Netrin - Netrin

Knock Netrin 1 narušuje topografii thalamokortikálních projekcí v mozku myši. Z Powell et al., 2008.

Netriny jsou třídou proteinů zapojených do vedení axonů . Jsou pojmenovány podle sanskrtského slova „netr“, což znamená „ten, kdo vede“. Netriny jsou geneticky konzervovány napříč hlísticemi , ovocnými muškami , žabami , myšmi a lidmi . Strukturálně se netrin podobá lamininu proteinů extracelulární matrix .

Netriny jsou chemotropní ; rostoucí axon se buď bude pohybovat směrem k vyšší koncentraci netrinu nebo od ní. Ačkoli podrobný mechanismus vedení axonů není zcela pochopen, je známo, že přitažlivost netrinu je zprostředkována povrchovými receptory buněk UNC-40/DCC a odpuzování je zprostředkováno receptory UNC-5 . Netriny také působí jako růstové faktory a podporují růstové aktivity buněk v cílových buňkách. Myším s nedostatkem netrinu se nepodaří vytvořit hippocampální komisuru nebo corpus callosum .

Navrhovaný model aktivity netrinu v páteři vyvíjejících se lidských embryí spočívá v tom, že netriny jsou uvolňovány podlahovou deskou a poté jsou zachyceny receptorovými proteiny vloženými do růstových kuželů axonů patřících neuronům ve vyvíjející se páteři. Těla těchto neuronů zůstávají nehybná, zatímco axony sledují dráhu definovanou netriny a nakonec se spojují s neurony uvnitř embryonálního mozku vývojem synapsí . Výzkum podporuje, že nové axony mají tendenci sledovat dříve sledované cesty, než aby byly vedeny netriny nebo souvisejícími chemotropními faktory.

Objev

Netrin byl poprvé popsán u hlístice Caenorhabditis elegans v roce 1990 a pojmenován UNC-6 podle standardního protokolu pojmenování C. elegans . První savčí homolog UNC-6 byl objeven v roce 1994, kde bylo zjištěno, že je životně důležitým vodítkem pro komisurální axony hlodavců v míše. V roce 2009 bylo identifikováno pět savčích Netrinů. Netriny 1, 3 a 4 jsou sekretované proteiny, zatímco G1 a G2 jsou proteiny vázané na membránu uvázané ocasy glykofosfatidylinositolu . Všechny netriny dosud objevené u bezobratlých jsou vylučovány.

Přehled netrinů

Rodina netrinů se skládá převážně ze sekretovaných proteinů, které slouží jako bifunkční signály: přitahují některé neurony, zatímco jiné odpuzují během vývoje mozku. Vyjádřeno ve středové linii všech zvířat, která mají bilaterální symetrii , mohou během neurogeneze působit jako signály dlouhého nebo krátkého dosahu . Aby mohly plnit své funkce, netriny interagují se specifickými receptory: DCC nebo UNC-5 , v závislosti na tom, zda se snaží přilákat nebo odpuzovat neurony.

V sekundární struktuře netrinů, která má několik domén, které jsou homologní s lamininem na amino -koncovém konci, existuje vysoký stupeň zachování. C-koncová doména je místem, kde se většina variací nachází mezi druhy a obsahuje různé aminokyseliny, které umožňují interakci se specifickými proteiny v extracelulární matrici nebo na povrchu buňky. Rozdíly ve struktuře a funkci vedly k identifikaci několika různých typů netrinů, včetně netrin-1, netrin-3 a netrins-G.

Klíčové netriny

Netrin-1 se nachází v podlahové destičce a neuroepiteliálních buňkách ventrální oblasti míchy, jakož i na dalších místech v nervovém systému včetně somatického mezodermu , pankreatu a srdečního svalu. Jeho hlavní role je v axonálním vedení, migraci neuronů a morfogenezi různých větvících struktur. Bylo pozorováno, že myši s mutacemi v genu netrin-1 chybí v komisurálních axonech předního mozku a míchy. Bylo popsáno, že Netrin -1 a -3 mají výhradní expresi v rakovinných buňkách.

