Белок Sonic Hedgehog: роль в развитии и заболеваниях.

Введение

Сигнальная молекула у животных

Белок сонического ежа (SHH) кодируется геном SHH. Белок получил свое название в честь персонажа видеоигры Соник-еж. Эта сигнальная молекула играет ключевую роль в регуляции эмбрионального морфогенеза у всех животных. SHH контролирует органогенез и организацию центральной нервной системы, конечностей, пальцев и многих других частей тела. Сонический еж является морфогеном, который формирует развивающийся эмбрион, используя градиент концентрации, характеризующийся моделью французского флага. Эта модель предполагает неравномерное распределение молекул SHH, которое определяет различные клеточные судьбы в зависимости от концентрации. Мутации в этом гене могут вызывать голопрозенцефалию – нарушение разделения полушарий мозга, что было продемонстрировано в эксперименте с использованием мышей с нокаутом гена SHH, у которых не сформировалась срединная линия переднего мозга, и вместо этого образовалась единственная сросшаяся телеэнцефальная везикула. Сонический еж продолжает играть роль в дифференцировке, пролиферации и поддержании взрослых тканей. Аномальная активация SHH-сигнализации во взрослых тканях связана с различными типами рака, включая рак молочной железы, кожи, головного мозга, печени, желчного пузыря и многие другие.

Открытие и название

Ген ежа (hh) был впервые идентифицирован у плодовой мушки Drosophila melanogaster в классических Heidelberg-скринингах Кристиан Нюсслейн-Вольхард и Эрика Вишауса, опубликованных в 1980 году. Эти скрининги, благодаря которым исследователи вместе с генетиком Эдвардом Б. Льюисом в 1995 году получили Нобелевскую премию, выявили гены, контролирующие паттерн сегментации эмбрионов дрозофилы. Фенотип мутантов с нарушенной функцией гена ежа проявляется в покрытии эмбрионов дентиклями, то есть небольшими заостренными выростами, напоминающими шипы ежа. Исследования, направленные на поиск гомолога гена ежа у позвоночных, проведенные Филиппом Ингемом, Эндрю П. Макмахоном и Клиффордом Тэбином, выявили три гомологичных гена. Два из этих генов, пустынный еж и индийский еж, были названы в честь видов ежей, а звуковой еж – в честь персонажа видеоигры Sonic the Hedgehog. Ген получил свое название благодаря Роберту Риддлу, постдоку в лаборатории Тэбина, после того как его жена Бетси Уайлдер принесла домой журнал с рекламой игры Sonic the Hedgehog. У рыбы-зебры два из трех генов hh позвоночных дублированы: SHH a и SHH b (ранее описанный как тиггивинкл-еж, названный в честь миссис Тигги-Винкл, персонажа из детских книг Беатрикс Поттер) и ihha и ihhb (ранее описанный как еж-эхидна, названный в честь колючего муравьеда, а не персонажа Кнуклза Эхидны из вселенной Sonic).

