Рецепторы Eph ( Ephs , от эритропоэтин-продуцирующие человеческие гепатоцеллюлярные рецепторы ) представляют собой группу рецепторов , которые активируются в ответ на связывание с белками, взаимодействующими с рецепторами Eph (Ephrins) . Ephs образуют крупнейшее известное подсемейство рецепторных тирозинкиназ (RTK). Как рецепторы Eph, так и соответствующие им лиганды эфрина являются мембраносвязанными белками , которым для активации рецепторов Eph требуются прямые взаимодействия между клетками . Сигнализация Eph/ephrin участвует в регуляции множества процессов, критически важных для эмбрионального развития , включая наведение аксонов , [1] формирование границ тканей, [2] миграцию клеток и сегментацию . [3] Кроме того, было установлено, что сигнализация Eph/ephrin играет важную роль в поддержании нескольких процессов во взрослом возрасте, включая долгосрочную потенциацию , [4] ангиогенез , [5] и дифференцировку стволовых клеток и рак . [6]
Ephs можно разделить на два подкласса, EphAs и EphBs (кодируемые генетическими локусами , обозначенными EPHA и EPHB соответственно), на основе сходства последовательностей и их связывающей аффинности либо с гликозилфосфатидилинозитол -связанными лигандами эфрина-A, либо с трансмембранно-связанными лигандами эфрина-B. [7] Из 16 рецепторов Eph (см. выше), которые были идентифицированы у животных, известно, что люди экспрессируют девять EphAs (EphA1-8 и EphA10) и пять EphBs (EphB1-4 и EphB6). [8] В целом, Ephs определенного подкласса связываются преимущественно со всеми эфринами соответствующего подкласса, но имеют мало или вообще не имеют перекрестного связывания с эфринами противоположного подкласса. [9] Недавно было высказано предположение, что внутриподклассовая специфичность связывания Eph/ephrin может быть частично отнесена к различным механизмам связывания, используемым EphAs и EphBs. Однако существуют исключения из внутриподклассовой специфичности связывания, наблюдаемой в Ephs, поскольку недавно было показано, что ephrin-B3 может связываться с EphA4 и активировать его , а ephrin-A5 может связываться с EphB2 и активировать его . [10] Взаимодействие EphA/ephrinA обычно происходит с более высокой аффинностью, чем взаимодействия EphB/ephrin-B, что частично можно отнести к тому факту, что ephrin-As связываются посредством механизма «замок и ключ», который требует небольшого конформационного изменения EphAs в отличие от EphBs, которые используют механизм «индуцированной подгонки», который требует большего количества энергии для изменения конформации EphBs для связывания с ephrin-Bs. [11]
У животных было выявлено 16 ЭФ, перечисленных ниже:
Внеклеточный домен рецепторов Eph состоит из высококонсервативного глобулярного домена связывания лиганда эфрина, богатой цистеином области и двух доменов фибронектина типа III . Цитоплазматический домен рецепторов Eph состоит из юкстамембранной области с двумя консервативными остатками тирозина, домена тирозинкиназы , стерильного альфа-мотива (SAM) и мотива связывания PDZ . [4] [11] После связывания лиганда эфрина с внеклеточным глобулярным доменом рецептора Eph остатки тирозина и серина в юкстамембранной области Eph фосфорилируются [ 12], что позволяет внутриклеточной тирозинкиназе преобразовываться в ее активную форму и впоследствии активировать или подавлять нисходящие сигнальные каскады. [13] Структура транс-автофосфорилирования юкстамембранной области EPHA2 наблюдалась в кристалле EPHA2. [14]
Способность ЭФ и эфринов быть посредниками во множестве межклеточных взаимодействий ставит систему ЭФ/эфрин в идеальное положение для регуляции множества различных биологических процессов во время эмбрионального развития .
