Wprowadzenie do sygnalizacji komórkowej

Myślisz, że twoje komórki to proste bloki konstrukcyjne, nieświadome i statyczne jak cegły w ścianie? Jeśli tak, pomyśl jeszcze raz! Komórki mogą wykryć, co się wokół nich dzieje, i mogą reagować w czasie rzeczywistym na sygnały od swoich sąsiadów i środowiska. W tej chwili twoje komórki wysyłają i odbierają miliony wiadomości w postaci chemicznych cząsteczek sygnałowych!

W tym artykule zbadamy podstawowe prawa dotyczące tego jak komórki komunikują się ze sobą. Najpierw przyjrzymy się jak działa sygnalizacja komórka-komórka, potem rozważymy inne rodzaje krótko- i długodystansowej sygnalizacji, która ma miejsce w naszych ciałach.

Komórki zazwyczaj komunikują się za pomocą sygnałów chemicznych. Te sygnały chemiczne, którymi są białka lub inne cząsteczki wytworzone przez komórki wysyłające, często są wydzielane z komórki i uwalniane do przestrzeni pozakomórkowej. Tam mogą unosić się - podobnie jak wiadomości w butelce - do sąsiednich komórek.

Nie wszystkie komórki mogą "usłyszeć" ten konkretny komunikat chemiczny. W celu wykrycia sygnału (to znaczy by być komórką docelową), komórka sąsiednia musi mieć zdolność receptorową dla tego sygnału. Gdy cząsteczka sygnałowa wiąże się z jego receptorem, zmienia kształt lub aktywność receptora, powodując zmianę wewnątrz komórki. cząsteczki sygnałowe są nazywane ligandami, to ogólne określenie cząsteczek, które specyficznie wiążą się z innymi cząsteczkami, (takimi jak receptory).

Wiadomość przenoszona przez ligand jest często przekazywana za pośrednictwem sieci przekaźników chemicznych wewnątrz komórki. Ostatecznie prowadzi to do zmiany w komórce, takiej jak zmiana w aktywności genu lub nawet indukcji całego procesu, takiego jak podział komórki. Tak więc, sygnał pierwotny międzykomórkowy (pomiędzy-komórkami) przekształca się w sygnał wewnątrzkomórkowy, który wywołuje odpowiedź wewnątrzkomórkową (w komórce).

Możesz dowiedzieć się więcej o tym, jak to działa z artykułów ligandy i receptory, signal relay, and cellular responses.  

Sygnalizacja komórkowa obejmuje transmisję sygnału z komórki wysyłającej do komórki docelowej. Jednak nie wszystkie komórki, które wysyłają i odbierają sygnały sąsiadują ze sobą ani nie wszystkie pary komórek wymieniają sygnały w ten sam sposób.

Istnieją cztery podstawowe kategorie sygnalizacji chemicznej odkryte w organizmach wielokomórkowych: sygnalizacja parakrynna, autokrynna, endokrynna, sygnalizacja przez bezpośredni kontakt. Główną różnicą pomiędzy różnymi kategoriami sygnalizacji jest odległość, którą sygnał pokonuje by osiągnąć komórkę docelową.

Często komórki, które są w pobliżu siebie komunikują się poprzez uwalnianie chemicznych przekaźników (ligandów, które mogą przenikać przez przestrzeń pomiędzy komórkami). Tego rodzaju sygnalizacja, w której komórki komunikują się na stosunkowo krótkie odległości, jest znana jako parakrynna.

Parakrynna sygnalizacji umożliwia komórkom lokalne koordynowanie działań pomiędzy nimi a ich sąsiadami. Mimo, że jest ona stosowana w różnych tkankach i sytuacjach, sygnały parakrynne są szczególnie ważne w rozwoju, gdy pozwalają grupie komórek przekazać informację do sąsiedniej grupy komórek, jaką tożsamość przybrać.

Wyjątkowym przykładem sygnalizacji parakrynnej jest sygnalizacja synaptyczna, w której komórki nerwowe przekazują sygnały. Proces ten zawdzięcza swoją nazwę synapsie, czyli połączeniu pomiędzy dwoma komórkami nerwowymi, pomiędzy którymi występuje transmisja sygnału.

