Ett team av Caltech-forskare har upptäckt en molekylär kod som celler använder för att kommunicera med varandra. Detta "språk" anses vara vanligt för många typer av cellulär kommunikation och har konsekvenser för utformningen av framtida terapier, enligt forskare i laboratoriet av Michael Elowitz, professor i biologi och bioteknik vid Caltech och en utredare vid Howard Hughes Medical Institute.

Arbetet beskrivs i en tidning i numret 7 september av Cell .

Precis som människor använder bokstäver och ord för att skapa meddelanden, celler släpper ut molekyler som kallas ligander i miljön för att skicka meddelanden till sina grannar – till exempel en instruktion om att differentiera eller föröka sig. Liganderna binder till receptorer på ytan av andra celler, som tolkar budskapet och utlöser en uppsättning kemiska reaktioner för att vidarebefordra det till rätt molekyler i cellens inre.

Författarna studerade en stor kommunikationskanal, kallas den benmorfogenetiska proteinvägen (BMP), som verkar i nästan alla vävnader och är ett mål för cancerterapier. Detta system använder många olika ligander och receptorer i olika kombinationer. Underligt, liganderna och receptorerna i denna väg blandas och matchar med varandra på många olika sätt, till synes utan anledning.

"Du kanske tror att varje typ av ligand skulle paras ihop med bara en typ av receptor, men detta är inte fallet, " säger Elowitz. "Istället, alla ligander interagerar promiskuöst med alla receptorer. Det verkar som en stor röra, och helt annorlunda än hur människor designar kommunikationssystem för att hålla varje kommunikationskanal åtskild. Så vi undrade varför celler kommunicerar på det här sättet."

För att ta reda på vilken nytta molekylär promiskuitet ger, teamet skapade olika blandningar av BMP-ligander i laboratoriet och lade dem till vissa celler:bröstceller, embryonala stamceller, och bindvävsceller som kallas fibroblaster, allt från möss. De hittade, förvånande, att cellen avkodar information från ligandkombinationer, inte de enskilda liganderna själva.

"En dag, Jag kom till labbet och blandade två ligander som var och en för sig, aktivera celler mycket starkt, " säger Yaron Antebi, en Caltech-postdoktor i biologi och biologisk teknik. "Men när jag kollade cellerna nästa dag, det kom inget svar alls. Detta fick oss att teoretisera att celler inte lyssnar på individuella ligander, utan snarare till kombinationer av ligander. Det är kombinationerna som är meningsfulla. Olika kombinationer av ligander kodar för olika instruktioner för cellen."

Gruppen observerade också att olika typer av celler kan extrahera olika information från samma ligandkombinationer genom att utföra olika beräkningar - en cell kan lägga till koncentrationerna av två ligander för att ta emot ett meddelande, medan en annan kan mäta förhållandet mellan de två liganderna för att avkoda ett annat meddelande. "Vi blev förvånade över att finna att det inte bara finns en typ av information kodad i dessa ligander, säger James Linton, en forskare i Elowitz-labbet. "Olika celler kan extrahera olika meddelanden, såsom instruktioner för att sprida eller differentiera, från samma molekyler."

Gruppen fann att denna förmåga att koda flera meddelanden med samma molekyler uppstår eftersom olika celltyper uttrycker olika kombinationer av receptorer på deras ytor.

En egenskap hos detta kommunikationssystem är förmågan för celler att adressera meddelanden till specifika celltyper. "Det är ungefär som att vara i ett trångt rum där alla pratar, och någon vill få din uppmärksamhet så att de ropar ditt namn, " säger Elowitz. "Alla andra kanske automatiskt ignorerar det, men du är uppmärksam; du är målet för det meddelandet."

"Denna selektivitet i kommunikation är extremt användbar, tillägger Antebi. "Du kan föreställa dig att, om du hade ett brutet ben, du vill bara att benceller i det skadade området ska föröka sig och återuppbygga det skadade området, inte alla celler runt dem."

Fynden ger en grund för att förstå hur information fördelas över molekyler. Även om forskningen är i ett tidigt skede, en bättre förståelse för cellulär kommunikation kan leda till design för biologiska läkemedel som kan rikta in sig på tumörer eller särskilda celltyper utan att påverka några andra celler.

Uppsatsen har titeln "Kombinatorisk signaluppfattning i BMP-vägen."