ชีววิทยาเซลล์และโมเลกุลสำหรับสาขาการแพทย์

หลักสูตรนี้คืออะไร และการใช้หลักสูตรนี้

นี่คือรายวิชาแรกในเวชศาสตร์มหาวิทยาลัย: เซลล์และชีววิทยาโมเลกุล สำหรับสาขาการแพทย์ เป็นพื้นฐานก่อนคลินิกที่ รายวิชาทั้งหมดจะยืนอยู่บนฐานนี้: ชีวเคมีเติมเต็มการทำงานของเซลล์, สรีรวิทยาทำให้มันทำงานได้, และพยาธิวิทยาอธิบายเมื่อมันล้มเหลว. ขอบเขตของเนื้อหา (ระบุเพียงครั้งเดียว): นี่คือรายวิชานักศึกษา ไม่ใช่ปริญญาตรีทางการแพทย์ — ไม่มีผู้ป่วย, ไม่มีการฝึกปฏิบัติทางคลินิก; ทุกกรณีด้านล่างนี้เป็นเรื่องสมมติและไม่มีการอนุญาตหรือคำแนะนำในการรักษาใด ๆ ในที่นี้

ขอบเขตที่ระบุไว้ครั้งเดียว: นี่คือหลักสูตรการศึกษา ไม่ใช่ทางการแพทย์ และภาษาไฟฟ้าของไอออน. นิยาย และไม่มีอะไรในที่นี้ให้ใบอนุญาตหรือคำแนะนำในการรักษา

• หน่วย 1.1–1.2 คือเซลล์และเยื่อหุ้มเซลล์: การจัดระเบียบ, การขนส่ง, และภาษาทางไฟฟ้าของไอออน
• หน่วย 1.3–1.5 คือสายข้อมูล: การจำลองแบบ, การแสดงออกของยีน, และกลไกการควบคุม
• หน่วย 1.6–1.7 เป็นส่วนที่ตัดสินใจ: การส่งสัญญาณระหว่างเซลล์ และการ ควบคุมชีวิตและการตายของเซลล์เอง

นิสัยทางยา: กลไกก่อนข้อเท็จจริง ตัวเลขทุกตัวใน course is something you recompute — a Nernst potential, a compaction ความน่าเกิดการกลายพันธุ์ — และแต่ละลิงก์ทางคลินิกจะระบุชื่อ กลไกที่สอน

การจัดระเบียบเซลล์และออร์แกเนลล์

ทำไมถึงสำคัญ เซลล์ยูคาริโอตคือโรงงานที่มีห้องแยก: แต่ละ ออร์แกเนลล์เป็นภาชนะทำปฏิกิริยากับ pH ที่เหมาะสม เอนไซม์ที่เหมาะสมและ พื้นผิวด้านขวา การแพทย์อ่านเซลล์ในลักษณะที่วิศวกรอ่านแผนผังโรงงาน — มีอะไรอยู่ตรงไหน และทำไมถึงเป็นเช่นนั้น แผนผังโรงงาน — มีอะไรอยู่ตรงไหน และทำไมถึงเป็นเช่นนั้น

แนวคิดพร้อมภาพประกอบ ออร์แกเนลล์มีขนาดเรียงลำดับกันครอบคลุม สามลำดับของขนาด: ไรโบโซม มีขนาด 25 nm, และ ไมโครเมตร, นิวเคลียส มีขนาด 6 ไมโครเมตร, และ เซลล์ ทั้งwhole มีขนาด 2 ไมโครเมตร ฟังก์ชันขึ้นอยู่กับขนาด: ทุกสิ่งที่เซลล์ทั้งwhole ต้องทำอย่างรวดเร็ว จำเป็นต้องมีพื้นผิวเยื่อหุ้มเพื่อทำหน้าที่นั้น และ เซลล์ ทั้งwhole มีขนาด 20 ไมโครเมตร ฟังก์ชันขึ้นอยู่กับขนาด: ทุกสิ่งที่เซลล์ทั้งwhole ต้องทำอย่างรวดเร็ว จำเป็นต้องมีพื้นผิวเยื่อหุ้มเพื่อทำหน้าที่นั้น ฟังก์ชันขึ้นอยู่กับขนาด: ทุกสิ่งที่เซลล์ทั้งwhole ต้องทำอย่างรวดเร็ว จำเป็นต้องมีพื้นผิวเยื่อหุ้มเพื่อทำหน้าที่นั้น

นิยามที่มีตัวเลข. นิวเคลียส เก็บ DNA จำนวน 2.2 m (6.4 × 10⁹ คู่เบส × 0.34 nm/คู่เบส) ภายในหุ้มเยื่อหุ้มเซลล์ขนาด 6 µm — ซึ่งมีความยาวประมาณ 4 × 10⁵ เท่าของความกว้างของนิวเคลียส เอนโดพลาสมิกเรติคูลัมแบบขรุขระ คือ การส่งออกโปรตีนที่ประดับด้วยไรโบโซม; กอลจี้ จัดเรียงและ เพิ่มหมู่กลाइโคซิล; ไลโซโซม รักษา pH ≈ 4.8 เพื่อทำลายสินค้า เพื่อย่อยสลาย cargo ไมโทคอนเดรีย สร้าง ATP ไรโบโซม แปลรหัส mRNA (หน่วย 1.4)

