Ұяшық жолдары: Молекулалық сигналдар мен даму процестеріндегі рөлі

Нотич жолдары – жануарлардың көпшілігінде кездесетін жасуша сигналдау жүйесі. Нейрогенез бен жасуша дифференциациясында маңызды рөл атқарады.

16 мин оқу

100%

Дереккөз: Notch signaling pathway — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Молекулалық сигналдар сериясы. Нотч сигналды жолы – көптеген жануарларда кездесетін жоғары сақталған жасушалық сигналды жүйе. Сүтқоректілерде төрт түрлі Нотч рецепторы бар, олар NOTCH1, NOTCH2, NOTCH3 және NOTCH4 деп аталады. Нотч рецепторы – бір рет мембранадан өтетін трансмембраналық рецептор ақуызы. Ол үлкен жасушадан тыс бөліктен және кальцийге тәуелді, ковалентті емес байланыс арқылы кішкентай жасушадан тыс аймақтан, бір рет мембранадан өтуден және кішкентай жасушаішілік аймақтан тұратын Нотч ақуызының кіші бөлігімен байланысатын гетероолигомер болып табылады. Нотч сигнализациясы нейрогенез кезінде жасушалардың көбеюін күшейтеді, ал оның активтілігі нейрондық дифференциацияны ынталандыру үшін Numb арқылы тежеледі. Ол эмбриондық дамуды реттеуде маңызды рөл атқарады. Көптеген қатерлі ісіктерде Нотч сигнализациясы бұзылады, және Нотч сигнализациясының дұрыс жұмыс істемеуі Т-жасушалы жедел лимфобласты лейкоз (ТЖЛЛ), субкортикальды инфаркттар мен лейкоэнцефалопатиясы бар церебральді аутосомалық доминантты артериопатия (CADASIL), көптеген склероз, Фалло тетрадасы және Алагиль синдромы сияқты көптеген ауруларға себеп болады. Нотч сигнализациясын тежеу, мәдени өршілген жасушаларда да, егеуқұйрықтарда да Т-жасушалы жедел лимфобласты лейкоздың көбеюін тежейді.

Ашылу

1914 жылы Джон С. Декстер жеміс шырыны Drosophila melanogaster-дың қанатында ойық пайда болғанын байқады. 1917 жылы американдық эволюциялық биолог Томас Хант Морган геннің аллельдерін анықтады. Оның молекулалық талдауы мен секвенирлеуі 1980-ші жылдары Спирос Артаванис Цаконас және Майкл У. Янг дербес түрде жүргізді. Даму фенотиптеріне: lin 12 және glp 1 негізделген C. elegans-тың екі Notch генінің аллельдері анықталды. Ива Гринвальд Drosophila Notch-пен бір уақытта lin 12 клонының және оның ішінара секвенирленген тізбегін жариялады.

Механизм

Notch ақуызы жасуша мембранасын кесіп өтеді, бір бөлігі жасушаның ішінде, екінші бөлігі сыртында орналасқан. Клетка сыртындағы доменге байланысатын лиганд ақуыздары протеолитикалық кесілуді және жасуша ішіндегі доменнің босатылуын тудырады, ол ген экспрессиясын өзгерту үшін жасуша ядросына еніп, гендердің транскрипциясын белсендіреді. Бұл кесілу моделі алғаш рет 1993 жылы Drosophila Notch және C. elegans lin 12 бойынша жүргізілген жұмыстар негізінде ұсынылды, бұл зерттеулер адам Notch генінің алғашқы онкогендік мутациясына байланысты болды. 1998 жылы Гари Струлдың Drosophila-дағы және Рафаэль Копанның жасуша мәдениетіндегі in vivo талдаулары осы модельге нақты дәлелдер келтірді. Бұл модель бастапқыда күмәндалғанмен, рецептор әдетте тікелей жасушадан жасушаға қатынас арқылы белсендіріледі, онда тікелей байланыстағы жасушалардың трансмембраналық ақуыздары Notch рецепторына байланысатын лигандтар құрайды. Notch байланысы жасушалар тобына өзін-өзі ұйымдастыруға мүмкіндік береді, егер бір жасуша белгілі бір қасиетті көрсетсе, онда жасушааралық Notch сигналы арқылы көрші жасушаларда бұл қасиет өшірілуі мүмкін. Осылайша жасушалар бір-біріне әсер ете отырып, ірі құрылымдар құрайды. Сондықтан, бүйірлік тежеу механизмдері Notch сигналдауының кілті болып табылады. lin 12 және Notch жасуша тағдырының екібағытты шешімдерін анықтауда, ал бүйірлік тежеу бастапқы айырмашылықтарды күшейту үшін кері байланыс механизмдерін қамтиды. Drosophila және C. elegans даму кезінде жасуша тағдырын анықтауда олардың қатысы бар екені анықталды. Notch-тың жасуша ішіндегі домені CBF1 және Mastermind-пен кешен құрап, мақсатты гендердің транскрипциясын белсендіреді. Бұл кешеннің құрылымы анықталды.

