基于信号动力学的细胞信息编解码

摘要

生物学中一个统一的主题是功能反映在结构中。例如，考虑一下鸟类翅膀的高度专业化结构。稀疏排列的骨骼和羽毛图案创建了高表面质量比，从而实现飞行。或者检查一种酶的折叠构象：它的三维结构表明它能够结合哪些底物分子以及它可以催化哪些反应。也许预测生理功能的生物结构最常见的例子是基因组。通过了解编码DNA的序列结构，人们可以推断它是编码蛋白质结构域、结合位点、保守基序还是发夹结构。这些例子表明，功能信息编码在细胞的结构成分中。有人可能会争辩说，只要我们能够足够详细地测量它们，所有相关信息都嵌入到细胞结构中。但这是生物信息编码的唯一方式吗？是否有生物功能的某些方面无法通过简单地观察静态结构来发现？

在这篇综述中，我们讨论了细胞生物学中的一个新趋势，它提出了一种在细胞内传输信息的额外模式，即通过动力学信号分子的(Behar和Hoffmann，2010年). 在这里，动力学被定义为描述分子的浓度、活性、修饰状态或定位如何随时间变化的曲线形状(图1A)这种信号模式对时间信号的频率、幅度、持续时间或其他特征中的信息进行编码(图1B). 因此，它比仅在一个时间点通过信号分子的状态传输信息更加丰富和复杂。我们对生物学中不同系统的动力学进行了广泛的调查，重点是使用多种定量测量和微扰方法分析的研究良好的系统。通过这些例子，我们提取了动力学在生物学中的作用的一般原理，以及通过信号分子的动力学传递信息可以带来什么好处。

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图1

量化生命系统中信号分子的动力学

（A） 不同的输入可以通过静态量的差异来区分，例如丰度、同一性（例如翻译后修饰、辅因子的结合）或信号分子的位置。然而，不仅绝对数很重要（例如，在特定时间在细胞中发现多少特定蛋白质），而且这些变量的时间模式也很重要（描述浓度、定位和随时间变化的曲线形状）。

（B） 动态信号的可测量特征示例，包括振幅、频率、持续时间、延迟和累积电平。

（C） 细胞过程的特征时间尺度从亚秒到几天不等。在适当的时间尺度上进行测量对于捕捉真实的动力学行为至关重要。

（D） 细胞数量的测量可能会模糊单个细胞的动态。例如，针对DNA损伤的p53脉冲具有固定的高度和宽度。不同数量的脉冲和单个细胞之间的同步性丢失使群体中出现阻尼振荡。同样，凋亡期间caspase底物的裂解似乎在细胞群中逐渐发生。单细胞成像显示，卵裂速度很快，但细胞间的延迟时间可变。

量化生命系统中信号分子的动力学

了解生物反应的动力学需要收集高质量的时间序列数据。测量信号动态时的一个重要考虑因素是测量的适当时间尺度。一些过程，如离子传输或钙释放，在几秒钟内发生。其他变化，包括细胞周期中蛋白质水平的变化会在几分钟或几小时内发生。一些可观察到的表型变化，如细胞形态或细胞表面标记的表达可能需要几天或更长时间。因此，对特定系统的时间尺度的良好理解对于确定适当的采样频率以确保关键信息不会丢失至关重要(图1C). 例如，当在DNA损伤后的第一个小时内高频测量磷酸化激酶ATM（ATM-P）的水平时，结论是ATM迅速磷酸化，并在损伤后5分钟内达到最大水平，随后缓慢下降(Jazaeri等人，2006年). 当连续10小时每小时测量一次ATM-P的水平时，很明显它显示出DNA损伤后的一系列振荡，这一观察结果导致了一种新的模型，用于控制ATM和肿瘤抑制因子p53对DNA断裂的反应(Batchelor等人，2008年).

