Xiaoyan Sheng, Yun C. Yung, Allison Chen, Jerold Chun Development 2015 142: 1390-1395; doi: 10.1242/dev.121723
Lysophosphatidic acid (LPA) is a bioactive phospholipid that is present in all tissues examined to date. LPA signals extracellularly via cognate G protein-coupled receptors to mediate cellular processes such as survival, proliferation, differentiation, migration, adhesion and morphology. These LPA-influenced processes impact many aspects of organismal development. In particular, LPA signalling has been shown to affect fertility and reproduction, formation of the nervous system, and development of the vasculature. Here and in the accompanying poster, we review the developmentally related features of LPA signalling.
Лизофосфолипиды обнаруживаются в качестве минорных мембранных компонентов и медиаторов внеклеточных сигналов в многочисленных тканях и жидкостях. Основной формой лизофосфолипидов является lysophosphatidic acid (LPA), которая действует посредством с G белком связанных рецепторов (Yung et al., 2014). Передача сигналов LPA влияет на жизнеспособность, пролиферацию, дифференцировку, миграцию, адгезию и морфологию ряда типов клеток во время развития. Сюда входят neural progenitor cells (NPCs), астроциты и олигодендроциты нервной системы (Anliker et al., 2013; Fukushima et al., 2002), эндотелиальные клетки во время формирования и поддержания сосудов (Chen et al., 2013; Yukiura et al., 2011), клетки репродуктивной системы (Ye and Chun, 2010), остеобласты и остеокласты во время формирования кости (Lapierre et al., 2010; Liu et al., 2010), пролиферирующие пре-адипоциты (Valet et al., 1998), и клетки иммунной системы (Chan et al., 2007; Goetzl et al., 2000; Zhang et al., 2012). Др. важными лизофосфолипидами являются sphingosine 1-phosphate (Kihara et al., 2014; Mendelson et al., 2014).
LPA production and metabolism
LPA - вместе со своим наиболее распространенным предшественником lysophosphatidylcholine (LPC) - присутствует внутри и вне клеток в системах тканей и органов в разных химических формах, которые отличаются в отношении длины цепи из остатков карбоновой кислоты (acyl), насыщенности и положения основы. LPA обнаруживается также во многих биологических жидкостях, включая плазму, сыворотку, слюну, слезы, водянистую влагу глаз, фолликулярную жидкость и спинномозговую жидкость в биологически значимых концентрациях (Aoki, 2004; Yung et al., 2014), и обычно связанная с белками носителями, такими как альбумин. Общая или специфические формы LPA могут быть идентифицированы и оценены количественно с помощью колориметрического метода, масс-спектрометрии и др. методов (Jesionowska et al., 2014).
Главным источником внеклеточной LPA является LPC, который превращается с помощью энзима autotaxin (ATX, название гена Enpp2) в LPA и холин (Perrakis and Moolenaar, 2014). Др. лизофосфолипиды, такие как lysophosphatidylserine (LPS) и lysophosphatidylethanolamine (LPE) могут быть ферментативно преобразованы в LPA. Кроме того, LPA может быть также сформирована посредством гидролиза phosphatidic acid (PA) с помощью связанной с мембраной phospholipase A1α или β (Aoki, 2004; Pag?s et al., 2001).
Поскольку внеклеточная LPA действует как сигнальная молекула через плазматическую мембрану посредством LPA рецепторов, внутриклеточная LPA также присутствует и также может служить промежуточным звеном в синтезе др. глицеролипидов (Pag?s et al., 2001). Внутриклеточная LPA может быть продуцирована ферментативно из внутриклеточных органелл, таких как митохондрии и эндоплазматический ретикулум. Напр., в митохондриях связанная с мембраной glycerophosphate acyltransferase (GPAT) может превращать PA в LPA (Pag?s et al., 2001). Lipid phosphate phosphatase (LPP) энзимы, которые существуют как вне клеток, так и внутри клеток на просветной поверхности эндоплазматического ретикулума или мембран Гольджи, могут дефосфорилировать и деградировать LPA в monoacylglycerol (MAG) (Brindley and Pilquil, 2009). MAG может затем повторно фосфорилироваться с помощью monoacylglycerol kinase (MGK) и тем самым участвовать в др. раунде передачи сигналов LPA (Pag?s et al., 2001). Т.о., продукция LPA регулируется с помощью доступности метаболитов предшественников, а также экспрессии каталитических ферментов. Может ли произведенная внутри клетки LPA пересекать плазматическую мембрану и проникать в ВКМ, неизвестно.
