Ось сигнализации HES3 - Hes3 signaling axis

В Сигнализация STAT3-Ser / Hes3 ось - это особый тип внутриклеточного сигнального пути, который регулирует несколько фундаментальных свойств клеток.

Ось сигнализации STAT3-Ser / Hes3

Обзор

Клетки в тканях должны уметь ощущать и интерпретировать изменения в окружающей их среде. Например, клетки должны иметь возможность определять, когда они находятся в физическом контакте с другими клетками, чтобы регулировать их рост и избегать образования опухолей («канцерогенез »). Для этого клетки помещают рецептор молекулы на их поверхности, часто с участком рецептора, выходящим за пределы клетки (внеклеточная среда), и участком внутри клетки (внутриклеточная среда). Эти молекулы подвергаются воздействию окружающей среды вне клетки и, следовательно, могут ее ощущать. Их называют рецепторами, потому что, когда они вступают в контакт с определенными молекулами (называемыми лиганды ), то в рецепторе индуцируются химические изменения. Эти изменения обычно связаны с изменениями трехмерной формы рецептора. Эти 3D структура изменения затрагивают как внеклеточную, так и внутриклеточную части (домены) рецептора. В результате взаимодействие рецептора с его специфическим лигандом, расположенным вне клетки, вызывает изменения в рецепторной части, которая находится внутри клетки. Следовательно, сигнал из внеклеточного пространства может влиять на биохимическое состояние внутри клетки.

После активации рецептора лигандом может последовать несколько этапов. Например, изменения трехмерной формы внутриклеточного домена могут сделать его узнаваемым для каталитических белков (ферменты ), которые расположены внутри ячейки и имеют к ней физический доступ. Затем эти ферменты могут вызывать химические изменения внутриклеточного домена активированного рецептора, включая добавление фосфатных химических групп к определенным компонентам рецептора (фосфорилирование ) или физическое разделение (расщепление ) внутриклеточного домена. Такие модификации могут позволить внутриклеточному домену действовать как сам фермент, что означает, что теперь он может катализировать модификацию других белков в клетке. Ферменты, которые катализируют модификации фосфорилирования, называются киназы. Затем эти модифицированные белки также могут быть активированы и позволены вызывать дальнейшие модификации других белков и так далее. Эта последовательность каталитических модификаций называется «путь передачи сигнала " или же "каскад второго мессенджера ». Это важнейший механизм, используемый клетками для восприятия окружающей среды и индукции сложных изменений своего состояния. Такие изменения могут включать, как уже отмечалось, химические модификации других молекул, а также решения относительно того, какие гены активированы, а какие нет.транскрипционная регуляция ).

В клетке существует множество путей передачи сигналов, и каждый из них включает множество различных белков. Это предоставляет множество возможностей для перехвата различных путей передачи сигналов (перекрестные помехи). В результате клетка одновременно обрабатывает и интерпретирует множество различных сигналов, как и следовало ожидать, поскольку внеклеточная среда содержит много разных лигандов. Перекрестный разговор также позволяет клетке интегрировать эти многочисленные сигналы, а не обрабатывать их независимо. Например, взаимно противоположные сигналы могут быть активированы одновременно разными лигандами, и клетка может интерпретировать эти сигналы как единое целое. Пути передачи сигнала широко изучаются в биологии, поскольку они обеспечивают механическое понимание того, как клетка работает и принимает важные решения. (например, чтобы размножаться, двигаться, умирать, активировать гены и т. д.). Эти пути также обеспечивают множество мишеней для лекарств и имеют большое значение для открытие лекарств усилия.