Жол

Нотч рецепторының жетілуі Голги аппаратындағы жасушаішілік тасымалдау кезіндегі болашақ жасушадан тыс жағында кесілуді қамтиды. Бұл үлкен жасушадан тыс домені кішкентай трансмембраналық және жасушаішілік доменмен байланысқан екі бөліктен тұратын ақуызға әкеледі. Лигандтың байланысуы екі протеолитикалық өңдеу оқиғасын тудырады; протеолиз нәтижесінде жасушаішілік домен босатылып, ДНК байланыстыратын басқа ақуыздармен байланысып, ген экспрессиясын реттеу үшін ядроға енуі мүмкін. Нотч және оның көптеген лигандтары трансмембраналық ақуыздар болып табылады, сондықтан лигандтарды экспрессиялейтін жасушалар, сигнал беру үшін нотч экспрессиялейтін жасушамен тікелей жанасуы керек. Нотч лигандтары да бір реттік трансмембраналық ақуыздар болып табылады және DSL (Delta/Serrate/LAG 2) ақуыздар отбасының мүшелері. Drosophila melanogaster (жеміс шыбынында) Delta және Serrate деп аталатын екі лиганд бар. Сүтқоректілерде оларға сәйкес Delta-ға ұқсас және Jagged деген аттар берілген. Сүтқоректілерде Delta-ға ұқсас және Jagged лигандтары, сондай-ақ F3/контактин сияқты басқа да көптеген лигандтар бар. Мысалы, Notch 1-де осындай қайталанудың 36-сы бар. Әр EGF-ге ұқсас қайталану шамамен 40 аминқышқылынан тұрады және оның құрылымы көбінесе үш консервацияланған дисульфидтік байланыстарды құрайтын алты консервацияланған цистеин қалдықтарымен анықталады. Әр EGF-ге ұқсас қайталану белгілі бір орындарда O-байланысты гликанмен модификациялануы мүмкін. Бірінші және екінші консервацияланған цистеиндер арасында O-глюкоза қанты, ал екінші және үшінші консервацияланған цистеиндер арасында O-фукоза қанты қосылуы мүмкін. Бұл қанттар әлі анықталмаған O-глюкозилтрансфераза (Rumi-ден басқа) және GDP-фукоза ақуыз O-фукозилтрансфераза 1 (POFUT1) арқылы қосылады. POFUT1 арқылы O-фукозаның қосылуы нотч функциясы үшін қажетті, ал O-фукозаны қосатын фермент болмаса, барлық нотч ақуыздары дұрыс жұмыс істемейді. Қазірге дейін гликозилдеудің функцияға қалай әсер ететіні толыққанды түсініксіз. Notch-тағы O-глюкоза ксилозилтрансферазалар арқылы екі ксилоза қантын қосып трисахаридке дейін ұзартылуы мүмкін, ал O-фукоза Fringe деп аталатын N-ацетилглюкозаминилтрансфераза арқылы N-ацетилглюкозамин (GlcNAc) қантын, галактозилтрансфераза арқылы галактозаны және сиалилтрансфераза арқылы сиал қышқылын қосып тетрасахаридке дейін ұзартылуы мүмкін. Күрделілікті арттыру үшін сүтқоректілерде үш Fringe GlcNAc трансферазасы бар: lunatic fringe, manic fringe және radical fringe. Бұл ферменттер нотч сигналдауына "шекаралық эффект" деп аталатын әсер етеді. Егер Fringe O-фукоза қантына GlcNAc қосса, онда галактоза мен сиал қышқылы да қосылады. Бұл тетрасахарид болғанда, нотч Delta лигандымен өзара әрекеттескенде күшті сигнал береді, бірақ Jagged лигандымен өзара әрекеттескенде сигнал беруі айтарлықтай төмендейді. Бұл қант қосылуының бір лиганд арқылы сигнал беруді тежеуі және екіншісі арқылы күшейтуінің механизмі толыққанды түсініксіз. Жасушадан тыс домен лигандпен өзара әрекеттескеннен кейін ADAM отбасылық металлопротеаза ADAM10 нотч ақуызын мембранадан сыртқы жағында кесіп тастайды. Бұл лигандпен өзара әрекеттесуді жалғастыратын жасушадан тыс бөлігін (NECD) босатады. Лиганд пен жасушадан тыс домен енді лиганд экспрессиялейтін жасушамен эндоцитоз арқылы сіңіріледі. Эндоцитоз кезінде лиганд экспрессиялейтін жасушада сигнал беру әсерлері болуы мүмкін; нотч сигналдауының бұл бөлігі қазіргі таңда зерттеулердің тақырыбы болып табылады. Бұл алғашқы кесілуден кейін γ-секретаза (Альцгеймер ауруымен байланысты) нотч экспрессиялейтін жасушаның жасушалық мембранасының ішкі қабатында нотч ақуызының қалған бөлігін кесіп тастайды. Бұл нотч ақуызының жасушаішілік доменін (NICD) босатады, ол кейін ядроға жылжып, транскрипция факторы CSL-ді белсендіргенде ген экспрессиясын реттей алады. Бастапқыда бұл CSL ақуыздары нотч мақсатты транскрипциясын тежейді деп есептелген. Алайда, одан әрі зерттеулер жасушаішілік домен кешенге байланысқанда, ол репрессордан транскрипцияның активаторына ауысатынын көрсетті. Басқа ақуыздар да нотч сигналды каскадының жасушаішілік бөлігіне қатысады.

