Uzlová signální cesta - Nodal signaling pathway - Wikipedia

The uzlová signální cesta je signální transdukce cesta důležitá v regionální a buněčná diferenciace v průběhu embryonální vývoj.[1]

The uzlový rodina proteinů, podskupina transformující růstový faktor beta (TGFβ) superrodina, je zodpovědná za mesoendoderm indukce, vzorování nervového systému a stanovení osy dorzálně-ventrální u embryí obratlovců. Aktivace uzlové dráhy zahrnuje uzlovou vazbu na aktivin a receptory podobné aktivinu, což vede k fosforylaci Smad2. P-Smad2 /Smad4 komplex přemístí do jádro komunikovat s transkripční faktory jako FoxH1, p53 a směšovač (Xenopus smíšený endodermální regulátor). To zase povede k indukci cílových genů, jako je NODAL, Levičák, antagonista nodalu cerberus, a další.[2]

Aktivace Nodální dráhy indukuje transkripci mnoha cílových genů, včetně jeho vlastních, ale současně mikro-RNA a jiné proteiny s tím interferují Pozitivní zpětná vazba smyčka negativním způsobem v různých bodech dráhy.[2][3] Tato rovnováha aktivace a inhibice signálu je nezbytná k dosažení přesného umístění, koncentrace a trvání následných cílových genů, které mají důležitou roli v rané fázi vývoje. Tento článek shrnuje roli některých složek, které se pozitivně a negativně podílejí na regulaci signální dráhy. Ačkoli jsou všechny hlavní složky uzlové signalizace evolučně konzervovány téměř u všech obratlovců, regulace každé složky dráhy se někdy liší podle druhu.

Dějiny

The uzlový gen byl původně objeven Conlonem a kol. retrovirovou mutací u myší, která vedla k izolaci genu, který interferoval s normální myší gastrulace a vývoj embryí.[4] Další studium tohoto genu Zhou et al. ukázaly, že nodální geny kódují sekretovaný signální peptid, který je dostatečný k indukci mezodermových buněk v myším embryu. To bylo důležité zjištění, protože na vzniku mezodermu se podílelo mnoho dalších faktorů Xenopus vzhledem k tomu, že obtížnost odstranění těchto faktorů v důsledku embryonální letality a mateřského příspěvku genů udržovala schopnost testovat nepolapitelné fenotypy.[5] Další studie nodální signalizace u jiných obratlovců, jako jsou Cyclops a Squint in zebrafish prokázal, že nodální signalizace je adekvátní k indukci mezodermu u všech obratlovců.[2]

Vybrané komponenty cesty

Přehled uzlové signální dráhy. Nodal a jeho represor Lefty jsou oba vyjádřeny v reakci na Nodal signalizaci. Úrovně exprese proteinu jsou ovlivněny v důsledku aktivity superrodiny miR-430. Jakmile je protein přeložen, musí být zpracován v extracelulárním prostoru pomocí konvertáz (Furin a PACE4). Zralý Nodal se váže na receptory aktivinu I a II a koreceptor Cripto / Criptic a fosforiluje Smad2 / 3. Tyto Smads tvoří komplex se Smad4 a vstupují do jádra a pomocí p53 aktivují Mixer nebo FoxH1 transkripci genů zapojených do indukce mezodermu a endodermu. Ektodermin, PPM1A, XFDR a Tgf1 negativní regulují cestu tím, že soutěží se složkami Smad nebo transkripčními faktory. Interakce přípravku Nodal s BMP (BMP3, BMP7), Lefty nebo s Cerberusem mimo buňky ovlivňuje jeho schopnost vázat se na receptory a reaktivovat signál.

Levičák

Lefty proteiny, divergentní členové TGFβ nadrodina proteinů, působí jako extracelulární antagonisté uzlové signalizace. Expresní studie levého homologu, antivinu, v zebrafish ukazují, že levý pravděpodobně funguje jako kompetitivní inhibitor nodální signalizace.[6] Nadměrná exprese vlevo vede k fenotypu podobnému uzlovému knockoutu, zatímco nadměrná exprese receptoru aktivinu (protein související s uzlem) nebo dokonce extracelulární domény receptoru může fenotyp zachránit. Protože indukce levice závisí na nodální expresi, levice působí jako klasický inhibitor zpětné vazby pro nodální signalizaci. Stejně jako nodals mají všichni obratlovci alespoň jeden levý gen, zatímco mnoho, jako je zebrafish a myš, má dva jedinečné levé geny.

