Ultrasensitivlik - Ultrasensitivity

Bu maqola faqat ma'lum bir auditoriyani qiziqtirishi mumkin bo'lgan juda ko'p miqdordagi murakkab tafsilotlarni o'z ichiga olishi mumkin. Iltimos, yordam bering aylanmoq yoki boshqa joyga ko'chirish tegishli har qanday ma'lumot va qarshi bo'lishi mumkin bo'lgan ortiqcha tafsilotlarni olib tashlash Vikipediyaning qo'shilish siyosati. (Iyun 2019) (Ushbu shablon xabarini qanday va qachon olib tashlashni bilib oling)

Yilda molekulyar biologiya, ultrasensitivlik giperbolikaga qaraganda stimul o'zgarishiga sezgir bo'lgan chiqish javobini tavsiflaydi Michaelis-Mentenning javobi. Ultrasensitivlik ulardan biridir hujayra tsiklida biokimyoviy kalitlar va bir qator muhim uyali voqealarga, shu jumladan G2 hujayralari tsiklidagi hibsga olishlarga aloqador Ksenopus laevis oositlar, hujayra yoki organizm qaytishni istamaydigan bosqich.^[1]

Ultrasensitivlik - bu boshqa uyali holatga kirishni boshlaydigan uyali tizim.^[2] Ultrasensitivlik birinchi kirish signaliga ozgina javob beradi, ammo kirish signalining ko'payishi yuqori va yuqori darajadagi chiqishni keltirib chiqaradi. Bu shovqinni filtrlash uchun harakat qiladi, chunki tizimning tez faollashishiga imkon beradigan tetik uchun kichik stimullar va qo'zg'atuvchining chegara kontsentratsiyasi (kirish signali) zarur.^[3] Ultrasensitiv reaksiyalar o'xshash sigmasimon grafikalar bilan ifodalanadi kooperativlik. Ultrasensitivlik miqdorini ko'pincha taxminan tomonidan amalga oshiriladi Tepalik tenglamasi:

${ textstyle { ce {Response}} = {Stimulus ^ {n} over ({ ce {EC50}} ^ {n} + Stimulus ^ {n})}}$

Xill koeffitsienti (n) ultratovush ta'sirining miqdoriy o'lchovini ko'rsatishi mumkin bo'lgan joyda.^[4]

Ultrasensitiv reaksiya sxemasi (qattiq chiziq). Mixelian egri chizig'i (chiziqli chiziq) taqqoslash uchun kiritilgan.

Tarixiy rivojlanish

Nolinchi tartibli ultratovushni birinchi bo'lib Albert Goldbeter va Daniel Koshland, kichik 1981 yilda Milliy fanlar akademiyasi materiallari.^[5] Ular foydalanishni ko'rsatdilar matematik modellashtirish birinchi darajali kinetikadan tashqarida ishlaydigan fermentlarning modifikatsiyasi modifikatsiyalangan oqsil miqdorida katta o'zgarishlar qilish uchun effektor kontsentratsiyasida faqat kichik o'zgarishlarni talab qiladi. Ushbu kuchaytirish biologik nazoratda qo'shimcha sezgirlikni ta'minladi va bu ko'plab biologik tizimlarda muhimligini ko'rsatdi.

Ko'pgina biologik jarayonlar ikkilik (ON-OFF), masalan, hujayra taqdiri qarorlari,^[6] metabolik holatlar va signalizatsiya yo'llari. Ultrasensitivlik - bu bunday biologik jarayonlarda qaror qabul qilishga yordam beradigan kalit.^[7] Masalan, apoptotik jarayonda model shuni ko'rsatdiki, kasopaza 3 (Casp3) va Casp9 inhibitörlerinin apoptoz inhibitörleri tomonidan ijobiy geribildirim ultrasensitivite (bistabilite) olib kelishi mumkin. Ushbu ijobiy mulohaza Casp9-ning kaspaz faollashuvida qaytarilmaslikni hosil qilish uchun Casp9-ning teskari aloqasi bilan ishlaydi, bu hujayraning apoptoziga olib keladi.^[8] Boshqa bir model, shuningdek, apoptotik jarayonda Bcl-2 oilaviy oqsillarida o'xshash, ammo turli xil ijobiy teskari aloqa nazorati ko'rsatdi.^[9]

Yaqinda Jeyeraman va boshq. ultratovush sezgirlik fenomenini yana uchta kichik rejimga ajratish mumkin, ular keskin stimulning chegaraviy qiymatlari bilan ajratilgan: OFF, OFF-ON-OFF va ON. O'zlarining modellariga asoslanib, ular ushbu ult-sezgirlikning sub-rejimi, OFF-ON-OFF, kalitga o'xshash moslashishga o'xshaydi, uni N fosforillanish-deposforillanish davrlarini bir-biriga bog'lash yo'li bilan, hech qanday aniq teskari aloqa tsikllarisiz bajarish mumkin.^[10]

Yaqinda o'tkazilgan boshqa bir ishda ultrasensitivlik reaktsiyalarini yaratish uchun nafaqat tarmoqlarning topologiyasi muhimligi, balki ularning tarkibi (fermentlar va transkripsiya omillari) ularning kuchli ultratovush ta'sirchanligini ko'rsatishiga kuchli ta'sir ko'rsatishi ta'kidlangan. Matematik modellashtirish keng ko'lamli tarmoq topologiyalariga fermentlar va transkripsiya omillarining kombinatsiyasi to'liq transkripsiya omillaridan yoki umuman fermentlardan tashkil topgan tarmoqlarda ko'rilganidan ko'ra kuchli ultrasensitivlikni ta'minlashga intilishini taklif qiladi.^[11]

Mexanizmlar

Ultrasensitivlikka bir necha mexanizmlar orqali erishish mumkin:

1. Ko'p bosqichli mexanizmlar (misollar: kooperativlik)^[12] va multisite fosforillanish^[13]
2. Buferlash mexanizmlari (misollar: aldangan fosforillanish joylari)^[14] yoki stokiyometrik inhibitorlar^[15]
3. Mahalliylashtirishdagi o'zgarishlar (masalan, yadroviy konvert bo'ylab translokatsiya)
4. Doygunlik mexanizmlari (shuningdek, nolinchi darajali ultratovush sezgirligi)^[16]
5. Ijobiy mulohaza^[17]
6. Allovalency
7. Membran oqsillarida nolga teng bo'lmagan ultratovush sezgirlik
8. Dissipativ allosteriya