Maturation of the notch receptor involves cleavage at the prospective extracellular side during intracellular trafficking in the Golgi complex. This results in a bipartite protein, composed of a large extracellular domain linked to the smaller transmembrane and intracellular domain. Binding of ligand promotes two proteolytic processing events; as a result of proteolysis, the intracellular domain is liberated and can enter the nucleus to engage other DNA binding proteins and regulate gene expression. Notch and most of its ligands are transmembrane proteins, so the cells expressing the ligands typically must be adjacent to the notch expressing cell for signaling to occur. The notch ligands are also single pass transmembrane proteins and are members of the DSL (Delta/Serrate/LAG 2) family of proteins. In Drosophila melanogaster (the fruit fly), there are two ligands named Delta and Serrate. In mammals, the corresponding names are Delta like and Jagged. In mammals there are multiple Delta like and Jagged ligands, as well as possibly a variety of other ligands, such as F3/contactin. Notch 1, for example, has 36 of these repeats. Each EGF like repeat is composed of approximately 40 amino acids, and its structure is defined largely by six conserved cysteine residues that form three conserved disulfide bonds. Each EGF like repeat can be modified by O linked glycans at specific sites. An O glucose sugar may be added between the first and second conserved cysteines, and an O fucose may be added between the second and third conserved cysteines. These sugars are added by an as yet unidentified O glucosyltransferase (except for Rumi), and GDP fucose Protein O fucosyltransferase 1 (POFUT1), respectively. The addition of O fucose by POFUT1 is absolutely necessary for notch function, and, without the enzyme to add O fucose, all notch proteins fail to function properly. As yet, the manner by which the glycosylation of notch affects function is not completely understood. The O glucose on notch can be further elongated to a trisaccharide with the addition of two xylose sugars by xylosyltransferases, and the O fucose can be elongated to a tetrasaccharide by the ordered addition of an N acetylglucosamine (GlcNAc) sugar by an N Acetylglucosaminyltransferase called Fringe, the addition of a galactose by a galactosyltransferase, and the addition of a sialic acid by a sialyltransferase. To add another level of complexity, in mammals there are three Fringe GlcNAc transferases, named lunatic fringe, manic fringe, and radical fringe. These enzymes are responsible for something called a "fringe effect" on notch signaling. If Fringe adds a GlcNAc to the O fucose sugar then the subsequent addition of a galactose and sialic acid will occur. In the presence of this tetrasaccharide, notch signals strongly when it interacts with the Delta ligand, but has markedly inhibited signaling when interacting with the Jagged ligand. The means by which this addition of sugar inhibits signaling through one ligand, and potentiates signaling through another is not clearly understood. Once the notch extracellular domain interacts with a ligand, an ADAM family metalloprotease called ADAM10, cleaves the notch protein just outside the membrane. This releases the extracellular portion of notch (NECD), which continues to interact with the ligand. The ligand plus the notch extracellular domain is then endocytosed by the ligand expressing cell. There may be signaling effects in the ligand expressing cell after endocytosis; this part of notch signaling is a topic of active research. After this first cleavage, an enzyme called γ secretase (which is implicated in Alzheimer's disease) cleaves the remaining part of the notch protein just inside the inner leaflet of the cell membrane of the notch expressing cell. This releases the intracellular domain of the notch protein (NICD), which then moves to the nucleus, where it can regulate gene expression by activating the transcription factor CSL. It was originally thought that these CSL proteins suppressed Notch target transcription. However, further research showed that, when the intracellular domain binds to the complex, it switches from a repressor to an activator of transcription. Other proteins also participate in the intracellular portion of the notch signaling cascade.

Лиганд өзара іс-қимылдары

Notch сигналдауы жасуша бетіндегі Notch рецепторлары қарсы жасушаларда транс түрінде ұсынылған лигандтармен байланысқанда басталады. Notch клеткадан тыс доменінің үлкен өлшеміне қарамастан, EGF 11 және 12 домендері Deltaмен өзара әрекеттесудің маңызды детерминанттары екені көрсетілген. Қосымша зерттеулер лигандты байланыстыруда EGF11 12 домендерінен тыс аймақтардың да қатысатындығын көрсетті. Мысалы, Notch EGF домені 8 Serrate/Jagged-ті таңдаулы тануда рөл атқарады, ал лигандты стимуляциялау кезінде максималды сигнал беру үшін 6-15 EGF домендері қажет. Notch1 және Delta-like 4 (Dll4) өзара әрекеттесетін аймақтарының кристалдық құрылымы Notch лигандтарының өзара әрекеттесуін молекулалық деңгейде визуализациялады және лигандтардың N-терминалды MNNL (немесе C2) және DSL домендері сәйкесінше Notch EGF 12 және 11 домендеріне байланысатынын анықтады. Notch1 Dll4 құрылымы сондай-ақ лигандтарды тануда Notch O-байланысты фукоза мен глюкозаның тікелей рөлін көрсетті және гликан арқылы Notch сигналдауын реттеудің құрылымдық механизмын түсіндірді. Ерекше айта кететін жайт, бұл жүйе бірнеше синтетикалық жолдарды жасушаға параллель түрде енгізуге мүмкіндік береді.

