ძირითადი მასალა

კურსი: ბიოლოგია > თემა 11

გაკვეთილი 1: როგორ უგზავნიან უჯერდები სიგნალებს ერთმანეთს

უჯრედშორისი კომუნიკაციის შესავალი

გაიგეთ, როგორ ურთიერთობენ უჯრედები ერთმანეთთან მოკლე და გრძელ მანძილზე სხვადასხვანაირი სასიგნალო გზების მეშვეობით ჩვენს ორგანიზმში.

შესავალი

გგონიათ, თქვენი უჯრედები უბრალოდ სამშენებლო ბლოკებია, არაცოცხალი და გაშეშებული, როგორც კედელში აგურები? თუ ასეა, ცდებით! უჯრედებს შეუძლიათ, აღიქვან, რა ხდება მათ გარშემო და ისიც შეუძლიათ, შესაბამისი პასუხი გასცენ, ირეაგირონ მეზობლებისა და გარემოსგან მომავალ სიგნალებზე. ზუსტად ამ წამსაც თქვენი უჯრედები მილიონობით შეტყობინებას გზავნიან ქიმიური სასიგნალო მოლეკულების სახით!

ამ სტატიაში უჯრედშორისი კომუნიკაციის ძირითად პრინციპებს განვიხილავთ. პირველ რიგში გავიგებთ, თუ როგორ გადაეცემა სიგნალები უჯრედებიდან ერთმანეთს, შემდეგ კი გავეცნობით ჩვენს ორგანიზმში არსებულ გზებს შეტყობინებების მოკლე და გრძელ მანძილზე გადასაცემად.

უჯრედშორისი სასიგნალო გზების მიმოხილვა

უჯრედები, როგორც წესი, ქიმიური სიგნალების მეშვეობით ურთიერთობენ. ეს ქიმიური სიგნალები ცილები ან სხვა მოლეკულებია, რომლებსაც გამგზავნი უჯრედი წარმოქმნის და უჯრედშორის სივრცეში გამოყოფს. შემდეგ ეს სასიგნალო მოლეკულები მეზობელი უჯრედებისკენ „წატივტივდებიან" ბოთლში ჩადებული წერილივით.

ყველა უჯრედს არ შეუძლია, „მიიღოს" რაიმე განსაზღვრული ქიმიური შეტყობინება. იმისთვის, რომ სიგნალის აღქმა შეძლოს (ანუ სამიზნე უჯრედი იყოს) მეზობელ უჯრედს ამ სიგნალის შესაბამისი რეცეპტორიც უნდა ჰქონდეს. სასიგნალო მოლეკულის რეცეპტორთან დაკავშირება რეცეპტორის ფორმის ან აქტივობის ცვლილებას იწვევს, რასაც უჯრედში რაიმე რეაქცია მოჰყვება. სასიგნალო მოლეკულებს ხშირად ლიგანდებს უწოდებენ. ეს ტერმინი ზოგადად აღნიშნავს მოლეკულას, რომელიც სხვა, სპეციფიკურ მოლეკულებს უკავშირდება (მაგ. რეცეპტორებს).

ლიგანდის სახით მოსული შეტყობინება უჯრედის შიგნითაც ვრცელდება სპეციალური გადამცემი მოლეკულების მეშვეობით. საბოლოოდ ეს სიგნალი უჯრედში შესაბამის ცვლილებას იწვევს, მაგალითად, გენის აქტივობის შეცვლას ან რაიმე პროცესის, მაგალითად, უჯრედის გაყოფის, ინდუქციას (წამოწყებას). შესაბამისად საწყისი, უჯრედშორისი (უჯრედიდან უჯრედზე გადაცემული) სიგნალი უჯრედშიდა სიგნალად იქცევა, რაც საბოლოოდ რეაქციას იწვევს.

შეგიძლიათ, ამის შესახებ მეტი შეიტყოთ სტატიებიდან ლიგანდებსა და რეცეპტორებზე, სიგნალის გადაცემასა, და უჯრედულ პასუხზე.

სასიგნალო გზების ფორმები

უჯრედშორისი კომუნიკაცია მოიცავს სიგნალის გადაცემას გამგზავნი უჯრედიდან მიმღებ უჯრედამდე. თუმცაღა, სულაც არ არის აუცილებელი, ეს ორი უჯრედი ერთმანეთის კარის მეზობელი იყოს და არც ყველა შემთხვევაში გადაიცემა სიგნალები ასე.