LPA receptors and downstream signalling pathways
6 генов для LPA receptor (LPAR) было идентифицировано и охарактеризовано: LPAR1-LPAR6 у людей и Lpar1-Lpar6 у мышей и не человекообразных видов (которые кодируют рецепторы LPA1-LPA6) (Kihara et al., 2014; Yung et al., 2014). Это 7 раз пронизывающие мембрану GPCRs связывают разные формы LPA с изменчивым сродством и активируют специфические пути гетеротримерных G белков, определяемые в частности с помощью Gα12/13, Gαq/11, Gαi/o and Gαs. Нижестоящие сигнальные каскады используют хорошо известные медиаторы, такие как Ras, Rho, Rac, Akt, MAPK, PKC и adenylate cyclase. Возникающая в результате активация этих сигнальных каскадов, затем влияет на основные клеточные процессы, такие как пролиферация, апоптоз, морфологические изменения, миграция и дифференцировка.
Нормальное развитие разнообразных тканей может зависеть от экспрессии LPAR, которая осуществляется в меняющихся пространственно-временных паттернах (Choi et al., 2010). Напр., развивающаяся кора головного мозга мыши в основном экспрессирует Lpar1 в вентрикулярной зоне и это коррелирует с инициацией, прогрессией и снижением нейрогенеза (Hecht et al., 1996). Кроме того, LPAR функция может регулироваться посредством многочисленных механизмов, включая десенсибилизацию рецепторов, интернализацию и фосфорилирование (Hernandez-Mendez et al., 2014).
Identifying roles for LPA signalling during development
Основная информация о роли LPA в раннем развитии получена в результате успешного клонирования первого LPA рецептора, LPA1 (Hecht et al., 1996). Lpar1-нулевые мыши обнаруживают 50% перинатальную гибель с нарушениями поведения сосания, что коррелировало с дефектами обоняния (Contos et al., 2000). Кроме того, эти мыши имели ограниченный рост и были маленькими по размеру по сравнению с контрольными (Hecht et al., 1996). Это согласуется с известными эмбриональными паттернами экспрессии LPA1 в головном мозге, дорсальных частях обонятельных луковиц, зачатках конечностей, черепно-лицевой области, сомитах и генитальном бугорке (Hecht et al., 1996; Ohuchi et al., 2008). Существенно, что Lpar4-нулевые мыши также обнаруживают ~30% эмбриональную гибель, также как кровоизлияния и отеки в разных системах органов. Эти дефекты возникают из-за аномалий рекрутирования пристеночных клеток и стабилизации васкулярных и лимфатических сосудов (Sumida et al., 2010). Кроме того, Enpp2-гетерозиготные мыши обнаруживают многочисленные онтогенетические дефекты; они обнаруживают, по крайней мере, 50% снижение уровней LPA в плазме, а также задержку раннего роста, гибель эмбрионов в середине беременности из-за дефектов образования кровеносных сосудов, дефекты нервной трубки, выпот в перикард, снижение количества сомитов и дефекты осевого вращения (Tanaka et al., 2006; van Meeteren et al., 2006; Yung et al., 2014). Т.о., широко распространенное снижение и/или потеря передачи сигналов LPA, вызываемая с помощью ATX удаления продуктов, приводит к тяжелым дефектам, которые частично воспроизводят делеции индивидуальных LPARs. Lpar1/Lpar2/Lpar3 трижды нулевые мыши также обнаруживают сходную эмбриональную смертность (Ye et al., 2008). Возможно, что др. комбинации делеций LPARs будут вызывать дефекты, приближающиеся к Enpp2-нулевому фенотипу. Итак, эти инициальные исследования показывают важность роли передачи сигналов LPA во время эмбрионального развития и указывают путь для дальнейшего, более детального анализа функции LPA в разных онтогенетических контекстах.
LPA signalling and reproduction
LPA влияет на репродуктивные функции самцов и самок. У самцов LPAR1-LPAR4 и Lpar1-Lpar3 выявляются в семенниках человека и мыши, соотв. Сперматогенез из зародышевых клеток снижается у Lpar1/Lpar2/Lpar3 трижды нулевых мышей, а также у одиночных Lpar1, Lpar2 или Lpar3-нулевых мышей. Это приводит к независимому от тестостерона снижению активности спаривания и снижению спермиев, а также к преобладанию зависимой от возраста azoospermia (Ye et al., 2008).
