Сигнальний шлях Wnt

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Міністерство освіти та науки України

Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна

Факультет радіофізики, біомедичної електроніки та комп'ютерних систем

Кафедра молекулярної і медичної біофізики

Реферат на тему: «Сигнальний шлях Wnt»

Вступ

Wnt є одним з найважливіших сигнальних шляхів в клітині, необхідним для нормального ембріонального розвитку, диференціювання, підтримки фенотипу стовбурових клітин, визначення полярності клітини і міграції. Мутації в цьому каскаді пов'язані з пухлинами (особливо з раком товстої кишки, гепатокарциномами і лейкемією), діабетом 2-го типу і нейродегенеративними захворюваннями.

Особливий інтерес представляє роль Wnt в підтримці опухолеініціаціюючих клітин і метастазуванні. У зв'язку з цим останнім часом ведеться активна робота в дослідженні цього шляху, здійснюється ретельний пошук інгібіторів сигнального шляху Wnt в якості протипухлинних препаратів, проте до цих пір ці інгібітори знаходяться тільки в ранніх фазах клінічних випробувань.

рецептор сигнальний протипухлинний клітина

Ліганди і рецептори сигнального шляху Wnt

Гени, що кодують білки сімейства Wnt, ідентифіковані в геномі як хребетних, так і безхребетних. У людини сімейство Wnt налічує 19 представників. Всі білки Wnt - це сильно модифіковані глікопротеїни розміром близько 40 кДа, які мають риси, характерні для секретовуваних факторів росту. Вважають, що для їх біологічної активності вкрай важливі пост трансляційні ліпідні модифікації. Обробка ферментом, що видаляє залишки пальмітинової кислоти, знижує гідрофільність і сигнальну активність лігандів Wnt. Для передачі сигналу всередину клітини білки сімейства Wnt повинні зв'язати відповідний рецептор або групу рецепторів на поверхні клітини.

Серед різноманіття трансмембранних молекул, що виконують функцію рецепторів для Wnt-лігандів, першими були відкриті рецептори сімейства Frizzled (Fz). Білки Fz відносять до великої групи рецепторів, пов'язаних з G-білками, або GPCR (G-protein-coupled receptors). Вони здійснюють передачу сигналу всередину клітини за допомогою впливу на гетеротримерні G-білки [4].

Крім Fz-рецепторів на поверхні клітини розташовані і інші білки, здатні акцептувати ліганди Wnt. Серед них - cімейство рецепторних молекул LRP (LDL-receptor-related protein). Білки LRP містять єдиний трансмембранний домен, який і забезпечує передачу Wnt-сигналу всередину клітини. У хребетних виділені два члена сімейства LRP (LRP5 і LRP6), здатні зв'язувати білки Wnt. Фенотипи нокаутних по LRP5/6 мишей імітують ефекти від виключення експресії деяких генів Wnt. Наприклад, виключення експресії LRP6 призводить до порушення розвитку середнього та заднього відділів головного мозку (імітація блокування Wnt1), зміщення кінцівок в вентральній сторону (Wnt7a) і збільшення об'єму нервової тканини (Wnt3a). LRP5/6 вважається учасником канонічного сигнального каскаду Wnt .

Передача сигналу від лігандів Wnt може також здійснюватися за допомогою альтернативних рецепторів Ror1, Ror2 і Ryk. Ror1 і Ror2 розглядають як корецептор неканонічного сигнального шляху Wnt. Будучи структурно близькими гомологами, вони належать до сімейства рецепторних тирозинових кіназ RTK (receptor tyrosine kinase).Трансгенні миші, дефектні по гену Ror2, демонструють фенотип, подібний до Wnt5a-делеційних мутантів [1].