The derivation. Transport in and out scales with membrane surface area ($4\pi r^{2}$); demand — protein synthesis, ATP แปรผันกับ ปริมาตร ($\tfrac{4}{3}\pi r^{3}$) อัตราส่วน $SA/V = 3/r$: เพิ่มรัศมีสองเท่า หน่วยไซโตพลาซึมทุกหน่วยจะได้รับบริการจากเยื่อหุ้มน้อยลงครึ่งหนึ่ง เส้นเดียวนี้คือเหตุผลที่ทำให้เซลล์มีขนาดเล็ก ทำไมจึงเป็น บริการเยื่อหุ้มเซลล์ เส้นเดียวนี้คือเหตุผลที่เซลล์มีขนาดเล็ก ทำไม ER พับเข้าสูไซโทพลาซึมจนมีพื้นที่ผิวมากขนาดใด และทำไมเยื่อบุลำไส้ จึงเป็นรูปขน («villi») แทนที่จะเป็นพื้นเรียบ

ตัวอย่างวิธีทำ 1 — ลาดับขนาด ยืนยันแล้ว เซลล์ตับขนาด 20 µm: $SA/V = 3/10\ \mu m^{-1} = 0.3$. เกล็ดทรงกลมขนาด 200 µm (เซลล์ไข่): $0.03$ — แย่ลงสิบเท่า ✓ นี่คือเหตุผลที่เซลล์ขนาดใหญ่พบได้น้อยและ membrane-folded. Cross-check the ladder: 20 µm / 25 nm = 800 — a ไรโบโซมจึงมีขนาดเล็กเทียบกับเซลล์ เปรียบเสมือนลูกบอลหินขนาด 1.6 ซม. ✓

ตัวอย่างวิธีทำ 2 — เชื่อมโยงทางคลินิก: Lysosome ที่ล้มเหลว ผู้ป่วย (ในนิยาย) ผู้ป่วยที่มีภาวะกล้ามเนื้ออ่อนแรงแบบก้าวหน้าพบว่ามี single lysosomal hydrolase. Mechanism, not name, is the answer: the ช่องแยกต่าง ๆ แตกต่างกันตามการออกแบบทั้งในแง่ pH แคลเซียม และสถานะ redox การนับจำนวนออร์แกเนลล์ถือเป็นค่าคงที่ (เซลล์ตับมีไมโทคอนเดรียประมาณ 4.8; เซลล์ lymphocyte ที่ไม่ทำงานมีน้อย) lysosome swells and the cell dies by being unable to recycle. One missing enzyme in one compartment = one storage disease: the organelle map is the diagnosis map.

ข้อผิดพลาดทั่วไป การมองว่า "cytoplasm" เป็นถุงผสมเนื้อเดียวกันเพียงใบเดียว — compartments differ in pH, calcium and redox state by design. Reading organelle counts as fixed (a liver cell has ~1000 mitochondria; a quiescent lymphocyte, few). And forgetting the membrane is where the เซลล์มีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อม

สรุป. ออร์แกเนลล์เป็นภาชนะทำปฏิกิริยาบนบันไดขนาด 25 นาโนเมตร– 20 ไมโครเมตร; $SA/V = 3/r$ ขีดจำกัดขนาดเซลล์และอธิบายเยื่อหุ้มพับซ้อน; 2.2 เมตรของ DNA บรรจุอยู่ในนิวเคลียสขนาด 6 ไมโครเมตร; ความล้มเหลวในการแบ่งห้องแยกภายในเป็นสาเหตุของโรค

เมมเบรนและการขนส่ง

ความสำคัญ ทุกเป้าหมายทางยา Every nerve impulse และทุก การทำงานของไต ลดรูปธรรมลงเหลือคำถามเดียว: โมเลกุลใดจะข้ามชั้นไขมัน ไบเลเยอร์ได้? คำตอบมีเพียงสี่ทางเข้าเท่านั้น

แนวคิดพร้อมภาพประกอบ ชั้นไขมันไบเลเยอร์ เป็น แผ่นขนาด 8 นาโนเมตรที่ประกอบตัวเองขึ้นเองและไม่ให้ไอออนผ่าน การข้ามชั้นทำได้โดย: การแพร่แบบง่าย (ขนาดเล็ก, ลูโซฟิลิก), การแพร่แบบช่วย ผ่านช่องหรือตัวพา (ตาม gradien, ไม่ต้องใช้ ATP), การขนส่งแบบแอคทีฟขั้นต้น (ปั๊ม ATP, ตัดกับ gradien), และการขนส่งแบบแอคทีฟขั้นรอง (gradien ของไอออนหนึ่งขับเคลื่อนสารอื่นขึ้นไปตาม gradien) และ การขนส่งแบบแอคทีฟขั้นรอง (gradien ของไอออนหนึ่งขับเคลื่อนสารอื่นขึ้นไปตาม

สมการเนอร์นสต์ สำหรับไอออน X ที่อุณหภูมิ 37 °C สมการเนอร์นสต์ ให้ค่าศักย์ไฟฟ้าที่ไอออนหยุดเคลื่อนที่:

ค่ามาตรฐานในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม — K⁺ (140 ใน / 5 นอก): $E_{K} = 61.5\cdot \log_{10}(5/140) = -89.0$ mV ✓; Na⁺ (12/145): $+66.6$ mV; Cl⁻ (10/110, $z=-1$): $-64.0$ mV; Ca²⁺ (100 nM/1.2 mM, $z=2$): $+125.4$ mV.