У самок экспрессия LPAR1-LPAR3 обнаруживается в granulosa-lutein клетках (Chen et al., 2008), которые являются пост-овуляционными гранулезными клетками яичников, секретирующих прогестерон. После оплодотворения, Lpar3-нулевые мыши обнаруживают задержку имплантации эмбриона, перенаселенность эмбрионов и снижение размера выводка (Ye et al., 2005). Такие же дефекты наблюдаются у мышей, которые являются генетически нулевыми по cyclooxygenase-2 (COX2), энзиму, которые продуцирует простагландины и подавляет передачу сигналов LPA3. Воздействие простагландином на Lpar3-нулевых самок может устранить задержку имплантации и уменьшение размера выводка, тогда как agonism thromboxane A2 рецептора частично устраняет скучивание эмбрионов, подтверждая, что LPA3-обеспечиваемая передача сигналов стоит выше синтеза простагландина (Ye et al., 2012, 2005). Более того, Lpar3-обусловленные альтерации metallo- и serine протеиназ и подтипов коллагена могут участвовать в динамическом ремоделировании внеклеточного матрикса эндометрия, который происходит в метке перед или после имплантации (Diao et al., 2011; Ye et al., 2011).
LPA in the nervous system
Передача сигналов LPA влияет на ряд процессов развития в нервной системе (Yung et al., 2015). LPA обнаруживается в разных концентрациях в эмбриональном головном мозге, нервной трубке, хороидном сплетении, менингиальных оболочках, кровеносных сосудах, спинном мозге и спинномозговой жидкости в наномолярных и микромолярных количествах (Yung et al., 2014). LPARs по-разному экспрессируются в разных типах нервных клеток. Напр., LPA1 оказывает влияние на рост и укладку коры головного мозга, на рост колбочек и процесс ретракции, выживания, миграции, адгезии и пролиферации. Экспрессия Lpar1 обогащена в вентрикулярной зоне (VZ) во время эмбрионального развития коры головного мозга и экспрессируется на низких уровнях в др. зонах коры (Hecht et al., 1996; Yung et al., 2011). Соотв., Lpar1-нулевые мыши обнаруживают уменьшение толщины VZ, изменение экспрессии маркеров нейронов и повышенную гибель клеток в коре, что нарушает слои коры у взрослых (Estivill-Torrus et al., 2008). Обработка ex vivo коры головного мозга с помощью LPA увеличивает апикально-базальную толщину и продуцирует складки, подобные извилинам. Это происходит путем снижения апоптоза и увеличения NPC терминальных митозов Lpar1/Lpar2-зависимым способом (Kingsbury et al., 2003).
LPA может также модулировать морфологию нейронов. Напр., LPA ингибирует удлинение нейритов и способствует коллапсу ростового конуса путем активации внутриклеточного RhoA посредством LPAR-обеспечиваемых сигнальных путей (Yuan et al., 2003). LPA вызывает также изменения в морфологии нейробластов, контролируя переход от веретенообразных к округлым ядерным перемещениям и образование F-actin сокращающихся волокон посредством активации пути малой GTPase Rho (Fukushima et al., 2000). Будучи внеклеточной липидной сигнальной молекулой, LPA может также влиять на процесс образования отростков (Campbell and Holt, 2001; Yuan et al., 2003) и миграцию ранних пост-митотических нейронов во время развития (Fukushima et al., 2002).
Др. связанные с нервной системой типы клеток, которые модулируются с помощью передачи сигналов LPA, включают олигодендроциты, Шванновские клетки, микроглию и астроциты. Олигодендроциты являются myelin-формирующими глиальными клетками ЦНС. Они преимущественно экспрессируют Lpar1; эта экспрессия пространственно и во времени коррелирует с созреванием и миелинизацией олигодендроцитов (Weiner et al., 1998). Более того, у рыб данио enpp2 регулирует детерминацию olig2-экспрессирующих предшественников в клон детерминированных предшественников олигодендроцитов, подтверждая роль LPA в этом процессе (Yuelling et al., 2012). В ПНС мыши Шванновские клетки зависят от передачи сигналов LPA как в отношении жизнеспособности (Contos et al., 2000; Weiner and Chun, 1999) , так и собственно миелинизации (Anliker et al., 2013;Weiner et al., 2001), и они экспрессируют Lpar1, Lpar4 и Lpar6 (Anliker et al., 2013). Микроглия это оседлые макрофаги ЦНС, играющие роль в развитии (Innocenti et al., 1983). Микроглия мышей экспрессирует Lpar1 и возможно Lpar3 (Moller et al., 2001). Передача сигналов LPA в микроглии регулирует пролиферацию, гиперполяризацию клеточной мембраны, хемокины, колебания мембраны и усиление активности факторов роста (Fujita et al., 2008; Moller et al., 2001; Schilling et al., 2002, 2004; Tham et al., 2003). Наконец, передача сигналов LPA в астроцитах, которые являются наиболее обширным типом глии, и экспрессируют все LPARs, может регулировать пролиферацию, образование актиновых стрессовых волокон и морфологические изменения и может косвенно способствовать дифференцировке нейронов (Manning and Sontheimer, 1997; Shano et al., 2008; Spohr et al., 2008; Suidan et al., 1997).
