRNs, они ген-специфичны и проявляются в трансляции и также в транскрипции10,11,14.
Важным различием между транскрипцией у прокариот и эукариот является существование хроматина у эукариот и потребность в регуляции его структуры, чтобы достичь эффективной экспрессии генов. Значение этого отличия для анализа и моделирования шумов всё ещё неопределенно. Однако, у Saccharomyces cerevisiae сборка транскрипционно компетентного хроматина является источником шумов и мишенью для их регуляции12. Это исследование показало, что в то время как мутации в TATA box выше repressible acid phosphatase PHO5 не меняют существенно уровня шумов, которые ассоциируют с экспрессией PHO5, то мутации в upstream activating sequences (UASs) меняют его. Это наблюдение указывает на ремоделирование хроматина как на чувствительный к шумам компонент транскрипции. В подтверждение этого заключения, мутации в генах (SNF6, ARP8, GCN5), которые кодируют компоненты хроматин ремоделирующего комплекса, который действует на UASs, оказывают влияние на уровни шумов, что сходно с эффектом мутаций в самих UASs12.
Значение ремоделирования хроматина для экспрессии генов15,16 и возможность, что оно является источником шумов во время транскрипции, указывает на то, что оно важно для детерминации уровня шумов, которые ассоциированы с генной экспрессией не только в изолированных одиночных клетках, но и также в тканях и органах. Более того важно установить, как помехи, которые ассоциируют с определенным транскрипционным событием, связаны с др. сцепленными событиями в качестве части пути или сети.
Noise in gene-regulatory networks
Network architecture and noise sensitivity. Т.к. исход GRNs предопределяет структуру и приспособленность организма17, то важно оценить, как шумы, которые ассоциируют с генной экспрессией влияют на осуществление GRN. Этот вопрос впервые возник при анализе работы искусственно созданных GRNs в бактериях и , с меньшей степенью аккуратности, у дрожжей. В этих исследованиях линейные сети были разработаны таким образом, что каждая ступень могла контролироваться и отслеживаться; экспериментальные данные были затем сопоставлены с предсказаниями, сделанными на базе модельных подходов, это помогло установить параметры чувствительности системы10,14,18-21. Особенно ценным в этих исследованиях оказался перенос функции сети, которая предопределяет насколько хорошо система работает. Эти эксперименты показали, что система отвечает более остро, т.к. количество связей в сети увеличивается, т.е. система становится более чувствительной к пороговым значениям импульса и обладает более высокой способностью переработки информации. Однако, шумы передаются от одной ступени к др. имеют тенденцию амплифицироваться в критических значениях функции переноса. Эта чувствительность системы к распространению шумов может приводить к высоко изменчивым исходам в клеточной популяции, что может быть использовано естественным отбором.
Реальные GRNs могут иметь замысловатый дизайн (напр., спецификация эндомезодермы у морского ежа22) и, следовательно, чувствительны к распространению шумов. Как тогда обуздать этот потенциал свободного поведения? У бактерий и дрожжей один элемент контроля лежит в дислокации мотивов сети23-26 (FIG. 2a-c). Эти мотивы функционируют как устройства, перерабатывающие информацию, и редуцирующие шумы и тем самым делающие процессинг информации более эффективным; архитектура сети, следовательно, влияет на ее предоставление26-28. При определенных условиях эти мотивы не только отфильтровывают шумы, но также создают чувствительность к импульсам и наделяют систему специальным поведением, наиболее заметно, бистабильностью29,30 (FIG. 2d,e). Бистабильность означает устойчивость к системе, т.к. переключение с одного состояния на др. не легко обратить назад и одиночные клетки в системе могут эксплуатировать возможности нового параметра пространственной беспрепятственности29,30. Поведение lac оперона Escherichia coli при индуктивных условиях29 или при выборе решения
lysis-lysogeny у фага λ31 являются простыми примерами бистабильности на транскрипционном уровне.
Эти исследования показали, что эффективность GRN интимно связана с её архитектурой и с малыми изменениями в некоторых переменных27,32. Однако, эти заключения базируются на engineered экспериментах, в которых переменные тщательно контролировались и измерялись.
