Figure 1 Основной канонический путь передачи сигналов Wnt (представлен горизонтальными стрелками)и его связь с другими процессами и путями. Wnts сыязываются Frizzled рецепторами и каким-то образом передают сигнал Dishevelled (Dsh). Кроме того некоторые Drosophila Frizzled белки взаимодействуют с RhoA во время возникновения полярности ткани, тогда как Dishevelled (Dsh) может регулировать активность Jun amino-terminal kinase (JNK) [75••] [76•]. Центральным свойством передачи сигналов Wnt является модуляция стабильности и локализация β-catenin посредством комплекса, котороый включает Axin, APC, PP2A, and GSK3β. Имеется, по крайней мере, 3 пула β-catenin: цитозольный, ядерный, и связанный с мембраной через взаимодействие с Cadherins. β-catenin может также взаимодействовать с Presenilins (PS), actin-bundling белком Fascin, и Drosophila Zn finger protein Teashirt (Tsh). Когда цитозольный β-catenin становится фосфорилированным в базирующемся на Axin комплексе, то он связывается с β-TrCP, который затем осуществляет его протеолиз. APC, важный компоенент Axin-based комплекса, он взаимодействует с микротрубочками и и с Drosophila белком супрессирующим опухоли Discs large (Dlg). В ответ на сигналы Wnt, цитозольный β-catenin стабилизируется, если Dsh инактивирует GSK3β в Axin комплексе. Повышение концентрации цитозольного β-catenin сопровождается транслокацией β-catenin в ядро, где он формирует комплекс с членами семейства TCF транскрипционных факторов. В дополнение к сигналам Wnt, hepatocyte growth factor (HGF) и integrin-linked kinase (ILK) могут ингиибровать GSK3β и способстовать образованию комплекса β-catenin/TCF [28••] [29]. GSK3β участвует также в метаболизме гликогена и регулируется инсулином. Помимо связывания β-catenin, TCFs может ассоциировать с транскрипционным ко-репрессором Groucho (Gro). Важной функцией передачи сигналов Wnt м.б. изменение функции TCF из транскрипционного репрессора, когда он связан с Gro, в активатор, когда он соединяется с β-catenin>
Figure 1 Flow chart of the core of the canonical Wnt signalling pathway (represented by horizontal arrows) and its links with other processes and pathways through interactions of individual components. Wnts bind to Frizzled receptors and somehow transmit a signal to Dishevelled (Dsh). In addition to their roles in Wnt signalling, some Drosophila Frizzled proteins interact with RhoA during the establishment of tissue polarity, while Dishevelled (Dsh) can regulate the activity of the Jun amino-terminal kinase (JNK) [75••] [76•]. A central feature of Wnt signaling is modulation of the stability and localization of β-catenin via a complex that includes Axin, APC, PP2A, and GSK3β. There are at least three pools of β-catenin: cytosolic, nuclear, and membrane-bound via interactions with Cadherins. β-catenin can also interact with Presenilins (PS), the actin-bundling protein Fascin, and the Drosophila Zn finger protein Teashirt (Tsh). When cytosolic β-catenin becomes phosphorylated in the Axin-based complex, it is bound by β-TrCP which then triggers its proteolysis. APC, an important component of the Axin-based complex, has also been shown to interact with microtubules and with the Drosophila tumor suppressor protein Discs large (Dlg). In response to Wnt signalling, cytosolic β-catenin is stabilized when Dsh inactivates GSK3β in the Axin complex. Increased abundance of cytosolic β-catenin is followed by translocation of β-catenin to the nucleus where it forms complexes with members of the TCF family of transcription factors. In addition to Wnt signalling, hepatocyte growth factor (HGF) and integrin-linked kinase (ILK) can inhibit GSK3β and promote β-catenin/TCF complex formation [28••] [29]. GSK3β also functions in glycogen metabolism and is regulated by insulin. Apart from binding β-catenin, TCFs can associate with the transcriptional co-repressor Groucho (Gro). An important function of Wnt signalling may be to change the function of TCF from a transcriptional repressor, when it is bound to Gro, to an activator when it is bound to β-catenin.