Ko'p bosqichli mexanizmlar

Ko'p bosqichli ultratovush sezgirlik bitta effektor kaskadda bir necha pog'onalarda harakat qilganda paydo bo'ladi.^[18] Ketma-ket ketma-ket signallar signalga yakuniy chiqishga xalaqit beradigan yuqori darajadagi shovqinlarni keltirib chiqarishi mumkin. Bu, ayniqsa, katta kaskadlar uchun dolzarbdir, masalan, transkripsiyani faollashtirishdan oldin asosiy regulyator signali bir nechta oraliq regulyatorlar orqali uzatiladigan flagellar tartibga solish tizimi.^[19] Kaskad ultratovush sezgirligi shovqinni kamaytirishi mumkin va shuning uchun faollashtirish uchun kamroq kirish talab etiladi.^[12] Bundan tashqari, bir nechta fosforillanish hodisalari ultratovush sezgirligining namunasidir. Yaqinda o'tkazilgan modellashtirish shuni ko'rsatdiki, membrana oqsillarida bir nechta fosforillanish joylari fermentlarning faolligini mahalliy darajada to'yintirishga xizmat qilishi mumkin. Membranadagi oqsillar harakatchanligi sitoplazmadagiga nisbatan ancha kamayadi, demak, membrana oqsiliga ta'sir etuvchi membrana bog'langan ferment uzoqroq tarqaladi. Membrana substratiga bir nechta fosforillanish joylari qo'shilishi bilan ferment - mahalliy ferment kontsentratsiyasi va substratlarning ko'payishi bilan tezda to'yinganlikka erishishi mumkin.^[20]

Buferlash mexanizmlari

Buferlash mexanizmlari, masalan, molekulyar titrlash ultratovush sezgirlik hosil qilishi mumkin. In vitro, buni oddiy mexanizm uchun kuzatish mumkin:

${ displaystyle { ce {A + B <=> AB}}}$

A ning monomerik shakli faol bo'lgan va uni AB ga bog'lash orqali inaktiv qilish mumkin bo'lgan joyda AB heterodimeri hosil bo'ladi. Konsentratsiyasi qachon ${ displaystyle B_ {T}}$ (= [B] + [AB]) tenglamadan ancha katta ${ displaystyle K_ {d}}$, bu tizim konsentratsiyasi bilan belgilangan chegarani namoyish etadi ${ displaystyle B_ {T}}$.^[21] Ning kontsentratsiyasida ${ displaystyle A_ {T}}$ (= [A] + [AB]), dan past ${ displaystyle B_ {T}}$, B A ni bo'shatish uchun bufer vazifasini bajaradi va deyarli hamma A AB bo'lib topiladi. Biroq, ekvivalentlik nuqtasida, qachon ${ displaystyle A_ {T}}$ ≈ ${ displaystyle B_ {T}}$, ${ displaystyle B_ {T}}$ endi o'sishni buferlay olmaydi ${ displaystyle A_ {T}}$, shuning uchun ozgina o'sish ${ displaystyle A_ {T}}$ A ning katta o'sishiga olib keladi.^[22] [A] ning ultratovush sezgirligining kuchi o'zgarishga ${ displaystyle A_ {T}}$ tomonidan belgilanadi ${ displaystyle B_ {T}}$/${ displaystyle K_ {d}}$.^[22] Ultrasensitivlik bu koeffitsient birdan kattaroq bo'lganda paydo bo'ladi va koeffitsient ortishi bilan ortadi. Ekvivalentlik nuqtasi ustida, ${ displaystyle A_ {T}}$ va A yana chiziqli bog'liqdir. In Vivo jonli ravishda, A va B sintezi hamda uchala komponentning degradatsiyasi ultratovush sezgirligini tug'diradi. Agar A va B sintez stavkalari teng bo'lsa, bu tizim hali ham ekvivalentlik nuqtasida ultrasensitivlikni namoyon etadi.^[22]

Tamponlash mexanizmining bir misoli - bu signalizatsiya va tartibga solish tarmoqlarida uchraydigan keng tarqalgan mexanizm bo'lgan oqsil sekvestratsiyasi.^[23] 2009 yilda Buchler va Kross sintetik genetik tarmoqni qurishdi, u dominant-manfiy inhibitor tomonidan transkripsiya aktivatorining oqsil sekvestratsiyasi bilan tartibga solindi. Ular ushbu tizim gen ekspressionida moslashuvchan ultrasensitiv reaktsiyaga olib kelishini ko'rsatdilar. Bu egiluvchan, ultratovush sezgirlik darajasi dominant-manfiy inhibitori ekspression darajalarining o'zgarishi bilan o'zgarishi mumkin. Ularning maqolasidagi 1-rasm, faol transkripsiya omilini qanday qilib inhibitör tomonidan DNKni bog'lay olmaydigan AB faol bo'lmagan kompleksiga ajratish mumkinligi tasvirlangan. Mexanizmning bu turi regulyator oqsilining konsentratsiyasi ingibitorni kamaytiradigan darajaga ko'tarilganda "umuman yoki umuman yo'q" javobini yoki ultransensitiviyani keltirib chiqaradi. Javobga qarshi mustahkam tamponlash ushbu kontsentratsiya chegarasidan pastroq bo'ladi va unga erishilganda har qanday kichik o'sish ishlab chiqarishdagi katta o'zgarishlarga kuchayadi.^{[iqtibos kerak ]}

Mahalliylashtirishdagi o'zgarishlar

Translokatsiya

Signal transduktsiyasi turli yo'llar bilan tartibga solinadi va usullaridan biri bu translokatsiya. Regulyatsiya qilingan translokatsiya ultrasensitiv ta'sirni asosan uchta usulda hosil qiladi:

1. Regulyatsiya qilingan translokatsiya signal beruvchi oqsilning mahalliy kontsentratsiyasini oshiradi. Signal beruvchi oqsilning konsentratsiyasi uni faolsizlantiradigan fermentni qisman to'ydiradigan darajada yuqori bo'lsa, ultrasensitiv reaksiya hosil bo'ladi.
2. Signal kassadining bir nechta tarkibiy qismlarining translokatsiyasi, bu erda stimul (kirish signali) ikkala signal beruvchi oqsilni va uning faollashtiruvchisini bir xil hujayra bo'linmasida translokatsiyasini keltirib chiqaradi va shu bilan signalning tezligi va aniqligini oshiradi.
3. Stoxiometrik inhibitorlarni o'z ichiga olgan bo'limga translokatsiya.^[4]

Translokatsiya signal uzatilishini tartibga solishning usullaridan biri bo'lib, u ultrasensitiv kalitga o'xshash javoblarni yoki ko'p bosqichli qayta aloqa mexanizmlarini yaratishi mumkin. Agar translokatsiya signal beruvchi oqsilning mahalliy kontsentratsiyasini oshirsa, kalitga o'xshash javob paydo bo'ladi. Masalan, epidermal o'sish omili (EGF) retseptorlari klatrindan mustaqil endotsitoz (CIE) va / yoki klatringa bog'liq endotsitoz (CDE) orqali ligand kontsentratsiyasiga bog'liq holda ichki holatga keltirilishi mumkin. Retseptorlarning ikkita yo'lga taqsimlanishi EGF kontsentratsiyasiga bog'liq ekanligi ko'rsatilgan. EGF ning past konsentratsiyasi mavjud bo'lganda, retseptor faqat CDE orqali ichki holatga keltirildi, yuqori konsentratsiyalarda esa retseptorlar CDE va ​​CIE o'rtasida teng taqsimlandi.^[4][24]

Doygunlik mexanizmlari (ultratovush nolga teng tartibda)

