Сигнальный путь Wnt

Сигнальный путь Wnt — один из сигнальных путей клетки животных, регулирующий эмбриогенез, дифференцировку тканей и развитие раковых опухолей^[1][2].

Открытие

Наименование Wnt — это комбинация Wg (англ. wingless) и Int^[3] (произносится как уинт). Ген дрозофилы wingless первоначально был идентифицирован по рецессивной мутации, подавляющей у мушки развитие крыльев^[4][5][6]. Гомологичный ген позвоночных Int вначале изучали в связи с присутствием в его локусе нескольких мест интеграции генома вируса рака молочных желез мыши^[7]. Исследование функций этих двух генов привело к открытию целого класса лигандов, регулирующих эмбриональное развитие животных.

Структура Wnt белков

Структура Wnt напоминает кисть руки^[8]. Роль большого пальца в этой структуре выполняет аминоконцевой домен состоящий из пучка α-спиралей содержащего 10 цистеиновых остатков, которые стабилизируют эту структуру образуя 5 дисульфидных мостиков. Роль указательного пальца выполняет карбоксиконцевой домен преимущественно состоящий из двух β-складок поддерживаемых шестью дисульфидными мостиками. Участок между большим и указательным пальцем — «ладонь» — обладает высокой степенью гибкости. К аминоконцевому домену — «большому пальцу» ковалентно присоединяется ацильная группа — пальмолеиновая жирная кислота . Этот ковалентно присоединенный жир необходим для того чтобы Wnt мог взаимодействовать с транспортными и с мембранными белками. Изменения аминоконцевого домена белков Wnt могут играть важную роль в регуляции его активности. Так например, трансмембранный белок протеаза Tiki может подавлять Wnt сигнал отщепляя восемь аминокислот с аминоконцевого участка^[9]. Участок «ладони» является местом посадки гликозильных групп — олигосахаридных цепочек. Степень гликозилирования Wnt никак не влияет на ее активность. Однако предполагается, что N-гликозилирование может влиять на секрецию Wnt, так как негликозилированные молекулы Wnt не могут подвергнуться ацилированию, а значит не могут, как отмечено выше, взаимодействовать с транспортными белками, что необходимо для их секреции. Предполагается, что перенос липида на Wnt осуществляет ацилтранферраза эндоплазматического ретикулума Поркупин (PORCN), так как делеция этого гена нарушает секрецию Wnt^[10].

Секреция Wnt

После ацилирования белок Wnt становится способен связаться с экскортирующими его белками Аппарата Гольджи такими как кодируемый геном Wntless трансмембранный белок GPR177 (называемый также Wls)^[11] и «белки-грузчики» p24, которые переносят Wnt от эндоплазматического ретикулума на поверхность клетки^[12]. Помимо этих белков в секреции Wnt участвует член семейства транспортных белков-липокаинов белок Swim, который поддерживает растворимость и сигнальную активность компллекса Wnt/Wls^[13]).

Wnt во внеклеточной среде

Во внеклеточной среде Wnt образует комплексы с гликанами внеклеточного матрикса , что может существенно влиять на мощность и продолжительность их сигнала^[14]. Попав во внеклеточную среду Wnt оказывается вовлеченным в многочисленные процессы межклеточного общения.

Мембранные рецепторы Wnt

Для того чтобы воздействовать на клетку-мишень Wnt должен связаться с клеточными рецепторами . В качестве таких рецепторов на поверхности клетки выступают трансмембранный белок Фрайзлед (Frizzled — Fz) и липопротеиды низкой плотности LRP5 / LRP6. Связаться с ними молекуле Wnt активно мешают различные антагонисты которым противостоят агонисты.

Секретируемые антагонисты и агонисты Wnt

С секретируемыми молекулами Wnt непосредственно связываются их антагонисты: Wnt ингибирующий фактор (WIF) и sFRP. Белки DKK и sclerostin (SOST) могут связаться с рецепторами LRP5 / LRP6 для предотвращения образования комплекса Fz-Wnt-LRP6. Белки Shisa захватив Fz в эндоплазматическом ретикулуме мешают ему выйти на поверхность клетки. Если же молекулы Wnt образуют комплекс с LRP5 / 6 и Fz сигнализация активируется. Белок R-spondin (RSPO) стабилизируя рецепторы FZ и LRP 5 / 6 повышает Wnt сигнализацию.