DAN proteiny

DAN proteiny, jako jsou Cerberus a Coco v Xenopus a podobně jako Cerberus u myší, působí také jako antagonisté uzlové signalizace. Na rozdíl od levicových proteinů se proteiny DAN vážou přímo na extracelulární uzlové proteiny a zabraňují signalizaci. Dále ne všechny proteiny DAN jsou specifické pro nodální signalizaci a budou také blokovat kostní morfogenetické proteiny (BMP) a v případě Cerberus a Coco také signalizace Wnt.[7] Tato aktivita je důležitá v nervovém vývoji a symetrii zleva doprava, jak bude popsáno později.

BMP

Lefty a Cerberus nejsou jediní, kdo je schopen interagovat v extracelulárním prostoru s Nodalem, existují biochemické důkazy, že BMP3 a BMP7 tvoří heterodimery s Nodalem, což způsobuje vzájemnou inhibici zapojených drah.[8]

Konvertázy: furin a PACE4

Uzlová mRNA produkuje nezralou proteinovou formu uzlový který je štěpen proteiny zvanými konvertázy za účelem vytvoření zralého uzlu. The subtilisin -jako proproteinové konvertázy (SPC) Furin (Spc1) a PACE4 (Spc4) rozpoznávají specifickou sekvenci prekurzoru nodálního proteinu a štěpí ji za vzniku zralého nodálního ligandu.[9] Naopak nezralá forma Nodalu je stále schopná cestu aktivovat.[10] Během nodálního transportu do extracelulárního prostoru nodální ko-receptor zachycuje nodální prekurzor v lipidových raftech a jednou na povrchu buňky, Cripto interaguje s konvertázami a tvoří komplex, který usnadňuje zpracování nodalu.[11]

EGF-CFC proteiny

EGF-CFC proteiny jsou membránově vázané extracelulární faktory, které slouží jako základní kofaktor v uzlové signalizaci a ve vývoji obratlovců jako celku. Tato rodina kofaktorů zahrnuje jednooký Pinhead (oep) v Zebrafish, FRL1 v Xenopusa Cripto a Criptic u myší a lidí. Genetické studie oep u zebrafish ukázaly, že knockout jak mateřské, tak zygotické ok vede k fenotypu podobnému fenotypu šilhání / vyřazení Cyclops (nodals). Podobně nadměrná exprese buď uzlového (šilhání / kyklop) nebo ok s knockoutem druhého nevykazuje fenotypové rozdíly. Tento důkaz spolu s údaji, které nadměrně exprimují ok ukazuje, že žádný fenotyp nepotvrzuje roli EGF-CFC jako základního kofaktoru v nodální signalizaci.[12]

Dapper2

U myší, žab a ryb je Dapper2 negativním regulátorem mezoderm formace jednající prostřednictvím down-regulace Wnt a TGFp / nodální signální dráhy. U zebrafish je známo, že nodal aktivuje genovou expresi dapper2.[13] Na buněčném povrchu se Dapper2 pevně váže na aktivní formu receptory aktivinu typu 1 a zacílí na receptor pro lysozomální degradaci. Napodobeniny nadměrné exprese Dapper2 uzlový ztráta funkce ko-receptoru, protože nodální signál nemůže být transdukován, a proto produkuje méně mezodermu. V myším embryu je dpr2 mRNA lokalizována napříč celým embryem 7,5 dne po početí (dpc), avšak jeho poloha se mění na 8,5-dpc, kde je pozorována u prospektivních somitů a 10-dpc, neurální trubicí, ušní váčkem a střevem; protože Dapper2 a Nodal jsou exprimovány ve stejné oblasti, naznačuje to, že Dapper antagonizuje mezodermové indukční signály odvozené od Nodalu.[14] Snížení aktivinových receptorů by nějak vedlo ke snížení aktivity různých drah TGFb.[13]

