Beta-Catenin - Beta-catenin

CTNB1
2bct murinebcat.jpg
Verfügbare Strukturen
PDB Orthologsuche: PDBe RCSB
Bezeichner
Aliase CTNNB1 , CTNNB, MRD19, Gürteltier, Catenin Beta 1, EVR7, NEDSDV
Externe IDs OMIM : 116806 MGI : 88276 HomoloGen : 1434 GeneCards : CTNNB1
Orthologe
Spezies Menschlich Maus
Entrez
Ensemble
UniProt
RefSeq (mRNA)

NM_001098209
NM_001098210
NM_001904
NM_001330729

NM_001165902
NM_007614

RefSeq (Protein)

NP_001091679
NP_001091680
NP_001317658
NP_001895

NP_001159374
NP_031640

Standort (UCSC) Chr 3: 41,19 – 41,26 Mb Chr. 9: 120,93 – 120,96 Mb
PubMed- Suche
Wikidata
Mensch anzeigen/bearbeiten Maus anzeigen/bearbeiten

Catenin beta-1 , auch als β-Catenin bekannt , ist ein Protein , das beim Menschen vom CTNNB1- Gen kodiert wird .

β-Catenin ist ein Protein mit zwei Funktionen , das an der Regulation und Koordination der Zell-Zell-Adhäsion und der Gentranskription beteiligt ist . Beim Menschen wird das CTNNB1-Protein vom CTNNB1- Gen kodiert . Bei Drosophila wird das homologe Protein Gürteltier genannt . β-Catenin ist eine Untereinheit des Cadherin- Proteinkomplexes und fungiert als intrazellulärer Signalgeber im Wnt-Signalweg . Es ist ein Mitglied der Catenin- Proteinfamilie und homolog zu γ-Catenin , auch bekannt als Plakoglobin . Beta-Catenin wird in vielen Geweben häufig exprimiert. Im Herzmuskel lokalisiert beta-Catenin an Adhärens-Verbindungen in interkalierten Bandscheibenstrukturen , die für die elektrische und mechanische Kopplung zwischen benachbarten Kardiomyozyten entscheidend sind .

Mutationen und Überexpression von β-Catenin sind mit vielen Krebsarten verbunden, einschließlich hepatozellulärem Karzinom , kolorektalem Karzinom , Lungenkrebs , bösartigen Brusttumoren , Eierstock- und Endometriumkrebs . Veränderungen der Lokalisation und des Expressionsspiegels von Beta-Catenin wurden mit verschiedenen Formen von Herzerkrankungen , einschließlich dilatativer Kardiomyopathie, in Verbindung gebracht . β-Catenin wird durch den Beta-Catenin-Destruktionskomplex reguliert und zerstört , und insbesondere durch das adenomatöse Polyposis coli (APC)-Protein, das durch das tumorsupprimierende APC-Gen kodiert wird . Daher ist eine genetische Mutation des APC-Gens auch stark mit Krebserkrankungen verbunden, und insbesondere mit Kolorektalkrebs, der aus familiärer adenomatöser Polyposis (FAP) resultiert .

Entdeckung

Beta-Catenin wurde ursprünglich in den frühen 1990er Jahren als Bestandteil eines Säugetier entdeckt Zelladhäsion ein Protein verantwortlich für cytoplasmatische Verankerung: complex cadherins . Aber sehr bald wurde erkannt , dass das Drosophila - Protein Gürteltier - verwickelt in den morphogenetische Wirkungen vermitteln Wingless / Wnt - ist homolog zu der Säugetier-β-Catenin, nicht nur in der Struktur , sondern auch in der Funktion. So wurde Beta-Catenin zu einem der ersten Beispiele für Schwarzarbeit : ein Protein, das mehr als eine radikal unterschiedliche Zellfunktion ausübt.

Struktur

Proteinstruktur

Der Kern von Beta-Catenin besteht aus mehreren sehr charakteristischen Wiederholungen , die jeweils etwa 40 Aminosäuren lang sind. Als Gürteltier-Wiederholungen bezeichnet , falten sich all diese Elemente zu einer einzigen, starren Proteindomäne mit einer länglichen Form zusammen – die sogenannte Gürteltier-(ARM)-Domäne. Ein durchschnittliches Gürteltier-Repeat besteht aus drei Alpha-Helices . Das erste Repeat von β-Catenin (in der Nähe des N-Terminus) unterscheidet sich geringfügig von den anderen – da es eine verlängerte Helix mit einem Knick aufweist, die durch die Fusion der Helices 1 und 2 entsteht. die gesamte ARM-Domäne ist kein gerader Stab: sie besitzt eine leichte Krümmung, so dass eine äußere (konvexe) und eine innere (konkave) Oberfläche gebildet wird. Diese innere Oberfläche dient als Ligandenbindungsstelle für die verschiedenen Interaktionspartner der ARM-Domänen.

Die vereinfachte Struktur von Beta-Catenin.