Механизмы воздействия Wnt на клетку

Отдельные компоненты сигнального пути Wnt консервативны от нематоды Caenorhabditis elegans до человека. Предполагается, что примитивные формы лиганда этого типа имелись уже у предков всех Bilateria животных, но их происхождение прослеживается от губок и слизевиков.

По традиции механизмы воздействия Wnt на клетку подразделяют на канонический (β-катенин зависимый) путь, который изменяет концентрацию клеточного β-катенина и в конечном счете контролирует программы генной экспрессии связанные с определением судьбы клетки и морфогенезом^[15] и так называемые неканонические (β-катенин независимые) пути которые регулируют полярность клетки стимулируя реорганизацию цитоскелета^[16] и метаболизм кальция^[17]. Исторически механизмы воздействия Wnt разделяли на канонические и неканонические, используя три стандартных метода определения: по активности в культуре клеток C57MG, по способности влиять на эмбриогенез у Xenopus и по индукции образования почечных канальцев в изолированной культуре мезенхимальных клеток почки^[18]. Однако позже выяснилось, что выбор сигнального пути зависит не столько от лиганда, сколько от рецептора и других белков, составляющих собственно сигнальный путь.

Канонический путь передачи сигнала

В основе канонического пути Wnt сигнализации лежит стабилизация цитоплазматического белка β-катенина . Канонический путь сигнала Wnt регулируется на многих уровнях, в том числе путем многочисленных противостоящих ему механизмов управления. В отсутствие сигнала β -катенин связан и фосфорилируется «деструктирующим комплексом» содержащим белок супрессор опухолей- adenomatous polyposis coli (APC), цитоплазматический «поддерживающий» белок Axin, а также протеинкиназу GSK-3 и казеин киназу (CK1). Фермент GSK-3 ответствен за «запуск» деградации порядка 20 % клеточных белков, давая фосфорилированием «добро» на посадку убиквитина , высоко консервативного белка, который служит в качестве молекулярного тега обозначающего белки предназначенные для деградации в протеосоме. Когда клетки получают Wnt, этот лиганд связывает мембранный рецептор семейства Frizzled, который, в свою очередь, активирует белок Dishevelled (DSH), ингибирующий мультибелковый «деструктирующий комплекс» что приводит к снижению скорости деградации β-катенина, так как Wnt «заставляет» GSK-3 оказаться в изоляции, прочно связанным с внутренней стороной мембраны так называемых мультивезикулярных телец цитоплазмы^[19] и подавляет убиквитинилирование^[20].

Рецептор Frizzled на клеточной мембране связывает белок LRP^[21], который кроме Frizzled связывает также Wnt и аксин, стабилизируя комплекс Wnt/Frizzled/LRP/Dishevelled/аксин (рецепторный комплекс).

Когда β-катенин — ключевой внутриклеточный элемент этого сигнального пути, избегает деградации и накапливается в цитоплазме он входит в ядро, где активирует Т-клеточные факторы (TCF) направляющие β-катенин на гены-мишени Wnt^[22] регулирующие экспрессию множества генов.

GSK-3 помимо этого участвует в путях регуляции метаболизма другими важными протеинкиназами такими как мишень рапамицина — mTOR и AKT . Таким образом, ингибирование GSK-3 под влиянием Wnt затрагивает очень многие механизмы^[23][24].

