Netrina - Netrin

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Il knockout di Netrin 1 interrompe la topografia delle proiezioni talamocorticali nel cervello del topo. Da Powell et al., 2008.

Le netrine sono una classe di proteine coinvolte nella guida degli assoni . Prendono il nome dalla parola sanscrita "netr", che significa "colui che guida". Le netrine sono geneticamente conservate nei vermi nematodi , nei moscerini della frutta , nelle rane , nei topi e negli esseri umani . Strutturalmente, la netrina assomiglia alla laminina, una proteina della matrice extracellulare .

Le netrine sono chemiotropiche ; un assone in crescita si sposterà verso o lontano da una maggiore concentrazione di netrina. Sebbene il meccanismo dettagliato della guida degli assoni non sia completamente compreso, è noto che l'attrazione della netrina è mediata dai recettori della superficie cellulare UNC-40/DCC e la repulsione è mediata dai recettori UNC-5 . Le netrine agiscono anche come fattori di crescita , incoraggiando le attività di crescita cellulare nelle cellule bersaglio. Topi carenti di netrina non riescono a formare la commessura ippocampale o il corpo calloso .

Un modello proposto per l'attività della netrina nella colonna vertebrale degli embrioni umani in via di sviluppo è che le netrine vengono rilasciate dalla piastra del pavimento e quindi vengono raccolte da proteine ​​recettoriali incorporate nei coni di crescita degli assoni appartenenti ai neuroni nella colonna vertebrale in via di sviluppo. I corpi di questi neuroni rimangono stazionari mentre gli assoni seguono un percorso definito dalle retine, collegandosi infine ai neuroni all'interno del cervello embrionale sviluppando sinapsi . La ricerca sostiene che i nuovi assoni tendono a seguire percorsi tracciati in precedenza, piuttosto che essere guidati da netrine o fattori chemiotropici correlati.

Scoperta

Netrin è stato descritto per la prima volta nel nematode Caenorhabditis elegans nel 1990 e chiamato UNC-6, secondo il protocollo di denominazione standard di C. elegans . Il primo omologo di mammifero dell'UNC-6 è stato scoperto nel 1994, dove si è scoperto che era uno spunto di guida vitale per gli assoni commissurali dei roditori nel midollo spinale. A partire dal 2009, sono stati identificati cinque Netrins mammiferi. Le netrine 1, 3 e 4 sono proteine ​​secrete, mentre G1 e G2 sono proteine ​​legate alla membrana legate da code di glicofosfatidilinositolo . Tutti i netrine scoperti finora negli invertebrati sono secreti.

Panoramica delle netrine

La famiglia delle netrin è composta principalmente da proteine ​​secrete che fungono da segnali bifunzionali: attraggono alcuni neuroni mentre ne respingono altri durante lo sviluppo del cervello. Espressi nella linea mediana di tutti gli animali che possiedono simmetria bilaterale , possono agire come segnali a lungo oa corto raggio durante la neurogenesi . Per svolgere le loro funzioni, le netrine interagiscono con recettori specifici: DCC o UNC-5 , a seconda che stiano cercando rispettivamente di attrarre o respingere i neuroni.

C'è un alto grado di conservazione nella struttura secondaria delle netrine, che ha diversi domini che sono omologhi con la laminina all'estremità amminoterminale. Il dominio C-terminale è dove si trova la maggior parte della variazione tra le specie e contiene diversi amminoacidi che consentono l'interazione con proteine ​​specifiche nella matrice extracellulare o sulla superficie cellulare. Le differenze in termini di struttura e funzione hanno portato all'identificazione di diversi tipi di netrine tra cui netrina-1, netrina-3 e netrina-G.

Netrine chiave

Netrin-1 si trova nella piastra del pavimento e nelle cellule neuroepiteliali della regione ventrale del midollo spinale, così come in altre sedi del sistema nervoso tra cui il mesoderma somatico , il pancreas e il muscolo cardiaco. Il suo ruolo principale è nella guida assonale, nella migrazione neuronale e nella morfogenesi di diverse strutture ramificate. È stato osservato che i topi con mutazioni nel gene netrina-1 sono privi degli assoni commissurali del proencefalo e del midollo spinale. Netrin-1 e -3 sono stati descritti per avere un'espressione esclusiva nelle cellule tumorali.