ผลรวมที่ถ่วงด้วยค่าความโปร่งใส (Goldman–Hodgkin–Katz): ด้วย เคมี: $zF E = RT\ln([out]/[in])$ — นั่นคือเส้นเนอร์นสต์ With ไอออนหลายชนิดที่ซึมผ่านได้พร้อมกัน ให้แทนอัตราส่วนเดี่ยวด้วยผลรวมถ่วงน้ำหนักตามความสามารถในการซึมผ่าน (Goldman–Hodgkin–Katz): ด้วย ผลรวมที่ถ่วงด้วยค่าการซึมผ่าน (Goldman–Hodgkin–Katz): ด้วย $P_{K}:P_{Na}:P_{Cl} = 1:0.04:0.45$,

✓ ศักย์.membrane — ประมาณ 20 mV เหนือ $E_{K}$ เนื่องจาก Na⁺ เล็กน้อยเข้าและ the Na⁺/K⁺-ATPase (3 Na⁺ out, 2 K⁺ in, 1 ATP) holds the gradients it ต้องการไว้ได้

(String depolarised) 1 ทำให้แรงดันไฟฟ้าขณะพักแบนลง นี่คือเหตุผลว่าทำไมภาวะโพแทสเซียมในเลือดสูงจึงเป็นภาวะฉุกเฉินทางหัวใจ: กลไกนี้เกิดจากฟังก์ชันลอการิทึมเพียงหนึ่ง K⁺ ในภายนอกเซลล์เพิ่มขึ้นสองเท่าจาก 5 เป็น 10 mM สมการเนอร์นสต์ใหม่: $E_{K}$ เปลี่ยนแปลงไป $61.5\log_{10}(10/5) = +18.5$ mV, from −89 to −71 mV ✓ — the depolarised $E_K$ flattens the resting voltage, which is why raised โพแทสเซียมคือภาวะฉุกเฉินทางหัวใจ: กลไกคือหนึ่งลอการิทึม

ตัวอย่างที่คำนวณแล้ว 2 — เชื่อมโยงทางคลินิก: ประตูคลอไรด์ที่แตกหัก แบบ common cystic-fibrosis variant deletes one phenylalanine (ΔF508) from a ช่อง Cl⁻ ทำให้ช่องโปรตีนพับผิดรูปและไม่เคยถึงเยื่อหุ้มเซลล์ ตามกลไก: Cl⁻ ไม่สามารถออกได้ → เกลือไปไม่ถึงพื้นผิวทางเดินหายใจ → น้ำตามด้วยน้อยลงจากการแพร่ผ่านเมมเบรน → ของเหลวบนพื้นผิว ขาดน้ำ → เมือกไม่สามารถกำจัดออกได้ หนึ่ง ข้อบกพร่องในการพับ, หนึ่งประตู, หนึ่งโรค — และโมเลกุลขนาดเล็กที่ยึด โครงสร้างให้เปิดอยู่คือเหตุผลในการรักษา

ข้อผิดพลาดทั่วไป การสมการ Nernst กับความแตกต่างของความเข้มข้นที่ไม่สมดุล (เป็นสมการที่สมดุล; GHK คือค่าประมาณสถานะคงที่ที่แท้จริง) การลืม $z$ ในส่วนประกอบ (Ca²⁺ ลดครึ่ง (ความชัน) การเรียกช่องสัญญาณว่า "เปิดใช้งาน" — มีเพียงปั๊มที่เผาผลาญ ATP เท่านั้น

สรุป สี่ประตูข้ามชั้นไขมันคู่; $E_X = (61.5/z)\log_{10} ([out]/[in])$ mV at 37 °C; GHK with $P_K{:}P_{Na}{:}P_{Cl} = 1{:}0.04{:}0.45$ ให้ −67 mV; 3 Na⁺ out / 2 K⁺ in ต่อ ATP ทำให้ แบตเตอรี่มีประจุ

การจำลองและซ่อมแซม DNA

ทำไมถึงสำคัญ. เซลล์ต้องคัดลอกตัวอักษร 6.4 พันล้านตัว ด้วยความผิดพลาดน้อยที่สุด ทุกครั้งที่แบ่งเซลล์ไปตลอดกาล เครื่องจักรที่จัดการกระบวนการนี้ — และระบบซ่อมแซมที่อยู่เบื้องหลัง — คือจุดเริ่มต้นของโรคทางพันธุกรรม, การกลายพันธุ์ และโรคมะเร็งส่วนใหญ่

แนวคิด พร้อมภาพประกอบ: ง่าก้าบจำลอง: เฮลิเคส unzip, โพลิเมอเรสต่อ 5′→3′ เท่านั้น ดังนั้นสายหนึ่งถูกคัดลอก อย่างต่อเนื่อง (leading) และอีกสายหนึ่งย้อนกลับใน 片段 Okazaki (lagging), แต่ละครั้งเริ่มใหม่โดยพรีเมอร์

นิยามพร้อมตัวเลข: อัตรา: โพลิเมอเรสแบคทีเรีย ~1000 nt/s; มนุษย์ ~50 nt/s ต่อง่าก้าบ ความแม่นยำ: ความผิดพลาดของโพลิเมอเรสดั้งเดิม ~$10^{-5}$ ต่อ bp; proofreading ช่วยลด ×100 → $10^{-7}$; mismatch repair ลดอีก ×100 → $10^{-9}$ ต่อ bp ✓ — สาม ระบบลึกๆ หนึ่งส่วนในล้านส่วน

