Введение
Эмбриональный сигнальный путь для правильной дифференциации клеток Сигнальный путь ежа - это сигнальный путь, который передает информацию эмбриональным клеткам, необходимую для правильной дифференциации клеток. В разных частях эмбриона различная концентрация белков сигнализации ежа. Этот путь также играет роль у взрослого человека. Среди болезней, связанных с нарушением работы этого пути, можно назвать рак. Сигнальный путь ежа является одним из ключевых регуляторов развития животных и присутствует у всех двусторонних. Путь получил свое название от полипептидного лиганда, внутриклеточной сигнальной молекулы, называемой Hedgehog (Hh), обнаруженной у плодовых мух рода Drosophila; личинки плодовых мух, не имеющие гена Hh, похожи на ежей. Hh является одним из продуктов гена полярности сегмента дрозофилы, участвующего в создании основы плана тела мухи. Молекула остается важной на поздних стадиях эмбриогенеза и метаморфозы. У млекопитающих есть три гомолога ежа, пустынный (DHH), индийский (IHH) и звуковой (SHH), из которых звуковой является наиболее изученным. Этот путь одинаково важен во время эмбрионального развития позвоночных и поэтому представляет интерес для эволюционной биологии развития. У мышей, которым не хватает компонентов этого пути, мозг, скелет, мышцы, желудочно- кишечный тракт и легкие не развиваются должным образом. Недавние исследования указывают на роль сигнализации "ежика" в регулировании взрослых стволовых клеток, участвующих в поддержании и регенерации взрослых тканей. Этот путь также был связан с развитием некоторых видов рака. Их метод "мутагенеза насыщения" привел к открытию группы генов, участвующих в развитии сегментации тела, что помогло основать область эволюционной биологии развития. В 1995 году они получили Нобелевскую премию вместе с Эдвардом Б. Льюисом за исследование генетических мутаций в эмбриогенезе дрозофилы. Ген ежа дрозофилы (hh) был идентифицирован как один из нескольких генов, важных для создания различий между передней и задней частями отдельных сегментов тела. Ген мухи hh был независимо клонирован в 1992 году лабораториями Джима Молера, Филиппа Бичи, Томаса Б. Корнберга и Сайго Каору. Некоторые мутанты из ящериц приводят к аномально сформированным эмбрионам, которые необычно короткие и тупые по сравнению с эмбрионами дикого типа. Функция гена полярности сегмента ежа изучалась для влияния на нормально поляризованное распределение личинковых кутикулярных зубчатых костей, а также особенности взрослых придаток, таких как ноги и антенны. Вместо обычной структуры зубчатых колючек, у мутантных личинок ежа, как правило, есть "твердые газоны" зубчатых колючек (рисунок 1). Появление тупых и "волосатых" личинок вдохновило на название "ежик".
The Hedgehog signaling pathway is a signaling pathway that transmits information to embryonic cells required for proper cell differentiation. Different parts of the embryo have different concentrations of hedgehog signaling proteins. The pathway also has roles in the adult. Diseases associated with the malfunction of this pathway include cancer. The Hedgehog signaling pathway is one of the key regulators of animal development and is present in all bilaterians. The pathway takes its name from its polypeptide ligand, an intracellular signaling molecule called Hedgehog (Hh) found in fruit flies of the genus Drosophila; fruit fly larvae lacking the Hh gene are said to resemble hedgehogs. Hh is one of Drosophila's segment polarity gene products, involved in establishing the basis of the fly body plan. The molecule remains important during later stages of embryogenesis and metamorphosis. Mammals have three Hedgehog homologues, Desert (DHH), Indian (IHH), and Sonic (SHH), of which Sonic is the best studied. The pathway is equally important during vertebrate embryonic development and is therefore of interest in evolutionary developmental biology. In knockout mice lacking components of the pathway, the brain, skeleton, musculature, gastrointestinal tract and lungs fail to develop correctly. Recent studies point to the role of Hedgehog signaling in regulating adult stem cells involved in maintenance and regeneration of adult tissues. The pathway has also been implicated in the development of some cancers. their "saturation mutagenesis" technique resulted in the discovery of a group of genes involved in the development of body segmentation, helping to found the field of evolutionary developmental biology. In 1995, they shared the Nobel Prize with Edward B. Lewis for their work studying genetic mutations in Drosophila embryogenesis. The Drosophila hedgehog (hh) gene was identified as one of several genes important for creating the differences between the anterior and posterior parts of individual body segments. The fly hh gene was independently cloned in 1992 by the labs of Jym Mohler, Philip Beachy, Thomas B. Kornberg and Saigo Kaoru. Some hedgehog mutants result in abnormally shaped embryos that are unusually short and stubby compared to wild type embryos. The function of the hedgehog segment polarity gene has been studied for influence on the normally polarized distribution of larval cuticular denticles as well as features on adult appendages such as legs and antennae. Rather than the normal pattern of denticles, hedgehog mutant larvae tend to have "solid lawns" of denticles (Figure 1). The appearance of the stubby and "hairy" larvae inspired the name 'hedgehog'.