Nolinchi darajadagi ultratovush sezgirlik to'yingan sharoitda sodir bo'ladi.^[25] Masalan, kinaz, fosfataza va substrat bilan fermentativ bosqichni ko'rib chiqing. Barcha mavjud kinazlar va fosfatazalarni to'ydirish uchun etarli miqdordagi substrat mavjud bo'lganda, fosforillangan substratning barqaror darajalari ultrasensitiv ta'sirga ega.^[25][26] Bunday sharoitda kinaz va fosfataza faolligining ozgina o'zgarishi fosforillangan substrat sonini keskin o'zgartirishi mumkin (Ushbu xatti-harakatni aks ettiruvchi grafik uchun qarang. ^[5]). Fosforillangan substratning Km ga nisbatan sezgirligi yoki kinazning fosfataza faolligiga nisbati bu yaxshilanish, uni Mayklisis-Menten dinamikasi tomonidan tavsiflangan birinchi darajadagi xatti-harakatidan ajratish uchun nolli tartib deb nomlanadi, bunda barqaror holat kontsentratsiyasi ko'proq javob beradi. ultra-sezgirlikda namoyon bo'ladigan kalitga o'xshash xatti-harakatlardan asta-sekin moda.^[18]

Goldbeter & Koshland belgilaridan foydalanib,^[5] W ma'lum bir substrat oqsili bo'lsin va W 'ning kovalent ravishda o'zgartirilgan versiyasi bo'lsin. W ning W ga aylanishi ba'zi fermentlar tomonidan katalizlanadi. ${ displaystyle { ce {E1}}}$ va W 'ning W ga teskari konvertatsiyasi ikkinchi ferment tomonidan katalizlanadi ${ displaystyle { ce {E2}}}$ quyidagi tenglamalar bo'yicha:

${ displaystyle { begin {array} {rcrcr} W + E_ {1} & { ce {<=> [a_1] [d_1]}} & WE_ {1} & { ce {-> [k_1] }} Va W '+ E_ {1} {} W' + E_ {2} & { ce {<=> [a_2] [d_2]}} va W'E_ {2} va { ce {- > [k_2]}} va W + E_ {2} {} end {array}}}$

Barcha kerakli komponentlarning (masalan, ATP) kontsentratsiyasi doimiy va kinetik konstantalarda ifodalanadi. tezlik tenglamalari har bir komponent uchun:

${ displaystyle { frac {d [W]} {dt}} = - a_ {1} [W] [E_ {1}] + d_ {1} [WE_ {1}] + k_ {2} [W ' E_ {2}]}$

${ displaystyle { frac {d [WE_ {1}]} {dt}} = a_ {1} [W] [E_ {1}] - (d_ {1} + k_ {1}) [WE_ {1} ]}$

${ displaystyle { frac {d [W ']} {dt}} = - a_ {2} [W'] [E_ {2}] + d_ {2} [W'E_ {2}] + k1 [WE_ {1}]}$

${ displaystyle { frac {d [W'E_ {2}]} {dt}} = a_ {2} [W '] [E_ {2}] - (d_ {2} + k_ {2}) [W 'E_ {2}]}$

Har bir komponentning umumiy kontsentratsiyasi quyidagicha:

${ displaystyle [W_ {T}] = [W] + [W '] + [WE_ {1}] + [W'E_ {2}]}$

${ displaystyle [E_ {1T}] = [E_ {1}] + [WE_ {1}]}$

${ displaystyle [E_ {2T}] = [E_ {2}] + [W'E_ {2}]}$

Nolinchi tartib mexanizmi ${ displaystyle [W_ {T}] gg [E_ {1}]}$ yoki ${ displaystyle [E_ {2}]}$. Boshqacha qilib aytganda, tizim Mayklis-Mentenning barqaror holatidadir, ya'ni yaxshi yaqinlashishni anglatadi ${ displaystyle [WE_ {1}]}$ va ${ displaystyle [W'E_ {2}]}$ doimiydir.Bu kinetik ifodalardan echish mumkin ${ displaystyle V_ {1} / V_ {2}}$ barqaror holatni aniqlashda ${ displaystyle W = [W] / [W_ {T}]}$ va ${ displaystyle W = 1-W '}$

${ displaystyle { frac {V_ {1}} {V_ {2}}} = { frac {W ' chap (1-W' + K_ {1} o'ng)} { chap (1-W ') o'ng) chap (W '+ K_ {2} o'ng)}},}$

qayerda ${ displaystyle k_ {1} [WE_ {1}] = k_ {2} [W'E_ {2}]}$ va

${ displaystyle V_ {1} = k_ {1} [E_ {1T}],}$

${ displaystyle V_ {2} = k_ {2} [E_ {2T}],}$

${ displaystyle K_ {1} = { frac {d_ {1} + k_ {1}} {a_ {1} [W_ {T}]}} = { frac {K_ {M1}} {[W_ {T }]}},}$

${ displaystyle K_ {2} = { frac {d_ {2} + k_ {2}} {a_ {2} [W_ {T}]}} = { frac {K_ {M2}} {[W_ {T }]}}.}$

Qachon ${ displaystyle V_ {1} / V_ {2}}$ molar nisbatiga qarab chizilgan ${ displaystyle W '}$ va ${ displaystyle W}$ ko'rinib turibdiki, W dan W 'ga o'tish konvertatsiya qilish juda kichik o'zgarishlarda sodir bo'ladi ${ displaystyle V_ {1} / V_ {2}}$ nisbati birinchi darajadagi (to'yingan bo'lmagan) sharoitlarda, bu ultratovush sezgirligining belgisidir.

Ijobiy mulohaza

Ijobiy geribildirim tsikli ultratovushli javoblarni keltirib chiqarishi mumkin. Bunga misol, ba'zi bir eukaryotik genlarning transkripsiyasida ko'rinadi, unda kooperativ bo'lmagan transkripsiya faktorining bog'lanishi giston modifikatsiyasining ijobiy teskari halqalarini o'zgartiradi, natijada transkripsiyaning ultratovush sezgirligi faollashadi. Transkripsiya faktorining bog'lanishi giston asetiltransferazalar va metiltransferazalarni jalb qiladi. Gistonlarning atsetilatsiyasi va metilatsiyalanishi ko'proq atsetiltransferaza va metiltransferazlarni jalb qiladi, natijada ijobiy teskari aloqa hosil bo'ladi. Natijada, bu transkripsiyani faollashtirishga olib keladi.^[17]