Эмбриогенездегі рөлі

Notch сигналды жолы жасушалар аралық қарым-қатынаста маңызды рөл атқарады және ұрықтық дамуды реттейді.

Эмбрионның полярлығы

Полярлықты реттеуде кесік (Notch) сигнализациясы қажет. Мысалы, мутациялық тәжірибелер Нотч сигнализациясының жоғалуы соматтардың бұрыс алдыңғы-арқалық полярлығын тудыратынын көрсетті. Сонымен қатар, омыртқалы жануарларда сол-оң асимметриясын анықтау кезінде Нотч сигнализациясы қажет. Нематода моделі C. elegans бойынша жасалған алғашқы зерттеулер Нотч сигнализациясының мезодерманы индукциялауда және жасуша тағдырын анықтауда маңызды рөл атқаратынын көрсетеді. C. elegans барысында GLP-1, C. elegans Notch гомологы, APX-1, C. elegans Delta гомологымен өзара әрекеттеседі. Бұл белгілі бір бластомерлер арасындағы сигнализация жасуша тағдырының дифференциациясын тудырады және арқалық-қарнылық осін қалыптастырады.

Сомитогенездегі рөлі

Нотч сигналдауы сомитогенездің орталық механизмі болып табылады. 1995 жылы Notch1 егеуқұйрықтарда соматтардың сегментациясын үйлестіруде маңызды екені көрсетілді. Келесі зерттеулер сегментация сағатында Нотч сигналдауының қызметін анықтады. Бұл зерттеулер Нотч сигналдауының негізгі функциясы жеке жасушаға емес, жасушалық сағаттарды үйлестіруге және синхронды ұстауға бағытталған деген гипотезаны ұсынды. Бұл гипотеза сегментацияның дамуында Нотч сигналдауының рөлін түсіндірді және егеуқұйрықтар мен зебрабалықта жүргізілген тәжірибелермен қолдау тапты. Алдыңғы/артқы полярлықтың жоғалуымен қатар аномальды сомитогенезді көрсететін Delta1 мутантты егеуқұйрықтармен жасалған тәжірибелер, сомит шекараларын сақтау үшін де Нотч сигналдауы қажет екенін көрсетті.

Эпидермалық дифференциациядағы рөлі

Ішкі сигнал беру терінің ерте даму кезеңіндегі бірінші эпидерма қабаттарындағы кірпікшелі, дифференциацияланатын жасушалардың ішінде болады. Бұған қоса, пресенилин 2 ARF4-пен бірге жұмыс істеп, осы даму кезінде Notch сигналдауын реттейтіні анықталды. Дегенмен, гамма секретазаның Notch сигналдауын модуляциялауда тікелей немесе жанама рөлі бар-жоғы әлі анықталған жоқ.

Орталық жүйке жүйесінің дамуы мен қызметіндегі рөлі

Орталық нерв жүйесінің (ОНЖ) дамуындағы Notch сигналдауына қатысты алғашқы зерттеулер негізінен Drosophila-да мутагенез эксперименттері арқылы жүргізілді. Мысалы, Drosophila-да эмбриондық өлімге әкелетін фенотип Notch дисфункциясымен байланысты екендігі анықталды, бұл Notch мутациялары Drosophila-ның ерте эмбриондарында нейрондық және эпидермалық жасушалардың бөлінуіне кедерілтуі мүмкін екендігін көрсетті. Соңғы он жылда мутациялық және нокаут техникасының жетістіктері сүтқоректілер модельдерінде, әсіресе кеміргіштерде Notch сигналды жолын зерттеуге мүмкіндік берді. Notch сигналды беру жолы негізінен нейрондық аталық жасушаларын (NPC) сақтау және өзін-өзі жаңарту үшін маңызды болып табылды. Жақында Notch жолының басқа да функциялары табылды, оның ішінде глиальды жасушалардың қалыптасуы, нейриттердің дамуы, сондай-ақ оқу және жад сияқты функциялар.