ქიმიური სასიგნალო გზების ოთხი ძირითადი სახე არსებობს მრავალუჯრედიან ორგანიზმებში: პარაკრინული, ავტოკრინული, ენდოკრინული და პირდაპირი კონტაქტი. მათ შორის ძირითადი განსხვავება ის მანძილია, რასაც სიგნალი გადის გამგზავნი უჯრედიდან მიმღებ უჯრედამდე.

პარაკრინული სასიგნალო გზები

ხშირად ერთმანეთთან ახლოს მყოფი უჯრედები ქიმიური შეტყობინებებით ეკონტაქტებიან ერთმანეთს (ლიგანდებით, რომლებიც უჯრედშორის სივრცეში დიფუნდირებს). სასიგნალო გზას, რომელითაც შედარებით მოკლე მანძილზე განლაგებული უჯრედების კომუნიკაცია ხორციელდება, პარაკრინული ეწოდება.

პარაკრინული სასიგნალო გზების მეშვეობით უჯრედები თავიანთ აქტივობას მეზობლებისას „უთანხმებენ". ეს სტრატეგია მრავალ სხვადასხვა ქსოვილსა და შემთხვევაში გამოიყენება, მაგრამ განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია განვითარებისას, როცა უჯრედთა ერთი ჯგუფი მეზობელ ჯგუფს „ატყობინებს", თუ რა სახის უჯრედები უნდა ჩამოყალიბდეს მათგან.

ზღარბი სონიკი და მორფოგენები

ემბრიონში განვითარებადი ზურგის ტვინი შედგება უჯრედებისგან აგებული ღრუ მილის, ნოტოქორდისგან, რომელიც უკანა ნაწილში, დასწვრივად მდებარეობს და მის პარალელურად განლაგებული უჯრედთა სვეტისგან, ე. წ. ვენტრალური ფირფიტისგან. ორივე, ნოტოქორდიცა და ვენტრალური ფირფიტაც, სპეციალურ სასიგნალო მოლეკულას, „ზღარბ სონიკს" (ინგლ. Sonic hedgehog, Shh), გამოყოფს.

Shh ნოტოქორდიდან და ვენტრალური ფირფიტიდან დიფუნდირებს და გრადიენტი წარმოიქმნება - გამოყოფის ადგილთან უფრო მეტია ამ ლიგანდის კონცენტრაცია, შორს კი - ნაკლები. სხვადასხვა ადგილას Shh-ის განსხვავებული კონცენტრაცია იქ მდებარე უჯრედებს „ატყობინებს", თუ რა სახის ნეირონებად უნდა ჩამოყალიბდნენ.

^{1, 2}

ნოტოქორდთან და ვენტრალურ ფირფიტასთან ახლოს მდებარე უჯრედები მძლავრ სიგნალს იღებენ (Shh-ის დიდი კონცენტრაციის გამო) და დამაკავშირებელი ნეირონის ერთ-ერთ, სპეციალურ სახედ ყალიბდებიან (ინტერნეირონებად).
ცოტა შორს მდებარე უჯრედები ნაკლებად ძლიერ სიგნალს იღებენ და მოტორულ ნეირონებად ყალიბდებიან (ზურგის ტვინიდან კუნთებში მიმავალ ნეირონებად).
ნოტოქორდიდან და ვენტრალური ფირფიტიდან კიდევ უფრო შორს მდებარე უჯრედები უფრო და უფრო ნაკლები სიმძლავრის სიგნალს იღებენ და სხვა სახის ინტერნეირონებად ყალიბდებიან.

Shh-ის სხვადასხვა კონცენტრაცია განსხვავებულ პასუხს აღძრავს უჯრედებში, რაც მათ განსხვავებულ თავისებურებებისა და ფუნქციის მქონე ნეირონებად ჩამოყალიბებას იწვევს. Shh-ის მსგავსი სიგნალები, რომლებიც გრადიენტს ქმნიან და სიმძლავრის მიხედვით განსხვავებულ ეფექტს ახდენენ განვითარებაზე, მორფოგენებად იწოდებიან.

ზურგის ტვინში სხვადასხვა სახის ნეირონების განვითარება Shh-ის გარდა სხვა სიგნალებზეცაა დამოკიდებული, ისევე, როგორც მათი მოქმედების დროზე. ეს საკითხი ჩვენ აქ გამარტივებულად განვიხილეთ, რათა Shh-ის, როგორც მორფოგენის, როლისთვის გაგვესვა ხაზი.

რატომ ჰქვია ამ მორფოგენს ზღარბი სონიკი?

