Wnt signalizace

(c) JWSchmidt from en.wikipedia.org, CC BY-SA 3.0

Wnt signalizace (Wnt se čte jako „wint“ a je to zkratka z Wingless/Int-1^[1]) je důležitá signalizační kaskáda, která zahrnuje několik typických klíčových komponentů. Na vnější straně membrány se na receptor Frizzled (spřažený s G-proteinem) naváže signální glykoprotein z Wnt rodiny (např. Wnt1, Wnt2). Na vnitřní straně membrány je tímto receptorem aktivován nějaký prostředník (např. Dishevelled), který následně inhibuje komplex tří proteinů GSK3/axin/APC. Když jsou tyto proteiny inhibovány, β-katenin jimi přestane být fosforylován a začne se akumulovat v cytoplazmě v nefosforylované formě. Následně β-katenin vstupuje do jádra a po kombinaci s transkripčními faktory z TCF/LEF rodiny ovlivňuje transkripci genů.^[2]

Význam Wnt signalizační kaskády spočívá v její roli v embryonálním vývoji. Řídí vytváření vzorů a reguluje buněčnou proliferaci v různých místech těla.^[1] Podílí se na takových základních procesech, jako je gastrulace, embryonální vývoj mozku a vývoj končetin i jiných orgánů.^[2]

Základní charakteristika Wnt proteinů

Do rodiny proteinů Wnt patří řada sekretovaných bílkovin o délce přibližně 350-400 aminokyselin.^[3] Všechny tyto proteiny obsahují posttranslační modifikaci, kdy se k jednomu stoprocentně konzervovanému serinu připojí kyselina palmitoolejová.^[4] Tato modifikace je důležitá, protože umožňuje proteinům Wnt, aby se navázaly na svůj transportní protein Wntless (WLS) a mohly se tak přesunout až na plazmatickou membránu^[5], a také hraje roli v interakci Wnt s receptorem Frizzled.^[6] Na to, aby mohl být Wnt správně sekretován, je rovněž nutné, aby podstoupil další posttranslační modifikaci. Jedná se o glykosylaci, kdy je k proteinu připojen uhlovodík.^[7] Při využití signální dráhy Wnt pak tyto proteiny fungují jako ligandy při parakrinní a autokrinní signalizaci.^[8][9]

Tyto proteiny jsou napříč různými druhy vysoce konzervované.^[10] Můžeme je najít u myší, lidí, drápatek, dánia pruhovaného, octomilky a mnohých dalších.^[11]

Mechanismus

Základy

Prvním krokem je navázání proteinu Wnt na N-konec extracelulární domény bohaté na cystein receptoru z rodiny Frizzled (Fzd).^[12] Tyto receptory procházejí membránou sedmkrát a tvoří speciální rodinu receptorů spřažených s G-receptory (GPCR).^[13] Někdy je však pro spuštění Wnt dráhy potřebná také přítomnost koreceptoru, což může být například lipoproteinový receptor (LRP)-5/6, tyrozinkinázový receptor (RTK) nebo ROR2.^[9] Po aktivaci receptoru se signál přesune na fosfoprotein Dishevelled (Dsh), který se nachází v cytoplazmě. Přesun se děje přímou interakcí mezi Fzd a Dsh. Proteiny Dsh jsou přítomny ve všech organizmech a sdílejí následující vysoko konzervované proteinové domény: DIX doménu na N-konci, centrální doménu PDZ a DEP doménu na C-konci. Tyto domény jsou důležité, protože z proteinu Dsh může signální dráha Wnt pokračovat různými drahami a každá z nich je založená na interakci s jinou kombinací těchto tří domén.^[14]

Kanonické a nekanonické dráhy

Tři nejlépe prostudované Wnt signální dráhy jsou kanonická dráha, nekanonická dráha planární buněčné polarity a nekanonická Wnt dráha závislá na vápníku (Wnt/vápníková). Jak je zřejmé z jejich názvů, tyto dráhy patři buď do kategorie kanonické, nebo nekanonické. Rozdíl mezi nimi spočívá v tom, že kanonická dráha zahrnuje β-katenin, zatímco nekanonické jsou od β-kateninu nezávislé.^[12]