การหาสมการ (ข้อโต้แย้งด้านเวลา). ช่วง S ของมนุษย์คัดลอก $6.4\times 10^{9}$ bp ใน 8 ชม. จุดเริ่มต้นเดียวที่มีสองง่าที่ 50 bp/s จะต้องใช้ $6.4\times10^{9}/100 = 6.4\times10^{7}$ วินาที ≈ 2 ปี การจำลองทำงานได้เพราะ ~30 000 จุดเริ่มต้นเปิดใช้งานเป็นกลุ่มตามเวลา: $6.4\times10^{9} / (100 \times 3\times10^{4}) \approx 2100$ วินาที ≈ 35 นาที ของการสังเคราะห์บริสุทธิ์ ✓, ห่อหุ้มด้วยโครมาตินเพื่อใช้ช่วง Sphase

ตัวอย่างวิธีทำ 1 — งบประมาณความแม่นยำ. หลังการแก้ไขความผิดพลาดและ การซ่อมแซมเบสที่จับผิด อัตราที่เหลือคือ ~$10^{-9}$/bp/แบ่งเซลล์ สำหรับ 6.4 × 10⁹ bp diploid genome: $6.4\times10^{9} \times 10^{-9} \approx 6$ การกลายพันธุ์ใหม่ต่อเซลล์ลูก ✓ — จำนวนที่ Oncology (หน่วย 1.7) และ พันธุศาสตร์พึ่งพา เลิกการซ่อมแซมเบสที่จับผิด อัตราจะเพิ่มขึ้น ×100: หลายร้อยการกลายพันธุ์ต่อการแบ่งเซลล์ ซึ่งเป็นกลไกของโรค มะเร็งลำไส้ใหญ่แบบไม่เกิดเนื้องอกหลายก้อน

ตัวอย่างวิธีทำ 2 — เชื่อมโยงทางคลินิก: ผิวหนังรับแสงแดดโดยไม่มีการซ่อมแซม. (Fictional patient) severe sunburn blisters after minutes outdoors, skin cancers by twenty. Mechanism: ultraviolet light fuses adjacent thymines ไดเมอร์; การซ่อมแซมการตัดเอ็กซ์ไซชันนิวคลีโอไทด์ เป็นระบบ ที่จะตัดมันออก; หากไม่มีระบบนี้ รังสีแสงทุกดวงจะเป็นสารก่อกลายพันธุ์โดยไม่มี ผู้ตรวจสอบ บทเรียนขยายความ: เส้นทางซ่อมแซมแต่ละเส้นทางรับผิดชอบต่อความเสียหายหนึ่งชนิด ชั้นเรียน และเมื่อขาดไปจะนำไปสู่การเกิดโรคหนึ่งชนิด

ข้อผิดพลาดทั่วไป. อ่าน polymerases ว่าอ่าน 3′→5′ —พวกมัน เคลื่อนที่ 3′→5′ ตามเทมเพลตขณะกำลังสร้าง 5′→3′. การเรียกช่วง S ว่า "คัดลอกครั้งเดียว" โดยไม่มีข้อโต้แย้งเกี่ยวกับจุดเริ่มต้นการจำลอง การอ้างถึง $10^{-9}$ เป็นอัตราการของโพลีเมอเรสดิบ (แต่เป็นอัตราหลังซ่อมแซมแล้ว) อัตราการ polymerase (เป็นอัตราการหลังซ่อมแซม)

สรุป. กึ่งกึ่งกึ่ง, 5′→3′, สายนำหน้า 1 สาย + สายตามหลัง 1 สาย; $10^{-5} \to 10^{-7} \to 10^{-9}$ ความแม่นยำเป็นขั้นบันได; ~30 000 จุดเริ่มต้นเปลี่ยน 2 years into 8 hours; ~6 mutations survive per division; each repair เส้นทางรับผิดชอบต่อความเสียหาย 1 ประเภท.

การแสดงออกของยีน: การถอดรหัสและการแปลรหัส

ทำไมจึงสำคัญ. ยีนคือสูตรอาหาร ไม่ใช่เครื่องจักร: ระหว่าง DNA กับ โปรตีน มี RNA โพลิเมเรส, การแปรรูป, การตัดต่อ และไรโบโซ่มารออยู่ — และส่วนใหญ่ของการกลายพันธุ์ที่ทำให้เกิดโรคในมนุษย์ เกิดจากการทำลายขั้นตอนกลาง, ไม่ใช่ตัวสูตรเอง.

แนวคิด พร้อมภาพประกอบ. ทฤษฎีหลัก พร้อมทางลัดแบบยูคาริโอต: DNA → pre-mRNA (การถอดรหัสโดย Pol II ที่ เส้นทางเสริมของเซลล์ยูคาริโอต: DNA → pre-mRNA mRNA (การถอดรหัส โดย Pol II ที่ ~20 nt/s) → 5′ cap + poly(A) + การตัดต่อ (introns ออก, exons เข้า) → mature mRNA → ribosome (การแปลรหัส) → โปรตีน (~3 amino acids/s). One gene, alternative exons, several proteins.

นิยามพร้อมตัวเลข. รหัสพันธุกรรม: 64 codons = 61 sense + 3 หยุด; 20 กรดอะมิโน จาก 4 เบส เป็นชุดสาม ($4^{3} = 64$ ✓ — arithmetic OF the code). ความซ้ำซ้อนเฉลี่ย ~3 codons ต่อ amino acid; AUG เริ่มต้น (เมไทโอนีน), UAA/UAG/UGA หยุด.