Білок Ryk є атиповою рецепторною тирозиновою кіназою, позбавленою здатності фосфорилювати білки. Відсутність кіназної активності є наслідком амінокислотної заміни в еволюційно консервативних ділянках внутрішньоклітинного кіназного домену. Згідно з різними дослідженнями, Ryk може пов'язувати як канонічні, так і неканонічні Wnt-ліганди. Фізична взаємодія між Ryk, Wnt1 і Wnt3a з наступною активацією канонічного сигнального шляху Wnt продемонстровано в клітинній лінії HEK293T. У процесі формування нейронних зв'язків в мозку в процесі розвитку, Ryk служить рецептором для ліганду неканонічного сигнального шляху Wnt- Wnt5a.

Сигнальний шлях Wnt

Назва Wnt відображає комбінацію Wg (wingless - безкрилий) і Int. Wingless ген був спочатку ідентифікований в 1976 Sharma R P і Chopra V L як рецесивна мутація, порушуючи розвиток крил і жужальця у Drosophila melanogaster. Пізніше він був охарактеризований як ген сегментної полярності у Drosophila melanogaster, який функціонує під час ембріогенезу і в процесі формування кінцівок протягом метаморфоза у дорослих. Вірусна активація гена Int-1 перетворює його в онкоген і сприяє розвитку у мишей раку молочної залози. В ході досліджень вченими було зроблено припущення про те, що синтезується клітинами білок Wnt бере участь в міжклітинних взаємодіях.

У літературі виділяють 3 сигнальних шляху в складі Wnt: канонічний Wnt-каскад, який контролює зв'язування в-катеніну з транскрипційними факторами TCF / LEF, неканонічний кальцієвий каскад, в якому не бере участь в-катенін, і каскад, який контролює полярність клітини.

З 3 каскадів канонічний найбільш добре вивчений, особливо в контексті канцерогенезу. Як зазначено вище, у людини сімейство Wnt-білків складається з 19 білків, які зв'язуються з 15 рецепторами Фріззлед (Frizzled, Fzd) або корецепторами LRP. Wnt-ліганди є глікопротеїнами, для секреції яких необхідно додавання пальмітату до цістеїнових або серинових залишків в ЕПР (остання реакція здійснюється білком поркупіном (porcupine). Зв'язування Wnt-ліганда з Fzd призводить до рекрутування білка дішевелед (disheveled, Dvl), який пригнічує фосфорилювання в-катеніну деградуючим комплексом (GSK3в, аксин-1 і APC). [2]

Фосфорилювання в-катеніну деградуючим комплексом по серінам 33, 37 та треоніну 41 викликає його протеосомну деградацію; після інгібування деградируючого комплексу Dvl кількість в-катеніну швидко збільшується, після чого він транслокується в ядро. В ядрі в-катенин зв'язується з транскрипційними факторами сімейств TCF і LEF, викликаючи транскрипцію своїх залежних генів, найважливішими з яких є c-Myc, циклін Д, сурвівін, MMP7, MDR1 і CD44.

Найбільш важливою для терапії є роль сигнального шляху Wnt в підтримці фенотипу опухолеініціюючих клітин і епітеліально-мезенхімального переходу, необхідних для метастазування пухлини. Придушення експресії або делеції в-катеніну пригнічує утворення опухолеініціюючих клітин в моделі хронічного мієлолейкозу з експресією Bcr-Abl, гострої мієлоцитарної лейкемії і пухлинах молочної залози. Активуючі мутації сигнального шляху Wnt широко поширені в ряді пухлин. Це мутації компонентів деградуючого комплексу (APC, аксин), самого в-катеніну, білків TCF (наприклад, TCF7L2) і Wtx. Крім мутацій порушення передачі сигналу в каскаді відбуваються через зміни експресії ряду білків через епігенетичні траснформації.

За даними бази даних COSMIC, мутації APC найбільш характерні для пухлин товстої кишки, шлунка, підшлункової залози; в-катеніну - для пухлин печінки, м'яких тканин, ендометрія, підшлункової залози; аксинуя-1 - для пухлин печінки і жовчних проток, Wtx - для пухлин нирок і товстої кишки і TCF7L2 - для пухлин товстої кишки [3].