Функция

Среди гомологов hh, SHH играет наиболее критическую роль в развитии, выступая в качестве морфогена, участвующего в формировании многих систем, включая переднюю долю гипофиза, паллиум мозга, спинной мозг, легкие, зубы и таламус посредством зоны лимитирования внутриталамуса. У позвоночных развитие конечностей и пальцев зависит от секреции сонического ежа (Sonic hedgehog) зоной поляризующей активности, расположенной на задней стороне эмбриональной конечностной почки. Также играет роль в развитии медуллобластомы и прогрессировании опухолей рака предстательной железы. Для экспрессии SHH в развивающихся конечностях эмбриона необходима секреция морфогена, называемого факторами роста фибробластов, из апикального эктодермального гребня. Сонический еж также показал себя в качестве сигнала для аксонального наведения. Было продемонстрировано, что SHH привлекает комиссуральные аксоны в вентральной средней линии развивающегося спинного мозга. В частности, SHH привлекает аксоны ганглиозных клеток сетчатки (RGC) при низких концентрациях и отталкивает их при более высоких концентрациях. Отсутствие (неэкспрессия) SHH контролирует рост формирующихся задних конечностей у китообразных (китов и дельфинов). Ген SHH является членом семейства генов hedgehog, имеющего пять вариантов изменений последовательности ДНК или сплайс-вариантов. SHH расположен на седьмой хромосоме и инициирует производство белка Sonic Hedgehog. Если ген SHH мутирует или отсутствует, белок Sonic Hedgehog не может должным образом выполнять свою функцию. Сонический еж способствует росту клеток, их спецификации и формированию, структурированию и организации плана тела. Этот белок функционирует как жизненно важная морфогенная сигнальная молекула и играет важную роль в формировании многих различных структур в развивающихся эмбрионах, а также в развитии лицевой дисморфии. Нotochord — структура, происходящая из осевой мезодермы — производит SHH, который экстрацеллюлярно перемещается в вентральную область нервной трубки и инструктирует эти клетки к формированию подошвенной пластинки. Другая гипотеза индукции подошвенной пластинки предполагает, что некоторые клетки-предшественники, расположенные в хорде, внедряются в нейронную пластинку до ее формирования, впоследствии давая начало подошвенной пластинке. Сама нервная трубка является первоначальной основой ЦНС позвоночных, а подошвенная пластинка — это специализированная структура, расположенная в вентральной середине нервной трубки. Доказательства, подтверждающие хорду как сигнальный центр, получены из исследований, в которых вторая хорда имплантируется рядом с нервной трубкой in vivo, что приводит к образованию эктопической подошвенной пластинки внутри нервной трубки. Сонический еж — это секретируемый белок, который опосредует сигнальную активность хорды и подошвенной пластинки. Исследования, включающие эктопическую экспрессию SHH in vitro и in vivo, приводят к индукции и дифференцировке моторных нейронов и вентральных интернейронов. С другой стороны, мыши с мутациями в гене SHH демонстрируют отсутствие характеристик вентрального спинного мозга. Блокировка сигнализации SHH in vitro с использованием антител против него показывает аналогичные фенотипы, так что высокая концентрация SHH приводит к локальному ингибированию клеточной пролиферации. Это ингибирование приводит к утонению подошвенной пластинки по сравнению с латеральными областями нервной трубки. Более низкая концентрация SHH приводит к клеточной пролиферации и индукции различных типов вентральных нервных клеток по всей вентральной нервной трубке. Исследования in vitro показывают, что постепенные двух- и трехкратные изменения концентрации SHH приводят к появлению моторных нейронов и различных подтипов интернейронов, обнаруженных в вентральном спинном мозге. Эти постепенные изменения in vitro соответствуют расстоянию доменов от сигнальной ткани (хорды и подошвенной пластинки), которая впоследствии дифференцируется в различные подтипы нейронов, как это происходит in vitro. Градиентная сигнализация SHH предположительно опосредуется семейством белков Gli, которые являются гомологами у позвоночных цинкового пальца дрозофилы, содержащего транскрипционный фактор Cubitus interruptus (Ci). Ci является ключевым медиатором сигнализации hedgehog (Hh) у дрозофилы. У позвоночных присутствуют три различных белка Gli: Gli1, Gli2 и Gli3, которые экспрессируются в нервной трубке. Мыши с мутациями в гене Gli1 демонстрируют нормальное развитие спинного мозга, что говорит о том, что он не является необходимым для опосредования активности SHH. Однако мыши с мутациями в гене Gli2 демонстрируют аномалии в вентральном спинном мозге, с серьезными дефектами в подошвенной пластинке и наиболее вентральных интернейронах (V3). Gli3 антагонизирует функцию SHH зависимым от дозы образом, способствуя развитию дорсальных подтипов нейронов. Фенотипы мутаций SHH могут быть спасены в двойной мутации SHH/Gli3. Белки Gli имеют C-концевой домен активации и N-концевой репрессивный домен. Предполагается, что SHH способствует активационной функции Gli2 и ингибирует репрессивную активность Gli3. SHH также, по-видимому, способствует активационной функции Gli3, но эта активность недостаточно сильна. SHH также индуцирует другие белки, с которыми он взаимодействует, и эти взаимодействия могут влиять на чувствительность клетки к SHH. Hedgehog interacting protein (HHIP) индуцируется SHH, что, в свою очередь, ослабляет его сигнальную активность. Витронектин — еще один белок, индуцируемый SHH; он действует как обязательный кофактор для сигнализации SHH в нервной трубке. В вентральной нервной трубке существует пять различных прогениторных доменов: интернейроны V3, моторные нейроны (MN), V2, V1 и интернейроны V0 (в порядке от вентрального к дорсальному). Важно отметить, что SHH — не единственная сигнальная молекула, оказывающая влияние на развивающуюся нервную трубку. Активны многие другие молекулы, пути и механизмы (например, RA, FGF, BMP), и возможны сложные взаимодействия между SHH и другими молекулами. Предполагается, что BMP играют критическую роль в определении чувствительности нервных клеток к сигнализации SHH. Доказательства этого исходят из исследований с использованием ингибиторов BMP, которые вентрализуют судьбу клеток нейронной пластинки для данной концентрации SHH. С другой стороны, мутации в антагонистах BMP (например, noggin) приводят к серьезным дефектам в наиболее вентральных характеристиках спинного мозга, за которыми следует эктопическая экспрессия BMP в вентральной нервной трубке. Взаимодействия SHH с Fgf и RA еще не были изучены в молекулярных деталях.

