Посещений:
ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВ Sphingosine 1-phosphat

Функциональное значение в разных тканях

Sphingosine 1-phosphate signalling
Karen Mendelson,Todd Evans and Timothy Hla
Development 141, 5-9. 2014

Sphingosine 1-phosphate (S1P) is a lipid mediator formed by the metabolism of sphingomyelin. In vertebrates, S1P is secreted into the extracellular environment and signals via G protein-coupled S1P receptors to regulate cell-cell and cell-matrix adhesion, and thereby influence cell migration, differentiation and survival. The expression and localization of S1P receptors is dynamically regulated and controls vascular development, vessel stability and immune cell trafficking. In addition, crucial events during embryogenesis, such as angiogenesis, cardiogenesis, limb development and neurogenesis, are regulated by S1P signalling. Here, and in the accompanying poster, we provide an overview of S1P signalling in development and in disease.


Рисунки к статье

Сфинголипиды являются критическими для структуры и функции мембран у эукариот. Их метаболизм приводит к образованию медиаторов полярных липидов, таких как sphingosine 1-phosphate (S1P) (Saba and Hla, 2004). У позвоночных S1P обнаруживается во внеклеточной среде и взаимодействует с рецепторами клеточной поверхности, чтобы регулировать ряд клеточных реакций, включая миграцию, дифференцировку и жизнеспособность клеток (Blaho and Hla, 2011; Chun et al., 2002). В качестве такового, S1P выполняет фундаментальные роли в морфогенетических механизмах, таких как коллективная миграция клеток, тканевые индуктивные события и передачи биомеханических сигналов. В соответствии с этим, недавние исследования показали, что передача сигналов S1P играет критическую роль в развитии, напр., во время ангиогенеза (Gaengel et al., 2012), кардиогенеза (Kupperman et al., 2000), развития конечностей (Chae et al., 2004a) и нейрогенеза (Mizugishi et al., 2005). Мы обсудим известные роли S1P (Ben Shoham et al., 2012) в развитии и исследуем потенциальные механизмы, с помощью которых действует этот медатор липидов. (Постер).

Synthesis and export of S1P


Обмен сфинголипидов, инициируемый действием sphingomyelinase, приводит к образованию ceramide, который в дальнейшем превращается в sphingosine с помощью фермента ceramidase. Sphingosine затем фосфорилируется с помощью sphingosine kinase (Sphk) изоэнзима (Spiegel and Milstien, 2007), давая S1P. Уровни S1P в клетках регулируются не только с помощью S1P биосинтетических энзимов, но и также за счет энзимов деградации, таких как S1P фосфатазы и S1P лиаза (Blaho and Hla, 2011; Le Stunff et al., 2004; Saba and Hla, 2004). Будучи продуцирована внутри клетки, S1P экспортируется с помощью специфических транспортеров, таких как spinster 2 (Spns2) (Kawahara et al., 2009; Osborne et al., 2008), которые, как было установлено, участвуют в становлении сосудистого градиента S1P у мыши (Fukuhara et al., 2012). Др. транспортеры, которые остаются не охарактеризованы, также как и секреция энзима Sphk1 следуют пути внеклеточного биосинтеза (Hla et al., 2008), также внося вклад в обогащение S1P в плазме позвоночных (Venkataraman et al., 2006). Плазма крови, т.о., содержит высокие уровни S1P ('1µM), тогда как уровни S1P в интерстициальной жидкости низки, тем самым создается градиент этого медиатора липидов (Cyster and Schwab, 2012), который играет важную роль в управлении функцией S1P.
В плазме S1P соединяется со своими шаперонами, apolipoprotein M-containing high-density lipoprotein (ApoM+ HDL) и альбумином (Christoffersen et al., 2011). Внеклеточный белок S1P может быть также деградирован с помощью lysophospholipid phosphatase 3 (LPP3) в sphingosine, который может затем использоваться клетками для дальнейшего метаболизма (Escalante-Alcalde et al., 2003; Renault et al., 2010).

