Nodaler Signalweg - Nodal signaling pathway

Der nodale Signalweg ist ein Signaltransduktionsweg , der für die regionale und zelluläre Differenzierung während der Embryonalentwicklung wichtig ist .

Die Knotenfamilie von Proteinen, eine Untergruppe der Superfamilie des Transforming Growth Factor Beta (TGFβ) , ist für die Meso- Endoderm- Induktion, die Musterbildung des Nervensystems und die Bestimmung der dorsal-ventralen Achse in Wirbeltierembryonen verantwortlich. Die Aktivierung des Nodal-Wegs beinhaltet die Nodal-Bindung an Activin und Activin-ähnliche Rezeptoren, was zur Phosphorylierung des Smad2 führt . Der P-Smad2/ Smad4- Komplex transloziert in den Zellkern, um mit Transkriptionsfaktoren wie FoxH1 , p53 und Mixer ( Xenopus mix-like endodermal regulator) zu interagieren . Dies führt wiederum zur Induktion von Zielgenen wie NODAL, Lefty , dem Antagonisten des Nodal cerberus und anderen.

Die Aktivierung des Nodal-Wegs induziert die Transkription vieler Zielgene, einschließlich seines eigenen, aber gleichzeitig stören Mikro-RNAs und andere Proteine ​​diese positive Rückkopplungsschleife auf negative Weise an verschiedenen Stellen des Weges. Dieses Gleichgewicht zwischen Aktivierung und Hemmung des Signals ist notwendig, um die genaue Lage, Konzentration und Dauer der nachgeschalteten Zielgene zu erreichen, die in der frühen Entwicklungsphase eine wichtige Rolle spielen. Dieser Artikel fasst die Rolle einiger der Komponenten zusammen, die positiv und negativ an der Regulation des Signalweges beteiligt sind. Obwohl alle Hauptkomponenten der Nodal-Signalgebung bei fast allen Wirbeltieren evolutionär konserviert sind, variiert die Regulierung jeder Komponente des Signalwegs manchmal je nach Art.

Geschichte

Das Nodal- Gen wurde ursprünglich von Conlon et al. durch retrovirale Mutation bei Mäusen, die zur Isolierung eines Gens führte, das die normale Gastrulation der Maus und die Embryonalentwicklung störte . Weitere Untersuchungen dieses Gens von Zhou et al. zeigten, dass die Knotengene ein sezerniertes Signalpeptid kodieren, das ausreicht, um Mesodermzellen im Mausembryo zu induzieren. Dies war ein wichtiges Ergebnis, da viele andere Faktoren an der Bildung von Mesoderm in Xenopus beteiligt waren, während die Schwierigkeit, diese Faktoren aufgrund der embryonalen Letalität und des mütterlichen Beitrags von Genen zu entfernen, die Fähigkeit, die Knock-out-Phänotypen zu untersuchen, schwer fassbar gehalten hatte. Weitere Studien zur nodalen Signalübertragung bei anderen Vertebraten wie Cyclops und Squint bei Zebrafischen bewiesen, dass die nodale Signalübertragung ausreichend ist, um bei allen Wirbeltieren Mesoderm zu induzieren.

Ausgewählte Komponenten des Pfades

Überblick über den Nodal-Signalweg. Nodal und sein Repressor Lefty werden beide als Reaktion auf die Nodal-Signalgebung exprimiert. Die Proteinexpressionsniveaus werden aufgrund der Aktivität der miR-430-Superfamilie beeinflusst. Sobald das Protein translatiert ist, muss es im extrazellulären Raum von Convertasen (Furin und PACE4) verarbeitet werden. Reifes Nodal bindet an die Activin-Rezeptoren I und II und den Co-Rezeptor Cripto/Criptic und phosphoriliert Smad2 /3. Diese Smads bilden mit Smad4 einen Komplex und dringen in den Zellkern ein und aktivieren mit Hilfe von p53, Mixer oder FoxH1 die Transkription von Genen, die an der Mesoderm- und Endoderm-Induktion beteiligt sind. Ektodermin, PPM1A, XFDR und Tgf1 negativ regulieren den Stoffwechselweg, indem sie mit Smad-Komponenten oder Transkriptionsfaktoren konkurrieren. Die Interaktion von Nodal mit BMPs (BMP3, BMP7), Lefty oder mit Cerberus in der Außenseite der Zellen beeinflusst seine Fähigkeit, an die Rezeptoren zu binden und das Signal zu reaktivieren.