Нейрон жасушаларының дифференциациясы

Нотч жолы дамушы мидағы нейрондық шектеуші жасушаларды (NPC) сақтау үшін маңызды. Бұл жолды белсендіру NPC-лерді көбейіп тұру күйінде ұстап тұруға жеткілікті, ал жолдың негізгі компоненттеріндегі бұзылулар ерте нейрондық дифференциациялануға және NPC-лердің азаюына себеп болады. Керісінше, фибробласт өсу факторы жолы ми қабығының дің жасушаларын көбейіп тұру күйінде ұстау үшін Нотч сигнализациясын күшейтеді, бұл қабық бетінің кеңеюін және потенциалды гирификацияны реттейтін механизмге тең. Осылайша, Нотч сигнализациясы NPC-лердің өзін-өзі жаңаруын және жасуша тағдырын анықтауды бақылайды. Аминқышқылының 727-ші позициясындағы серин қалдығында STAT3-тің фосфорилирленуі және одан кейінгі Hes3 экспрессиясының жоғарылауын қамтитын (STAT3 Ser/Hes3 сигнализация осі) Нотч сигнализация жолының канонды емес тармағы, мәдениеттегі және ересек кеміргіштердің миындағы NPC санын реттейді. Ересек кеміргіштерде және жасуша мәдениетінде Notch3 нейрондық дифференциацияны ынталандырады, бұл Notch1/2-ге қарама-қарсы рөл атқарады. Бұл жеке Нотч рецепторларының жасушалық контекстке байланысты әртүрлі функцияларды атқаруға қабілетті екенін көрсетеді.

Нейрит дамуы

In vitro зерттеулер Notch нейриттердің дамуына әсер ететінін көрсетеді, ал Numb жойылғанда сезімдік ганглияларда аксондардың тармақталуы бұзылады. Бұл құбылыстың механизмі толыққанды түсініксіз болғанымен, осы нәтижелер бірлесіп Notch сигналдауының нейронның пісіп-жетілуінде маңызды рөл атқаруы мүмкін екенін ұсынады.

Глиогенез

Глиогенезде Нотч көптеген глиальды жасушалардың субтиптерінің дифференциациясын тікелей ынталандыратын нұсқаулық рөл атқаратын сияқты. Даму функцияларынан өзге, Notch ақуыздары мен лигандтары ересектердің орталық жүйке жүйесі жасушаларында экспрессияланады, бұл өмір бойында орталық жүйке жүйесінің пластикалық қабілетіндегі рөлін көрсетеді. Notch1 немесе Cbf1 мутациялары бойынша гетерозиготалық ересек тышқандарда кеңістіктік оқыту және есте сақтау қабілеттерінің жетіспеушілігі байқалады. Альцгеймер ауруы және жеңіл когнитивтік бұзылыстармен (МКИ) ауыратын науқастарда адамдар арасында клиникалық сынақтардан өткен бірнеше гамма-секретаза ингибиторлары, бақылау тобымен салыстырғанда танымдық қабілеттің статистикалық тұрғыдан айтарлықтай нашарлауына алып келді, бұл Нотч сигналдауына туындаған кездейсоқ әсерінен деп саналады.

Жүрек-қан тамырларының дамуындағы рөлі

Notch сигналды жолы жүрек-қан тамырларының қалыптасуы мен морфогенезіндегі маңызды құрамдас бөлік болып табылады, бұл процестер даму кезеңінде де, ауруларда да жүзеге асады. Ол жаңа тамырлар өсуі кезінде эндотелийлік ұш және сабақ жасушаларын таңдау үшін қажет.

Жүрек дамуы

Нотч сигналды жолы кем дегенде үш жүрек даму процесінде маңызды рөл атқарады: атриовентрикулярлық каналдың қалыптасуы, миокардтың дамуы және жүрек шығу жолының (ОФТ) қалыптасуы.

Атриовентрикулярлық (АВ) каналдың дамуы

АВ шекарасының қалыптасуы Нотч сигнализациясы АВ канал мен камералық миокард арасындағы атриовентрикулярлық шекараның қалыптасуын реттей алады. Зерттеулер көрсеткендей, Нотч жолының функциясының жоғалуы да, күшеюі де АВ каналының дамуында ақауларға әкеледі. АВ эпителий-мезенхималық өту (ЭМӨ) Нотч сигнализациясы АВ каналының жетілуіне қажетті ЭМӨ процесі үшін де маңызды. АВ каналының шекарасы қалыптасқаннан кейін, АВ каналды жабатын эндокардиалдық жасушалардың бір бөлігі миокардтан шығатын сигналдармен және эндокардиальдық ішкі сигналдық жолдар арқылы ЭМӨ процесінен өтеді. Нотч бұл процесті матрицалық металлопротеиназа2 (ММР2) экспрессиясын белсендіру арқылы немесе АВ каналы эндокардиосында тамыр эндотелийлік (VE) кадерин экспрессиясын тежеу арқылы, сондай-ақ VEGFR2 арқылы VEGF жолын басу арқылы реттеуі мүмкін. RBPJk/CBF1 нысаналы мутанттарда жүрек клапандарының дамуы күрт бұзылады, бұл эндокардтың жетілмеуі мен сигнал берудің нәтижесі болуы мүмкін. Тышқанның эмбриондық сақталған жасушаларындағы зерттеулер кардиомиогендік міндеттеме мен дифференциация үшін Нотч сигнализациясын тежеу қажет екенін көрсетеді. Миокардтың ерекшеленуінен кейін қарынша эндокардындағы белсенді Нотч сигнализациясы дұрыс трабекулалардың дамуы үшін қажет, ол BMP10, NRG1 және EphrinB2 экспрессиясын реттеу арқылы жүзеге асырылады. Бұл мәселелер сондай-ақ зебра балығында да байқалады. Нотч және Wnt сигнализациясы арасында реттеуші сәйкестік болуы мүмкін, онда Wnt экспрессиясының жоғарылауы Нотч сигнализациясын төмендетіп, қарыншалық кардиомиоциттердің көбеюін тежейді. Бұл көбеюдің тоқтатылуын Wnt ингибиторларын қолдану арқылы қалпына келтіруге болады. Нотч сигнализациясының төменгі ағындағы эффекторы HEY2 қарынша дамуын реттеуде маңызды екені дәлелденді, оның интервентрикулярлық септумдағы және жүрек жазғыштарының эндокардиалдық жасушаларындағы экспрессиясы арқылы. Кардиомиоциттер мен тегіс бұлшық ет жасушаларындағы HEY2 жоюы жүрек жиырылуының бұзылуына, оң қарыншаның деформациясына және қарыншалық септік ақауларына әкеледі.