Smad

Smad proteiny jsou zodpovědné za přenos uzlových signálů do jádra. Vazba uzlových proteinů na aktivin nebo receptory serin / threonin kinázy podobné aktivinům vede k fosforylaci Smad2. Smad2 se pak spojí s Smad4 a translokují se do jádra, čímž stimulují transkripci uzlových cílových genů. Bylo prokázáno, že další Smad, Smad3, mohou být fosforylovány aktivovanými receptory a mohou také fungovat jako aktivátor uzlových genů. Vyřazení Smad2 u myší však vede k narušení tvorby primitivní pruh. To nestačí k tomu, aby byly odstraněny všechny mezoendodermální geny, které ukazují, že Smad3 má nějakou překrývající se funkci se Smad2. Exprese těchto genů je však v embryích Smad2 KO všudypřítomná, zatímco u divokého typu je omezená. Vyřazení Smad3 nemají fenotyp ukazující, že překrývání exprese se Smad2 je dostatečný normální vývoj.[15]

Molekuly ovlivňující aktivaci uzlů smadem

Ektodermin negativně reguluje uzlovou cestu inhibicí interakce Smad4 s jinými Smads uvnitř jádra prostřednictvím mono-ubikvitinačního Smad4 umožňuje tato modifikace transport z cytoplazmy, kde může být deubikvitinován proteinem FAM, což mu umožňuje znovu vytvářet komplexy s jinými Smads.[16][17] Dalším negativním regulátorem dráhy zasahující do Smads je PPM1A, fosfatáza, která působí s Phospho-Smad2 / 3, čímž je neaktivní.[18] Následně je Smad2 / 3 transportován mimo jádro pomocí RanBP2.[19]

Transkripční faktory řídící signalizaci

Smad2 / 3/4 se může přidružit k různým transkripčním faktorům, jako je p53, Mixer a FoxH1, a rozpoznávat specifické cis-regulační prvky, které aktivují expresi cílových genů Nodal v přesném čase a místě a aktivují geny potřebné pro indukci mezodermu. další transkripční faktory, které soutěží o některé ze složek transkripčního aparátu o aktivaci uzlových cílových genů. Například Tgif1 a Tgif2 jsou negativní koregulátory, které soutěží o aktivní formu Smad2, čímž snižují relativní koncentraci aktivního Smad2 v jádře. v XenopusZtráta funkce Tgf1 a Tgf2 způsobí up-regulaci Xnr5 a Xnr6.[20] Dalším příkladem transkripčních represorů u žab je XFDL, který se váže na p53 a brání interakci s komplexem Smad2 / 3/4.[21]

miRNA řídící signalizaci

U obratlovců je evoluční konzervovaná rodina mikroRNA miR-430/427/302 exprimována na počátku vývoje. Má důležité role při kontrole specifikace mezodermu a endodermu a reguluje hladiny proteinové exprese některých uzlových signálních komponent. Tuto rodinu tvoří teleost miR-430, obojživelník miR-427 a savčí miR-302. U ryb zebry miR-430 inhibuje translaci Sqt, Lefty1 a Lefty2, u žab miR-427 reguluje Xnr5, Xnr6b, LeftyA a LeftyB, avšak u lidských embryonálních kmenových buněk se ukázalo, že miR-302 negativní reguluje expresi pouze Lefty1 a Lefty2, ale nezdá se, že by snižoval hladinu exprese uzlového proteinu.[22]

Uzlová signalizace ve vývoji

Indukce mezoendodermu

Několik studií prokázalo, že uzlový signál je nutný pro indukci většiny typů mezodermálních a endodermálních buněk a knock-outy Squint / Cyclops u Zebrafish nevyvíjejí notochord, srdce, ledviny nebo dokonce krev.[23] Původ a vzor exprese uzlových signálních proteinů se u různých druhů liší. Savčí uzlová signalizace se iniciuje všudypřítomně v epiblastových buňkách a je udržována autoregulační signalizací Wnt3 a je omezena indukcí antagonistů, jako je Cerberus a levý.[24] Studie v Xenopus našli ten xnr výraz ( Xenopus nodální) je indukován VegT na rostlinném pólu a uzly se rozšířily do blastuly.[25] Exprese Xnr je stabilizována přítomností p-kateninu. Tato informace vyvolává otázku, jak nodální signalizace vede k indukci endodermu i mezodermu. Odpověď přichází ve formě přechodu uzlového proteinu. Časové a prostorové rozdíly v nodální signalizaci budou mít za následek různé buněčné osudy. S přidáním antagonistů a variabilním rozsahem různých uzlů lze pro embryo nakreslit mapu buněčných osudů zahrnujících jak mezoderm, tak endoderm.[2] Není však jasné, zda je uzlová signalizace sečtena, nebo zda buňky reagují na amplitudu signálu.[26]