Developmental networks. Архитектура онтогенетических
GRNs лишь в начале распознавания22,33,34. В противоположность тонко-слойной регуляторной архитектуре E. coli26, онтогенетические системы эукариот имеют плотные, глубокие и причудливо сложную структуру34,35. Они ветвятся и их точки перехода часто используют когорты в 20 - 100 генов, экспрессия которых скоординирована в всей клеточной популяции36,37. Простейшая экстраполяция того, что оценено на бактериальных системах, показывает потенциал распространения и умножения шумов в онтогенетических GRNs. Однако, т.к. их осуществление реально и воспроизводимо, то д.б. внешний контроль за распространением шумов, не затрагивающий тонко-настроенные системы.
Изменчивость уровней генной экспрессии в популяции бактерий или дрожжей может быть благоприятной, т.к. создает субстрат для отбора. Однако, это свойство не желательно для онтогенетических решений в многоклеточном организме, во время которых один или чаще многие клетки экспрессируют множество генов стабильным способом и в течение определенного периода времени, делая возможным формирование последовательных паттернов событий. Бистабильность является вероятно важным признаком каждого элемента сети и благодаря экспрессии, скажем, 50 генов м. оказаться необходимой координация для простого выбора судьбы, лего видеть, как любая флюктуация или изменчиваость в экспрессии генов будет амплифицироваться, с вредными последствиями. В частности шумы будут способствовать случайным комбинациям экспрессируемых генов в разных клетках. Развитие не является результатом простого включения и выключения генов, а осуществляется в корректных пространственно-временных координатах, для которых предопределения являются, естественно, также субъектами для флюктуаций и будут вносить вклад в шумы при финальном исходе. Следовательно, естественная тенденция онтогенетических GRN может быть направлена на рандомизацию и хаос, не смотря на наличие специфических регуляторных механизмов, чтобы это обуздать.
Буферизация шумов в онтогенетических процессах, как было показано, имеет место во время сегментации ранних эмбрионов Drosophila melanogaster. На вершине иерархии генов сегментации находится градиент и активность Bicoid, транскрипционного фактора, который действует как зависимы от концентрации переключатель определенных генов и в конечном итоге приводит к тонко-отточенному паттерну полосок генной экспрессии вдоль anterior-posterior (A-P) оси эмбриона38-40. Количественные исследования показали, что в то время как локальная концентрация Bicoid на определенной точке A-P м. варьировать существенно от одного эмбриона к др., то пространственное предопределение экспрессии его непосредственной мишени, hunchback (hb), нет41 - т.е. экспрессия hb фильтрует шумы от градиента Bicoid (FIG. 3). Этот процесс фильтрации достигает следующего ряда регуляторной иерархии, pair-rule генов42,43, и, следовательно, указывает на существование механизмов, которые сглаживают флюктуации концентрации Bicoid, чтобы давать устойчивые конечные продукты. Даже в этом, кажущемся простом случае, природа механизма остается неизвестной. Итак, поиск сглаживающих устройств ограничивается поиском мутантов, которые меняют уровни шумов41, но успех ограничен. Так, шумы оказывают неизбежные последствия на молекулярную природу процесса генной экспрессии и д.б. , следовательно, устройства в том месте, чтобы иметь дело с ними. Однако, эмпирические исследования и моделирование в engineered системах уже показали, что архитектура GRNs может быть недостаточной для обуздания потенциала вариабельности и шумов19.
Regulating noise during cell-fate assignation
A framework for the analysis of 'cell-fate transitions'.
Не трудно оценить из обсуждения выше, что имеется множество источников шумов в экспрессии генов и что имеется, следовательно, несколько механизмов для регуляции их. Здесь мы сконцентрируемся на обсуждении шумов в онтогенетических системах при переходах, которые происходят во время предназначения клеточной судьбы (FIG. 1). Потому, что мы воспринимаем этот процесс за базовую единицу переработки информации, которая повторяется много раз во время развития, а также потому, что он может быть редуцирован до простых терминов, что облегчает его описание и анализ (FIG. 1). Объект перехода клеточной судьбы необходим для установления стабильного паттерна генной экспрессии, чтобы установить идентичность клеток. Мы полагаем, что переход между двумя клеточными состояниями S1 и S2, может быть подразделен на две ступени: индукцию и стабилизацию44 (FIG. 4). Фаза индукции соответствует началу профиля генной экспрессии, который предопределяет S2. Это ведет к вероятности экспрессии набора генов, но недостаточно для установления стабильного S2 профиля. Индукция запускает флюктуирующие и гетерогенные уровни экспрессии S2 генов внутри клетки и внутри клеточной популяции (FIG. 4b). Вторая ступень необходима для стабилизации экспрессии и, следовательно, установления состояния S2
(FIG. 4a,b). Такая стабилизация может быть сконструирована т.к. фильтрация шумов внутри клетки и приложима к каждому гену в каждой клетке популяции. В более механистических терминах мы предполагаем, что фаза индукции соответствует открытию хроматина, сборке комплекса инициации транскрипции и и она становится сбалансированной в отношении определенной скорости транскрипции. Напротив, фаза стабилизации является сборкой хроматиновой структуры, которая позволяет индуктивному arrangement стать функциональным на определенное время и стабильным в отношении флюктуаций.
