การส่งสัญญาณและการรับสัญญาณ

การส่งสัญญาณ (Signal transduction) คือชุดของกระบวนการที่เซลล์ตรวจจับสัญญาณภายนอกและเปลี่ยนให้เป็นการตอบสนองภายในเซลล์ โมเลกุลส่งสัญญาณจะจับกับตัวรับสัญญาณ — ที่ผิวเซลล์หรือภายในเซลล์ — ซึ่งจะเริ่มต้นกระบวนการทางโมเลกุลแบบลูกโซ่ที่ส่งต่อ ขยาย และรวมข้อมูลก่อนที่เซลล์จะตอบสนอง ตัวรับสัญญาณเป็นจุดเริ่มต้นของการเปลี่ยนแปลงนี้ ทำให้เซลล์มีความจำเพาะในการตอบสนองต่อสัญญาณบางอย่าง

Definition

การส่งสัญญาณ (Signal transduction) คือการเปลี่ยนสิ่งกระตุ้นภายนอกเซลล์หรือภายในเซลล์ ซึ่งตรวจจับได้โดยตัวรับสัญญาณที่จำเพาะ ให้เป็นลำดับของเหตุการณ์ทางชีวเคมีภายในเซลล์ที่ก่อให้เกิดการตอบสนองของเซลล์

Scope

บทความนี้ครอบคลุมประเภทหลักของตัวรับสัญญาณ (ตัวรับสัญญาณที่จับกับโปรตีนจี, ตัวรับไทโรซีนไคเนส, และตัวรับภายในเซลล์), ส่วนประกอบที่ส่งต่อสัญญาณ (โปรตีนจี, โปรตีนไคเนสและฟอสฟาเทส, และ GTPase ขนาดเล็ก), และหลักการของการขยายสัญญาณ, การรวมสัญญาณ, และการยุติสัญญาณ บทความนี้ถือว่าการส่งสัญญาณเป็นหัวข้ออ้างอิงในชีววิทยาของเซลล์และไม่ใช่คำแนะนำทางการแพทย์

Core questions

• ตัวรับสัญญาณแยกแยะสัญญาณของมันออกจากพื้นหลังโมเลกุลได้อย่างไร?
• เหตุการณ์การจับกันที่ผิวเซลล์ถูกส่งต่อไปยังไซโทพลาสซึมและนิวเคลียสได้อย่างไร?
• สัญญาณถูกขยายให้ใหญ่ขึ้นแต่ยังคงจำเพาะได้อย่างไร?
• กระบวนการส่งสัญญาณแบบลูกโซ่ถูกปิดและรีเซ็ตได้อย่างไร?

Key concepts

• การจับกันของลิแกนด์-ตัวรับสัญญาณและความจำเพาะ
• ตัวรับสัญญาณที่จับกับโปรตีนจี
• ตัวรับไทโรซีนไคเนส
• ตัวรับภายในเซลล์ (นิวเคลียร์)
• กระบวนการโปรตีนไคเนสแบบลูกโซ่
• การส่งสัญญาณ MAP kinase
• การขยายสัญญาณ, การรวมสัญญาณ, และการยุติสัญญาณ

Key theories

การเติมหมู่ฟอสเฟตแบบย้อนกลับได้ของโปรตีนในฐานะสวิตช์ส่งสัญญาณ

โปรตีนไคเนสจะเพิ่มหมู่ฟอสเฟตและฟอสฟาเทสจะกำจัดหมู่ฟอสเฟต ซึ่งทำหน้าที่เป็นสวิตช์ตรงข้ามที่เปิดและปิดโปรตีนส่งสัญญาณ การปรับเปลี่ยนแบบโคเวเลนต์ที่ย้อนกลับได้นี้เป็นกลไกหลักในการส่งต่อและควบคุมสัญญาณ

สวิตช์โมเลกุล GTPase

โปรตีนจีแบบเฮเทอโรไตรเมอร์และโปรตีนจีขนาดเล็กจะหมุนเวียนระหว่างสถานะที่จับกับ GTP ที่ทำงานอยู่และสถานะที่จับกับ GDP ที่ไม่ทำงาน โดยมีตัวควบคุมที่ส่งเสริมการกระตุ้นหรือเร่งการไฮโดรไลซิสของ GTP ซึ่งให้การควบคุมการเปิด/ปิดสัญญาณปลายน้ำตามเวลาที่กำหนด