Молекулярный механизм, связывающий Hippo сигнализацию с сигнализацией Wnt / β-катенина

Наряду с β-катенином посредником сигнала Wnt служит посредник Hippo сигнализации транскрипционный коактиватор TAZ (известный также как WWTR1). В отсутствие сигнала Wnt, деструктирующий комплекс APC, Axin, и GSK3 поддерживает TAZ на низком уровне. Деградация TAZ зависит от фосфорилированного β-катенина, который связывает TAZ с его убиквитин лигазой β-TrCP. В присутствии Wnt сигнала, β-катенин избежавший разрушения деструктирующим комплексом нарушает деградацию TAZ, что приводит к одновременному накоплению β-катенина и TAZ. Оба эти посредника далее действуют на уровне генома влияя на транскрипцию^[25] Таким образом и некоторыми другими способами^[26][27] эти два пути сигнализации могут влиять друг на друга и совместно регулировать рост тканей и их регенерацию.

Неканонические пути передачи сигнала

Помимо рецепторов Frizzled и LRP Wnt может связываться с рецепторными тримерными G-белками^[28][29] тирозинкиназами Ror и Ryk . Ror связавшись с Wnt5a, фосфорилирует белок Дишевеллед и таким образом контролирует морфогенез тканей^[30], тогда как Ryk фосфорилируя мембранный белок клеточной поверхности Vangl2 контролирует полярность клетки^[31].

Неканонические (β-катенин независимые) пути регулируют полярность клетки стимулируя реорганизацию цитоскелета^[32] и метаболизм кальция^[33].

Регуляция транскрипции генов-мишеней Wnt

В ядре β-катенин захватив ядерные белки BCL9, пигопус (Pygopus), также некоторые белки активаторы становится способен активировать белки TCF/LEF превращая их в мощных активаторов транскрипции генов-мишеней Wnt. TCF/LEF являются многофукциональными белками, которые обладая способностью избирательно связываться с определенными последовательностями ДНК и с определенными белками-активаторами «принимают решение» какие из генов будут активированы сигналом Wnt^[34] . Обнаружено что связь между β-катенином и TCF4 необходимая для такой активации может быть нарушена ресвератролом. Это позволяет предположить что ресвератрол, являющийся флавоноидом кожицы черного винограда и получаемого из него вина, может быть использован в качестве безвредного лекарства для подавления сигнала Wnt при раковых заболеваниях^[35] .

Выяснилось что β-катенин, избежавший деградации благодаря Wnt сигнала, активирует синтез ферментативной субъединицых теломеразы (TERT) в стволовых и раковых клетках. В этом ему помогает один из транскрипционных факторов плюрипотенции — Klf4, направляющий его на промотор гена Tert^[36] .

Роль Wnt / β-катенин в стволовых клетках

Стволовые клетки в основном характеризуются двумя свойствами: способностью к самообновлению и способностью к дифференцировке в различные типы клеток. Эти процессы регулируются различными факторами роста, в том числе белками Wnt^[37] . Накопленные данные показывают, что сигнальный путь Wnt / β-катенина играет ключевую роль в поддержании плюрипотентности, а также в процессах перепрограммирования соматических клеток. В то же время сигнализация Wnt / β-катенин играет также важную роль и в процессах детерминации и дифференцировки. Обнаружено что добавление белка Wnt или же, наоборот, малой молекулы ингибитора Wnt (IWP2) снижает неоднородность популяции клеток, при этом соответственно образуются либо клетки со стабильно высоким уровнем синтеза Wnt, либо клетки с низким уровнем синтеза Wnt. При дифференцировке эмбриональные клетки с высоким уровнем синтеза Wnt преимущественно образуют энтодермальные и сердечные клетки, а с низким образуют в первую очередь нейроэктодермальные клетки^[38] . Знание того, что сигнализация Wnt на ранних стадиях дифференцировки повышает, а на поздних стадиях наоборот угнетает развитие сердца, позволило путем правильной стратегии использования малых молекул и механизмов сигнализации Wnt получить in vitro из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека кардиомиоциты с недостижимой до сих пор эффективностью до 98 %^[39] !