Of the hh homologues, SHH has been found to have the most critical roles in development, acting as a morphogen involved in patterning many systems—including the anterior pituitary, pallium of the brain, spinal cord, lungs, teeth and the thalamus by the zona limitans intrathalamica. In vertebrates, the development of limbs and digits depends on the secretion of sonic hedgehog by the zone of polarizing activity, located on the posterior side of the embryonic limb bud. and medulloblastoma, as well as the progression of prostate cancer tumours. For SHH to be expressed in the developing embryo limbs, a morphogen called fibroblast growth factors must be secreted from the apical ectodermal ridge. Sonic hedgehog has also been shown to act as an axonal guidance cue. It has been demonstrated that SHH attracts commissural axons at the ventral midline of the developing spinal cord. Specifically, SHH attracts retinal ganglion cell (RGC) axons at low concentrations and repels them at higher concentrations. The absence (non expression) of SHH has been shown to control the growth of nascent hind limbs in cetaceans (whales and dolphins). The SHH gene is a member of the hedgehog gene family with five variations of DNA sequence alterations or splice variants. SHH is located on chromosome seven and initiates the production of Sonic Hedgehog protein. If the SHH gene is mutated or absent, the protein Sonic Hedgehog cannot do its job properly. Sonic hedgehog contributes to cell growth, cell specification and formation, structuring and organization of the body plan. This protein functions as a vital morphogenic signaling molecule and plays an important role in the formation of many different structures in developing embryos. and facial dysmorphia. The notochord—a structure derived from the axial mesoderm—produces SHH, which travels extracellularly to the ventral region of the neural tube and instructs those cells to form the floor plate. Another view of floor plate induction hypothesizes that some precursor cells located in the notochord are inserted into the neural plate before its formation, later giving rise to the floor plate. The neural tube itself is the initial groundwork of the vertebrate CNS, and the floor plate is a specialized structure, located at the ventral midpoint of the neural tube. Evidence supporting the notochord as the signaling center comes from studies in which a second notochord is implanted near a neural tube in vivo, leading to the formation of an ectopic floor plate within the neural tube. Sonic hedgehog is the secreted protein that mediates signaling activities of the notochord and floor plate. Studies involving ectopic expression of SHH in vitro and in vivo result in floor plate induction and differentiation of motor neuron and ventral interneurons. On the other hand, mice mutants for SHH lack ventral spinal cord characteristics. In vitro blocking of SHH signaling using antibodies against it shows similar phenotypes. so that a high concentration of SHH results in a local inhibition of cellular proliferation. This inhibition causes the floor plate to become thin compared to the lateral regions of the neural tube. Lower concentration of SHH results in cellular proliferation and induction of various ventral neural cell types. throughout the ventral neural tube. In vitro studies show that incremental two and threefold changes in SHH concentration give rise to motor neuron and different interneuronal subtypes as found in the ventral spinal cord. These incremental changes in vitro correspond to the distance of domains from the signaling tissue (notochord and floor plate) which subsequently differentiates into different neuronal subtypes as it occurs in vitro. Graded SHH signaling is suggested to be mediated through the Gli family of proteins, which are vertebrate homologues of the Drosophila zinc finger containing transcription factor Cubitus interruptus (Ci). Ci is a crucial mediator of hedgehog (Hh) signaling in Drosophila. In vertebrates, three different Gli proteins are present, viz. Gli1, Gli2 and Gli3, which are expressed in the neural tube. Mice mutants for Gli1 show normal spinal cord development, suggesting that it is dispensable for mediating SHH activity. However, Gli2 mutant mice show abnormalities in the ventral spinal cord, with severe defects in the floor plate and ventral most interneurons (V3). Gli3 antagonizes SHH function in a dose dependent manner, promoting dorsal neuronal subtypes. SHH mutant phenotypes can be rescued in a SHH/Gli3 double mutant. Gli proteins have a C terminal activation domain and an N terminal repressive domain. SHH is suggested to promote the activation function of Gli2 and inhibit repressive activity of Gli3. SHH also seems to promote the activation function of Gli3, but this activity is not strong enough. SHH also induces other proteins with which it interacts, and these interactions can influence the sensitivity of a cell towards SHH. Hedgehog interacting protein (HHIP) is induced by SHH, which in turn attenuates its signaling activity. Vitronectin is another protein that is induced by SHH; it acts as an obligate co factor for SHH signaling in the neural tube. There are five distinct progenitor domains in the ventral neural tube: V3 interneurons, motor neurons (MN), V2, V1, and V0 interneurons (in ventral to dorsal order). It is important to note that SHH is not the only signaling molecule exerting an effect on the developing neural tube. Many other molecules, pathways and mechanisms are active (e. g., RA, FGF, BMP), and complex interactions between SHH and other molecules are possible. BMPs are suggested to play a critical role in determining the sensitivity of neural cell to SHH signaling. Evidence supporting this comes from studies using BMP inhibitors that ventralize the fate of the neural plate cell for a given SHH concentration. On the other hand, mutation in BMP antagonists (e. g., noggin) produces severe defects in the ventral most characteristics of the spinal cord, followed by ectopic expression of BMP in the ventral neural tube. Interactions of SHH with Fgf and RA have not yet been studied in molecular detail.