Технический обзор

В выемка /STAT3 -Сигнальная ось Ser / Hes3 недавно идентифицирована преобразование сигнала ветвь выемки[1] сигнальный путь, первоначально показанный для регуляции количества нервные стволовые клетки в культуре и в мозгу живого взрослого человека.[2][3] Фармакологическая активация этого пути препятствовала прогрессированию нейродегенеративного заболевания на моделях грызунов. Более поздние усилия вовлекли его в канцерогенез и сахарный диабет. Этот путь может быть активирован растворимыми лигандами рецептора notch, которые вызывают последовательную активацию внутриклеточных киназ и последующее фосфорилирование STAT3 по остатку серина в положении 727 аминокислоты (STAT3-Ser). Эта модификация сопровождается повышением уровня Hes3, a фактор транскрипции принадлежащий к Он / Привет, семья генов (см. HES1 ).[4] Hes3 использовался в качестве биомаркера для идентификации предполагаемых эндогенных стволовых клеток в тканях.[5] Путь является примером неканонической передачи сигналов, поскольку он представляет собой новую ветвь ранее установленного пути передачи сигналов (выемка ). В настоящее время предпринимаются некоторые попытки связать этот путь с другими сигнальными путями и манипулировать им в терапевтическом контексте.

Открытие

В каноническом выемка При передаче сигналов белки-лиганды связываются с внеклеточным доменом рецептора notch и вызывают расщепление и высвобождение внутриклеточного домена в цитоплазму. Впоследствии он взаимодействует с другими белками, проникает в ядро ​​и регулирует экспрессию генов.[1]

В 2006 году была обнаружена неканоническая ветвь пути передачи сигналов notch.[2] Используя культуры нервных стволовых клеток мыши, было показано, что активация notch приводит к фосфорилированию нескольких киназ (PI3K, Акт, mTOR ) и последующие фосфорилирование остатка серина STAT3 в отсутствие какого-либо детектируемого фосфорилирования тирозинового остатка STAT3, модификации, которая широко изучается в контексте биологии рака.[6] После этого события мРНК Hes3 повысилась в течение 30 минут. Впоследствии были изучены последствия этого пути.

Активаторы

Были идентифицированы различные входы в этот путь. Активаторы включают лиганды ряда рецепторов. Поскольку определенные пути передачи сигнала противостоят оси передачи сигналов STAT3-Ser / Hes3, блокаторы (ингибиторы ) этих путей передачи сигналов способствуют сигнальной оси STAT3-Ser / Hes3 и, следовательно, также действуют как активаторы:

  • Неканоническая ветвь пути передачи сигналов notch (активируется растворимыми формами лигандов Notch Delta4 и Jagged1). Это было показано in vitro и in vivo.[2]
  • Активация Галстук2 рецептор лигандом Ангиопоэтин 2. Это было показано in vitro и in vivo.[3][5]
  • Активация рецептор инсулина к инсулин. Это было показано in vitro и in vivo.[7]
  • Лечение ингибитором Янус киназа (JAK). Это было показано in vitro.[2]
  • Лечение ингибитором p38 MAP киназа киназа. Это было показано in vitro.[2]
  • Лечение с холерный токсин. Это было показано in vitro.[8] Это конкретное лечение может обойти стадию STAT3-Ser и действовать более конкретно на уровне Hes3, поскольку оно оказывает сильное влияние на индукцию ядерной транслокации Hes3.

Ячейки, в которых работает

Эффекты конкретного пути передачи сигнала могут сильно различаться для разных типов клеток. Например, один и тот же путь передачи сигнала может способствовать выживанию одного типа клеток, но созреванию другого. Это зависит как от природы клетки, так и от ее конкретного состояния, которое может меняться в течение ее жизни. Выявление типов клеток, в которых функционирует путь передачи сигнала, является первым шагом к раскрытию потенциально новых свойств этого пути.

Ось передачи сигналов STAT3-Ser / Hes3, как было показано, действует на различные типы клеток. До сих пор исследования в основном были сосредоточены на стволовых клетках и раковых тканях, а в последнее время - на функции эндокринной системы. поджелудочная железа:

  • Нервные стволовые клетки плода и взрослой мыши и крысы.[2][3][5][7][8][9][10]

Биологические последствия

Отдельный путь передачи сигнала может регулировать несколько белков (например, киназ), а также активацию многих генов. Следовательно, последствия для свойств клетки могут быть очень заметными. Выявление этих свойств (посредством теоретических предсказаний и экспериментов) проливает свет на функцию пути и предоставляет возможные новые терапевтические цели.

