В клеточной биологии паракринная сигнализация — это форма клеточной сигнализации , тип клеточной коммуникации , при котором клетка вырабатывает сигнал, вызывающий изменения в соседних клетках, изменяя поведение этих клеток. Сигнальные молекулы, известные как паракринные факторы, распространяются на относительно короткие расстояния (локальное действие), в отличие от клеточной сигнализации эндокринными факторами , гормонами , которые перемещаются на значительно большие расстояния через кровеносную систему ; юкстакринные взаимодействия ; и аутокринная сигнализация . Клетки, которые производят паракринные факторы, секретируют их в непосредственную внеклеточную среду. Затем факторы перемещаются в соседние клетки, в которых градиент полученного фактора определяет результат. Однако точное расстояние, на которое могут перемещаться паракринные факторы, неизвестно.
Хотя паракринная сигнализация вызывает разнообразный набор ответов в индуцированных клетках, большинство паракринных факторов используют относительно оптимизированный набор рецепторов и путей. Фактически, известно, что разные органы в организме — даже между разными видами — используют схожие наборы паракринных факторов в дифференциальном развитии. [1] Высококонсервативные рецепторы и пути можно организовать в четыре основных семейства на основе схожих структур: семейство факторов роста фибробластов (FGF), семейство Hedgehog , семейство Wnt и суперсемейство TGF-β . Связывание паракринного фактора с соответствующим ему рецептором инициирует каскады передачи сигнала , вызывая различные ответы.
Для того чтобы паракринные факторы успешно вызывали ответ в принимающей клетке, эта клетка должна иметь соответствующие рецепторы на клеточной мембране для получения сигналов, также известные как компетентность . Кроме того, отвечающая клетка должна также иметь возможность быть механистически вызванной.
Хотя семейство паракринных факторов FGF имеет широкий спектр функций, основные открытия подтверждают идею о том, что они в первую очередь стимулируют пролиферацию и дифференциацию. [2] [3] Для выполнения множества разнообразных функций FGF могут быть альтернативно сплайсированы или даже иметь различные инициирующие кодоны для создания сотен различных изоформ FGF . [4]
Одна из важнейших функций рецепторов FGF (FGFR) заключается в развитии конечностей. Эта сигнализация включает девять различных альтернативно сплайсированных изоформ рецептора. [5] Fgf 8 и Fgf 10 являются двумя из важнейших игроков в развитии конечностей. В инициации передних конечностей и росте конечностей у мышей аксиальные (продольные) сигналы от промежуточной мезодермы производят Tbx 5, который впоследствии подает сигнал той же мезодерме для производства Fgf 10. Затем Fgf 10 подает сигнал эктодерме для начала производства Fgf 8, который также стимулирует производство Fgf 10. Удаление Fgf 10 приводит к появлению мышей без конечностей. [6]
Кроме того, паракринная сигнализация Fgf имеет важное значение в развивающемся глазу цыплят. мРНК fgf 8 локализуется в том, что дифференцируется в нейральную сетчатку глазного бокала . Эти клетки находятся в контакте с внешними клетками эктодермы, которые в конечном итоге станут хрусталиком. [4]
Фенотип и выживаемость мышей после нокаута некоторых генов FGFR: [5]
Паракринная сигнализация через факторы роста фибробластов и соответствующие им рецепторы использует путь рецепторного тирозина . Этот сигнальный путь был тщательно изучен с использованием глаз дрозофилы и человеческих раковых опухолей. [7]
Связывание FGF с FGFR фосфорилирует холостую киназу и активирует путь RTK. Этот путь начинается на поверхности клеточной мембраны, где лиганд связывается со своим специфическим рецептором. Лиганды, которые связываются с RTK, включают факторы роста фибробластов , эпидермальные факторы роста, тромбоцитарные факторы роста и фактор стволовых клеток . [7] Это димеризует трансмембранный рецептор в другой рецептор RTK, что вызывает автофосфорилирование и последующее конформационное изменение гомодимеризованного рецептора. Это конформационное изменение активирует спящую киназу каждого RTK на остатке тирозина. В связи с тем , что рецептор простирается через мембрану из внеклеточной среды, через липидный бислой и в цитоплазму , связывание рецептора с лигандом также вызывает трансфосфорилирование цитоплазматического домена рецептора. [8]