Netrin-3 è diverso dagli altri netrini. Sebbene espresso durante lo sviluppo del sistema nervoso periferico nei neuroni motori, sensoriali e simpatici, è molto limitato nel sistema nervoso centrale. Gli studi con netrina-3 hanno notato una ridotta capacità di legarsi con DCC rispetto a netrina-1. Ciò suggerisce che opera principalmente attraverso altri recettori.

Le netrine-G sono secrete ma rimangono legate alla superficie extracellulare della membrana cellulare attraverso il glicofosfatidilinositolo (GPI). Essi sono espressi prevalentemente nel sistema nervoso centrale in luoghi come il talamo e cellule mitrale del bulbo olfattivo . Non si legano a DCC o UNC-5 e si legano invece al ligando NGL-1, che si traduce in una cascata di trasduzione intracellulare. Le due versioni, netrina-G1 e netrina-G2, si trovano solo nei vertebrati. Si ritiene che si siano evoluti indipendentemente da altre netrine per facilitare la costruzione del cervello.

Recettori della netrina

Le proteine DCC e UNC-5 mediano le risposte della netrina-1. La proteina UNC-5 è principalmente coinvolta nella segnalazione di repulsione. DCC, che è implicato nell'attrazione, può anche servire come cofattore nella segnalazione di repulsione quando è lontano dalla fonte di netrina-1. La DCC è altamente espressa nel sistema nervoso centrale ed è associata alla lamina basale delle cellule epiteliali. In assenza di netrina-1, è noto che questi recettori inducono l' apoptosi .

Guida assonale

I coni di crescita che si trovano alla fine degli assoni in via di sviluppo durante l'embriogenesi sono responsabili dell'allungamento dell'assone durante la migrazione . L'allungamento si verifica in risposta a fattori sia tropici che atropici presenti nell'ambiente circostante. Le netrine sono uno di questi fattori tropici secreti dalle cellule bersaglio assonali che funzionano come una proteina guida assonale cruciale sia negli organismi vertebrati che in quelli invertebrati. Studi in più organismi tra cui topi, ratti, pulcini, il nematode Caenorhabditis elegans , il moscerino della frutta Drosophila melanogaster e il pesce zebra Danio rerio hanno indicato che i netrini secreti sono bifunzionali, il che significa che possono agire come attrattivi o repellenti nel dirigere l'estensione assonale. Inoltre, molti studi hanno caratterizzato le netrine come segnali sia a corto che a lungo raggio, che agiscono nelle immediate vicinanze o nelle vicinanze della loro cellula sorgente (la cellula bersaglio assonale).

Attrazione

Gli studi sullo sviluppo del sistema nervoso centrale (SNC) nei modelli di pulcino e roditore hanno identificato la proteina netrina-1 come un segnale di guida assonale dei vertebrati particolarmente importante. Più significativamente, è stato osservato che le cellule specializzate della piastra del pavimento situata sulla linea mediana ventrale del cervello embrionale secernono netrina-1, che ha provocato un gradiente proteico. Questo gradiente è più concentrato sulla linea mediana ventrale e diventa sempre più diffuso man mano che ci si sposta dorsalmente. Ulteriori ricerche su topi carenti di netrina hanno scoperto che quando la netrina si associa al recettore del Deleted in Colorectal Cancer (DCC) sul cono di crescita assonale viene avviata una risposta attrattiva. Ciò è stato ulteriormente supportato da un'assenza osservata di sviluppo di commessura ventrale (cioè corpo calloso ) in topi privi di netrina-1 o DCC. Risultati simili sono stati osservati in esperimenti con l'omologo netrina-1 UNC-6 scoperto in C. elegans La stessa espressione precoce e formazione di un gradiente di concentrazione proteica che emana dalla linea mediana ventrale si osserva nelle cellule epidermiche del verme in via di sviluppo. L'evidenza suggerisce che questo gradiente è essenziale per la funzione a lungo raggio di UNC-6 nel guidare la migrazione circonferenziale iniziale degli assoni alla linea mediana ventrale e che il recettore UNC-40 media la risposta attraente. Man mano che ulteriori assoni raggiungono la linea mediana, l'espressione temporale e spaziale di UNC-6 diventa sempre più ristretta, indicando che dopo una guida dorsale-ventrale più generale degli assoni, UNC-6 è ulteriormente coinvolta nel dirigere gli assoni verso posizioni più specifiche.