Mechanisms

โมเลกุลส่งสัญญาณจะจับกับตัวรับสัญญาณด้วยความจำเพาะสูง ตัวรับสัญญาณที่ผิวเซลล์แบ่งออกเป็นประเภทหลักๆ ได้แก่: ตัวรับสัญญาณที่จับกับโปรตีนจี ซึ่งกระตุ้นโปรตีนจีแบบเฮเทอโรไตรเมอร์ที่ทำหน้าที่เป็นสวิตช์โมเลกุล; ตัวรับไทโรซีนไคเนส ซึ่งรวมตัวเป็นไดเมอร์และเกิดการเติมหมู่ฟอสเฟตให้ตัวเองเพื่อดึงดูดตัวกระตุ้นปลายน้ำ; และสัญญาณที่ชอบไขมันซึ่งผ่านเยื่อหุ้มเซลล์เพื่อเข้าถึงตัวรับภายในเซลล์ที่ส่งผลต่อการแสดงออกของยีน ในส่วนปลายน้ำ สัญญาณจะถูกส่งต่อโดยส่วนใหญ่ผ่านการเติมหมู่ฟอสเฟตแบบย้อนกลับได้ของโปรตีน ซึ่งไคเนสและฟอสฟาเทสจะเปิดและปิดโปรตีนเป้าหมาย และโดย GTPase ขนาดเล็กที่หมุนเวียนระหว่างสถานะที่จับกับ GTP และ GDP กระบวนการแบบหลายชั้น เช่น วิถี MAP kinase จะขยายและส่งสัญญาณ ในขณะที่โครงสร้างเดียวกันนี้ช่วยให้สามารถรวมข้อมูลเข้าหลายส่วนได้ การนำตัวรับสัญญาณเข้าสู่เซลล์โดยเอนโดไซโทซิสเชื่อมโยงการส่งสัญญาณกับการขนส่งภายในเซลล์และช่วยยุติหรือเปลี่ยนทิศทางการตอบสนอง การยุติสัญญาณ — ผ่านกิจกรรมของฟอสฟาเทส, การไฮโดรไลซิสของ GTP, และการลดจำนวนตัวรับสัญญาณ — จะรีเซ็ตระบบสำหรับสัญญาณถัดไป

Clinical relevance

การส่งสัญญาณควบคุมว่าเซลล์ตอบสนองต่อฮอร์โมน, ปัจจัยการเจริญเติบโต, และสารสื่อประสาทอย่างไร และการส่งสัญญาณที่เปลี่ยนแปลงไปเป็นหัวใจสำคัญในการทำความเข้าใจกระบวนการของโรคหลายชนิด ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมตัวรับสัญญาณและเอนไซม์ส่งสัญญาณจึงได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางในฐานะเป้าหมายของยา บทความนี้อธิบายกลไกการส่งสัญญาณเพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิงและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษา

History

แนวคิดเกี่ยวกับตัวรับสัญญาณและการค้นพบ cyclic AMP ในฐานะสารสื่อสัญญาณตัวที่สองในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ได้ยืนยันว่าสัญญาณที่ผิวเซลล์ถูกส่งต่อภายในเซลล์ ทศวรรษต่อมาได้ไขความกระจ่างเกี่ยวกับตระกูลตัวรับสัญญาณหลัก, บทบาทของโปรตีนจีและสวิตช์ GTPase, และตำแหน่งสำคัญของการเติมหมู่ฟอสเฟตแบบย้อนกลับได้ของโปรตีน โดยมีกระบวนการไคเนสแบบลูกโซ่ เช่น วิถี MAP kinase กลายเป็นกรอบการจัดระเบียบ งานวิจัยล่าสุดได้รวมการส่งสัญญาณเข้ากับการขนส่งผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ โดยแสดงให้เห็นว่าเอนโดไซโทซิสมีผลต่อระยะเวลาและตำแหน่งของสัญญาณ

Key figures

• Tony Hunter
• Elliott M. Ross
• Mark von Zastrow

Seminal works

• hunter-1995
• ross-wilkie-2000

Frequently asked questions

ตัวรับสัญญาณในการส่งสัญญาณของเซลล์คืออะไร?

ตัวรับสัญญาณคือโปรตีนที่จับกับโมเลกุลส่งสัญญาณอย่างจำเพาะเจาะจง และเมื่อจับแล้ว จะเริ่มต้นการตอบสนองภายในเซลล์ ตัวรับสัญญาณอาจอยู่ที่เยื่อหุ้มพลาสมาหรือภายในเซลล์ ขึ้นอยู่กับว่าสัญญาณสามารถข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ได้หรือไม่

สัญญาณถูกขยายภายในเซลล์ได้อย่างไร?

ตัวรับสัญญาณที่ถูกกระตุ้นแต่ละตัวสามารถกระตุ้นโมเลกุลปลายน้ำได้หลายตัว และกระบวนการไคเนสแบบลูกโซ่หลายชั้นและสารสื่อสัญญาณตัวที่สองจะเพิ่มผลกระทบ ดังนั้นการจับกันเพียงเล็กน้อยก็สามารถสร้างการตอบสนองของเซลล์ที่ใหญ่ได้