Шляхи передачі сигналу, що активуються білками сімейства Wnt

Згідно класичним уявленням, комбінація Wnt, його рецептора і корецептора визначає тип сигнального каскаду, що запускається. На даний момент виділяють три сигнальних каскаду, активуються білками сімейства Wnt. Серед них один канонічний, або в-катеніновий сигнальний шлях, і два неканонічних: Wnt/- сигнальний шлях і шлях клітинної поляризації (PCP)

Рисунок 1. Шляхи передачі сигналу, що активуються білками сімейства Wnt.

Канонічний сигнальний шлях Wnt

Цей шлях задіяний в широкому спектрі біологічних процесів, починаючи з ембріонального розвитку і закінчуючи регенерацією тканин дорослого організму. На клітинному рівні канонічний сигнальний шлях залучений в регуляцію проліферації і диференціювання, а також в підтримку популяції стовбурових клітин.

Ключовою подією при активації канонічного сигнального каскаду Wnt є стабілізація в-катеніну, в зв'язку з чим даний сигнальний шлях також називають в-катеніновим сигнальним шляхом. За відсутності активуючого сигналу концентрація в-катеніну в ядрі і цитоплазмі підтримується порівняно низькому рівні. Це досягається за допомогою спеціального білкового комплексу «деструкції», що включає білки Axin і APC (adenomatous polyposis coli) і протеїн GSK-3в (glycogen synthase kinase 3в). У складі комплексу в-катенін піддається фосфорилювання, що служить сигналом для його подальшої деградації. Активація канонічного сигнального шляху Wnt пов'язана з утворенням потрійного комплексу, що складається з Wnt-ліганда, рецептора з сімейства Fz корецептора LRP5/6. Формування потрійного комплексу призводить до транслокації на мембрану ряду білків, серед яких Disheveled (Dvl), Axin і GSK-3в, до руйнування комплексу «деструкції» і пригнічення фосфорилювання в-катеніну. Стабілізований в-катенін накопичується в цитоплазмі, після чого транслокується в ядро, де грає роль коактиватора транскрипції TCF/LEF-залежних генів [4].

Wnt/ - сигнальний шлях

-залежний сигнальний шлях, що активується білками Wnt, включає ланцюг подій, пов'язаних зі звільненням іонів з внутрішньоклітинних сховищ. Впізнавання рецептора Fz лігандом Wnt призводить до дисоціації гетеротримерного G-білка на Gб- і Gв/г-субодиниці. Вільний комплекс Gв/г здатний активувати фосфоліпазу С (PLC), яка транслокується на мембрану і гідролізує фосфотіділінозітол (4,5) -біфосфати (PIP2) до інозітол (1,4,5) -трифосфатів (IP3) і діацілгліцеролу (DAG). DAG активує киназу PKC, в той час як IP3 індукує звільнення іонів з внутрішньоклітинних депо. Підвищення рівня цитоплазматичного ,в свою чергу, стимулює -залежні ефекторні молекули. Серед них / кальмодулін-залежна кіназа II (CaMKII), ядерний фактор, асоційований з Т-клітинами (NFAT), і кальцінейрин Вважають, що Wnt/- шлях в основному задіяний в регуляції організації цитоскелету і клітинної рухливості [5].

Шлях клітинної поляризації

Полярність вважається важливою рисою живих організмів. Асиметрична організація компонентів лежить в основі правильного функціонування багатьох систем клітини. Відомо кілька видів полярності. Крім поляризації клітин в апікально-базолатеральному напрямку виділяють також поляризацію в площині одношарового епітелію. Такий вид клітинної організації спочатку був названий тканинною полярністю, а згодом перейменований в планарную клітинну полярність, або РСР (planar cell polarity). Прикладом PCP у комах типу плодової мушки Drosophila melanogaster є визначення напрямку нахилу волосків на крилах.