信号的动态可以通过细胞群或单个细胞进行测量。荧光传感器的发展使我们能够在活细胞中进行高分辨率延时成像，这提高了我们量化单个细胞生物反应动力学的能力。其中包括报告信号分子激活的化学传感器(Welch等人，2011年)以及直接参与功能反应的传感器，如荧光融合蛋白[例如(Albeck等人，2008年;Bakstad等人，2012年)]. 这些研究和其他研究的共同观察表明，即使受到相同的刺激，单个细胞的动态反应也存在很大差异(Cohen等人，2008年;Lee等人，2009年). 因此，群体的平均动态行为往往代表了个体模式的扭曲版本，这可能会导致误解。例如，当用Western blot检测时，p53对DNA损伤的反应动力学最初被描述为阻尼振荡(Lev Bar-Or等人，2000年). 然而，对单个细胞的观察表明，这些实际上是具有固定高度和持续时间的脉冲(Lahav等人，2004年). 随着时间的推移，脉冲数量的变化和单个细胞之间同步性的丧失导致了群体中连续脉冲的明显扩大和缩短(图1D). 类似地，单个细胞对某些信号的“开关样”反应，例如发育中卵母细胞的MAP激酶活性(Ferrell和Machleder，1998年)或凋亡过程中caspase底物的断裂(Tyas等人，2000年)，显示平均人口测量值逐渐增加(图1D). 这些示例强调了在单个单元级别跟踪这些响应的重要性。

由于标记的报告者对细胞具有显著的扰动，因此必须确定将报告者引入细胞系不会改变其动力学特性。这可以通过使用免疫印迹或流式细胞术比较标记蛋白质和内源性蛋白质之间诱导和降解速率的对照实验来确定。例如，活细胞中蛋白质的快速积累通常在流式细胞术中表现为不同的亚群，因为蛋白质处于中间状态的时间相对较少（例如，参见Albeck等人，2008年). 然而，应该避免对流式细胞术的潜在动力学进行过度解释，因为模拟表明，即使分级的个体反应有时也会导致双峰群(Birtwistle等人，2012年). 当荧光报告物用于研究细胞间变异时，使用克隆稳定转染细胞系是可取的，因为瞬时转染细胞通常表达不同数量的效应物，这可能会改变动力学并导致细胞间的人为变异(Barken等人，2005年).

上游刺激的特性和强度可以编码在信号分子的动力学中

在研究信号分子的时间行为时出现的第一个概念是，不同的上游信号可以导致同一分子的不同动力学模式。这种行为的早期例子是在细胞外信号调节激酶（ERK）通路中发现的（此处ERK指包含Erk1和Erk2的信号模块）。最初观察到两种不同的生长因子触发大鼠神经元前体细胞的不同命运；神经生长因子（NGF）导致分化，而表皮生长因子（EGF）导致细胞增殖。乍一看，人们可能会得出这样的结论：一个单独的信号通路是诱导对这些刺激中的每一个作出反应，从而导致不同的命运。然而，更仔细的研究表明，这两种刺激激活ERK，但具有不同的动力学模式(Gotoh等人，1990年;Nguyen等人，1993年;Traverse等人，1992年). 具体来说，EGF触发短暂反应，而NGF诱导持续ERK激活(图2A). 这些观察结果导致了这样一种观点，即PC-12的分化并不是严格意义上的配体特异性，而是受ERK活性动力学的控制(马歇尔，1995年).

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图2

上游刺激的特性和强度可以编码在信号分子的动力学中

（A） ERK激活对生长因子的响应动力学。用EGF或NGF刺激哺乳动物细胞分别导致短暂或持续的ERK激活。动力学代表群体反应。

（B） NF-κB对TNFα或LPS反应的动力学。用TNFα刺激会导致反复核积累的振荡模式，然后是核输出。LPS刺激在短暂延迟后导致持续水平的NF-κB易位。动力学表示单细胞反应。

（C） 酵母转录因子Msn2的动力学。酵母对葡萄糖限制的反应是Msn2易位到细胞核的协调爆发，随后是一系列Msn2活性的零星爆发。这些应力强度的增加会延长初始破裂的持续时间，并增加零星破裂的频率。氧化应激触发Msn2的持续核积累。氧化应激强度增加导致更高的振幅和更短的信号峰值延迟。动力学表示单细胞反应。

（D） p53对DNA损伤的反应动力学。γ辐射导致双链DNA断裂，导致p53重复脉冲。损伤增加会导致更多脉冲。紫外线辐射触发p53的单脉冲，其振幅和持续时间与紫外线剂量成比例增加。动力学表示单细胞反应。

其他信号分子已被证明在其动力学中封装上游信号。例如，不同的炎症刺激诱导转录因子NF-κB的不同时间分布(图2B). 在静息状态下，NF-κB持续在核和细胞溶质间穿梭。肿瘤坏死因子-α（TNFα）激活NF-κB，导致核内长期占据，并转录其负调控因子IκBα。这个负反馈回路产生转录活性NF-κB的振荡(霍夫曼等人，2002年;Nelson等人，2004年;Sung等人，2009年;Tay等人，2010年). 相反，细菌脂多糖（LPS）导致NF-κB活性的缓慢积累和单波延长(Covert等人，2005年;Lee等人，2009年;沃纳等人，2005年).