ალბათ, უკვე მიხვდით, რომ ამ სასიგნალო მოლეკულას კომპანია „სეგას“ ვიდეოთამაშის გმირი ზღარბის სახელი ჰქვია

^{3}

. ზღარბი სონიკის (ინგლ. Sonic hedgehog) მსგავსი პირველი გენი ხილის ბუზებში აღმოაჩინეს და იმ ბუზებს, რომლებშიც ეს გენი დაბალაქტიური იყო, „წვეტებიანი" შესახედაობა ჰქონდათ, რის გამოც გენს ზღარბი (ინგლ. hedgehog) უწოდეს. მსგავსი გენი შემდეგ ხერხემლიანებშიც აღმოაჩინეს და სახელიც მონათესავე აურჩიეს, ზღარბი სონიკი

^{4}

. თუმცა, მკვლევარს, რომელმაც გენს სახელი დაარქვა, ვიდეოთამაში ნათამაშები არ ჰქონდა და სიტყვა სონიკიც თავისი ქალიშვილის კომიქსების წიგნიდან აიღო

^{5}

სიგნალის სინაფსური გადაცემა

პარაკრინული სასიგნალო გზების განსაკუთრებული მაგალითია სიგნალის სინაფსური გადაცემა, რომლის მეშვეობითაც ნერვული უჯრედები ურთიერთობენ ერთმანეთთან. ამ პროცესის სახელწოდება სიტყვა სინაფსიდან მოდის, რომელიც ორ ნერვულ უჯრედს შორის არსებულ კავშირს აღნიშნავს. სწორედ სინაფსის მეშვეობით გადაეცემა შეტყობინება ერთი ნეირონიდან მეორეს.

გამგზავნ ნეირონში სიგნალი ელექტრული იმპულსის სახით აღმოცენდება და სწრაფად გაივლის უჯრედს, კერძოდ კი, მის მორჩისმაგვარ გამონაზარდს, აქსონს. სინაფსთან მიღწევისას იმპულსი სპეციალური ლიგანდების, ნეიროტრანსმიტერების, გამოთავისუფლებას იწვევს უჯრედიდან. ეს მოლეკულები ორ მეზობელ ნეირონს შორის არსებულ ნაპრალს სწრაფად გაივლიან, მიაღწევენ სამიზნე უჯრედს, უკავშირდებიან მასზე არსებულ რეცეპტორებს და უჯრედის შიგნით ქიმიურ ცვლილებებს იწვევენ (ხშირად ეს მოიცავს იონური არხების გახსნასა და მემბრანის ელექტრული პოტენციალის ცვლილებას).

მოდიფიცირებული სურათის წყაროა „სასიგნალო მოლეკულები და უჯრედული რეცეპტორები: სურათი 2", ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია (CC BY 3,0).

სინაფსში გამოთავისუფლებული ნეიროტრანსმიტერები სწრაფად იშლება ან უკანვე შთაინთქმება გამგზავნი უჯრედის მიერ. ეს სისტემას საწყის მდგომარეობაში აბრუნებს, შესაბამისად, სინაფსი მზადაა, შემდეგ სიგნალს ისევ ისე სწრაფად უპასუხოს.

მოდიფიცირებული სურათის წყაროა „სასიგნალო მოლეკულები და უჯრედული რეცეპტორები: სურათი 1", ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია (CC BY 3,0).

ავტოკრინული სასიგნალო გზები

ავტოკრინული სასიგნლო გზა ნიშნავს უჯრედის მიერ სიგნალების საკუთარი თავისთვის გაგზავნას - ისეთი ლიგანდის გამოყოფას, რომელიც ამავე უჯრედის ზედაპირზე მდებარე რეცეპტორებს უკავშირდება (ან, ზოგ შემთხვევაში, უჯრედის შიგნით არსებულს). ეს ერთი შეხედვით უცნაური რამაა, მაგრამ ავტოკრინული სიგნალები ძალიან მნიშვნელოვანია ბევრ პროცესში.

მაგალითად, ავტოკრინული სასიგნალო გზები მნიშვნელოვანია განვითარებაში, რადგან ეხმარება უჯრედებს, „აირჩიონ" სწორი იდენტობა (თუ რა სახის უჯრედად უნდა ჩამოყალიბდნენ) და მას მისდიონ. სამედიცინო თვალსაზრისით, ავტოკრინული სასიგნალო გზები მნიშვნელოვანია ავთვისებიანი სიმსივნეების განვითარებაში და მიიჩნევა, რომ მთავარ როლს ასრულებს მეტასტაზირებაში (სიმსივნის წარმოქმნის ადგილიდან სხვაგან გავრცელებაში)

^{6}

. მრავალ შემთხვევაში, სიგნალს ავტოკრინული და პარაკრინული ეფექტები ერთდროულად აქვს, ანუ გამგზავნ უჯრედზეც მოქმედებს და მეზობლებზეც.