В отличие от большинства других RTK, Eph обладают уникальной способностью инициировать межклеточный сигнал как в клетке, несущей рецептор («прямая» сигнализация), так и в противоположной клетке, несущей эфрин («обратная» сигнализация) после межклеточного контакта, что известно как двунаправленная сигнализация. [15] Хотя функциональные последствия двунаправленной сигнализации Eph/эфрин до конца не выяснены, очевидно, что такой уникальный процесс сигнализации позволяет эфриновым Eph оказывать противоположные эффекты на выживание конуса роста [16] и обеспечивает сегрегацию клеток, экспрессирующих Eph, от клеток, экспрессирующих эфрин. [17]
Сегментация — это базовый процесс эмбриогенеза, происходящий у большинства беспозвоночных и всех позвоночных, посредством которого тело изначально делится на функциональные единицы. В сегментированных областях эмбриона клетки начинают представлять биохимические и морфологические границы, на которых поведение клеток резко отличается — жизненно важно для будущей дифференциации и функционирования. [18] В заднем мозге сегментация — это точно определенный процесс. Однако в параксиальной мезодерме развитие — это динамический и адаптивный процесс, который регулируется в соответствии с ростом задней части тела. Различные рецепторы Eph и эфрины экспрессируются в этих областях, и с помощью функционального анализа было установлено, что сигнализация Eph имеет решающее значение для правильного развития и поддержания этих границ сегментов. [18] Аналогичные исследования, проведенные на данио-рерио, показали аналогичные процессы сегментации в сомитах, содержащих полосатый рисунок экспрессии рецепторов Eph и их лигандов, что жизненно важно для правильной сегментации — нарушение экспрессии приводит к смещению или даже отсутствию границ. [19]
По мере развития нервной системы паттерн нейронных связей устанавливается молекулярными проводниками, которые направляют аксоны ( аксонное руководство ) вдоль путей с помощью целевых и полученных от путей сигналов. [20] Сигнализация Eph/ephrin регулирует миграцию аксонов к их целевым местам назначения в значительной степени за счет снижения выживаемости конусов роста аксонов и отталкивания мигрирующего аксона от места активации Eph/ephrin. [16] [21] Этот механизм отталкивания мигрирующих аксонов за счет снижения выживаемости конусов роста зависит от относительных уровней экспрессии Eph и ephrin и позволяет градиентам экспрессии Eph и ephrin в целевых клетках направлять миграцию конусов роста аксонов на основе их собственных относительных уровней экспрессии Eph и ephrin. Как правило, прямая сигнализация как рецепторами EphA, так и EphB опосредует коллапс конуса роста, тогда как обратная сигнализация через ephrin-A и ephrin-B индуцирует выживание конуса роста. [16] [22]
Способность сигнализации Eph/ephrin направлять мигрирующие аксоны вдоль градиентов экспрессии Eph/ephrin подтверждается формированием ретинотопической карты в зрительной системе, с градуированными уровнями экспрессии как рецепторов Eph, так и лигандов ephrin, что приводит к развитию разрешенной нейронной карты [23] (более подробное описание сигнализации Eph/ephrin см. в разделе «Формирование ретинотопической карты» в ephrin ). Дальнейшие исследования затем показали роль Eph в топографическом картировании в других областях центральной нервной системы, таких как обучение и память посредством формирования проекций между перегородкой и гиппокампом. [24]
В дополнение к формированию топографических карт, сигнализация Eph/ephrin была вовлечена в правильное направление аксонов двигательных нейронов в спинном мозге . Хотя несколько членов Ephs и ephrins вносят вклад в направление двигательных нейронов, [25] было показано, что обратная сигнализация ephrin-A5 играет решающую роль в выживании конусов роста двигательных нейронов и опосредует миграцию конусов роста, инициируя отталкивание в мигрирующих аксонах, экспрессирующих EphA. [16]
Помимо аксонального руководства, Ephs были вовлечены в миграцию клеток нервного гребня во время гаструляции. [26] В туловище эмбриона цыпленка и крысы миграция клеток нервного гребня частично опосредована рецепторами EphB. Было показано, что аналогичные механизмы контролируют движение гребня в заднем мозге в ромбомерах 4, 5 и 7, которые распределяют клетки гребня по плечевым дугам 2, 3 и 4 соответственно. У C. elegans нокаут гена vab-1 , который, как известно, кодирует рецептор Eph, и его лиганда Ephrin vab-2 приводит к влиянию на два процесса миграции клеток. [27] [28]
Рецепторы Eph присутствуют в высокой степени во время васкулогенеза , ангиогенеза и других ранних стадий развития кровеносной системы . Без него это развитие нарушается. Считается, что он различает артериальный и венозный эндотелий , стимулируя образование капиллярных ростков , а также дифференциацию мезенхимы в периваскулярные опорные клетки .