Die Segmente N-terminal und weiter C-terminal zur ARM-Domäne nehmen in Lösung selbst keine Struktur an. Dennoch spielen diese intrinsisch ungeordneten Regionen eine entscheidende Rolle bei der Beta-Catenin-Funktion. Die N-terminale ungeordnete Region enthält ein konserviertes kurzes lineares Motiv, das für die Bindung von TrCP1 (auch bekannt als β-TrCP) E3-Ubiquitin-Ligase verantwortlich ist – aber nur, wenn es phosphoryliert ist . Der Abbau von β-Catenin wird somit durch dieses N-terminale Segment vermittelt. Andererseits ist die C-terminale Region ein starker Transaktivator, wenn sie auf DNA rekrutiert wird . Dieses Segment ist nicht vollständig ungeordnet: Ein Teil der C-terminalen Verlängerung bildet eine stabile Helix , die sich gegen die ARM-Domäne packt, aber auch separate Bindungspartner angreifen kann. Dieses kleine Strukturelement (HelixC) bedeckt das C-terminale Ende der ARM-Domäne und schützt seine hydrophoben Reste. HelixC ist nicht notwendig, damit Beta-Catenin bei der Zell-Zell-Adhäsion funktioniert. Andererseits wird es für die Wnt-Signalisierung benötigt: möglicherweise um verschiedene Coaktivatoren wie 14-3-3zeta zu rekrutieren. Ihre genauen Partner unter den allgemeinen Transkriptionskomplexen sind jedoch noch unvollständig verstanden, und es handelt sich wahrscheinlich um gewebespezifische Akteure. Bemerkenswerterweise kann das C-terminale Segment von β-Catenin die Wirkungen des gesamten Wnt-Wegs nachahmen , wenn es künstlich an die DNA-Bindungsdomäne des LEF1- Transkriptionsfaktors fusioniert wird.

Plakoglobin (auch Gamma-Catenin genannt) hat eine auffallend ähnliche Architektur wie Beta-Catenin. Nicht nur ihre ARM-Domänen ähneln sich sowohl in der Architektur als auch in der Ligandenbindungskapazität, sondern das N-terminale β-TrCP-Bindungsmotiv ist auch in Plakoglobin konserviert, was auf eine gemeinsame Abstammung und gemeinsame Regulation mit β-Catenin hinweist. Plakoglobin ist jedoch ein sehr schwacher Transaktivator, wenn es an DNA gebunden ist – dies wird wahrscheinlich durch die Divergenz ihrer C-terminalen Sequenzen verursacht (Plakoglobin scheint die Transaktivatormotive zu fehlen und hemmt daher die Zielgene des Wnt-Signalwegs , anstatt sie zu aktivieren).

Partner, die an die Gürteltierdomäne binden

Partner, die um die Hauptbindungsstelle auf der ARM-Domäne von Beta-Catenin konkurrieren. Die Hilfsbindungsstelle ist nicht gezeigt.

Wie oben skizziert, fungiert die ARM-Domäne von Beta-Catenin als Plattform, an die spezifische lineare Motive binden können. Die β-Catenin-Bindungsmotive befinden sich in strukturell unterschiedlichen Partnern und sind typischerweise eigenständig fehlgeordnet und nehmen typischerweise eine starre Struktur bei ARM-Domäneneingriff an – wie bei kurzen linearen Motiven zu sehen ist . Jedoch weisen β-Catenin-wechselwirkende Motive auch eine Reihe von besonderen Eigenschaften auf. Erstens könnten sie die Länge von 30 Aminosäuren erreichen oder sogar übertreffen und die ARM-Domäne auf einer übermäßig großen Oberfläche kontaktieren. Eine weitere Besonderheit dieser Motive ist ihr häufig hoher Phosphorylierungsgrad . Solche Ser / Thr- Phosphorylierungsereignisse verstärken die Bindung vieler β-Catenin-assoziierender Motive an die ARM-Domäne stark.

Die Struktur von Beta-Catenin im Komplex mit der Catenin-Bindungsdomäne des Transkriptionstransaktivierungspartners TCF lieferte den ersten strukturellen Fahrplan dafür, wie viele Bindungspartner von Beta-Catenin Wechselwirkungen eingehen können. Diese Struktur demonstrierte, wie sich der ansonsten ungeordnete N-Terminus von TCF an eine scheinbar starre Konformation anpasste, wobei das Bindungsmotiv viele Beta-Catenin-Wiederholungen umfasst. Es wurden relativ stark geladene Wechselwirkungs-"Hot-Spots" definiert (vorhergesagt und später verifiziert, um für die Beta-Catenin/E-Cadherin-Wechselwirkung konserviert zu werden) sowie hydrophobe Regionen, die für die Gesamtbindungsart als wichtig erachtet wurden und als potenzielle therapeutische kleine Molekül-Inhibitor-Targets gegen bestimmte Krebsformen. Darüber hinaus zeigten folgende Studien eine weitere besondere Eigenschaft, die Plastizität bei der Bindung des TCF-N-Terminus an Beta-Catenin.