Центральным свойством этого пути является Wnt-обусловленная модуляция стабильности цтозольного пула β-catenin [6] и взаимодействие β-catenin с членами lymphoid enhancer factor 1 (LEF1)/T-cell factor (TCF) семейства транскрипционных факторов (reviewed in [7]). В отсутствие Wnt сигналов, цитозольный пул β-catenin подвергается активной деградации после того как он становится фосфорилированным благодаря ассоциации с большим комплексом, в который включен Axin, adenomatous polyposis coli (APC) белок, protein phosphatase 2A (PP2A), glycogen synthase kinase 3β (GSK3β) и β-transducin repeat containing protein (β-TrCP) [8•] [9] [10] [11]. Детальный анализ этого процесса указывает на то, что Dishevelled также часть комплекса [8•] [12]. Связываение Wnt белков рецепторами Frizzled активирует Dishevelled, который ингибирует киназу GSK3β в Axin-based комплексе, и делает возможным накопление в цитоплазме стабилизированного β-catenin. β-catenin затем поступает в ядро и связывается с с членами семейства LEF1/TCF. у Caenorhabditis elegans, этот процесс ведет к подавлению транскрипционной репрессии, обусловливаемой с помощью члена семейства TCF - POP-1 [13] [14••] [15] [16]. У Drosophila и позвоночных, однако, β-catenin ,по-видимому, конвертирует TCF из транскрипционного репрессора в активатор (reviewed in [7]).

В действительности путь передачи сигнала усложняется функциональными ответвлениями, так как большинство его компонентов не только участвует в передаче Wnt сигнала, но и участвует в других биохимических или клеточных процессах(Fig. 1). Напр., β-catenin играет важную роль в клеточной адгезии [17] и взаимодействует также с Presenilins [18] [19], actin-bundling белком Fascin [20] и с Drosophila гомеозисным кофактором Teashirt [21] [22•]. Другой компонент пути, GSK3β, участвует в передаче сигналов инсулина и в метаболизме гликогена [23] [24]. Имеются условия. при которых нижестоящие эффекты сигнального Wnt пути могут запускаться без Wnts [25] [26] [27] [28••] [29] and others in which certain Wnts can signal without apparently involving some of the core components of the canonical signalling pathway [30] [31] [32•].

Эти наблюдения — вместе с рядом находок о молекулах, вовлекаемых в передачу сигналов Wnt [33••] [34••] [35••], и о белках, с которыми Wnts могут взаимодействовать во внеклеточных пространствах [36••] [37•] [38•] [39] — подтверждает необходимость обновления точки зрения на передачу сигналов Wnt .

Функции Wnts в развитии

Исследования с потерей функции генов Wnt выявили высокую степень плейотропии [3] [4]. Кажется, что Wnt участвует во многих, ели не большинстве процессов развития.

Обратимся к wingless, первому выявленному у Drosophila Wnt гену. Анализ его роли в развитии и формировании паттерна крыльев [40•] показал, что он является фактором, обеспечивающим гарантии, что клетка получит инструкции, предоставляемые другими сигналами скорее, чем сам предписывает такие инструкции. Пермиссиваня функция Wingless сравнима таже с его ролью в других процессах, таких как регуляция генов engrailed и achaete. Wingless действует не путем инициации их транскрипции, но стабилизируя их экспрессию внутри доменов транскрипционой компетентности, определяемых соответствующими индукторами [41] [42] [43]. Однако Wingless может быть и инструктивным в некоторых примерах (for review, see [3]), пермиссивная функция проявляется в эктодерме и мезодерме [44] [45] [46].

