Přejít k obsahu
Merck
DomůExprese bílkovinKanonická signalizace Wnt / β-Catenin

Kanonická signalizace Wnt / β-Catenin

Pozadí
.Wnt signální komponenty
   a) Wnt protein  
   b) Receptory Wnt proteinů
  c) Modulátory Wnt signalizace
.Wnt /beta-catenin signaling mechanism
   a) Wnt signaling – Off
   b) Wnt signalizace - zapnutá
   c) Cílové geny Wnt
Funkce Wnt signalizace
Závěr

Základní informace

Signalizace Wnt je kritická v nesčetných biologických funkcích, včetně určování buněčného osudu, buněčné migrace, buněčné polarity, organogeneze a nervového vzorování během embryogeneze1. Proteiny Wnt v nice kmenových buněk řídí chování různých typů kmenových buněk a udržují je ve stavu sebeobnovy. Extracelulární proteiny Wnt stimulují několik signálních transdukčních kaskád, které se dělí na kanonickou neboli Wnt/β-kateninovou dráhu a nekanonickou neboli na β-kateninu nezávislou dráhu2. Signalizace Wnt/β-katenin je dobře prozkoumána a tento přehled se zaměřuje na složky a mechanismus signalizace závislé na β-kateninu.

Komponenty signalizace Wnt

a) Protein Wnt

Wnt je všudypřítomně exprimován u všech metazoí. Existuje 19 savčích genů, které kódují proteiny Wnt bohaté na cystein, spadající do 12 konzervovaných podrodin Wnt.  Proteiny Wnt jsou globulární, přibližně 40 KDa; amino-terminální doména se skládá převážně z α-šroubovic s pěti disulfidovými můstky, zatímco karboxy-terminální doméně dominují dvě β-vrstvy se šesti disulfidovými vazbami. Proteiny Wnt procházejí posttranslačními modifikacemi předtím, než jsou uvolněny do extracelulárního cytoplazmatického prostředí. Wnt je glykosylován a palmitoylován proteinem endoplazmatického retikula zvaným Porcupine3  (Porc) a transportován do plazmatické membrány proteiny Wntless (Wls). Ztráta Porc4 nebo Wls5 zabraňuje sekreci Wnt proteinů, což vede k vrozeným vadám.  Je známo, že Wnt proteiny působí v závislosti na kontaktu i napříč vzdálenými tkáněmi. Dráha Wnt/β-katenin je výsledkem výrazné signalizace na blízko spolu s beta-kateninem6.

b) Receptory proteinů Wnt

Lipoproteiny Wnt se vážou na receptorový komplex, který se skládá z Frizzled (Fz) a lipopolysacharidu podobného receptorového proteinu 5/6 (LRP5/6). Protein Frizzled má sedm transmembránových domén a velkou extracelulární N-terminální doménu bohatou na cystein, která poskytuje platformu pro vazbu Wnt. Interakce mezi Wnt a proteinem Fz není specifická; jeden protein Wnt se může vázat na více proteinů Fz. Na rozdíl od proteinu Fz má LRP6 specifická vazebná místa pro různé třídy proteinů Wnt7.  Vazba ligandu (Wnt) vyvolává konformační změny v receptorech (LRP6), které aktivují kinázy, jako jsou GSK3 a CK1γ8. Jak GSK39 tak CK1γ10 nakonec fosforylují několik signálních komponent Wnt dráhy, včetně β-kateninu, Axinu, APC a LRP. O úloze Fz v dráze Wnt je známo jen málo. Po přijetí signálu cytoplazmatická doména receptoru Fz interaguje s proteiny Dishevelled (Dsh) a usnadňuje interakci mezi ocáskem LRP a Axinem. Axin i Dsh proteiny se navzájem vážou prostřednictvím DIX domény a zprostředkovávají tvorbu LRP-Fz dimerů.

c) Modulátory signalizace Wnt

Signalizaci Wnt/β-kateninu modulují extracelulární ligandy uvedené v následující tabulce.