AV boundary formation Notch signaling can regulate the atrioventricular boundary formation between the AV canal and the chamber myocardium. Studies have revealed that both loss and gain of function of the Notch pathway results in defects in AV canal development. AV epithelial mesenchymal transition (EMT) Notch signaling is also important for the process of AV EMT, which is required for AV canal maturation. After the AV canal boundary formation, a subset of endocardial cells lining the AV canal are activated by signals emanating from the myocardium and by interendocardial signaling pathways to undergo EMT. Notch may regulate this process by activating matrix metalloproteinase2 (MMP2) expression, or by inhibiting vascular endothelial (VE) cadherin expression in the AV canal endocardium while suppressing the VEGF pathway via VEGFR2. In RBPJk/CBF1 targeted mutants, the heart valve development is severely disrupted, presumably because of defective endocardial maturation and signaling. and in mouse embryonic stem cells indicate that cardiomyogenic commitment and differentiation require Notch signaling inhibition. Active Notch signaling is required in the ventricular endocardium for proper trabeculae development subsequent to myocardial specification by regulating BMP10, NRG1, and EphrinB2 expression. and zebrafish. A regulatory correspondence likely exists between Notch signaling and Wnt signaling, whereby upregulated Wnt expression downregulates Notch signaling, and a subsequent inhibition of ventricular cardiomyocyte proliferation results. This proliferative arrest can be rescued using Wnt inhibitors. The downstream effector of Notch signaling, HEY2, was also demonstrated to be important in regulating ventricular development by its expression in the interventricular septum and the endocardial cells of the cardiac cushions. Cardiomyocyte and smooth muscle cell specific deletion of HEY2 results in impaired cardiac contractility, malformed right ventricle, and ventricular septal defects.

Жүрекшелердің сыртқа ағып кету жолдарының дамуы

Аорталық арка мен аорталық арка артерияларының даму барысында Notch рецепторлары, лигандтары және мақсаттық гендер ерекше экспрессия үлгісін көрсетеді. Notch жолы бұғатталғанда тамырдың тегіс бұлшық клеткаларының маркерлік экспрессиясын туындату сәтсіз аяқталды, бұл Notch жүрек нейрондық гребені клеткаларының шығу жолының даму кезінде тамыр клеткаларына дифференциациялануына қатысатынын көрсетеді.