ენდოკრინული სიგნალის გადაცემა

როცა უჯრედებს სიგნალების გადაცემა დიდ მანძილზე სჭირდებათ, ხშირად ამისთვის დისტრიბუციული ქსელის წრიულ სისტემას იყენებენ. გრძელ მანძილზე მოქმედი ენდოკრინული სასიგნალო გზა მოიცავს სპეციალური უჯრედების მიერ ლიგანდების გამოყოფას პირდაპირ სისხლში და მათ სამიზნე უჯრედებამდე, სხეულის მოშორებულ ნაწილში მიტანას. ორგანიზმის ერთ ნაწილში წარმოქმნილ სასიგნალო მოლეკულებს, რომლებიც შემდეგ სისხლით მიიტანება შორს მდებარე სამიზნემდე, ჰორმონები ეწოდება.

ადამიანებში ჰორმონებს ენდოკრინული ჯირკვლები გამოიმუშავებს და მათ მიეკუთვნება: ფარისებრი ჯირკვალი, ჰიპოთალამუსი, ეპიფიზი, სასქესო ჯირკვლები (სათესლეები და საკვერცხეები) და კუჭქვეშა ჯირკვალი, ანუ პანკრეასი. თითოეული ენდოკრინული ჯირკვალი ერთ ან მეტ ჰორმონს გამოყოფს და სწორედ ეს ნივთიერებებია ორგანიზმის განვითარებისა და ფიზიოლოგიური პროცესების ძირითადი მარეგულირებლები.

მაგალითად, ჰიპოფიზი ზრდის ჰორმონს გამოყოფს (სომატოტროპინს), რომელიც ზრდას ასტიმულირებს, განსაკუთრებით კი ჩონჩხისა და ხრტილის. ჰორმონთა უმრავლესობის მსგავსად, ზრდის ჰორმონიც მრავალი სახის უჯრედზე მოქმედებს ორგანიზმში. მიუხედავად ამისა, ხრტილის უჯრედების მაგალითზე შეგვიძლია, ვთქვათ, როგორ მოქმედებს ზრის ჰორმონი: იგი ამ უჯრედების ზედაპირულ რეცეპტორებს უკავშირდება და მათ გაყოფას ასტიმულირებს

^{7}

მცენარეებს ენდოკრინული უჯრედები ან ჯირკვლები არ აქვთ, მაგრამ ისინიც გამოიმუშავებენ მოლეკულებს, რომლებიც ზრდას არეგულირებენ და მცენარის მთელ ორგანიზმში ვრცელდებიან შორეულ უჯრედებზე სამოქმედოდ. ამ სასიგნალო მოლეკულებს ხშირად მცენარეულ ჰორმონებს უწოდებენ

^{8}

სიგნალის გადაცემა უჯრედული კონტაქტების მეშვეობით

ნაპრალისებრი კავშირები ცხოველებში და პლაზმოდესმები მცენარეებში პატარა არხებია, რომლებიც პირდაპირ აკავშირებს მეზობელ უჯრედებს. ისინი წყლითაა სავსე და მათი მეშვეობით მცირე ზომის სასიგნალო მოლეკულები, უჯრედშიდა მედიატორები, უჯრედებს შორის დიფუნდირებს. ამ არხებში გაძვრომა პატარა მოლეკულებსაც შეუძლიათ და ნაწილაკებსაც, მაგალითად, კალციუმის იონებს (

{Ca}^{2 +}

), მაგრამ დიდი მოლეკულები, როგორებიცაა ცილა და დნმ, შიგ ვერ ეტევა განსაკუთრებული დახმარების გარეშე.

სასიგნალო მოლეკულების გადაცემით უჯრედი მეზობლებს ატყობინებს, რა მდგომარეობაა ამჟამად მასში. ამ გზით უჯრედთა ჯგუფს შეუძლია, მხოლოდ ერთ-ერთი მათგანის მიერ მიღებულ სიგნალს კოორდინირებულად, ერთად გასცეს პასუხი. მცენარეებში პლაზმოდესმები თითქმის ყველა უჯრედს შორისაა, რის გამოც მცენარის ორგანიზმი ერთი მთლიანი, გიგანტური ქსელია.