Пермиссиваня функция передачи сигналов Wnt обнаруживается во время раннего развития Xenopus и C. elegans . У Xenopus, передача сигналов Wnt играет важную роль в возникновении и формировании паттерна мезодермы . В частности, передача сигналов, активированная эксприментально с помощью XWnt-8 , кооперирует с Vg1 в спецификации мезодермы и энтодермы [47], и с BMP-2/4 в дальнейшем паттернировании ткани [48]. Wnt сигналы гарантируют, что сигналы от Vg1 и BMP-2/4 стабильно регистрируются клетками-мишенями. У C. elegans, нижестоящие эффекторы сигнального пути Wnt необходимы клеткам для правильного восприятия предназначения во время нескольких бинарных решений, которые сопровождают деления клеток вдоль передне-задней оси [13] [14••]. Wnt сигналы действуют как on/off переключатели для адаптации клетками судеб, обеспечиваемых другими программами.

Исследования ядерных эффекторов передачи сигналов Wnt на молекулярном уровне позволяют пролить свет на механизмы, лежащие в основе процесса стабилизации иных программ. Во время развития T-клеток транскрипционные факторы LEF1/TCF не активируют транскрипцию независимо, а работают путем создания специфических конфигураций хроматина, которые разрешают активность других ДНК-связывающих белков. [49]. Это свойство белков LEF1/TCF может быть общераспространенным и сравнимым с пермиссивной функцией Wnt сигналов в предопределнии судьбы клеток. В ходе развития специфические промоторы нуждаются в правильном расположении множественных факторов, необходимых для их активности. В случае Wnt-regulated промоторов стабильность и функция этого ансамбля белков может нуждаться в действии LEF1/TCF , обеспечиваемого сигналами Wnt.

Внеклеточные молекулы, интегрирующие с Wnt

Белки Wnt взаимодействуют с несколькими различными внеклеточными или cell-surface молекулами. По отношению к лиганд-рецептор взаимодействиям имеются четкие доказательства, что внеклеточный cysteine rich domain (CRD) белка Frizzled может связывать Wnts [50••]; исследования культур клеток [1], генетический анализ мух [51•] [52•] [53•] и эксперименты по экспрессии у лягушек и рыб [54] [55] [56] указывают на то, что это функциональное взаимодействие. Идентифицировано семейство секретируемых Frizzled-related proteins (sFRPs), члены которого действуют как конкурентные игибиторы передачи сигналов Wnt [57] [58]. Однако , CRD мотив присутствует также в некоторых внеклеточных белках, которые неродственны Frizzled [59], а Wnts взаимодействуют с другими внеклеточнми молекулами или рецепторами, которые не содержат CRD доменов (Fig. 2). Это вместе с анализом некоторых мутантных Wingless белков ([60] [61]; H Moore, S Cumberledge, A Martinez Arias, AMC Brown unpublished observations), открывает возможность, что внутриклеточная передача сигналов, обеспечиваемая Wnt белками может иметь более одного входа (input), и вообще нуждаться в ансамбле белков на клеточной поверхности.

Растут доказательства того, что гликозамингликаны необходимы для передачи сигналов Wnt [62] [63] [64] [65] и это, по-видимому, объясняет наблюдение, что Drosophila протеоглаикан Dally является регулятором передачи сигналов Wingless ([39]; X Lin, N Perrimon personal communication). Wnts взаимодействуют также с секретируемыми белками, у которых отсутствует домен CRD , таким как Wnt inhibitory factor-1 (WIF-1) [38•], Dickkopf [66] и Cerberus [37•] (Fig. 2). WIF-1 новый белок, содержащий повторы epidermal growth factor, которые связываются с Wnts и ингибируют их активность [38•]. Dickkopf , который также взаимодействует с передачей сигналов Wnt у Xenopus [66], имеет С-терминальный домен, который гомологичен colipases [67]. Это указывает на вовлечение липидов в передачу сигналов Wnt , С-конец Wingless обнаруживает гомологию с липид связывающим доменом , присутсвующим у некоторых фосфолипаз [68]. Следовательно. возможно, что Dickkopf может нарушать передачу сигналов Wnt модулируя его ассоциацию с липидами.