在不同的系统中，刺激的特性和强度都会改变同一蛋白质的动力学。一个例子是酵母转录因子Msn2，它通过易位到细胞核来应对压力(图2C). 最近的单细胞研究表明，作为对葡萄糖限制或高渗压的反应，核Msn2表现出随剂量依赖的持续时间和固定幅度的短暂增加(Hao和O'Shea，2012年). 相反，氧化应激导致核Msn2积累延长，幅度随H浓度升高而增加₂O（运行）₂对单个细胞的更仔细观察表明，在最初的脉冲之后，葡萄糖限制和渗透压力导致了一系列Msn2爆发。这些脉冲的频率取决于葡萄糖限制信号的强度，但不受渗透压强度的影响(Hao和O'Shea，2012年).

肿瘤抑制因子p53也表现出刺激和剂量依赖性动力学(图2D). γ辐射引起的双链断裂（DSB）触发了一系列具有固定幅度和持续时间的p53脉冲。较高剂量的辐射会增加脉冲数，而不会影响其幅度或持续时间(Geva-Zatorsky等人，2010年;Lahav等人，2004年). 相反，紫外线以剂量依赖的幅度和持续时间触发单个p53脉冲(Batchelor等人，2011年). 最后，刺激强度也会影响NF-κB活性的动态。增加TNFα浓度导致NF-κB核转位延迟缩短(Cheong等人，2006年;Tay等人，2010年)增加TNFα刺激的频率导致较小的振幅振荡(Ashall等人，2009年). 从这些例子中可以看出，信号分子的动力学可以捕获上游刺激的特性和数量。

动态模式也可以反映同时或顺序施加的两个或多个刺激的组合。例如，同时使用多种药物治疗可以对下游信号蛋白的动态模式产生叠加效应；也就是说，各个动力模式有效叠加(Geva-Zatorsky等人，2010年). 在其他情况下，不同的刺激协同或对抗地相互作用，产生一个时间剖面，其中某些动力学特征要么增强要么沉默(Garmaroudi等人，2010年;Werner等人，2008年). 当细胞对重复刺激表现出脱敏时，顺序给药刺激通常是这种情况(Ashall等人，2009年). 例如，用凝血酶治疗人类血小板会产生细胞内钙释放的特征性时间模式。然而，如果在进行ADP治疗之前，凝血酶诱导的模式会减弱(Chatterjee等人，2010年). 这意味着动力学可以反映细胞对先前刺激的“记忆”，也暗示了通路之间的串扰。

信号分子的动力学与特定的下游反应有关

由于各种蛋白质的动力学随刺激而变化，似乎下游元件可能会对这些不同的动力学曲线作出反应。事实上，有许多例子表明，信号分子的动力学与特定的细胞结果相关，或至少先于特定的细胞结局。如前所述，ERK对EGF的瞬时激活允许神经元前体细胞的持续增殖，而ERK对NGF的持续激活导致交感神经样神经元的分化(马歇尔，1995年) (图3A).

