本文译自Information Theory: New Look at Oncogenic Signaling Pathways
摘要：
20世纪40年代发展起来的用于分析人工通信系统的信息论可用于研究细胞内信号转导。信道容量——信息论的一个关键概念——可以用来度量给定信号通路能够可靠传输的信息量。
从信息论的角度研究了NF-kB、ERK和GPCR信号通路在单细胞和细胞群体水平上的变化。随着实验设置、研究中的通路和细胞系的不同，单个细胞通道容量大约为1比特(全或无响应)或远高于2比特(对4个或4个以上水平的信号输入的差异响应)。
信息论为理解细胞信号提供了一个新的角度，有望在受体药理学、致癌转化机制和药物发现方面取得突破。
信息论：了解致癌信号通路的新视角
持续的促增殖信号是癌症的特征之一。一般认为致癌信号通路在癌细胞中被过度激活或至少被异常激活，但这种异常激活的重要机制细节仍未得到解决。
这些细节包括信号的稳定性、冗余、信号放大等方面，与信息论——研究信息存储、编码和传输特性数学和工程学的研究范畴几乎一致。
信息论直到最近才开始应用于细胞内信号的研究。在此，我们综述了信息论提供的最新进展，重点关注NF-kB、细胞外信号调节激酶(ERK)和GPCR这些常常为癌细胞所改造的信号通路。此外，我们还展示了如何通过信息论应用来观察先前未触及的致癌信号机制，这可能是未来发现抗癌药物的新方法。
信息论有助于研究细胞决策
细胞在日常生活中暴露在波动的环境中，需要做出关键的决定——是生存还是死亡，是增殖还是分化，是迁移还是原地待命？研究细胞如何决策十分棘手。细胞内信号网络如何处理来自环境的信息？细胞决策的可变性如何反映信号网络的表现？细胞如何从噪音中分辨重要信号？最近的研究表明，Claude E.Shannon为研究人类设计的通信通道而发展的信息论成为解决这些问题和测量复杂网络信令能力极限的强大数学工具。
理解病理状态下细胞决策的机制显得尤为重要。信号网络的改变可能导致错误的细胞决策，癌症等疾病中即事如此。本文讨论了信息论在细胞信号中的应用，特别关注与癌症发病机制相关的信号通路，例如NF-kB、ERK和GPCR信号通路。很早就有NF-kB促进实体瘤和血液系统恶性肿瘤的报道，而三分之一的人类癌症中有ERK异常激活的报道，其中胰腺癌、结肠癌和甲状腺癌与ERK异常最常相关。相比之下，GPCR在癌症转移和进展中很重要但其作用尚未被充分认知，最近的一项研究表明，GPCRs在人类癌症中高度表达。本文我们首先简要描述了这些信号通路如何帮助癌细胞的，并解释了信息论的关键概念。其次，我们概述了当前信息理论应用于这些致癌信号通路的例子，如信号通路的信息传输能力以及噪音、反馈和环境对其的影响。最后，我们概括了信息理论所提供的信号分析的新视角，推广信息理论作为信号转导研究中常用的新工具，并对其可能开辟的药物发现新途径进行了推测。
NF-kB、ERK和GPCR信号通路概述
NF-kB
30多年前，人们就认识到NF-kB是调控B细胞[表达kB轻链的因子。NF-kB转录因子家族由NF-kB1 p50、NF-kB2 p52、RELA(也称为p65)、RELB和c-REL五个成员组成，它们可以同质或异二聚化形成多达15个不同的NF-kB复合物。
无活性状态下，NF-kB蛋白与B抑制剂(IkB)结合并驻留细胞质中。NF-kB作为一种活跃的病原体感应因子，它进一步被发现是免疫系统内外重要的转录调节因子，控制细胞分化、增殖和生存。此外，NF-kB的异常调控与许多疾病有关。