Recentemente, gli scienziati hanno caratterizzato molti dei meccanismi cellulari mediante i quali il legame della netrina-1 al DCC motiva l'attrazione assonale attraverso almeno tre vie di segnalazione indipendenti. In tutte e tre le vie si osserva che la netrina-1 causa l' omodimerizzazione del DCC che inizia la cascata di chemioattrazione. Nella prima via, la chinasi di adesione focale (FAK) è legata al DCC ed entrambi subiscono la fosforilazione della tirosina al legame della netrina-1 che induce il reclutamento e la fosforilazione di Src e Fyn , che si ipotizza porti ad un aumento dei secondi messaggeri Rac1 e Cdc42 promuovendo così l'estensione del cono di crescita. In una seconda possibile via, la proteina di trasferimento del fosfatidilinositolo α (PITP) si lega al DCC fosforilato che induce la fosfolipasi C (PLC) ad aumentare il rapporto tra cAMP e cGMP . Questo aumento di cAMP rispetto a cGMP attiva i canali del Ca 2+ di tipo L così come i canali del potenziale recettore transitorio (TRPC) causando un afflusso di Ca 2+ extracellulare . L'evidenza suggerisce che questo aumento del calcio è responsabile dell'attivazione di Rho GTPases, Cdc42 Rac1 e del fattore di trascrizione nucleare NFAT che possono avviare l'estensione del cono di crescita. Ulteriori studi hanno anche dimostrato che la segnalazione indotta dalla netrina tra DCC a valle si rivolge a NcK e la proteina della sindrome di Wiskott-Aldrich WASP innesca Rac1 e Cdc42 e successivamente la crescita assonale.

Repulsione

Sia DCC nei vertebrati che UNC-40 in C. elegans hanno dimostrato di avviare una risposta repulsiva piuttosto che attrattiva quando associati al recettore della netrina Unc5. Nello stesso gradiente della linea mediana ventrale discusso sopra, la netrina-1 agisce come chemorepellente per gli assoni dei motoneuroni trocleari, dirigendo così la loro crescita dorsalmente (lontano dalla linea mediana ventrale). L'inibizione anticorpale del DCC nel midollo spinale embrionale di Xenopus ha inibito sia l'attrazione che la repulsione in vitro. Allo stesso modo, sono stati osservati difetti multipli nei mutanti di C. elegans unc-40; tuttavia, gli errori nei modelli di migrazione sono stati influenzati più profondamente dalle mutazioni nel gene unc-5, indicando che il legame dell'omologo della netrina-1 UNC-6 al solo recettore UNC-5 può respingere la crescita assonale. Sia nei sistemi vertebrati che in quelli invertebrati, la chemorepulsione a corto raggio in cui la concentrazione di netrine è elevata, sembra avvenire principalmente tramite il recettore UNC-5, mentre gli effetti repulsivi a lungo raggio a concentrazioni più diffuse richiedono il coordinamento tra DCC (UNC-40 in C. elegans ) e UNC-5.

Attualmente si ipotizza che la chemorepulsione a lungo raggio coinvolga l'inizio della via dell'acido arachidonico in seguito all'interazione della netrina-1 con il complesso DCC/UNC-5. Questa via aumenta i livelli intracellulari di 12-HPETE (acido 12-Hydroperoxy-5, 8, 10, 14-Eicosatetraenoic), che induce la segnalazione di cGMP e successivamente provoca una diminuzione del rapporto cAMP/cGMP. La riduzione di questo rapporto inibisce la conduttanza del calcio attraverso i canali del calcio di tipo L (LCC) e alla fine provoca la repulsione del cono di crescita attraverso una possibile attivazione della famiglia di geni omologhi Ras, membro A (RhoA) . Un simile meccanismo mediato da RhoA è proposto per la chemorepulsione a corto raggio per cui il legame della netrina-1 agli omodimeri UNC-5 da solo induce la fosforilazione della tirosina che richiede FAK e Src, che di conseguenza attiva RhoA. Un meccanismo aggiuntivo propone che il legame della tirosina fosfatasi Shp2 al complesso netrina-1/UNC-5 possa anche innescare la chemorepulsione attraverso RhoA.