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图3

信号分子的动力学与特定的下游反应有关

（A） ERK的瞬时激活导致神经元前体细胞的增殖。持续的ERK水平先于分化为神经元。

（B） NF-κB的瞬时核积累触发非特异性炎症反应基因的表达。持续的核NF-κB水平导致适应性免疫反应所需的额外细胞因子和趋化因子的表达。

（C） γ射线照射引起的p53脉冲与细胞周期阻滞有关。延长p53信号传导，如对紫外线辐射的反应，导致细胞凋亡。

20世纪80年代高灵敏度钙染料的发展(Grynkiewicz等人，1985年)从哺乳动物卵子受精引起的振荡中揭示了钙分子的各种动力学行为(Malcuit等人，2006年)人类血小板微小体积中观察到的噪音尖峰(Heemskerk等人，2001年). 对这些行为的仔细研究表明，钙可以仅仅根据其动力学波形激活不同的反应。短暂的钙高峰诱导NF-κB和JNK的长时间激活，在钙衰退后持续良好。相反，钙尖峰仅诱发NFAT的短暂核移位，而NFAT移位的延长需要持续的钙水平(Dolmetsch等人，1997年). 这些结果表明，NFAT可以区分钙的不同动力学模式。最近的一项研究表明，NFAT的两种亚型NFAT1和NFAT4在静态钙刺激下表现出不同的核定位动力学，这再次证明了这种机制的可能性(Yissachar等人，2013年). 然而，这些动力学是否负责解码钙信号，将需要表征NFAT1/4动力学以响应不同的钙动力学。

NF-κB核定位和DNA结合活性的动力学已被证明可以控制靶基因表达的特异性和水平(霍夫曼等人，2002年;Nelson等人，2004年). 在细胞群中进行的研究表明，NF-κB对TNFα的反应（产生NFκB振荡）激活可诱导多种炎症反应基因的表达，而LPS诱导的持续NF-κB水平导致了类似的表达模式，但也诱导了额外的细胞因子分泌以及与适应性免疫反应相关的基因(图3B) (沃纳等人，2005年). p53的动态也与特定的细胞反应有关。γ射线照射后的p53脉冲被发现与短暂的细胞周期阻滞和恢复有关，而紫外线照射后的单一延长脉冲先于细胞凋亡(图3C) (Purvis等人，2012年).

这些研究可能得出的高级结论是，细胞能够将同一信号分子的不同动力学模式“翻译”为特定结果。然而，对这一说法的一个重要警告是，除了改变动力学之外，不同的刺激还影响其他可能导致下游反应中观察到的变化的通路成分。这种担忧最终必须通过使用遗传或药理学策略对动力学进行直接和仔细的扰动来解决。

信号动力学的目标扰动

不同的动力学模式与某些细胞反应相关的观察结果并不能证明动力学是这些反应背后的因果因素。如何测试动力学是否真的在驱动细胞反应？与研究人员通过突变特定基因并测试结果行为来检验其作用的方式类似，检验动力学作用的一个合理方法是人为干扰系统的动力学并测试其如何影响下游结果。每种摄动方法都有不同的优缺点，使用多种方法对系统进行最佳表征。

动力学受控扰动的第一个例子是用来研究钙动力学对基因表达的影响。采用钙离子载体和钙螯合剂交替处理，研究不同钙频率对基因表达的影响。这种“膜片钳”装置显示，不同频率的钙激活了无、部分或全部转录因子NF-κB、NFAT和Oct/OAP(Dolmetsch等人，1998年). 同样，使用光活化肌醇1,4,5-三磷酸（细胞内钙释放的触发因素）也得出了同样惊人的结论：细胞内钙的特定释放频率可以优化基因表达(Li等人，1998年). 尽管之前有迹象表明第二信使的动力学是功能性的(Darmon等人，1975年)这些细胞内钙动力学的合理扰动直接证明了特定的动力学模式携带功能信息并执行特定的结果。

通过小分子或基因操纵抑制电路的关键部件，可以实现信号动力学的扰动。所有这些策略依次用于研究NF-κB动力学对靶基因特异性的作用。缺乏NF-κB负调控因子IκBα的敲除MEFS在TNFα治疗后表现出持续而非短暂的NF-κ的活性(霍夫曼等人，2002年). 这种扰动表明，RANTES等特定基因需要核NF-κB的持续活性。采用类似的方法确定LPS刺激下刺激特异性NF-κB活性所需的成分。LPS治疗天花-MEFS缺陷表明从头开始TNFα的产生负责NF-κB活性的持续阶段(沃纳等人，2005年).

作为NF-κB动力学药理学扰动的一个例子，用钩端霉素B（LMB）处理细胞以阻止核输出，从而在细胞核中捕获非活性的NF-κ的B-IκBα复合物(Nelson等人，2004年) (图4A). 因此，NF-κB蛋白的核定位是持续的，但其转录活性只是暂时的。相反，NF-κB的自然振荡触发荧光报告基因的单调增加。这导致了这样一个假设，即NF-κB振荡的功能是将新激活的NF-κ的B从细胞质传递到细胞核(Nelson等人，2004年). 为了支持这一观点，最近一项使用LMB的研究对早期基因的表达没有影响，但导致了中晚期靶基因的抑制(Sung等人，2009年).