在癌症中，NF-kB控制包括炎症、增殖、血管生成、转移和耐药性多个过程。在正常情况下，NF-kB激活转录程序，帮助细胞适应环境。由于负反馈环的存在，健康细胞中的NF-kB反应是自我限制的。负反馈涉及几个NF-kB抑制剂：IkBa、IkBε、p105和A20。在癌细胞中，NF-kB活性常被劫持，如肿瘤细胞中发现的NF-kB诱导基因的异常模式。NF-kB在许多类型的恶性肿瘤如黑色素瘤、乳腺癌和血液癌的肿瘤细胞中，具有组成性活性。在多发性肾盂瘤和肺癌模型中，抑制NF-kB活性会阻断肿瘤生长。目前还不清楚NF-kB如何在许多癌症中获得了组成性活性，只知道多种因素可能参与这种过度活化。
ERK
丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路在真核细胞中是进化保守的。它控制细胞的增殖和分化，并在组织损伤和病原体入侵时被激活。MAPK激活可诱导多种靶基因参与增殖和炎症反应。在哺乳动物中，已经发现了14种MAPK。ERK1/2、p38a和C-Jun N-末端激酶(JNK)1和JNK2等，在疾病和先天免疫领域中研究得最多。
ERK通路在生长因子与细胞表面受体(主要是受体酪氨酸激酶)结合后被激活。RTKs激活小的GTPase Ras，在其GTP结合状态下招募ERK级联的第一个激酶Raf。Raf的激活包括Raf的膜定位、Ras-Raf复合物的形成、Raf的二聚化以及Raf不同结构域的磷酸化。在Raf下游，双特异性激酶MAPK激酶(MEK)1和MEK2被激活。最后，MEK1/2通过对Thr和Tyr残基(ERK1的Thr202和Tyr204, ERK2的Thr173和Tyr185)的磷酸化来激活激酶ERK1和ERK2。这构成了ERK通路的三级组织。
MAPK通路成员的异常激活在癌症中至关重要，ERK通路是人类中最重要的致癌通路。ERK信号失调发生在各种类型的人类癌症中，包括胰腺癌、结肠癌、肺癌和黑素瘤。ERK通路既可以提供促癌信号和也是肿瘤生长抑制剂；确切的结果取决于信号的强度和异常激活发生的环境。ERK通路的基因改变被认为是癌症发生和发展的机制之一；延长的ERK通路动力学导致了癌细胞的信号误读和异常增殖决策。
GPCRs
GPCR调节人类生理的各个方面，构成了人类基因组中最大的一类细胞表面受体，目前已知的GPCR基因大约有850个。
目前市场上大约有一半的药物以GPCR及其信号通路为靶点。在许多疾病之中，GPCR与癌症密切相关，它们可能调节癌症进展的各个步骤。肿瘤细胞常常接管GPCR信号，以逃避免疫系统的清除、增殖和扩散到其他器官。GPCR的异常表达和激活仍然是肿瘤细胞劫持GPCR信号通路最常用的机制。
所有GPCR均由7个a-螺旋跨膜结构域、1个胞外N端、3个胞外环、1个胞内C端和3个胞内环组成。GPCR可与不同的配体结合，包括光子、离子、维生素、脂类、肽、激素和神经递质。GPCRs通过由a、b和g亚基组成的异三聚体G蛋白传递信号。静息状态下，Ga亚单位与GDP结合。激动剂结合促进GPCR构象改变，对G蛋白的鸟嘌呤核苷酸交换因子(GEF)活性被激活。结果，GDP与Ga亚基解离，被GTP取代，进一步导致异三聚体解离成Ga-GTP和Gbg。这两个部分都是活跃的细胞内信号转导器，启动特定的信号通路。在哺乳动物中，Ga亚基可分为四个亚家族：Gas、Gai/o、Gaq和Ga12/13。每个Ga蛋白激活特定的下游通路。Gas亚家族成员主要激活腺苷环化酶，增加cAMP的水平。cAMP的增加会激活蛋白激酶A (PKA)并进一步磷酸化CREB转录因子。