Netrin - Netrin

Image
Netrin 1 knockout forstyrrer thalamokortiske projektions topografi i musens hjerne. Fra Powell et al., 2008.

Netrins er en klasse af proteiner, der er involveret i axonvejledning . De er opkaldt efter sanskritordet "netr", hvilket betyder "en, der vejleder". Netriner er genetisk konserverede på tværs af nematodeorme , frugtfluer , frøer , mus og mennesker . Strukturelt ligner netrin det ekstracellulære matrixprotein laminin .

Netriner er kemotrope ; en voksende axon vil enten bevæge sig mod eller væk fra en højere koncentration af netrin. Selvom den detaljerede mekanisme for axonvejledning ikke er fuldt ud forstået, er det kendt, at netrinattraktion medieres gennem UNC-40/DCC- celleoverfladereceptorer, og frastødning medieres gennem UNC-5- receptorer. Netrins fungerer også som vækstfaktorer og tilskynder til cellevækstaktiviteter i målceller. Mus, der mangler netrin, formår ikke at danne hippocampal comissure eller corpus callosum .

En foreslået model for netrinaktivitet i rygsøjlen til udvikling af menneskelige embryoner er, at netriner frigives af gulvpladen og derefter opsamles af receptorproteiner, der er indlejret i vækstkegler af axoner, der tilhører neuroner i den udviklende rygsøjle. Disse neurons legemer forbliver stationære, mens axonerne følger en sti, der er defineret af netriner, og til sidst forbinder de til neuroner inde i den embryonale hjerne ved at udvikle synapser . Forskning understøtter, at nye axoner har en tendens til at følge tidligere sporede veje frem for at blive styret af netriner eller relaterede kemotropiske faktorer.

Opdagelse

Netrin blev først beskrevet i nematoden Caenorhabditis elegans i 1990 og navngivet UNC-6 i henhold til standard C. elegans navngivningsprotokol. Den første pattedyrshomolog af UNC-6 blev opdaget i 1994, hvor det blev opdaget at være et vigtigt ledetråd for gnavere kommissurale axoner i rygmarven. Fra 2009 er fem pattedyr Netrins blevet identificeret. Netrins 1, 3 og 4 er udskillede proteiner, hvorimod G1 og G2 er membranbundne proteiner bundet af Glycophosphatidylinositol haler. Alle netriner, der hidtil er opdaget hos hvirvelløse dyr , udskilles.

Oversigt over netrins

Netrin -familien består hovedsageligt af udskillede proteiner, der fungerer som bifunktionelle signaler: tiltrækker nogle neuroner, mens de afviser andre under hjernens udvikling. Udtrykt i midten af ​​alle dyr, der besidder bilateral symmetri , kan de fungere som signaler med lang eller kort rækkevidde under neurogenese . For at udføre deres funktioner interagerer netriner med specifikke receptorer: DCC eller UNC-5 , afhængigt af om de forsøger at tiltrække henholdsvis frastøde neuroner.

Der er en høj grad af bevarelse i den sekundære struktur af netriner, som har flere domæner, der er homologe med laminin i den aminoterminale ende. Det C-terminale domæne er, hvor størstedelen af ​​variationen findes mellem arter og indeholder forskellige aminosyrer, som tillader interaktion med specifikke proteiner i ekstracellulær matrix eller på celleoverfladen. Forskellene i struktur og funktion har ført til identifikation af flere forskellige typer netrins, herunder netrin-1, netrin-3 og netrins-G.

Nøgle netriner

Netrin-1 findes i gulvpladen og neuroepitelcellerne i den ventrale region i rygmarven samt andre steder i nervesystemet, herunder den somatiske mesoderm , bugspytkirtel og hjertemuskulatur. Dets hovedrolle er axonal vejledning, neuronal migration og morfogenese af forskellige forgreningsstrukturer. Mus med mutationer i netrin-1 genet blev observeret at mangle i forhjerne og rygmarvskommissionelle axoner. Netrin -1 og -3 er blevet beskrevet at have et eksklusivt udtryk i kræftceller.