Адаптерный белок (такой как SOS) распознает фосфорилированный тирозин на рецепторе. Этот белок функционирует как мост, который соединяет RTK с промежуточным белком (таким как GNRP), запуская внутриклеточный сигнальный каскад. В свою очередь, промежуточный белок стимулирует GDP-связанный Ras к активированному GTP-связанному Ras. GAP в конечном итоге возвращает Ras в его неактивное состояние. Активация Ras имеет потенциал инициировать три сигнальных пути ниже Ras: Ras→Raf→MAP-киназный путь, PI3-киназный путь и Ral-путь. Каждый путь приводит к активации факторов транскрипции, которые проникают в ядро, чтобы изменить экспрессию генов. [9]
Было показано, что паракринная передача сигналов факторов роста между соседними клетками усиливает канцерогенез . Фактически, мутантные формы одного RTK могут играть причинную роль в самых разных типах рака. Протоонкоген Kit кодирует рецептор тирозинкиназы, лигандом которого является паракринный белок, называемый фактором стволовых клеток (SCF), который важен для кроветворения (образования клеток в крови). [10] Рецептор Kit и родственные рецепторы тирозинкиназы на самом деле являются ингибиторами и эффективно подавляют активацию рецептора. Мутантные формы рецептора Kit, которые активируются конститутивно в лиганд-независимой манере, обнаруживаются в разнообразном спектре раковых злокачественных новообразований. [11]
Исследования рака щитовидной железы прояснили теорию о том, что паракринная сигнализация может помочь в создании опухолевой микросреды. Транскрипция хемокинов повышается, когда Ras находится в связанном с ГТФ состоянии. Затем хемокины высвобождаются из клетки, свободно связываясь с другой близлежащей клеткой. Паракринная сигнализация между соседними клетками создает эту положительную обратную связь. Таким образом, конститутивная транскрипция повышенно регулируемых белков формирует идеальную среду для возникновения опухолей. [12] Фактически, множественные связывания лигандов с рецепторами RTK чрезмерно стимулируют путь Ras-Raf-MAPK, который сверхэкспрессирует митогенную и инвазивную способность клеток. [ 13]
В дополнение к пути RTK, факторы роста фибробластов также могут активировать сигнальный путь JAK-STAT . Вместо того, чтобы нести ковалентно связанные домены тирозинкиназы, рецепторы Jak-STAT образуют нековалентные комплексы с тирозинкиназами класса Jak ( Janus kinase ). Эти рецепторы связываются с эритропоэтином (важным для эритропоэза ), тромбопоэтином (важным для образования тромбоцитов ) и интерфероном (важным для опосредования функции иммунных клеток). [14]
После димеризации рецепторов цитокинов после связывания лиганда JAK трансфосфорилируют друг друга. Полученные фосфотирозины привлекают белки STAT. Белки STAT димеризуются и проникают в ядро, чтобы действовать как факторы транскрипции для изменения экспрессии генов. [14] В частности, STAT транскрибируют гены, которые способствуют пролиферации и выживанию клеток, такие как myc. [15]
Фенотип и выживаемость мышей после нокаута некоторых генов JAK или STAT: [16]
Сигнальный путь JAK-STAT играет важную роль в развитии конечностей, в частности, в его способности регулировать рост костей посредством паракринной сигнализации цитокинов. Однако мутации в этом пути были связаны с тяжелыми формами карликовости: танатофорической дисплазией (летальной) и ахондроплазической карликовостью (жизнеспособной). [17] Это происходит из-за мутации в гене Fgf , вызывающей преждевременную и конститутивную активацию фактора транскрипции Stat1 . Деление клеток хондроцитов преждевременно прекращается, что приводит к летальной карликовости. Клетки пластины роста ребер и костей конечностей не транскрибируются. Таким образом, неспособность грудной клетки расширяться препятствует дыханию новорожденного. [18]
Исследование паракринной сигнализации через путь JAK-STAT выявило ее потенциал в активации инвазивного поведения эпителиальных клеток яичников . Этот эпителиально- мезенхимальный переход весьма очевиден при метастазах . [19] Паракринная сигнализация через путь JAK-STAT необходима при переходе от неподвижных эпителиальных клеток к подвижным мезенхимальным клеткам, которые способны проникать в окружающие ткани. Было обнаружено, что только путь JAK-STAT индуцирует мигрирующие клетки. [20]