相反，Gai /o成员降低cAMP水平，抑制相应酶的活性。Gaq激活磷脂酶C (PLC)b，将磷脂酰肌醇二磷酸裂解为二酰甘油(DAG)和肌醇磷酸(IP3)，导致内质网Ca2+释放，激活NF-kB或MAPK信号通路。Ga12/13家族成员通过RhoGTPase核苷酸交换因子]激活小的GTPase RhoA。Gbg亚基激活多种信号分子，包括激酶，如PI3Kb和电压依赖性Ca2+和GIRK离子通道。此外，Gbg亚基介导配体结合GPCR通过Ras、Raf的途径激活MAPK信号通路。
信息论在致癌信号通路中的应用
NF-kB信号通路中的噪音、动态和环境影响信息
细胞信息处理领域进行了一项以肿瘤坏死因子(TNF)为配体的开拓性研究。令人惊讶的是，研究者发现，TNF-NF-kB通路传递的信息采用二进制决策就够了。经测量，单个细胞的通道容量为0.91 bit，这意味着细胞最多可以分辨出TNF“有”和“无”两种状态。TNF可以激活NF-kB和JNK通路，分别导致NF-kB的核转运和转录因子(ATF)-2的活化。关于TNF浓度的信息，单独的NF-kB信息量为0.92 bit，而ATF-2为0.85 bit。作者建立了一个树形模型，该模型预测了两种路径都大约是1 bit，这与实验结果相符。该模型表明网络存在信息瓶颈，最多只能处理1.26 bit的信息。TNF通路的生物学机制提示，瓶颈发生在TNF受体活化过程，包括配体结合、受体三聚化、配体-受体复合物形成。NF-kB诱导的TNF抑制剂A20所介导的负反馈，对瓶颈处的信息量影响存在时间依赖性（30分钟后增加，4小时后减少）。
尽管TNF通路的二进制容量似乎令人惊讶，但对于细胞群而言，相互信息的最大化可能是次优策略。更高的相互信息与代谢成本的增加有关。与之前的结果一致，Gillespie对TNF - NF-kB通路模型的模拟得出，通道容量为0.9 bit，相互信息为0.6 bit。这支持了低互信息值可能对生物系统有益的观点。研究还表明，相互信息中的小数位差异会导致基因网络对输入信号分布编码能力的显著差异。
相比之下，同时研究NF-kB动态和基因表达谱时，NF-kB通路传递信息的能力可能会增强。NF-kB在外界刺激下表现出振荡，这对细胞存活和凋亡调节中至关重要，这种调节在癌症中经常被解除。最近的一项研究表明，NF-kB动态包含足够的信息来编码癌症细胞中的各种TNF依赖反应。因此，细胞可以对不同浓度的TNF分级。单细胞时间序列和核RELA倍数变化时，信息传输能力分别为1.2位和1.4位。真实的信道容量可能被无应答细胞所掩盖。去除无应答部分后，使用RELA倍数变化计算的信道容量增加到1.7位。这些结果表明，细胞可以处理不同的TNF浓度信息，并引发分级反应，进一步微调其对细胞因子的反应。
在研究NF-kB通路的信号传输能力时，需要考虑系统的各个方面，包括配体、温度变化和NF-kB亚基的修饰，以及它们之间的相互作用。例如，生理相关的温度变化改变了单个细胞中TNF刺激时的NF-kB动态。同样的，不同的NF-kB配体也会诱导不同的NF-kB动态。在小鼠成纤维细胞中，Toll样受体(TLR)2或TLR4配体(合成的三酰基化脂肽Pam3CSK4 (PAM)和脂多糖(LPS))的刺激会随着时间的推移引起不同的NF-kB反应。TLR2和TLR4的共激活引起配体特异性反应，称为非整合作用，而不是单个细胞水平上的混合反应。细胞间的变异决定了细胞对PAM或LPS的反应。这是不同细胞群在对抗感染中相互合作的基础。