Теоретические12 и эмпирические45 рассуждения говорят в пользу этого предполагаемого деления установления генной экспрессии во время перехода клеточной судьбы. У эукариот открытие хроматина, который генерирует транскрипционно компетентную ДНК, является предварительным условием для начала транскрипции. У дрожжей активация ДНК является нечастым событием по сравнению с действительным транскрипционным процессом12 и является скорость-лимитирующей ступенью. Мы полагаем, что это происходит и в случае с высшими эукариотами. Здесь фаза активации соответствует от S1 к S1/S2 переходу, тогда как стабильное состояние транскрипции ассоциирует с S2; т.е. ступенью от S1/S2 к S2 перехода и мы полагаем, что несмотря на то, что она активно претворяется, клетки всегда смогут вернуться к S1 или некоему др. доступному стабильному состоянию.
Strategies to use and dampen noise in development.
Идея, что процесс предопределения клеточной судьбы может быть подразделен на индукцию и стабилизацию подтверждается наблюдениями, что потенциал клеток во время развития выше, чем их действительная судьба - т.е. для определенного количества времен и судьба клетки не фиксирована1-3 (FIG. 4c). Во многих примерах каждая клетка внутри популяции м. воспринимать определенную судьбу благодаря своей истории и позиции в эмбрионе, но только некоторые клетки воспринимают каждую судьбу стабильно. Экспериментальные манипуляции показали, что инициальное широкое распределение потенциала для адаптации судьбы является регулятивным устройством и создает базу для формирования паттерна. В терминах схемы, представленной выше, для перехода судьбы от S1 к S2 многие клетки переходят к состоянию S1/S2, но только некоторые стабилизируют состояние S2.
Выбор предшественников для нервной системы у D. melanogaster посредством lateral inhibition предоставляет модель для этой онтогенетической стратегии. Во время этого процесса клетки решают между эпидермальной (S1) и нейральной (S2) судьбой. Пронейральные гены переключают клетки в состояние S1/S2, которое поддерживается в популяции вплоть до того, пока одна клетка не будет типирована в направлении S2, и используются межклеточные взаимодействия, чтобы заставить отказаться др. клетки от принятия той же самой судьбы. Эти др. клетки возвращаются к состоянию S1 и или ожидают др. возможностей для перехода в S2 клетки или воспринимают др. судьбу (S3 или S4) (FIG. 4c). Мало известно о деталях молекулярного процесса, который обеспечивает этот переход, хотя передача сигналов Notch определенно вовлекается в супрессию нейральной судьбы46.
Др. пример стратегии на популяционном уровне, на таком, которые скорее включает, чем исключает клетки, в адаптацию судьбы, является эффект сообщества (community). Он первоначально был описан в контексте спецификации мезодермы во время развития амфибий47,48. В этом процессе группа клеток индуцируется к адаптации судьбы благодаря продукту ткане-специфического гена. Первоначально слишком мало клеток внутри популяции достигает порога экспрессии, достаточного для восприятия новой судьбы. Второе событие необходимо, чтобы увеличить глобальные уровни экспрессии и это достигается посредством позитивного фактора, который усиливает community-wide экспрессиб ткане-специфического гена. В противоположность латеральной ингибиции, которя является стратегией по ингибированию судьбы, эффект сообщества является стратегией, способствующей приобретению судьбы. Известны сегодня немногие молекулярные кандидаты для этого действия49, и мало известно о деталях этого механизма.
Во время латеральной ингибиции и эффекта сообщества инициальный взрыв экспрессии генов de novo в популяции сопровождается стабилизацией этого паттерна генной активности в некоторых клетках. Первоначальный взрыв экспрессии ведет к нестабильному состоянию и в обоих случаях транскрипционные шумы используются для гарантии, что клетки будут обладать онтогенетической пластичностью и что восприятие стабильной судьбы является регулируемым процессом. Хотя архитектура GRNs может вносить вклад в регуляцию, сглаживание и фильтрацию шумов26,50 и существуют модели, которые показывают жизненность этих стратегий35,50-52,
возможно также, что специфические молекулярные устройства предназначены для выполнения этой функции. Мы полагаем, что механизмом кандидатом в онтогенетических системах, который предназначен контролировать уровень шумов генной экспрессии, д. удовлетворять ряду признаков.