Kiedy neuron wysyłający informację rozbłyska, impuls elektryczny przemieszcza się szybko od "ciała" komórki nerwowej w dół długim, przypominającym włókno przedłużeniem komórki tzw. aksonem. Kiedy impuls dociera do synapsy, powoduje uwalnianie ligandów nazywanych neuroprzekaźnikami, które szybko przechodzą przez małą szczelinę znajdującą się pomiędzy komórkami nerwowymi. Kiedy neuroprzekaźniki przybywają do komórki odbiorczej, wiążą się z receptorami i wywołują chemiczną zmianę wewnątrz komórki (często polega ona na otwarciu kanałów jonowych i zmianie potencjału elektrycznego wzdłuż błony komórkowej).

Neuroprzekaźniki, które są uwalniane do synapsy chemicznej są szybko degradowane lub odbierane z powrotem przez komórkę wysyłającą. To "resetuje" system dzięki czemu synapsa jest przygotowana do szybkiego reagowania na następny sygnał.

W sygnalizacji autokrynnej, komórki wysyłają sygnały do siebie samych, uwalniając ligand, który wiąże się z receptorami na swojej powierzchni (lub, w zależności od rodzaju sygnału, do receptorów wewnątrz komórki). Może się to wydawać się dziwne ale autokrynna sygnalizacja odgrywa ważną rolę w wielu procesach.

Na przykład sygnalizacja autokrynna jest ważna podczas rozwoju, pomagając komórkom przyjmować i wzmacniać ich poprawną tożsamość. Z medycznego punktu widzenia, sygnalizacja autokrynna jest ważna w leczeniu nowotworów i uważa się, że odgrywa kluczową rolę w przerzutowaniu (rozprzestrzenianiu się raka ze swojego pierwotnego miejsca na inne części ciała)${}^6$‍. W wielu przypadkach, sygnał może wywoływać zarówno autokrynne i parakrynne efekty, skupiając się na komórce wysyłającej tak jak i na innych podobnych komórkach w tym obszarze.

Gdy komórki muszą przesyłać sygnały na duże odległości, często używają układu krążenia jako sieci dystrybucji wiadomości, które wysyłają. W długodystansowej sygnalizacji endokrynnej sygnały są produkowane przez wyspecjalizowane komórki i uwalniane do krwiobiegu, który przenosi je do komórek docelowych w odległych częściach ciała. Sygnały, które są produkowane w jednej części ciała i wędrują przez krwioobieg, aby osiągnąć odległe cele są znane jako hormony.  

U ludzi, gruczoły wydzielania wewnętrznego, które uwalniają hormony to tarczyca, podwzgórze i przysadka, a także gonady (jądra i jajniki) oraz trzustka. Każdy gruczoł wydzielania wewnętrznego uwalnia jeden lub więcej rodzajów hormonów, z których wiele jest głównymi regulatorami rozwoju i fizjologii.  

Na przykład, przysadka uwalnia hormon wzrostu (GH), który stymuluje wzrost, zwłaszcza szkieletu i chrząstek. Jak większość hormonów GH wpływa na wiele różnych typów komórek w całym organizmie. Jednak komórki chrzęstne stanowią doskonały przykład jak funkcjonuje GH: wiąże się z receptorami na powierzchni tych komórek i zachęca je do podziału ${}^7$‍.

Połączenia szczelinowe u zwierząt i plazmodesmy w roślinach to małe kanały, które bezpośrednio łączą sąsiednie komórki. Te wypełnione wodą kanały umożliwiają małym cząsteczkom sygnałowym, zwanym wewnątrzkomórkowymi mediatorami, dyfuzję między dwiema komórkami. Małe cząsteczki i jony mogą przemieszczać się między komórkami, ale duże cząsteczki, takie jak białka i DNA, nie mogą przejść przez kanały bez specjalnej pomocy.

Cząsteczki sygnałowe przekazują informacje o bieżącym stanie jednej komórki do sąsiedniej. To pozwala grupie komórek na koordynowanie ich odpowiedzi na sygnał, który może odebrać tylko jedna z nich. W roślinach, istnieją plazmodesmy niemal pomiędzy wszystkich komórkami, co czyni całą roślinę jedną gigantyczną siecią.

W innej postaci sygnalizacji bezpośredniej dwie komórki mogą wiązać się ze sobą, ponieważ posiadają one komplementarne białka na swojej powierzchni. Gdy białka wiążą się ze sobą, to oddziaływanie zmienia kształt jednego lub obu białek, które transmitują sygnał. Ten rodzaj sygnalizacji jest szczególnie ważny w układzie odpornościowym, w którym komórki immunologiczne wykorzystują markery powierzchniowe komórek do rozpoznawania "własnych" komórek (komórki własne organizmu) i komórek zakażonych patogenami${}^9$‍.