Linkshänder

Die Lefty-Proteine, divergente Mitglieder der TGFβ- Superfamilie von Proteinen, wirken als extrazelluläre Antagonisten der nodalen Signalübertragung. Expressionsstudien des Lefty-Homologs Antivin in Zebrafischen zeigen, dass Lefty wahrscheinlich als kompetitiver Inhibitor der nodalen Signalübertragung wirkt. Die Überexpression von Lefty führt zu einem Phänotyp, der einem nodalen Knockout ähnelt, während eine Überexpression des Activin-Rezeptors (knotenbezogenes Protein) oder sogar der extrazellulären Domäne des Rezeptors den Phänotyp retten kann. Da die Induktion von Lefty von der nodalen Expression abhängt, fungiert Lefty als klassischer Feedback-Inhibitor für die nodale Signalübertragung. Wie Knoten haben alle Wirbeltiere mindestens ein Lefty-Gen, während viele, wie Zebrafische und Mäuse, zwei einzigartige Lefty-Gene haben.

DAN-Proteine

DAN-Proteine, wie Cerberus und Coco bei Xenopus und Cerberus-like bei Mäusen, wirken auch als Antagonisten der nodalen Signalübertragung. Im Gegensatz zu Lefty-Proteinen binden DAN-Proteine ​​direkt an extrazelluläre Knotenproteine ​​und verhindern die Signalübertragung. Darüber hinaus sind nicht alle DAN-Proteine ​​spezifisch für die nodale Signalübertragung und blockieren auch die knochenmorphogenetischen Proteine (BMPs) und im Fall von Cerberus und Coco auch die Wnt-Signalübertragung. Diese Aktivität ist wichtig für die neurale Entwicklung und die Links-Rechts-Symmetrie, wie später erörtert wird.

BMPs

Lefty und Cerberus sind nicht die einzigen , die der Lage sein , in den extrazellulären Raum zu interagieren mit Nodal, gibt es Hinweise darauf , dass biochemische BMP3 und BMP - 7 Form Heterodimere mit Nodal, wodurch die gegenseitige Hemmung der beteiligten Bahnen.

Konvertasen: Furin und PACE4

Knoten-mRNA produziert eine unreife Proteinform von Knoten , die von Proteinen, den Konvertasen genannt, gespalten wird, um einen reifen Knoten zu erzeugen. Die Subtilisin- like Proprotein Convertasen (SPC) Furin (Spc1) und PACE4 (Spc4) erkennen eine spezifische Sequenz des Vorläufers des Nodalproteins und spalten sie unter Bildung des reifen Nodalliganden. Umgekehrt ist die unreife Form von Nodal noch in der Lage, den Weg zu aktivieren. Während des nodalen Transports in den extrazellulären Raum fängt der Nodal-Co-Rezeptor den Nodal-Vorläufer in Lipid-Rafts ein, und sobald er sich auf der Zelloberfläche befindet, interagiert Cripto mit den Konvertasen und bildet einen Komplex, der die Verarbeitung von Nodal erleichtert.

EGF-FCKW-Proteine

EGF-CFC-Proteine ​​sind membrangebundene extrazelluläre Faktoren, die als essentieller Cofaktor in der Nodal-Signalübertragung und in der Wirbeltierentwicklung insgesamt dienen. Diese Familie von Cofaktoren umfasst One-Eyed Pinhead (oep) bei Zebrafisch, FRL1 bei Xenopus und Cripto und Criptic bei Maus und Mensch. Genetische Studien von Oep bei Zebrafischen haben gezeigt, dass der Knockout sowohl des mütterlichen als auch des zygotischen Oeps zu einem ähnlichen Phänotyp führt wie der Knockout von Schielen/Cyclops (Knoten). Ebenso zeigt eine Überexpression entweder des Knotens (Schielen/Zyklopen) oder des oep mit dem Knockout des anderen keine phänotypischen Unterschiede. Dieser Beweis, gekoppelt mit den Daten, dass die Überexpression von oep keinen Phänotyp zeigt, bestätigt die Rolle von EGF-CFC als essentieller Cofaktor bei der Nodal-Signalübertragung.

Dapper2

Bei Maus, Frosch und Fisch ist Dapper2 ein negativer Regulator der Mesodermbildung , der durch die Herunterregulierung der Wnt- und TGFβ/Knoten-Signalwege wirkt. Bei Zebrafischen ist bekannt, dass Nodal die Genexpression von dapper2 aktiviert . In der Zelloberfläche bindet Dapper2 fest an die aktive Form der Activin-Typ-1-Rezeptoren und zielt auf den Rezeptor für den lysosomalen Abbau ab. Dapper2 Überexprimierung nachahmt nodal Korezeptor Funktionsverlust , da Knotensignal nicht transduziert werden und erzeugt somit weniger Mesoderm. Im Mausembryo ist die dpr2-mRNA über den gesamten Embryo 7,5 Tage nach der Empfängnis (dpc) lokalisiert, jedoch ändert sich ihre Position bei 8,5-dpc, wo sie an den prospektiven Somiten und von 10 dpc, Neuralrohr, Ohrenbläschen und Darm beobachtet wird; da Dapper2 und Nodal in derselben Region exprimiert werden, legt dies nahe, dass Dapper Mesoderm-Induktionssignale, die von Nodal stammen, antagonisiert. Irgendwie würde die Reduktion von Aktivinrezeptoren zu einer Abnahme der Aktivität verschiedener TGFb-Wege führen.

