Курсовая работа: Cигнальные пути клеток в онтогенезе животных
На следующем этапе процессинга рецептора наблюдается расщепление во внутримембранном домене белка или в непосредственной близости от мембраны. На основании полученных на сегодняшний день данных лучшим кандидатом на участие в этом внутримембранном расщеплении считается фермент Presenilin (PS). Известно, что белки PS и Notch физически ассоциируют между собой и образуют комплекс в клеточной мембране (Ray et al., 1999). Иммуноокрашивание PS– и нормальных глазных дисков показывает, что субклеточная локализация и распределение Notch и Delta y них примерно одинаковы. В то время как уровень Notch-белка и его локализация в клеточной мембране у PS–-эмбрионов не отличается от дикого типа, транспорт внутриклеточной части Notch в ядро зависит от генотипа по PS. Использование конструкций с сигнальными генами показало, что активированная форма Nint, в которой делетированы внеклеточная и трансмембранная части белка, достигает ядер в отсутствие активности PS. Белок NEGF, в котором удален только внеклеточный район, не накапливается в ядрах PS–-эмбрионов (Ye et al., 1999; Mumm, Kopan, 2000; Struhl, Greenwald, 2001). В результате контролируемого ферментом PS протеолизиса в районе внутримембранного домена внутриклеточная часть белка Notch освобождается от мембраны и приобретает способность передвигаться и доставлять сигнал в ядро (Struhl, Adashi, 1998; Mumm, Kopan, 2000). В свою очередь, экстраклеточный домен белка Notch подвергается транс-эндоцитозу в клетках, экспрессирующих лиганд (Parks et al., 2000).
Активированный внутриклеточный домен белка рецептора Notch при участии анкириновых сdc10 повторов связывается с регуляторами транскрипции группы CSL (CBF1, Su(H), Lag-1), к которым относится Su(H) у Drosophila melanogaster. Белок Su(H) в культуре клеток S2, несущих конструкцию с полноразмерной копией Su(H), локализуется преимущественно в ядре. После одновременной трансфекции в S2 полноразмерных копий генов Su(H) и Notch белки Su(H) и Notch обнаруживаются в цитоплазме с одинаковой вариацией их относительных уровней в различных частях клетки. В случае когда трансфекция выполнена с использованием последовательности Notch-локуса, делетированной по сdc10-району, колокализация белков не наблюдается и Su(H) первоначально концентрируется в ядре. В системе трансформированных дрожжей полноразмерный белок Su(H) ассоциируется с внутриклеточным сегментом Notch, если только он содержит все 6 cdc10-повторов. В смешанной S2 культуре, когда клетки, экспрессирующие Su(H) и Notch, агрегируют с клетками, экспрессирующими Dl, цитоплазматическая локализация Su(H) и Notch меняется на ядерную
В отсутствие активности внутриклеточного домена Notch белок Su(H) в агрегате с комплексами корепрессоров выступает в роли репрессора транскрипции генов. Notch действует как антагонист этого объединения. Связываясь в цитоплазме или ядре с корепрессорами и с Su(H), Notch вызывает каскад взаимодействий Su(H) с рядом других белков и переключение Su(H) на роль активатора транскрипции (Mumm, Kopan, 2000).
В ядре Su(H) запускает гены-мишени комплекса E(spl), белки которых вместе с продуктами генов-мишеней Notch-пути у разных животных объединены в класс HES (от Hairy и E(spl)). В опытах с последовательностями Su(H) разной длины определена примерная протяженность области белка, необходимая для связывания с ДНК. Способность Su(H) распознавать сайт связывания ДНК теряется после образования белок-белкового комплекса Н-Su(H). Обнаружен участок Su(H) для прямого взаимо-действия с Н in vitro. Увеличение in vitro концентрации Н коррелирует с ослаблением связывания между Su(H) и ДНК, когда их количество не меняется (Brou et al., 1994; Barolo et al., 2002).
Белки 7 нейрогенов комплекса E(spl) содержат bHLH-мотивы, способные к образованию гомо- и гетеродимеров и к связыванию со специфическими последовательностями ДНК. Их относят к группе негативных регуляторов транскрипции. Транскрипты E(spl) экспрессируются в определенной динамике в эмбриогенезе и на личиночных и куколочных стадиях. Нейрогенные локусы комплекса транскрибируются в нейроэктодерме, в крыловом имагинальном диске в местах будущего формирования сенсорных органов, вблизи дорзовентральной границы крыла, в местах формирования жилок пластины крыла, во всей морфогенетической бороздке глазного диска, в яичниках взрослой самки (Knust et al., 1987). С потерей функции Notch или Delta нарушается нормальная аккумуляция белков E(spl)bHLH в ядрах клеток вентральной нейроэктодермы (Jennings et al., 1994).