Kanonická dráha

Princip fungování kanonické Wnt dráhy (také známé jako Wnt/β-kateninová dráha) je, že β-katenin, který byl střádán v cytoplazmě, se přesune do jádra, kde má roli jako transkripční koaktivátor transkripčních faktorů, jež patří do rodiny TCF/LEF (T buněčný faktor/lymfoidní spouštěcí faktor). Bez proteinu Wnt by se β-katenin v cytoplazmě neakumuloval, protože by byl degradován destrukčním komplexem, který obsahuje následujícií části: Axin, nádorový supresor APC (adenomatous polyposis coli), proteinovou fosfatázu 2A (PP2A), kinázu glykogensyntázy-3 (GSK3) a kaseinovů kinázu (CK1α).^[15][16] Degradace β-kateninu probíhá tak, že jej degradační komplex označí pro ubikivitinaci a následně se β-katenin dostane do proteazomu, kde je rozložen.^[12][17] Jakmile se však Wnt naváže na Fzd a LRP5/6, činnost degradačního komplexu je narušena, a to kvůli tomu, že negativní regulátor dráhy Wnt Axin, a tedy i destrukční komplex, jsou translokovány do plazmatické membrány. Axin je fosforylován jinými proteiny z destrukčního komplexu a tím se naváže na cytoplazmatický konec LRP5/6. Axin je následně defosforylován a sníží se jeho stabilita. Naopak je fosforylován a aktivován protein Dsh, přičemž jeho domény DIX a PDZ inhibují aktivitu GSK3, a tedy i destrukční komplex. Tyto procesy umožní, aby se β-katenin hromadil a následně byl přesunut do jádra, kde v spolupráci s transkripčními faktory TCF/LEF pomocí transdukce genů odstartuje odpověď buňky.^[17][18] β-katenin přivolává další transkripční koaktivátory, jako jsou BCL9, Pygopus^[19] a Parafibromin/Hyrax.^[20] Díky novým vysokokapacitním proteomickým studiím se začíná odhalovat složitost transkripčního komplexu sestaveného β-kateninem.^[21] Nicméně ještě neexistuje ucelená teorie o tom, jak přesně β-katenin spouští genovou expresi, protože je možné, že tkáňově specifické molekuly pomáhají β-kateninu cílit na konkrétní geny.^[22] Rozsah interakce β-kateninu s proteiny komplikuje naše snahy porozumět tomuto vztahu. β-katenin může být přímo fosforylován na Ser552 kinázou Akt, což způsobí, že β-katenin disociuje z mezibuněčných spojů a hromadí se v cytosolu, na což protein 14-3-3ζ interaguje s β-kateninem (pSer552) a pomáhá při jeho přesunu do jádra.^[23] O proteinech BCL9 a Pygopus dokonce bylo zjištěno, že mají funkce i na β-kateninu nezávislé, a tedy pravděpodobně nezávislé i od Wnt signální dráhy.^[24][25][26]

Nekanonické dráhy

Nekanonická dráha planární buněčné polarity (PCP) nezahrnuje β-katenin. Nevyužívá koreceptor LRP5/6, leč se předpokládá zapojení NRH1, Ryk, PTK7 nebo ROR2. Dráha PCP se aktivuje navázáním proteinu Wnt na Fzd a koreceptor. Receptor Fzd pak zapojí protein Dsh, kterého domény PDZ a DIX vytvoří komplex s dishevelled asociovaným aktivátorem morfogeneze 1 (Daam1). Daam1 poté prostřednictvím guaninového nukleotidového výměnného faktoru aktivuje malý G-protein Rho. Rho zase aktivuje Rho asociovanou kinázu (ROCK), která je jeden z hlavních regulátorů cytoskeletu. Dsh také vytvoří komplex s proteinem Rac1 a zprostředkovává vazbu profilinu na aktin. Rac1 aktivuje JNK (c-Jun NH2 terminální kinázu) a může vyvolat polymerizaci aktinu. Navázaní profilinu na aktin může vést k přestavbě cytoskeletu a gastrulaci.^[9][27]