In ähnlicher Weise finden wir das bekannte E-Cadherin , dessen zytoplasmatischer Schwanz die ARM-Domäne auf die gleiche kanonische Weise kontaktiert. Das Gerüstprotein Axin (zwei eng verwandte Paraloge, Axin 1 und Axin 2 ) enthält ein ähnliches Interaktionsmotiv auf seinem langen, ungeordneten Mittelsegment. Obwohl ein Axinmolekül nur ein einziges β-Catenin-Rekrutierungsmotiv enthält, enthält sein Partner, das Adenomatous Polyposis Coli (APC)-Protein, 11 solcher Motive in Tandemanordnung pro Protomer und ist somit in der Lage, mit mehreren β-Catenin-Molekülen gleichzeitig zu interagieren. Da die Oberfläche der ARM-Domäne typischerweise jeweils nur ein Peptidmotiv aufnehmen kann, konkurrieren alle diese Proteine ​​um denselben zellulären Pool von β-Catenin-Molekülen. Dieser Wettbewerb ist der Schlüssel zum Verständnis der Funktionsweise des Wnt-Signalwegs .

Diese "Haupt"-Bindungsstelle auf der ARM-Domäne β-Catenin ist jedoch keineswegs die einzige. Die ersten Helices der ARM-Domäne bilden eine zusätzliche, spezielle Protein-Protein-Interaktionstasche: Diese kann ein helixbildendes lineares Motiv aufnehmen, das im Coaktivator BCL9 (oder dem eng verwandten BCL9L ) gefunden wird – einem wichtigen Protein, das an der Wnt-Signalübertragung beteiligt ist . Obwohl die genauen Details viel weniger klar sind, scheint es, dass die gleiche Stelle von Alpha-Catenin verwendet wird, wenn Beta-Catenin an den Adhärenz-Verbindungen lokalisiert ist. Da sich diese Tasche von der "Haupt"-Bindungsstelle der ARM-Domäne unterscheidet, gibt es keine Konkurrenz zwischen Alpha-Catenin und E-Cadherin bzw. zwischen TCF1 und BCL9. Andererseits müssen BCL9 und BCL9L mit α-Catenin konkurrieren, um auf β-Catenin-Moleküle zuzugreifen.

Funktion

Regulierung des Abbaus durch Phosphorylierung

Der zelluläre Spiegel von Beta-Catenin wird hauptsächlich durch seine Ubiquitinierung und den proteosomalen Abbau kontrolliert . Die E3-Ubiquitin-Ligase TrCP1 (auch bekannt als β-TrCP) kann β-Catenin als ihr Substrat durch ein kurzes lineares Motiv am ungeordneten N-Terminus erkennen. Dieses Motiv (Asp-Ser-Gly-Ile-His-Ser) von β-Catenin muss jedoch an den beiden Serinen phosphoryliert werden, um β-TrCP binden zu können. Die Phosphorylierung des Motivs wird durch Glykogen-Synthase-Kinase 3 alpha und beta (GSK3α und GSK3β) durchgeführt. GSK3s sind konstitutiv aktive Enzyme, die an mehreren wichtigen regulatorischen Prozessen beteiligt sind. Es gibt jedoch eine Voraussetzung: Substrate von GSK3 müssen vier Aminosäuren stromabwärts (C-terminal) der eigentlichen Zielstelle vorphosphoryliert werden. Daher benötigt es für seine Aktivitäten auch eine "Priming-Kinase". Bei Beta-Catenin ist die wichtigste Priming-Kinase die Casein-Kinase I (CKI). Sobald ein Serin-Threonin-reiches Substrat "geprimt" wurde, kann GSK3 es von C-terminal zu N-terminal "überqueren" und jeden 4. Serin- oder Threoninrest in Folge phosphorylieren . Dieser Prozess führt auch zu einer dualen Phosphorylierung des zuvor erwähnten β-TrCP-Erkennungsmotivs.

Der Beta-Catenin-Zerstörungskomplex

Damit GSK3 eine hochwirksame Kinase auf einem Substrat ist, reicht eine Vorphosphorylierung nicht aus. Es gibt eine zusätzliche Voraussetzung: Ähnlich wie bei den Mitogen-aktivierten Proteinkinasen (MAPKs) müssen Substrate mit diesem Enzym über hochaffine Andockmotive assoziieren . Beta-Catenin enthält keine derartigen Motive, wohl aber ein spezielles Protein: Axin . Darüber hinaus grenzt sein GSK3-Docking-Motiv direkt an ein β-Catenin-Bindungsmotiv. Auf diese Weise fungiert Axin als echtes Gerüstprotein , das ein Enzym (GSK3) zusammen mit seinem Substrat (β-Catenin) in physikalische Nähe bringt.

Vereinfachte Struktur des Beta-Catenin-Zerstörungskomplexes. Beachten Sie den hohen Anteil an intrinsisch ungeordneten Segmenten in den Axin- und APC-Proteinen.

Aber auch Axin handelt nicht allein. Durch seinen N-terminalen Regulator der G-Protein Signaling (RGS) Domäne rekrutiert es das adenomatöse Polyposis coli (APC) Protein. APC ist wie ein riesiger "Weihnachtsbaum": Mit einer Vielzahl von β-Catenin-Bindungsmotiven (ein APC- Molekül allein besitzt 11 solcher Motive) kann es so viele β-Catenin-Moleküle wie möglich sammeln. APC kann mit mehreren Axinmolekülen gleichzeitig interagieren, da es drei SAMP-Motive (Ser-Ala-Met-Pro) besitzt, um die in Axin gefundenen RGS-Domänen zu binden . Darüber hinaus hat Axin auch das Potenzial, durch seine C-terminale DIX-Domäne zu oligomerisieren. Das Ergebnis ist eine riesige, multimere Proteinanordnung, die der β-Catenin-Phosphorylierung gewidmet ist. Dieser Komplex wird normalerweise als Beta-Catenin-Zerstörungskomplex bezeichnet , obwohl er sich von der Proteosomenmaschinerie unterscheidet, die tatsächlich für den β-Catenin-Abbau verantwortlich ist. Es markiert nur β-Catenin-Moleküle für die anschließende Zerstörung.