Netrin-3 adskiller sig fra andre netriner. Selvom det udtrykkes under udviklingen af ​​det perifere nervesystem i motoriske, sensoriske og sympatiske neuroner, er det meget begrænset i centralnervesystemet. Undersøgelser med netrin-3 har bemærket en reduceret evne til at binde med DCC sammenlignet med netrin-1. Dette tyder på, at det hovedsageligt fungerer gennem andre receptorer.

Netrins-G udskilles, men forbliver bundet til cellemembranens ekstracellulære overflade gennem Glycophosphatidylinositol (GPI). De udtrykkes overvejende i centralnervesystemet på steder som thalamus og mitralceller i olfaktorisk pære . De binder ikke til DCC eller UNC-5 og binder i stedet til ligand NGL-1, hvilket resulterer i en intracellulær transduktionskaskade. De to versioner, netrin-G1 og netrin-G2, findes kun hos hvirveldyr. Det menes, at de udviklede sig uafhængigt af andre netriner for at lette konstruktionen af ​​hjernen.

Netrin -receptorer

DCC- og UNC-5- proteiner medierer netrin-1-responser. UNC-5-proteinet er hovedsageligt involveret i signal frastødning. DCC, som er impliceret i tiltrækning, kan også tjene som en co-faktor i frastødningssignalering, når den er langt væk fra kilden til netrin-1. DCC kommer stærkt til udtryk i centralnervesystemet og er forbundet med basallaget af epitelceller. I fravær af netrin-1 vides det, at disse receptorer inducerer apoptose .

Aksonal vejledning

Vækstkegler, der er placeret i slutningen af ​​udviklingen af ​​axoner under embryogenese, er ansvarlige for forlængelsen af ​​axonen under migration . Forlængelse opstår som reaktion på både tropiske og atropiske faktorer, der er til stede i det omgivende miljø. Netrins er en sådan tropisk faktor, der udskilles af aksonale målceller, der fungerer som et afgørende aksonalt styringsprotein i både hvirveldyr og hvirvelløse organismer. Undersøgelser af flere organismer, herunder mus, rotter, kyllinger, nematoden Caenorhabditis elegans , frugtfluen Drosophila melanogaster og zebrafisken Danio rerio har indikeret, at udskillede netriner er bifunktionelle, hvilket betyder, at de kan fungere som enten tiltrækningsmidler eller afstødningsmidler ved at styre aksonal forlængelse. Desuden har mange undersøgelser karakteriseret netriner som både kort- og langtrækkende signaler, der virker i umiddelbar eller fjern nærhed af deres kildecelle (den aksonale målcelle).

Attraktion

Undersøgelser af centralnervesystemets (CNS) udvikling i kylling- og gnavermodeller har identificeret netrin-1-proteinet som en særlig vigtig axonal vejledningstegn for hvirveldyr. Mest markant blev det observeret, at de specialiserede celler i gulvpladen placeret ved den ventrale midterlinje af den embryonale hjerne udskiller netrin-1, hvilket resulterede i en proteingradient. Denne gradient er mest koncentreret ved den ventrale midterlinje og bliver mere og mere diffus, når du bevæger dig dorsalt. Yderligere forskning i netrin -mangelfulde mus fandt ud af, at når netrin associeres med Deleted in Colorectal Cancer (DCC) -receptoren på den aksonale vækstkegle, initieres en tiltrækkende reaktion. Dette blev yderligere understøttet af et observeret fravær af ventral kommissur (dvs. corpus callosum ) udvikling hos mus, der enten manglede netrin-1 eller DCC. Lignende resultater blev observeret i forsøg med netrin-1-homolog UNC-6 opdaget i C. elegans Det samme tidlige udtryk og dannelse af en proteinkoncentrationsgradient, der stammer fra den ventrale midterlinje, observeres i epidermale celler i den udviklende orm. Beviser tyder på, at denne gradient er afgørende for UNC-6's langdistancefunktion i styringen af ​​den indledende periferimigration af axoner til den ventrale midterlinje, og at UNC-40-receptoren formidler den attraktive respons. Efterhånden som yderligere axoner når midterlinjen, bliver det tidsmæssige og rumlige udtryk for UNC-6 stigende begrænset, hvilket indikerer, at efter en mere generel dorsal-ventral vejledning af axoner, er UNC-6 yderligere involveret i at lede axoner til mere specifikke steder.