Семейство белков Hedgehog участвует в индукции типов клеток и создании границ тканей и паттернов и встречается во всех двусторонних организмах. Белки Hedgehog были впервые обнаружены и изучены у Drosophila . Белки Hedgehog производят ключевые сигналы для установления плана конечностей и тела плодовых мушек, а также гомеостаза взрослых тканей, участвуют в позднем эмбриогенезе и метаморфозе . По крайней мере три гомолога hedgehog "Drosophila" были обнаружены у позвоночных: sonic hedgehog, desert hedgehog и Indian hedgehog. Sonic hedgehog ( SHH ) играет различные роли в развитии позвонков, опосредуя сигнализацию и регулируя организацию центральной нервной системы, конечностей и полярности сомитов . Desert hedgehog ( DHH ) экспрессируется в клетках Сертоли, участвующих в сперматогенезе . Indian hedgehog ( IHH ) экспрессируется в кишечнике и хрящах, что важно для постнатального роста костей. [21] [22] [23]
Члены семейства белков Hedgehog действуют путем связывания с трансмембранным рецептором " Patched ", который связан с белком " Smoothened ", с помощью которого может передаваться сигнал Hedgehog . В отсутствие Hedgehog рецептор Patched ингибирует действие Smoothened. Ингибирование Smoothened приводит к тому, что комплекс белков Cubitus interruptus (Ci), Fused и Cos, прикрепленный к микротрубочкам, остается нетронутым. В этой конформации белок Ci расщепляется, так что часть белка может войти в ядро и действовать как транскрипционный репрессор . В присутствии Hedgehog Patched больше не ингибирует Smoothened. Затем активный белок Smoothened способен ингибировать PKA и Slimb, так что белок Ci не расщепляется. Этот неповрежденный белок Ci может войти в ядро, ассоциироваться с белком CPB и действовать как транскрипционный активатор , вызывая экспрессию генов ответа Hedgehog. [23] [24] [25]
Сигнальный путь Hedgehog имеет решающее значение для правильного формирования и ориентации тканей во время нормального развития большинства животных. Белки Hedgehog вызывают пролиферацию клеток в определенных клетках и дифференцировку в других. Аберрантная активация пути Hedgehog была связана с несколькими типами рака , в частности, с базальноклеточной карциномой . Эта неконтролируемая активация белков Hedgehog может быть вызвана мутациями в сигнальном пути, который будет лиганд- независимым, или мутацией, которая вызывает сверхэкспрессию белка Hedgehog, который будет лиганд-зависимым. Кроме того, было показано, что активация пути Hedgehog, вызванная терапией, необходима для прогрессирования опухолей рака предстательной железы после терапии андрогенной депривации . [26] Эта связь между сигнальным путем Hedgehog и раком человека может обеспечить возможность терапевтического вмешательства в качестве лечения таких видов рака. Сигнальный путь Hedgehog также участвует в нормальной регуляции популяций стволовых клеток и необходим для нормального роста и регенерации поврежденных органов. Это может обеспечить еще один возможный путь для возникновения опухолей через путь Hedgehog. [27] [28] [29]
Семейство белков Wnt включает большое количество гликопротеинов , богатых цистеином . Белки Wnt активируют каскады передачи сигнала через три различных пути: канонический путь Wnt , неканонический путь планарной клеточной полярности (PCP) и неканонический путь Wnt/Ca 2+ . Белки Wnt, по-видимому, контролируют широкий спектр процессов развития и считаются необходимыми для контроля ориентации веретена , клеточной полярности, адгезии, опосредованной кадгерином, и раннего развития эмбрионов во многих различных организмах. Текущие исследования показали, что дерегуляция сигнализации Wnt играет роль в образовании опухолей, поскольку на клеточном уровне белки Wnt часто регулируют пролиферацию клеток , морфологию клеток, подвижность клеток и судьбу клеток. [30]
В каноническом пути белки Wnt связываются со своим трансмембранным рецептором семейства белков Frizzled . Связывание Wnt с белком Frizzled активирует белок Dishevelled . В своем активном состоянии белок Dishevelled ингибирует активность фермента гликогенсинтазы киназы 3 ( GSK3 ). Обычно активный GSK3 предотвращает диссоциацию β-катенина с белком APC , что приводит к деградации β-катенина . Таким образом, ингибированный GSK3 позволяет β-катенину диссоциировать от APC, накапливаться и перемещаться в ядро. В ядре β-катенин ассоциируется с фактором транскрипции Lef/Tcf , который уже работает на ДНК как репрессор, ингибируя транскрипцию генов, с которыми он связывается. Связывание β-катенина с Lef/Tcf работает как активатор транскрипции, активируя транскрипцию генов, чувствительных к Wnt. [31] [32] [33]
Неканонические пути Wnt обеспечивают путь передачи сигнала для Wnt, который не включает β-катенин . В неканонических путях Wnt влияет на актиновый и микротрубочковый цитоскелет , а также на транскрипцию генов .