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图4

蛋白质动力学的靶向扰动有助于揭示动力学在细胞反应中的作用

（A） NF-κB易位动力学的扰动改变基因表达。TNFα刺激可触发NF-κB的IKK依赖性激活并靶向细胞核。随后的输出导致NF-κB核活性振荡。用LMB阻止核出口导致核NF-κB持续积累。这与直觉相反，导致了靶基因表达从持续到暂时的转变，因为负调控因子IκB也存在于细胞核中。

（B和C）改变ERK动力学改变表型反应。（B） EGF刺激产生短暂ERK激活，并允许PC-12细胞增殖。PKC激活剂PMA的加入增加了ERK对Raf的正反馈，并维持了激活ERK对EGF的反应水平。由此产生的轮廓类似于NGF刺激的动力学，促进分化。（C） NGF刺激触发ERK的持续激活并导致细胞分化。PKC抑制剂Gö7874抑制ERK向Raf的正反馈，产生类似于NGF诱导的暂时性ERK反应。这导致了从分化到增殖的转变。

（D） 人工维持的p53脉冲促进细胞衰老。γ辐射诱导双链DNA断裂和ATM激酶的激活。p53产生的脉冲部分由Mdm2到p53的负反馈驱动。当Mdm2的泛素连接酶活性被小分子Nutlin-3阻断时，p53水平积累。维持p53动态的一系列Nutlin-3剂量导致细胞衰老。

结合理论和微扰实验，揭示了ERK动力学在驱动细胞命运决定中的特殊作用(Santos等人，2007年). 基于先前的观察结果(格拉默和布莱尼斯，1997年)，然后使用一对小分子改变ERK动力学并逆转EGF和NGF对PC-12细胞命运的影响。具体地说，使用佛波醇-12-苦味酸-13-醋酸盐（PMA）治疗，刺激蛋白激酶C（PKC）激活，并将ERK的正反馈引入Raf，导致ERK持续激活和分化，以响应EGF(图4B). 相反，PKC抑制剂Gö7874治疗导致NGF治疗后短暂ERK激活和增殖增加(图4C).

虽然基因和单一治疗扰动已被证明有助于揭示动力学在这些和其他几种情况下的作用，但改变蛋白质动力学的另一个理想方法是在反应期间对研究中的分子进行精确和定时的扰动。我们的实验室最近使用了这种方法来证明p53的动力学控制着基因表达的选择和时间，以应对DNA损伤(Purvis等人，2012年). 我们研究了在γ射线照射下自然显示p53脉冲的细胞。这些细胞通常在阻止细胞周期并修复其DNA后，从中等剂量的辐射中恢复。使用定时剂量的小分子Nutlin-3稳定p53水平，我们人为地将p53动力学从脉冲切换到持续。p53动力学的这种转换导致与不可逆细胞命运相关的基因激活，如凋亡和衰老，并推动细胞走向衰老。(图4D). 与所有药理学药物一样，药物与细胞内其他成分的交叉反应性应仔细描述。尽管Nutlin-3对p53具有高度选择性(Tovar等人，2006年)，使用更多的滥交剂应该与基因扰动相比较，以证实任何关于功能的主张。

值得注意的是，人工维持的γ辐射反应动力学导致了不同的细胞结果（衰老），这与紫外线处理自然产生的可比动力学预测的结果（凋亡）不同。这表明，当相似的动力模式来自不同的刺激时，它们会产生不同的结果。这也意味着细胞命运的决定不仅取决于信号的动力学，还取决于诸如翻译后修饰或空间定位等其他因素的组合。

另一个细粒度的动力学扰动用于研究酵母Msn2动力学对目标基因表达的影响。蛋白激酶A的突变亚型可由小分子抑制剂控制，用于调节Msn2的核积累(Hao和O’Shea，2012年). 该装置包括一个微流体装置，用于动态实施抑制剂治疗，用于改变Msn2核定位的振幅、频率和持续时间。Msn2转录活性的荧光报告显示了与不同动力学特征相关的不同表达模式。具体而言，基因表达对Msn2振幅表现出Hill功能样反应，与Msn2核定位持续时间呈线性关系，并且随着Msn2脉冲频率的增加呈非线性增加。这个微扰的例子有很多重要的优点：它直接影响所讨论的信号分子（而不是改变上游配体）；它可以连续管理，因此可以控制动态波形的所有参数；它可以记录单个细胞的动态。