Влияние Wnt на клеточный цикл и пролиферацию клеток

Появляется все больше доказательств сложного взаимодействия канонического пути Wnt сигнализации и клеточного цикла. Сигнализация Wnt сильно активируется в митозе, свидетельствуя о том, что «митотическая Wnt сигнализация» играет важную роль в организации программы клеточного деления и таким образом способствует клеточной пролиферации^[40][41][42]. Сигнал Wnt может действовать на пролиферацию клеток активируя транскрипцию циклина D1, c-myc и CDC20-опосредованного контроля деградации белка conductin, которые контролируют G1 / S переход клеточного цикла, а также с помощью комплекса, содержащего Cdk14 (PFTK1) и циклин Y^[43]. Компоненты Wnt сигнального каскада действуют непосредственно на формирование митотического веретена. Так например, у излюбленного модельного организма исследователей — червячка C. elegans Wnt сигнализация вызывает асимметрию митотического веретена приводящую к асимметричному распределению β-катенина^[44].

Примечания

1. ↑ Yingzi Yang (2012) Wnt signaling in development and disease. CELL & BIOSCIENCE, 2(1), 14, DOI: 10.1186/2045-3701-2-14
2. ↑ Lie DC, Colamarino SA, Song HJ, Désiré L, Mira H, Consiglio A, Lein ES, Jessberger S, Lansford H, Dearie AR, Gage FH (October 2005). «Wnt signalling regulates adult hippocampal neurogenesis». Nature 437 (7063): 1370–5. DOI:10.1038/nature04108. PMID 16251967.
3. ↑ Rijsewijk F, Schuermann M, Wagenaar E, Parren P, Weigel D, Nusse R (August 1987). «The Drosophila homolog of the mouse mammary oncogene int-1 is identical to the segment polarity gene wingless». Cell 50 (4): 649–57. DOI:10.1016/0092-8674(87)90038-9. PMID 3111720.
4. ↑ Sharma R P, Chopra V L (February 1976). «Effect of the Wingless (wg1) Mutation on Wing and Haltere Development in Drosophila melanogaster». Developmental Biology 48 (2): 461–465. PMID 815114.
5. ↑ Nüsslein-Volhard C, Wieschaus E (October 1980). «Mutations affecting segment number and polarity in Drosophila». Nature 287 (5785): 795–801. DOI:10.1038/287795a0. PMID 6776413.
6. ↑ Wu J, Cohen SM (15 May 2002). «Repression of Teashirt marks the initiation of wing development». Development 129 (10): 2411–8. PMID 11973273.
7. ↑ Nusse R, van Ooyen A, Cox D, Fung YK, Varmus H (1984). «Mode of proviral activation of a putative mammary oncogene (int-1) on mouse chromosome 15». Nature 307 (5947): 131–6. DOI:10.1038/307131a0. PMID 6318122.
8. ↑ Karl Willert and Roel Nusse (2012) Wnt Proteins. Cold Spring Harbor Laboratory Press; doi: 10.1101/cshperspect.a007864
9. ↑ Zhang X, Abreu JG, Yokota C, MacDonald BT, Singh S, Coburn KL, Cheong S-M,Zhang MM, Ye Q-Z, Hang HC, et al. 2012. Tiki1 is required for head formation via Wnt cleavage-oxidation and inactivation. Cell 149: 1565—1577
10. ↑ Barrott JJ, Cash GM, Smith AP, Barrow JR, Murtaugh LC. 2011. Deletion of mouse Porcn blocks Wnt ligand secretion and reveals an ectodermal etiology of human focal dermal hypoplasia/Goltz syndrome. Proc Natl Acad Sci 108:12752-12757
11. ↑ Herr P, Basler K. 2011. Porcupine-mediated lipidation is required for Wnt recognition by Wls. Dev Biol 361: 392—402.
12. ↑ Buechling T, Chaudhary V, Spirohn K, Weiss M, Boutros M. 2011. p24 proteins are required for secretion of Wnt ligands. EMBO Rep 12: 1265—1272