Tabulka 1Modulátory signálů Wnt/β-kateninu

Signalizační mechanismus Wnt /beta-katenin

Stabilita cytoplazmatického β-kateninu je rozhodující pro výstup signalizace Wnt. β-katenin (781 aminokyselin) se skládá z centrální oblasti o 141-664 aminokyselinách tvořené armadillo repeticemi, které jsou lemovány odlišnými N- a C-koncovými doménami (NTD a CTD). Ačkoli NTD a CTD jsou strukturně flexibilní, centrální oblast je rigidní a slouží jako interakční platforma pro vazbu proteinů v cytosolu a v jádře. Stabilita β-kateninu závisí na tzv. cytoplazmatickém destrukčním komplexu, který se skládá z Axinu, dvou nádorových supresorových proteinů APC a WTX a dvou konstitutivně aktivních kináz, CK1α/δ a GSK3α/β.

a) Signalizace Wnt - "vypnuto"

V nepřítomnosti Wnt rozhodují o osudu β-kateninu kinázy CK1 a GSK3.

  • Fosforylace: β-katenin je fosforylován CK1 na Ser45, Ser33 a Ser37 a GSK3 na Thr41
  • Ubikvitinace: Fosforylovaný β-katenin je určen k ubikvitinaci zprostředkované β-Trcp a následné degradaci proteazomem16.
  • Transkripční represe: V nepřítomnosti β-kateninu se transkripční faktory, jako je TCF, spojují s Groucho, transkripčním represorem, který zabraňuje transkripci cílových genů.

b) Signalizace Wnt - "zapnuto"

V přítomnosti ligandů Wnt se spouští signalizační kaskáda.

  • Disociace destrukčního komplexu: Vazba ligandů Wnt na receptory Frizzled a LRP5/6 spustí sérii událostí, které nakonec naruší komplex APC/Axin/GSK3β (destrukce) a stabilizuje β-katenin.
  • Translokace β-kateninu: β-katenin se hromadí v cytoplazmě a může se volně přemístit do jádra.
  • Transkripční regulace: V jádře β-katenin působí jako transkripční koaktivátor transkripčních faktorů rodiny TCF/LEF. Další vazební partneři Legless a Pygopus udržují jadernou retenci a transaktivační schopnost β-kateninu17-19.
Signální dráha Wnt /β-Catenin

Obrázek 1.Signální dráha Wnt /β-Catenin

c) Cílové geny Wnt

Geny regulované signalizací Wnt zahrnují geny transkripčních faktorů, složek ECM, proteinů buněčné adheze, enzymů a hormonů (tabulka 2).

Tabulka 2Cílové geny β-kateninu a jejich modulace

Funkce signalizace Wnt

Mezi široce rozšířenými účinky signalizace Wnt na cílové buňky vzbudila zvláštní zájem role v regulaci plasticity kmenových buněk.

Embryonální kmenové buňky: Kanonická dráha Wnt udržuje sebeobnovu embryonálních kmenových buněk. Agonista Wnt, jako je R-Spondin, zprostředkovává pluripotenci u myších embryonálních kmenových buněk, které mají klinický význam při léčbě degenerativních onemocnění32,33.

Mezenchymální kmenové buňky: Aktivace kanonické dráhy Wnt podporuje osteogenní diferenciaci mezenchymálních kmenových buněk. Intenzita signálu Wnt/β-kateninu určuje osud mezenchymálních kmenových buněk, kde proliferace a sebeobnova byly indukovány při nízkých hladinách Wnt/β-kateninu, zatímco osteogenní diferenciace je spuštěna při vysokých hladinách signalizace Wnt34.

Střevní kmenové buňky: Wnt/β-katenin reguluje diferenciaci kmenových buněk ve střevě. Inhibice Wnt signalizace zprostředkovaná expresí Dkk-1 vyvolává úplnou ztrátu krypt, zdroje sebeobnovujících se tkání ve střevě. Naopak aktivace signalizace Wnt stimuluje proliferaci progenitorů krypt.

Kmenové buňky krvetvorby: Aktivace Wnt/β-kateninu zvyšuje počet hematopoetických progenitorů. Knockdown Wnt3a snížil progenitorové buňky35 a nadměrná exprese aktivovaného β-kateninu vyvolala expanzi hematopoetických kmenových buněk36.