การหาเหตุผล (ข้อโต้แย้งด้านการนับ). ทำไมเป็นสามเบส? สองเบส ให้ $4^{2} = 16 < 20$: น้อยเกินไป. สามเบส ให้ $4^{3} = 64 > 20$: เพียงพอ, พร้อม ส่วนเกินที่นำไปใช้กับความซ้ำซ้อน — ส่วนใหญ่อยู่ที่ตำแหน่งที่สาม ซึ่งคือ เหตุผลว่าทำไมการแทนที่เบสตำแหน่งที่สามจึงมักไม่เปลี่ยนแปลงลำดับกรดอะมิโน รหัสมีความซ้ำซ้อน ไม่ใช่ความสูญเปล่า; แต่เป็นการทนต่อความเสียหาย.

ตัวอย่างแบบฝึกหัด 1 — การคำนวณเวลาการสร้างโปรตีน. โพรโพรอินซูลิน มี 110 กรดอะมิ โน: การแปลที่ ~3 aa/s ใช้เวลา ~37 s; mRNA ขนาด 0.5 kb ของมันใช้เวลา ~25 s เพื่อ transcribe at 20 nt/s. ตัวเลขเหล่านี้กำหนดความคาดหวัง: การสร้าง one insulin molecule ใช้เวลาประมาณหนึ่งนาทีของเครื่องจักร ซึ่งจึงเป็นเหตุผลที่ระบบหลั่ง มีการสร้างล่วงหน้าและจัดเก็บ (unit 1.6 signalling กระตุ้นการปลดปล่อย ไม่ใช่ synthesis).

ตัวอย่างที่แสดงวิธีทำ 2 — เชื่อมโยงทางคลินิก: การตัดต่อที่ล้มเหลว. ข้อบกพร่องคือเบสเพียงตัวเดียวที่ทำให้เกิดตำแหน่งตัดต่อใหม่ภายในอินตรอนของ β-โกลบิน กลไก: สไปไลโซsom ยึดตามลำดับเบสมาตรฐาน; β-globin intron. Mechanism: the spliceosome obeys consensus sequences; กรอบการอ่านเปลี่ยนไป และเกิด premature stop ตามมา. β-thalassaemia โดยไม่มี the reading frame shifts และ premature stop ตามมา. β-thalassaemia โดยไม่มี การเปลี่ยนแปลงกรดอะมิโนเพียงตัวเดียว: ขั้นตอนกลางของหลักความเชื่อคือโรค.

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย. การเรียก intron ว่า "ขยะ" (มีหน้าที่ splicing-adjacent function, unit 1.5). สับสนระหว่าง template strand กับ coding sequence (mRNA ตรงกับ coding strand, T→U). คาดหวังว่ายีนหนึ่ง = โปรตีนหนึ่ง (splicing แบบสลับ).

สรุป. Pol II ~20 nt/s → การแปรรูป (cap, poly(A), splice) → ไรโบโซม ~3 aa/s; $4^{3} = 64$ codons สำหรับ 20 กรดอะมิโนที่มี ความซ้ำซ้อนของฐานที่สาม; โมเลกุลอินซูลินหนึ่ง ≈ หนึ่งนาที; การกลายพันธุ์ ที่ตำแหน่ง splicing ทำลายยีนโดยไม่สัมผัสรหัสโปรตีน.

การควบคุมการแสดงออกของยีน

เหตุผลที่สำคัญ. ทุก 000 ยีนของคุณประมาณ 20 ตัว มีอยู่ในทุกเซลล์ เกือบทั้งหมด; สิ่งที่ทำให้เซลล์ประสาทเป็นเซลล์ประสาทคือยีนใดbeing ON, เมื่อไหร่, และมากแค่ไหน. การควบคุมคือจีโนมจริง — และสถานที่ที่พบบ่อยที่สุด ของการวิวัฒนาการและโรค.

แนวคิด พร้อมภาพ. ระบบควบคุมซ้อนกัน: transcription factors จับกับ promoter และ enhancers (ซึ่งสามารถทำงานได้จาก 100 kb ผ่าน DNA looping); สถานะ chromatin — สัญญาณ histone และการ methylation CpG — ตัดสินการเข้าถึง; epigenetics เป็นส่วนที่สืบทอดได้ของการเข้าถึงนั้นโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงลำดับเบส

นิยามพร้อมตัวเลข. มีเพียงประมาณ ~1.5 % ของจีโนมเท่านั้นที่เข้ารหัสโปรตีน; ลำดับควบคุมมีขนาดใหญ่กว่ามาก 70–80 % ของไดนิวคลีโอไทด์ CpG ในเซลล์ ที่จำเพาะชนิดแล้วจะเกิดเมทิลเลชัน — ซึ่งเป็นค่าพื้นฐานที่ถูกปิดอยู่ ระบบ 2.2 m ของ DNA (unit 1.1) ห่อหุ้ม nucleosomes (~200 bp แต่ละตัว, ย่อประมาณ 7-fold สั้นลง) พับเข้าเป็นเส้นใยขนาด ~30 nm (ประมาณ 40-fold); loops และเพิ่ม การพับทำให้โครโมโซมในกระบวนการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิสเข้าใกล้ $10^{4}$-เท่า

กระบวนการเกิด (คณิตศาสตร์ของความจำเพาะ). ปัจจัยการถอดรหัส ปัจจัยจับคู่กับ ~6–8 เบส ความถี่ของ 6-เมอร์ แบบสุ่มเกิดขึ้นทุก ~4096 bp — ประมาณ 800 000 ครั้ง ตามแต่ละสายของจีโนม haploid ขนาด 3.2 Gb: บ่อยเกินไปสำหรับการควบคุมที่แม่นยำ ความจำเพาะเกิดจากชุดประกอบ: ปัจจัยหลายตัวจับกับตำแหน่งข้างกัน ลดจำนวนการจับผิดพลาดแบบคูณกัน ($4^{-6}$ ยกกำลังด้วยจำนวนตำแหน่งที่ทำงานร่วมกัน) — หลักการเดียวกันนี้ ที่ทำให้รหัสผ่านมีความยาว เอนแฮนเซอร์ทำหน้าที่เหมือนเกตตรรกะแบบร่วมมือกัน ซึ่งนี่คือ เหตุผลที่ว่าทำไมการควบคุมจึงมีลักษณะเป็นเครือข่าย