最后两项研究采用了类似的分析来确定细胞是否可以解释不同的动态信号。分析包括计算累积信号或曲线下面积(图1B)并将下游反应（例如基因表达）与单个细胞的累积信号进行比较。即使累积Msn2水平相似，Msn2振荡反应的靶基因表达水平也低于持续Msn2(Hao和O'Shea，2012年). 类似地，即使在相同的累积p53信号下，持续的p53也比脉冲的p53导致更高的衰老基因表达(Purvis等人，2012年). 这些发现显示了转录因子的累积水平与其靶基因的激活之间的非线性关系，表明了将蛋白质动力学解码为特定结果的复杂机制。

将动力学与网络结构联系起来：编码和解码机制

对转录网络中网络模体的识别以及对其在不同系统中的动力学的综合研究揭示了模体结构、动力学和特定功能之间的密切关系(阿龙，2007;Yosef和Regev，2011年). 例如，发现前馈回路可以产生活动脉冲，或根据其相互作用的性质防止短暂波动。这里讨论的许多例子表明，动力学确实在驱动细胞反应中发挥着功能作用，但它们并不总是解释动力学是如何在分子水平上调节或解释的。在本节中，我们将讨论两个问题：产生特定动力学模式的分子机制是什么，以及下游组分如何解释同一分子的不同动力学？

编码动态

研究信号分子对不同刺激的反应动力学有助于揭示形成观察到的动力学的功能反馈。例如，ERK对EGF或NGF反应的动力学差异部分是因为ERK和SOS在EGF途径中存在负反馈。此外，在受体内化后，NGF而非EGF信号继续传递，这有助于ERK的持续激活(Sasagawa等人，2005年). 也有证据表明通过PKC对ERK激活有正反馈(Santos等人，2007年). 这里的含义是，由ERK动力学介导的对EGF和NGF的不同反应是由不同通路成分的同一性和连通性的差异引起的(图5A).

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图5

将动力学与网络结构联系起来：编码和解码机制

（A和B）网络架构的差异形成了动态响应。（A） 通过SOS的负反馈部分促进了ERK对EGF的瞬时激活。NGF持续激活ERK依赖于PKC的正反馈，而PKC在EGFR下游未激活。（B） γ辐射导致双链DNA断裂并导致p53脉冲。通过磷酸酶Wip1的负反馈通过去磷酸化ATM减弱损伤信号，从而控制p53脉冲的振幅和持续时间。紫外线辐射激活ATR激酶。紫外线途径中Wip1和ATR之间缺乏负反馈是p53动力学差异的原因。

（C和D）网络结构选择性地解释动态。（C） 激活的ERK诱导了早期反应基因产物网络，如C-Fos。短暂的ERK激活不足以有效积累C-Fos，而持续的ERK活化则导致C-Fos的积累。c-Fos被ERK（pFos）磷酸化，导致原分化基因的表达。因此，早期基因产物（如c-Fos）的积累可作为持续ERK激活的持久性检测器。（D） 基因调节电路可以区分短暂性TLR4信号和持续性TLR4。NF-κB和C/EBPδ形成一个连贯的前馈环，以刺激伊尔6转录。瞬时LPS信号的衰减通过ATF3的抑制介导，而伊尔6持续LPS刺激的部分原因是通过C/EBPδ的自动调节产生正反馈。

TNFα和LPS诱导NF-κB活化动力学的差异(图2B)也归因于特定的网络结构。NF-κB对TNFα的瞬时激活是由一个涉及NFκB及其靶基因产物IκB的负反馈环介导的。TNF受体的激活激活IκB激酶复合物，该复合物磷酸化IκB并通过泛素化触发其随后的降解。IκB的降解使游离NF-κB结合其靶基因，包括IκB，导致随后NF-κ的抑制。NF-κB对持续TNFα刺激的长期动态反应由另一个靶基因产物A20控制。A20蛋白具有更长的半衰期，并且比IκB作用更上游，这解释了为什么它抑制NF-κB动力学的长期阶段(Basak等人，2012年;Werner等人，2008年). 相反，NF-κB对LPS的持续激活归因于通过自分泌途径产生的正反馈，自分泌途径涉及新生TNFα的产生。LPS激活Toll样受体4（TLR4）可触发TNFα的合成和TNF受体的激活。TRL4-和TNF-依赖性NF-κB活化之间的延迟被认为是为了及时错开这些反应，并使LPS诱导的NF-κ的活化具有稳定性(Covert等人，2005年).