Bundan tashqari, ijobiy teskari aloqa rag'batlantirishi mumkin bistabillik yilda Siklin B1 - ikkita regulyator Wee1 va Cdc25C tomonidan hujayraning mitoz qilishga qaror qilishiga olib keladi. Tizim B1 siklinining oraliq darajalarida barqaror tura olmaydi va B1 siklini darajasining oshishi tizimni past darajadan yuqori faollikka o'tkazganda ikki barqaror holat o'rtasida o'tish keskin bo'ladi. Ko'rgazma histerez, turli darajadagi Cyclin B1 uchun pastdan balandga va yuqori darajadan pastgacha bo'lgan holatlar o'zgaradi.^[27] Biroq, bistable tizimining paydo bo'lishiga uning teskari aloqa tsikllarining sezgirligi katta ta'sir ko'rsatadi. Bu ko'rsatilgan Ksenopus tuxum ekstraktlari, bu Cdc25C giperfosforillanish Cdk faolligining yuqori ultrasensitiv funktsiyasi bo'lib, uning yuqori qiymatini ko'rsatadi. Tepalik koeffitsienti (taxminan 11) va Cdc25C-dagi Ser 287 ning fosforillanish pog'onasi (shuningdek, Cdc25C faollashuvida ishtirok etadi) ultratovush sezgir bo'lib, taxminan Hill koeffitsientini namoyish etadi.^[28]

Allovalency

Taklif etilgan ultrasensitvit mexanizmi allovalency, faoliyat "bir-biridan mustaqil ravishda harakatlanadigan ta'sir o'tkazish joylarining yuqori mahalliy kontsentratsiyasidan kelib chiqadi" degan fikrni bildiradi^[29] Allovalency birinchi bo'lib uning yo'lida paydo bo'lishiga ishonilganda taklif qilingan Sic1, uchun buzilgan CD1 -Clb (B tipidagi tsiklinlar ) mitozga kirishga ruxsat berish. Ning Sdc4 tomonidan tan olinishi va parchalanishi uchun Sic1 bir necha marta fosforillangan bo'lishi kerak SCF majmuasi.^[30] Cdc4 tarkibida ushbu fosforlangan qoldiqlarni tanib olish uchun bitta joy bo'lganligi sababli, fosforillanish miqdori oshgani sayin, Sic1 ning Cdc4 tomonidan tan olinishi va parchalanishi ehtimolini muttasil oshiradi. Ushbu turdagi shovqin har qanday saytni yo'qotishdan nisbatan immunitetga ega deb hisoblangan va alohida saytlarning xususiyatlarini sozlash orqali har qanday chegaraga osongina sozlangan. Allovalenslik mexanizmi haqidagi taxminlar ko'p valentli tartibsiz ligand va bitta retseptorlari uchastkasining o'zaro ta'sirini tavsiflovchi umumiy matematik modelga asoslangan edi.^[29] Keyinchalik Sic1 degregatsiyasi natijasida Cdk1 darajasidagi ultrasentivlik aslida ijobiy teskari aloqa tufayli yuzaga kelganligi aniqlandi.^[31]

Membran oqsillarida nolga teng bo'lmagan ultratovush sezgirlik

Dyushek tomonidan modellashtirish va boshq.^[32] nol tartibli rejimdan tashqarida ultratovush sezgirlikning mumkin bo'lgan mexanizmini taklif qiladi. Ko'plab fermentativ joylari bo'lgan membrana bilan bog'langan substratlarda (masalan, T-hujayra retseptorlari kabi tirozin-fosforillangan retseptorlari) ta'sir qiluvchi membrana bilan bog'langan fermentlar uchun ultrasensitiv reaktsiyalarni ko'rish mumkin, bu juda muhim uchta omilga bog'liq: 1) cheklangan diffuziya membrana, 2) substratda ko'p bog'lanish joylari va 3) katalizdan keyin qisqa fermentativ inaktivatsiya.

Ushbu o'ziga xos sharoitlarda, ferment substratdan oshib ketishi mumkin bo'lsa-da (birinchi darajali rejim), ferment ko'p miqdordagi bog'lanish joylari tufayli mahalliy darajada substrat bilan to'yingan bo'lib, bu kalitlarga o'xshash javoblarga olib keladi. Ushbu ultrasensitivlik mexanizmi fermentlar kontsentratsiyasidan mustaqildir, ammo substratdagi bog'lanish joylari soniga qarab signal sezilarli darajada kuchayadi.^[32] Ikkala shartli omil (cheklangan diffuziya va inaktivatsiya) fiziologik jihatdan ishonchli, ammo hali tajribada tasdiqlanmagan. Dyushekning modellashtirish jarayonida ko'p miqdordagi substrat joylari (fosforillanish joylari) va ferment va substrat o'rtasida ko'proq sterik / diffuzion to'siqlarga ega bo'lgan Hill kooperativligi sonining ko'payishi aniqlandi. Mahalliy fermentlar to'yinganligiga asoslangan ultratovush sezgirlikning ushbu mexanizmi qisman sekin membrana diffuziyasining passiv xususiyatlaridan kelib chiqadi va shuning uchun umuman qo'llanilishi mumkin.

Dissipativ allosteriya

Bakterial flagellar dvigatelga dissipativ allosterik modelga amal qilish taklif qilingan, bu erda ultrasensitivlik protonning harakatlantiruvchi kuchidan oqsillarni bir-biriga bog'lash yaqinligi va energiya qo'shimchalarining kombinatsiyasi sifatida keladi (quyida Flagellar motorlari va ximotaksisiga qarang).

Yuqori va quyi qismlarning tarkibiy qismlarining modulning ultratovush sezgirligiga ta'siri

Tirik hujayrada ultrasensitiv modullar yuqori va quyi qismlarga ega bo'lgan katta tarmoqqa joylashtirilgan. Ushbu komponentlar modul qabul qiladigan ma'lumotlar va tarmoq aniqlay oladigan modul natijalarini cheklashi mumkin. Altszyler va boshq. (2014)^[33] modulli tizimning ultratovush sezgirligi ushbu cheklovlardan qanday ta'sirlanishini o'rganib chiqdi. Ba'zi ultratovushli motiflar uchun, quyi oqim tarkibiy qismlari tomonidan qo'yiladigan dinamik diapazon cheklovlari, alohida ajratilgan holda ko'rib chiqilganda, asl modulga qaraganda ancha katta ta'sirchanlikni keltirib chiqarishi mumkin.

Tepalik koeffitsienti

Ultrasensitiv xatti-harakatlar odatda sigmasimon egri chiziq bilan ifodalanadi, chunki stimul tarkibidagi kichik o'zgarishlar ${ displaystyle [L]}$ javobdagi katta o'zgarishlarni boshlashi mumkin ${ displaystyle theta}$. Bunday munosabatlardan biri Tepalik tenglamasi:

${ displaystyle theta = { frac {[L] ^ {n}} {K_ {d} + [L] ^ {n}}} = { frac {[L] ^ {n}} {(K_ { A}) ^ {n} + [L] ^ {n}}},}$

qayerda ${ displaystyle n}$ sigmasimon stimulga javob egri chizig'ining tikligini aniqlaydigan Hill koeffitsienti va shuning uchun u sezgirlik parametridir. Bu ko'pincha tizimning kooperativligini baholash uchun ishlatiladi. Birdan kattaroq Hill koeffitsienti ijobiy hamkorlikning ko'rsatkichidir va shu sababli tizim ultratovushga ega.^[34] Hill koeffitsienti 1 bo'lgan tizimlar kooperativ emas va klassik Mayklis-Menten kinetikasiga amal qiladi. Kooperativ bo'lmagan faollikni ko'rsatadigan fermentlar kooperativ (ultrasensitiv) fermentlar uchun sigmoidal egri chiziqlarga nisbatan giperbolik stimul / javob egri chiziqlari bilan ifodalanadi.^[35]Mitogen bilan faollashtirilgan protein kinaz (MAPK) signalizatsiyasida (quyida keltirilgan misolga qarang) signalning ultrasensitivligi sigmasimon stimulyatsiya / javob egri chizig'i tomonidan qo'llab-quvvatlanadi, bu Hill koeffitsienti 4.0-5.0 ga teng. Bu Hill koeffitsienti 2,8 bo'lgan gemoglobinning kooperativ majburiy faolligi uchun ultratovushga ko'proq mos keladi.^[35]

Hisoblash

Operatsion nuqtai nazardan Hill koeffitsientini quyidagicha hisoblash mumkin:

${ displaystyle n_ {H} = { frac { ce { log (81)}} { ce { log (EC90 / EC10)}}}}$.

qayerda ${ displaystyle { ce {EC90}}}$ va ${ displaystyle { ce {EC10}}}$ maksimal javobning mos ravishda 10% va 90% ni ishlab chiqarish uchun zarur bo'lgan kirish qiymatlari.

Javob koeffitsienti

Tepalik koeffitsienti kabi global sezuvchanlik o'lchovi s shaklidagi egri chiziqlarning mahalliy harakatlarini tavsiflamaydi. Buning o'rniga, ushbu xususiyatlar javob koeffitsienti o'lchovi bilan yaxshi aniqlangan ^[36] quyidagicha belgilanadi:

${ displaystyle R (x) = { frac {x} {y}} { frac {dy} {dx}}}$

Tepalik koeffitsienti va javob koeffitsienti o'rtasidagi bog'liqlik

Altszyler va boshq. (2017) ushbu ultratovush sezgirlik ko'rsatkichlarini quyidagi tenglama bilan bog'lash mumkinligini ko'rsatdi:^[37]

${ displaystyle n_ {H} = 2 { frac { int _ { ce { log (EC10)}} ^ { ce { log (EC90)}} R_ {f} (I) d ( log I)} { ce { log (EC90) - log (EC10)}}} = 2 Rangle l_ {f} rangle _ { ce {EC10, EC90}}}$

qayerda ${ displaystyle langle X rangle _ {a, b}}$ x o'zgaruvchining [a, b] oralig'idagi o'rtacha qiymatini belgilagan.

Funktsiya tarkibidagi ultrasensitivlik

Molekulyar komponentlarning qatlamlar orasidagi sekvestratsiya ta'sirini hisobga olmaganda, ikkita ulangan ultratovush sezgir modulni ko'rib chiqing. Bunday holda, tizimning dozaga javob egri chizig'ining ifodasi, ${ displaystyle F}$, funktsiyalarning matematik tarkibi natijasida, ${ displaystyle f_ {i}}$, ajratilgan modullarning kirish / chiqish munosabatlarini tavsiflovchi ${ displaystyle i = 1,2}$:

${ displaystyle F (I_ {1}) = f_ {2} { big (} f_ {1} (I_ {1}) { big)}}$

Braun va boshq. (1997) ^[38] turli qatlamlarning mahalliy ultratovush sezgirligi ko'paytma bilan birlashishini ko'rsatdi:

${ displaystyle R (x) = R_ {2} (f_ {1} (x)). R_ {1} (x)}$.

Ushbu natija bilan bog'liq holda Ferrell va boshq. (1997) ^[39] Hill tipidagi modullar uchun umumiy kaskadli global ultratovush sezgirligi har bir kaskad qatlamining global ultratovush sezgirligi mahsulotidan kam yoki teng bo'lishi kerakligini ko'rsatdi,

${ displaystyle n leq n_ {1} .n_ {2}}$,

qayerda ${ displaystyle n_ {1}}$ va ${ displaystyle n_ {2}}$ mos ravishda 1 va 2 modullarning Hill koeffitsienti.

Altszyler va boshq. (2017) ^[37] kaskadning global ultratovush sezgirligini analitik ravishda hisoblash mumkinligini ko'rsatdi:

${ displaystyle n = 2 overbrace { langle R_ {2} rangle _ {X10_ {2}, X90_ {2}}} ^ { nu _ {2}} overbrace { langle R_ {1} rangle _ {X10_ {1}, X90_ {1}}} ^ { nu _ {1}} = 2 , nu _ {2} , nu _ {1}}$

qayerda ${ displaystyle X10_ {i}}$ va ${ displaystyle X90_ {i}}$ kompozitsion tizimning Hill kiritishining ishlash doirasini, ya'ni i-qavat uchun kirish qiymatlarini ajratib qo'ydi, shunda oxirgi qavat (mos keladigan ${ displaystyle i = 2}$ bu holda) uning maksimal ishlab chiqarish darajasining 10% va 90% ga yetdi. Tizimning Hill koeffitsienti bu tenglamadan kelib chiqdi ${ displaystyle n}$ ikki omilning mahsuloti sifatida yozilishi mumkin, ${ displaystyle nu _ {1}}$ va ${ displaystyle nu _ {2}}$har bir qatlam uchun tegishli kirish mintaqasi bo'yicha mahalliy o'rtacha sezuvchanlikni tavsiflovchi: ${ displaystyle [X10_ {i}, X90_ {i}]}$, bilan ${ displaystyle i = 1,2}$ Ushbu holatda.

Kaskadining umumiy holati uchun ${ displaystyle N}$ modullari, Hill koeffitsienti quyidagicha ifodalanishi mumkin:

${ displaystyle n = nu _ {N} , nu _ {N-1} ... nu _ {1}}$,

Supramultiplikativlik

Bir nechta mualliflar kaskadli signallarda supramultiplikativ xatti-harakatlarning mavjudligi haqida xabar berishdi ^[40][33](ya'ni qatlamlar birikmasining ultrasensitivligi individual ultrasensitivlik mahsulotidan yuqori), ammo ko'p hollarda supramultiplikativlikning yakuniy kelib chiqishi qiyin bo'lib qoldi. Altszyler va boshq. (2017)^[37] ramka tabiiy ravishda supramultiplikativ xatti-harakatlar sodir bo'lishi mumkin bo'lgan umumiy stsenariyni taklif qildi. Bu, ma'lum bir modul uchun, tegishli Hillning kirish ish diapazoni, tegishli ultratovush sezgirligidan yuqori bo'lgan mahalliy ultratovushga ega bo'lgan kirish hududida joylashganida yuz berishi mumkin.