Netrin-3 se liší od ostatních netrinů. Je vyjádřen během vývoje periferního nervového systému v motorických, senzorických a sympatických neuronech, ale v centrálním nervovém systému je velmi omezený. Studie s netrinem-3 zaznamenaly sníženou schopnost vázat se s DCC ve srovnání s netrinem-1. To naznačuje, že funguje hlavně prostřednictvím jiných receptorů.

Netriny-G jsou vylučovány, ale zůstávají navázány na extracelulární povrch buněčné membrány prostřednictvím glykofosfatidylinositolu (GPI). Jsou exprimovány především v centrálním nervovém systému v místech, jako je thalamu a mitrální buňky v čichovém bulbu . Nevážou se na DCC nebo UNC-5 a místo toho se vážou na ligand NGL-1, což má za následek intracelulární transdukční kaskádu. Tyto dvě verze, netrin-G1 a netrin-G2, se nacházejí pouze u obratlovců. Předpokládá se, že se vyvinuly nezávisle na jiných netrinech, aby usnadnily stavbu mozku.

Netrinové receptory

Proteiny DCC a UNC-5 zprostředkovávají reakce netrinu-1. Protein UNC-5 se podílí hlavně na signalizaci odpuzování. DCC, který je zapojen do přitažlivosti, může také sloužit jako kofaktor v signalizaci odpuzování, když je daleko od zdroje netrinu-1. DCC je vysoce exprimován v centrálním nervovém systému a je spojen s bazální vrstvou epiteliálních buněk. V nepřítomnosti netrinu-1 je známo, že tyto receptory indukují apoptózu .

Axonální vedení

Za prodloužení axonu během migrace jsou zodpovědné růstové čípky, které jsou umístěny během embryogeneze na konci vyvíjejících se axonů . K prodloužení dochází v reakci na tropické i atropické faktory přítomné v okolním prostředí. Netriny jsou jedním z takových tropických faktorů secernovaných axonálními cílovými buňkami, které fungují jako zásadní axonální naváděcí protein v organismech obratlovců i bezobratlých. Studie na více organizmech včetně myší, krys, kuřat, hlístice Caenorhabditis elegans , ovocné mušky Drosophila melanogaster a zebrafish Danio rerio ukázaly, že vylučované netriny jsou bifunkční, což znamená, že mohou působit buď jako atraktanty, nebo repelenty při usměrňování prodloužení axonů. Mnoho studií navíc charakterizovalo netriny jako narážky krátkého i dlouhého dosahu, působící v bezprostřední nebo vzdálené blízkosti jejich zdrojové buňky (axonální cílové buňky).

Atrakce

Studie vývoje centrálního nervového systému (CNS) na modelech kuřat a hlodavců identifikovaly protein netrin-1 jako zvláště důležitou vodicí stopu axonálních obratlovců. Nejvýznamněji bylo pozorováno, že specializované buňky podlahové desky umístěné ve ventrální střední linii embryonálního mozku vylučují netrin-1, což vedlo k proteinovému gradientu. Tento gradient je nejvíce koncentrovaný ve ventrální střední linii a při dorzálním pohybu se stále více rozptyluje. Další výzkum na myších s nedostatkem netrinu zjistil, že když se netrin spojí s receptorem deletovaným v kolorektálním karcinomu (DCC) na axonálním růstovém kuželu, zahájí se reakce atraktantu. To bylo dále podpořeno pozorovanou absencí vývoje ventrální komisury (tj. Corpus callosum ) u myší postrádajících buď netrin-1 nebo DCC. Podobné výsledky byly pozorovány v experimentech s homologem netrinu-1 UNC-6 objeveným u C. elegans Stejná časná exprese a tvorba gradientu koncentrace proteinu vycházející z ventrální střední linie je pozorována v epidermálních buňkách vyvíjejícího se červa. Důkazy naznačují, že tento gradient je zásadní pro funkci UNC-6 na dlouhé vzdálenosti při vedení počáteční obvodové migrace axonů do ventrální střední linie a že receptor UNC-40 zprostředkovává atraktivní odezvu. Jak další axony dosáhnou střední linie, časová a prostorová exprese UNC-6 se stává stále omezenější, což naznačuje, že po obecnějším dorzálně-ventrálním vedení axonů se UNC-6 dále podílí na směrování axonů do konkrétnějších míst.