Морфогенетическая активность

Концентрация и зависимость от времени, определяющая судьбу клетки, активность SHH в вентральной нервной трубке делает его классическим примером морфогена. У позвоночных сигнализация SHH в вентральной части нервной трубки наиболее заметно отвечает за индукцию клеток пластинки пола и моторных нейронов. SHH исходит из хорды и вентральной пластинки пола развивающейся нервной трубки, формируя градиент концентрации, простирающийся по дорзо-вентральной оси, который антагонизируется обратным градиентом Wnt, определяющим развитие спинного мозга. Более высокие концентрации лиганда SHH обнаруживаются в наиболее вентральных отделах нервной трубки и хорды, а более низкие – в более дорсальных отделах нервной трубки. Считается, что градиент SHH обеспечивает формирование различных клеточных типов посредством механизма, зависящего от концентрации и времени, который индуцирует разнообразные факторы транскрипции в вентральных предшественниках. Экспрессия SHH во фронтоназальной эктодермальной зоне (FEZ), являющейся сигнальным центром, ответственным за закономерное развитие верхней челюсти, регулирует краниофациальное развитие, опосредованное семейством miR-199 в FEZ. В частности, сигналы, зависимые от SHH, поступающие из мозга, регулируют гены семейства miR-199: подавление экспрессии генов miR-199 приводит к увеличению экспрессии SHH и формированию более широкого лица, а активация экспрессии генов miR-199 – к снижению экспрессии SHH и формированию более узкого лица.