Ангиогенез

Эндотелий жасушалары қан тамырларының өсуі кезінде жасушалық мінез-құлықты үйлестіру үшін Notch сигналдық жолын пайдаланады, бұл өсушы ангиогенезге алып келеді. Notch белсенділігі негізінен "жалғаушы" жасушаларда және толыққанды, тұрақты қан тамырларын астарлаған жасушаларда Notch лигандысымен тікелей өзара әрекеттесу арқылы жүзеге асады, ол эндотелий ұш жасушаларында экспрессияланатын Delta-like ligand 4 (Dll4) болып табылады. Эндотелий жасушаларының қозғалуы мен көбеюі үшін маңызды фактор болып табылатын VEGF сигналдауы, белсенді Notch сигналдауы бар жасушаларда Vegf рецептор транскриптісінің деңгейін төмендету арқылы төмендетілуі мүмкін. Notch сигналдауы жоқ балықтың (zebrafish) эмбриондарында барлық эндотелий жасушаларында VEGF3-тің балықтағы гомологы flt4-тің эктопиялық және тұрақты экспрессиясы байқалады, ал Notch белсенділігі оның экспрессиясын толығымен тоқтатады. Ангиогенез кезінде қан тамырларының өсу үлгісін бақылау үшін Notch сигналдауын қолдануға болады. Толыққанды тамыр ішіндегі жасушалар VEGF сигналдауына ұшырағанда, олардың тек шектеулі саны ғана ангиогендік процесті бастайды. Vegf DLL4 экспрессиясын ынталандырады. Өз кезегінде DLL4 экспрессиялайтын жасушалар Notch-ты белсендіру арқылы көрші жасушалардағы Vegf рецепторларын төмендетеді, осылайша олардың дамитын бүршікке қозғалуына кедерес жасайды. Сол сияқты, өсу процесінің өзінде, жалғаушы жасушалардың қозғалу мінез-құлқы бастапқы қан тамырымен толыққанды байланысты сақтау үшін шектелуі керек. Дәлелдерге сүйенсек, Notch сигналдауы екі мүмкін механизм арқылы ортақ прекурсордан эндокриндік жасуша түрлерінің прогрессивті тартылуын реттейді. Бірі – "латеральды тежеу", ол бірдей тағдырды қабылдау мүмкіндігі бар жасушалар арасында кейбір жасушаларды біріншілік тағдырға, ал басқаларын екіншілік тағдырға белгілейді. Латеральды тежеу жасуша тағдырын анықтаудың көптеген түрлері үшін қажет. Бұл жағдайда ол панкреатикалық эпителийдегі эндокриндік жасушалардың шашыраңқы таралуын түсіндіруі мүмкін. Екінші механизм – "басушылық күйін сақтау", ол панкреас дифференциациясындағы Notch сигналдауының рөлін түсіндіреді. Бұл қызметте фибробласт өсу факторы 10 маңызды рөл атқарады деп есептеледі, бірақ толық мәліметтер әлі белгісіз.

Endothelial cells use the Notch signaling pathway to coordinate cellular behaviors during the blood vessel sprouting that occurs sprouting angiogenesis. Activation of Notch takes place primarily in "connector" cells and cells that line patent stable blood vessels through direct interaction with the Notch ligand, Delta like ligand 4 (Dll4), which is expressed in the endothelial tip cells. VEGF signaling, which is an important factor for migration and proliferation of endothelial cells, can be downregulated in cells with activated Notch signaling by lowering the levels of Vegf receptor transcript. Zebrafish embryos lacking Notch signaling exhibit ectopic and persistent expression of the zebrafish ortholog of VEGF3, flt4, within all endothelial cells, while Notch activation completely represses its expression. Notch signaling may be used to control the sprouting pattern of blood vessels during angiogenesis. When cells within a patent vessel are exposed to VEGF signaling, only a restricted number of them initiate the angiogenic process. Vegf is able to induce DLL4 expression. In turn, DLL4 expressing cells down regulate Vegf receptors in neighboring cells through activation of Notch, thereby preventing their migration into the developing sprout. Likewise, during the sprouting process itself, the migratory behavior of connector cells must be limited to retain a patent connection to the original blood vessel. Evidence suggests Notch signaling regulates the progressive recruitment of endocrine cell types from a common precursor, acting through two possible mechanisms. One is the "lateral inhibition", which specifies some cells for a primary fate but others for a secondary fate among cells that have the potential to adopt the same fate. Lateral inhibition is required for many types of cell fate determination. Here, it could explain the dispersed distribution of endocrine cells within pancreatic epithelium. A second mechanism is "suppressive maintenance", which explains the role of Notch signaling in pancreas differentiation. Fibroblast growth factor10 is thought to be important in this activity, but the details are unclear.

Ішек-қарынның дамуы

Бірнеше есепте ішек дамуын реттеуде Notch сигналдауының рөлі көрсетілген. Notch сигналдық жолы элементтеріндегі мутациялар зебрабалықтың даму кезінде ішек жасушаларының бастапқы тағдырын анықтауға әсер етеді. Транскрипциялық талдау және функцияны күшейту эксперименттері Notch сигналдауының ішекте Hes1-ге бағытталғанын және сіңірушілік және секреторлық жасуша тағдыры арасындағы екітаңбалы жасуша тағдырын реттейтінін анықтады. Notch1 мезенхималық конденсация аймағында, содан кейін хондрогенез кезінде гипертрофиялық хондроциттерде экспрессияланады. Notch сигналдауының жоғары экспрессиясы сүйек морфогенетикалық протеині 2-нің остеобласт дифференциациясын тежейді. Жалпы алғанда, Notch сигналдауы мезенхималық жасушалардың остеобласттық тегіне бекінуіне маңызды рөл атқарады және сүйек тінін жаңаруға терапиялық мүмкіндік ұсынады. және барлық Т-ALL жағдайларының кем дегенде 65%-ында мутацияланады. Notch сигналдауы Notch-тың өзіндегі мутациялар, FBXW7 (Notch1-дің теріс регуляторы) мутацияларын инактивациялау арқылы немесе сирек t(7;9)(q34;q34.3) транслокациясы арқылы белсендірілуі мүмкін. Т-ALL контекстінде Notch белсенділігі қосымша онкогендік зақымданулармен, мысалы c-MYC, рибосома және белок биосинтезі сияқты анаболикалық жолдарды белсендіре отырып, лейкемиялық жасушалардың өсуін күшейтеді.