作用时间是影响NF-kB动态和细胞命运决策的另一个因素。在单个的人类神经母细胞瘤细胞中，TNF脉冲间隔至少达到100分钟才会导致NF-kB的高概率活化。然而，低于100分钟的脉冲间隔只能激活较少的细胞。这表明TNF受体下游处于不稳定状态，这取决于NF-kB负调节因子A20的水平。几秒钟的TNF暴露可激活HeLa细胞中的NF-kB并诱导细胞凋亡。然而，1分钟的脉冲似乎比1小时的刺激更能有效地杀死细胞。
在研究NF-kB通路信号传输时，还需要考虑噪音。虽然，噪音在信号转导中曾被认为是有害的，但目前的研究表明，噪音有助于细胞在不断变化的环境中实现稳健的基因表达，并改善信号质量。在周期性细胞因子刺激的成纤维细胞中，NF-kB动态与TNF输入变化同步并发生卷动（entrained）。卷动（Entrainment）增加了NF-kB的振荡幅度和转录输出。在单个细胞水平上的内在生化噪声增加了NF-kB振荡的entrainment，而外部噪声在NF-kB自然周期中增加了细胞变异，并在实现了细胞群水平上的强大应答。振荡和噪音之间的互作能够帮助处于变化环境的细胞中建立有效的转录谱。
此外，外部和内部噪声都会影响细胞的凋亡/存活决策。噪声对信号通路的影响因群体和个体细胞水平的不同而不同。当一个细胞群需要协同作用时，噪声在群体水平上增加了信息传递能力。单个细胞中TNF相关凋亡诱导配体(TRAIL)剂量与起始Caspases激活之间的通道容量约为1 bit，TRAIL与效应Caspases之间的通道容量为0.56 bit。相比之下，细胞群水平上信道容量为3-3.4位，具体数值取决于群体大小。因此，当我们考虑具有二进制输出(生存或死亡决策)的信号系统时，由噪声产生的种群内的异质性可以精确地控制决策阈值上下的细胞部分的行为。在细胞凋亡的控制中，关键的变量是特定剂量下细胞应答的比例。当单个细胞的行为起关键作用时(例如，趋化或交配)，高水平的信息传递意味着噪音可能被抑制。例如，在趋化性方面，发现了更高的通道容量(大约2位)。
ERK：反馈和动态增强了信息传递，噪声造成了细胞异质性
信息理论框架也被应用于ERK通路的信号传输研究。在PC12细胞中进行的一项评估生长因子介导基因表达的信息传递的研究，采用了细胞中磷酸化的ERK1/2、磷酸化的CREB和c-FOS以及早期EGR1的蛋白浓度中作为指标。经神经生长因子(NGF)处理，本实验测得的NGF与磷酸化CREB交互信息达到1 bit。此外，NGF与即时应答的早期基因(cFOS和EGR1)之间的交互信息也为1 bit，说明这些基因获得了足够NGF的二元决策信息。使用了特异性MAPK抑制剂后，信号通路在细胞群水平上表现出稳定性和代偿。在HeLa细胞中，促性腺激素释放激素受体与ERK之间的相互信息低于1 bit，说明单个细胞甚至不能区分两个输入浓度(如无输入和部分输入)。与之相应的，在EGF作用下人肺癌细胞中ERK2的通道容量约为1 bit。
负反馈和正反馈都影响生物信号转导。一项系统生物学研究调查了细胞间变异性和基础网络活动(无刺激时的激活倾向)对信息传递的影响，比较了有无负反馈两个系统。与上述数据一致，在单个细胞水平上，刺激浓度和核激活ERK之间的相互信息大约为1 bit。负反馈作用使得信息传输免受噪声的影响，并增加了信号与磷酸化底物浓度之间的相互信息。激活的ERK的负反馈在适应大幅度配体浓度的ERK核振荡特性中起着关键作用。