S1P signalling via G protein-coupled receptors


Рецепторами S1P являются G protein-coupled receptors (GPCRs), которые близко родственны с lysophosphatidic кислотой и cannabinoid рецепторами. Пять S1P рецепторов, обозначаемых S1P1-5, были описаны и большинство клеток экспрессирует один или более подтипов рецепторов S1P (Chun et al., 2010). Все соединяются с S1P с высоким сродством и вызывают клеточные реакции.
S1P рецепторы обладают уникальными, также как и общими для G-protein-coupling свойствами. Напр., S1P1 соединяется исключительно с Gi/o семейством, тогда как S1P2 рецептор способен соединяться с Gi/o, с G12/13, также как и с Gq семейством (Windh et al., 1999). Такие соединения приводят к активации малых GTPases, таких как Rho, Rac и Ras (Lee et al., 2001; Ryu et al., 2002; Sugimoto et al., 2003). Далее нижестоящие эффекторы S1P рецепторов включают adenylate cylase, PI-3-kinase, phospholipase C, protein kinase C и внутриклеточный кальций. Транскрипционные реакции, регулируемые с помощью S1P известны недостаточно; однако недавняя работа показала, что Rho GTPase, сцепленная с S1P рецепторами, может активировать путь передачи сигналов Hippo и ассоциированных с ним эффекторов транскрипции (Yu et al., 2012). S1P, как полагают, также действует посредством альтернативных, независимых от GPCR путей, таких как гистоновые деацетилазы, (Hait et al., 2009), TRAF2 (Alvarez et al., 2010) и prohibitin 2 (Strub et al., 2011).

The regulation of cell-cell and cell-matrix adhesion by S1P


Передача сигналов посредством S1P рецепторов, как было установлено, регулирует межклеточные и клетка-матрикс адгезивные события. Напр., активация S1P1 рецептора в сосудистых эндотелиальных клетках ведет к образованию VE-cadherin- содержащих слипчивых соединений (Lee et al., 1999). В дополнение к гетеротипической межклеточной адгезии между эндотелиальными клетками и перицитами, индуцируется также эндотелиальная передача сигналов S1P1, благодаря активации N-cadherin-зависимых соединений (Paik et al., 2004). Помимо передачи сигналов, зависимой от S1P1 и S1P3 рецепторов, в клетках сосудистого эндотелия происходит активация интегрина и сборка фокальных контактов, событий, необходимых для миграции клеток (Paik et al., 2001). Напротив, активация S1P2 рецептора приводит к передаче сигналов Rho, Rho kinase и PTEN, которая разрушает слипчивые соединения (Sanchez et al., 2005). Этот рецептор ингибирует также миграцию клеток, вызываемую ростовыми факторами, такими как platelet-derived growth factor (PDGF) и insulin-like growth factor (IGF)и хемокинами, такими как stromal-derived factor 1 (SDF1, CXCL12), C5a и CCL2 (Michaud et al., 2010;Sugimoto et al., 2003).
Эффекты S1P на межклеточную и клетка-матрикс адгезию нуждаются в динамических изменениях в базирующемся на актине и микротрубочках цитоскелете. S1P1 вызывает сборку кортикального актина посредством Rac GTPase, тогда как S1P2 регулирует сборку стрессовых волокон посредством Rho GTPase (Lee et al., 2001;Ryu et al., 2002; Sugimoto et al., 2003). Кроме того, динамика микротрубочек, как показывают изображения микротрубочки связывающего белка EB1, говорит о том, что активация S1P рецептора в эндотелиальных клетках вызывает Rac-зависимую полимеризацию микротрубочек в кортексе клетки (Paik et al., 2004). Т.о., зависимая от лиганда активация S1P рецепторов передает разнообразные внутриклеточные сигналы в зависимости от экспрессии рецепторов в определенных клетках.

S1P-mediated control of cell trafficking in and out of the vascular system


Градиент S1P в месте соединения ткани и сосудов регулирует доставку иммуных клеток из лимфоидных органов в кровообращение (Cyster and Schwab, 2012; Pappu et al., 2007). Дальнейший анализ подтвердил, что lipid phosphate phosphatase 3 (LPP3) клеточной поверхности, которая может деградировать S1P до sphingosine, также является основным регулятором выхода лимфоцитов (Brеart et al., 2011). Более того, S1P транспортер Spns2, который экспрессируется преимущественно на лимфатических эндотелиальных клетках, также необходим для эффективного выхода (Fukuhara et al., 2012). Sphingosine kinases в лимфатических эндотелиальных клетках также важны (Pham et al., 2010). Эти находки подтверждают модель, согласно которой поглощение и метаболизм S1P из кровообращения с помощью эндотелиальных клеток, сопровождаемый поляризованной секрецией S1P с помощью Spns2 поперек градиента, может участвовать в доставке лимфоцитов. S1P1 рецептор на клеточной поверхности лимфоцитов является критическим для их выхода (Cyster and Schwab, 2012). Антогонистические функции сохранения рецепторов (таких как chemokine рецептор CCR7) и способствующие выходу рецепторов (S1P1), как было установлено, детерминируют общие паттерны миграции гематопоэтических клеток (Pham et al., 2008). Т.о., антагонизм градиентов хемокинов (при этом хемокины стремятся откладываться в тканях) с градиентом S1P (при этом S1P обогащен в сосудистом компартменте) может быть общим феноменом, чтобы регулировать поставку гематопоэтических клеток (Massberg et al., 2007; Cyster and Schwab, 2012) в и из замкнутой сосудистой системы позвоночных.