У ссавців PCP контролює орієнтацію пучків стереоцилій, розташованих на апікальній стороні волоскових клітин слухових сенсорних органів. У забезпеченні і підтримці планарной клітинної полярності задіяний неканонічний Wnt/PCP-сигнальний шлях. Він стимулюється під дією лігандів Wnt7a і Wnt11.

Wnt/PCP-сигнальний шлях контролює активність малих ГТФ-аз Rac і Rho [19]. Rho-залежна гілка сигнального каскаду пов'язана з активацією міозину та Rho-асоційованої кінази ROCK (Rho-associated kinase). Активація відбувається в результаті формування комплексу Dvl-Daam-1 (Dishevelled-associated activator of morphogenesis 1).

Daam-1 входить в сімейство білків формінів, що беруть участь в полімеризації актину. Виступаючи в ролі структурного білка, він опосередковує формування комплексу Dvl з RhoA. Rac-залежний сигнальний каскад пов'язаний з індукцією кіназної активності JNK. На відміну від Rho-залежного він не вимагає участі Daam-1, оскільки мала ГТФ-аза Rac здатна безпосередньо взаємодіяти з Dvl [24] Шлях клітинної поляризації залучений до регуляції процесу модифікації структур актинового цитоскелету, завдяки чому значно впливає на поляризацію і рухливість клітин [6].

Інгибітори Wnt

Доклінічні дослідження показали, що гальмування сигнального шляху Wnt призводить до терапевтичного ефекту в ряді Wnt-залежних пухлин. Розробка протипухлинних сполук зосереджена на інгібуванні 4 частин каскаду: пальмітуванні Wnt-лігандів білком поркупіном (інгібірування секреції), зв'язуванні Wnt-лігандів зі своїми рецепторами і корецепторами, запобігання деактивації деградуючого комплексу та/або транслокації в-катеніну в ядро та зв'язування в-катеніну з іншими компонентами транскрипційного комплексу.

Пригнічення синтезу Wnt - найбільш поширена стратегія зниження активності Wnt-каскаду. Головною перевагою інгібування активності Wnt є низька токсичність. У той час як інші мішені в сигнальному шляху Wnt часто пов'язані з іншими сигнальними шляхами, поркупін специфічно інгібує секрецію Wnt з невеликими побічними ефектами [7].

Недоліками такого підходу є неможливість терапії пухлин з мутаціями, які відбуваються нижче по каскаду, і невибірковість інгібування Wnt-лігандів (Поркупін інгібує секрецію всіх Wnt-лігандів, однак не всі з них мають проонкогенними властивості). Специфічнішою стратегією вважається інгібування рецепторів і корецепторів Wnt. Такий підхід дозволяє придушити активність тільки тих Wnt-лігандів, які сприяють зростанню пухлини, не зачіпаючи інші.

Застосовуються інгібітори рецепторів і корецепторів, а також рецептори-пастки, що зв'язують Wnt-ліганди. Антитіло OMP-18R5 зв'язується з 5-ма з 10-ти Fzd-рецепторів (Fzd1, Fzd2, Fzd5, Fzd7 і Fzd8), кожен з яких регулює канонічний Wnt-сигналінг. У передклінічних випробуваннях OMP-18R5 інгібував зростання ксенографтів, отриманих з пухлин товстої кишки (без мутацій APC або в-катеніну), підшлункової залози, раку легенів і раку молочної залози, як при окремому введенні, так і в комбінації зі стандартними хіміотерапевтичними препаратами, такими як таксол, іринотекан, гемцитабін. Також OMP-18R5 значно знижував туморогенність і частоту ремісії пухлин на моделях тварин, що дозволяє розраховувати на його ефективність проти опухолеініціірующіх клітин [8].