Строительство кровеносных сосудов требует координации эндотелиальных и поддерживающих мезенхимальных клеток через несколько фаз для развития сложных сетей, необходимых для полностью функциональной системы кровообращения. [29] Динамическая природа и паттерны экспрессии Ephs делают их, таким образом, идеальными для ролей в ангиогенезе. Эмбриональные модели мышей показывают экспрессию EphA1 в мезодерме и преэндокардиальных клетках, позднее распространяющуюся вверх в дорсальную аорту, затем в первичную головную вену, межсомитные сосуды и сосудистую сеть зачатков конечностей, что согласуется с ролью в ангиогенезе. Различные рецепторы Eph класса A также были обнаружены в слизистой оболочке аорты, артериях плечевой дуги, пупочной вене и эндокарде. [29] Комплементарная экспрессия EphB2/ephrin-B4 была обнаружена в развивающихся артериальных эндотелиальных клетках и EphB4 в венозных эндотелиальных клетках. [30] Экспрессия EphB2 и эфрина-B2 также была обнаружена на поддерживающих мезенхимальных клетках, что предполагает роль в развитии стенки посредством посредничества эндотелиально-мезенхимальных взаимодействий. [31] Формирование кровеносных сосудов во время эмбриогенеза состоит из васкулогенеза, образования первичной капиллярной сети с последующей вторичной ремоделировкой и реструктуризацией в более тонкую третичную сеть - исследования с использованием мышей с дефицитом эфрина-B2 показали нарушение эмбриональной сосудистой сети в результате дефицита реструктуризации первичной сети. [18] Функциональный анализ других мутантных мышей привел к разработке гипотезы, согласно которой Ephs и эфрины способствуют развитию сосудов, ограничивая артериальное и венозное эндотелиальное смешивание, тем самым стимулируя образование капиллярных ростков , а также дифференциацию мезенхимы в периваскулярные поддерживающие клетки, что является продолжающейся областью исследований. [29]
Хотя в настоящее время существует мало доказательств, подтверждающих это (и все больше доказательств, опровергающих это), некоторые ранние исследования предполагали, что Ephs играют роль в передаче сигналов развития конечностей . [18] У цыплят EphA4 экспрессируется в развивающихся зачатках крыльев и ног, а также в зачатках перьев и чешуек. [32] Эта экспрессия наблюдается в дистальном конце зачатков конечностей, где клетки еще не дифференцированы и делятся, и, по-видимому, находится под регуляцией ретиноевой кислоты, FGF2, FGF4 и BMP-2, которые, как известно, регулируют формирование конечностей. У мышей с дефектом EphA4 не наблюдается аномалий в морфогенезе конечностей (личное общение Эндрю Бойда и Найджела Холдера), поэтому возможно, что эти паттерны экспрессии связаны с нейронным руководством или васкуляризацией конечности, и необходимы дальнейшие исследования, чтобы подтвердить или опровергнуть потенциальную роль Eph в развитии конечностей.
Как член семейства RTK и с такими же разнообразными обязанностями, как Ephs, неудивительно узнать, что Ephs были вовлечены в несколько аспектов рака . Несмотря на то, что они широко использовались на протяжении всего развития, Ephs редко обнаруживаются во взрослых тканях. Повышенные уровни экспрессии и активности были связаны с ростом солидных опухолей, при этом рецепторы Eph обоих классов A и B были сверхэкспрессированы в широком спектре видов рака, включая меланому, рак молочной железы, простаты, поджелудочной железы, желудка, пищевода и толстой кишки, а также опухоли кроветворной системы. [33] [34] [35] Повышенная экспрессия также коррелировала с более злокачественными и метастатическими опухолями, что согласуется с ролью Ephs в управлении движением клеток. [29]
Возможно, что повышенная экспрессия Eph при раке играет несколько ролей, во-первых, действуя как факторы выживания или как стимулятор аномального роста. [36] Ангиогенные свойства системы Eph могут увеличивать васкуляризацию и, таким образом, способность к росту опухолей. [29] Во-вторых, повышенные уровни Eph могут нарушать межклеточную адгезию через кадгерин, который, как известно, изменяет экспрессию и локализацию рецепторов Eph и эфринов, что, как известно, еще больше нарушает клеточную адгезию, ключевую особенность метастатического рака. [36] В-третьих, активность Eph может изменять взаимодействия клеточного матрикса через интегрины путем секвестрации сигнальных молекул после активации рецептора Eph, а также обеспечивая потенциальное прилипание через связывание лиганда эфрина после метастазирования. [35] [36]
Рецепторы Eph были первоначально идентифицированы в 1987 году после поиска тирозинкиназ с возможной ролью в развитии рака, получив свое название от линии клеток гепатоцеллюлярной карциномы, продуцирующей эритропоэтин , из которой была получена их кДНК . [37] Эти трансмембранные рецепторы изначально были классифицированы как рецепторы-сироты без известных лигандов или функций, и прошло некоторое время, прежде чем возможные функции рецепторов стали известны. [20]
Когда было показано, что почти все рецепторы Eph экспрессируются на различных четко определенных стадиях развития в различных местах и концентрациях, была предложена роль в позиционировании клеток, что положило начало исследованиям, которые выявили семейства Eph/ephrin как основную систему управления клетками во время развития позвоночных и беспозвоночных. [38]