S1P signalling in endoderm and heart development


Исследования на рыбках данио открыли ключевую роль s1pr2 и S1P транспортерного белка spns2 в регуляции миграции клеток во время развития сердца. Одиночная missense мутация в ортологе у рыбок данио s1pr2 вызывает мутантный фенотип, известный как miles apart (mil). Эти mil мутанты обнаруживают cardia bifida из-за неспособности клеток кардиальных предшественников соотв. мигрировать из передней латеральной пластинки мезодермы к срединной линии (Kupperman et al., 2000). Более того, две отдельные рецессивные мутации в spns2, известные как two of hearts (toh) и ko157, фенокопируют кардиальные эффекты mil (Kawahara et al., 2009; Osborne et al., 2008). Мутация mil функционирует клеточно автономно в энтодерме, тогда как spns2 действует клеточно неавтономно во внеэмбриональном yolk syncytial layer (YSL), подтверждая, что S1P экспорт из YSL активирует s1pr2 в энтодерме, чтобы регулировать миграцию кардиальных предшественников в ассоциированной мезодерме.
Оба mil и toh мутанта также обнаруживают дефекты в морфогенезе передней части энтодермы. Передняя энтодерма у эмбрионов дикого типа на ст. 18 hpf образует непрерывный слой, тогда как мутанты mil и tohимеют прерывистость в их слое энтодермы (Osborne et al., 2008). Необходимость энтодермы для облегчения миграции прекардиальной мезодермы подтверждает, что фенотип cardia bifida, обнаруживаемый у mil и toh мутантов результат дефектов этой энтодермы (Osborne et al., 2008). Сравнительно недавно выяснен нижестоящий механизм, с помощью которого s1pr2/mil контролируют миокардиальную миграцию; s1pr2 в купе G13 и последующая активация RhoGEF, как было установлено, регулируют энтодермальную конвергенцию, чтобы координировать миокардиальную миграцию (Ye and Lin, 2013). Способность S1P2/G13/Rho пути, чтобы активировать интегрины клеточной поверхности и сборку фибронектинового матрикса может быть важной в энтодерме, чтобы обеспечить корректными matricellular сигналами миграцию клеток миокардиальных предшественников в направлении срединной линии (Zhang et al., 1999).
Передача сигналов S1P также участвует в миграции прехордальной пластинки, утолщенной мезодермальной структуры, которая происходит из mesendodermal клеток, которые мигрируют вдоль срединной линии между эктодермой и энтодермой. Эти клетки также формируют хорду. Во время гаструляции клетки, формирующие прехордальную пластинку, подвергаются непосредственной миграции в виде скоординированного кластера. Используя базирующийся на morpholino скрининг, показано mil супрессирует дефектную миграцию кпереди прехордальной пластинки у wnt11 мутантных эмбрионов, которые помимо прочего обнаруживают E-cadherin обусловленное снижение когерентности движения клеток (Kai et al., 2008). В соответствии с этой ролью, эмбрионы избыточно экспрессирующие mil, обнаруживают дефекты движений конвергенции и удлинения во время гаструляции, процесс, который одновременно сужает зародышевые слои медиолатерально и удлиняет эмбрион от головы до хвоста (Kai et al., 2008). Эти исследования подчеркнули роль S1P в обеспечении межклеточной слипчивости (cohesion) во время развития.