Vlasové folikulární kmenové buňky: Signalizace Wnt je důležitá pro založení vlasového folikulu a aktivuje kmenové buňky. Podmíněná ztráta β-kateninu v kožních epiteliích vede k vyčerpání kmenových buněk vlasových folikulů37.

Regulace mikrotubulů: Wnt reguluje stabilitu a organizaci mikrotubulů, které ovlivňují zarovnání mitotických vřetének a segregaci chromozomů během buněčného dělení; ty zase ovlivňují migraci a polarizaci buněk. Wnt také vyvolává změny v morfologii a chování axonů prostřednictvím vazby mikrotubulů, které snižují prodloužení axonů a zvyšují jejich větvení38.

Metabolismus rakoviny: Kanonická dráha Wnt a navazující efektory regulují proliferaci buněk, buněčnou smrt, senescenci a metastazování39. Komponenty dráhy Wnt jsou často mutovány (tabulka 2), což implikuje její roli při progresi rakoviny.

Tabulka 3Mutace složek Wnt/β-kateninu spojené s rakovinou

Závěr

Wnt signalizace je v průběhu evoluce zachována a existuje silná korelace mezi deregulovanými Wnt signály a mnoha chorobnými stavy. Proteiny Wnt jsou aktivní v kmenových buňkách nervových, mléčných a embryonálních tkání. Bylo zjištěno, že zatímco definované faktory, jako jsou LIFBasic FGFHedgehogBMP-4 udržují embryonální kmenové buňky v nediferencovaném stavu, proteiny Wnt hrají roli v řízení ES buněk. Souhra proteinů Wnt a dalších faktorů včetně malých molekul, jako je kyselina retinová, pro udržování, sebeobnovu a diferenciaci kmenových buněk je významnou oblastí výzkumu, která má rozsáhlé důsledky pro způsob, jakým kmenové buňky utvářejí současné možnosti terapie onemocnění.

Prozkoumejte vysoce kvalitní rekombinantní proteiny Wnt pro vaše výzkumné využití