13. ↑ Mulligan K, Fuerer C, Ching W, Fish M, Willert K, Nusse R. 2012. The Wnt/Wingless binding protein Swim promotes long-range signaling by maintaining Wingless solubility. Proc Natl Acad Sci 109: 370—377
14. ↑ Berendsen AD, Fisher LW, Kilts TM, Owens RT, Robey PG, Gutkind JS, YoungMF. 2011. Modulation of canonical Wnt signaling by the extracellular matrix component biglycan. Proc Natl Acad Sci 108: 17022-17027.
15. ↑ van Amerongen R, Nusse R. 2009. Towards an integrated view of Wnt signaling in development. Development 136: 3205-3214. Abstract/FREE Full Text
16. ↑ Goodrich LV, Strutt D (2011) Principles of planar polarity in animal development. Development 138:1877-1892. Abstract/FREE Full Text
17. ↑ Kohn AD, Moon RT (2005) Wnt and calcium signaling: Beta-catenin-independent pathways. Cell Calcium 38:439-446
18. ↑ Merkel C, Karner C, Carroll T (November 2007). «Molecular regulation of kidney development: is the answer blowing in the Wnt?». Pediatr Nephrol. 22 (11): 1825-38. DOI:10.1007/s00467-007-0504-4. PMID 17554566.
19. ↑ Taelman VF, Dobrowolski R, Plouhinec JL, Fuentealba LC, Vorwald PP, Gumper I,Sabatini DD, De Robertis EM. (2010) Wnt signaling requires sequestration of glycogen synthase kinase 3 inside multivesicular endosomes. Cell. 143(7); 1136—1148
20. ↑ Li V. S.W. et al. & Clevers H. (2012) Wnt Signaling through Inhibition of β-Catenin Degradation in an Intact Axin1 Complex. Cell, 149(6), 1245—1256, doi: 10.1016/j.cell.2012.05.002
21. ↑ Wehrli M, Dougan ST, Caldwell K, O'Keefe L, Schwartz S, Vaizel-Ohayon D, Schejter E, Tomlinson A, DiNardo S (September 2000). «arrow encodes an LDL-receptor-related protein essential for Wingless signalling». Nature 407 (6803): 527–30. DOI:10.1038/35035110. PMID 11029006.
22. ↑ Cadigan K. M. (2012) TCFs and Wnt/ β-catenin signaling: More then one way to throw the switch. In:Transcriptional Switches During Development Serge Plaza, Francois Payre eds. Academic Press, pp. 2-27, 2012
23. ↑ Palsgaard, B. Emanuelli, J. N. Winnay, G. Sumara, G. Karsenty, C. R. Kahn (2012) Cross-talk between insulin and Wnt signaling in preadipocytes. J. Biol. Chem. 287, 12016-12026
24. ↑ Silvia Muñoz Descalzo, Alfonso Martinez Arias (2012) The structure of Wntch signalling and the resolution of transition states in development. Seminars in Cell & Developmental Biology, 23(4), 443—449 doi.org/10.1016/j.semcdb.2012.01.012
25. ↑ Luca Azzolin, Francesca Zanconato, Silvia Bresolin, et al. & Stefano Piccolo (2012)Role of TAZ as Mediator of Wnt Signaling. Cell, http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2012.11.027
26. ↑ Wesley M. Konsavage Jr and Gregory S. Yochum (2012) Intersection of Hippo/YAP and Wnt/β-catenin signaling pathways Acta Biochim Biophys Sin, doi: 10.1093/abbs/gms084
27. ↑ Masamichi Imajo, Koichi Miyatake, Akira Iimura, Atsumu Miyamoto and Eisuke Nishida (2012) A molecular mechanism that links Hippo signalling to the inhibition of Wnt/β-catenin signaling. The EMBO Journal 31, 1109—1122 doi:10.1038/emboj.2011.487
28. ↑ Katanaev VL, Ponzielli R, Sémériva M, Tomlinson A (January 2005). «Trimeric G protein-dependent frizzled signaling in Drosophila». Cell 120 (1): 111–22. DOI:10.1016/j.cell.2004.11.014. PMID 15652486.