Guida gliale e mesodermica

Molti studi hanno dimostrato che netrina-1 , UNC-40, UNC-6 e UNC-5 sono coinvolti nella migrazione della glia durante l' embriogenesi . Durante la fase migratoria in Drosophila melanogaster , la glia periferica embrionale (ePG) esprime UNC-5. Negli organismi knockout UNC-5, l'ePG si blocca durante la migrazione o non riesce a migrare. La segnalazione UNC-6 in C. elegans , accoppiata con il recettore UNC-40 sui neuroni, promuove la sinaptogenesi e assembla le estremità gliali attorno alla sinapsi.

Funzioni al di fuori della guida neuronale

Sebbene originariamente inteso essere specificamente coinvolto nella guida assonale nel sistema nervoso centrale, una nuova ricerca ha collegato la netrina alla regolazione del cancro, allo sviluppo e alla formazione di tessuto non neurale e all'individuazione del cancro e di altre malattie.

Sviluppo e regolazione dei tessuti

È stato scoperto che la netrina svolge un ruolo chiave nello sviluppo e nella regolazione matura dei tessuti al di fuori del sistema nervoso. Alcuni dei tessuti non neurali implicati includono polmone, placenta, sistema vascolare, pancreas, tessuto muscolare e ghiandola mammaria. Netrin contribuisce alla morfogenesi dei tessuti controllando lo sviluppo della migrazione cellulare e l'adesione cellulare in diversi organi.

Nello sviluppo delle ghiandole mammarie, le punte in crescita della rete duttale sono costituite da due strati costituiti da cellule epiteliali luminali e cellule del cappuccio. Le cellule luminali secernono la netrina 1, che si lega al recettore neogenina (un omologo del DCC ) sulle cellule cap. Ciò consente l'adesione tra i due strati cellulari, necessaria per la corretta morfogenesi delle gemme terminali terminali (TEB) nelle ghiandole mammarie. La perdita del gene che codifica per netrin 1 o neogenin porta alla formazione impropria dei (TEB), suggerendo che invece di agire come una molecola guida come nei sistemi neuronali, la netrina 1 funge da adesivo nel tessuto mammario.

Durante la morfogenesi del polmone embrionale, le cellule epiteliali esprimono la netrina 1 e la netrina 4. Queste netrina circondano le gemme endodermiche nella membrana basale , impedendo alle cellule della punta distale di esprimere DCC e UNC5B. Ciò consente il normale sviluppo del polmone e impedisce che si verifichino ramificazioni eccessive e germogliamento potenzialmente pericolosi.

Nello sviluppo pancreatico , la netrina 1 è espressa nelle cellule duttali epiteliali e si localizza sulla membrana basale. Netrina 1 si associa a diversi elementi nella matrice extracellulare , tra cui collagene IV , fibronectina e proteine ​​integrali α6β4 e α3β1. Questi elementi nella matrice extracellulare sono responsabili dell'adesione e della migrazione delle cellule epiteliali, suggerendo che la netrina 1 è associata alla guida delle cellule epiteliali nel pancreas embrionale.

La netrina è stata implicata come molecola vitale per la proliferazione delle reti vascolari. Diversi studi hanno trovato diversi effetti della netrina su questi vasi ramificati. Le cellule della punta endoteliale nel tessuto vascolare mostrano proprietà simili al cono di crescita che si trova nel tessuto neuronale. Gli studi hanno scoperto che queste stesse cellule della punta endoteliale esprimono anche UNC5B, a cui la netrina 1 può legarsi, inibendo l' angiogenesi . Al contrario, diversi studi mostrano che la netrina-1 promuove effettivamente la ramificazione dei vasi sanguigni. Insieme a questa ricerca, è stato scoperto che la netrina 4 è responsabile della crescita nel sistema vascolare linfatico . Nel complesso, questi studi mostrano che gli effetti di regolazione della netrina dipendono dal tipo di tessuto vascolare. Recentemente, la netrina è stata implicata nell'angiogenesi nella placenta, rendendola vitale per la sopravvivenza del feto. Questa scoperta ha implicazioni nel futuro trattamento della malattia vascolare nella placenta.