Cerberus еще один антогонист сигнализации Wnt он м. действовать, секвестрируя Wnts во внеклеточном пространстве. Интересно, что Cerberus м. также связываться и выступать антогонистом по отношению bone morphogenetic proteins (BMPs) и Nodal [37•]. Так как сайты связывания на Cerberus для Wnts и BMP перекрываются, то возможно. что эти лиганды будут конкурировать за Cerberus. Следовательнго, локальная концентрация Cerberus и относительные концентрации лигандов могут вносить свой вклад во внеклеточный баланс сигнальных активностей Wnt и BMP.

Другим белком, с которым Wingless ассоциирует на клеточной поверхности, является Notch [36••] (Fig. 2). Notch это большой с одиночным трансмембранным доменом рецептор, который играет фундаментальную роль в латеральной ингибиции сигнализации во время предопределения судьбы клеток. Этот сигнал от Notch запускается с помощью лигандов Delta/Serrate/LAG-2 семейства и обеспечивается отщеплением внутриклеточного домена Notch и его ассоциацией с CBF/Su(H) (C-promoter binding factor/Suppressor of Hairless) белком (reviewed in [69]). Связывание Wingless с Notch может в принципе модулировать эту активность [36••] [70] [71]. Дальнейшее подтверждение взаимодействия сигнальных механизмов Wingless и Notch получены в результате наблюдения, что Dishevelled может связывать внутриклеточный домен Notch и влиять на некоторые его сигнальные способности [72].

Потеря сигнализации Wingless обусловливает неспособность некоторых нейральных и мышечных предшественников развиваться [45] [46] [73] [74]. Этот фенотип контрастирует с избыточным количеством предшественников, генерируемых с помощью потери сигналов латеральной ингибиции , у Notch, Delta или Su(H) мутантов [69]. Генетический анализ взаимодействий между латеральной ингибицией и передачей сигналов Wingless указывает на функцию Notch, отличную от ее роли в латеральной ингибиции, которая супрессирует развитие нейральных и мышечных предшественников. Эта функция м.б. антогонистичной для Wingless сигналов в отношении развития предшественников ([75••]; K Brennan, A Martinez Arias, unpublished observations). How Wingless signalling blocks this repression will require further study [36••] .

MAPK белки и передача сигналов Wnt

Некоторые из внутриклеточных компоенентов пути передачи сигналов Wnt также участвуют во множественных процессах (Fig. 1).Dishevelled способен содействовать активации MAPK белков подкласса JNK [76•] [77•] независимо от его влияния на накопление β-catenin [77•]. Возмножно, что эта активность Dishevelled не связана с каноничским путем передачи сигналов Wnt [33••] [34••] [35••]. У C. elegans ранних эмбрионов, эффективная передача сигналов Wnt через POP-1 нуждается в активности MAPK модуля, состоящего из MAPK-подобного белка, кодируемого геном lit-1, [13] [35••] и активирующей MAP3K , кодируемой геном Mom-4 [35••]. Функция этого модуля находится в связи с β-catenin, чтобы супрессировать эффекты репрессивных факторов POP-1/TCF и таким образом участвовать в сигнализации Wnt. Сходный MAPK модуль существует у позвоночных в форме TAK-1 (Mom-4) и NLK (Lit-1) [34••] [35••]. TAK-1 киназа является членом семейства MAP3K , которое активируется с помощью TGF-β и способно активировать членов JNK/p38 семейства MAPKs [78]. Так как TAK-1 может активровать как JNK так и NLK/Lit-1 протеин киназу, то возникает возможность, что эффекты Dishevelled на JNK м.б.результатом способности Dishevelled активировать вышестоящую киназу TAK-1 и, тем самым NLK/Lit-1. Если это так, то Dishevelled должен участвовать в передаче сигналов Wnt двумя путями: ингибируя Axin-зависимый targeting of β-catenin для деградации и участвуя в активации TAK-1 или NLK.