Uyali aloqa jarayonlaridagi roli

MAP Kinase signalizatsiya kaskadi

Ultrasensitivlikni namoyish etadigan hamma joyda mavjud signalizatsiya motifi MAPK (mitogen bilan faollashtirilgan protein kinaz ) darajali kirish signalini qabul qilishi va shunga o'xshash kalitga o'xshash chiqishi mumkin bo'lgan kaskad gen transkripsiyasi yoki hujayra tsiklining rivojlanishi. Ushbu umumiy motifda MAPK kaskaddagi MAPK kinaz yoki MAPKK deb nomlangan oldingi kinaz tomonidan faollashadi. Xuddi shunday, MAPKK MAPKK kinaz yoki MAPKKK tomonidan faollashtiriladi. Ushbu kinazalar MAPKKK faollashganda ketma-ket fosforillanadi, odatda membrana bilan bog'langan retseptorlari oqsili qabul qilgan signal orqali. MAPKKK MAPKKni faollashtiradi va MAPKK MAPKni faollashtiradi.^[35] Ultrasensitivlik ushbu tizimda bir nechta xususiyatlar tufayli paydo bo'ladi:

1. MAPK va MAPKK ikkala fosforillanish hodisalarini faollashtirishni talab qiladi.
2. MAPK-ni bekor qilish fosforillanish aniq bo'yicha fosfatazalar bir xil kattalikdagi chiqishga erishish uchun har bir oldingi kinazdan faollashuv signallarining ortib boruvchi konsentratsiyasini talab qiladi.
3. MAPKK yuqori konsentratsiyasida K_Μ uning o'ziga xos fosfataza va MAPK uchun K dan yuqori konsentratsiyada_Μ MAPKK uchun.

Mitogen bilan faollashtirilgan protein (MAP) kinaz kaskadidagi ultrasensitivlik^[35]

MAPK kaskadidan tashqari ultrasensitivite mushak glikolizida, izotsitrat dehidrogenaza fosforillanishida va kalmodulinga bog'liq protein kinaz II (CAMKII) faollashuvida ham qayd etilgan.^[34]

Ultrasensitiv kalit oddiy chiziqli signal beruvchi oqsilni (N-WASP) birdan beshgacha birlashtirish orqali ishlab chiqilgan SH3 autoinhibitory va kooperativ xususiyatlarga ega bo'lgan o'zaro ta'sir modullari. Bitta SH3 modulining qo'shilishi ekzogen SH3-bog'lovchi peptid tomonidan chiziqli ravishda faollashtirilgan kalitni yaratdi. Domenlar sonining ko'payishi ultrasensitivlikni oshirdi. Uchta SH3 moduli bo'lgan konstruktsiya 2.7 koeffitsientli Hill koeffitsienti va beshta SH3 moduli bo'lgan konstruktsiya 3.9 koeffitsientli Hill koeffitsienti bilan faollashtirildi.^[41]

Translokatsiya

Davomida G2 fazasi hujayra tsiklining, CD1 va velosiped B1 kompleks yasaydi va shakllantiradi kamolotga yordam beruvchi omil (MPF). Kompleks yadroda B1 siklinining ko'p joylarda fosforillanishi tufayli to'planib qoladi, bu esa kompleksning yadro eksportini inhibe qiladi. Thd19 va Td15 qoldiqlarini Cdk1 ning fosforillanishi Voy1 va MYT1 kompleksni harakatsiz tutadi va mitozga kirishni inhibe qiladi, Cdk1 ning deposforlanishi esa CDC25C Thr19 va Tyr15 qoldiqlarida fosfataza, mitozga kirish uchun zarur bo'lgan kompleksni faollashtiradi. Cdc25C fosfataza sitoplazmada mavjud bo'lib, kech G2 fazasida u PIK1,^[42] PIK3.^[43] MPF va uning faollashtiruvchisi Cdc25 bir nechta kerakli signalli kaskadli tarkibiy qismlarning tartibga solinadigan translokatsiyasi va to'planishi MPFning faol faollashishini hosil qiladi va mitozga o'ta sezgir kirish hosil qiladi.^[4]

Shakl^[4] signal komponentlarini lokalizatsiyasini rag'batlantirish (kirish signali) orqali regulyatsiyani kuchayishini mikaellik reaktsiyadan ultrasensitiv ta'sirga qanday o'zgartirishi uchun turli xil mexanizmlarni ko'rsatadi. Rag'batlantirish faqat Cdk1-siklinB1 yadro eksportining inhibisyonini tartibga solganda, natijada Michaelianning javobidir, (a) rasm. Ammo agar ogohlantiruvchi signal kaskadining bir nechta tarkibiy qismlarini lokalizatsiyasini tartibga solishi mumkin bo'lsa, ya'ni Cdk1-siklinB1 yadrosi eksportini inhibe qilish va Cdc25C ning yadroga ko'chirilishi bo'lsa, unda natija ultrasensitiv javob bo'ladi, shakl (b). Signal kaskadining ko'proq tarkibiy qismlari stimulyatsiya bilan tartibga solinadigan va lokalizatsiya qilinganligi sababli - ya'ni. Cdk1-siklinB1 yadro eksportini inhibe qilish, Cdc25C ning yadroga ko'chishi va Cdc25C ning faollashishi - chiqish reaksiyasi tobora ultratovushga aylanadi, (s-rasm).^[4]

Buferlash (aldanish)

Davomida mitoz, mitotik mil yo'nalish parchalanish joyini aniqlash va keyingi hujayralar uchun keyingi hujayralarning holatini aniqlash uchun juda muhimdir hujayra taqdirini aniqlash.^[44] Ushbu yo'nalishga kortikal omillarni polarizatsiya qilish va milni qutblanish o'qi bilan tez tekislash orqali erishiladi. Meva chivinlarida milning holatini tartibga soluvchi uchta kortikal omil aniqlandi: heterotrimerik G oqsili a subbirlik (Gai),^[45] Inscuteable (Pins) sherigi,^[46] va qo'ziqorin tanasida nuqson (loy).^[47] Gai Pinsni jalb qilish uchun apikal korteksda joylashgan. Yalpi ichki mahsulotga bog'liq Gai bilan bog'langandan so'ng Pins faollashadi va kortikal omillarning polarizatsiyalangan taqsimlanishiga erishish uchun loyni jalb qiladi.^[48] N-terminal tetratrikopeptid Pins-da takrorlanadigan (TPRs) loy uchun majburiy mintaqa hisoblanadi, ammo Gai yo'q bo'lganda ichki C-terminal GoLoco domenlari (GL) tomonidan avtoinibib qilinadi.^[49][50] Pinlarning GA bilan GL bilan bog'lanishini faollashishi ultratovush sezgir bo'lib, quyidagi aldanish mexanizmi orqali amalga oshiriladi:^[14] GL 1 va 2 Gai kirishlari uchun tartibga soluvchi domen GL3 bilan raqobatlashib, aldangan domenlar vazifasini bajaradi. Ushbu molekula ichidagi aldanish mexanizmi pinlarga aniq Gai kontsentratsiyasiga javoban uning chegarasini va tikligini o'rnatishga imkon beradi. Kam Gai kirishlarida aldangan GLs 1 va 2 imtiyozli ravishda bog'langan. O'rta Gai kontsentratsiyasida aldovchilar deyarli to'yingan va GL3 to'ldirila boshlaydi. Gai kontsentratsiyasining yuqoriligida aldovchilar to'liq to'yingan va Gai GL3 bilan bog'lanib, Pins aktivatsiyasiga olib keladi. Gai-ga javoban pimlarning ultrasensitivligi Pinsni faqat apikal korteksda faollashishini ta'minlaydi, bu erda Gai konsentratsiyasi chegaradan yuqori bo'lib, loyni maksimal darajada jalb qilishga imkon beradi.^{[iqtibos kerak ]}