S1P receptors regulate collective behaviour of endothelial cells during vascular sprouting


У модельных мышей и рыбок данио множественные S1P рецепторы (S1P1-3) скоординировано регулируют сосудистое развитие (Kono et al., 2004; Obinata and Hla, 2012). Недавнее доказательство, однако, указывает в пользу важной роли S1pr1 в поддержании зависимой от кровотока стабильности сосудистой сети. Глобальная делеция S1pr1 вызывает внутриматочную гибель на ст. E12.5-14.5 из-за тяжелых гемморагий, в результате дефектов созревания сосудов (Liu et al., 2000). Генетическая делеция S1pr1 в эндотелиальных клетках мышей (S1pr1 ECKO) приводит к формированию аномального паттерна первичного сосудистого сплетения (Jung et al., 2012). Увеличенное количество кончиковых клеток, несущих филоподии, точек ветвления и расширенных сосудов наблюдаются в сетчатке таких мышей. Чрезвычайное разрастание эндотелия вследствие делеции S1pr1 также было описано в др. сосудистых ложах, включая таковые в эмбриональном заднем мозге, нервной трубке, аорте и развивающихся конечностях мышей (Gaengel et al., 2012; Ben Shoham et al., 2012), и в каудальном сплетении вен и сосудах заднего мозга рыбок данио (Gaengel et al., 2012; Mendelson et al., 2013; Ben Shoham et al., 2012).
Одной из характеристик коллективной миграции клеток является потребность в межклеточной когезии, которая обеспечивается белками слипчивых соединений, такими как VE-cadherin в эндотелии. S1pr1 ECKO ретинальные сосуды обнаруживают слабый кровоток и протекание сосудов, которые вызывают гипоксию и экспрессию vascular endothelial growth factor A (VEGFA), приводящую к усилению разрастания эндотелиальных сосудов (Jung et al., 2012). Эта текучест сосудов, скорее всего, обусловлена нестабильностью соединений. Мыши, лишенные VE-cadherin в своих эндотелиальных клетках, обнаруживают фенотип ретинального ангиогенного чрезмерного разрастания, сходный с тем, что наблюдается у S1pr1 ECKO мышей (Gaengel et al., 2012). Базирующиеся на morpholino исследования у рыбок данио подтверждают связь между s1pr1 и передачей сигналов VE-cadherin в регуляции сосудистого врастания, показывая, что нокдаун или s1pr1 или cdh5 дает сходные фенотипы. Более того, s1pr1 регулирует передачу сигналов VEGF в human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) in vitro, и у мышей и рыбок данио in vivo (Gaengel et al., 2012; Ben Shoham et al., 2012). В развивающихся передних конечностях мышей нокаут Vegfa приводит к снижению плотности кровеносных сосудов, тогда как нокаут S1pr1 вызывает увеличение плотности сосудов (Ben Shoham et al., 2012). У развивающихся рыбок данио, vegfa, как известно, регулирует врастание межсегментных сосудов, а обработка s1pr1 морфантных эмбрионов с помощью химического ингибитора против vegfa, как было установлено, ингибирует врастание межсегментных сосудов (Ben Shoham et al., 2012). Наконец, было показано, что S1pr1 регулирует ангиогенез врастания, чтобы предупредить избыточное разрастание сосудов посредством стабилизации VE-cadherin в клеточных соединениях и путем ингибирования фосфорилирования и передачи сигналов VEGFR2 (Ben Shoham et al., 2012). S1pr1, как было установлено, также необходим для передачи сигналов сдирающих эндотелий стрессов. Чтобы сохранить сосудистую стабильность, S1pr1 может активировать как лиганд-зависимым способом, так и за счет биомеханических сил независимым от лигандов способом (Jung et al., 2012).

Vascular-dependent tissue inductive effects of S1P


S1P, происходящий из крови, как известно, регулирует индуктивные взаимодействия во время эмбрионального развития дорсальной части поджелудочной железы (Edsbagge et al., 2005). В этой системе происходящий из сосудов S1P воздействует на мезенхиму и/или эндотелий, чтобы модулировать детерминированные энтодермальные клетки к дифференцировке в ткани поджелудочной железы. Этот индуктивный эффект S1P, независимый от снабжения ткани кислородом, обеспечивается функциональной сосудистой сетью. Кроме того, миграция и образование кластеров клеток эндокринных предшественников поджелудочной железы регулируется с помощью передачи сигналов S1P рецептора во время развития мышей и рыбок данио (Serafimidis et al., 2011). Это указывает на то, что передача сигналов S1P/S1P рецепторов регулирует сложные тканевые индуктивные события в развитии.
Кроме того, S1P играет критическую роль в нормальном развитии конечностей. S1pr1 нокаутные мыши обнаруживают некоторые эффекты в развивающихся конечностях, такие как формирование дизморфного паттерна скелета конечностей, чрезмерная васкуляризация и дефектное образование пальцев (Chae et al., 2004a). После глобального нокаута и нокаута, специфичного для эндотелия мыши, обнаруживают сходные фенотипы. HIF1α и VEGFA экспрессия усиливалась у таких мутантов, подтверждая, что отсутствие собственно снабжения кислородом приводит к данному фенотипу. В самом деле, делеция Vegfr2 рецептора устраняет избыточную васкуляризацию (Ben Shoham et al., 2012), подтверждая, что передача сигналов S1P1 в эндотелиальных клетках может влиять на развитие конечностей посредством HIF1α- и VEGF-зависимых механизмов.