Nekanonická Wnt/vápníková dráha také nezahrnuje β-katenin. Její úkolem je napomáhat při regulaci uvolňování vápníku z endoplazmatického retikula (ER), a řídit tak nitrobuněčnou hladinu vápníku. Stejně jako při jiných Wnt dráhách se po navázaní ligandu Wnt aktivuje receptor Fzd, který přímo interaguje s Dsh a aktivuje specifické domény proteinu Dsh. Domény, které se zapájejí do Wnt/vápníkové dráhy, jsou PDZ a DEP.^[9] Avšak na rozdíl od jiných Wnt drah, receptor Fzd tentokrát interaguje přímo s trimerickým G-proteinem. Tato současná stimulace Dsh a G-proteinu může vést k aktivaci buď fosfolipázy C (PLC), nebo cGMP specifické fosfodiesterasy (PDE). Jestli je aktivována PLC, membránový komponent PIP2 se rozdělí na DAG a IP3. Když se IP3 naváže na receptor na membráně ER, dojde k uvolnění vápníku.^[28] Zvýšená koncentrace vápníku a DAG mohou prostřednictvím PKC aktivovat Cdc42, což je důležitý regulátor ventrálního uspořádání. Zvýšená hladina vápníku může také vést k aktivaci kalcineurinu a CaMKII. Protein kináza CaMKII je odpovědná za aktivaci transkripčního faktoru NFAT, který reguluje buněčnou adhezi, migraci a rozdělení tkání.^[9] Kalcineurin aktivuje kinázy TAK1 a NLK, které mohou zasahovat do TCF/β-kateninové signalizace v rámci kanonické Wnt dráhy.^[29] Jestli je však enzym PDE aktivován, uvolnění vápníku z ER je inhibováno. PDE tento proces reguluje prostřednictvím inhibice proteinkinázy G (PKG), což následně způsobí inhibici uvolnění vápníku.^[9]

Regulace

Aby byla zabezpečena správná funkce Wnt signální dráhy, musí být neustále regulována v různých bodech.^[30] Například, proteiny Wnt jsou posttranslačne modifikované připojením zbytku kyseliny palmitoolejové. Tento proces má na starosti protein Porcupine, a proto pomáhá regulovat, kdy je Wnt ligand sekretován tím, že rozhoduje, kdy je plně složen. Sekrece je dále ovládaná proteiny, jako jsou GRP177 (Wntless) a Evenness interrupted, a komplexů jako je retromer.^[9][17]

Po sekreci je možné zabránit ligandu, aby se dostal až k receptoru například pomocí proteinů, jako jsou stabilizátory Dally a glypikan 3 (GPC3), které inhibují difuzi. V nádorových buňkách jsou oba heparansulfátové řetězce^[31][32] i proteinové jádro^[33][34] GPC3 zapojené do regulace vázaní ligandů Wnt a aktivace buněčné proliferace.^[35][36] Wnt rozpozná heparansulfátovou strukturu na GPC3, která obsahuje IdoA2S a GlcNS6S, přičemž 3-O-sulfatace v GlcNS6S3S zvyšuje navázání proteinu Wnt na heparansulfátový glypikan.^[32] Bylo zjištěno, že doména bohatá na cystein v laloku na N-konci GPC3 tvoří hydrofobní drážku pro vazbu Wnt, kde fenylalanin-41 interaguje s proteinem Wnt.^[34][37] Blokování vazebné domény Wnt pomocí jednodoménové protilátky zvané HN3 může inhibovat aktivaci Wnt.^[34]

Na úrovni receptoru Fzd je možná regulace navázáním antagonistických proteinů Wnt. Příklady specifických antagonistů jsou Dickkopf (Dkk), Wnt inhibiční faktor 1 (WIF1),^[38][39] sekretovaný frizzled-asociovaný protein (SFRP), Cerberus, Frzb, Wise, SOST, a Naked cuticle. Všechny tyto proteiny inhibují Wnt signalizaci. Nicméně existují i molekuly, které jsou aktivátory. Norrin a R-Spondin 2 spouštějí Wnt signalizaci, třebaže Wnt ligand není přítomen.

Jednotlivé Wnt dráhy se mohou regulovat i navzájem. Jak již bylo zmíněno, Wnt/vápníková dráha může inhibovat TCF/β-katenin, a tedy zabraňuje funkci kanonické Wnt dráhy.^[9][17] Prostaglandin E2 (PGE2) je klíčový aktivátor kanonické Wnt signální dráhy. Interakce mezi PGE2 a jeho receptory E2/E4 stabilizuje β-katenin prostřednictvím fosforylace zprostředkované cAMP/PKA. Syntéza PGE2 je důležitá pro procesy zprostředkované Wnt signalizací, jako jsou obnova tkání a regulace populace kmenových buněk u dánia pruhovaného a myši.^[40] Zajímavé je, že nestrukturované oblasti některých velkých přirozeně neuspořádaných proteinů hrají v regulaci Wnt signalizace klíčovou roli.^[41]

