Введение
Форма локализованной клеточной сигнализации
В клеточной биологии паракринная сигнализация – это форма клеточной сигнализации, тип клеточной коммуникации, при котором клетка производит сигнал, чтобы вызвать изменения в близлежащих клетках, изменяя их поведение. Сигнальные молекулы, известные как паракринные факторы, диффундируют на относительно короткое расстояние (локальное действие), в отличие от клеточной сигнализации эндокринными факторами – гормонами, которые перемещаются на значительно большие расстояния через кровеносную систему; юксакриновых взаимодействий; и автокринной сигнализации. Клетки, производящие паракринные факторы, секретируют их в непосредственное внеклеточное пространство. Затем факторы перемещаются к соседним клеткам, где градиент полученного фактора определяет исход. Однако точное расстояние, на которое могут распространяться паракринные факторы, остается неясным. Несмотря на то, что паракринная сигнализация вызывает разнообразные реакции в индуцированных клетках, большинство паракринных факторов используют относительно унифицированный набор рецепторов и сигнальных путей. Фактически, различные органы в организме, даже у разных видов, используют схожие наборы паракринных факторов в дифференциальном развитии. Высококонсервативные рецепторы и пути можно организовать в четыре основных семейства на основе сходного строения: семейство факторов роста фибробластов (FGF), семейство Hedgehog, семейство Wnt и суперсемейство TGF β. Связывание паракринного фактора с соответствующим рецептором запускает каскады передачи сигнала, вызывая различные ответы.
Паракриновые факторы стимулируют компетентных ответчиков
Для того чтобы паракриновые факторы успешно индуцировали ответ в принимающей клетке, эта клетка должна обладать соответствующими рецепторами на клеточной мембране для восприятия сигналов, то есть быть компетентной. Кроме того, реагирующая клетка должна также быть способна к механистической индукции.
Семья факторов роста фибробластов (FGF)
Хотя семейство паракриновых факторов FGF обладает широким спектром функций, основные данные подтверждают, что они прежде всего стимулируют пролиферацию и дифференцировку. Для выполнения множества различных функций FGF могут подвергаться альтернативному сплайсингу или даже иметь разные кодоны инициации, что приводит к образованию сотен различных изоформ FGF. Одной из важнейших функций рецепторов FGF (FGFR) является участие в развитии конечностей. Этот процесс передачи сигналов включает девять различных альтернативно сплайсированных изоформ рецептора. Fgf8 и Fgf10 – два ключевых фактора в развитии конечностей. При инициации развития передних конечностей и росте конечностей у мышей, продольные сигналы из промежуточной мезодермы индуцируют Tbx5, который, в свою очередь, передает сигнал той же мезодерме для продукции Fgf10. Fgf10 затем сигнализирует эктодерме, запуская выработку Fgf8, что также стимулирует продукцию Fgf10. Делеция Fgf10 приводит к рождению мышей без конечностей. Кроме того, паракринная передача сигналов Fgf необходима для развития глаза у цыплят. мРНК fgf8 локализуется в области, которая дифференцируется в нейронную сетчатку зрительного пузырька. Эти клетки контактируют с наружной эктодермой, которая в конечном итоге формирует хрусталик. Связывание FGF с FGFR фосфорилирует неактивную киназу и активирует RTK-путь. Этот путь начинается на поверхности клеточной мембраны, где лиганд связывается со своим специфическим рецептором. Лиганды, связывающиеся с RTK, включают факторы роста фибробластов, эпидермальные факторы роста, факторы роста, полученные из тромбоцитов, и фактор стволовых клеток. Адапторный белок (например, SOS) распознает фосфорилированный тирозин на рецепторе. Этот белок функционирует как мост, соединяющий RTK с промежуточным белком (например, GNRP), запуская внутриклеточный каскад сигнализации. В свою очередь, промежуточный белок стимулирует переход GDP-связанного Ras в активированную GTP-связанную форму. GAP в конечном итоге возвращает Ras в неактивное состояние. Активация Ras может инициировать три сигнальных пути ниже по течению от Ras: Ras→Raf→MAP-киназный путь, PI3-киназный путь и Ral-путь. Каждый из этих путей приводит к активации факторов транскрипции, которые проникают в ядро, изменяя экспрессию генов.