Odkazy

1.
Valenta T, Hausmann G, Basler K. 2012. The many faces and functions of ?-catenin. 31(12):2714-2736. https://doi.org/10.1038/emboj.2012.150
2.
Clevers H, Nusse R. 2012. Wnt/?-Catenin Signaling and Disease. Cell. 149(6):1192-1205. https://doi.org/10.1016/j.cell.2012.05.012
3.
Takada R, Satomi Y, Kurata T, Ueno N, Norioka S, Kondoh H, Takao T, Takada S. 2006. Monounsaturated Fatty Acid Modification of Wnt Protein: Its Role in Wnt Secretion. Developmental Cell. 11(6):791-801. https://doi.org/10.1016/j.devcel.2006.10.003
4.
Grzeschik K, Bornholdt D, Oeffner F, König A, del Carmen Boente M, Enders H, Fritz B, Hertl M, Grasshoff U, Höfling K, et al. 2007. Deficiency of PORCN, a regulator of Wnt signaling, is associated with focal dermal hypoplasia. Nat Genet. 39(7):833-835. https://doi.org/10.1038/ng2052
5.
Port F, Kuster M, Herr P, Furger E, Bänziger C, Hausmann G, Basler K. 2008. Wingless secretion promotes and requires retromer-dependent cycling of Wntless. Nat Cell Biol. 10(2):178-185. https://doi.org/10.1038/ncb1687
6.
van den Heuvel M, Nusse R, Johnston P, Lawrence PA. 1989. Distribution of the wingless gene product in drosophila embryos: A protein involved in cell-cell communication. Cell. 59(4):739-749. https://doi.org/10.1016/0092-8674(89)90020-2
7.
Gong Y, Bourhis E, Chiu C, Stawicki S, DeAlmeida VI, Liu BY, Phamluong K, Cao TC, Carano RAD, Ernst JA, et al. Wnt Isoform-Specific Interactions with Coreceptor Specify Inhibition or Potentiation of Signaling by LRP6 Antibodies. PLoS ONE. 5(9):e12682. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0012682
8.
Mao J, Wang J, Liu B, Pan W, Farr GH, Flynn C, Yuan H, Takada S, Kimelman D, Li L, et al. 2001. Low-Density Lipoprotein Receptor-Related Protein-5 Binds to Axin and Regulates the Canonical Wnt Signaling Pathway. Molecular Cell. 7(4):801-809. https://doi.org/10.1016/s1097-2765(01)00224-6
9.
Zeng X, Tamai K, Doble B, Li S, Huang H, Habas R, Okamura H, Woodgett J, He X. 2005. A dual-kinase mechanism for Wnt co-receptor phosphorylation and activation. Nature. 438(7069):873-877. https://doi.org/10.1038/nature04185
10.
Davidson G, Wu W, Shen J, Bilic J, Fenger U, Stannek P, Glinka A, Niehrs C. 2005. Casein kinase 1 ? couples Wnt receptor activation to cytoplasmic signal transduction. Nature. 438(7069):867-872. https://doi.org/10.1038/nature04170
11.
Bovolenta P, Esteve P, Ruiz JM, Cisneros E, Lopez-Rios J. Beyond Wnt inhibition: new functions of secreted Frizzled-related proteins in development and disease. Journal of Cell Science. 121(6):737-746. https://doi.org/10.1242/jcs.026096
12.
Ellwanger K, Saito H, Cle?ment-Lacroix P, Maltry N, Niedermeyer J, Lee WK, Baron R, Rawadi G, Westphal H, Niehrs C. 2008. Targeted Disruption of the Wnt Regulator Kremen Induces Limb Defects and High Bone Density. MCB. 28(15):4875-4882. https://doi.org/10.1128/mcb.00222-08
13.
Shimomura Y, Agalliu D, Vonica A, Luria V, Wajid M, Baumer A, Belli S, Petukhova L, Schinzel A, Brivanlou AH, et al. 2010. APCDD1 is a novel Wnt inhibitor mutated in hereditary hypotrichosis simplex. Nature. 464(7291):1043-1047. https://doi.org/10.1038/nature08875
14.
Xu Q, Wang Y, Dabdoub A, Smallwood PM, Williams J, Woods C, Kelley MW, Jiang L, Tasman W, Zhang K, et al. 2004. Vascular Development in the Retina and Inner Ear. Cell. 116(6):883-895. https://doi.org/10.1016/s0092-8674(04)00216-8
15.
de Lau W, Barker N, Low TY, Koo B, Li VSW, Teunissen H, Kujala P, Haegebarth A, Peters PJ, van de Wetering M, et al. 2011. Lgr5 homologues associate with Wnt receptors and mediate R-spondin signalling. Nature. 476(7360):293-297. https://doi.org/10.1038/nature10337