ตัวอย่างวิธีทำ 1 — ความคงทนของแลคเตส. เอนไซม์ LCT จะลดลงหลัง การดัดแปลงการดื่มนมในประชากรส่วนใหญ่ของโลก; ชาวยุโรปเหนือมี การเปลี่ยนแปลงเบสเดียว ~14 kb ด้านหน้า (UPSTREAM) — ภายในอินตรอนของยีนเพื่อนบ้าน ถึง เบสควบคุม → เอนแฮนเซอร์หนึ่งถูกเสริมแรง → LCT ทำงานต่อเนื่องต่อไป วัยผู้ใหญ่ → นมย่อยได้ เป็นลักษณะที่เปลี่ยนแปลงโปรตีนเป็นศูนย์ ซึ่งแพร่กระจายไปทั่ว ทวีป: การปรับตัวทางกฎระเบียบเกิดขึ้นเร็วที่สุด

ตัวอย่างที่แสดงวิธีทำ 2 — เชื่อมโยงทางคลินิก: การปิดกั้นที่ผิดพลาด. (Fictional คู่ที่มีจีโนไทป์เหมือนกันแต่ระดับความรุนแรงต่างกัน คนหนึ่งมีเมทิลเลชันของ โปรโมเตอร์ของยีนโรค ส่วนอีกคนไม่มี ตัวอักษรเหมือนกัน แต่การเข้าถึงต่างกัน—an epigenetic ที่ปรับระดับความรุนแรง กลไกนี้ อธิบายว่าทำไม "ยีนเหมือนกัน" จึงไม่รับประกันโรคที่เหมือนกัน และทำไมการตรวจหาเมทิลเลชันจึงอยู่ข้างๆ เครื่องลำดับยีนในห้องปฏิบัติการวินิจฉัย mechanism อธิบายว่าทำไม "identical genes" จึงไม่รับประกัน identical โรค และทำไมการตรวจเมทิลเลชันจึงอยู่ติดกับเครื่องลำดับดีเอ็นเอใน ฟีโนไทป์ได้

ข้อผิดพลาดทั่วไป. การเทียบเท่า epigenetic กับถาวร (marks แบ่ง กับเซลล์แต่สามารถรีโปรแกรมได้) การ treating เอนแฮนเซอร์เป็น โปรโมเตอร์ที่มีชื่อต่างกัน (ไม่ขึ้นอยู่กับทิศทางและระยะห่าง เทียบกับจุดเริ่มต้นที่ตายตัว) การอ่าน "ยีนเปิด/ปิด" เป็นระบบดิจิทัล — การแสดงออก มีความเข้มระดับต่างๆ และมีเวลาเฉพาะเนื้อเยื่อ

สรุป ~20 000 ยีน, ~1.5 % Coding; เอนแฮนเซอร์เป็นสวิตช์ แบบคอมบิเนทอเรียลที่ทำงานร่วมกันผ่านการพันเกลียว; เมทิลเลชัน (70–80 % ของ CpG) และเครื่องหมายฮิสโตนเป็นประตูเข้าถึงที่สืบทอดกันได้; เบสด้านหน้าเพียงตำแหน่งเดียวสามารถ เปลี่ยนเครือข่ายพันธุกรรมเพื่อสร้าง Phenotype ใหม่ได้

การส่งสัญญาณเซลล์

เหตุผลที่สำคัญ เซลล์ไม่ได้เป็นอิสระ: โหรมôn, นิวโรทรานสมิตเตอร์ และ factors การเจริญเติบโตคือคำสั่งที่ส่งถึงเยื่อหุ้มเซลล์ สัญญาณ การส่งสัญญาณ (transduction) คือกระบวนการที่ข้อความที่พื้นผิวเปลี่ยนเป็นปฏิกิริยาทางชีวเคมี ภายใน — และประมาณครึ่งหนึ่งของยาทั้งหมดออกฤทธิ์ที่ชั้นนี้

แนวคิดพร้อมภาพประกอบ กระบวนการแบบคลาสสิกสองแบบ: GPCR G (ฮอร์โมนไม่เข้าสู่เซลล์; สวิตช์ G-protein ส่งต่อไปยัง สัญญาณรอง โมเลกุลส่งสัญญาณ** เช่น cAMP) และ RTK (รีเซปเตอร์ ฟอสโฟริเลตตัวเอง; โปรตีน.adapters ส่งต่อสัญญาณไปยัง RAS→MAPK คำสั่งการเจริญเติบโต) ทั้งคู่มีการขยายสัญญาณ: เหตุการณ์ที่พื้นผิวหนึ่งกลายเป็นเหตุการณ์ในเซลล์หลายพัน เหตุการณ์ในเซลล์

นิยามที่มีตัวเลข. cAMP ที่สภาวะพัก ~$10^{-8}$ M; ค่าสูงสุด การหลั่งฮอร์โมนเป็นจังหวะดันให้ถึง ~$10^{-6}$ M — การสลับสถานะที่เพิ่มขึ้นหนึ่งร้อยเท่าใน วินาที หนึ่งรีเซปเตอร์สามารถกระตุ้น G-proteins ได้หลายสิบตัว; แต่ละ adenylyl cyclase สร้าง ~1000 cAMP/วินาที: การขยายสัญญาณ ~$10^{4}$ จากฮอร์โมนไปยัง การคำนวณผลคูณของการขยายสัญญาณ ผลลัพธ์ของสัญญาณ = เครื่องจับเวลาแบบปิด (วินาที).