Negli adulti, la netrina è stata implicata nella regolazione del movimento e dell'infiammazione delle cellule staminali . È stato scoperto che la netrina 1 inibisce la migrazione dei leucociti verso le aree infiammate del corpo. Ciò fornisce la prova che l'aumento della regolazione della netrina protegge il tessuto danneggiato dall'eccessiva infiammazione. Inoltre, la migrazione delle cellule progenitrici neurali adulte e delle cellule progenitrici del midollo spinale adulto alla colonna vertebrale è dipendente dalla netrina 1. Poco si sa del meccanismo che controlla l'inibizione o l'attrazione di queste cellule staminali.

Regolazione del cancro e marcatori di malattia

In vari tumori umani, è stato dimostrato che la netrina viene sovraespressa. È stato anche dimostrato che alcuni recettori diventano down-regolati in questo processo. I recettori della netrina DCC e UNC5H sono responsabili della regolazione apoptotica . L'assenza di netrina 1 è responsabile dell'apoptosi, mentre la presenza di netrina 1 porta ad un'inibizione della via apoptotica . Questa via è unica e indipendente dalle vie mitocondriali e dei recettori della morte che portano alla morte cellulare controllata. Questo è stato osservato nell'epitelio del colon umano, dove livelli più elevati di morte cellulare naturale nella porzione superiore dei villi erano correlati con un gradiente più piccolo di netrina-1. Ciò ha collegato il ruolo della netrina con la morte e la crescita dei tessuti. Il soppressore tumorale p53 è responsabile dell'espressione di netrina-1, il che implica che la netrina potrebbe essere la via attraverso la quale p53 regola il ciclo cellulare . Poiché la netrina è così influente nella regolazione della morte cellulare, il gene che codifica per la netrina ( NTN1 ) è considerato un oncogene .

Poiché è stato scoperto che la netrin-1 è sovraregolata nei tumori, recenti ricerche hanno tentato di identificare la netrin-1 come biomarcatore per l'insorgenza del cancro nel corpo umano. È stato riscontrato che la netrina può essere trovata a livelli superiori alla norma nel plasma sanguigno di pazienti positivi per reni, fegato, prostata, meningioma cerebrale, adenoma ipofisario, glioblastoma e cancro al seno. Netrin-3 sembra essere specificamente espresso nel Neublastoma (un tumore pediatrico) e nel carcinoma polmonare a piccole cellule (SCLC) dove è correlato a una cattiva prognosi del paziente.

Continua ricerca su netrin

Ci sono ancora molte domande senza risposta riguardo alla famiglia delle molecole delle netrine. È ancora incerto quale ruolo gli omologhi vertebrati dell'UNC-5 svolgano nella chemorepulsione . Sebbene si sappia molto sull'espressione della netrina durante lo sviluppo, si sa ancora poco sulla sua regolazione nel successivo sviluppo nel cervello. I topi knockout per la netrina mostrano che c'è molto da imparare sui molti ruoli della netrina nella guida assonale.

Un'altra importante linea di ricerca attuale si rivolge alla netrina come trattamento per varie malattie, tra cui il cancro, l' infarto del miocardio e il morbo di Alzheimer . Negli organismi modello aviari e murini affetti da neuroblastoma , l'interferenza con l'ansa autocrina della netrina-1 nei tumori maligni porta alla morte cellulare. Ciò potrebbe portare a possibili terapie alternative derivanti da futuri studi. Trattamenti simili per quanto riguarda la down-regulation della netrina-1 sono anche oggetto di studio per i tumori metastatici della mammella e del colon-retto. Studi recenti suggeriscono anche che la netrina sia coinvolta in un ruolo cardioprotettivo rilasciando gas NO . Nei topi, la netrina è stata anche associata alla regolazione del peptide (Aβ) , responsabile delle placche amiloidi nella malattia di Alzheimer.

Guarda anche

Riferimenti