Механизм
Клетки насекомых экспрессируют цинковый транскрипционный фактор Cubitus interruptus (Ci) в полном размере, который образует комплекс с кинезином, похожим на белок Costal 2 (Cos2), и локализуется в цитоплазме, связанной с клеточными микротубулами (рисунок 2). Комплекс SCF нацелен на белк Ci полной длины 155 кДа для протеосомного деления, которое генерирует фрагмент (CiR) 75 кДа. CiR накапливается в клетке и диффундирует в ядро, где действует как корепрессор для генов- мишени Hedgehog (Hh). Шаги, ведущие к протеолизу белка Ci, включают фосфорилирование белка Ci несколькими белковыми киназами; PKA, GSK3β и CK1 (рисунок 2). Белок Drosophila Slimb является частью комплекса SCF, который нацелен на белки для повсеместного распространения. Слимб связывается с фосфорилированным белком Ci. При отсутствии Hh (рисунок 3) трансмембранный белок клеточной поверхности, называемый Patched (PTCH), предотвращает высокую экспрессию и активность 7-мммм рецептора, называемого Smoothened (SMO). Patched имеет сходство в последовательности с известными мембранными транспортными белками. При наличии внеклеточного Hh (рисунок 3) он связывается с Patched и ингибирует его, позволяя Smoothened накапливаться и ингибировать протеолитический расщепление белка Ci. Этот процесс, скорее всего, включает прямое взаимодействие Smoothened и Costal 2 и может включать секвестрацию белка, содержащего комплекс Ci, в микродомен, где нарушаются шаги, ведущие к протеолизу белка Ci. Предполагается, что фосфорилирование Smoothened играет роль в Hh-зависимой регуляции уровня Smoothened. В клетках с активированным Hh Patched (рисунок 3) нетронутый белок Ci накапливается в цитоплазме клетки и уровни CiR снижаются, что позволяет транскрибировать некоторые гены, такие как декапентаплегия (dpp, член семейства факторов роста BMP). Для других Hh-регулируемых генов экспрессия требует не только потери CiR, но и положительного действия неэквидированного Ci, чтобы действовать как транскрипционный активатор.