Неканонический путь PCP регулирует морфологию клеток , деление и движение . И снова белки Wnt связываются с Frizzled и активируют его, так что Frizzled активирует белок Dishevelled, который связан с плазматической мембраной через белок Prickle и трансмембранный белок Stbm. Активный Dishevelled активирует RhoA GTPase через связанный с Dishevelled активатор морфогенеза 1 (Daam1) и белок Rac . Активный RhoA способен вызывать изменения цитоскелета, активируя Roh-ассоциированную киназу (ROCK), и напрямую влиять на транскрипцию генов. Активный Rac может напрямую вызывать изменения цитоскелета и напрямую влиять на транскрипцию генов через активацию JNK. [31] [32] [33]
Неканонический путь Wnt/Ca 2+ регулирует внутриклеточные уровни кальция . И снова Wnt связывается и активируется Frizzled. Однако в этом случае активированный Frizzled заставляет связанный G-белок активировать фосфолипазу (PLC), которая взаимодействует с PIP 2 и расщепляет его на DAG и IP 3. Затем IP 3 может связываться с рецептором на эндоплазматическом ретикулуме , чтобы высвободить внутриклеточные запасы кальция и вызвать кальций-зависимую экспрессию генов. [31] [32] [33]
Сигнальные пути Wnt играют решающую роль в межклеточной сигнализации во время нормального развития и эмбриогенеза и необходимы для поддержания тканей взрослого организма, поэтому нетрудно понять, почему нарушение сигнальных путей Wnt может способствовать развитию дегенеративных заболеваний и рака у человека .
Сигнальные пути Wnt сложны, включают множество различных элементов и, следовательно, имеют много целей для неправильной регуляции. Мутации, вызывающие конститутивную активацию сигнального пути Wnt, приводят к образованию опухолей и раку. Аномальная активация пути Wnt может привести к увеличению пролиферации клеток. Текущие исследования сосредоточены на действии сигнального пути Wnt, регуляции выбора стволовых клеток для пролиферации и самообновления. Это действие сигнала Wnt в возможном контроле и поддержании стволовых клеток может обеспечить возможное лечение при раке, проявляющем аномальную сигнализацию Wnt. [34] [35] [36]
« TGF » (трансформирующий фактор роста) — это семейство белков, включающее 33 члена, которые кодируют димерные , секретируемые полипептиды, регулирующие развитие. [37] Многие процессы развития находятся под его контролем, включая гаструляцию, осевую симметрию тела, морфогенез органов и гомеостаз тканей у взрослых. [38] Все лиганды TGF-β связываются с рецепторами либо типа I, либо типа II, создавая гетеротетрамические комплексы. [39]
Путь TGF-β регулирует многие клеточные процессы в развивающихся эмбрионах и взрослых организмах, включая рост клеток , дифференцировку , апоптоз и гомеостаз . У людей и других млекопитающих существует пять видов рецепторов типа II и семь видов рецепторов типа I. Эти рецепторы известны как «киназы двойной специфичности», поскольку их цитоплазматический домен киназы обладает слабой тирозинкиназной активностью, но сильной сериновой / треониновой киназной активностью. [40] Когда лиганд суперсемейства TGF-β связывается с рецептором типа II, он привлекает рецептор типа I и активирует его, фосфорилируя остатки серина или треонина его «GS»-бокса. [41] Это образует комплекс активации, который затем может фосфорилировать белки SMAD.