Ректорецепторы RTK и рак
Было показано, что паракринная сигнализация факторов роста между соседними клетками усиливает канцерогенез. Более того, мутантные формы одного RTK могут играть причинную роль в развитии самых разных типов рака. Протоонкоген Kit кодирует рецептор тирозинкиназы, лигандом которого является паракринный белок, называемый фактором стволовых клеток (SCF), играющим важную роль в гематопоэзе (образовании клеток крови). Рецептор Kit и связанные с ним рецепторы тирозинкиназы фактически являются ингибирующими и эффективно подавляют активацию рецептора. Мутантные формы рецептора Kit, которые активируются конститутивно и не требуют лиганда, обнаруживаются при широком спектре злокачественных новообразований.
RTK-путь и рак
Исследования рака щитовидной железы прояснили теорию о том, что паракринная сигнализация может способствовать формированию микроокружения опухоли. Транскрипция хемокинов усиливается, когда Ras находится в состоянии, связанном с ГТФ. Затем хемокины высвобождаются из клетки и могут связываться с соседними клетками. Паракринная сигнализация между соседними клетками создает этот цикл положительной обратной связи. Таким образом, конститутивная транскрипция белков с повышенной экспрессией формирует благоприятную среду для возникновения опухолей. Фактически, многократное связывание лигандов с рецепторами RTK вызывает чрезмерную стимуляцию пути Ras-Raf-MAPK, что приводит к увеличению митогенного и инвазивного потенциала клеток.
Аберрантные мутации JAK-STAT и костные мутации
Сигнальный путь JAK STAT играет ключевую роль в развитии конечностей, особенно в его способности регулировать рост костей посредством паракринной сигнализации цитокинов. Однако мутации в этом пути связаны с тяжелыми формами карликовости: танатофорической дисплазией (летальной) и ахондропластической карликовостью (жизнеспособной). Это обусловлено мутацией в гене Fgf, вызывающей преждевременную и конститутивную активацию транскрипционного фактора Stat1. Деление клеток хондроцитов преждевременно прекращается, что приводит к летальной карликовости. Клетки пластинок роста ребер и трубчатых костей не подвергаются транскрипции. Таким образом, неспособность грудной клетки к расширению препятствует дыханию новорожденного.
Путь JAK-STAT и рак
Исследования паракриновой сигнализации через путь JAK-STAT выявили ее потенциал в активации инвазивного поведения эпителиальных клеток яичников. Этот переход эпителия в мезенхиму особенно ярко выражен при метастазировании. Паракриновая сигнализация через путь JAK-STAT необходима для перехода от неподвижных эпителиальных клеток к подвижным мезенхимальным клеткам, способным проникать в окружающие ткани. Только путь JAK-STAT был обнаружен как способный индуцировать миграцию клеток.
Семейство ежей
Семья белков Hedgehog участвует в индукции клеточных типов, формировании границ тканей и организации паттернов и встречается во всех билатеральных организмах. Белки Hedgehog были впервые обнаружены и изучены у дрозофилы. Белки Hedgehog производят ключевые сигналы, необходимые для установления плана строения конечностей и тела плодовой мухи, а также для поддержания гомеостаза взрослых тканей, участвуя в позднем эмбриогенезе и метаморфозе. У позвоночных обнаружено как минимум три гомолога Hedgehog дрозофилы: sonic hedgehog, desert hedgehog и Indian hedgehog. Sonic hedgehog (SHH) выполняет разнообразные функции в развитии позвоночника, опосредуя передачу сигналов и регулируя организацию центральной нервной системы, конечностей и полярность сомитов. Desert hedgehog (DHH) экспрессируется в клетках Сертоли, участвующих в сперматогенезе. Indian hedgehog (IHH) экспрессируется в кишечнике и хряще, играя важную роль в росте костей после рождения.