Роль
Иджин играет важную роль в развитии сегмента тела личинки и в формировании придатка взрослого человека. Во время образования сегментов тела в развивающемся эмбрионе дрозофилы полосы клеток, которые синтезируют ингибированный транскрипционный фактор, также могут экспрессировать белк-сигнализатор клеток Hedgehog (зеленый на рисунке 4). Hedgehog не может свободно перемещаться далеко от клеток, из которых он состоит, и поэтому он активирует только тонкую полосу клеток, прилегающих к выделяющим клеткам. При таком местном поведении ежик действует как паракриновый фактор. Только клетки с одной стороны от зажатых экспрессирующих клеток способны реагировать на Hedgehog после взаимодействия Hh с рецепторным белком Patched (синий на рисунке 4). Клетки с активированным Hh-рецептором Patched синтезируют белок Wingless (красный на рисунке 4). Если эмбрион дрозофилы изменяется таким образом, чтобы производить Hh во всех клетках, все компетентные клетки реагируют и образуют более широкую полосу клеток, экспрессирующих Крылья, в каждом сегменте. Безкрылочный ген имеет верхнюю регуляторную область транскрипции, которая связывает транскрипционный фактор Ci в зависимости от Hh, что приводит к увеличению транскрипции безкрылочных клеток (взаимодействие 2 на рисунке 3) в полосе клеток, прилегающих к полосе клеток, производящих Hh. Безокрылый белок действует как внеклеточный сигнал и формирует соседние ряды клеток, активируя свой рецептор поверхности клетки Frizzled. Wingless действует на выделяющие клетки, чтобы стабилизировать полосы выделяющего выражения. Wingless является членом семейства Wnt белков сигнализации клеток. Взаимная сигнализация Hedgehog и Wingless стабилизирует границу между парасегментами (рисунок 4, верхняя часть). Эффекты безкрылых и ежа на другие полосы клеток в каждом сегменте устанавливают позиционный код, который учитывает отличительные анатомические особенности вдоль передней задней оси сегментов. Безокрылый белок называется "безкрылым" из-за фенотипа некоторых мутантов безкрылых мух. Безкрылые и Иж совместно функционируют во время метаморфозы, координируя формирование крыльев. Яйцеволосый выражается в задней части развивающихся конечностей дрозофилы. Иджег также участвует в координации развития глаз, мозга, половых желез, кишечника и трахеи. Снижение регуляции в ящерице было связано с уменьшением развития глаз у амфипода Gammarus minus.
Аннелиды
Hedgehog также участвует в сегментации в червях-аннелидах; поскольку параллельная эволюция кажется маловероятной, это предполагает общее происхождение сегментации между двумя филами. Хотя Hh не вызывает образования сегментов, он, похоже, действует для стабилизации сегментированных полей после их появления. который участвует в транспортировке, секреции и взаимодействии с рецепторами лиганда. SHH может сигнализировать автокриновым способом, влияя на клетки, в которых он вырабатывается. Секреция и последовательная сигнализация паракринового ежа требуют участия диспетчерского белка (DISP) (процесс "2" на рисунке 5). Когда SHH достигает своей целевой клетки, он связывается с рецептором Patched 1 (PTCH1) (процесс "3" на рисунке 5, синяя молекула). При отсутствии лиганда PTCH1 ингибирует Smoothened (SMO), протеин, который находится в нижней части пути (процесс 4). Было высказано предположение, что SMO регулируется малыми молекулами, клеточная локализация которых контролируется PTCH. PTCH1 имеет гомологию с болезнью Нимана Пика, типа С1 (NPC1), которая, как известно, транспортирует липофильные молекулы через мембрану. PTCH1 имеет домен стерильного сенсирования (SSD), который, как было показано, имеет важное значение для подавления активности SMO. Существующая теория предполагает, что PTCH регулирует SMO путем удаления оксистеролов из SMO. PTCH действует как стерильный насос и удаляет оксистеролы, которые были созданы 7 дегидрохолестероредуктазой. При связывании Hh белка или мутации в SSD PTCH насос отключается, позволяя оксистеролам накапливаться вокруг SMO. Такое накопление стеролов позволяет SMO активизироваться или оставаться на мембране в течение более длительного периода времени. Эта гипотеза подтверждается наличием ряда агонистов и антагонистов малой молекулы, которые действуют на SMO. Связывание SHH снимает ингибирование SMO, что приводит к активации факторов транскрипции GLI (процесс 5): активаторов Gli1 и Gli2 и репрессора Gli3. Последовательность молекулярных событий, которые связывают SMO с GLI, плохо изучена. Активированный GLI накапливается в ядре (процесс "6") и контролирует транскрипцию генов-мишени ежа (процесс "7"). Недавно было сообщено, что PTCH1 подавляет транскрипцию генов-мишени ежа с помощью механизма, независимого от Smoothened. Помимо PTCH1, у млекопитающих есть еще один рецептор ежа, PTCH2, чей идентификатор последовательности с PTCH1 составляет 54%. Все три ежа млекопитающих связывают оба рецептора с аналогичной аффинностью, поэтому PTCH1 и PTCH2 не могут различать лиганды. Однако они отличаются по своему выражению. PTCH2 выражен на гораздо более высоких уровнях в яичках и опосредует сигнализацию пустынного ежа там. Кроме того, переэкпрессия PTCH2 не заменяет мутированный PTCH1 при базальноклеточной карциноме. У беспозвоночных, как и у дрозофилы, связывание Hedgehog с PTCH приводит к интернализации и секвестрации лиганда. Следовательно, in vivo прохождение ежа через рецептивное поле, которое экспрессирует рецептор, приводит к ослаблению сигнала, эффект называется лигандозависимым антагонизмом (LDA). В отличие от дрозофилы, позвоночные обладают другим уровнем регулирования ежа через LDA, опосредованный Hh взаимодействующим белком 1 (HHIP1). HHIP1 также секвестрирует лиганды ежа, но в отличие от PTCH, он не влияет на активность SMO.