Каскад событий Notch-сигнального пути завершается включением E(spl). В свою очередь, белки-репрессоры E(spl)bHLH предотвращают клетки в пронейральных кластерах эктодермы от развития по нейральному пути, ингибируя пронейральные гены achaete, scute, lethal of scute (Jennings et al., 1994; Heitzler et al., 1996).
Аналогично действию в нейрогенезе Notch-путь контролирует судьбу недифференцированных бипотентных клеток-предшественниц в оогенезе. Напротив, во время развития крыла и глаза Notch-путь может выполнять не ингибирующую, а индуктивную функцию (Mumm, Kopan, 2000; Portin, 2002).
Взаимодействие Notch-пути с другими генами и сигнальными каскадами (сеть сигнальных путей)
Плейотропное действие Notch предполагает его взаимодействие с другими генами, модулирующими его активность и не входящими в Notch-сигнальный путь. Данные генетических экспериментов на Drosophila melanogaster позволяют предполагать влияние генов wingless и Notch на функции друг друга. Недавние биохимические эксперименты доказали наличие прямого физического контакта между Wingless и Notch, не приводящего к расщеплению молекулы Notch. Кроме того, Notch взаимодействует с Dishevelled, участником Wg-каскада (Axelrod et al., 1996). Интересно, что внутриклеточный домен Notch может образовывать белковый комплекс не только с Su(H), но и с другими регуляторами транскрипции, такими, как ацетилазы гистонов (Klein et al., 2000).
Наблюдаемые взаимодействия между генами и их белками, возможно, отражают взаимосвязь между известными сигнальными путями, наличие сети сигнальных путей. Например, приобретение нейрального статуса предшественниками нейронов в глазном имагинальном диске происходит под контролем и при взаимодействии передающих каскадов Hh и Notch. Белок Nоtch выступает в роли регулятора негативных репрессоров транскрипционного фактора Atonal, зависящего опосредованно от Hh-пути через секретируемый белок Dpp из семейства TGFЯ (Baonza, Freeman, 2001). Дифференцировка клеток-предшественниц сенсорных макрохет мезоторакса связана с антагонистическими отношениями между EGFR- и Notch-сигнальными путями (Culi et al., 2001). Координированные взаимодействия систем, образующих сигнальную сеть, являются основой согласованной регуляции функционирования генома живых организмов. Нарушение передачи сигнала на каком-либо этапе приводит к различным патологиям, из которых у позвоночных наиболее известны такие, как болезнь Альцгеймера, заболевания различными типами рака и другие (Гилберт, 1995; Ray et al., 1999).
Список литературы
Вайсман Н.Я., Захаров И.Л., Корочкин Л.И. Ген Notch и судьба плодовой мушки Drosophila melanogaster // Успехи соврем. биологии. 2002. Т. 122, № 1. С. 95–108.
Гилберт С. Биология развития. М.: Мир, 1995. Т. 3. 352 с.
Губенко И.С. Локус Delta в Notch сигнальной системе: организация и плейотропная функция // Цитология и генетика. 2001. Т. 35, № 4. С. 59–80.
Корочкин Л.И. Введение в генетику развития. М.: Наука, 1999. 253 с.
Корочкин Л.И., Михайлов А.Т. Введение в нейрогенетику. М.: Наука, 2000. 274 с.
Серов О.Л. Генный и хромосомный уровни контроля развития // Информ. вестник ВОГиС. 2003. № 24/25. С. 2–8.
Тарчевский И.А. Сигнальные системы клеток растений. М.: Наука, 2002. 294 с.
Тарчевский И.А. Элиситор-индуцируемые сигнальные системы и их взаимодействие // Физиология растений. 2000. Т. 47, № 2. С. 321–331.
Шемарова И.В. Роль фосфорилирования по тирозину в регуляции пролиферации и клеточной дифференцировки у низших эукариот // Цитология. 2003. Т. 45, № 2. С. 196–215.
Шпаков А.О., Деркач К.В., Перцева М.Н. Гормональные сигнальные системы низших эукариот // Цитология. Т. 45 № 3. . 223–234.