此外，正反馈和负反馈回路将EGF刺激转化为恒幅但频率和持续时间依赖于浓度的ERK脉冲。Ras及其激活剂SOS参与的正反馈回路表现为开关应答。这个正反馈嵌套在Ras、Raf、MEK和ERK参与的负反馈中，这个负反馈会磷酸化并抑制SOS。负反馈在较长的时间内起作用，并将开关式应答转换成至少由信号强度决定的1-h周期的振荡。在本研究中的反馈将逐步增加的输入信号编码为振幅恒定的脉冲，因此刺激的浓度被翻译成振荡频率和脉冲的持续时间。作者还认为，幅频编码可以降低信号解释的不确定性，增加信道容量。
虽然信息论在信号转导途径上的许多实验应用表明，不同的信号系统在单细胞水平上可以处理大约1比特的信息，但计算模型表明细胞中信息传输能力明显更高。大多数信号模块可以编码比之前在实验中观察到的多得多的信息(3-6比特)。同样，对基因表达的噪声水平的分析表明，在诱导转录调控的信号中，传输超过1比特的信息应该是可行的。
简单的信号基序，如配体-受体相互作用或翻译后修饰循环，预计可处理超过5比特的信息。随着网络复杂性的增加，它所能包含的信息量减少；不过，作者预测信号级联仍然可以传输超过3比特的信息。显然，应该进行更多的实验工作——也许应该为单细胞信号分析建立更充分的实验模型——以评估细胞信号系统是否能够达到这些计算得出的极限。
较低的信道容量可能是由于细胞中存在的外部噪声导致的。在ERK磷酸化中的外部噪声(特别是来自MEK上游的噪声)对细胞间变异的产生起关键作用。对系统的模拟和不同时间点上磷酸化MEK和ERK总量之间相互信息的评估表明，外部噪声的存在降低了MEK和ERK之间的期望信息流。作者认为，MEK-ERK系统的外源性噪声在细胞间变异性中起着关键作用。虽然乍一看，MEK-ERK似乎调得不合适，但预测该特性将阻止细胞对生物学上无关信号的响应。
与内源性和外源性噪声相关的细胞异质性在耐药、细胞存活、趋化和其他细胞活动中起着重要作用，可能是有害的，也可能是有益的。细胞噪声也会影响EGF和ERK信号的输出。一个EGF信号的数学模型囊括了ERK与核孔复合体之间的作用，该复合体在ERK核内活性的激活中起着至关重要的开关作用。模拟结果表明，外源性噪声对细胞核ERK反应异质性有影响。此外，EGF受体、MEK、Ras和Raf的异质性介导了细胞间的差异，这个异质性的水平可以用来预测细胞的反应。这些蛋白作为敏感节点，它们发生变化可能在疾病的发病机制中发挥重要作用。
噪声环境下信号通路的稳定性机制引起了系统生物学家的关注。最近的一项系统生物学研究分析了信号动力学是否可以减少噪声相关的信息损失。与非动态响应相比，ERK中Ca2+和NF-kB通路的动态响应增加了测量到的信息传输能力。之前对不同信噪比下ERK通路信息传输的测量也表明，信号动力学可以补偿噪声引起的信息丢失。其他一些研究将基于信息理论的方法应用于研究信号网络，这些研究使用了在单个时间点进行的标量测量。然而，配体浓度的信息通常是由不同时间点的单细胞反应的多元向量编码的。MCF10a细胞三种信号通路的动态响应的通道容量均显著高于静态标量响应(低于1比特)。由于细胞信号网络对信息的准确传输对于保证细胞的正常功能起着至关重要的作用，因此，进化似乎最大化了细胞系统解码来自环境的多维动态信号的能力。
单细胞法揭示出GPCR信号通路的高容量