Smad

Smad-Proteine ​​sind für die Übertragung von Knotensignalen in den Zellkern verantwortlich. Die Bindung von Nodal-Proteinen an Aktivin- oder Aktivin-ähnliche Serin/Threonin-Kinase-Rezeptoren führt zur Phosphorylierung von Smad2 . Smad2 wird dann mit Smad4 assoziieren und in den Zellkern translozieren, wodurch die Transkription von nodalen Zielgenen stimuliert wird. Es wurde nachgewiesen, dass ein anderes Smad, Smad3 , durch aktivierte Rezeptoren phosphoryliert werden kann und auch als Aktivator von Knotengenen fungieren kann. Der Knockout von Smad2 bei Mäusen führt jedoch zu einer Unterbrechung der Bildung des Primitivstreifens . Dies reicht nicht aus, um alle mesoendodermalen Gene zu zerstören, was zeigt, dass Smad3 einige überlappende Funktionen mit Smad2 hat. Die Expression dieser Gene ist jedoch in Smad2 KO-Embryonen allgegenwärtig, während sie im Wildtyp begrenzt ist. Smad3-Knockouts haben keinen Phänotyp, der zeigt, dass eine Expressionsüberlappung mit Smad2 eine ausreichende normale Entwicklung darstellt.

Moleküle, die die Knotenaktivierung über smad . beeinflussen

Ektodermin reguliert den nodalen Signalweg negativ, indem es die Interaktion von Smad4 mit anderen Smads innerhalb des Zellkerns über die Monoubiquitinierung Smad4 hemmt wieder mit anderen Smads. Ein weiterer negativer Regulator des Signalwegs, der mit Smads interveniert, ist PPM1A, eine Phosphatase, die mit Phospho-Smad2/3 inaktiviert. Anschließend wird Smad2/3 mit Hilfe von RanBP2 aus dem Zellkern transportiert.

Transkriptionsfaktoren, die die Signalübertragung steuern

Smad2/3/4 kann mit verschiedenen Transkriptionsfaktoren wie p53, Mixer und FoxH1 assoziieren und spezifische cis-regulatorische Elemente erkennen, um die Expression von Nodal-Zielgenen zu einem bestimmten Zeitpunkt und Ort zu aktivieren und Gene zu aktivieren, die für die Mesoderm-Induktion erforderlich sind. Es gibt einige andere Transkriptionsfaktoren, die um einige der Komponenten der Transkriptionsmaschinerie um die Aktivierung von Nodal-Zielgenen konkurrieren. Tgif1 und Tgif2 sind beispielsweise negative Co-Regulatoren, die um die aktive Form von Smad2 konkurrieren und die relative Konzentration von aktivem Smad2 im Zellkern reduzieren. In Xenopus verursacht der Funktionsverlust von Tgf1 und Tgf2 die Hochregulierung von Xnr5 und Xnr6. Ein weiteres Beispiel für transkriptionale Repressoren im Frosch ist XFDL, das an p53 bindet und die Interaktion mit dem Smad2/3/4-Komplex blockiert.

miRNAs, die die Signalübertragung steuern

Bei Wirbeltieren wird die evolutionär konservierte Familie der microRNAs miR-430/427/302 früh in der Entwicklung exprimiert. Es spielt eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der Mesoderm- und Endoderm-Spezifikation, und es tut dies, indem es die Proteinexpressionsniveaus einiger Nodal-Signalkomponenten reguliert. Diese Familie besteht aus dem Teleost miR-430, der Amphibie miR-427 und dem Säugetier miR-302. Bei Zebrafischen hemmt miR-430 die Translation von Sqt, Lefty1 und Lefty2, bei Fröschen reguliert miR-427 Xnr5, Xnr6b, LeftyA und LeftyB, bei menschlichen embryonalen Stammzellen wurde jedoch gezeigt, dass miR-302 negativ nur die Expression von Lefty1 und Lefty2, aber es scheint die Expressionsniveaus des Nodal-Proteins nicht herunterzuregulieren.