Сигнальный путь ежа
Члены семейства белков Hedgehog действуют, связываясь с трансмембранным рецептором "Patched", который связан с белком "Smoothened", посредством которого сигнал Hedgehog может быть передан. В отсутствие Hedgehog, рецептор Patched ингибирует активность Smoothened. Ингибирование Smoothened приводит к тому, что комплекс белков Cubitus interruptus (Ci), Fused и Cos, прикрепленный к микротрубочкам, остается неповрежденным. В этой конформации белок Ci расщепляется, в результате чего часть белка может проникать в ядро и действовать как транскрипционный репрессор. В присутствии Hedgehog, Patched больше не ингибирует Smoothened. Затем активный белок Smoothened способен ингибировать PKA и Slimb, так что белок Ci не расщепляется. Этот неповрежденный белок Ci может проникать в ядро, связываться с белком CPB и действовать как транскрипционный активатор, индуцируя экспрессию генов, отвечающих на сигнал Hedgehog.
Сигнализация и рак в ежах
Путь сигнализации Hedgehog имеет решающее значение для правильного формирования и ориентации тканей во время нормального развития большинства животных. Белки Hedgehog индуцируют пролиферацию клеток в одних клетках и дифференцировку в других. Нарушенная активация пути Hedgehog связана с несколькими типами рака, особенно с базальноклеточной карциномой. Эта неконтролируемая активация белков Hedgehog может быть вызвана мутациями в сигнальном пути, приводящими к лигандиндепендентной активации, или мутацией, вызывающей переэкспрессию белка Hedgehog, что является лигандинзависимым. Кроме того, показано, что активация пути Hedgehog, индуцированная терапией, необходима для прогрессирования опухолей рака предстательной железы после терапии лишения андрогенов. Эта связь между путем сигнализации Hedgehog и раком человека может открыть возможности для терапевтического вмешательства в лечении этих заболеваний. Путь сигнализации Hedgehog также участвует в нормальной регуляции популяций стволовых клеток и необходим для нормального роста и регенерации поврежденных органов. Это может представлять собой еще один возможный путь к опухолеобразованию через путь Hedgehog.
Семья Wnt
В семейство белков Wnt входит большое количество гликопротеинов, богатых цистеином. Белки Wnt активируют каскады передачи сигналов посредством трех различных путей: канонического пути Wnt, неканонического пути плоской полярности клеток (PCP) и неканонического пути Wnt/Ca2+. Белки Wnt, по-видимому, контролируют широкий спектр процессов развития и необходимы для контроля ориентации веретена деления, полярности клеток, адгезии, опосредованной кадеринами, и раннего развития эмбрионов у многих различных организмов. Современные исследования показали, что нарушение регуляции Wnt-сигналинга играет роль в формировании опухолей, поскольку на клеточном уровне белки Wnt часто регулируют пролиферацию клеток, морфологию клеток, подвижность клеток и их дифференцировку.
Канонический путь сигнализации Wnt
В каноническом пути белки Wnt связываются со своим трансмембранным рецептором семейства белков Frizzled. Связывание Wnt с белком Frizzled активирует белок Dishevelled. В активном состоянии белок Dishevelled ингибирует активность фермента гликогенсинтазокиназы 3 (GSK3). Обычно активный GSK3 предотвращает диссоциацию β-катенина от белка APC, что приводит к деградации β-катенина. Таким образом, ингибирование GSK3 позволяет β-катенину диссоциироваться от APC, накапливаться и перемещаться в ядро. В ядре β-катенин ассоциируется с фактором транскрипции Lef/Tcf, который уже работает на ДНК как репрессор, ингибируя транскрипцию генов, к которым он связывается. Связывание β-катенина с Lef/Tcf действует как активатор транскрипции, активируя транскрипцию генов, чувствительных к Wnt.