Развитие зубов

SHH играет важную роль в органогенезе и, что особенно важно, в развитии краниофациальной области. Будучи сигнальной молекулой, SHH действует главным образом посредством диффузии вдоль градиента концентрации, оказывая различное воздействие на клетки. На ранних стадиях развития зубов SHH высвобождается из первичного узла эмали – сигнального центра – для обеспечения позиционной информации как в латеральном, так и в плоскостном сигнальном паттерне, участвуя в развитии зубов и регуляции роста зубных бугорков. SHH особенно необходим для роста эпителиальных шейных петель, где наружный и внутренний эпителий соединяются, формируя резервуар для зубных стволовых клеток. После апоптоза первичных узлов эмали формируются вторичные узлы эмали. Вторичные узлы эмали секретируют SHH в сочетании с другими сигнальными молекулами для утолщения оральной эктодермы и начала формирования сложной формы коронки зуба в процессе дифференцировки и минерализации. В модели нокаута гена отсутствие SHH является признаком голопрозенцефалии. Однако SHH активирует нижестоящие молекулы Gli2 и Gli3. У эмбрионов с мутациями в генах Gli2 и Gli3 наблюдается аномальное развитие резцов, развитие которых останавливается на ранней стадии, а также небольшие моляры.

Развитие легких

Хотя SHH наиболее часто ассоциируется с развитием мозга и конечностей, он также играет важную роль в развитии легких. Исследования с использованием qPCR и нокаутных моделей показали, что SHH вносит вклад в развитие эмбриональных легких. Разветвление легких у млекопитающих происходит в эпителии развивающихся бронхов и легких. SHH экспрессируется во всей эндодерме передней кишки (наиболее внутреннем из трех зародышевых листков) в дистальном эпителии, где формируются эмбриональные легкие. SHH важен для регуляции дермального адипогенеза клетками, усиливающими транзит волосяных фолликулов (HF TACs). В частности, SHH индуцирует дермальный ангиогенез, действуя непосредственно на предшественники адипоцитов и стимулируя их пролиферацию посредством экспрессии гена γ (Pparg), активирующего рецептор пролифераторов пероксисом.

Обработка

Перед выведением из клетки SHH проходит ряд этапов обработки. Новосинтезированный SHH имеет молекулярную массу 45 кДа и называется препробелком. Как секретируемый белок, он содержит короткую сигнальную последовательность на N-конце, которая распознается частицей распознавания сигнала во время транслокации в эндоплазматический ретикулум (ЭР), являющуюся первым этапом секреции белка. После завершения транслокации сигнальная последовательность удаляется сигнальной пептидазой в ЭР. Там SHH подвергается аутопроцессингу с образованием N-концевого сигнального домена размером 20 кДа (SHH N) и C-концевого домена размером 25 кДа, не имеющего известной сигнальной функции. Расщепление катализируется протеазой, находящейся в пределах C-концевого домена. В ходе этой реакции молекула холестерина присоединяется к C-концу SHH N. Таким образом, C-концевой домен функционирует как интеин и холестеринтрансфераза. К α-аминогруппе N-концевого цистеина SHH N также присоединяется другой гидрофобный фрагмент – пальмитат. Эта модификация необходима для эффективной передачи сигнала, приводя к 30-кратному увеличению активности по сравнению с непальмитоилированной формой, и осуществляется членом мембранно-связанной O-ацилтрансферазной семьи – белком цистеин-N-пальмитоилтрансферазой HHAT.

Роботник

Обнаружен потенциальный ингибитор пути передачи сигналов Hedgehog, получивший название "Роботникинин" — в честь заклятого врага Соника Ежа и главного антагониста серии игр Sonic the Hedgehog, доктора Иво "Эггман" Роботника.

Предыдущие споры вокруг названия

Этот ген связан с состоянием, известным как голопрозенцефалия, которое может приводить к тяжелым дефектам мозга, черепа и лица. Это заставляет некоторых врачей и ученых критиковать название, считая его слишком легкомысленным. Отмечалось, что упоминание о мутации в гене "звукового ежа" может быть воспринято негативно при обсуждении серьезного заболевания с пациентом или его семьей. Эта полемика в значительной степени утихла, и теперь название обычно рассматривается как забавное напоминание о времени до появления быстрого и недорогого полногеномного секвенирования и стандартизированной номенклатуры. Проблема "неуместности" названий генов, таких как "Матери против декапентаплигических", "Безумная бахрома" и "Звуковой еж", в основном решается путем использования стандартизированных аббревиатур при общении с пациентами и их семьями.