Levo-pravé vzorování

Lidská anatomie je asymetrická se srdcem umístěným na levé straně a játry na pravé straně. Levo-pravá asymetrie (biologie) je rys společný pro všechny obratlovce a dokonce i spárované symetrické orgány, jako jsou plíce, vykazují asymetrie v počtu laloků. Důkaz, že nodální signalizace je odpovědná za specifikaci zleva doprava, pochází z genetické analýzy organismů s nedostatkem specifikace zleva doprava. Tyto genetické studie vedly k identifikaci mutací v komponentách uzlové signální dráhy, jako jsou ActRIIB, Criptic a FoxH1 u myší.[27] Tyto studie zjistily, že levo-pravá symetrie je vytvořena jako výsledek exprese uzlového antagonisty na pravé straně embrya, která je vyvážena uzlovou upregulací na druhé polovině embrya. Výsledkem je nodální gradient, který je vysoký na ventrální straně embrya a prostřednictvím působení antagonisty klesá jako gradient ke střední linii. Studie o uzlová signální cesta a jeho navazující cíle, jako je PITX2 u jiných zvířat se ukázalo, že může také ovládat asymetrické vzorování zleva doprava mořská stříkačka, amphioxus, mořský ježek a měkkýš linie. [28]

Neurální vzorování

Jak vzniká uzlová signalizace ektoderm a mezoderm, neuroectoderm formace vyžaduje blokování nodální signalizace, čehož je dosaženo expresí nodálního antagonisty, Cerberus. Role nodální signalizace se znovu objevuje později ve vývoji, když je k určení neurálního vzorování ventrální buňky vyžadována nodální signalizace. Ztráta funkce Cyclops nebo oep u zebrafish má za následek cyklopická embrya charakterizovaná nedostatkem střední podlahové desky a ventrálního předního mozku.[2] Ne všechny uzliny vedou k tvorbě mezoectodermu. Xenopus nodal related 3, (Xnr3), divergentní člen nadrodiny TGFβ, indukuje expresi proteinu, Xbra. Vzor výrazu Xbra, v korelaci vzoru výrazu, jiný neuroinduktor, Xlim-1, má za následek vzorování organizátoru v Xenopus. Tato signalizace ve spojení s jinými nodály, nogginem, chordinem, follistatinem a dalšími vede k konečnému vzorování centrálního nervového systému obratlovců.[29]

