Sophie Streuber | Emelie Rieneck | Fred Schaper | Anna Dittrich
奥托·冯·盖里克大学马格德堡分校，生物研究所，系统生物学系，Universitätsplatz 2，39106，马格德堡，德国
摘要
细胞间的通信对于在生理和病理条件下维持和恢复多细胞生物体的稳态至关重要。已经演化出多种编码、传输和解码信息的机制。信息论最初是在工程学领域发展起来的，现在越来越多地被应用于研究细胞如何处理和交换信号。然而，生物系统表现出一些独特的特性，这些特性在概念上和定量上带来了技术系统中不存在的挑战。在这篇综述中，我们探讨了细胞网络如何管理和利用细胞群体的内在异质性。我们讨论了单个细胞和细胞群体如何感知细胞因子的刺激强度和特异性，以及调节蛋白如何不仅影响信号传导的动态，还影响信息传输的能力和稳健性。从信息论的角度来看，健康可以被视为细胞间高效且可靠的通信状态，而疾病则反映了细胞间通信的丧失或扭曲。我们得出结论，信息论为试图揭示细胞因子信号传导原理的生物学家提供了一个直观的框架。
章节摘录
细胞的语言
感知环境状态并以有意义的方式适应环境对生命至关重要。这不仅适用于能够检测并响应环境变化的单细胞生物，也适用于那些通过个体特化细胞之间的交流来协调复杂功能的多细胞生物。细胞间的信息交换对于在生理条件下维持稳态以及在压力或病理条件下恢复稳态是必不可少的。
细胞因子的信号传导受到细胞异质性的影响
即使在同一细胞类型的同基因细胞之间，体液通信也存在高度的异质性。在特定刺激（例如细胞因子处理）的作用下，一些细胞会表达或激活大量的特定信号成分，而同一群体中的其他细胞则几乎没有任何反应。这种细胞间的异质性既源于内在因素，也源于外在因素[7]。噪声被定义为导致细胞通信不确定性的不可预测干扰。
内在因素
信息论的概念
信息论的概念由工程师Claude E. Shannon于1948年提出，旨在描述电信号传输的特性[16]。由于其假设具有直观性，信息论很快被其他学科（包括生物学）采纳。值得注意的是，Shannon本人对信息论从工程学领域向其他学科的快速传播持有矛盾的态度，他既看到了其潜力，也担心由此可能带来的问题[17]。
信息论在细胞因子生物学中的应用历史
早在20世纪50年代，信息论方法就被用来量化神经元中的电信号传输能力[26]，直到今天，信息论仍然在神经科学领域占据重要地位[27][28]。随着对体液通信机制认识的加深以及细胞内信号转导过程定量分析方法的改进，信息论也逐渐应用于分子生物学等领域。在NF-κB信号传导中编码细胞因子特异性和浓度的策略
细胞必须能够感知不同剂量的细胞因子。此外，通常多种细胞因子会激活相同的细胞内信号通路。这就引出了如何编码刺激剂量和特异性的问题。我们将以激活NF-κB通路的细胞因子为例来探讨这些问题。在细胞群体中观察到的分级反应通常反映了施加刺激的强度差异。早期对肿瘤坏死因子α的信息论分析……
负反馈在MAPK信号传导中的作用
MAPK级联反应是研究最为深入的信号通路之一。有多个MAPK级联反应由不同的刺激激活，并且它们激活不同的靶点。然而，所有MAPK通路都具有共同的分子结构，这使得我们可以用一般性的术语来讨论信号编码的原理和问题。
所有MAPK级联反应的一个关键特征是三种蛋白激酶的顺序磷酸化。这种结构组织带来的最显著效应是……
JAK/STAT信号传导的稳健性
JAK/STAT信号传导的失调会导致严重的炎症和增殖性疾病。因此，确保JAK/STAT信号传导能够抵御噪声的负面影响至关重要。该通路中的大部分异质性源于细胞间STAT表达水平的差异[58]。在一个稳健的系统中，STAT表达与STAT激活之间的相关性较低，这意味着无论STAT蛋白拷贝数高低，细胞对相同刺激的响应都是相似的。
疾病作为信息疾病
信号传导、蛋白质表达和激活的突变或病理变化会扭曲信号的编码、传输和解码过程[60]。这些信息传输的变化会反映在信号通路的复杂性和稳健性上。信号通路的复杂性降低意味着细胞区分不同细胞因子剂量的能力减弱甚至完全丧失。这种情况在一些癌细胞中尤为明显，这些癌细胞会不受细胞因子剂量影响而持续增殖。
结论
在过去的二十年里，信息论方法揭示了细胞因子信号传导背后的新分子原理。这些研究表明，调节蛋白不仅影响信号传导的动态，还决定了信息传输的能力、准确性和稳健性。通过同时整合多个激活通路的动态，可以更准确地解码细胞因子信号。
作者贡献声明
Sophie Streuber： 撰写——审稿与编辑，撰写——初稿。
Emelie Rieneck： 撰写——审稿与编辑，撰写——初稿。
Fred Schaper： 撰写——审稿与编辑，撰写——初稿。
Anna Dittrich： 撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，概念构思。
资助
FS和AD由德国研究基金会（DFG）资助（项目编号：491828060）。ER由Saxony-Anhalt研究生资助计划资助。开放获取的出版费用由DEAL项目提供和支持。利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益和个人关系：Anna Dittrich表示获得了德国研究基金会的财务支持；Fred Schaper表示获得了德国研究基金会的财务支持；Emelie Rieneck表示获得了Saxony-Anhalt研究生资助计划的财务支持；Anna Dittrich表示文章发表费用由DEAL项目提供。如果有其他作者，他们也会相应声明其利益关系。打赏