პირდაპირი უჯრედშორისი კონტაქტის კიდევ ერთ-ერთი სახეა ორი უჯრედის ფიზიკურად დაკავშირება ერთმანეთთან, მათ ზედაპირებზე არსებული კომპლემენტარული (შესაბამისი) ცილების მეშვეობით. ამ ცილების დაკავშირებისას ერთ-ერთ ან ორივე მათგანს ფორმა ეცვლება, რაც სიგნალს გადასცემს უჯრედს. ეს განსაკუთრებით იმუნური სისტემისთვისაა მნიშვნელოვანი, რადგან იმუნიტეტის უჯრედები ზედაპირულ მარკერებს იყენებენ „საკუთარი" (ორგანიზმის) უჯრედებისა და პათოგენებით ინფიცირებული უჯრედების გასარჩევად

^{9}

ატრიბუცია:

მოდიფიცირებული სტატიის წყაროა „სასიგნალო მოლეკულები და უჯრედული რეცეპტორები", ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია (CC BY 3,0). ჩამოტვირთეთ თავდაპირველი სტატია უფასოდ აქ: http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9,85.

სახეცვლილი სტატია ვრცელდება CC BY-NC-SA 4,0 ლიცენზიით.

ციტირებული შრომები:

Jessell, T. M. (2000). Neuronal specification in the spinal cord: Inductive signals and transcriptional codes. Nature Reviews Genetics, 1(1), 20-29. http://dx.doi.org/10,1038/35049541. წყარო: http://cumc.columbia.edu/dept/neurobeh/jessell/Publications/2000PDF/jessell.pdf.
Horne, J. (1 ივლისი, 2004). Sonic hedgehog, the morphogen. In Nature milestones: Development. http://dx.doi.org/10,1038/nrn1469.
Riddle, R. D., Johnson, R. L., Laufer, E., and Tabin, C. (1993). Sonic hedgehog mediates the polarizing activity of the ZPA. Cell, 75, 1401-1416. http://dx.doi.org/10,1016/0092-8674(93)90626-2.
Gilbert, S. F. (2000). The Hedgehog family. In Developmental biology (6th ed.). წყარო: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK10071/#_A1042_.
Misra, Ria. (16 მარტი, 2015). The strange history of how a gene was named „Sonic hedgehog." In io9. წყარო: http://io9.gizmodo.com/the-strange-history-of-how-a-gene-was-named-sonic-hedg-1691732678.
ავტოკრინული სასიგნალო გზები. (30 დეკემბერი, 2014). მოძიების თარიღი და ადგილი: 1 ნოემბერი, 2015, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Autocrine_signalling.
ზრდის ჰორმონი (22 ივლისი, 2016). მოძიების თარიღი და ადგილი: 23 ივლისი, 2016 Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Growth_hormone#Function.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Cell communication. In Campbell biology (10th ed.). San Francisco, CA: Pearson, 212.
OpenStax College, Biology. (29 სექტემბერი, 2015). Adaptive Immune response. In OpenStax CNX. წყარო: http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@9,87:etZobsU-@6/Adaptive-Immune-Response.

წყაროები:

ავტოკრინული სასიგნალო გზები. (30 დეკემბერი, 2014). მოძიების თარიღი და ადგილი: 1 ნოემბერი, 2015, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Autocrine_signalling.

ზრდის ჰორმონი (22 ივლისი, 2016). მოძიების თარიღი და ადგილი: 23 ივლისი, 2016 Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Growth_hormone#Function.

Mehlen, P., Mille, F., and Thibert, C. (2005). Morphogens and cell survival during development. Journal of Neurobiology, 64(4), 357-366. http://dx.doi.org/10,1002/neu.20167.

მორფოგენი. (24 აგვისტო, 2015). მოძიების თარიღი და ადგილი: 1 ნოემბერი, 2015, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Morphogen.

OpenStax College, Biology. (29 სექტემბერი, 2015). Adaptive Immune response. In OpenStax CNX. წყარო: http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@9,87:etZobsU-@6/Adaptive-Immune-Response.

პარაკრინული სასიგნალო გზები. (2 ივნისი, 2015). მოძიების თარიღი და ადგილი: 1 ნოემბერი, 2015, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Paracrine_signalling.

Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., and Singer, S. R. (2014). Cell communication. In Biology (10th ed., AP ed., pp. 168-185). New York, NY: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Cell communication. In Campbell biology (10th ed., pp. 210-231). San Francisco, CA: Pearson.

ზღარბი სონიკი. (17 ოქტომბერი, 2015). მოძიების თარიღი და ადგილი: 5 ნოემბერი, 2015, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Sonic_hedgehog.

გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?

შესვლა

დავალაგოთ:

პოსტები ჯერ არ არის.

გესმით ინგლისური? დააწკაპუნეთ აქ და გაეცანით განხილვას ხანის აკადემიის ინგლისურენოვან გვერდზე.