Wnt-Signalisierung und Regulierung der Zerstörung

In ruhenden Zellen oligomerisieren Axinmoleküle miteinander durch ihre C-terminalen DIX-Domänen, die zwei Bindungsschnittstellen aufweisen. So können sie im Zytoplasma von Zellen lineare Oligomere oder sogar Polymere aufbauen. DIX-Domänen sind einzigartig: Die einzigen anderen Proteine, von denen bekannt ist, dass sie eine DIX-Domäne haben, sind Disheveled und DIXDC1 . (Das einzelne Dsh- Protein von Drosophila entspricht drei paralogen Genen, Dvl1 , Dvl2 und Dvl3 bei Säugern .) Dsh assoziiert mit seinen PDZ- und DEP- Domänen mit den zytoplasmatischen Regionen von Frizzled- Rezeptoren . Wenn ein Wnt- Molekül an Frizzled bindet , induziert es eine kaum bekannte Kaskade von Ereignissen, die zur Freilegung der DIX-Domäne von zerzausten und zur Schaffung einer perfekten Bindungsstelle für Axin führt . Axin wird dann durch Dsh von seinen oligomeren Anordnungen – dem β-Catenin-Zerstörungskomplex – wegtitriert . Sobald es an den Rezeptorkomplex gebunden ist, wird Axin für die β-Catenin-Bindung und die GSK3-Aktivität unfähig gemacht. Wichtig ist, dass die zytoplasmatischen Segmente der Frizzled-assoziierten LRP5- und LRP6- Proteine ​​GSK3-Pseudosubstratsequenzen (Pro-Pro-Pro-Ser-Pro-x-Ser) enthalten, die durch CKI entsprechend "geprimt" (vorphosphoryliert) wären, als ob es war ein echtes Substrat von GSK3. Diese falschen Zielstellen hemmen die GSK3-Aktivität auf kompetitive Weise stark. Auf diese Weise wird das rezeptorgebundene Axin die Vermittlung der Phosphorylierung von β-Catenin aufheben. Da Beta-Catenin nicht mehr zur Zerstörung markiert ist, sondern weiterhin produziert wird, wird seine Konzentration ansteigen. Sobald der β-Catenin-Spiegel hoch genug ansteigt, um alle Bindungsstellen im Zytoplasma zu sättigen, wird es auch in den Zellkern translozieren. Beim Einrücken der Transkriptionsfaktoren LEF1 , TCF1 , TCF2 oder TCF3 , β-Catenin zwingt sie , ihre früheren Partner zu lösen: Groucho Proteine. Im Gegensatz zu Groucho , der Transkriptionsrepressoren (zB Histon-Lysin-Methyltransferasen ) rekrutiert , bindet Beta-Catenin Transkriptionsaktivatoren und schaltet Zielgene ein.

Rolle bei der Zell-Zell-Adhäsion

Die Schwarzarbeit von Beta-Catenin.

Zell-Zell-Adhäsionskomplexe sind essentiell für die Bildung komplexer tierischer Gewebe. β-Catenin ist Teil eines Proteinkomplexes , der adhärente Verbindungen bildet . Diese Zell-Zell-Adhäsionskomplexe sind für die Bildung und Aufrechterhaltung von Epithelzellschichten und -barrieren notwendig . Als Bestandteil des Komplexes kann β-Catenin das Zellwachstum und die Adhäsion zwischen Zellen regulieren. Es kann auch für die Übertragung des Kontakthemmungssignals verantwortlich sein, das bewirkt, dass sich die Zellen nicht mehr teilen, sobald die Epithelschicht vollständig ist. Der E-Cadherin-β-Catenin-α-Catenin-Komplex ist schwach mit Aktinfilamenten verbunden . Adherens Junctions erfordern eine signifikante Proteindynamik , um sich mit dem Aktin-Zytoskelett zu verbinden und dadurch die Mechanotransduktion zu ermöglichen .

Ein wichtiger Bestandteil der Adhärens Junctions sind die Cadherinproteine . Cadherine bilden die Zell-Zell-Verbindungsstrukturen, die als Adhärens-Verbindungen bekannt sind , sowie die Desmosomen . Cadherine sind in der Lage, über ihre extrazellulären Cadherin-Repeatdomänen auf Ca2+-abhängige Weise homophile Wechselwirkungen einzugehen; dies kann benachbarte Epithelzellen zusammenhalten. Während sie sich in der Adhärens-Verbindung befinden , rekrutieren Cadherine β-Catenin-Moleküle auf ihre intrazellulären Regionen. β-Catenin wiederum assoziiert mit einem anderen hochdynamischen Protein, α-Catenin , das direkt an die Aktinfilamente bindet . Dies ist möglich, weil α-Catenin und Cadherine an unterschiedlichen Stellen an β-Catenin binden. Der β-Catenin-α-Catenin-Komplex kann somit physikalisch eine Brücke zwischen Cadherinen und dem Aktin-Zytoskelett bilden . Die Organisation des Cadherin-Catenin-Komplexes wird zusätzlich durch Phosphorylierung und Endozytose seiner Bestandteile reguliert .