For nylig har forskere karakteriseret mange af de cellulære mekanismer, ved hvilke netrin-1 binding til DCC motiverer axonal tiltrækning gennem mindst tre uafhængige signalveje. I alle tre veje observeres, at netrin-1 forårsager homodimerisering af DCC, der starter kemoattraktionskaskaden. I den første vej er den fokale adhæsionskinase (FAK) bundet til DCC og begge undergår tyrosinfosforylering efter netrin-1-binding, der inducerer rekruttering og fosforylering af Src og Fyn , hvilket antages at føre til en stigning i andre budbringere Rac1 og Cdc42 fremmer derved vækstkegleforlængelse. I en anden mulig vej binder phosphatidylinositol transfer protein α (PITP) til phosphoryleret DCC, hvilket inducerer phospholipase C (PLC) for at øge forholdet mellem cAMP og cGMP . Denne stigning i cAMP i forhold til cGMP aktiverer L-type Ca 2+ -kanaler såvel som forbigående receptorpotentiale-kanaler (TRPC'er), der forårsager en tilstrømning af ekstracellulær Ca2 + . Beviser tyder på, at dette øgede calcium er ansvarligt for aktiveringen af ​​Rho GTPases, Cdc42 Rac1 og den nukleare transkriptionsfaktor NFAT, som alle kan starte vækstkegleforlængelse. Yderligere undersøgelser har også vist, at netrin-induceret signalering mellem DCC nedstrøms mål NcK og Wiskott-Aldrich syndrom protein WASP udløser Rac1 og Cdc42 og efterfølgende aksonal vækst.

Frastødning

Både DCC hos hvirveldyr og UNC-40 i C. elegans har vist sig at starte en frastødende snarere end attraktiv reaktion, når den er forbundet med netrinreceptoren Unc5. I den samme ventrale midterlinjegradient diskuteret ovenfor fungerer netrin-1 som en kemorepellant for axoner af trochlear motorneuroner og dirigerer dermed deres vækst dorsalt (væk fra den ventrale midterlinje). Antistofhæmning af DCC i embryonale Xenopus rygmarv hæmmede både tiltrækning og frastødning in vitro. På samme måde blev flere defekter observeret i C. elegans unc-40 mutanter; fejl i migrationsmønstre blev imidlertid mere dybt påvirket af mutationer i unc-5-genet, hvilket indikerer, at binding af netrin-1-homologen UNC-6 til UNC-5-receptoren alene kan afvise axonal vækst. I begge hvirveldyr, hvirvelløse systemer, kortdistance chemorepulsion hvor koncentrationen af netrins er høj, forekommer primært ske via UNC-5-receptoren, mens lange rækker frastødende virkninger på flere diffuse koncentrationer kræver koordinering mellem DCC (UNC-40 i C. elegans ) og UNC-5.

Det er i øjeblikket en hypotese, at dyb chemorepulsion involverer initiering af arachidonsyre pathway upon netrin-1 interaktion med DCC / UNC-5-komplekset. Denne vej øger de intracellulære niveauer af 12-HPETE (12-Hydroperoxy-5, 8, 10, 14-Eicosatetraensyre), som inducerer cGMP-signalering og efterfølgende forårsager et fald i cAMP/cGMP-forholdet. Reduktion af dette forhold hæmmer calciumkonduktans gennem L-type calciumkanaler (LCC) og resulterer i sidste ende i vækstkegle frastødning, selvom en mulig aktivering af Ras homolog-genfamilien, medlem A (RhoA) . En lignende RhoA-medieret mekanisme foreslås til kemorepulsion af kort rækkevidde, hvorved netrin-1-binding til UNC-5-homodimerer alene inducerer tyrosinfosforylering, der kræver FAK og Src, hvilket som følge heraf aktiverer RhoA. En yderligere mekanisme foreslår, at binding af tyrosinphosphatase Shp2 til netrin-1/UNC-5-komplekset også kan udløse kemorepulsion gennem RhoA.