Недавно было показано, что NLK/Lit-1 киназа фосфорилирует TCF , если она комплексуется с β-catenin, и ингибирует его способность связываться с ДНК [33••] [35••]. Это наблюдение объясняет потребность C. elegans как в Lit-1так и в β-catenin чтобы супрессировать активность TCF protein POP-1 во время раннего предопределения судьбы клеток вдоль передне-задней оси [13] [15] [16].

Wnt signalling revisited

У C. elegans, взаимодействие между Lit-1/NLK и TCF необходимо для правильной передачи сигналов Wnt [13] [14••] [34••]. Эффекты NLK в клетках млекопитающих и у эмбрионов Xenopus [33••] [35••], указывают на то, что она возможно играет некоторую роль и подтверждают, что правильная передача сигналов Wnt может зависеть от конвергенции двух молекулярных событий: стабилизации β-catenin и активности Lit-1/NLK (Fig. 3). Белок Lit-1/NLK существует также и у Drosophila [79] и генетический анализ его взаимодействия с передачей сигналов Wnt дело будущего.

Figure 3 Интеграция активности NLK в передачу сигналов Wnt . Активация канонического пути передачи сигналов Wnt вызывает транслокацию β-catenin в ядро. Ядерный β-catenin взаимодействует со членами семейства TCF транскрипционных регуляторов, конкурирующих за свое связывание с членами семейства Groucho (Gro) ко-репрессоров (see main text and Fig. 1). NLK модифицирует β-catenin/TCF комплекс с помощью фосфорилирования TCF и делает его неспособным связывать ДНК. NLK активируется с помощью TAK-1, который также активирует членов p38 и JNK семейства белков MAPK . Dishevelled, помимо своего эффекта на цитозольный пул β-catenin через GSK3β, может активировать JNK. Неясно как TAK-1 активируется in vivo,и как β-catenin/TCF комплекс может становиться активатором (boxed) после взаимодействия с NLK.

В терминах транскрипции может статься, что основным состоянием в передаче сигналов Wnt является репрессия, обеспечиваемая с помощью TCF, вообще-то через его взаимодействие с Groucho [80] [81], и что комбинация β-catenin и активности Lit-1/NLK противодействует этому взаимодействию с помощью фосфорилирования TCF (Fig. 3). В некоторых ситуациях , как у ранних эмбрионов C. elegans, эта комбинация будет гарантировать, что TCF не вернется к репресси вному состоянию. Это м.б. верно и для некоторых промоторов, регулируемых Wnt у Drosophila и позвоночных, оюнако ясно, что у этих организмов имеются также промоторы, которые нуждаются в активаторах функции TCF [7]. Если комплекс TCF/β не связывается с ДНК, когда фосфорилируется с помощью Lit-1/NLK [33••] [35••], то неясно как он становится активатором. Вообще в этих случаях TCF iне фосфорилируется с помощью NLK, или является объектом дальнейших модификаций. М.б., что влияние передачи сигналов Wnt на транскрипцию детерминируется балансом между количеством ядерного β-catenin, TCF, и активности Lit-1/NLK.

Как упоминалось выше MAP3K кодируется Mom-4/TAK-1 геном, который является важным элементом в передаче сигналов Wnt у C. elegans [34••]. Так как TAK-1 регулирует активность NLK, то важно знать как сам TAK1 регулируется внешними сигналами и возникает. Одна из возможностей, что TAK-1 активируется членами TGF-β семейства сигнальных молекул [78]. Возможно также, что Dishevelled может способствовать активации TAK1 . В этой связи важно, что белок Notch играет роль в модуляции сигнализации JNK независимо от его влияния на Su(H) [82•]. Боле того, делеция Dishevelled-связывающего домена у Notch обусловливает строгое подавление передачи сигналов с помощью JNK [82•]. Возможно, что взаимодействия Notch с Dishevelled [72] и Wingless [36••] могут модулировать передачу сигналов через TAK-1/NLK модуль и, таким способом, влиять на конечный результат передачи сигналов Wnt.

TRANSPATH представляет собой информационную систему о ген-регуляторных путях, об элементах путей сигнальной трансдукции.

Wnt signalling: pathway or network?