Reference

  1. ^ Shen MM (březen 2007). „Uzlová signalizace: vývojové role a regulace“. Rozvoj. 134 (6): 1023–34. doi:10,1242 / dev.000166. PMID  17287255.
  2. ^ A b C d E Schier AF (2003). "Uzlová signalizace ve vývoji obratlovců". Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 19: 589–621. doi:10.1146 / annurev.cellbio.19.041603.094522. PMID  14570583.
  3. ^ Schier AF (listopad 2009). "Nodální morfogeny". Cold Spring Harb Perspect Biol. 1 (5): a003459. doi:10.1101 / cshperspect.a003459. PMC  2773646. PMID  20066122.
  4. ^ Conlon FL, Barth KS, Robertson EJ (duben 1991). „Nová retrovirově indukovaná embryonální letální mutace u myší: hodnocení vývojového osudu embryonálních kmenových buněk homozygotních pro provirovou integraci 413.d“. Rozvoj. 111 (4): 969–81. PMID  1879365.
  5. ^ Zhou X, Sasaki H, Lowe L, Hogan BL, Kuehn MR (únor 1993). „Nodal je nový gen podobný TGF-beta exprimovaný v myší uzlu během gastrulace“. Příroda. 361 (6412): 543–7. Bibcode:1993 Natur.361..543Z. doi:10.1038 / 361543a0. PMID  8429908. S2CID  4318909.
  6. ^ Thisse C, Thisse B (leden 1999). „Antivin, nový a odlišný člen nadrodiny TGFbeta, negativně reguluje indukci mezodermu“. Rozvoj. 126 (2): 229–40. PMID  9847237.
  7. ^ Piccolo S, Agius E, Leyns L, Bhattacharyya S, Grunz H, Bouwmeester T, De Robertis EM (únor 1999). „Hlavní induktor Cerberus je multifunkční antagonista signálů Nodal, BMP a Wnt“. Příroda. 397 (6721): 707–10. Bibcode:1999 Natur.397..707P. doi:10.1038/17820. PMC  2323273. PMID  10067895.
  8. ^ Yeo C, Whitman M (květen 2001). "Uzlové signály pro Smads prostřednictvím mechanismů závislých na Cripto a nezávislých na Cripto". Mol. Buňka. 7 (5): 949–57. doi:10.1016 / S1097-2765 (01) 00249-0. PMID  11389842.
  9. ^ Beck S, Le Good JA, Guzman M, Ben Haim N, Roy K, Beermann F, Constam DB (prosinec 2002). "Extraembryonální proteázy regulují nodální signalizaci během gastrulace". Nat. Cell Biol. 4 (12): 981–5. doi:10.1038 / ncb890. PMID  12447384. S2CID  12078090.
  10. ^ Ben-Haim N, Lu C, Guzman-Ayala M, Pescatore L, Mesnard D, Bischofberger M, Naef F, Robertson EJ, Constam DB (září 2006). „Nodální prekurzor působící prostřednictvím aktivinových receptorů indukuje mezoderm udržováním zdroje jeho konvertáz a BMP4“. Dev. Buňka. 11 (3): 313–23. doi:10.1016 / j.devcel.2006.07.005. PMID  16950123.
  11. ^ Blanchet MH, Le Good JA, Mesnard D, Oorschot V, Baflast S, Minchiotti G, Klumperman J, Constam DB (říjen 2008). „Cripto rekrutuje Furin a PACE4 a kontroluje obchodování s uzly během proteolytického zrání“. EMBO J.. 27 (19): 2580–91. doi:10.1038 / emboj.2008.174. PMC  2567404. PMID  18772886.
  12. ^ Shen MM, Schier AF (červenec 2000). "Rodina genů EGF-CFC ve vývoji obratlovců". Trendy Genet. 16 (7): 303–9. doi:10.1016 / S0168-9525 (00) 02006-0. PMID  10858660.
  13. ^ A b Chen YG (leden 2009). "Endocytická regulace signalizace TGF-beta". Cell Res. 19 (1): 58–70. doi:10.1038 / cr.2008.315. PMID  19050695.
  14. ^ Su Y, Zhang L, Gao X, Meng F, Wen J, Zhou H, Meng A, Chen YG (březen 2007). "Evolučně konzervovaná aktivita Dapper2 při antagonizaci signalizace TGF-beta". FASEB J. 21 (3): 682–90. doi:10.1096 / fj.06-6246com. PMID  17197390. S2CID  86415243.
  15. ^ Whitman M (listopad 2001). "Uzlová signalizace v časných embryích obratlovců: témata a variace". Dev. Buňka. 1 (5): 605–17. doi:10.1016 / S1534-5807 (01) 00076-4. PMID  11709181.