类似地，DNA损伤网络中的特定反馈被发现是p53对γ射线和紫外线反应的差异动力学的原因(Batchelor等人，2011年). 在这两个网络中，PI3激酶相关激酶（ATM或ATR）将损伤信号传递给p53，激活两个核心负反馈环路：一个在p53和E3泛素连接酶Mdm2之间，另一个在p53和磷酸酶Wip1之间。然而，一个重要的区别是，对γ辐射作出反应的网络包括p53和ATM之间由Wip1介导的额外负反馈(图5B). 这种反馈对于触发p53脉冲响应γ辐射至关重要，因为γ辐射后沉默Wip1会产生类紫外线动力学(Batchelor等人，2008年). 此外，发现对γ辐射的反应是可激发的，但对紫外线的反应是不可激发的。在这种反应中，低瞬态输入足以触发完整的p53脉冲。目前的模型只是部分地再现了实验观察到的兴奋性(Batchelor等人，2011年)此外，还需要进行额外的工作，以确定γ辐射响应中的兴奋性机制。

通过信号动态调制实现的功能

迄今为止的例子表明，控制信号分子的时间行为可能代表了一种独特的细胞信号策略。例如，刺激强度到信号持续时间的转换，如Msn2和p53所示，可能是细胞信号网络的一般特征。通过将刺激剂量转换为信号持续时间，信号网络可以检测到更大范围的刺激浓度，甚至超过明显的饱和极限(Behar等人，2008年). 然而，有迹象表明，信号动力学提供的全部功能范围仍有待发现。我们现在提供一些最近的示例，说明通过控制信号动力学实现的丰富功能行为。

时间行为研究中一个突出的例子是转录因子动力学控制基因表达的方式。在转录激活的经典模型中，靶基因的表达由转录因子的丰度控制，通常具有Hill样或线性剂量-反应曲线(图6A). 对于具有多个基因靶点的转录因子，转录因子水平的增加将对每个启动子产生不同的影响，因为一般来说，这些响应曲线的大小和形状因每个启动子而异。然而，通过控制转录因子的频率而不是绝对水平，细胞在相同的浓度范围内工作，从而对靶启动子具有一致的影响。这使得共同调控的基因以相同的相对比例表达，而与启动子亲和力无关(图6A). 这种行为是通过研究酵母转录因子Crz1的动力学发现的，它显示了核定位对钙的反应(Cai等人，2008年). 钙的浓度控制Crz1爆发的频率，这是一种类似于酵母对葡萄糖限制反应的数字转换(图2C). 进一步的检查表明，Crz1激活的频率确保了目标基因以相同的比例转录，而与Crz1的启动子亲和力无关(图6A).

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图6

通过调节动力学实现的特定控制机制

（A） （上图）转录因子的不同振幅导致靶基因的不同表达，这取决于它们的启动子响应曲线。转录因子的不同振幅用紫色（最低）到蓝色（最高）虚线标记。两个假设基因A和B的启动子反应曲线显示为红线和绿线。（底部）调频转录因子动力学维持靶基因表达的相对比例。无论刺激强度如何，转录因子活性达到相同水平（灰色虚线），因此激活响应曲线中相同位置的靶基因启动子。刺激强度影响转录因子激活的频率；高频（蓝色）比低频（紫色）更容易打击启动子。这导致目标基因以相同的相对比例积累（右面板）。见正文和(Cai等人，2008年)了解更多详细信息。

（B） 单个细胞之间ERK2反应的时间和倍数变化比绝对水平更为保守。在基础条件下以及用EGF刺激后，单个细胞ERK2的绝对水平差异很大。然而，描述响应时间的某些参数显示出较少的可变性。峰值激活前的延迟、信号持续时间和折叠变化是最保守的参数。请参见(Cohen-Saidon等人，2009年).