Во-первых, он д. функционировать через клеточные поля - т.е., идеальной системой фильтрации шумов д.б. клеточно-сигнальное устройство, которое может функционировать во всем клеточном поле, т.к. это д. позволить ему координировать свои эффекты по всей крупной популяции клеток.
Во-вторых, он д. находить хроматиновые структуры, т.к. это является фокусом большей части активности, которая важна для развития (хотя мы знаем, что ремоделирование хроматина является единственным процессом, при котором шумы могут появляться и регулироваться). В-третьих, в принципе, механизм фильтрации шумов не д. б. частью ступени индукции. Передача сигналов Wnt удовлетворяет всем этим потребностям.
The function of Wnt signalling
Wnt белки являются семейством внеклеточных сигнальных молекул, которые обеспечивают клеточные взаимодействия во время развития53. Имеются две основные ветви передачи сигналов Wnt:
одна, зависмая от β-catenin, направляет транскрипцию посредством ядерного пула β-catenin54; вторая planar-cell-polarity (PCP) ветвь управляет активностью цитоскелета55. Третья ветвь, как полагают, управляет calcium и protein kinase C и менее изучена56.
Wnt/β-catenin signalling and transcriptional noise.
Передача сигналов Wnt/β-catenin обычно воспринимается как модуль, который вносит более одного элемента, часто зависимым от концентрации образом, в комбинацию факторов, которые формируют паттерн ткани во время развития8,53 -т.е., Wnt играет роль в индуктивной фазе перехода от S1 к S2 (FIG. 4). Однако, анализ последствий избытка и потерь в передаче сигналов Wnt (BOX 2) выявляет разные пути, а именно, что передача сигналов Wnt/β-catenin не влияет на инициацию экспрессии генов-мишеней, а скорее на их стабилизацию и поддержание44,57. В контексте двух-ступенчатой модели приобретения клеточных судеб, предложенной выше, передача сигналов Wnt/β-catenin обеспечивает переход от S1/S2 к S2.
Важной предпосылкой нашей гипотезы является то, что Wnt эффектор, β-catenin, выполняет количественно разные функции по экспрессии генов в отличие от эффекторов в др. сигнальных путях. В то время как, скажем, передача сигналов epidermal growth-factor (EGF), Hedgehog или bone-morphogenetic-protein (BMP) воздействует на транскрипционную кухню и устанавливает скорости транскрипции, передача сигналов Wnt преимущественно вызывает ремоделирование хроматина и стабилизацию скорости экспресии и паттернов, которые вызываются транскрипционными факторами (BOXES 2,3). Имеются некоторые доказательства того, что это может быть (BOX 3). Напр., T-cell factor (TCF), ДНК связывающий партнер β-catenin, является high-mobility-group (HMG)-box-содержащим белком, который который может активировать транскрипцию, но который, в целом, сгибает ДНК. Более того, и TCF и β-catenin взаимодействуют функционально и физически с элементами хроматин-ремоделирующих комплексов и др. родственными белками58 (BOX 3).
Изучение транскрипции на уровне одиночной клетки показывает, что функция определенных энхансеров заключается не в детерминации нетто скорости транскрипции, а скорее в вероятности того, что ген включен или выключен в определенной клетке59,60 - др. словами, в переходе между двумя состояниями в бистабильной системе. С учетом этого, выводы из наших предположений о роли передачи сигналов Wnt будут заключаться в том. что определенные гены имеют два класса элементов, чувствительных к сигналов: те, что ассоциированы с установлением скорости транскрипции, которые отвечают на конвенционные сигналы61, и те, которые ассоциируют со стабилизацией установленной скорости (BOX 3). Переход между S1/S2 и S2 нуждается в координации двух процессов. Мы полагаем, что Wnt затрагивает второй процесс и что Wnt-чувствительные элементы увеличивают вероятность того, что определенная скорость стабильно устанавливается в клетке.