Vědci nedávno charakterizovali mnoho buněčných mechanismů, kterými vazba netrinu-1 na DCC motivuje přitažlivost axonů prostřednictvím alespoň tří nezávislých signálních cest. U všech tří cest je pozorováno, že netrin-1 způsobuje homodimerizaci DCC, která začíná chemoatrakční kaskádou. V první dráze je fokální adhezní kináza (FAK) vázána na DCC a obě procházejí tyrosinovou fosforylací po vazbě netrinu-1, která indukuje nábor a fosforylaci Src a Fyn , což je hypotéza, která vede ke zvýšení druhých poslů Rac1 a Cdc42, čímž podporuje prodloužení růstového kužele. Ve druhé možné dráze se protein a (PITP) pro přenos fosfatidylinositolu váže na fosforylovaný DCC, který indukuje fosfolipázu C (PLC) za účelem zvýšení poměru cAMP k cGMP . Toto zvýšení cAMP vzhledem k cGMP aktivuje kanály Ca2 + typu L a také kanály potenciálních přechodných receptorů (TRPC), což způsobuje příliv extracelulárního Ca2 + . Důkazy naznačují, že tento zvýšený vápník je zodpovědný za aktivaci Rho GTPáz, Cdc42 Rac1 a nukleárního transkripčního faktoru NFAT, které všechny mohou iniciovat prodloužení růstového kužele. Další studie také ukázaly, že signalizace vyvolaná netrinem mezi DCC downstream cílí na NcK a protein WASOTT -Aldrichův syndrom WASP spouští Rac1 a Cdc42 a následně axonální růst.

Odpor

Bylo prokázáno, že jak DCC u obratlovců, tak UNC-40 u C. elegans iniciují odpudivou spíše než atraktivní reakci, když jsou spojeny s receptorem netrinu Unc5. Ve stejném gradientu ventrální střední linie diskutovaném výše působí netrin-1 jako chemorepellant pro axony trochleárních motorických neuronů, a tak směruje jejich růst dorzálně (pryč od ventrální střední linie). Inhibice DCC protilátkami v embryonální míše Xenopus inhibovala přitažlivost i odpuzování in vitro. Podobně bylo u mutantů C. elegans unc-40 pozorováno mnohočetné defekty ; chyby v migračních vzorcích však byly hlouběji ovlivněny mutacemi v genu unc-5, což naznačuje, že vazba homologu netrin-1 UNC-6 na samotný receptor UNC-5 může odrazit růst axonů. V systémech obratlovců i bezobratlých se zdá, že chemorepulze na krátkou vzdálenost, ve které je koncentrace netrinů vysoká, se primárně vyskytuje prostřednictvím receptoru UNC-5, zatímco odpudivé účinky dlouhého dosahu při difúznějších koncentracích vyžadují koordinaci mezi DCC (UNC-40 ve C. elegans ) a UNC-5.

V současné době se předpokládá, že chemorepulze dlouhého dosahu zahrnuje iniciaci dráhy kyseliny arachidonové po interakci netrinu-1 s komplexem DCC/UNC-5. Tato cesta zvyšuje intracelulární hladiny 12-HPETE (kyselina 12-hydroperoxy-5, 8, 10, 14-eikosatetraenová), která indukuje signalizaci cGMP a následně způsobuje snížení poměru cAMP/cGMP. Snížení tohoto poměru inhibuje vodivost vápníku kalciovými kanály typu L (LCC) a v konečném důsledku vede k odpuzování růstových kuželů prostřednictvím možné aktivace genové rodiny homologů Ras, člena A (RhoA) . Podobný mechanismus zprostředkovaný RhoA je navržen pro chemorepulzi krátkého dosahu, přičemž samotná vazba netrinu-1 na homodimery UNC-5 indukuje fosforylaci tyrosinu vyžadující FAK a Src, což v důsledku aktivuje RhoA. Další mechanismus navrhuje, aby vazba tyrosin fosfatázy Shp2 na komplex netrin-1/UNC-5 mohla také vyvolat chemorepulzi prostřednictvím RhoA.