Существует три класса SMAD:
Примеры SMAD в каждом классе: [42] [43] [44]
Суперсемейство TGF-β активирует членов семейства SMAD , которые функционируют как факторы транскрипции. В частности, рецептор типа I, активированный рецептором типа II, фосфорилирует R-SMAD , которые затем связываются с co-SMAD, SMAD4 . R-SMAD/Co-SMAD образует комплекс с импортином и проникает в ядро, где они действуют как факторы транскрипции и либо повышают, либо понижают экспрессию целевого гена.
Специфические лиганды TGF-β приведут к активации либо SMAD2/3, либо SMAD1/5 R-SMAD . Например, когда активин , Nodal или лиганд TGF-β связываются с рецепторами, фосфорилированный рецепторный комплекс может активировать SMAD2 и SMAD3 посредством фосфорилирования. Однако, когда лиганд BMP связывается с рецепторами, фосфорилированный рецепторный комплекс активирует SMAD1 и SMAD5 . Затем комплексы Smad2/3 или Smad1/5 образуют димерный комплекс с SMAD4 и становятся факторами транскрипции . Хотя в пути задействовано много R-SMAD , есть только один co-SMAD, SMAD4 . [45]
Не-Smad сигнальные белки способствуют реакциям пути TGF-β тремя способами. Во-первых, не-Smad сигнальные пути фосфорилируют Smad. Во-вторых, Smad напрямую сигнализируют другим путям, напрямую взаимодействуя с другими сигнальными белками, такими как киназы. Наконец, рецепторы TGF-β напрямую фосфорилируют не-Smad белки. [46]
Это семейство включает TGF-β1 , TGF-β2 , TGF-β3 и TGF-β5. Они участвуют в позитивной и негативной регуляции деления клеток , образовании внеклеточного матрикса между клетками, апоптозе и эмбриогенезе . Они связываются с рецептором TGF-β II типа (TGFBRII).
TGF-β1 стимулирует синтез коллагена и фибронектина и подавляет деградацию внеклеточного матрикса . В конечном итоге, он увеличивает выработку внеклеточного матрикса эпителиальными клетками . [39] Белки TGF-β регулируют эпителий, контролируя, где и когда они разветвляются, образуя протоки почек, легких и слюнных желез. [39]
Первоначально было обнаружено, что члены семейства BMP вызывают формирование костей , как следует из их названия. Однако BMP очень многофункциональны и могут также регулировать апоптоз , миграцию клеток , деление клеток и дифференциацию . Они также определяют переднюю/заднюю ось, вызывают рост и регулируют гомеостаз . [37]
BMP связываются с рецептором костного морфогенетического белка II типа (BMPR2). Некоторые из белков семейства BMP — это BMP4 и BMP7 . BMP4 способствует формированию костей, вызывает гибель клеток или сигнализирует о формировании эпидермиса , в зависимости от ткани, на которую он действует. BMP7 имеет решающее значение для развития почек, синтеза спермы и поляризации нервной трубки. Как BMP4, так и BMP7 регулируют стабильность и обработку зрелых лигандов, включая деградацию лигандов в лизосомах. [37] BMP действуют путем диффузии из клеток, которые их создают. [47]
Фактор роста и факторы свертывания крови являются паракринными сигнальными агентами. Локальное действие сигнализации фактора роста играет особенно важную роль в развитии тканей. Кроме того, ретиноевая кислота , активная форма витамина А , функционирует паракринным образом, регулируя экспрессию генов во время эмбрионального развития у высших животных. [49] У насекомых аллатостатин контролирует рост посредством паракринного действия на corpora allata. [ необходима цитата ]
В зрелых организмах паракринная сигнализация участвует в реакциях на аллергены , восстановлении тканей, образовании рубцовой ткани и свертывании крови . [ требуется цитата ] Гистамин — это паракрин, который выделяется иммунными клетками в бронхиальном дереве. Гистамин заставляет гладкомышечные клетки бронхов сокращаться, сужая дыхательные пути. [50]