Неканонические пути передачи сигналов Wnt
Неканонические пути Wnt представляют собой путь передачи сигнала Wnt, не включающий β-катенин. В неканонических путях Wnt воздействует на актиновый и микротрубочковый цитоскелет, а также на транскрипцию генов.
Путь неканонической плоской полярности клеток (PCP)
Неканонический путь PCP регулирует морфологию, деление и движение клеток. Wnt-белки вновь связываются и активируют Frizzled, что приводит к активации белком Frizzled Dishevelled, закрепленного на плазменной мембране посредством белка Prickle и трансмембранного белка Stbm. Активированный Dishevelled активирует RhoA GTPase через ассоциированный с Dishevelled активатор морфогенеза 1 (Daam1) и белок Rac. Активированный RhoA способен индуцировать изменения цитоскелета посредством активации Rho-ассоциированной киназы (ROCK) и напрямую влиять на транскрипцию генов. Активированный Rac может напрямую индуцировать изменения цитоскелета и влиять на транскрипцию генов через активацию JNK.
Суперсемейство TGF-β
"ТГФ" (трансформирующий фактор роста) — это семейство белков, насчитывающее 33 представителя, кодирующих димерные секретируемые полипептиды, которые регулируют развитие. Многие процессы развития находятся под его контролем, включая гаструляцию, симметрию тела, морфогенез органов и поддержание гомеостаза тканей у взрослых организмов. Все лиганды TGF-β связываются с рецепторами типа I или типа II, формируя гетеротетрамерные комплексы.
TGF-β путь
Путь TGF β регулирует множество клеточных процессов в развивающемся эмбрионе и взрослом организме, включая рост клеток, дифференцировку, апоптоз и гомеостаз. У человека и других млекопитающих существует пять видов рецепторов II типа и семь видов рецепторов I типа. Эти рецепторы известны как "киназы двойной специфичности", поскольку их цитоплазматический киназный домен обладает слабой активностью тирозинкиназы, но выраженной активностью серин/треонинкиназы. При связывании лиганда из семейства TGF β с рецептором II типа происходит рекрутирование рецептора I типа и его активация посредством фосфорилирования сериновых или треониновых остатков в его "GS" домене. Это формирует активационный комплекс, который затем способен фосфорилировать белки SMAD.
Не-SMAD путь
Не-Smad сигнальные белки вносят вклад в ответ на сигнал TGF β тремя способами. Во-первых, не-Smad сигнальные пути фосфорилируют Smad белки. Во-вторых, Smad белки напрямую передают сигнал другим путям, взаимодействуя непосредственно с другими сигнальными белками, такими как киназы. В-третьих, TGF β рецепторы напрямую фосфорилируют не-Smad белки.
1. семейство TGF-β
В это семейство входят TGF β1, TGF β2, TGF β3 и TGF β5. Они участвуют в положительной и отрицательной регуляции клеточного деления, формировании внеклеточного матрикса между клетками, апоптозе и эмбриогенезе. Они связываются с рецептором TGF-β типа II (TGFBRII). TGF β1 стимулирует синтез коллагена и фибронектина и подавляет деградацию внеклеточного матрикса. В конечном итоге, это приводит к увеличению продукции внеклеточного матрикса эпителиальными клетками.
Примеры
Факторы роста и факторы свертывания крови являются паракринными сигнальными агентами. Локальное действие сигналов факторов роста играет особенно важную роль в развитии тканей. Также ретиноевая кислота, активная форма витамина А, функционирует паракринно, регулируя экспрессию генов во время эмбрионального развития у высших животных. У насекомых аллатостатин контролирует рост посредством паракринного воздействия на аллатные тела. У зрелых организмов паракринная сигнализация участвует в реакциях на аллергены, восстановлении тканей, образовании рубцовой ткани и свертывании крови. Гистамин – паракрин, выделяемый иммунными клетками в бронхиальном дереве. Гистамин вызывает сокращение гладких мышечных клеток бронхов, что приводит к сужению дыхательных путей.