Alamo D., Terriente J., Diaz-Benjumea F.J. Spitz/EGFr signalling via the Ras/MAPK pathway mediates the induction of bract cells in Drosophila legs // Development. 2002. V. 129. P. 1975–1982.
Arias A.M. New alleles of Notch drow a blueprint for multifunctionality // Trends in Genet. 2002. V. 18. P. 168–170.
Artavanis-Tsakonas S., Matsuno K., Fortiny M.E. Notch signalling // Science. 1995. V. 268. P. 225–232.
Axelrod J.D., Matsuno K., Artavanis-Tsakonas S., Perrimon N. Interection between Wingless and Notch signaling pathways mediated by Dishevelled // Science. 1996. V. 271. P. 1826–1831.
Baonza A., Freeman M. Notch signalling and the initiation of neural development in the Drosophila eye // Development. 2001. V. 128. P. 3889–3898.
Baonza A., Freeman M. Control of Drosophila eye specification by Wingless signaling // Development. 2002. V. 129. P. 5313–5322.
Barolo S., Stone T., Bang A.G., Posakony J.W. Default repression and Notch signaling: Hairless acts as an adaptor to recruit the corepressors Groucho and dCtBP to Suppressor of Hairless // Genes Dev. 2002. V. 15. P. 1964–1976.
Brou C., Logeat F., Lecourtois M., Vandekerckhove J., Kourilsky Ph., Schweisguth F., Israell A. Inhibition of the DNA-binding activity of Drosophila Supressor of Hairless and of its human homolog, KBF2/RBP-J ?, by direct protein-protein interection with Drosophila Hairless // Genes Dev. 1994. V. 8. P. 2491–2503.
Cadigan K.M., Nusse R. Wnt signaling: a common theme in animal development // Genes Dev. 1997. V. 11. P. 3286–3305.
Cagan R.L., Ready D.F. Notch is required for successive cell decisions in the developing Drosophila retina // Genes Dev. 1989. V. 3. P. 1099–1112.
Crozatier M., Glise B., Vincent A. Connecting Hh, Dpp and EGF signalling in patterning of the Drosophila wing; the pivotal role of collier/knot in the AP organiser // Development. 2002. V. 129. P. 4261–4269.
Culi J., Martin-Blanco E., Modolell J. The EGF receptor and N signalling pathways act antagonistically in Drosophila mesothorax bristle patterning // Development. 2001. V. 128. P. 299–308.
Diaz-Benjumea F.J., Cohen C.M. Interection between dorsal and ventral cells in the imaginal disc directs wing development in Drosophila // Cell. 1993. V. 75. P. 741–752.
Diederich R.J., Matsuno K., Hing H., Artavanis-Tsakonas S. Cytosolic interection between deltex and Notch ankyrin repeats implicates deltex in the signalling pathway // Development. 1994. V. 120. P. 473–481.
Doherty D., Feger G., Younger-Shepherd S., Jan L.Y., Jan Y.N. Delta is a ventral to dorsal signal complementary to Serrate, another Notch ligand, in Drosophila wing formation // Genes Dev. 1996. V. 10. P. 421–434.
Fleming R.J., Scottgale T.N., Diederich R.G., Artavanis-Tsakonas S. The gene Serrate encodes a putative EGF-like transmembrane protein essential for proper ectodermal development in Drosophila melanogaster // Genes Dev. 1990. V. 4. P. 2188–2201.
Fortiny M.E., Artavanis-Tsakonas S. The Supressor of Hairless protein participate in Notch receptor signaling // Cell. 1994. V. 79. P. 273–282.
Freeman M. A fly's eye view of EGF receptor signaling // EMBO J. 2002. V. 21. P. 6635–6642.
Glass Ch.K., Rosenfeld M.G. The coregulator exchange in transcriptional functions of nuclear receptors // Genes Dev. 2002. V. 14. P. 121–141.
Glazer L., Shilo B. Hedgehog signaling patterns the tracheal branches // Development. 2001. V. 128. P. 1599–1606.
Hartenstein V., Tepass U., Gruszynski-de Feo E. Proneural and neurogenic genes control specification and morphogenesis of stomatogastric nerve cell precursors in Drosophila // Dev. Biol. 1996. V. 173. P. 213–227.