การคำนวณหาผลคูณของการขยายสัญญาณ. สัญญาณขาออก = $\prod$ (กำไรของแต่ละขั้นตอน): ฮอร์โมน → รีเซปเตอร์ (1 : ~20 G-proteins) → cyclase (แต่ละตัว ~1000 cAMP/วินาที) → PKA (แต่ละตัวฟอสโฟริเลตเป้าหมายได้มากมาย) กำไรทั้งหมด ถูกคูณกัน ดังนั้นการ CASCADE จึงเป็นการเพิ่มกำไรแบบเอกซ์โพเนนเชียล และสิ่งสำคัญคือ ทุก ขั้นตอนนี้คือจุดควบคุม: phosphodiesterase ทำลาย cAMP, GTPase ปิด Gα, phosphatases ล้างหมู่ฟอสเฟตออก การขยายสัญญาณและ การรีเซ็ตเป็นกลไกเดียวกันที่มองเห็นได้จากสองมุม

ตัวอย่างวิธีทำ 1 — บัญชี cAMP. ระดับพื้นฐาน $10$ nM ในเซลล์ $2\times10^{-12}$ L hepatocyte is $10^{-8}\ \mathrm{mol/L} \times 2\times10^{-12}\ \mathrm{L} \times N_A \approx 12\,000$ โมเลกุล ✓. เหนือ cyclase ที่ถูกกระตุ้น 10 ตัว เป็นเวลา 1000/s จะ สร้าง cAMP ได้ 10 000 โมเลกุล — ซึ่งเท่ากับปริมาณสะสมทั้งหมดในช่วงพัก จะถูกแทนที่ภายในประมาณหนึ่งวินาที ดังนั้นเอนไซม์กลุ่มปิดจึงสำคัญเท่าๆ กับ

ตัวอย่างแสดงวิธีทำ 2 — เชื่อมโยงทางคลินิก: สวิตช์ที่ไม่สามารถปิดได้. (กรณีศึกษาการระบาดของโรคสมมติ) ท้องเสียจากการหลั่งมากภายในไม่กี่ชั่วโมง. (กรณีศึกษาการระบาดสมมติ) ท้องเสียแบบมีของเหลวหลั่งออกมาอย่างหนักภายในไม่กี่ชั่วโมง กลไก:cholera toxin ทำ ADP-ribosylation บนหน่วยย่อย Gαs ทำให้มันสูญเสีย GTPase — นาฬิกาปิดใช้งานไม่ได้ adenylyl cyclase ทำงานต่อเนื่อง cAMP คงอยู่ในระดับสูงสุด และเซลล์ลำไส้ปั๊ม Cl⁻ (ผ่านประตูของหน่วย 1.2') และน้ำ replacement while the toxin-modified proteins decay: you cannot inhibit สวิตช์ที่เชื่อมติดแน่นไปแล้ว

ข้อผิดพลาดทั่วไป การกล่าวว่าฮอร์โมน "เข้าสู่เซลล์" (ลิแกนด์ GPCR second messenger ถูกทำลายอย่างต่อเนื่อง (PDE เทียบกับคาเฟอีนและสารอื่นๆ) โมเลกุลส่งสัญญาณทุติยภูมิถูกทำลายอย่างต่อเนื่อง (PDE เทียบกับคาเฟอีนและอื่นๆ ตัวยับยั้ง) การอ่านเส้นทาง kinase แบบเส้นตรง (มีฟีดแบคทุกที่)

สรุป. GPCR → โปรตีน G → cAMP → PKA; RTK → RAS → MAPK; ระยะ เพิ่มพูนคูณกันเป็น ~$10^{4}$; ทุกระยะ ON มีเอนไซม์ OFF; โครีลา คือ GTPase ที่ถูกยึดให้เปิด

วัฏจักรเซลล์ ความตายของเซลล์ และชีววิทยาของมะเร็ง

ทำไมถึงสำคัญ. การแบ่งตัวและการตายเป็นการตัดสินใจที่มีค่าใช้จ่ายสูงที่สุดของเซลล์ ซึ่งถูกควบคุมโดยจุดตรวจสอบ มะเร็งไม่ใช่โรคเดียวแต่เป็น ความล้มเหลวสะสมของประตูเหล่านั้น — และแต่ละประตูคือระบบโมเลกุลที่มีชื่อ ที่คุณได้รู้จักไปแล้ว (การซ่อมแซม, สัญญาณ, การควบคุม)

แนวคิดพร้อมภาพประกอบ. รอบเซลล์: G1 (การเจริญเติบโต, ~11 ชม.) → S (การจำลอง DNA, ~8 ชม., หน่วย 1.3) → G2 (~4 ชม.) → M (การแบ่งเซลล์, ~1 ชม.), มีจุดตรวจสอบ (checkpoints) ที่ G1/S (จุดจำกัด การผ่าน), G2/M และการตรวจสอบการจัดตั้งโพล spindle เซลล์สามารถออกจาก G0 สู่ภาวะหยุดนิ่ง — หรือเข้าสู่ apoptosis, การตายตามโปรแกรม ซึ่งดำเนินการโดย caspases