Rollen in der Entwicklung

Beta-Catenin spielt eine zentrale Rolle bei der Steuerung mehrerer Entwicklungsprozesse, da es Transkriptionsfaktoren direkt binden und durch eine diffundierbare extrazelluläre Substanz reguliert werden kann: Wnt . Es wirkt auf frühe Embryonen, um ganze Körperregionen sowie einzelne Zellen in späteren Entwicklungsstadien zu induzieren. Es reguliert auch physiologische Regenerationsprozesse.

Frühe embryonale Musterung

Der Wnt-Signalweg und die beta-Catenin-abhängige Genexpression spielen eine entscheidende Rolle bei der Bildung verschiedener Körperregionen im frühen Embryo. Experimentell veränderte Embryonen, die dieses Protein nicht exprimieren, entwickeln kein Mesoderm und initiieren die Gastrulation . Während der Blastula und Gastrula Stufen, Wnt sowie BMP und FGF Wege wird die antero-posteriore Achse Bildung regulieren die präzise Platzierung des Primitivstreifens (Gastrulation und Mesodermbildung) sowie den Prozess der Neurulation (Zentralnervensystem - Entwicklung induzieren ).

In Xenopus- Oozyten ist β-Catenin zunächst gleichmäßig in allen Regionen des Eies lokalisiert, wird jedoch durch den β-Catenin-Zerstörungskomplex für die Ubiquitinierung und den Abbau bestimmt. Die Befruchtung des Eies verursacht eine Rotation der äußeren kortikalen Schichten, wodurch Cluster der Frizzled- und Dsh- Proteine ​​näher an die äquatoriale Region bewegt werden . β-Catenin wird unter dem Einfluss des Wnt-Signalwegs in den Zellen, die diesen Teil des Zytoplasmas erben , lokal angereichert . Es wird schließlich in den Zellkern translozieren, um TCF3 zu binden , um mehrere Gene zu aktivieren, die dorsale Zelleigenschaften induzieren. Diese Signalübertragung führt zu einer Region von Zellen, die als grauer Halbmond bekannt ist und ein klassischer Organisator der Embryonalentwicklung ist. Wird diese Region dem Embryo operativ entfernt, kommt es überhaupt nicht zur Gastrulation. β-Catenin spielt auch eine entscheidende Rolle bei der Induktion der Blastoporenlippe , die wiederum die Gastrulation einleitet . Die Hemmung der GSK-3-Translation durch Injektion von Antisense-mRNA kann zur Bildung einer zweiten Blastopore und einer überflüssigen Körperachse führen. Ein ähnlicher Effekt kann aus der Überexpression von β-Catenin resultieren.

Asymmetrische Zellteilung

Beta-Catenin ist auch an der Regulation des Zellschicksals durch asymmetrische Zellteilung im Modellorganismus C. elegans beteiligt . Ähnlich wie bei den Xenopus- Oozyten ist dies im Wesentlichen das Ergebnis einer ungleichen Verteilung von Dsh , Frizzled , Axin und APC im Zytoplasma der Mutterzelle.

Stammzellenerneuerung

Eines der wichtigsten Ergebnisse der Wnt-Signalübertragung und des erhöhten Beta-Catenin-Spiegels in bestimmten Zelltypen ist die Aufrechterhaltung der Pluripotenz . In anderen Zelltypen und Entwicklungsstadien kann β-Catenin die Differenzierung fördern , insbesondere in Richtung mesodermaler Zelllinien.

Epithel-zu-mesenchymaler Übergang

Beta-Catenin wirkt auch in späteren Stadien der Embryonalentwicklung als Morphogen. Zusammen mit TGF-β besteht eine wichtige Rolle von β-Catenin darin, eine morphogenetische Veränderung in Epithelzellen zu induzieren. Es veranlasst sie, ihre feste Adhäsion aufzugeben und einen beweglicheren und locker assoziierten mesenchymalen Phänotyp anzunehmen . Während dieses Prozesses verlieren Epithelzellen die Expression von Proteinen wie E-Cadherin , Zonula occludens 1 (ZO1) und Cytokeratin . Gleichzeitig aktivieren sie die Expression von Vimentin , Alpha-Glattmuskel-Aktin (ACTA2) und Fibroblasten-spezifischem Protein 1 (FSP1). Sie produzieren auch extrazelluläre Matrixkomponenten wie Kollagen Typ I und Fibronektin . Aberrante Aktivierung des Wnt-Signalwegs wurde mit pathologischen Prozessen wie Fibrose und Krebs in Verbindung gebracht. In Herzmuskelentwicklung, beta-Catenin führt eine zweiphasige Rolle. Anfänglich ist die Aktivierung von Wnt /beta-Catenin für die Bindung mesenchymaler Zellen an eine Herzlinie essentiell ; in späteren Entwicklungsstadien ist jedoch die Herunterregulierung von Beta-Catenin erforderlich.