不仅能够测量信号的时间特征，而且能够测量信号在细胞内的精确位置，这表明动力学有时在细胞的特定部分起作用。时空信号的一个突出例子发生在Msn2和NF-κB通路中，其中转录因子通过穿梭进出细胞核来调节。这种分区的使用与p53网络形成对比，p53网络的脉动动力学由总蛋白水平的重复积累和降解控制。其他研究表明动力学如何在空间分布的细胞内网络中发挥作用(Kholodenko等人，2010年以及其中的参考）。例如，在大鼠海马神经元中，长的树突棘允许积累膜产生的信号。通过适当调整时间行为，有关脊椎空间结构的信息可以传输到细胞的远端(Neves等人，2008年). 类似地，信号浓度梯度已被证明可以控制交配酵母中的尖端项目(Maeder等人，2007年)Ras从质膜扩散(Chandra等人，2012年). 在每种情况下，细胞内位置和时间行为之间的相互作用对于执行特定的信号传递过程是必要的。

动力学还可以反映有关细胞静息状态的信息。对单个人类细胞ERK2易位动力学的研究表明，ERK2基础核水平有很大变化(Cohen-Saidon等人，2009年). 在EGF刺激下，细胞也显示ERK2的峰值水平差异很大。然而，当ERK的折叠变化相对于起始水平进行量化时，反应的动力学非常相似(图6B). 这为细胞如何在自然噪声背景下实现标准化响应提供了一个优雅的示例。

脉动模式可以作为时间标尺，其中每个脉冲代表一个固定的时间长度。这种现象在研究枯草芽孢杆菌(Levine等人，2012年). 这种细菌可以通过多轮生长和增殖来延长产孢时间。细菌是如何测量这段时间的？对单个细胞中的主调节器Spo0A的延时成像显示，延迟时间由正反馈回路控制，该正反馈回路允许Spo0A在多个细胞周期世代中积累到临界水平。这种动态行为可能会增加细菌的生存机会，可能是通过在孢子形成之前积累额外的营养物质或繁殖额外的后代。

结论和未来方向

我们对细胞如何以时间信号模式存储信息进行了专题概述，重点关注与每个动态模式相关的功能结果。然而，在每一种情况下，动力学可能只代表执行不同细胞结果的复杂信号反应中的一层调控。事实上，我们已经看到，由于网络结构或单个分子相互作用动力学的差异，会出现不同的动力学模式。因此，其他通路活动的特性和强度的改变，如翻译后修饰，可能与动力学一起诱导刺激特异性反应。

更好地理解信号动力学是如何调节的，以及它们如何影响细胞反应，可能会为以可控的方式操纵它们提供新的见解。反过来，这可能为改变细胞命运提供新的药理学策略。例如，研究表明，全身照射后，小鼠体内会出现p53的振荡(Hamstra等人，2006年). 原则上，用于诱导细胞培养中衰老的p53脉冲的相同扰动(Purvis等人，2012年)可以在体内给药。在健康细胞和疾病细胞的动力学预期不同的情况下（例如(Francisco等人，2008年)). 在这种情况下，动力学代表区分细胞的表型，并可能被小分子或其他扰动所针对。

这篇综述的一个主要焦点是使用扰动来控制动力学模式。这些策略有望成为合成生物学中使用的工程工具。最近有研究证明了光对细胞动力学的扰动(Levskaya等人，2009年;Toettcher等人，2011年)它可以对时间信号提供异常无创和精确的控制。

专注于生物反应动力学的研究数量正在增加，远远超过了我们在本综述中可以提及的研究数量。随着荧光标记和延时技术变得更好、更便宜，很快就会清楚，绝大多数信号（如果不是全部的话）都是通过其组件的特定动态模式传输的。如果是这样的话，信号动力学的研究有望提供关于电路结构和功能的丰富而复杂的见解，而这是通过其他方式无法揭示的。这是钙、p53、Msn2、NF-κB和本综述中提到的几乎所有其他系统的情况；对其动力学特性的研究揭示了以前未被重视的调节作用。这同样适用于鸟类的翅膀：翅膀的结构可以为其潜在功能提供极好的线索，但没有什么可以替代观察飞行中翅膀的流体运动。

致谢

脚注

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