Knotensignalisierung in Entwicklung

Mesoendoderm-Induktion

Mehrere Studien haben gezeigt, dass das Nodalsignal für die Induktion der meisten mesodermalen und endodermalen Zelltypen erforderlich ist und Squint/Cyclops-Knockouts bei Zebrafischen keine Chorda, Herz, Nieren oder sogar Blut entwickeln. Der Ursprung und das Expressionsmuster der nodalen Signalproteine ​​unterscheiden sich in verschiedenen Spezies. Die Signaltransduktion von Säugetierknoten wird ubiquitär in Epiblastzellen initiiert und wird durch die autoregulatorische Signaltransduktion von Wnt3 aufrechterhalten und durch die Induktion von Antagonisten wie Cerberus-like und Lefty begrenzt. Studien in Xenopus haben ergeben, dass die xnr-Expression (der Xenopus- Knoten) durch VegT am Pflanzenpol induziert wird und sich die Knoten zur Blastula ausbreiten. Die Xnr-Expression wird durch die Anwesenheit von β-Catenin stabilisiert. Diese Information wirft die Frage auf, wie die nodale Signalgebung zur Induktion von Endoderm und Mesoderm führt. Die Antwort kommt in Form eines Gradienten von Knotenprotein. Zeitliche und räumliche Unterschiede in der Knotensignalisierung führen zu unterschiedlichen Zellschicksalen. Durch die Zugabe von Antagonisten und einer variablen Auswahl verschiedener Knoten kann eine Karte des Zellschicksals einschließlich des Mesoderms und des Endoderms für den Embryo erstellt werden. Es ist jedoch unklar, ob die Knotensignalisierung summiert wird oder ob Zellen auf die Amplitude des Signals reagieren.

Links-Rechts-Musterung

Die menschliche Anatomie ist asymmetrisch mit dem Herzen auf der linken Seite und der Leber auf der rechten Seite. Links-Rechts-Asymmetrie (Biologie) ist ein gemeinsames Merkmal aller Wirbeltiere und sogar paarweise symmetrische Organe wie die Lunge weisen Asymmetrien in der Anzahl der Lappen auf. Der Nachweis, dass die Knotensignalisierung für die Links-Rechts-Spezifikation verantwortlich ist, stammt aus der genetischen Analyse von Organismen, denen die Links-Rechts-Spezifikation fehlt. Diese genetischen Studien führten zur Identifizierung von Mutationen in Komponenten des nodalen Signalweges wie ActRIIB, Criptic und FoxH1 bei der Maus. Diese Studien fanden heraus, dass die Links-Rechts-Symmetrie als Ergebnis einer nodalen Antagonistenexpression auf der rechten Seite des Embryos erzeugt wird, die durch eine Nodal-Hochregulierung auf der anderen Hälfte des Embryos ausgeglichen wird. Das Ergebnis ist ein Knotengradient, der auf der ventralen Seite des Embryos hoch ist und durch antagonistische Wirkung als Gradient zur Mittellinie hin abfällt. Studien über den nodalen Signalweg und seine nachgelagerten Ziele wie PITX2 bei anderen Tieren haben gezeigt, dass er auch die asymmetrische Musterung links-rechts in Seescheiden- , Amphioxus- , Seeigel- und Weichtier- Linien kontrollieren kann .

Neuronale Musterung

Da die Knotensignalisierung zu Ektoderm und Mesoderm führt , erfordert die Bildung des Neuroektoderms die Blockierung der Knotensignalisierung, die durch die Expression des Knotenantagonisten Cerberus erreicht wird. Die Rolle der Knotensignalisierung tritt später in der Entwicklung wieder auf, wenn die Knotensignalisierung erforderlich ist, um das neuronale Muster der ventralen Zelle zu spezifizieren. Der Funktionsverlust von Cyclops oder oep bei Zebrafischen führt zu zyklopischen Embryonen, die durch einen Mangel an medialer Bodenplatte und ventralem Vorderhirn gekennzeichnet sind. Nicht alle Knoten führen zur Bildung von Mesoektoderm. Xenopus- Knoten-verwandtes 3 (Xnr3), ein divergentes Mitglied der TGFβ-Superfamilie, induziert die Expression des Proteins Xbra. Das Xbra-Expressionsmuster, in Korrelation mit dem Expressionsmuster eines anderen Neuroinduktors, Xlim-1, führt zur Musterbildung des Organisators in Xenopus . Diese Signalgebung in Verbindung mit anderen Knoten, Noggin, Chordin, Follistatin und anderen führt zur endgültigen Musterung des zentralen Nervensystems von Wirbeltieren.

Verweise

Weiterlesen