นิยามพร้อมตัวเลข. เซลล์มนุษย์ทั่วไปที่กำลังแบ่งตัว: 24 ชม. รวม (11 + 8 + 4 + 1) ✓. p53 (ผู้พิทักษ์จีโนม) หยุดวัฏจักร หลังจากเกิดความเสียหายใน DNA เพื่อการซ่อมแซม — หรือกำหนดให้เซลล์เข้า apoptosis ความต้องการของมะเร็ง: ~4–7 เหตุการณ์ขับเคลื่อนที่เป็นตัวจำกัดอัตรา, plus ความไม่ตายจากการแบ่งเซลล์ (เทโลเมอเรส) และการหลบหลีกการตายตามโปรแกรมของเซลล์ (apoptosis).

การหาผล (จำนวนรอบการเพิ่มจำนวน). การเพิ่มจำนวนของเซลล์หนึ่งเซลล์โดยไม่ถูกควบคุม: หลังจาก $n$ รอบการแบ่งเซลล์ จะมี $2^{n}$ เซลล์. เนื้องอกขนาด 1 ซม³ มีมวล ประมาณ 1 กรัม ≈ $10^{9}$ เซลล์: $2^{30} = 1.07\times10^{9}$ ✓ — เนื้องอกที่ตรวจพบได้นั้นมีอายุถึงสามสิบรุ่นแล้ว เนื้องอกมีอายุถึงสามสิบรุ่นแล้ว ความหมายทางคลินิกคือ การคำนวณ: ช่วงเวลาในการคัดกรองและ "ทำไมถึงปรากฏเร็วขนาดนั้น" (มัน ไม่ได้เกิดขึ้นเร็ว — มันซ่อนตัวมาหลายปี) เกิดจากการเติบโตแบบเลขยกกำลังนี้

ตัวอย่างวิธีทำ 1 — ล็อตเตอรี่เหตุการณ์ขับเคลื่อน หน่วย 1.3: ประมาณ 6 การกลายพันธุ์ที่รอดชีวิตต่อการแบ่งเซลล์ ส่วนใหญ่กระทบผู้โดยสาร (พื้นที่ที่ไม่เข้ารหัส ขนาดใหญ่, หน่วย 1.5); โอกาสที่การกลายพันธุ์ใดจะทำลายประตูเฉพาะอย่างหนึ่ง มีน้อย — แต่ $10^{9}$ เซลล์ × ทศวรรษ ให้โอกาสทดสอบจำนวนมาก แต่ละครั้ง เหตุการณ์ขับเคลื่อนเพิ่มอัตราการเกิดโรคขึ้นอีก กังวานมะเร็งเพิ่มขึ้นตามวัยคือ การคำนวณนี้: ประมาณ $10^{16}$ ครั้งของการแบ่งเซลล์ตลอดชีวิต แต่ละครั้งมี ตั๋วลอตเตอรี่

ตัวอย่างวิธีทำ 2 — เชื่อมโยงทางคลินิก: ครอบครัวที่เกิดมา หนึ่งสวิตช์ลง. (บรรพบุรุษสมมติ) มะเร็งsarcoma ในวัยแรกเกิด, มะเร็งเต้านม และสมอง เนื้องอกตลอดสามรุ่น — ซึ่งมีการสืบทอดอัลลีล p53 ที่กลายพันธุ์มาหนึ่ง เซลล์เริ่มต้นโดยขาดประตูไปหนึ่งบาน; การกระแทกทางร่างกายเพียงครั้งเดียวบนอัลลีลที่สอง ทำให้จุดตรวจสอบหายไปทั้งหมด นั่นคือตรรกะสองครั้งของ กำจัดจุดตรวจสอบออกทั้งหมด นี่คือตรรกะสองครั้งของ ยีนกดเนื้องอก, และมันเชื่อมโยงเนื้อหาเข้าด้วยกัน: การซ่อมแซม (1.3), การส่งสัญญาณ (1.6) และการควบคุม (1.5) เป็น ที่มีประสิทธิภาพ, มีการวางแผนล่วงหน้า, อาศัย ATP — Necrosis เป็นสิ่งที่ยุ่งเหยิงกว่า)

ข้อผิดพลาดทั่วไป การมองว่า apoptosis เป็นความตายแบบไม่มีการกระทำ (แต่แท้จริงแล้วเป็นกระบวนการที่มีระบบและพึ่งพา ATP — ส่วน necrosis จึงเป็นความตายที่ไม่เป็นระเบียบ) รอบ (โดยปกติมีจำนวนเซลล์ตายน้อยกว่า ไม่ใช่การแบ่งเซลล์เร็วขึ้น) Reading oncogenes and tumour suppressors as the same (gain-of-function การเทียบเท่าการเติบโตอย่างรวดเร็วกับการแบ่งเซลล์ที่เร็วขึ้น (ซึ่งโดยปกติแล้วเกิดจากการมีเซลล์ตายน้อยลง ไม่ใช่การแบ่งตัวที่เร็วขึ้น) cycles (usually fewer cells dying, not faster divisions).

สรุป 24 h cycle, จุดตรวจสอบสามแห่ง, G0 และ apoptosis เป็นทางออก; p53 คือประตูความเสียหาย; $2^{30} \approx 10^{9}$ เซลล์ = 1 ซม.³ = สามสิบ การเพิ่มจำนวนแบบเงียบ; ตัวขับเคลื่อน4–7 บวกกับความไม่ตาย