Glial og mesodermal vejledning

Mange undersøgelser har vist, at netrin-1 , UNC-40, UNC-6 og UNC-5 er involveret i migration af glia under embryogenese . Under migreringsfasen i Drosophila melanogaster udtrykker embryonal perifer glia (ePG) UNC-5. I UNC-5 knockout-organismer stopper ePG enten under migrering eller undlader at migrere. UNC-6-signalering i C. elegans , kombineret med UNC-40-receptoren på neuroner, fremmer synaptogenese og samler glial-endefødderne omkring synapsen.

Funktioner uden for neuronal vejledning

Selvom det oprindeligt forstås at være specifikt involveret i aksonal vejledning i centralnervesystemet, har ny forskning knyttet netrin til kræftregulering, udvikling og dannelse af ikke-neuralt væv og påvisning af kræft og andre sygdomme.

Udvikling og regulering af væv

Netrin er blevet opdaget at spille en nøglerolle i udviklingen og moden regulering af væv uden for nervesystemet. Nogle af de implicerede ikke-neurale væv omfatter lunge, placenta, vaskulatur, bugspytkirtel, muskel og brystkirtelvæv. Netrin bidrager til vævsmorfogenese ved at kontrollere udviklingen af ​​cellemigration og celleadhæsion i forskellige organer.

I udviklingen af ​​brystkirtler består de voksende spidser af det duktale netværk af to lag, der består af luminale epitelceller og capceller. Luminale celler udskiller netrin 1, som binder til receptoren neogenin (en homolog af DCC ) på cap -cellerne. Dette giver mulighed for adhæsion mellem de to cellelag, hvilket er nødvendigt for den korrekte morfogenese af de endelige knopper (TEB'er) i brystkirtlerne. Tab af genet, der koder for enten netrin 1 eller neogenin, fører til forkert dannelse af (TEB'erne), hvilket tyder på, at netrin 1 i stedet for at fungere som et vejledende molekyle som i neuronale systemer fungerer som et klæbemiddel i brystvæv.

Under morfogenesen af ​​den embryonale lunge udtrykker epitelceller netrin 1 og netrin 4. Disse netriner omgiver endodermknopper i basalmembranen og forhindrer distale spidsceller i at udtrykke DCC og UNC5B. Dette muliggør normal udvikling af lungen og stopper potentielt farlige overgreninger og spirende forekommer.

I bugspytkirteludvikling udtrykkes netrin 1 i epiteliale duktale celler og lokaliseres til basalmembranen. Netrin 1 forbinder med flere elementer i den ekstracellulære matrix , herunder kollagen IV , fibronectin og integrerede proteiner α6β4 og α3β1. Disse elementer i den ekstracellulære matrix er ansvarlige for adhæsion og migration af epitelceller, hvilket tyder på, at netrin 1 er forbundet med vejledning af epitelceller i den embryonale bugspytkirtel.

Netrin er blevet impliceret som et vigtigt molekyle til spredning af vaskulære netværk. Flere undersøgelser har fundet forskellige virkninger af netrin på disse forgreningsfartøjer. Endotelcellerne i karvæv viser lignende egenskaber som vækstkeglen, der findes i neuronalt væv. Undersøgelser har opdaget, at de samme endotelceller også udtrykker UNC5B, som netrin 1 kan binde til, hvilket hæmmer angiogenese . I modsætning hertil viser flere undersøgelser, at netrin-1 faktisk fremmer forgrening af blodkar. I forbindelse med denne forskning har det vist sig, at netrin 4 er ansvarlig for væksten i det lymfatiske vaskulære system . Samlet set viser disse undersøgelser, at regulerende virkninger af netrin afhænger af typen af ​​vaskulært væv. For nylig har netrin været impliceret i angiogenese i moderkagen, hvilket gør det vigtigt for fostrets overlevelse. Dette fund har implikationer i den fremtidige behandling af vaskulær sygdom i moderkagen.