LPA signalling during vascular development
Образование эмбриональных сосудов использует васкулогенез (рост новых сосудов из ангиобластов), ангиогенез (отрастание новых сосудов от уже имеющихся сосудов посредством эндотелиальной миграции и ремоделирования ВКМ), и созревание, и стабилизацию сосудов (Eichmann and Thomas, 2013; Wacker and Gerhardt, 2011). Формирование специализированных свойств, таких как гематоэнцефалический барьер, также может получаться в результате. Передача сигналов LPA оказывает влияние на пролиферацию и миграцию эндотелиальных клеток (Teo et al., 2009). Enpp2-нулевые мыши обнаруживают ослабленное развитие сосудов желточного мешка, включая присутствие увеличенных сосудов, а также отсутствие вителлиновых сосудов. У таких мышей ранние кровеносные сосуды формируются собственно из ангиобластов, но неспособны развиваться в зрелые и стабильные сосуды в результате сниженных уровней LPA (Tanaka et al., 2006; van Meeteren et al., 2006). В соответствии с этим наблюдением, воздействие на экспланты культивируемых аллантоисов экзогенными LPA или ATX не является про-ангиогенными, а скорее поддерживают стабильность ранее сформированных сосудов. Lpar1-нулевые мыши также обнаруживают дефекты сосудов, такие как цефалические фронтальные гематомы в небольшой фракции эмбрионов; количество этих гематом слегка выше у Lpar1/Lpar2 двойных-нулевых мышей (Contos et al., 2000). ATX-зависимая продукция LPA является также критической для образования сосудов у рыб данио; базирующееся на morpholino ослабление функции ATX приводит к аберрантным сосудистым соединениям вокруг горизонтальной mysoseptum. Хотя ослабление индивидуальных LPA рецепторов не вызывает таких дефектов, ослабление функции Lpar1 и Lpar4 воспроизводит сосудистые дефекты, обусловленные ослаблением ATX (Yukiura et al., 2011). Т.о., собственно стабильность сосудов базируется на перекрывающейся передаче сигналов от многих LPA рецепторов. В подтверждение этому исследования in vitro продемонстрировали, что избыточная экспрессия LPA может дестабилизировать кровеносные сосуды и вызывать протекание, поскольку перициты, контрактильные клетки оболочки кровеносных сосудов, по-видимому, стабилизируют их. В этом контексте связанные с мембраной LPPs на перицитах деградируют LPA и предупреждают регрессию сосудов (Motiejunaite et al., 2014).
Developmental roles for LPA in other cell types
Передача сигналов LPA оказывает влияние на развитие многих др. типов клеток. Напр., во время дифференцировки белых пре-адипоцитов, ATX экспрессия усиливается и адипоциты высвобождают ATX, который затем способствует синтезу LPA (Ferry et al., 2003). Более того, специфичные для адипоцитов Enpp2-нулевые мыши на диете с высоким содержанием жира обнаруживают снижение избытка веса тела и жировой ткани по сравнению с мышами дикого типа н той же диете (Dusaulcy et al., 2011), хотя различие может быть обусловлено различиями в генетическом фоне мышей, во время начала высоко жирной диеты или во время пика уровней экспрессии ATX в пре-адипоцитах. Было также показано, что LPA стимулирует пролиферацию линии клеток пре-адипоцитов (Valet et al., 1998). В коричневых пре-адипоцитах LPA также индуцирует пролиферацию путем стимулирования Erk1/2 за счет Gαi-зависимой активации PKC и Src. Этот путь не чувствителен к pertussis toxin (PTX) и использует PI3K (Holmstrom et al., 2010). Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) играют жизненно важные роли во время адипогенеза. LPA не действует как PPARγ агонист в адипоцитах, а скорее ингибирует экспрессию PPARγ2 и адипогенез посредством LPA1 (Simon et al., 2005).