Это предположение ставит вопрос какие из генов являются мишенями для передачи сигналов Wnt: необходимы ли все гены, чтобы осуществить переход от S1/S2 к S2? Согласно нашему предположению передача сигналов Wnt создает своего рода память, которая позволяет генам стабильно экспрессироваться и мы предполагаем. что имеются три класса генов. Гены класса I не нуждаются в 'memory' - они или всегда включены или быстро включаются и выключаются и не нужны для ремоделирования хроматина или стабильных структур хроматина (BOX 3a). Примеры включают гены, которые кодируют компоненты метаболических сетей, такие как те, что участвуют в ранней фазе заживления ран. Гены класса II находятся на противоположном конце спектра и нуждаются 'long-term memory' - их транскрипционное состояние поддерживается дни или годы. Гены Hox, для которых обеспечивается долговременная память с помощью членов классов Polycomb и Trithorax генов, являются примером этого класса. Гены класса III представлены генами, которые нуждаются в 'short-term memory' - они необходимы для обеспечения стабильной структуры хроматина достаточно долго, чтобы подержать определенное состояние, но не на годы (BOX 3b,c). Некоторые гены класса III могут также быть необходимы для 'long-term memory'. Мы предполагаем, что память генов класса III, которая важна развития, обеспечивается передачей сигналов Wnt.
Наше предположение создает контекст, в котором, чтобы интерпретировать некоторые имеющиеся наблюдения о передаче сигналов Wnt,
и может помочь объяснить некоторые свойства этого пути в трансдетерминации у мух и в онкогенезе у млекопитающих. При трансдетерминации, клетки из определенных имагинальных дисков изменяют состояние своей детерминации под влиянием Wingless62. Возможно, что высокие уровни Wingless стабилизируют флюктуирующие паттерны генной экспрессии, которые присутствуют в диком типе и в остальных отношениях не стабилизированы. Сходная ситуация может быть применена к роли передачи сигналов Wnt/β-catenin при туморогенезе54,63. В определенных типах клеток не соответствующая активация передачи сигналов Wnt может приводить к амплификации и стабилизации низких уровней флюктуации потенциальных онкогенов. Этот эффект может быть особенно важным в ситуациях, в которых передача сигналов Wnt обычно выключена, а её порог активации является низким - напр., на границе в кишечнике между пролиферирующими и дифференцирующимися клетками, где активация передачи сигналов Wnt легко ведет к опухолевой трансформации54,63.
Wnt/β-catenin signalling as a noise filter in development?
Передача сигналов Wnt, по-видимому, удовлетворяет трем условиям, которые мы представляли выше, для молекулярного фильтра, который предназначен для контроля шумов во время генной экспрессии в развитии: Wnt белки могут распространяться по большим клеточным популяциям и , следовательно, имеют длинные и широкие пределы активности; β-catenin, транскрипционный эффектор пути, обнаруживает обширные взаимодействия с хроматид ремоделирующей кухней; и сигнальные события не участвуют в инициации транскрипции, а скорее в её поддержании.
В некоторых случаях передача сигналов Wnt, по-видимому, действует в индуктивной фазе, но тщательный анализ ведет к иной интерпретации. Если, напр., ген X не способен экспрессироваться в отсутствие Wnt, то это может быть обусловлено отсутствием передачи сигналов Wnt во время более раннего события, которое предопределяет экспрессию др. гена, который необходим для индукции X скорее, чем прямая потребность в Wnt. Такая ситуация была продемонстрирована ранее для роли передачи сигналов Wingless во взаимоотношениях между экспрессией twist и slouch в соматической мезодерме D. melanogaster64. Экспрессия Twist в мезодерме предшествует экспрессии slouch в клетках основательницах мышц, а нарушение передачи сигналов Wingless приводит к низким уровням Twist
и к отсутствию экспрессии slouch. Однако, форсирование высоких уровней Twist в отсутствии Wingless восстанавливает потерю экспрессии slouch. Следовательно, экспрессия slouch нуждается в определенной пороговой активности Twist и в диком типе передача сигналов Wingless понижает этот порог, чтобы позволить достичь нормальных низких уровней Twist, чтобы функционировать. Высокие и устойчивые уровни Twist могут обходить потребности в Wnt, которые лежат в основе роли Wnt в установлении порогов и фильтрации шумов. Возможно имеется множество ситуаций сходных с этой и мы надеемся, что наши ободряющие предположения будут детализированы и критически проанализированы в отношении Wnt-мутантных фенотипов.