Beteiligung an der Herzphysiologie

Im Herzmuskel bildet Beta-Catenin einen Komplex mit N-Cadherin an adhärenten Verbindungen innerhalb interkalierter Scheibenstrukturen , die für die elektrische und mechanische Kopplung benachbarter Herzzellen verantwortlich sind. Studien an einem Modell erwachsener ventrikulärer Kardiomyozyten von Ratten haben gezeigt, dass das Auftreten und die Verteilung von Beta-Catenin während der Redifferenzierung dieser Zellen in Kultur räumlich-zeitlich reguliert wird. Insbesondere ist Beta-Catenin Teil eines besonderen Komplexes mit N-Cadherin und Alpha-Catenin , der in frühen Stadien nach der Isolierung von Kardiomyozyten für die Neubildung von Zell-Zell-Kontakten an Adhärenzverbindungen reichlich vorhanden ist . Es wurde gezeigt, dass Beta-Catenin in Kardiomyozyten an Adhärenz-Verbindungen innerhalb interkalierter Bandscheiben einen Komplex mit Emerin bildet ; und diese Wechselwirkung hängt von der Anwesenheit von GSK-3-beta- Phosphorylierungsstellen auf beta-Catenin ab. Das Ausschalten von Emerin veränderte signifikant die Beta-Catenin-Lokalisierung und die gesamte interkalierte Bandscheibenarchitektur , die einem dilatativen Kardiomyopathie- Phänotyp ähnelte .

In Tiermodellen von Herzerkrankungen, Funktionen von Beta-Catenin werden enthüllt. In einem Meerschweinchenmodell mit Aortenstenose und linksventrikulärer Hypertrophie wurde gezeigt, dass Beta-Catenin die subzelluläre Lokalisation von interkalierten Scheiben zum Zytosol ändert, obwohl sich die gesamte zelluläre Häufigkeit von Beta-Catenin nicht ändert. Vinculin zeigte ein ähnliches Veränderungsprofil. N-Cadherin zeigte keine Veränderung, und es gab keine kompensatorische Hochregulation von Plakoglobin an interkalierten Bandscheiben in Abwesenheit von Beta-Catenin. In einem Hamstermodell für Kardiomyopathie und Herzinsuffizienz waren die Zell-Zell-Adhäsionen unregelmäßig und desorganisiert, und die Expressionsniveaus der Adhärenzverbindung / interkalierten Scheibe und des nukleären Pools von Beta-Catenin waren verringert. Diese Daten legen nahe , dass ein Verlust von Beta-Catenin kann eine Rolle bei den erkrankten spielen Glanzstreifen , die mit in Verbindung gebracht wurden Herzmuskel Hypertrophie und Herzinsuffizienz . In einem Rattenmodell von Myokardinfarkt , adenovirale Gentransfer von nicht phosphorylierbare , konstitutiv aktive beta-catenin verringert MI Größe, aktiviert , um den Zellzyklus , und reduzierte die Menge an Apoptose in Kardiomyozyten und kardialen Myofibroblasten . Dieser Befund wurde mit einer erhöhten Expression von Pro-Survival-Proteinen, Survivin und Bcl-2 , und dem vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor koordiniert, während die Differenzierung von Herzfibroblasten in Myofibroblasten gefördert wird . Diese Ergebnisse legen nahe, dass Beta-Catenin den Regenerations- und Heilungsprozess nach einem Myokardinfarkt fördern kann . In einem Rattenmodell mit spontan- hypertensiver Herzinsuffizienz entdeckten die Forscher ein Pendeln von Beta-Catenin von der interkalierten Bandscheibe /dem Sarkolemma zum Zellkern , was durch eine Verringerung der Beta-Catenin-Expression in der Membranproteinfraktion und eine Zunahme in der Kernfraktion nachgewiesen wurde. Darüber hinaus fanden sie eine Schwächung der Assoziation zwischen Glykogen-Synthase-Kinase-3β und Beta-Catenin, was auf eine veränderte Proteinstabilität hinweisen könnte. Insgesamt legen die Ergebnisse nahe, dass eine verstärkte nukleäre Lokalisation von Beta-Catenin für das Fortschreiten der Herzhypertrophie wichtig sein könnte .