Gliové a mezodermální vedení

Mnoho studií ukázalo, že netrin-1 , UNC-40, UNC-6 a UNC-5 se podílejí na migraci glie během embryogeneze . Během migrační fáze v Drosophila melanogaster exprimují embryonální periferní glia (ePG) UNC-5. U vyřazených organismů UNC-5 se ePG při migraci buď zastaví, nebo migraci neprovede. Signalizace UNC-6 v C. elegans , spojená s receptorem UNC-40 na neuronech, podporuje synaptogenezi a spojuje gliové koncové nohy kolem synapsí.

Funkce mimo vedení neuronů

Ačkoli se původně předpokládalo, že je specificky zapojen do axonálního vedení v centrálním nervovém systému, nový výzkum spojil netrin s regulací rakoviny, vývojem a tvorbou neurální tkáně a detekcí rakoviny a dalších nemocí.

Vývoj a regulace tkáně

Bylo objeveno, že Netrin hraje klíčovou roli ve vývoji a zralé regulaci tkáně mimo nervový systém. Některé z zahrnutých neurálních tkání zahrnují tkáň plic, placenty, vaskulatury, slinivky, svalů a mléčné žlázy. Netrin přispívá k tkáňové morfogenezi kontrolou vyvíjející se migrace buněk a buněčné adheze v různých orgánech.

U vyvíjejících se mléčných žláz se rostoucí špičky duktální sítě skládají ze dvou vrstev tvořených luminálními epiteliálními buňkami a čepičkovými buňkami. Luminální buňky vylučují netrin 1, který se váže na receptorový neogenin (homolog DCC ) na čepičkových buňkách. To umožňuje adhezi mezi dvěma buněčnými vrstvami, což je nezbytné pro správnou morfogenezi terminálních koncových pupenů (TEB) v mléčných žlázách. Ztráta genu kódujícího buď netrin 1 nebo neogenin vede k nesprávné tvorbě (TEB), což naznačuje, že netrin 1, který působí jako naváděcí molekula jako v neuronálních systémech, slouží jako lepidlo v mléčné tkáni.

Během morfogeneze embryonálních plic epiteliální buňky exprimují netrin 1 a netrin 4. Tyto netriny obklopují pupeny endodermu v bazální membráně , což brání buňkám distálních špiček v expresi DCC a UNC5B. To umožňuje normální vývoj plic a zastavuje potenciálně nebezpečné nadměrné větvení a pučení.

Při vývoji pankreatu je netrin 1 exprimován v epiteliálních duktálních buňkách a lokalizuje se do bazální membrány. Netrin 1 se spojuje s několika prvky v extracelulární matrix , včetně kolagenu IV , fibronektinu a integrálních proteinů a6β4 a α3β1. Tyto prvky v extracelulární matrici jsou zodpovědné za adhezi a migraci epiteliálních buněk, což naznačuje, že netrin 1 je spojen s vedením epiteliálních buněk v embryonální pankreatu.

Netrin byl implikován jako životně důležitá molekula pro proliferaci vaskulárních sítí. Několik studií zjistilo různé účinky netrinu na tato rozvětvená plavidla. Buňky endotelových špiček ve vaskulární tkáni vykazují podobné vlastnosti jako růstový kužel nacházející se v neuronální tkáni. Studie zjistily, že tyto stejné endoteliální špičkové buňky také exprimují UNC5B, na které se může netrin 1 vázat, čímž inhibuje angiogenezi . Naproti tomu několik studií ukazuje, že netrin-1 ve skutečnosti podporuje větvení krevních cév. Ve spojení s tímto výzkumem bylo zjištěno, že netrin 4 je zodpovědný za růst v lymfatickém cévním systému . Celkově tyto studie ukazují, že regulační účinky netrinu závisí na typu vaskulární tkáně. V poslední době se netrin podílí na angiogenezi v placentě, což je životně důležité pro přežití plodu. Toto zjištění má důsledky pro budoucí léčbu cévních onemocnění v placentě.

