Cell Signaling
Cell signaling 是一種細胞間的溝通方式,可以發射,接收和處理訊息。它可以分為四種:Paracrine signaling,Autocrine signaling,Endocrine signaling 和 Direct contact。Paracrine signaling 是距離較近的傳遞,Neurotransmitters 在 nerve cells 之間傳遞訊息,Autocrine signaling 是將 ligands 傳遞到自己身上的 receptors,Endocrine signaling 將 signals 以 bloodstream 的方式分布到身體的不同部位,Direct contact 則是直接接觸的傳遞方式。
Intro to cell signaling
細胞能感知周圍變化,根據鄰居的通報來即時應變。 現在,你的細胞正透過 chemical signaling molecules 進行上百萬個訊息傳遞 !
- 細胞之間透過 chemical signals 來交流
- Signals 通常為 sending cell 所產生的 proteins 或其他 molecules
- 從 cell 中被排出到 extracellular space
- 像瓶中信一樣漂流在細胞之間
- 擁有對應的 receptor 的 target cell 才能接收訊息
- 他們要接收的那些 signals 可以稱做 ligands
- 當 receptor 接收到 ligands
- 就會改變 receptor 的形狀,試圖改變細胞內部的活動
Ligands 的訊息會在細胞內被"接力"傳遞
- 由一連串的 chemical messengers 來接龍傳達
- 最終改變細胞活動
- 例如改變 gene 的活動
- 例如引導整個 process (e.g., cell division)
- 最終改變細胞活動
- 在細胞間傳遞的 signal 稱為 intercellular signal
- 在細胞中傳遞的 signal 稱為 intracellular signal
The signal transduction pathway is made up of the following steps:
- A ligand binds to a cell-surface receptor, which initiates a response on the inside of the cell by activating an initial protein.
- The protein goes on to activate other proteins or second messenger molecules such as or cAMP.
- The final target is reached, causing the intended response.
Forms of signaling
細胞之間的距離不一,傳遞方式也不相同,在 multicellular organisms 有四種基本的 chemical signaling
- Paracrine signaling
- Autocrine signaling
- Endocrine signaling
- Direct contact
Paracrine signaling
- Paracrine signaling 是最近的傳遞方法
- Chemical messengers (ligands) 很短距離就可到達目標細胞
- 通常跟鄰居進行 locally coordinate activities
- 在 development 時特別重要
Synaptic signaling
Nerve cells 之間的 paracrine signaling 又稱為 synaptic signaling
- Sending neuron 發射一個 electrical impulse 快速移動在 axon 中 (long, fiber-like)
- 當 impulse 接觸到 synapse 就會釋放 neurotransmitters (ligands)
- Neurotransmitters 會快速通過 nerve cells 之間的 gap
- 來到 receiving cell 和 receptors 結合,改變細胞活動
Neurotransmitters 會被快速收回,讓 synapse 能夠快速準備下一次的 signaling
Autocrine signaling
- 將 ligands 傳遞到自己身上的 receptors
- 看起來沒用,但其實扮演很重要的工作 (e.g., development)
- 幫助細胞在初期加深自己正確的身份
- 在醫學上,幫助 cancer 執行 metastasis (癌細胞轉移)
多數環境下,signal 可以同時擁有 autocrine 和 paracrine 的效用,幫助 sending cell 和區域的 cells 交流
Endocrine signaling
- 當細胞需要將訊息傳遞到很遠方時,需要使用 circulatory system (distribution network like)
- Signals 被特定細胞產生,釋放到 bloodstream 中
- 透過 bloodstream 運送到身體不同的地方
- 這些 signals 稱為 hormones
人體常見的 endocrine glands 很多,都負責非常重要的工作,釋放一到多種重要的 hormones
- Thyroid (甲狀腺)
- Hypothalamus (下視丘)
- Pituitary (腦垂腺)
- Gonads (生殖腺)
- Testicle (睪丸) and ovary (卵巢)
- Pancreas (胰臟、胰腺)
例如 Pituitary 釋放 growth hormone (GH),負責生物生長,特別是在 skeleton 和 cartilage 部分
Signaling through cell-cell contact
- Cell-cell 之間也能透過 gap junctions (animal) 和 plasmodesmata (plants) 來直接傳遞訊息
- 在這兩種充滿水的 channel 移動的 signaling molecules 稱為 intracellular mediators
- 一些小的例如 calcium ions () 可以通過
- 但大的例如 proteins, DNA 如果沒有特別幫助,就不行直接通過
- 細胞可以透過此類型交流連成一個網路
- 或許只有其中一個細胞收到指令
- 但卻可以分享給周邊所有細胞
- 在植物中 plasmodesmata 就幾乎充斥所有細胞之間,形成巨大網路
另外還有一種 direct signaling 的方式,如下圖
- 兩個細胞有 complementary proteins 在細胞表面的時候
- 接收到的一方會改變形狀 (有時兩者一起改變)
- 這類傳遞 signal 方法多發生於 immune system
- 例如上圖是 immune cell 利用自己的表面 markers 來確認其他細胞是敵是友
Communication in single-celled organisms
人體間的細胞可以互相溝通,那單細胞生物呢 ?
- 要的,例如 yeast 和 bacteria 都還是要和同族群的生物"對話"
- 例如 bacteria 透過 chemical signal 確認周遭同一族群的數量
- Yeast 則是用 chemical signals 來尋找伴侶
Quorum sensing in bacteria
- 原本大家都認為 bacteria 是單獨行動
- 但其實 bacteria 是一個 community
- 彼此之間透過 quorum sensing 的 cell-cell signaling 模式來交流
- Bacteria 透過 quorum sensing 來監測 bacteria population 的密度
- 當超過一個 threshold level,該區域的 bacteria 就會同時改變行為或是 gene expression
Signaling in yeasts
- Yeast 是一種 fungus (single-celled eukaryotes)
- 其中某個重要的 signaling pathway 是 mating factor pathway
- Budding yeast 也能互相進行像人類一樣的 sexual reproduction
- 2 個 haploid cells (single set of chromosomes, like sperm and eggs)
- 融合成 1 個 diploid cell (two sets of chromosomes, like human body cell)
- Diploid cell 又可以透過 meiosis 產生多個組合 genetic material 的 haploid cells
為了尋找能夠配對的 haploid yeast cell, budding yeast 就會用到 mating factor 這個 signal