Активация сигнальной оси notch / STAT3-Ser / Hes3 имеет значительные последствия для нескольких типов клеток; эффекты были задокументированы как in vitro, так и in vivo:

  • Культивированные нервные стволовые клетки плода и взрослых грызунов: эффекты, способствующие выживанию; повышенная урожайность; повышенная экспрессия белка sonic hedgehog.[2][3][5][7][8][9]
  • Нервные стволовые клетки взрослых грызунов in vivo: увеличение числа клеток; повышенное выражение Соник ежик (Шшш) белок.[2][3][7] Также было показано, что введение Delta4 в мозг взрослого грызуна усиливает эффект основного фактора роста фибробластов и фактора роста эпидермиса, способствуя пролиферации нервных клеток-предшественников в субвентрикулярной зоне и гипоталамусе после ишемического инсульта.[16][17]
  • Культивированные нейральные стволовые клетки взрослых обезьян: эффекты, способствующие выживанию; повышенная урожайность; повышенная экспрессия белка sonic hedgehog.[5]
  • Культивированные предполагаемые стволовые клетки мультиформного рака глиобластомы: эффекты выживания (нокдаун Hes3 РНК-интерференция уменьшает количество ячеек).[11]
  • Культивируемые клетки-предшественники хромаффина быка: несколько активаторов сигнального пути увеличивают выход клеток.[13]
  • Культивируемые клетки инсулиномы мыши (линия клеток MIN6): эти клетки можно эффективно культивировать в условиях, которые способствуют функционированию сигнального пути; Интерференция РНК Hes3 препятствует росту и высвобождению инсулина в соответствии со стандартными протоколами, которые вызывают высвобождение инсулина из этих клеток.[18]
  • Мыши, у которых отсутствует ген Hes3, проявляют повышенную чувствительность к лечению, которое повреждает эндокринные клетки поджелудочной железы.
  • Недавние исследования показывают, что Hes3 непосредственно перепрограммирование клеток взрослой мыши до состояния нервных стволовых клеток; причинно-следственная связь еще предстоит определить.[19]
  • Hes3 и компоненты сигнальной оси регулируются во время критических стадий репрограммирования (репрограммирование эмбриональных фибробластов мыши в эмбриональные стволовые клетки).[20]
  • Мыши, генетически сконструированные с отсутствием гена Hes3, не могут активировать фактор транскрипции Neurogenin3 во время регенерации поджелудочной железы (индуцированной лечением стрептозотоцином).[20] Это свидетельствует о нарушении регенеративного ответа.

Роль во взрослом мозге

Как указано выше, ось передачи сигналов STAT3-Ser / Hes3 регулирует количество нервных стволовых клеток (а также других типов клеток) в культуре. Это побудило экспериментов определить, может ли тот же самый путь также регулировать количество естественно резидентных (эндогенных) нервных стволовых клеток в мозге взрослого грызуна. Если это так, это может привести к новому экспериментальному подходу к изучению эффектов увеличения количества эндогенных нервных стволовых клеток (eNSC). Например, приведет ли это к замене потерянных ячеек вновь созданными ячейками из eNSC? Или может ли это привести к спасению поврежденных нейронов в моделях нейродегенеративного заболевания, поскольку известно, что eNSC продуцируют факторы, которые могут защищать поврежденные нейроны?[21]

Различные методы лечения, которые входят в сигнальную ось STAT3-Ser / Hes3 (Delta4, ангиопоэтин 2, инсулин или комбинированное лечение, состоящее из всех трех факторов и ингибитора JAK), вызывают увеличение количества эндогенных нервных стволовых клеток, а также поведенческих восстановление в моделях нейродегенеративное заболевание. Несколько доказательств предполагают, что во взрослом мозге фармакологическая активация сигнальной оси STAT3-Ser / Hes3 защищает поврежденные нейроны за счет увеличения нейротрофический поддержка обеспечивается активированными нервными стволовыми клетками / клетками-предшественниками нейронов, которые можно идентифицировать по экспрессии Hes3:

  • Эти обработки увеличивают количество клеток Hes3 + в несколько раз.[2][3][8][9]
  • Клетки Hes3 + можно выделить и поместить в культуру, где они проявляют свойства стволовых клеток.[2][3][5][7][8]
  • В культуре и in vivo клетки Hes3 + экспрессируют Shh, который поддерживает выживание определенных нейронов [клетки Hes3 + могут также экспрессировать другие факторы, способствующие выживанию, но не идентифицированные].[2][3]
  • Распространение клеток Hes3 + во взрослом мозге широко распространено и может быть обнаружено в непосредственной близости к различным типам нейронов.[3]
  • Разнообразные методы лечения, которые сходятся с осью передачи сигналов STAT3-Ser / Hes3, оказывают сходные эффекты в нормальном мозге (увеличение количества клеток Hes3 +) и в пораженном мозге (увеличение количества клеток Hes3 +, противодействие гибели нейронов и улучшение поведенческих реакций). государственный).[2][3][7][9]
  • Фактор ингибирования миграции макрофагов стимулирует этот сигнальный путь и способствует выживанию нервных стволовых клеток.[10]
  • Мыши, генетически сконструированные с отсутствием гена Hes3, демонстрируют различия в количестве основного белка миелина (белка, экспрессируемого на миелинизирующих олигодендроцитах) по сравнению с нормальными мышами; У мышей с недостатком Hes3 также наблюдается различная регуляция этого белка после повреждения олигодендроцитов, вызванного химическим купризоном.[22]

Последствия болезни

Возникающее понимание роли eNSCs в мозге взрослых млекопитающих указывает на важность этих клеток для болезни. Для решения этой проблемы были проведены эксперименты, в которых активация eNSC была индуцирована на моделях заболевания. Это позволило изучить последствия активации eNSC в пораженном мозге. Несколько линий доказательств причастности оси передачи сигналов STAT3-Ser / Hes3 к различным заболеваниям:

Цитоархитектура ткани

В тканях много разных типов клеток взаимодействуют друг с другом. В мозгу, например, нейроны, астроциты, и олигодендроциты (специализированные клетки нервной ткани, каждая из которых выполняет определенные функции) взаимодействуют друг с другом, а также с клетками, составляющими кровеносные сосуды. Все эти различные типы клеток могут взаимодействовать со всеми другими посредством производства лигандов, которые могут активировать рецепторы на клеточной поверхности других типов клеток. Понимание того, как эти разные типы клеток взаимодействуют друг с другом, позволит предсказать способы активации eNSC. Например, поскольку eNSC находятся в непосредственной близости от кровеносных сосудов, была выдвинута гипотеза, что сигналы (например, лиганды) от клеток, составляющих кровеносный сосуд, действуют на рецепторы, обнаруженные на клеточной поверхности eNSC.

Эндогенные нервные стволовые клетки часто находятся в непосредственной близости от кровеносных сосудов. Сигналы от кровеносных сосудов регулируют их взаимодействие со стволовыми клетками и вносят вклад в цитоархитектуру ткани. Ось передачи сигналов STAT3-Ser / Hes3, действующая в клетках Hes3 +, является точкой схождения для нескольких из этих сигналов (например, Delta4, Ангиопоэтин 2). Hes3, в свою очередь, регулируя экспрессию Shh и потенциально других факторов, также может оказывать влияние на кровеносные сосуды и другие клетки, составляющие их микроокружение.