Hatini V., DiNardo S. Divide and conquer: pattern formation in Drosophila embryonic epidermis // Trends in Genet. 2001. V. 17. P. 574–579.
Heitzler P., Bourouis M., Ruel L., Carteret C., Simpson P. Genes of the Enhancer of split and achaete-scute complexes are required for a regulatory loop between Notch and Delta during lateral signalling in Drosophila // Development. 1996. V. 122. P. 161–167.
Ingham P.W. Hedgehog signaling: a tale of two lipids // Science. 2001. V. 294. P. 1879–1881.
Ingham P.W., McMahon A.P. Hedgehog signaling in animal development: paradigms and principles // Genes Dev. 2001. V. 15. P. 3059–3087.
Jennings B., Preiss A., Delidakis C., Bray S. The Notch signalling pathway is required for Enhancer of split bHLH protein expression during neurogenesis in the Drosophila embryo // Development. 1994. V. 120. P. 3537–3548.
Jonhston L.,A., Gallant P. Control of growth and organ size in Drosophila // BioEssays. 2002. V. 24. P. 54–64.
Ju B.G., Jeong S., Bae E., Hyun S., Carroll S.B., Yim J., Kim J. Fringe forms a complex with Notch // Nature. 2000. V. 405. P. 191–195.
Kheradmand F., Werb Z. Shedding light on sheddases: role in growth and development // BioEssays. 2002. V. 24. P. 8–12.
Kidd S., Lockett T.D., Young M.W. The Notch locus of Drosophila melanogaster // Cell. 1983. V. 34. P. 421–433.
Kidd S., Baylies M.K., Gasic G.P., Young M.W. Structure and distribution of the Notch protein in development Drosophila // Genes Dev. 1989. V. 3. P. 1113–1129.
Klein T., Seugnet L., Haenlin M., Arias A.M. Two different activities of Suppressor of Hairless during wing development in Drosophila // Development. 2000. V. 127. P. 3553–3566.
Knust E., Tietze K., Campos-Ortega J.A. Molecular analysis of the neurogenic locus Enhancer of split of Drosophila melanogaster // EMBO J. 1987. V. 6. P. 4113–4123.
Lawrence N., Klein T., Brennan K., Arias A.M. Structural requirements for Notch signalling with Delta and Serrate during the development and patterning of the wing disc of Drosophila // Development. 2000. V. 127. P. 3185–3195.
Lieber T., Kidd S., Young M.W. Kuzbanian-mediated cleavage of Drosophila Notch // Genes Dev. 2002. V. 16. P. 209–211.
Lindsley D.L., Zimm G.G. The genome of Drosophila melanogaster. New York: Academic Press, 1992.
Luo H., Dearolf C.R. The JAK/STAT pathway and Drosophila development // BioEssays. 2001. V. 23. P. 1138–1147.
Lyman B., Yedvobnik B. Drosophila Notch recepter activity supresses Hairless functon during adult external sensory organ development // Genetics. 1995. V. 141. P. 1491–1505.
Massague J., Chen Y. Controlling TGF-signaling // Genes Dev. 2000. V. 14. P. 627–644.
Matsuno K., Ito M., Hori K., Miyashita F., Suzuki S., Kishi N., Artavanis-Tsakonas S., Okano H. Involvement of proline-rich motif and RING-H2 finger of Deltex in the regulation of Notch signaling // Development. 2002. V. 129. P. 1049–1059.
Millor J.L., Altaba A.R. Growth, hedgehog and the price of GAS // BioEssays. 2002. V. 24. P. 22–26.
Missler M., Sudhof T.S. Neurexins: three genes and 1001 products // TIG. 1998. V. 14. P. 20–26.
Mohler J., Vani K. Molecular organisation and embryonic expression of the hedgehog gene involved in cell-cell communication in segmental patterning in Drosophila // Development. 1992. V. 115. P. 957–971.
Mumm J.S., Kopan R. Notch Signaling: аrom the Outside In // Dev. Biol. 2000. V. 228. P. 151–165.
Neumann C., Cohen S. Morphogens and pattern formation // BioEssays. 1997. V. 19. P. 721–772.
Ng M., Diaz-Benjumea F.J., Vincent J.P., Wu J., Cohen S.M. Specification of the wing by localized expression of Wingless protein // Nature. 1996. V. 381. P. 316–318.
Pan D., Rubin G.M. Kuzbanian controls proteolytic processing of Notch and mediates lateral inhibition during Drosophila and vertebrate neurogenesis // Cell. 1997. V. 90. P. 271–280.