Альтернативним підходом є використання нетоксичного антитіла до Fzd10 - OTSA101. Саме антитіло слабкотоксичне, проте його кон'югат, мічені іттрієм (90Y), має виражений протипухлинний ефект в ксенографтної моделі. Ряд інгібіторів запобігає взаємодії Dvl з рецепторами Fzd: інгібітори взаємодії Pzd домену Dvl з Fzd -інгібують цей сигнальний шлях і уповільнюють ріст пухлинних клітин в культурі.

Існує ряд малих молекул спрямованих проти де градуючого комплексу. Великий клас потенційних протипухлинних агентів стабілізує аксин-1 через інгібування ферментів танкірази, які стимулюють його протеосомну деградацію. Інгібування танкірази призводить до стабілізації деградируючого комплексу і деградації в-катеніну навіть при мутаціях APC. Ряд цих молекул, такі як XAV-939, JW-55 і IWR, добре вивчені в пухлинних та предклінічних моделях, вони викликають зупинку проліферації в-катенінзалежних пухлин. Незважаючи на це, жоден інгібітор танкірази не перебуває у клінічних випробуваннях. Причинами цього, швидше за все, є низький терапевтичний індекс і висока токсичність для шлунково-кишкового тракту, що призводять до порушення проліферації стовбурових клітин кишечника, запалення і навіть некрозу.

Інактивація експресії генів білків-інгібіторів сигнального шляху Wnt поширена в різних пухлинах і призводить до активації каскаду. Використання демитилюючих агентів дозволяє реактивувати промотори таких генів і придушити активність сигнального шляху Wnt в клітинах. Взаємодія в-катеніну з партнерами в транскрипційному комплексі також вважається мішенню для протипухлинної терапії. Відомо кілька класів молекул, які запобігають зв'язування в-Катенін з TCF7L2 і одночасно пригнічують ріст в-катенінзалежних ліній і ксенографтів, проте багато з цих молекул не володіють достатньою селективністю, і жодну з них не тестували клінічно. Найбільш добре вивченим є інгібування взаємодії кофактора транскрипції CREB-зв'язуючого білка з в-Катенін за допомогою малоймолекули PRI-724 [7].

Висновок

Wnt є одним з найважливіших сигнальних шляхів в клітині, необхідним для нормального ембріонального розвитку, диференціювання, підтримки фенотипу стовбурових клітин, визначення полярності клітини і міграції.

Сигнальний шлях Wnt представляє собою складний ланцюг внутрішньоклітинних взаємодій. Він має важливе значення як для формування і дозрівання ракових клітин. В останні роки значно прискорилося вивчення ролі сигнального шляху Wnt в канцерогенезі, проводяться клінічні випробування перших терапевтичних з'єднань - інгібіторів Wnt. Однак впровадження цих агентів в клінічну практику часто обмежене високою токсичністю препаратів для нормальних тканин і недостатністю власне інгібування Wnt для гальмування росту пухлин.

Список використаної літератури

Wnt proteins are lipid-modified and can act as stem cell growth factors./ Willert K., Brown J.D., Danenberg E. et al. // Nature - 2003. -№423(6938) -

Р. 448-52.

Monounsaturated fatty acid modification of Wnt protein: its role in Wnt secretion./ Takada R., Satomi Y., Kurata T. et al. // Dev Cell. - 2006. -№11б Vol. 6. - P. 791-801.

Tetsu O., McCormick F. Beta-catenin regulates expression of cyclin D1 in colon carcinoma cells/ O. Tetsu, F. McCormick // Nature - 1999. -№398. -

Р. 422-426.

Clevers H. Wnt/beta-catenin signaling in development and disease./ Clevers H. // Cell - 2006. - № 127. - Р. 469-480.

Weeraratna A.T. A Wnt-er wonderland--the complexity of Wnt signaling in melanoma./ Weeraratna A.T// Cancer Metastasis Rev. - 2005. - №24. Vol. 2. - P. 237-250

Seifert J.R., Mlodzik M. Frizzled/PCP signalling: a conserved mechanism regulating cell polarity and directed motility. Nat Rev Genet 2007; 8(2): 126-138.

Размещено на Allbest.ru