In Bezug auf die mechanistische Rolle von Beta-Catenin bei der Herzhypertrophie haben transgene Mausstudien etwas widersprüchliche Ergebnisse bezüglich der Frage gezeigt, ob eine Hochregulierung von Beta-Catenin vorteilhaft oder schädlich ist. Eine kürzlich durchgeführte Studie mit einer konditionalen Knockout-Maus, der entweder Beta-Catenin vollständig fehlte oder eine nicht abbaubare Form von Beta-Catenin in Kardiomyozyten exprimierte , brachte einen möglichen Grund für diese Diskrepanzen in Einklang. Es scheint eine strenge Kontrolle über die subzelluläre Lokalisation von Beta-Catenin im Herzmuskel zu geben . Mäuse, denen Beta-Catenin fehlte, hatten keinen offensichtlichen Phänotyp im linksventrikulären Myokard ; Mäuse, die eine stabilisierte Form von Beta-Catenin beherbergen, entwickelten jedoch eine dilatative Kardiomyopathie , was darauf hindeutet, dass die zeitliche Regulierung von Beta-Catenin durch Proteinabbaumechanismen für die normale Funktion von Beta-Catenin in Herzzellen entscheidend ist. In einem Mausmodell mit Knockout eines desmosomalen Proteins Plakoglobin , das an der arrhythmogenen rechtsventrikulären Kardiomyopathie beteiligt ist , wurde auch die Stabilisierung von Beta-Catenin verbessert, vermutlich um den Verlust seines Plakogloblin-Homologs auszugleichen. Diese Veränderungen wurden mit der Akt-Aktivierung und der Hemmung der Glykogen-Synthase-Kinase 3β koordiniert , was wiederum darauf hindeutet, dass die abnormale Stabilisierung von Beta-Catenin an der Entwicklung einer Kardiomyopathie beteiligt sein könnte . Weitere Studien mit einem doppelten Knockout von Plakoglobin und Beta-Catenin zeigten, dass der doppelte Knockout Kardiomyopathie , Fibrose und Arrhythmien entwickelte, die zum plötzlichen Herztod führten . Die interkalierte Bandscheibenarchitektur war stark beeinträchtigt und die Connexin 43- residenten Gap Junctions waren deutlich reduziert. Elektrokardiogramm- Messungen erfassten spontan letale ventrikuläre Arrhythmien bei den doppelt transgenen Tieren, was darauf hindeutet, dass die beiden Catenine – Beta-Catenin und Plakoglobin – für die mechanoelektrische Kopplung in Kardiomyozyten entscheidend und unentbehrlich sind .

Klinische Bedeutung

Rolle bei Depressionen

Ob das Gehirn einer bestimmten Person effektiv mit Stress umgehen kann und damit ihre Anfälligkeit für Depressionen, hängt laut einer Studie, die an der Icahn School of Medicine am Mount Sinai durchgeführt und am 12. November veröffentlicht wurde, vom Beta-Catenin im Gehirn jeder Person ab. 2014 in der Zeitschrift Nature. Ein höherer Beta-Catenin-Signalweg erhöht die Verhaltensflexibilität, während ein fehlerhafter Beta-Catenin-Signalweg zu Depressionen und reduziertem Stressmanagement führt.

Rolle bei Herzerkrankungen

Veränderte Expressionsprofile von Beta-Catenin wurden beim Menschen mit einer dilatativen Kardiomyopathie in Verbindung gebracht. Bei Patienten mit dilatativer Kardiomyopathie wurde im Allgemeinen eine Hochregulation der Expression von Beta-Catenin beobachtet. In einer bestimmten Studie zeigten Patienten mit dilatativer Kardiomyopathie im Endstadium fast verdoppelte Östrogenrezeptor-alpha-(ER-alpha) -mRNA- und Proteinspiegel sowie die ER-alpha/beta-Catenin-Wechselwirkung, die an interkalierten Kontrollscheiben von nicht erkrankten Menschen vorhanden war Herzen verloren, was darauf hindeutet, dass der Verlust dieser Interaktion an der interkalierten Bandscheibe eine Rolle beim Fortschreiten der Herzinsuffizienz spielen könnte . Beta-Catenin koordiniert zusammen mit BCL9- und PYGO-Proteinen verschiedene Aspekte der Gehörentwicklung , und Mutationen in Bcl9 oder Pygo in Modellorganismen – wie der Maus und dem Zebrafisch – verursachen Phänotypen, die den angeborenen Herzerkrankungen des Menschen sehr ähnlich sind .

Beteiligung an Krebs

Beta-Catenin-Spiegelregulierung und Krebs.

Beta-Catenin ist ein Proto-Onkogen . Mutationen dieses Gens werden häufig bei einer Vielzahl von Krebsarten gefunden: beim primären hepatozellulären Karzinom , beim kolorektalen Karzinom , beim Ovarialkarzinom , beim Brustkrebs , beim Lungenkrebs und beim Glioblastom . Es wurde geschätzt, dass ungefähr 10 % aller Gewebeproben, die von allen Krebsarten sequenziert wurden, Mutationen im CTNNB1-Gen aufweisen. Die meisten dieser Mutationen gruppieren sich auf einem winzigen Bereich des N-terminalen Segments von β-Catenin: dem β-TrCP-Bindungsmotiv. Funktionsverlustmutationen dieses Motivs machen die Ubiquitinylierung und den Abbau von β-Catenin im Wesentlichen unmöglich. Es wird dazu führen, dass β-Catenin ohne externen Stimulus in den Zellkern transloziert und die Transkription seiner Zielgene kontinuierlich vorangetrieben wird. Erhöhte nukleäre β-Catenin-Spiegel wurden auch bei Basalzellkarzinom (BCC), Kopf-Hals-Plattenepithelkarzinom (HNSCC), Prostatakrebs (CaP), Pilomatrixom (PTR) und Medulloblastom (MDB) festgestellt eine Mutation im β-Catenin-Gen: Auch andere Komponenten des Wnt-Signalwegs können fehlerhaft sein.

