Was wurde angenommen, dass Lärm ist ein wichtiger Signalfaktor

Eine bahnbrechende Entdeckung in, wie lebende Zellen Prozess und reagieren auf chemische Informationen könnten dazu beitragen, die Entwicklung von Therapien für eine Vielzahl von Krebsarten und anderen zellulären Störungen, war therapieresistent sind . Eine internationale Zusammenarbeit von Forschern , die von Wissenschaftlern mit dem US Department of Energy (DOE) ist Lawrence Berkeley National Laboratory ( Berkeley Lab ) und der University of California (UC) Berkeley geführt , haben das Geheimnis hinter der Aktivierung des Ras -Familie entriegelt Proteine ​​, eine der wichtigsten Komponenten der zellulären Signalnetzwerke in der Biologie und wesentliche Treiber von Krebserkrankungen , die zu den am schwierigsten zu behandeln sind .

" Ras ist eine Familie von membranverankerte Proteine, deren Aktivierung ist ein entscheidender Schritt in zellulären Signal , aber fast alles, was wir darüber wissen, wie Ras Signale aktiviert ist von Groß Assays abgeleitet , in Lösung oder in lebenden Zellen , in denen Informationen über die Rolle der Membranumgebung und etwas über Unterschiede zwischen den einzelnen Molekülen ist verloren ", sagt Jay Groves , ein Chemiker mit Berkeley Lab Physikalische Biosciences Abteilung und Chemistry Department der UC Berkeley . "Verwenden Sie einen unterstützten Array - Membran -Plattform konnten wir Einzelmolekül- Untersuchungen der Ras-Aktivierung in einer Membranumgebung durchführen und entdecken Sie eine überraschende neue Mechanismus , durch welchen Ras -Signalisierung wird von Sohn Sevenless (SOS) Proteine ​​aktiviert. "

Groves , der auch ein Howard Hughes Medical Institute ( HHMI ) Forscher , ist der entsprechende Autor eines Papier in Science berichtet , dass diese Entdeckung . Das Papier ist " Ras-Aktivierung von SOS . : Allosterische Regulation durch veränderte Schwankungsdynamik" mit dem Titel Die Hauptautoren waren Lars Iversen und Hsiung- Lin Di , beide Mitglieder des Groves ' Forschungsgruppe zum Zeitpunkt der Studie. Siehe unten für eine vollständige Liste der Co-Autoren und ihre institutionelle Verbindungen .

Die zellulären Signalnetzwerke von lebenden Zellen beginnen mit Rezeptorproteinen , die sich auf einer Zelloberfläche , die erkennen und Interaktion mit der Umwelt . Signale von diesen Rezeptoren werden nach chemischen Netzen in der Zelle, die die ankommenden Informationen zu verarbeiten , Entscheidungen zu treffen , und direkte nachfolgende zelluläre Aktivitäten übertragen.

Dabei unterstützt Membran Array Versuchsaufbau , Nanofunktionschrommetallleitungen( 10 nm hoch und 100 nm breit) Partition eine unterstützte Doppelschicht in Mikrometer corrals diese Falle Ras-Proteine ​​von SOS -Moleküle aktiviert.
Bildnachweis: DOE / Lawrence Berkeley National Laboratory

"Obwohl die Signalnetzwerke führen logische Operationen wie ein Computer -Mikroprozessor , sie nicht in der gleichen Weise zu betreiben ", sagt Groves . " Die einzelnen Rechenschritte in einem Standard-Computer sind deterministisch ; . . Das Ergebnis wird durch die Eingänge bestimmt Für die chemischen Reaktionen, die eine zelluläre Signalnetzwerk zu komponieren , nur bedeutet aber sind die molekularen Ergebnisse Niveau von Wahrscheinlichkeiten definiert diese , dass die gleiche Eingangs können führen zu unterschiedlichen Ergebnissen . "

Für zelluläre Signalnetzwerke aus einer großen Anzahl von Proteinmolekülen , kann das Ergebnis direkt nach dem Verfahren der Mittelwertbildung bestimmt werden. Obwohl das Verhalten eines einzelnen ProteineigenVariable ist , wird das durchschnittliche Verhalten aus einer großen Gruppe von identischen Proteinen genau durch molekulare Wahrscheinlichkeiten ermittelt wird . Ras-Aktivierung in einer lebenden Zelle , beinhaltet jedoch eine relativ kleine Anzahl von PAS -Moleküle , so dass es unmöglich ist, im Durchschnitt die variable Verhalten der einzelnen Moleküle . Diese Variante wird als stochastische "Rauschen" bezeichnet und wurde vielfach von den Wissenschaftlern als Fehler eine Zelle muss überwunden angesehen .

"Unsere Studie zeigt, dass in der Tat ein wichtiger Aspekt des SOS- Signal, das Ras aktiviert wird im Rauschen kodiert ", so Groves . " Dynamischen Schwankungen des Proteins zwischen verschiedenen Zuständen der Aktivität übertragen Informationen , das heißt, wir haben eine regulatorische Kopplung in einem Protein -Signalisierung Reaktion, die ganz auf die Dynamik der Basis gefunden wird, ohne jede Spur von dem Signal, das in der durchschnittlichen Verhalten gesehen."