Уротелиялық көкбездің қатерлі ісігі

Нотч белсенділігінің жоғалуы уротелиялық қатерлі ісіктің дамуына ықпал ететін маңызды фактор болып табылады. Бір зерттеуде, тексерілген адамның көк шұлық қатерлі ісігінің 40%-дан астамында Нотч жолының құрауыштарында белсенділігін жоғалтатын мутациялар анықталды. Егешқұйрық модельдерінде Нотч сигналдаудың генетикалық инактивациясы Erk1/2 фосфорилирлеуіне алып келіп, зәр жолдарында ісік пайда болуына себеп болады. Барлық NOTCH рецепторлары уротелиялық көк шұлық қатерлі ісігіне бірдей қатыспағандықтан, бір зерттеудегі сынамалардың 90%-ында NOTCH3 экспрессиясының белгілі бір деңгейі болды, бұл NOTCH3-тің уротелиялық көк шұлық қатерлі ісігінде маңызды рөл атқаратынын көрсетеді. NOTCH3 экспрессиясының жоғары деңгейі жоғары сапалы ісіктерде байқалды, ал оң нәтиже көрсетуінің жоғары деңгейі өлім-жітімнің жоғары тәуекелімен байланысты болды. NOTCH3 нашар нәтижелердің тәуелсіз болжауышы ретінде анықталды. Сондықтан, NOTCH3 уротелиялық көк шұлық қатерлі ісігіне байланысты өлім-жітім тәуекелін анықтау үшін маркер ретінде қолданылуы мүмкін. Сондай-ақ, NOTCH3 экспрессиясы уротелиялық көк шұлық қатерлі ісігімен ауыратын науқастарды клиникалық бақылауда прогностикалық иммуногистохимиялық маркер ретінде пайдалануға болады, бұл науқастарды қысқа уақыт аралығында бақылау цистоскопиясына іріктеу арқылы жекешелендірілген емдеуге көмектеседі.

Кескіні тежегіштер

Көптеген қатерлі ісіктерде Notch сигналдауының қатысуы, қатерлі ісіктерді емдеу үшін Notch ингибиторларын (әсіресе гамма-секретаза ингибиторларын) зерттеуге алып келді, олар клиникалық сынақтардың әртүрлі кезеңдерінде жүріп жатыр. Кем дегенде 7 Notch ингибиторы клиникалық сынақтарда болды. MK 0752 сүт безі қатерлі ісігіне қатысты алғашқы клиникалық сынақта үміттендірерлік нәтижелер көрсетті. Клиникалық алдындағы зерттеулер гамма-секретаза ингибиторларының эндометриоз кезінде пайдалы әсерін көрсетті, бұл ауру Notch жолының құрамдас бөліктерінің экспрессиясының жоғарылауымен сипатталады. Бірнеше Notch ингибиторлары, соның ішінде гамма-секретаза ингибиторы LY3056480, кохлеадағы шашты клеткаларды жаңарту мүмкіндігі зерттелуде, бұл есту қабілетінің жоғалуы мен құлақтағы шуды (тиннитус) емдеуге әкелуі мүмкін.

Математикалық модельдеу

Notch Delta сигналдауындағы математикалық модельдеу, жасушалардың өзара әрекеттесуі арқылы қалыптасатын үлгілерді түсінуде, әсіресе бүйірлік тежеу механизмдері контекстінде, маңызды құралға айналды. Осы саланың негізгі моделі болып табылатын Коллиер моделі, көршілес жасушалар арасындағы кері байланыс циклін сипаттау үшін байланысты қарапайым дифференциалдық теңдеулер жүйесін пайдаланады. Модель теңдеулермен анықталады:

мұнда және жасушадағы Notch және Delta белсенділігінің деңгейін көрсетеді. және функциялары әдетте Хилл функциялары болып табылады, бұл сигнал беру процесінің реттеу динамикасын көрсетеді. термині жасушаға жақын жасушалардағы Delta белсенділігінің орташа деңгейін білдіреді, дюстакриндік сигнализацияның әсерін ескере отырып. Модельдің жаңа кеңейтімдері алыс қашықтықтағы сигнал беруді қамтиды, бұл көршілес емес жасушаларға жететін филоподиялар (цитонемалар) сияқты жасушалардың проторуссияларының ролін мойындайды. Көбінесе Коллиер моделі деп аталатын бір кеңейтілген модель, Notch Delta сигналдауының математикалық модельдеуі биологиялық жүйелерде бүйірлік тежеу механизмдері мен үлгілердің қалыптасуы туралы маңызды түсініктер береді. Ол жасушалардың өзара әрекеттесуінің вариацияларын түсінуді жақсартады, нәтижесінде әртүрлі тіндердің құрылымы пайда болады, даму биологиясына үлес қосады және Notch Delta дисрегуляциясына байланысты аурулардағы әлеуетті емдік жолдарды ұсынады.