16.
Aberle H, Bauer A, Stappert J, Kispert A, Kemler R. 1997. ?-catenin is a target for the ubiquitin?proteasome pathway. EMBO J. 16(13):3797-3804. https://doi.org/10.1093/emboj/16.13.3797
17.
Kramps T, Peter O, Brunner E, Nellen D, Froesch B, Chatterjee S, Murone M, Züllig S, Basler K. 2002. Wnt/Wingless Signaling Requires BCL9/Legless-Mediated Recruitment of Pygopus to the Nuclear ?-Catenin-TCF Complex. Cell. 109(1):47-60. https://doi.org/10.1016/s0092-8674(02)00679-7
18.
David S. P, Jemileh J, Kenneth M C. 2002. Pygopus, a nuclear PHD-finger protein required for Wingless signaling in Drosophila Development . 129. 2565-2576:
19.
Thompson B, Townsley F, Rosin-Arbesfeld R, Musisi H, Bienz M. 2002. A new nuclear component of the Wnt signalling pathway. Nat Cell Biol. 4(5):367-373. https://doi.org/10.1038/ncb786
20.
He T. 1998. Identification of c-MYC as a Target of the APC Pathway. 281(5382):1509-1512. https://doi.org/10.1126/science.281.5382.1509
21.
Roose J. 1999. Synergy Between Tumor Suppressor APC and the -Catenin-Tcf4 Target Tcf1. 285(5435):1923-1926. https://doi.org/10.1126/science.285.5435.1923
22.
Filali M, Cheng N, Abbott D, Leontiev V, Engelhardt JF. 2002. Wnt-3A/?-Catenin Signaling Induces Transcription from the LEF-1 Promoter. J. Biol. Chem.. 277(36):33398-33410. https://doi.org/10.1074/jbc.m107977200
23.
Mann B, Gelos M, Siedow A, Hanski ML, Gratchev A, Ilyas M, Bodmer WF, Moyer MP, Riecken EO, Buhr HJ, et al. 1999. Target genes of  -catenin-T cell-factor/lymphoid-enhancer-factor signaling in human colorectal carcinomas. Proceedings of the National Academy of Sciences. 96(4):1603-1608. https://doi.org/10.1073/pnas.96.4.1603
24.
He T, Chan TA, Vogelstein B, Kinzler KW. 1999. PPAR? Is an APC-Regulated Target of Nonsteroidal Anti-Inflammatory Drugs. Cell. 99(3):335-345. https://doi.org/10.1016/s0092-8674(00)81664-5
25.
Crawford HC, Fingleton BM, Rudolph-Owen LA, Goss KJH, Rubinfeld B, Polakis P, Matrisian LM. 1999. The metalloproteinase matrilysin is a target of ?-catenin transactivation in intestinal tumors. Oncogene. 18(18):2883-2891. https://doi.org/10.1038/sj.onc.1202627
26.
Lustig B, Jerchow B, Sachs M, Weiler S, Pietsch T, Karsten U, van de Wetering M, Clevers H, Schlag PM, Birchmeier W, et al. 2002. Negative Feedback Loop of Wnt Signaling through Upregulation of Conductin/Axin2 in Colorectal and Liver Tumors. MCB. 22(4):1184-1193. https://doi.org/10.1128/mcb.22.4.1184-1193.2002
27.
Conacci-Sorrell ME. 2002. Nr-CAM is a target gene of the beta -catenin/LEF-1 pathway in melanoma and colon cancer and its expression enhances motility and confers tumorigenesis. 16(16):2058-2072. https://doi.org/10.1101/gad.227502
28.
Miwa N, Furuse M, Tsukita S, Niikawa N, Nakamura Y, Furukawa Y. 2001. Involvement of Claudin-1 in the ?-Catenin/Tcf Signaling Pathway and its Frequent Upregulation in Human Colorectal Cancers. oncol res. 12(11):469-476. https://doi.org/10.3727/096504001108747477
29.
Zhang X, Gaspard JP, Chung DC. 2001. Regulation of Vascular Endothelial Growth Factor by the Wnt and K-ras Pathways in Colonic Neoplasia. Cancer Res. 616050–6054.
30.
Kahler RA, Westendorf JJ. 2003. Lymphoid Enhancer Factor-1 and ?-Catenin Inhibit Runx2-dependent Transcriptional Activation of the Osteocalcin Promoter. J. Biol. Chem.. 278(14):11937-11944. https://doi.org/10.1074/jbc.m211443200
31.
Jamora C, DasGupta R, Kocieniewski P, Fuchs E. 2003. Links between signal transduction, transcription and adhesion in epithelial bud development. Nature. 422(6929):317-322. https://doi.org/10.1038/nature01458
32.