GTPazalarning ishlashini almashtirish

GTPazalar guanozin trifosfat (GTP) ni bog'lash va gidrolizlashga qodir fermentlardir. Ran va Ras kabi kichik GTPazlar yoki GTP bilan bog'langan shaklda (faol) yoki YaIMga bog'langan shaklda (nofaol) mavjud bo'lishi mumkin va bu ikkala shakl orasidagi konversiya ularga kalitlarga o'xshash xatti-harakatlarni beradi.^[51] Shunday qilib, kichik GTPazlar bir nechta uyali hodisalarda, shu jumladan yadroviy translokatsiya va signalizatsiya jarayonida ishtirok etadi.^[52] Faol va harakatsiz holatlar o'rtasida o'tishga yordam beradi guanin nukleotidlari almashinuvi omillari (GEF) va GTPaza faollashtiruvchi oqsillar (GAP).^[53]

GTPazlarning kommutatsion xatti-harakatlari bo'yicha o'tkazilgan hisob-kitob ishlari GTPase-GAP-GEF tizimining ultratovush sezgirligini ko'rsatdi.^[54] Ularning ishlarida Lipshtat va boshq. faol A2-adrenerjik (a2R) retseptorlari signallariga javoban GEF va GAP aktivatsiyasi darajalarining Rap aktivatsiyalash signalizatsiya tarmog'iga ta'sirini simulyatsiya qildi, bu esa faollashtirilgan Rap GAP ning degradatsiyasiga olib keladi. Ular Rap aktivatsiyasining kommutatsiya harakati kontsentratsiyaning o'zgarishiga (ya'ni amplituda) va aR signalining davomiyligiga ultrasensitiv ekanligini aniqladilar. Tepalik koeffitsientlari mos ravishda nH = 2.9 va nH = 1.7 (nH = 1 dan yuqori Hill koeffitsienti ultratovushga xosdir ^[55]). Mualliflar buni eksperimental tarzda neyroblastlarni HU-210 bilan davolash orqali tasdiqladilar, bu esa Rap GAP degradatsiyasi orqali RAPni faollashtiradi. Ultrasensitivlik dozaga bog'liq ravishda (nH = 5 ± 0,2), har xil HU-210 konsentratsiyali hujayralarni belgilangan vaqt davomida davolash orqali va davomiylikka bog'liq holda (nH = 8,6 ± 0,8), hujayralarni davolash orqali kuzatildi. har xil vaqtlarda qattiq HU-210 konsentratsiyasi bilan.^{[iqtibos kerak ]}

Tizimni yanada o'rganish orqali mualliflar (javob berish darajasi va ultrasensitivlik darajasi) ikki parametrga katta bog'liqligini aniqladilar: kGAP / kGEF ning boshlang'ich nisbati, bu erda k faol GAP yoki GEF kontsentratsiyasini va ularning tegishli kinetik stavkalarini o'z ichiga oladi; va faollashtirilgan GAP degradatsiyasi darajasi va signal amplitudasi yoki signal davomiyligi mahsuloti bo'lgan signal zarbasi.^[54] KGAP / kGEF parametri ultratovushga olib keladigan yuqori qiymatlar (~ 10) bilan GTPaza kalitining ikkita holatidan o'tishning keskinligiga ta'sir qiladi. Signalning ta'siri kommutatsiya nuqtasiga ta'sir qiladi. Shuning uchun, individual kontsentratsiyalarga emas, balki kontsentratsiyalar nisbatlariga qarab, tizimning kalitga o'xshash xatti-harakatlari nol tartibidan tashqarida ham ko'rsatilishi mumkin.^[56]

Ultrasensitivlik va neyronlarning kuchlanishi

Neyron sinapsida doimiy stimulyatsiya post-sinaptik neyron uchun sezilarli darajada farqli natijalarga olib kelishi mumkin. Kengaytirilgan zaif signalizatsiya olib kelishi mumkin uzoq muddatli depressiya (LTD), bu erda post-sinaptik neyronning faollashishi LTD boshlanishidan oldin kuchliroq signalni talab qiladi. Farqli o'laroq, uzoq muddatli kuchaytirish (LTP) post-sinaptik neyron kuchli stimulga duchor bo'lganda paydo bo'ladi va bu asab sinapsining kuchayishiga olib keladi (ya'ni faollashtirish uchun kamroq nörotransmitter signal kerak).

Gipokampusning CA1 mintaqasida LTD va LTP o'rtasidagi qaror faqat hujayra ichidagi darajadan kelib chiqadi. ${ displaystyle { ce { scriptstyle Ca ^ {2} +}}}$ post-sinaptik dendritik umurtqada. Ning past darajasi ${ displaystyle { ce { scriptstyle Ca ^ {2} +}}}$ (past darajadagi stimulyatsiya natijasida) fosfataza oqsilini faollashtiradi kalsineurin, bu LTDni keltirib chiqaradi. Ning yuqori darajalari ${ displaystyle { ce { scriptstyle Ca ^ {2} +}}}$ natijalarini faollashtirishga olib keladi ${ displaystyle scriptstyle color {Moviy} { ce {Ca ^ 2 +}}}$/ kalmodulinga bog'liq protein kinaz LTP ga olib keladigan II (CaMKII). Ca ning farqi²⁺ hujayraning LTP dan o'tishi uchun zarur bo'lgan kontsentratsiya LTDga qaraganda ancha yuqori va doimiy stimulyatsiyadan so'ng neyronlarning bistiligi (LTP yoki LTD) namoyon bo'lgani sababli, bu tizimning bir yoki bir nechta komponentlari kalitga o'xshash yoki ultratovushga javob beradi. uslub. Bradshaw va boshq. CaMKII (LTP induktori) hujayra ichidagi kaltsiy darajalariga ultrasensitiv tarzda ta'sir ko'rsatishini ko'rsatdi, 1,0 uM da <10% faollik va 1,5 uM da ~ 90% faollik, natijada Xill koeffitsienti ~ 8. Keyingi tajribalar shuni ko'rsatdiki, bu ultratovushlik CaMKII ni ikki molekula bilan kooperativ bog'lash orqali amalga oshirildi. kalmodulin (CaM) va avtofosforillanish ijobiy teskari aloqa aylanishiga olib keladigan faollashtirilgan CaMKII ning.^[57]

