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信号通路的串扰(crosstalk)现象

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发表于 2022.5.24 09:42:24 | 显示全部楼层 |阅读模式
信号串扰现象以及定义

在kegg图的查阅过程中,我们经常会看到另外一个通路嵌套在目标通路中的现象。以明星通路PI3K-AKT通路为例,我们可以在该通路的不同位置看到嵌入其他通路:

(1)在通路的上游(左侧),是细胞膜外可以激发PI3K-AKT的各类配体(包括生长因子、细胞因子、抗原等)以及对应受体。对应也标注了Toll like受体信号通路、B表受体信号通路等,代表相关配体-受体也出现在其他通路中,或者对应的细胞外分子来自其他通路。

(2)在通路的中部的某些部分也是其他通路的关键途径,属于两个平行通路的重叠部分,例如Raf-1-MEK-ERK就是MAPK通路的重要组成部分。

(3)在通路的下游,是PI3K-AKT通路可以激发的相关生物学效应,本身属于其他通路,例如cell cycle、Apoptosis等。

图1 PI3K-AKT通路中嵌套着多个其他通路

这种两个或者两个以上通路存在上下游信号承接关系或者两个平行通路的某些部分存在交叉重叠的现象被称为通路串扰(pathway crosstalk)。科学家们对串扰的概念有多种解释。

(1)一般情况下,串扰描述了当多个信号输入调控网络的时候,其如何在网络中被整合并影响下游的生物输出。我们认为,当同时满足以下两个标准时,在两条通路之间存在串扰:(a)来自两条通路的组合信号应该产生不同于由每条通路单独触发的响应;(b)两个通路必须直接或间接连接。例如,当两个或多个信号通路共享特定的信号成分或者信号传递路径时,串扰是直接的。当两条通路的成分被相同的酶直接修饰时,串扰也可以被认为是直接的。

(2)在通路串扰这个术语的更宽松的定义中,科学家使用串扰来描述一个信号通路可以对另一个信号通路施加的间接影响。还包括描述在不同信号通路之间的信号先后承接关系,例如,第一通路的转录因子参与生物合成一种激素,而这个激素又可以激活第二个通路。

从定义看看到,在PI3K-AKT通路中就同时存在平行但部分重叠(例如MAPK通路)的通路串扰关系,以及上下游信号呈递关系(例如cell cycle通路)的通路串扰关系。

通路串扰的生物学意义以及本质

生物体中的一个细胞沉浸在多种生长因子和激素的海洋中,而细胞内对某个信号能够产生应答的蛋白又往往又有多个。人们对单个信号通路进行了广泛研究,但对通路间串扰引起的通路响应的处理和整合则了解相对较少。实际上,生物体内本身不存在“信号通路”,信号通路是人类主观理解细胞内调控关系的产物。对于世界上复杂的事物,人类习惯于对其进行分类和打标签,以便于进行研究理解。如下图的例子,最初人类不了解生物体内都有哪些分子,以及它们之间的信号传递调节关系(下图左)。随着生物实验的步步摸索,科学家不断发现新的分子,并初步理清了它们之间信号传递关系,并将它们归类为相对容易理解的A、B、C三个平行通路(下图中)。但随着研究的不断深入,发现了更多的分子,而且还发现这3个通路并非完全隔绝平行的,而是有多条分支“小路”将彼此连接在一起,使三个最初看似平行的通路形成1个复杂的网络(下图右)。下图右图才是更接近生物体内分子调节过程的真相,即生物体内的分子信号并不会一定遵循某个固定的路径传递,而是随着细胞内环境的变化选择不同的信号传导路径。

图2 信号通路的发现以及完善过程示意图

通路串扰的意义在于可以大大丰富细胞内调控的多样性,以下举几个例子。

(1)协同作用。例如,如果一个信号通过不同的分支传播,这些分支汇聚在一个共同的目标上,沿着这些分支的信令响应将加入到总的目标响应中。这样可以让低生理剂量的外部刺激实现关键下游目标的稳健激活。

(2)反馈调节。例如,通过前馈调节(feedforward)和反馈回路(feedback loops)使一条通路的输入-输出响应依赖于另一条通路的活动,从而产生依赖于上下游的信号输出,实现更精确的调控。