Hos voksne har netrin været impliceret i reguleringen af stamcellens bevægelse og betændelse. Netrin 1 har vist sig at hæmme leukocytmigration til betændte områder i kroppen. Dette giver bevis for, at opreguleringen af ​​netrin beskytter skadet væv mod overdreven betændelse. Migrationen af ​​voksne neurale stamceller og voksne rygmarvs stamceller til rygsøjlen er også netrin 1 -afhængig. Lidt er kendt om mekanismen, der styrer hæmning eller tiltrækning af disse stamceller.

Kræftregulering og sygdomsmarkører

Ved forskellige menneskelige kræftformer har det vist sig, at netrin bliver overudtrykt. Det er også blevet vist, at visse receptorer bliver nedreguleret i denne proces. Netrinreceptorerne DCC og UNC5H er ansvarlige for apoptotisk regulering . Fraværet af netrin 1 er ansvarlig for apoptose, mens tilstedeværelsen af ​​netrin 1 fører til en hæmning af den apoptotiske vej . Denne vej er unik og uafhængig af de mitokondrie- og dødsreceptorveje, der fører til kontrolleret celledød. Dette er blevet observeret i det humane tyktarmsepitel, hvor højere niveauer af naturlig celledød ved den øvre del af villi korrelerede med en mindre gradient af netrin-1. Dette forbandt netrinets rolle med vævsdød og vækst. Tumorsuppressor p53 er ansvarlig for ekspressionen af ​​netrin-1, hvilket indebærer, at netrin kan være den vej, gennem hvilken p53 regulerer cellecyklussen . Fordi netrin er så indflydelsesrig i reguleringen af ​​celledød, anses genet, der koder for netrin ( NTN1 ), for at være et onkogen .

Fordi det har vist sig, at netrin-1 er opreguleret i tumorer, har nyere forskning forsøgt at identificere netrin-1 som en biomarkør for kræftstart i menneskekroppen. Det blev fundet, at netrin kan findes på over-normale niveauer i blodplasma hos patienter, der er positive for nyre, lever, prostata, meningiom i hjernen, hypofyse-adenom, glioblastom og brystkræft. Netrin-3 ser ud til specifikt at blive udtrykt i Neublastoma (en pædiatrisk tumor) og i småcellet lungekræft (SCLC), hvor det korrelerer med en dårlig patientprognose.

Fortsat forskning på netrin

Der er stadig mange ubesvarede spørgsmål vedrørende netrin -familien af ​​molekyler. Det er stadig usikkert, hvilken rolle hvirveldyrshomologer af UNC-5 spiller i kemorepulsion . Selvom meget er kendt om udtrykket af netrin under udviklingen, er der endnu lidt kendt om dets regulering i senere udvikling i hjernen. Netrin knockout -mus viser, at der er meget at lære om netrins mange roller i aksonal vejledning.

En anden vigtig aktuel forskning er målrettet mod netrin som behandling af forskellige sygdomme, herunder kræft, myokardieinfarkt og Alzheimers sygdom . Hos fugle- og musemodelorganismer, der lider af neuroblastom , fører interferens med netrin-1 autokrine loop i maligne tumorer til celledød. Dette kan føre til mulige alternative behandlinger som følge af fremtidige forsøg. Lignende behandlinger vedrørende nedregulering af netrin-1 undersøges også for metastatisk bryst- og kolorektal cancer. Nylige undersøgelser tyder også på, at netrin er involveret i en kardiobeskyttende rolle ved at frigive NO gas. Hos mus har netrin også været forbundet med reguleringen af (Aβ) peptid , som er ansvarlig for amyloidplakker ved Alzheimers sygdom.

Se også

Referencer