Роль
Члены семейства ежей играют ключевую роль в самых разных процессах развития. В 1968 году исследование, проведенное Saunders и Gasseling, по разработке куриного почки, легло в основу концепции морфогена. Они показали, что идентичность пальцев в конечности цыплят определяется диффузионным фактором, производимым зоной поляризующей активности (ZPA), небольшой областью ткани на заднем краю конечности. Развитие млекопитающих, по-видимому, следовало той же схеме. Этот диффузионный фактор позже был продемонстрирован как Sonic hedgehog. Однако точный способ определения идентификации цифры в SHH до недавнего времени оставался неуловимым. В текущей модели, предложенной Харфе и др., говорится, что как концентрация, так и время воздействия SHH определяет, в какую цифру ткань будет развиваться в эмбрионе мыши (рисунок 6). Цифры V, IV и часть III возникают непосредственно из клеток, которые экспрессируют SHH во время эмбриогенеза. В этих клетках SHH сигнализирует автокриновым образом, и эти цифры развиваются правильно в отсутствие DISP, который необходим для внеклеточной диффузии лиганда. Эти цифры отличаются по продолжительности времени, в течение которого продолжается экспрессия СГГ. Наиболее задняя цифра V развивается из клеток, которые экспрессируют лиганд в течение самого длительного периода времени. Цифровые клетки IV экспрессируют SHH в течение более короткого времени, а клетки III - еще более короткого. Цифра II развивается из клеток, которые подвергаются воздействию умеренных концентраций внеклеточного СГГ. Наконец, развитие цифры I не требует SHH. Это, в некотором смысле, программа по умолчанию клеток узловых почки. Сигнализация ежа остается важной и у взрослого человека. Было показано, что Sonic hedgehog способствует распространению взрослых стволовых клеток из различных тканей, включая примитивные кроветворные клетки, молочные и нервные стволовые клетки. Активация пути ежа необходима для перехода волосяного фолликула от фазы покоя к фазе роста. Это не удалось из-за токсичности, обнаруженной в моделях на животных.
Болезнь человека
Нарушение передачи сигналов ежа во время эмбрионального развития, в результате вредных мутаций или потребления терратогенов беременной матерью, может привести к серьезным нарушениям развития. Голопроценцефалия, неспособность эмбрионального просенцефалона делиться, чтобы сформировать полушария мозга, встречается с частотой около 1 на 8 000 живорожденных и около 1 на 200 спонтанных абортов у людей и обычно связана с мутациями в генах, участвующих в пути ежа, включая SHH и PTCH. Циклопия, один из самых серьезных дефектов голопроценцефалии, возникает, если ингибитор циклопамина потребляется беременными млекопитающими. Активация пути "ежика" связана с развитием рака в различных органах, включая мозг, легкие, молочную железу, простату и кожу. Базоклеточная карцинома, наиболее распространенная форма злокачественной раковой опухоли, имеет наиболее тесную связь с сигнализацией ежа. У пациентов с этим заболеванием были выявлены мутации, способствующие потере функции в Patched и активирующие мутации в Smoothened. Аномальная активация этого пути, вероятно, приводит к развитию заболевания путем превращения взрослых стволовых клеток в раковые стволовые клетки, которые вызывают опухоль. Исследователи рака надеются, что специфические ингибиторы передачи сигналов ежа станут эффективной терапией для широкого спектра злокачественных опухолей. Связь между сигнальным путем ежа и развитием рака очень сложна. Тем не менее, очевидно, что аберрантное активирование сигналов ежа приводит к росту, распространению и вторжению опухолевых клеток. Помимо участия в развитии рака, путь ежа может также способствовать развитию основных респираторных заболеваний, таких как фиброз легких. и хронической обструктивной болезни легких.