单细胞测量有助于区分外部噪声和内部噪声(影响信号网络的性能)，在评估信号通路的信息传输能力时仍然是必不可少的。我们研究了HEK293细胞单细胞水平的通道容量，重点研究了M3R GPCR受体。实验设置上，我们采用了不同浓度的M3R激动剂乙酰胆碱，多次脉冲刺激细胞。这种设置条件下我们获得了2位以上信道容量的估计值。因此，M3R信号系统可以可靠地区分至少四种不同浓度的配体。这些结果与之前的一些研究形成对比，之前的实验中GPCR途径的信息传递能力提供了较低的数值。例如，在RAW264.7巨噬细胞中，尿苷二磷酸激活P2Y GPCR条件下通道容量约为1比特。在这些研究中，细胞群受到不同浓度配体的刺激；然而，单个细胞从未暴露于超过一种浓度的刺激物。由于GPCR (P2Y和M3R)信号在个体细胞间存在显著的变异性（这种变异性基于受体和下游信号转导器水平不同导致的长期细胞状态差异），细胞群的平均值可能会掩盖一个细胞真正的信道容量。这些考虑再次指向将信息理论工具应用于单个细胞信号的核心——实验设置需要充分评估内外噪音对信道容量的影响。我们将在下一节对此问题作进一步阐述。
结束语
大量理论和实践的研究表明，信息论是研究生物信号转导的一个很好的工具。目前为止，信息论在细胞内信号转导中的应用产生了三个主要问题。
Outstanding Questions
Channel capacity of intracellular signaling: all-or-none or multibit pathways?
Information theory – a new look at receptor pharmacology?
Channel capacity in pathological states – is cancer an information disease?
第一个问题涉及到单细胞信号转导的基本特性，重点在于通过实验设计解决细胞信号传导通道容量测量的偏差。例如，细胞群体分析可能掩盖了单个细胞的反应，而单个细胞的测量则捕获了群体内的异质性。
第二个问题强调了信息论在受体药理学和药物敏感性研究中的潜力。可以想象，通过一个密码来翻译信息论传递的信号转导的基本结果。完全激动剂/拮抗剂可能与全通道容量有关，而部分激动剂/拮抗剂与部分通道容量有关。需要设计良好的实验来确定是否存在这样的密码。第三个问题是关于病理学中细胞信号的基本特性是如何改变的。
最近有人提出，某些病理状态，如癌症，可视为信息疾病。比较癌变细胞和健康细胞的信息传递能力是至关重要的。如果我们从一个假设的健康细胞开始，假设它有一个高通道容量，例如，大约2比特，这样一个细胞将能够区分并对四个不同水平的激活刺激做出不同的反应：没有刺激时没有通路激活；对低输入的低激活以及对中高水平刺激的中高水平激活。假设在病理状态下，这个细胞的通道容量下降到1比特，细胞将不再能够区分不同水平的刺激，而仅仅提供一个全或无的响应。这是信号反应中超敏性的场景，通常与致癌状态有关，无论生长因子输入是高是低，细胞都会进入增殖状态。当通道容量下降到1比特以下时，我们可以考虑系统的进一步恶化，这与致癌通路的组成激活有关，与外部刺激的存在或缺失无关。信号通路中负反馈成员的缺失突变或正反馈的功能性获得突变可能促进这种与配体无关的信号传递。值得注意的是，1比特以下的通道容量也可能意味着信号的完全缺失——这可能通过通路的突变失活而发生，并可能导致病理状态。
阐明癌症中信号转导的基本原理可能为治疗的发展提供一种新的手段。事实上，当前药物开发的逻辑是消除特定的信号通路——同一通路在正常细胞中也会有特定的激活水平，因此健康组织不可避免会有不良反应。相反，若通过药理学调整该通路，使致癌通路减少的通道容量恢复到正常水平，这种方法可能对该通路的组成性激活或超敏性起作用，从而达到降低肿瘤细胞致癌特性的同时，而不会影响健康细胞的信号传导的目的。这方面的实验将会验证这些想法和方法是多么的难以实现。尽管信息论在细胞信号中的应用充满挑战，但我们相信这一新的系统生物学分支将继续扩展，激动人心的发现就在前方。