Andl T, Reddy ST, Gaddapara T, Millar SE. 2002. WNT Signals Are Required for the Initiation of Hair Follicle Development. Developmental Cell. 2(5):643-653. https://doi.org/10.1016/s1534-5807(02)00167-3
33.
Gat U, DasGupta R, Degenstein L, Fuchs E. 1998. De Novo Hair Follicle Morphogenesis and Hair Tumors in Mice Expressing a Truncated ?-Catenin in Skin. Cell. 95(5):605-614. https://doi.org/10.1016/s0092-8674(00)81631-1
34.
de Boer J, Wang HJ, van Blitterswijk C. 2004. Effects of Wnt Signaling on Proliferation and Differentiation of Human Mesenchymal Stem Cells. Tissue Engineering. 10(3-4):393-401. https://doi.org/10.1089/107632704323061753
35.
Nostro MC, Cheng X, Keller GM, Gadue P. 2008. Wnt, Activin, and BMP Signaling Regulate Distinct Stages in the Developmental Pathway from Embryonic Stem Cells to Blood. Cell Stem Cell. 2(1):60-71. https://doi.org/10.1016/j.stem.2007.10.011
36.
Zhao C, Blum J, Chen A, Kwon HY, Jung SH, Cook JM, Lagoo A, Reya T. 2007. Loss of ?-Catenin Impairs the Renewal of Normal and CML Stem Cells In Vivo. Cancer Cell. 12(6):528-541. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2007.11.003
37.
Huelsken J, Vogel R, Erdmann B, Cotsarelis G, Birchmeier W. 2001. ?-Catenin Controls Hair Follicle Morphogenesis and Stem Cell Differentiation in the Skin. Cell. 105(4):533-545. https://doi.org/10.1016/s0092-8674(01)00336-1
38.
Salinas PC. 2007. Modulation of the microtubule cytoskeleton: a role for a divergent canonical Wnt pathway. Trends in Cell Biology. 17(7):333-342. https://doi.org/10.1016/j.tcb.2007.07.003
39.
Yang K, Wang X, Zhang H, Wang Z, Nan G, Li Y, Zhang F, Mohammed MK, Haydon RC, Luu HH, et al. 2016. The evolving roles of canonical WNT signaling in stem cells and tumorigenesis: implications in targeted cancer therapies. Lab Invest. 96(2):116-136. https://doi.org/10.1038/labinvest.2015.144
40.
Morin PJ. 1997. Activation of beta -Catenin-Tcf Signaling in Colon Cancer by Mutations in beta -Catenin or APC. 275(5307):1787-1790. https://doi.org/10.1126/science.275.5307.1787
41.
Bass AJ, Lawrence MS, Brace LE, Ramos AH, Drier Y, Cibulskis K, Sougnez C, Voet D, Saksena G, Sivachenko A, et al. 2011. Genomic sequencing of colorectal adenocarcinomas identifies a recurrent VTI1A-TCF7L2 fusion. Nat Genet. 43(10):964-968. https://doi.org/10.1038/ng.936
42.
Takeda H, Lyle S, Lazar AJF, Zouboulis CC, Smyth I, Watt FM. 2006. Human sebaceous tumors harbor inactivating mutations in LEF1. Nat Med. 12(4):395-397. https://doi.org/10.1038/nm1386
43.
Björklund P, Åkerström G, Westin G. An LRP5 Receptor with Internal Deletion in Hyperparathyroid Tumors with Implications for Deregulated WNT/?-Catenin Signaling. PLoS Med. 4(11):e328. https://doi.org/10.1371/journal.pmed.0040328
44.
Satoh S, Daigo Y, Furukawa Y, Kato T, Miwa N, Nishiwaki T, Kawasoe T, Ishiguro H, Fujita M, Tokino T, et al. 2000. AXIN1 mutations in hepatocellular carcinomas, and growth suppression in cancer cells by virus-mediated transfer of AXIN1. Nat Genet. 24(3):245-250. https://doi.org/10.1038/73448
45.
Liu W, Dong X, Mai M, Seelan RS, Taniguchi K, Krishnadath KK, Halling KC, Cunningham JM, Qian C, Christensen E, et al. 2000. Mutations in AXIN2 cause colorectal cancer with defective mismatch repair by activating ?-catenin/TCF signalling. Nat Genet. 26(2):146-147. https://doi.org/10.1038/79859
46.
Kinzler K, Nilbert M, Su L, Vogelstein B, Bryan T, Levy D, Smith K, Preisinger A, Hedge P, McKechnie D, et al. 1991. Identification of FAP locus genes from chromosome 5q21. Science. 253(5020):661-665. https://doi.org/10.1126/science.1651562
Chcete-li pokračovat, musíte se přihlásit.

Abyste mohli pokračovat ve čtení, přihlaste se nebo vytvořte účet.

Nemáte účet?