Klinické důsledky

Rakovina

Již od momentu, kdy byla Wnt signální dráha objevena, měla propojení s rakovinou. Když byl objeven protein Wnt1, byl identifikován jako protoonkogen v myším modelu pro rakovinu prsu. Jelikož je Wnt1 homolog proteinu Wg, zapájí se do embryonálního vývoje, což zahrnuje rychlé dělení a migraci buněk. Špatná regulace těchto procesů může vést ke vzniku nádoru v důsledku přehnaného buněčného dělení.^[10]

Aktivita kanonické Wnt dráhy hraje roli při tvorbě benigních i maligních nádorů prsu. Také je dobře prozkoumaná úloha Wnt dráhy při chemorezistenci nádorů a při udržování jisté subpopulace rakovinotvorných buněk.^[42] Její přítomnost se dá odhalit zvýšenou úrovní β-kateninu v jádře nebo v cytoplazmě pomocí imunohistochemického barvení nebo Western blotu. Zvýšená exprese β-kateninu se pojí s horší prognózou u pacientů s rakovinou prsu. Toto hromadění β-kateninu může vznikat kvůli různým faktorům, například mutace v genu pro β-katenin, nedostatečná funkce destrukčního komplexu (nejčastěji způsobená mutacemi v APC), zvýšená exprese Wnt ligandů, ztráta inhibitorů anebo snížená aktivita regulačních drah (jako je například Wnt/vápníková dráha).^[16][43][44] Nádor prsu může metastazovat kvůli tomu, že se Wnt dráha zapájí do epitelo-mezenchymální tranzice (EMT). Výzkum zabývající se metastazováním bazálního karcinomu prsu do plic ukázal, že represe Wnt/β-kateninové signalizace může inhibovat EMT, a tak zabránit vzniku metastáz.^[45]

Bylo objeveno, že signální dráha Wnt je odpovědná také za vznik jiných typů rakoviny. Změny v expresi genu CTNNB1, jenž kóduje β-katenin, byly nalezeny při rakovině prsu, kolorektálním karcinomu, melanomech, rakovině prostaty, rakovině plic a jiných typech. Zvýšená exprese ligandů z rodiny Wnt, jako jsou Wnt1, Wnt2 a Wnt7A, byla pozorována při vývoji glioblastomu, rakoviny jícnu a ovariálním karcinomu. Další bílkoviny, jejichž ztráta funkce vede ke vzniku různých druhů rakoviny, zahrnují ROR1, ROR2, SFRP4, Wnt5A, WIF1 a proteiny z rodiny TCF/LEF.^[46] Wnt signální dráha je dále zapojena do patogeneze kostních metastáz karcinomu prsu a prostaty, přičemž studie naznačují diskrétní stavy zapnutí a vypnutí. Wnt je během fáze dormance autokrinně regulován Dkk1, aby se vyhnul imunitnímu dohledu,^[47] stejně jako je během fáze diseminace regulován intracelulárním Dact1.^[48] Wnt je aktivován během časné fáze růstu E-selektinem.^[49]

Propojení mezi PGE2 a Wnt naznačuje, že zvýšená hladina PGE2 v důsledku chronického zánětu by mohla vést k aktivaci Wnt dráhy v různých tkáních, a způsobovat tak karcinogenezi.^[40]

Cukrovka druhého typu

Diabetes mellitus druhého typu je rozšířené onemocnění, které způsobuje sníženou sekreci inzulinu a zvýšenou inzulínovou rezistenci na periferii. Výsledkem je zvýšená hladina glukózy v krvi, tedy hyperglykemie, která bez léčby může vést až k smrti. Jelikož je signální dráha Wnt zapojena do citlivosti k inzulinu, cukrovka 2. typu může být způsobena i závadami v této dráze. Například přílišná exprese Wnt5b může zvyšovat náchylnost kvůli roli tohoto proteinu při adipogenezi, jelikož obezita a diabetes 2. typu mají vysokou míru komorbidity.^[50] Signální dráha Wnt je silný aktivátor mitochondriální biogeneze. Vyšší mitochondriální aktivita může vést ke zvýšené produkci reaktivních kyslíkových radikálů (ROS), které jsou odpovědné za poškození DNA i buněk.^[51] Poškození vyvolané ROS je významné, protože může způsobit akutní jaterní inzulínovou rezistenci nebo inzulinovou rezistenci vyvolanou poraněním.^[52] Mutace v transkripčních faktorech asociovaných s Wnt signalizací jako například TCF7L2, jsou také spojené s vyšší náchylností.^[53]

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Wnt signaling pathway na anglické Wikipedii.

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Wnt signalizace na Wikimedia Commons