  16. ^ Dupont S, Zacchigna L, Cordenonsi M, Soligo S, Adorno M, Rugge M, Piccolo S (duben 2005). „Specifikace zárodečné vrstvy a kontrola buněčného růstu pomocí Ectoderminu, ubikvitinové ligázy Smad4“. Buňka. 121 (1): 87–99. doi:10.1016 / j.cell.2005.01.033. PMID  15820681. S2CID  16628152.
  17. ^ Dupont S, Mamidi A, Cordenonsi M, Montagner M, Zacchigna L, Adorno M, Martello G, Stinchfield MJ, Soligo S, Morsut L, Inui M, Moro S, Modena N, Argenton F, Newfeld SJ, Piccolo S (leden 2009 ). „FAM / USP9x, deubikvitinační enzym nezbytný pro signalizaci TGFbeta, řídí monoubikvitinaci Smad4“. Buňka. 136 (1): 123–35. doi:10.1016 / j.cell.2008.10.051. PMID  19135894. S2CID  16458957.
  18. ^ Lin X, Duan X, Liang YY, Su Y, Wrighton KH, Long J, Hu M, Davis CM, Wang J, Brunicardi FC, Shi Y, Chen YG, Meng A, Feng XH (červen 2006). „PPM1A funguje jako Smad fosfatáza k ukončení signalizace TGFbeta“. Buňka. 125 (5): 915–28. doi:10.1016 / j.cell.2006.03.044. PMC  6309366. PMID  16751101.
  19. ^ Dai F, Lin X, Chang C, Feng XH (březen 2009). „Jaderný export Smad2 a Smad3 společností RanBP3 usnadňuje ukončení signalizace TGF-beta“. Dev. Buňka. 16 (3): 345–57. doi:10.1016 / j.devcel.2009.01.022. PMC  2676691. PMID  19289081.
  20. ^ Powers SE, Taniguchi K, Yen W, Melhuish TA, Shen J, Walsh CA, Sutherland AE, Wotton D (leden 2010). „Tgif1 a Tgif2 regulují uzlovou signalizaci a jsou nutné pro gastrulaci“. Rozvoj. 137 (2): 249–59. doi:10.1242 / dev.040782. PMC  2799159. PMID  20040491.
  21. ^ Sasai N, Yakura R, Kamiya D, Nakazawa Y, Sasai Y (květen 2008). "Ektodermální faktor omezuje diferenciaci mezodermu inhibicí p53". Buňka. 133 (5): 878–90. doi:10.1016 / j.cell.2008.03.035. PMID  18510931. S2CID  16711420.
  22. ^ Rosa A, Spagnoli FM, Brivanlou AH (duben 2009). „Rodina miR-430/427/302 kontroluje specifikaci mesendodermálního osudu prostřednictvím výběru cílového druhu pro konkrétní druh“. Dev. Buňka. 16 (4): 517–27. doi:10.1016 / j.devcel.2009.02.007. PMID  19386261.
  23. ^ Gritsman K, Talbot WS, Schier AF (březen 2000). Msgstr "Nodální signalizační vzory organizátor". Rozvoj. 127 (5): 921–32. PMID  10662632.
  24. ^ Brennan J, Lu CC, Norris DP, Rodriguez TA, Beddington RS, Robertson EJ (červen 2001). "Nodální signalizace v epiblastech charakterizuje rané myší embryo". Příroda. 411 (6840): 965–9. Bibcode:2001 Natur.411..965B. doi:10.1038/35082103. PMID  11418863. S2CID  4402639.
  25. ^ Kofron M, Demel T, Xanthos J, Lohr J, Sun B, Sive H, Osada S, Wright C, Wylie C, Heasman J (prosinec 1999). „Mesodermová indukce u Xenopus je zygotická událost regulovaná mateřským VegT prostřednictvím růstových faktorů TGFbeta“. Rozvoj. 126 (24): 5759–70. PMID  10572051.
  26. ^ Green J (prosinec 2002). "Morfogenní přechody, poziční informace a Xenopus: souhra teorie a experimentu". Dev. Dyn. 225 (4): 392–408. doi:10.1002 / dvdy.10170. PMID  12454918. S2CID  6480950.
  27. ^ Burdine RD, Schier AF (duben 2000). "Zachované a odlišné mechanismy při tvorbě osy zleva doprava". Genes Dev. 14 (7): 763–76. PMID  10766733.
  28. ^ Namigai, E; Kenny NJ; Shimeld SM (2014). „Přes strom života: vývoj asymetrie zleva doprava v Bilateria“. Genesis. 52 (6): 458–470. doi:10.1002 / dvg.22748. PMID  24510729. S2CID  24995729.
  29. ^ Taira M, Saint-Jeannet JP, Dawid IB (únor 1997). „Role genů Xlim-1 a Xbra v předozadním vzorování nervové tkáně organizátorem hlavy a kmene“. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 94 (3): 895–900. Bibcode:1997PNAS ... 94..895T. doi:10.1073 / pnas.94.3.895. PMC  19610. PMID  9023353.

Další čtení