29. ↑ Liu X, Rubin JS, Kimmel AR (November 2005). «Rapid, Wnt-induced changes in GSK3beta associations that regulate beta-catenin stabilization are mediated by Galpha proteins». Curr. Biol. 15 (22): 1989–97. DOI:10.1016/j.cub.2005.10.050. PMID 16303557.
30. ↑ Ho HY, et al. & Greenberg ME. (2012) Wnt5a-Ror-Dishevelled signaling constitutes a core developmental pathway that controls tissue morphogenesis. Proc Natl Acad Sci U S A. ;109(11):4044-51 doi:10.1073/pnas.1200421109
31. ↑ Macheda ML, et al. & Stacker SA. (2012) The wnt receptor ryk plays a role in Mammalian planar cell polarity signaling. J Biol Chem. ;287(35):29312-23. doi:10.1074/jbc.M112.362681
32. ↑ Helen L May-Simera and Matthew W Kelley (2012) Cilia, Wnt signaling, and the cytoskeleton. Cilia , 1:7 doi:10.1186/2046-2530-1-7 http://www.ciliajournal.com/content/1/1/7
33. ↑ Kohn AD, Moon RT (2005) Wnt and calcium signaling: beta-catenin-independent pathways. Cell Calcium 38: 439—446
34. ↑ Cadigan KM, Waterman ML. (2012)TCF/LEFs and Wnt Signaling in the Nucleus. Cold Spring Harb Perspect Biol. pii: cshperspect.a007906v1., doi: 10.1101/cshperspect.a007906
35. ↑ Hui-Jye Chen, Le-Shiang Hsu, Yu-Ting Shia, Meng-Wei Lin, Chung-Ming Lin (2012)The β-catenin/TCF complex as a novel target of resveratrol in the Wnt/β-catenin signaling pathway. Biochemical Pharmacology 84(9), 1143—1153 http://dx.doi.org/10.1016/j.bcp.2012.08.011
36. ↑ Hoffmeyer K. , A. Raggioli, S. Rudloff, R. Anton, A. Hierholzer, I. Del Valle, K. Hein, R. Vogt, R. Kemler. Wnt/ β-Catenin Signaling Regulates Telomerase in Stem Cells and Cancer Cells. Science, 2012; 336 (6088): 1549—1554 DOI: 10.1126/science.1218370
37. ↑ Muñoz-Descalzo, S., de Navascues, J. and Arias, A. M. (2012), Wnt-Notch signalling: An integrated mechanism regulating transitions between cell states. Bioessays, 34: 110—118. doi: 10.1002/bies.201100102
38. ↑ Blauwkamp TA, Nigam S, Ardehali R, Weissman IL, Nusse R. (2012) Endogenous Wnt signalling in human embryonic stem cells generates an equilibrium of distinct lineage-specified progenitors. Nat Commun. 18;3:1070. doi: 10.1038/ncomms2064
39. ↑ Xiaojun Lian, Cheston Hsiao, Gisela Wilson, Et al and Sean P. Palecek (2012) Robust cardiomyocyte differentiation from human pluripotent stem cells via temporal modulation of canonical Wnt signaling. PNAS 2012 109 (27) E1848-E1857,doi:10.1073/pnas.1200250109
40. ↑ Niehrs C, Acebron SP (2012) Mitotic and mitogenic Wnt signalling. EMBO J. ;31(12):2705-13. doi: 10.1038/emboj.2012.124
41. ↑ Gougelet A. and Colnot S. (2012) A Complex Interplay between Wnt/β-Catenin Signalling and the Cell Cycle in the Adult Liver. International Journal of Hepatology, 2012 , ID 816125, doi:10.1155/2012/816125
42. ↑ Hadjihannas MV, Bernkopf DB, Brückner M, Behrens J. (2012) Cell cycle control of Wnt/β-catenin signalling by conductin/axin2 through CDC20. EMBO Rep. ;13(4):347-54
43. ↑ Kaldis P. and Pagano M. (2009) Wnt Signaling in Mitosis. Developmental Cell, 17(6), 749—750, doi:10.1016/j.devcel.2009.12.001
44. ↑ Sugioka K, Mizumoto K, Sawa H (2011) Wnt regulates spindle asymmetry to generate asymmetric nuclear beta-catenin in C. elegans. Cell , 146:942-954