(3) 丰富时空响应模式。通路串扰产生大量不同的时空响应模式,这有助于细胞对细胞外信号分子的不同组合产生不同的应答,导致不同的细胞分化命运。

通路串扰的存在可以解释很多现象。为什么人类这么复杂的生物只有2万个编码基因?四位数字的密码组合,就可以产生1万种组合。而人类2万个编码基因的丰富互作以及通路之间的串扰已经足以产生无穷多样性的调节方式。人类智力更高,行为更复杂,并不是因为人类基因多,而是人类细胞间、细胞内的调节过程更加复杂多样,把基因的“潜力”挖掘的更加充分罢了。而恶性肿瘤为什么难以治疗,即使是靶向药物也容易出现耐药性呢?导致肿瘤细胞无限分裂增殖侵袭的信号好比一个“通缉犯”。某种靶向药虽然可以把“通缉犯”堵在他经常路过的街道(目标通路),但“通缉犯”可能串入这个街道边上的某条小巷(与目标通路存在串扰的通路)而逃之夭夭。或者,“通缉犯”干脆在街道边的墙上撞出一个洞逃走(基因突变后产生新的通路调控/串扰模式)。所以,大部分恶性肿瘤治疗几乎不可能用一种靶向药就能产生持续的效果。

其实kegg网络图本身不强调信号通路的绝对边界。信号通路常常是以这个通路中的核心分子来命名(例如PI3K-AKT、Wnt、TGFβ都是蛋白名称,又是相应代谢通路的名称),信号通路就是围绕这个核心分子的调控关系。而不同信号通路之间存在大量交叉重叠,下文以PI3K/AKT和MAPK信号通路的关系为例子介绍通路串扰现象。

PI3k/AKT与MAPK的串扰

PI3K/AKT和MAPK都是结构非常复杂的关键通路,在本系列文章中都有专题讲解。以PI3K-mTORC1(PI3K/AKT通路的一个分支)和RAS-ERK(MAPK通路的一个分支)两个通路进行比较,可以发现它们在整体结构上几乎是平行的关系。两条通路都可以被生长因子激活,从而激活细胞内一系列过程,从而调节细胞存活、凋亡等。

图3 PI3k-mTORC1和RAS-ERK近似平行的通路结构

但实际上这两条通路的很多分子之间都可以相互作用,从而产生大量交叉串扰。如下图,Ras-MAPK和PI3K-mTORC1通路通过交叉抑制(红色)和交叉激活(绿色)相互调节。每一条途径都有一种负向反馈到另一条途径的机制:例如,GAB被ERK磷酸化而受到抑制,Raf被AKT磷酸化而受到抑制。其中,AKT作用于Raf-1就是PI3K-AKT通路图中展示的两个通路串扰效应。Ras-ERK途径的成分(Ras、Raf、ERK和RSK)也正向调节PI3K-mTORC1途径。其中TSC2和mTORC1是接收来自Ras-ERK和PI3K许多信号输入的关键集成点。

图4 PI3k-mTORC1和RAS-ERK之间存在大量交叉串扰

ERK和AGC激酶(RSK、AKT、S6K都属于AGC激酶家族)通常磷酸化调节相同的底物,产生相同效应。这让PI3K-mTORC1和RAS-ERK通路可会汇聚到相同的目标分子/复合物上,产生协同效应。如下图,ERK和AGC激酶的代表性底物标注为紫色。ERK和AGC激酶都可以作用于FOXO和GSK3的不同残基,从而让Ras-ERK和PI3K-mTORC1产生信号汇聚。而两个通路还能作用于同一复合物的不同组分,从而也能起到协同串扰效应。例如,ERK和S6K分别作用于Myc-mad二聚体的不同组分上。

从这个例子可以看出,PI3K-mTORC1和RAS-ERK通路间的串扰关系是非常丰富而复杂的,而kegg通路图实际上仅仅展示了一小部分两者间的串扰关系。

图5 通过相同的激酶底物产生的通路信号汇聚现象

小结

信号通路的归类方式只不过是人类在信息不全,而且习惯归类的学习方式下,对生物体内信号传递过程进行拆解的阶段性产物。真实的细胞内调控关系应该是网状,没有绝对的分界。正因为人类先入为主地将这些分子关系网络拆分为一个一个信号通路,才进一步有了通路串扰的概念。随着人类对细胞内调控过程认识的不断深入,越来越多串扰关系被发现。通路串扰是kegg代谢通路图中常见的标识,但kegg其实也仅展示了一部分串扰关系。

该系列文章中的核心35通路实际上就是人类研究最多的通路,所以与核心35通路相关的通路串扰也被研究报道最多——即核心35通路经常会出现在其他通路中。所以,如果我们熟悉这35个通路,再去学习其他通路就会简单很多。

▼参考文献▼
[1]Vert, G., & Chory, J. (2011). Crosstalk in cellular signaling: background noise or the real thing?. Developmental cell, 21(6), 985–991.
[2]Mendoza M C, Er E E, Blenis J. The Ras-ERK and PI3K-mTOR pathways: cross-talk and compensation[J]. Trends in biochemical sciences, 2011, 36(6): 320-328.


本文作者:基迪奥-周老师         

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