Рекомендации

  1. ^ а б Artavanis-Tsakonas S, Rand MD, Lake RJ (апрель 1999 г.). «Передача сигналов Notch: контроль клеточной судьбы и интеграция сигналов в развитии». Наука. 284 (5415): 770–6. Дои:10.1126 / science.284.5415.770. PMID  10221902.
  2. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м Androutsellis-Theotokis A, Leker RR, Soldner F, et al. (Август 2006 г.). «Передача сигналов Notch регулирует количество стволовых клеток in vitro и in vivo» (PDF). Природа. 442 (7104): 823–6. Дои:10.1038 / природа04940. PMID  16799564.
  3. ^ а б c d е ж грамм час я j k Androutsellis-Theotokis A, Rueger MA, Park DM, et al. (Август 2009 г.). «Нацеливание на нейронные предшественники во взрослом мозге спасает поврежденные дофаминовые нейроны». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 106 (32): 13570–5. Дои:10.1073 / pnas.0905125106. ЧВК  2714762. PMID  19628689.
  4. ^ Кагеяма Р., Оцука Т., Кобаяши Т. (июнь 2008 г.). «Роль генов Hes в нервном развитии». Dev. Разница в росте. 50 Приложение 1: S97–103. Дои:10.1111 / j.1440-169X.2008.00993.x. PMID  18430159.
  5. ^ а б c d е ж грамм Androutsellis-Theotokis A, Rueger MA, Park DM, et al. (2010). «Ангиогенные факторы стимулируют рост взрослых нервных стволовых клеток». PLoS ONE. 5 (2): e9414. Дои:10.1371 / journal.pone.0009414. ЧВК  2829079. PMID  20195471.
  6. ^ Леви Д.Е., Дарнелл Дж. Э. (сентябрь 2002 г.). «Статистика: контроль транскрипции и биологическое воздействие». Nat. Преподобный Мол. Cell Biol. 3 (9): 651–62. Дои:10.1038 / nrm909. PMID  12209125.
  7. ^ а б c d е ж грамм Андруцеллис-Теотокис, Рюгер М.А., Мхикян Х., Корб Э., Маккей Р.Д. (2008). «Сигнальные пути, контролирующие нервные стволовые клетки, замедляют прогрессирующее заболевание мозга». Холодная весна Харб. Symp. Quant. Биол. 73: 403–10. Дои:10.1101 / sqb.2008.73.018. PMID  19022746.
  8. ^ а б c d е Андруцеллис-Теотокис А., Уолбридж С., Парк Д.М., Лонсер Р.Р., Маккей Р.Д. (2010). «Токсин холеры регулирует сигнальный путь, имеющий решающее значение для распространения культур нервных стволовых клеток из мозга эмбриона и взрослого грызуна». PLoS ONE. 5 (5): e10841. Дои:10.1371 / journal.pone.0010841. ЧВК  2877108. PMID  20520777.
  9. ^ а б c d Masjkur J, Rueger MA, Bornstein SR, McKay R, Androutsellis-Theotokis A (ноябрь 2012 г.). «Нейроваскулярные сигналы предполагают механизм распространения активации эндогенных стволовых клеток по кровеносным сосудам». Мишени для лекарств от неврологического расстройства ЦНС. 11 (7): 805–17. Дои:10.2174/1871527311201070805. ЧВК  3580829. PMID  23131162.
  10. ^ а б c Охта С., Мисава А., Фукая Р. и др. (Июль 2012 г.). «Фактор ингибирования миграции макрофагов (MIF) способствует выживанию клеток и пролиферации нервных стволовых / клеток-предшественников». J. Cell Sci. 125 (Pt 13): 3210–20. Дои:10.1242 / jcs.102210. PMID  22454509.
  11. ^ а б c Парк Д.М., Юнг Дж., Масджкур Дж. И др. (2013). «Hes3 регулирует количество клеток в культурах мультиформной глиобластомы с характеристиками стволовых клеток». Научный представитель. 3: 1095. Дои:10.1038 / srep01095. ЧВК  3566603. PMID  23393614.