Нацеливаю на путь ежа
Наиболее распространенный способ нацеливания на этот путь - модулирование SMO. Антагонисты и агонисты SMO уже показали влияние на регулирование пути вниз по потоку. Для лечения рака доступны несколько ингибиторов сигнального пути ежа, таких как висмодегиб и сонедегиб. Эти препараты рассматриваются как перспективные методы лечения рака, особенно для пациентов с рефрактерным / продвинутым раком. Ингибиторы SMO представляют собой потенциальное средство лечения некоторых видов рака. Однако из-за вредных и потенциально токсичных побочных эффектов ингибиторов SMO, неопределенной безопасности у детей и доказательств того, что у некоторых пациентов развивается резистентность к ингибиторам SMO, необходимы новые классы лекарств. Итраконазол (ITZ) ингибирует SMO при наличии мутаций, которые придают резистентность к висмодегибу и другим конкурентным антагонистам циклопамина, таким как IPI 926 и LDE 225 от Novartis. Антитела к PTCH и Gli3 (5E1) также являются способом регулирования этого пути. Для ингибирования роста клеток и стимулирования апоптоза использовался эффектор и сильный транскрипционный активатор siRNA Gli1. Также было показано, что триоксид мышьяка (Трисенокс) ингибирует передачу сигналов ежа путем вмешательства в функцию Gli и транскрипцию. Было выявлено несколько экологических модификаторов сигнализации "ежика", которые представляют потенциальную опасность для здоровья или развития. Было показано, что диетические алкалоиды, содержащиеся в помидорах (томатодин), картофеле (соланидин), антагонизируют SMO и нарушают передачу сигналов Hedgehog. Кроме того, некоторые токсины окружающей среды могут блокировать передачу сигналов Hedgehog. Пиперонилбутоксид (PBO) - полусинтетическая добавка к пестицидам, разработанная в 1940-х годах, которую можно найти в тысячах бытовых и сельскохозяйственных продуктов. Несмотря на его широкое применение, способность PBO подавлять передачу сигналов ежа и действовать как мощный тератоген развития не была признана до недавнего времени.
Метастазы
Активация пути " ежа " приводит к увеличению экспрессии белка улитки и снижению E- кадерина и узких соединений.
Регулирование опухоли
Активация пути " ежа " приводит к увеличению ангиогенных факторов (ангиопоэтин 1 и ангиопоэтин 2), циклинов (циклин D1 и B1), антиапоптотических генов и снижению апоптотических генов (Fas). Дисфункция или аберрантная активация сигнального пути Hh связана с деформациями развития и раковыми заболеваниями, включая синдром базальноклеточного невуса (BCNS), базальноклеточную карциному (BCC), медуллобластомы (MB), рабдомиосаркомы и менингиомы. Примерно одна треть злокачественных опухолей связана с аберрантной активацией Hh-пути. Существует три предлагаемых механизма аберрантной активации Hh-сигнализации в различных типах рака: тип I включает лиганд-независимую сигнализацию из-за мутаций в Smo или отрицательных регуляторах, тип II включает лиганд-зависимую автокриновую/юкстакриновую сигнализацию с переэкпрессией Hh-лиганд, и тип III включает лиганд-зависимую паракринную сигнализацию между опухолевыми клетками и стромальными клетками. Эти нарушения в Hh пути могут привести к пролиферации опухолевых клеток, выживанию и наличию раковых стволовых клеток, которые способствуют инициированию опухоли и прогрессированию.