Shunday qilib, hujayra ichidagi kaltsiy kalsineurinning past darajadagi ultrasensitiv bo'lmagan faollashuvini keltirib chiqarishi mumkin, bu esa LTD ga olib keladi, CaMKII ning ultrasensitiv faollashuvi esa hujayra ichidagi kaltsiy darajasiga olib keladi, bu signalni kuchaytiradigan va olib keladigan ijobiy teskari aloqa hosil qiladi. qarama-qarshi uyali natijalarga: LTP. Shunday qilib, bitta substratning turli xil sezgirliklarga ega bo'lgan bir nechta fermentlar bilan bog'lanishi hujayraning LTD yoki LTP dan o'tishi uchun bistable qarorini osonlashtiradi.^[58]

Rivojlanishdagi ultrasensitivlik

Nolinchi darajadagi ultratovush sezgirlik rivojlanish jarayonida chegaralangan morfogen kiritishni ikkilik kalitga o'xshash javobga aylantirishga imkon beradigan chegara hosil qilishi mumkin degan fikrlar mavjud.^[59] Melen va boshq. (2005) ushbu tizim uchun namunalarni namunalashda topdi Drosophila embrional ventral ektoderm.^[60] Ushbu tizimda darajalangan mitogen bilan faollashtirilgan oqsil kinaz (MAPK) faolligi Ikkilik chiqishga, Yan transkripsiyali repressorning umuman yo'q bo'lishiga aylantiriladi. Ular Yanning MAPK fosforillanishi Yan degradatsiyasi uchun juda zarur va etarli ekanligini aniqladilar. Nol tartibli ultratovush sezgirlikka mos ravishda Yan oqsilining ko'payishi degradatsiya uchun zarur bo'lgan vaqtni uzaytirdi, ammo embrionlarning rivojlanishida Yan degradatsiyasi chegarasiga hech qanday ta'sir ko'rsatmadi. Ularning natijalari Yanning katta hovuzi butunlay buzilib ketadigan yoki saqlanib qoladigan holatga mos keladi. Har bir hujayraning o'ziga xos reaktsiyasi, MAPK tomonidan qaytariladigan Yan fosforillanish darajasi deposforilatsiyadan kattaroq yoki kamligiga bog'liq. Shunday qilib, MAPK fosforillanishining ozgina ko'payishi uning hujayradagi dominant jarayoni bo'lishiga va Yanning to'liq degradatsiyasiga olib kelishi mumkin.

Ko'p qadamli teskari aloqa mexanizmi ultratovushga olib keladi

Ko'p qadamli teskari aloqa mexanizmi ultratovushga olib keladi. Namunaviy tizim sifatida xamirturush bilan bog'langan mitogen bilan faollashtirilgan oqsil (MAP) kinaz yo'lidan foydalangan holda sintetik qayta aloqa muhandisligi haqida ma'lumot mavjud.

Xamirturush juftlashish yo'lida: alfa-faktor retseptorlari, Ste2 va Ste4 ni faollashtiradi va faollashtirilgan Ste4 Ste5 kompleksini membranaga qo'shib, PAKga o'xshash kinaz Ste20 (membrana bilan lokalize qilingan) ga MAPKKK Ste11 ni faollashtirishga imkon beradi. Ste11 va quyi oqimdagi Steaz (MAPKK) va Fus3 (MAPK) iskala ustida kokalizatsiyalangan va kaskadning faollashishi transkripsiya dasturiga olib keladi. Ular yadro kaskadidan tashqarida yo'l modulyatorlaridan foydalanganlar, Ste50 Ste11 tomonidan Ste11 ni faollashtirishga yordam beradi; Msg5 (manfiy, qizil) - Fus3 ni o'chiradigan MAPK fosfataza (2A-rasm).

What they built was circuit with enhanced ultrasensitive switch behavior by constitutively expressing a negative modulator, Msg5 which is one of MAPK phoaphatase and inducibly expressing a positive modulator, Ste50 which is pathway modulators outside of core cascade(Fig.2B). The success of this recruitment-based engineering strategy suggests that it may be possible to reprogram cellular responses with high precision.^[61]

Flagellar motors and chemotaxis

The rotational direction of E. coli tomonidan boshqariladi flagellar motor kaliti. A ring of 34 FliM proteins around the rotor bind CheY, whose phosphorylation state determines whether the motor rotates in a clockwise or counterclockwise manner. The rapid switching mechanism is attributed to an ultrasensitive response, which has a Hill coefficient of ~10. This system has been proposed to follow a dissipative allosteric model, in which rotational switching is a result of both CheY binding and energy consumption from the protonning harakatlantiruvchi kuchi, which also powers the flagellar rotation.^[62]

Development of a Synthetic Ultrasensitive Signaling Pathway

Recently it has been shown that a Michaelian signaling pathway can be converted to an ultrasensitive signaling pathway by the introduction of two positive feedback loops.^[63] In this synthetic biology approach, Palani and Sarkar began with a linear, graded response pathway, a pathway that showed a proportional increase in signal output relative to the amount of signal input, over a certain range of inputs. This simple pathway was composed of a membrane receptor, a kinase and a transcription factor. Upon activation the membrane receptor phosphorylates the kinase, which moves into the nucleus and phosphorylates the transcription factor, which turns on gene expression. To transform this graded response system into an ultrasensitive, or switch-like signaling pathway, the investigators created two positive feedback loops. In the engineered system, activation of the membrane receptor resulted in increased expression of both the receptor itself and the transcription factor. This was accomplished by placing a promoter specific for this transcription factor upstream of both genes. The authors were able to demonstrate that the synthetic pathway displayed high ultrasensitivity and bistability.

Recent computational analysis of the effects of a signaling protein's concentration on the presence of an ultrasensitive response has come to complementary conclusions about the influence of a signaling protein's concentration on the conversion of a graded response to an ultrasensitive one. Rather than focus on the generation of signaling proteins through positive feedback, however, the study instead focused on how the dynamics of a signaling protein's exit from the system influences the response. Soyer, Kuwahara, and Csika´sz-Nagy^[64] devised a signaling pathway composed of a protein (P) that possesses two possible states (unmodified P or modified P*) and can be modified by an incoming stimulus E. Furthermore, while the unmodified form, P, is permitted to enter or leave the system, P* is only allowed to leave (i.e. it is not generated elsewhere). After varying the parameters of this system, the researchers discovered that the modification of P to P* can shift between a graded response and an ultrasensitive response via the modification of the exit rates of P and P* relative to each other. The transition from an ultrasensitive response to E and a graded response to E was generated when the two rates went from highly similar to highly dissimilar, irrespective of the kinetics of the conversion from P to P* itself. This finding suggests at least two things: 1) the simplifying assumption that the levels of signaling molecules stay constant in a system can severely limit the understanding of ultrasensitivity's complexity; and 2) it may be possible to induce or inhibit ultrasensitivity artificially by regulating the rates of the entry and exit of signaling molecules occupying a system of interest.

Limitations in Modularity

It has been shown that the integration of a given synthetic ultrasensitive module with upstream and downstream components often alters its information-processing capabilities.^[33] This effects must be taken into account in the design process.

Shuningdek qarang

• Logistika funktsiyasi
• Heaviside qadam funktsiyasi
• Rag'batlantirish (fiziologiya)
• Tepalik tenglamasi (biokimyo)

Adabiyotlar