  12. ^ Qin HR, Kim HJ, Kim JY и др. (Октябрь 2008 г.). «Активация преобразователя сигнала и активатора транскрипции 3 посредством фосфомиметического серина 727 способствует онкогенезу простаты независимо от фосфорилирования тирозина 705». Рак Res. 68 (19): 7736–41. Дои:10.1158 / 0008-5472.CAN-08-1125. ЧВК  2859454. PMID  18829527.
  13. ^ а б c Masjkur J, et al. (Июль 2014 г.). «Определенная контролируемая система культивирования первичных предшественников хромаффина крупного рогатого скота позволяет выявить новые биомаркеры и модуляторы». Стволовые клетки Transl Med. 3 (7): 801–8. Дои:10.5966 / sctm.2013-0211. ЧВК  4073824. PMID  24855275.
  14. ^ Masjkur J, et al. (Декабрь 2014 г.). «Hes3 экспрессируется в островке поджелудочной железы взрослого человека и регулирует экспрессию генов, рост клеток и высвобождение инсулина». J Biol Chem. 289 (51): 35503–16. Дои:10.1074 / jbc.M114.590687. ЧВК  4271235. PMID  25371201.
  15. ^ Салевски Р.П. и др. (Февраль 2013). «Генерация дефинитивных нервных стволовых клеток из плюрипотентных стволовых клеток, индуцированных транспозоном PiggyBac, может быть усилена путем индукции сигнального пути NOTCH». Стволовые клетки Dev. 22 (3): 383–96. Дои:10.1089 / scd.2012.0218. ЧВК  3549637. PMID  22889305.
  16. ^ Оя С., Йошикава Г., Такай К. и др. (Май 2008 г.). «Регионоспецифический пролиферативный ответ нейральных предшественников на экзогенную стимуляцию факторами роста после ишемии». NeuroReport. 19 (8): 805–9. Дои:10.1097 / WNR.0b013e3282ff8641. PMID  18463491.
  17. ^ Ван Л., Чопп М., Чжан Р.Л. и др. (Февраль 2009 г.). «Путь Notch опосредует расширение пула предшественников и дифференцировку нейронов во взрослых нейронных клетках-предшественниках после инсульта». Неврология. 158 (4): 1356–63. Дои:10.1016 / j.neuroscience.2008.10.064. ЧВК  2757073. PMID  19059466.
  18. ^ Masjkur J, Poser SW, Nikolakopoulou P, Chrousos G, McKay RD, Bornstein SR, Jones PM, Androutsellis-Theotokis A (2016). «Развитие и регенерация эндокринной поджелудочной железы: неканонические идеи из биологии нервных стволовых клеток». Сахарный диабет. 65: 314–30. Дои:10.2337 / db15-1099. PMID  26798118.
  19. ^ Кэссиди Дж. П. и др. (Декабрь 2014 г.). «Прямое клональное преобразование клеток печени и В-лимфоцитов взрослых мышей в нервные стволовые клетки». Отчеты о стволовых клетках. 3 (6): 948–56. Дои:10.1016 / j.stemcr.2014.10.001. ЧВК  4264067. PMID  25454632.
  20. ^ а б Poser SW, Chenoweth JG, Colantuoni C, Masjkur J, Chrousos G, Bornstein SR, McKay RD и Androutsellis-Theotokis A (2015). «Перепрограммирование за кадром: неканонические сигнальные пути нервных стволовых клеток открывают новые, невидимые регуляторы пластичности тканей с терапевтическими последствиями». Стволовые клетки Transl Med. 4: 1251–7. Дои:10.5966 / sctm.2015-0105. ЧВК  4622411. PMID  26371344.
  21. ^ Kittappa R, Bornstein SR, Androutsellis-Theotokis A (декабрь 2012 г.). «Роль eNSCs в нейродегенеративных заболеваниях». Мол. Нейробиол. 46 (3): 555–62. Дои:10.1007 / s12035-012-8303-8. PMID  22821143.
  22. ^ Toutouna L, Nikolakopoulou P, Poser SW, Masjkur J, Arps-Forker C, Troullinaki M, Grossklaus S, Bosak V, Friedrich U, Ziemssen T, Bornstein SR, Chavakis T, Androutsellis-Theotokis A (2016). «Экспрессия Hes3 в мозге взрослых мышей регулируется во время демиелинизации и ремиелинизации». Исследование мозга. 1642: 124–30. Дои:10.1016 / j.brainres.2016.03.014. PMID  27018293.

внешняя ссылка