Die Ras Enigma

Ras -Proteine ​​sind essentielle Komponenten von Signalisierungsnetzen, die Zellproliferation , Differenzierung und das Überleben zu steuern. Mutationen im Ras -Gene waren die ersten spezifischen genetischen Veränderungen der menschlichen Krebserkrankungen und es wird jetzt geschätzt, dass fast ein Drittel aller Krebserkrankungen des Menschen kann etwas schief gehen mit Ras-Aktivierung zurückzuführen. Defekten Ras -Signalisierung auch als ein Faktor für andere Krankheiten , einschließlich Diabetes und immunologischen und entzündlichen Erkrankungen angeführt worden. Trotz dieser langen Geschichte der anerkannten Vereinigung mit Krebs und anderen Krankheiten, sind Ras-Proteine ​​den Beinamen " un- druggable ", vor allem, weil die Aktivierungsmechanismus ist schlecht verstanden worden .

Eine Straßensperre zum Verständnis Ras -Signalisierung ist , dass die Membranen , auf die Ras-Proteine ​​verankert spielen eine wichtige Rolle bei deren Aktivierung durch SOS -Austauschfaktoren . SOS -Aktivität wurde wiederum angenommen, allosterisch durch Protein und Membran-Wechselwirkungen reguliert werden, aber dies wurde aus zellbiologischen Studien statt durch direkte Beobachtungen ableiten . Für ein besseres Verständnis dafür, wie Ras-Aktivierung von SOS geregelt ist, müssen die Wissenschaftler einzelne Moleküle SOS Interaktion mit Ras in einer Membran -Umgebung zu beobachten. Allerdings haben Membranumgebungentraditionell präsentiert einen steifen experimentelle Herausforderung .

Groves und seine Forschungsgruppe überwand diese Herausforderung mit der Entwicklung von Trägermembran Arrays von Lipidschichten mit festen Mustern von Metallnanostruktureneingebettet und auf eine Silica- Substrat montiert aufgebaut . Die Metallstrukturen erlauben die kontrollierte Beabstandung von Proteinen und anderen zellulären Molekülen auf den Membranen angeordnet . Dies macht es möglich, dass die Membranen , als Plattform für Assays , die verwendet werden können, um in Echtzeit zu beobachten, die die Aktivität von einzelnen Molekülen dienen .

" In diesem Fall erlaubt uns unterstützten Membran uns, individuelle SOS -Moleküle in nanohergestellte Patches, die alle membranassoziierten Ras -Moleküle aktiviert sie gefangen Corral ", sagt Groves . " Dies wiederum erlaubt es uns, den individuellen Beitrag jedes Molekül in dem Ensemble überwachen und zeigen, wie die dynamischen Übergänge der einzelnen Moleküle codierten Informationen, die im Durchschnitt verloren geht. "

Was die Zusammenarbeit entdeckt, dass SOS- Regelung auf die Dynamik der verschiedenen stochastischen Schwankungen zwischen verschiedenen Aktivitätszuständen , die in etwa 100 Sekunden dauern , aber nicht zeigen, bis in Ensemble Durchschnittswerten . Diese langlebige Schwankungen nicht den Mechanismus der allosterischen SOS Regulierung und Ras-Aktivierung .

" Die allosterische Regulation von SOS aus zellbiologische und biochemische Untersuchungen abgeleitet Groß in direktem Einzelmolekülstudienauffällig abwesend ", sagt Groves . " Das bedeutet, dass etwas, das geschlossen wurde bewiesen, existieren zu fehlen , als wir ein Experiment, das explizit gemessen. Die dynamischen Schwankungen wir innerhalb des Systems mit dem erwarteten allosterische Regulation Korrelation beobachtet , und nachfolgende theoretische Modellierung bestätigt, dass eine solche stochastische Schwankungen geben kann steigen, um bekannte Großwirkungen . "

Das Verständnis der Rolle von stochastischen dynamischen Schwankungen Signaltransduktion Mechanismen Ras Proteine ​​könnte den Weg für neue und wirksame Therapien für Ras - gesteuerten Krebserkrankungen und anderen zellulären Störungen zeigen. In ihrem Science-Artikel , die Mitarbeiter ihre Überzeugung , dass die dynamische Schwankungen Mechanismus entdeckten sie ist nicht nur in Ras-Proteine ​​könnte aber für eine breite Palette von anderen Zellsignalproteine​​sind auch Ausdruck .

"Der Grund dieser Mechanismus wurde vorher nicht berichtet worden ist, dass keine früheren Experiment könnte es aufgedeckt haben ", sagt Groves . " Alle bisherigen Versuche auf diesem System - und die meisten anderen für diese Angelegenheit - wurden im Durchschnitt Verhalten basiert Nur Einzelmolekülmessungen , die an allen Molekülen im System sehen können, sind in der Lage, enthüllt diese Art der Wirkung, die wir denken können , um zu beweisen . sein in der Funktion der lebenden Zelle Signalsysteme von großer Bedeutung. "