Wnt/PCP signalling and cytoskeletal noise. Анализ молекулярных шумов в биологических процессах распространяется на кухню генной экспрессии, но он также возможно приложим и к передаче сигналов, активности цитоскелета и др. аспектам клеточной биологии. Активность цитоскелета особенно интересна в этом контексте, т.к. polymerase постоянно взаимодействует с ДНК, а РНК постоянно взаимодействует с рибосомами, организация микротрубочек и актиновых полимеров преодолевает случайные флюктуации на ступени зарождения (nucleation), что ведет к их пространственной локализации. Интересно, что ветвь PCP передачи сигналов Wnt участвует в регуляции активности цитоскелета и что, как и в случае передачи сигналов Wnt/β-catenin, Wnt/PCP путь, по-видимому, участвует не в установлении паттернов цитоскелетной активности, а в их поддержании или координации65-67.
Wnt/Notch signalling and noise
Определение, функционирует ли передача сигналов Wnt как генеральный фильтр для шумов, требует дальнейших экспериментов; слишком рано говорить, имеются ли др. сигнальные системы или устройства, которые посвящены той же самой операции. Как показано выше, передача сигналов Notch, по-видимому, обладает важной функцией, влияющей на приобретение клетками их судьбы в развитии путем супрессии клеточных судеб посредством законсервированного механизма46. Этот процесс может быть организован как фильтрация шумов. Однако, имеются существенные различия между активностью Notch и функцией фильтрации шумов, которая описана в данной статье. Передача сигналов Notch супрессирует генную экспрессию, а это отличается от сглаживания флюктуаций в генной экспрессии в направлении состояния, которое или активно или неактивно. Кроме того каноническая передача сигналов Notch нуждается в межклеточных контактах, а значит не может оперировать на расстоянии более нескольких клеточных диаметров, как это необходимо для растущего клеточного поля. Не смотря на это передача сигналов Notch, по-видимому, выполняет некую роль в контроле за шумами во время событий формирования паттерна. В этой связи интересно, что передача сигналов Notch и Wnt, по-видимому, работают совместно в некоторых онтогенетических событиях и что они могут быть связаны функционально68-70 В частности, предполагается, что Notch участвует в установлении порогов для передачи сигналов Wnt71. Такой механизм д. вносить вклад в обострение реакции на передачу сигналов Wnt и, следовательно, способен влиять на многие процессы формирования паттерна. Более того, два процесса могут быть хитроумно связаны во время приобретения клетками своих судеб. В структуре, которая представлена на FIG. 4, передача сигналов Notch д. в этом случае осуществлять балансирующее влияние на действие Wnt.
Conclusions and perspectives
An important requirement of molecular systems that
are involved in development is an ability to smoothen
out their inherent fluctuations at the cellular level.
Understanding how this is achieved is key to understanding
why events that are noisy at the mesoscopic
level (such as gene expression, signal transduction
or cytoskeletal activity) are so reliable at the macroscopic
level (cell fate, shape or dynamics). In the near
future, and in addition to mapping interactions and
outlining the circuitry of developmental GRNs, it will
be important to measure parameters of gene expression
at the single-cell level and observe how they are
modulated at the population level. For example, it will
be important to devise single-cell reporter systems,
as well as cell-tracking methods that will allow us to
carry out high-throughput studies in cell populations
in vivo. Many of these will be extrapolated from current
studies in bacteria and yeast, but we will probably
need to develop specific methods for developmental
systems.
In the first instance these methods should allow us to
identify mechanisms that affect the rate of transcription
of a given gene and tell whether the gene is on or off in
a single cell, as well as giving accurate measurements
of noise in developing cell populations. As we move
towards a more quantitative analysis of development,
new processes and new perspectives on old processes
will emerge. The advances will not just be centred on
the analysis of transcriptional processes. Cell signalling
is an important component of the cell state and the
development of technologies that allow the measurement
of integrated responses in multi-parameter spaces
within single cells72–74 will also have a central role in the
understanding of how individual behaviours become
global ones.
Development is not just about how a collection of
equally weighted signalling pathways and transcription
factors create spatially ordered cellular diversity through
linear programmes of gene expression. It is also about
modulating the flow of information, correcting the natural
errors that arise from the molecular make-up of the
cells, and using and controlling the noise that is inherent
in the underlying molecular processes. We suggest that
the control of noise during development and pattern
formation involves a dedicated molecular machinery, of
which Wnt signalling seems to be an important element
in multicellular systems.
Сайт создан в системе
uCoz 