Эволюция
Ланцелеты, которые являются примитивными хордатами, обладают только одним гомологом Drosophila Hh (рисунок 7). У позвоночных, с другой стороны, есть несколько лигандов ежа, которые относятся к трем подгруппам пустыня, индийская и звуковая, каждая из которых представлена одним геном млекопитающих. Это следствие двух раундов дублирования целого генома, которые произошли в начале эволюционной истории позвоночных. Два таких события могли бы произвести четыре гомологичных гена, один из которых должен был быть потерян. Пустынные ежи наиболее тесно связаны с Drosophila Hh. Дополнительные дубликации генов произошли в некоторых видах, которые претерпели ускоренную эволюцию в линии приматов, ведущей к людям. Дорус и другие. Они предполагают, что это позволило более сложной регуляции белка и может сыграть роль в увеличении объема и сложности человеческого мозга. Семья WNT-рецепторов с кожистыми покровам имеет некоторое сходство с Smoothened. Smoothened, по-видимому, является функционально дивергентным членом суперсемейства рецепторов, связанных с белком G (GPCR). Были рассмотрены другие сходства между WNT и Hh сигнальными путями. Нуссе отметил, что "сигнальная система, основанная на липидных модифицированных белках и специфических мембранных транслокаторах, является древней и, возможно, была основателем сигнальных систем Wnt и Hh". Было высказано предположение, что сигнализация беспозвоночных и позвоночных вниз по течению от Smoothened значительно расходилась. Роль Супрессора слияния (SUFU) была усилена у позвоночных по сравнению с дрозофилой, где его роль относительно незначительна. Костальный 2 особенно важен для дрозофилы. Белокожная киназа Fused является регулятором SUFU у дрозофилы, но не может играть роль в Hh пути позвоночных. У позвоночных Hh-сигнализация в значительной степени связана с развитием ресниц. В семье белков "Ежик" присутствует поразительная эволюция уровня домена, N-терминальный домен (Ежик) и C-терминальный домен (Хог), которые позже были сплесованы вместе в одну транскрипционную единицу. Домен "Hog" содержит последовательность, называемую "Hint" (Hedgehog INTein), которая похожа по последовательности и функции на бактериальные и грибковые интеины. Домен "Собака" присутствует во многих эукариотических ветвях, например, красных водорослях, мхах, динофлагелатах, якобидах и других одноклеточных эукариотах. Хоанофлагеляты содержат ген под названием хоглет, который также кодирует терминальный домен C ежа домен Хог. Однако, Choanoflagellates и нижние эукариоты не содержат никаких областей, похожих на хедж-домен, предполагая, что свинья развилась первой. Гены, похожие на геев ежа, 2 гомолога Patched и связанные с Patched гены существуют в черве C. elegans. Эти гены кодируют белки, которые играют роль в развитии C. elegans.
shh has undergone accelerated evolution in the primate lineage leading to humans. Dorus et al. hypothesise that this allowed for more complex regulation of the protein and may have played a role in the increase in volume and complexity of the human brain. The frizzled family of WNT receptors have some sequence similarity to Smoothened. Smoothened seems to be a functionally divergent member of the G protein coupled receptor (GPCR) superfamily. Other similarities between the WNT and Hh signaling pathways have been reviewed. Nusse observed that, "a signalling system based on lipid modified proteins and specific membrane translocators is ancient, and may have been the founder of the Wnt and Hh signaling systems". It has been suggested that invertebrate and vertebrate signalling downstream from Smoothened has diverged significantly. The role of Suppressor of Fused (SUFU) has been enhanced in vertebrates compared to Drosophila where its role is relatively minor. Costal 2 is particularly important in Drosophila. The protein kinase Fused is a regulator of SUFU in Drosophila, but may not play a role in the Hh pathway of vertebrates. In vertebrates, Hh signalling has been heavily implicated in the development of cilia. There is striking domain level evolution present in the Hedgehog family of proteins, the N terminal domain (Hedge) and the C terminal domain (Hog), that were later spliced together into a single transcriptional unit. The Hog domain contains a sequence called Hint (Hedgehog INTein), which is similar in sequence and function to bacterial and fungal inteins. The Hog domain is present in many eukaryotic branches, i. e. red algae, mosses, dinoflagellates, jakobids, and other single cell eurkaryotes. Choanoflagellates contain a gene named hoglet that also encodes the hedgehog C terminal domain Hog domain. However, Choanoflagellates and lower eukaryotes do not contain any regions similar to the hedge domain, suggesting that hog evolved first. Hedgehog like genes, 2 Patched homologs and Patched related genes exist in the worm C. elegans. These genes have been shown to code for proteins that have roles in C. elegans development.