Развитие иммунных клеток также зависит от передачи сигналов LPA. Напр., ATX и LPA вызывают поляризацию нативных T клеток, подвижность и проникновение в лимфатические узлы за счет стимулирования транс-эндотелиальной миграции (Zhang et al., 2012). Было также показано, что только что изолированные CD4+ T клетки человека из периферической крови, в основном экспрессируют LPAR2, и что обработка этих клеток с помощью LPA снижает индуцированную митогеном генерацию и миграцию IL2 (Goetzl et al., 2000; Zhang et al., 2012; Zheng et al., 2000). В незрелых дендритных клетках человека LPA вызывает PTX-чувствительный приток кальция, полимеризацию актина и хемотаксис. Однако, в зрелых дендритных клетках LPA ингибирует lipopolysaccharide (LPS)-обеспечиваемую продукцию IL12 и TNFα, и увеличение IL10 нечувствительным к PTX способом (Panther et al., 2002). В культуральной системе in vitro воспроизводящей развитие мастоцитов человека, LPA совместно с фактором стволовых клеток стимулирует пролиферацию мастоцитов. Эта LPA-индуцированная пролиферация может быть ослаблена воздействием с помощью LPA1/LPA3 антагониста, с помощью PTX,и с помощью антагониста для PPARγ. (Bagga et al., 2004). В мастоцитах человека LPAR5, по-видимому, является наиболее преобладающим рецептором, активация которого вызывает высвобождение macrophage inflammatory protein 1β (MIP1β) (Lundequist and Boyce, 2011).
Передача сигналов LPA модулирует также развитие костей. Напр., LPA способствует дифференцировке остеобластов из мезенхимных стволовых клеток человека (hMSC-TERT клетки), которые экспрессируют два гена LPAR, LPAR1 и LPAR4. LPA1 обеспечивает остеогенез, способствуя дифференцировке остеобластов; этот эффект противоположен эффекту передачи сигналов LPA4 (Liu et al., 2010). Lpar4-нулевые мыши обнаруживают увеличение объёма, количества и толщины костных трабекул, что согласуется с ролью LPA4 по ингибированию остеогенной дифференцировки. Lpar1-нулевые мыши таже обнаруживают существенные дефекты костей, такие как снижение костной массы и остеопороз, который, скорее всего, возникает из-за снижения дифференцировки остеобластов из мезенхимных предшественников костного мозга (Gennero et al., 2011). LPA может также индуцировать плейотропные эффекты на активность и функцию остеокластов, действуя посредством LPA1, который может повышать внутриклеточный Ca2+, активирует nuclear factor of activated T cells (NFATc1) и способствует их выживанию и посредством не идентифицированного второго Gα12/13-coupled LPAR, который может вызывать и поддерживать ретракцию за счет реорганизации актинового цитоскелета (Lapierre et al., 2010).
Недавно установлена роль передачи сигналов LPA в развитии волосяных фолликулов. LPAR p2y5 (известен также как LPA6), напр., как было установлено, является критическим для нормального роста волос человека (Pasternack et al., 2008; Raza et al., 2014). В этом контексте, lipase member H (LPH), известен также как ассоциированный с мембраной PA-selective PLA1 (mPA-PLA1), который использует phosphatidic кислоту в качестве субстрата вносит вклад в рост волос человека
(Pasternack et al., 2009).
Perspectives
LPA signalling plays crucial roles in many developmental processes, impacting a number of organ systems and cell types. Further studies should continue to refine our understanding of LPAR expression and regulation. Importantly, it will be critical to fully characterize the spatiotemporal pattern of different LPA species, their metabolism and their interaction with LPAR subtypes.
It is notable that LPA arises from lipid precursors found in all cells of the body, thereby representing a vast reservoir of potential signalling molecules capable of acting in an autocrine or paracrine manner. LPA receptor signalling may overlap with and converge on pathways triggered by other signalling molecules that are important for development. It is thus probable that LPA signalling will broadly interface with these well-known mediators. Moreover, lipids play vital roles in the energetics of metabolism and thus developmental influences that alter metabolic states could well alter LPA signalling, both physiologically and pathophysiologically. Such influences may have special relevance to developmental disorders affecting the many organ systems that are influenced by normal LPA signalling, ranging from infertility and failure to thrive, to diseases manifesting in later life, such as those affecting the nervous system, as suggested by recent animal studies on foetal hydrocephalus (Yung et al., 2011), foetal brain hypoxia (Herr et al., 2011) and possibly neuropsychiatric disorders (Mirendil et al., 2015). Importantly, LPA receptors are part of a larger class of bona fide GPCR drug targets, raising the possibility of medicinally treating one or more of the myriad developmental disorders potentially impacted by LPA signalling.