U dospělých se netrin podílí na regulaci pohybu kmenových buněk a zánětu. Bylo zjištěno, že Netrin 1 inhibuje migraci leukocytů do zanícených oblastí v těle. To poskytuje důkaz, že zvýšená regulace netrinu chrání poraněnou tkáň před nadměrným zánětem. Také migrace dospělých neurálních progenitorových buněk a dospělých progenitorových buněk míchy do páteře je závislá na netrinu 1. Málo je známo o mechanismu kontrolujícím inhibici nebo přitažlivost těchto kmenových buněk.

Regulace rakoviny a markery onemocnění

U různých lidských rakovin bylo prokázáno, že netrin je nadměrně exprimován. Bylo také ukázáno, že některé receptory jsou v tomto procesu down-regulovány. Receptory netrinu DCC a UNC5H jsou zodpovědné za apoptotickou regulaci . Absence netrinu 1 je zodpovědná za apoptózu, zatímco přítomnost netrinu 1 vede k inhibici apoptotické dráhy . Tato cesta je jedinečná a nezávislá na mitochondriálních a smrtících receptorových cestách, které vedou k řízené buněčné smrti. To bylo pozorováno v lidském epitelu tlustého střeva, kde vyšší úrovně přirozené buněčné smrti v horní části klků korelovaly s menším gradientem netrinu-1. To spojovalo roli netrinu se smrtí a růstem tkáně. Nádorový supresor p53 je zodpovědný za expresi netrinu-1, což znamená, že netrin může být cestou, kterou p53 reguluje buněčný cyklus . Protože je netrin tak vlivný v regulaci buněčné smrti, je gen, který kóduje netrin ( NTN1 ), považován za onkogen .

Protože bylo zjištěno, že netrin-1 je v nádorech upregulován, pokusil se nedávný výzkum identifikovat netrin-1 jako biomarker pro nástup rakoviny v lidském těle. Bylo zjištěno, že netrin lze nalézt na nadnormálních hladinách v krevní plazmě pacientů s pozitivním nálezem na ledvinách, játrech, prostatě, meningiomu mozku, adenomu hypofýzy, glioblastomu a rakovině prsu. Zdá se, že Netrin-3 je specificky exprimován v neublastomu (dětský nádor) a v malobuněčném karcinomu plic (SCLC), kde koreluje se špatnou prognózou pacienta.

Pokračující výzkum netrinu

Stále existuje mnoho nezodpovězených otázek týkajících se rodiny molekul netrinu. Stále není jisté, jakou roli hrají homologové obratlovců UNC-5 při chemorepulzi . Ačkoli je mnoho známo o expresi netrinu během vývoje, málo je zatím známo o jeho regulaci v pozdějším vývoji v mozku. Netrinské knockoutované myši ukazují, že je mnoho informací o mnoha rolích netrinu v axonálním vedení.

Další důležitá linie současného výzkumu se zaměřuje na netrin jako léčbu různých nemocí, včetně rakoviny, infarktu myokardu a Alzheimerovy choroby . U ptačích a myších modelových organismů trpících neuroblastomem vede interference s autokrinní smyčkou netrin-1 u maligních nádorů k buněčné smrti. To by mohlo vést k možným alternativním terapiím vyplývajícím z budoucích zkoušek. Podobná léčba týkající se down-regulace netrinu-1 se také zkoumá pro metastatické rakoviny prsu a kolorekta. Nedávné studie také naznačují, že netrin se podílí na kardioprotektivní roli uvolňováním NO plynu. U myší byl netrin také spojován s regulací (Ap) peptidu , který je zodpovědný za amyloidové plaky u Alzheimerovy choroby.

Viz také

Reference