S1P signalling in neurogenesis


S1P рецепторы, особенно S1pr1, многочисленны в нервной ткани (Chae et al., 2004b). Мыши, лишенные Sphk изоэнзима, обнаруживают тяжело нарушенный нейрогенез. Мутантные эмбрионы на ст. E12.5 обнаруживают потерю клеток в переднем мозге, увеличение количества апоптических клеток в нейроэпителии телэнцефалона и диэнцефалона и пониженные количества митотических клеток в телэнцефалоне (Mizugishi et al., 2005). Обработка S1P головного мозга новорожденных вызывает клеточные перемещения, приводящие к образованию нервных складок, таких как борозды и извилины (Kingsbury et al., 2003; Yung et al., 2011). Более того, передача сигналов S1P участвует в рекрутировании клеток нейральных предшественников (Callihan and Hooks, 2012). Кроме того, широко распространенная экспрессия множественных подтипов S1P рецепторов в нервных клетках, также как и эффективность недавно разработанного, нацеленного на S1P рецепторы, лекарства - Fingolimod - не только снижает нейральное воспаление, но и также предупреждает потерю объема головного мозга у людей (Kappos et al., 2010), подтверждая важную роль пути S1P в нейрогенезе.

S1P and disease


Широко распространенная экспрессия S1P рецепторов и обилие лиганда S1P в системе кровообращения млекопитающих отражает их широкую роль в регуляции многих систем органов. Однако, передача сигналов S1P только недавно стала использоваться в терапевтических целях для лечения remitting, рецидивирующего множественного склероза. В самом деле, аналог сфингозина Fingolimod, также известен как FTY720, был одобрен US Food and Drug Administration для лечения множественного склероза (Cohen et al., 2010; Kappos et al., 2010). FTY720 это фосфорилированный с помощью sphingosine kinase 2 до FTY720-P, действовал, как полагали первоначально, как агонист S1pr1, S1pr3, S1pr4 и S1pr5 (Brinkmann et al., 2002; Mandala et al., 2002). Однако в конечном счете оказалось, что FTY720-P действует как функциональный антагонист, т.к. соединение FTY720-P с S1pr1 вызывает подавление и деградацию рецептора и ингибирует выход лимфоцитов из лимфоидных органов (LaMontagne et al., 2006; Oo et al., 2007). Т.о., ингибирование поставки лимфоцитов в ЦНС, как полагают, является одним из главных механизмов, с помощью которого это соединение достигает терапевтического эффекта. Однако некоторые побочные события, ассоциирующие с этим соединением, обусловлены вмешательством передачи сигналов S1P в др. системы органов (Oo et al., 2011). Учитывая успех Fingolimod, многочисленные испытания проводятся для тестирования дополнительных модуляторов S1P рецепторов при разных болезнях человека, при которых нарушена передача сигналов S1P.

Perspectives


S1P signalling affects the collective behaviour of cells by regulating cell-matrix and cell-cell adhesion, as well as alterations to the cytoskeleton. In addition, biomechanical forces may play a crucial role in regulating S1P-dependent developmental events. For example, in the vascular system, shear stress-mediated signalling appears to cooperate with S1P ligand-dependent signalling events. It is also likely that biomechanical forces exerted by the endoderm during the collective behaviour of cells, for example, during convergence and extension movements, are involved in subsequent tissue morphogenetic events, such as heart development. It is anticipated that further developmental studies will reveal novel components of S1P signalling, as well as the fundamental importance of this lipid mediator signalling system in embryogenesis. As this signalling system is involved in human diseases, and given that therapeutic modulation of S1P receptors has just begun in the treatment of neuroinflammatory diseases, developmental insights may be useful in further application to human therapeutics.