Ähnliche Mutationen werden auch häufig in den β-Catenin-Rekrutierungsmotiven von APC beobachtet . Hereditäre Funktionsverlustmutationen von APC verursachen eine Erkrankung, die als familiäre adenomatöse Polyposis bekannt ist . Betroffene entwickeln Hunderte von Polypen in ihrem Dickdarm. Die meisten dieser Polypen sind gutartiger Natur, aber sie haben das Potenzial, sich im Laufe der Zeit in tödlichen Krebs zu verwandeln . Auch somatische Mutationen von APC bei Darmkrebs sind keine Seltenheit. Beta-Catenin und APC gehören (zusammen mit anderen wie K-Ras und SMAD4 ) zu den Schlüsselgenen, die an der Entwicklung von Darmkrebs beteiligt sind. Das Potenzial von β-Catenin, den zuvor epithelialen Phänotyp betroffener Zellen in einen invasiven, mesenchymähnlichen Typ zu verändern, trägt wesentlich zur Metastasenbildung bei.

Als therapeutisches Ziel

Aufgrund seiner Beteiligung an der Krebsentstehung wird der Hemmung von Beta-Catenin weiterhin große Aufmerksamkeit gewidmet. Das Targeting der Bindungsstelle auf seine Gürteltierdomäne ist jedoch aufgrund seiner ausgedehnten und relativ flachen Oberfläche nicht die einfachste Aufgabe. Für eine effiziente Hemmung ist jedoch die Bindung an kleinere "Hotspots" dieser Oberfläche ausreichend. Auf diese Weise reichte ein "geklammertes" helikales Peptid, das von dem in LEF1 gefundenen natürlichen β-Catenin-Bindungsmotiv abgeleitet war, für die vollständige Hemmung der β-Catenin-abhängigen Transkription aus. Kürzlich wurden auch mehrere niedermolekulare Verbindungen entwickelt, die auf denselben, stark positiv geladenen Bereich der ARM-Domäne abzielen (CGP049090, PKF118-310, PKF115-584 und ZTM000990). Darüber hinaus können die β-Catenin-Spiegel auch beeinflusst werden, indem auf stromaufwärts gelegene Komponenten des Wnt-Wegs sowie auf den β-Catenin-Zerstörungskomplex abgezielt wird. Die zusätzliche N-terminale Bindungstasche ist auch für die Aktivierung des Wnt-Zielgens wichtig (erforderlich für die BCL9-Rekrutierung). Diese Stelle der ARM-Domäne kann beispielsweise durch Carnosinsäure pharmakologisch angesteuert werden . Diese "Hilfs"-Site ist ein weiteres attraktives Ziel für die Arzneimittelentwicklung. Trotz intensiver präklinischer Forschung stehen noch keine β-Catenin-Inhibitoren als Therapeutika zur Verfügung. Seine Funktion kann jedoch durch siRNA-Knockdown basierend auf einer unabhängigen Validierung weiter untersucht werden. Ein weiterer therapeutischer Ansatz zur Verringerung der nuklearen Akkumulation von β-Catenin ist die Hemmung von Galectin-3. Der Galectin-3-Inhibitor GR-MD-02 wird derzeit in Kombination mit der von der FDA zugelassenen Dosis von Ipilimumab bei Patienten mit fortgeschrittenem Melanom getestet. Die Proteine BCL9 und BCL9L wurden als therapeutische Ziele für Kolorektalkarzinome vorgeschlagen, die eine hyperaktivierte Wnt-Signalgebung aufweisen , da ihre Deletion die normale Homöostase nicht stört, aber das Metastasenverhalten stark beeinflusst .

Rolle beim fetalen Alkoholsyndrom

Die Destabilisierung von β-Catenin durch Ethanol ist einer von zwei bekannten Wegen, bei denen Alkoholexposition das fetale Alkoholsyndrom induziert (der andere ist ein ethanolinduzierter Folatmangel). Ethanol führt über einen G-Protein-abhängigen Weg zur Destabilisierung von β-Catenin, wobei aktivierte Phospholipase Cβ Phosphatidylinositol-(4,5)-bisphosphat zu Diacylglycerin und Inositol-(1,4,5)-triphosphat hydrolysiert. Lösliches Inositol-(1,4,5)-trisphosphat löst die Freisetzung von Calcium aus dem endoplasmatischen Retikulum aus. Dieser plötzliche Anstieg des zytoplasmatischen Calciums aktiviert die Ca2+/Calmodulin-abhängige Proteinkinase (CaMKII). Aktiviertes CaMKII destabilisiert β-Catenin über einen schlecht charakterisierten Mechanismus, der jedoch wahrscheinlich eine β-Catenin-Phosphorylierung durch CaMKII beinhaltet. Das β-Catenin-Transkriptionsprogramm (das für die normale Neuralleistenzellentwicklung erforderlich ist) wird dadurch unterdrückt, was zu einer vorzeitigen Neuralleistenapoptose (Zelltod) führt.

Interaktionen

Es wurde gezeigt, dass Beta-Catenin interagiert mit:

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links

Dieser Artikel enthält Texte der National Library of Medicine der Vereinigten Staaten , die gemeinfrei sind .