Parks A.L., Klueg K.M., Stout J.R., Muskavitch M.A. Ligand endocytosis drives receptor dissociation and activation in the Notch pathway // Development. 2000. V. 127. P. 1373–1385.
Pires-daSilva A., Sommer R.J. The evolution of signaling pathways in animal development // Nature Reviews, Genetics. 2003. V. 4. P. 39–49.
Portin P. General outlines of the molecular genetics of the Notch signalling pathway in Drosophila melanogaster: a review // Hereditas. 2002. V. 136. P. 89–96.
Qi H., Rand M.D., Wu X., Sestan N., Wang W., Rakic P., Xu T., Artavanis-Tsakonas S. Processing of the Notch ligand Delta by the metalloprotease Kuzbanian // Science. 1999. V. 283. P. 91–94.
Ray W.J., Yao M., Nowotny P., Mummdagger J., ZhangDagger W., WuDagger J.Y., Kopandagger R., Goate A.M. Evidence for a physical interaction between Presenilin and Notch // Proc. Natl Acad. Sci. 1999. V. 96. P. 3263–3268.
Rauskolb C. The establishment of segmentation in the Drosophila leg // Development. 2001. V. 128. P. 4511–4521.
Rebay I., Fehon R., Artavanis-Tsakonas S. Specific truncations of Drosophila Notch define dominant activated and dominant negative forms of the receptor // Cell. 1993. V. 74. P. 319–329.
Rooke J., Pan D., Xu T., Rubin G.M. Kuz a conserved metalloprotease-disintegrin protein with two roles in Drosophila neurogenesis // Science. 1996. V. 273. P. 1227–1231.
Ruohola H., Bremer K.A., Baker D., Swedlow J.R., Jan L.Y., Jan Y.N. Role of neurogenic genes in establishment of follicle cell fate and oocyte polarity during oogenesis in Drosophila // Cell. 1991. V. 66. P. 433–449.
Shepard S.B., Broverman S.A., Muskavitch M.A.T. A tripartite interection among of allele of Notch, Delta and Enhancer of split during imaginal development of Drosophilа melanogaster// Genetics. 1989. V. 122. P. 429–438.
Sotillos S., Roch F., Campuzano S. The metalloprotease-desintegrin Kusbanian perticipates in Notch activation during growth and partenning of Drosophila imaginal discs // Development. 1997. V. 124. P. 4769–4779.
Speicher S.A., Thomas U., Knust U.H., Knust E. The Serrate locus of Drosophila and its role in morphogenesis of the wing imaginal discs: control of cell proliferation // Development. 1994. V. 120. P. 535–544.
Struhl G., Adachi A. Nuclear access and action of Notch in vivo // Cell. 1998. V. 93. P. 649–660.
Struhl G., Greenwald I. Presenilin mediated transmembrane cleavage is required for Notch signal transduction in Drosophila // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2001. V. 98. P. 229–234.
Sudarsan V., Pasalodos-Sanchez S., Wan S., Gampel A., Skaer H. A genetic hierarchy establishes mitogenic signalling and mitotic competence in the renal tubules of Drosophila // Development. 2002. V. 129. P. 935–944.
Vervoort M. hedgehog and wing development in Drosophila: a morphogen at work? // BioEssays. 2000. V. 22. P. 460–468.
Warton K.A., Jahansen K.M., Xu T., Artavanis-Tsakonas S. Nucleotide sequence from the neurogenic locus Notch implies a gene product that shares homology with protein containing EGF-like repeats // Cell. 1985. V. 43. P. 567–581.
Xu T., Caron L.A., Fehon R.G., Artavanis-Tsakonas S. The involvement of the Notch locus in Drosophila oogenesis // Development. 1992. V. 115. P. 913–922.
Zeng X., Goetz J., Suber L., Scott W.J., Schreiner C., Robbin D. A freely diffusible form of Sonic hedgehog mediates long-range signaling // Nature. 2001. V. 411. P. 716–720.
Zhang Y., Kalderon D. Regulation of cell proliferation and patterning in Drosophila oogenesis by Hedgehog signaling // Development. 2000. V. 127. P. 2165–2176.
Ye Y., Lukinova N., Fortiny M.E. Neurogenic phenotypes and altered Notch processing in Drosophila presenilin mutants // Nature. 1999. V. 398. P. 525–529.
