Посещений:
Передача Сигналов Notch

Пути

Notch signaling: the demise of elegant simplicity
Tom Kadesch
Current Opinion in Genetics & Development 2004, 14:506–512

Notch signaling can be viewed as an elegantly simple pathway that begins when the Notch receptor binds ligand, and ends when the Notch intracellular domain enters the nucleus and activates transcription. However, it is becoming increasingly clear that this core pathway is subject to a wide array of regulatory influences, from those that affect ligand–receptor interactions to those that govern the choice of Notch target genes. Even Notch ligands are now being scrutinized with respect to the possibility that they, too, function in the nucleus. A complete understanding of Notch signaling therefore requires us to look well beyond the core pathway.

1. Artavanis-Tsakonas S, Rand MD, Lake RJ: Notch signaling: cell fate control and signal integration in development. Science 1999, 284:770-776.
2. Maillard I, Adler SH, Pear WS: Notch and the immune system. Immunity 2003, 19:781-791.
3. Weinmaster G, Kintner C: Modulation of Notch Signaling During Somitogenesis. Annu Rev Cell Dev Biol 2003, 19:367-395.
4. Lai EC: Notch signaling: control of cell communication and cell fate. Development 2004, 131:965-973.
5. Weng AP, Aster JC: Multiple niches for Notch in cancer: context is everything. Curr Opin Genet Dev 2004, 14:48-54.
6. Lubman OY, Korolev SV, Kopan R: Anchoring notch genetics and biochemistry; structural analysis of the ankyrin domain sheds light on existing data. Mol Cell 2004, 13:619-626.
7. Brou C, Logeat F, Gupta N, Bessia C, LeBail O, Doedens JR, Cumano A, Roux P, Black RA, Israel A: A Novel Proteolytic Cleavage Involved in Notch Signaling: The Role of the Disintegrin-Metalloprotease TACE. Mol Cell 2000, 5:207-216.
8. Mumm JS, Schroeter EH, Saxena MT, Griesemer A, Tian X, Pan DJ, Ray WJ, Kopan R: A ligand-induced extracellular cleavage regulates gamma-secretase-like proteolytic activation of Notch1. Mol Cell 2000, 5:197-206.
9. Jarriault S, Brou C, Logeat F, Schroeter EH, Kopan R, Israel A: Signalling downstream of activated mammalian Notch. Nature 1995, 377:355-358.
10. Kao HY, Ordentlich P, Koyano-Nakagawa N, Tang Z, Downes M, Kintner CR, Evans RM, Kadesch T: A histone deacetylase corepressor complex regulates the Notch signal transduction pathway. Genes Dev 1998, 12:2269-2277.
11. Hsieh JJ, Zhou S, Chen L, Young DB, Hayward SD: CIR, a corepressor linking the DNA binding factor CBF1 to the histone deacetylase complex. Proc Natl Acad Sci USA 1999, 96:23-28.
12. Zhou S, Fujimuro M, Hsieh JJ, Chen L, Miyamoto A, Weinmaster G, Hayward SD: SKIP, a CBF1-associated protein, interacts with the ankyrin repeat domain of NotchIC To facilitate NotchIC function. Mol Cell Biol 2000, 20:2400-2410.
13. Wu L, Aster JC, Blacklow SC, Lake R, Artavanis-Tsakonas S, Griffin JD:MAML1, a human homologue of drosophila mastermind, is a transcriptional co-activator for NOTCH receptors. Nat Genet 2000, 26:484-489.
14. Fryer CJ, Lamar E, Turbachova I, Kintner C, Jones KA: Mastermind mediates chromatin-specific transcription and turnover of the Notch enhancer complex. Genes Dev 2002, 16:1397-1411.
15. Jeffries S, Robbins DJ, Capobianco AJ: Characterization of a high-molecular-weight Notch complex in the nucleus of Notch(ic)-transformed RKE cells and in a human T-cell leukemia cell line. Mol Cell Biol 2002, 22:3927-3941.
16. Wallberg AE, Pedersen K, Lendahl U, Roeder RG: p300 and PCAF act cooperatively to mediate transcriptional activation from chromatin templates by notch intracellular domains in vitro. Mol Cell Biol 2002, 22:7812-7819.
17. Nam Y, Weng AP, Aster JC, Blacklow SC: Structural requirements for assembly of the CSL.intracellular Notch1.Mastermind-like 1 transcriptional activation complex. J Biol Chem 2003, 278:21232-21239.
18. Bash J, Zong WX, Banga S, Rivera A, Ballard DW, Ron Y, Gelinas C: Rel/NF-kappaB can trigger the Notch signaling pathway by inducing the expression of Jagged1, a ligand for Notch receptors. EMBO J 1999, 18:2803-2811.
19. Sasaki Y, Ishida S, Morimoto I, Yamashita T, Kojima T, Kihara C, Tanaka T, Imai K, Nakamura Y, Tokino T: The p53 family member genes are involved in the Notch signal pathway. J Biol Chem 2002, 277:719-724.
20. Lai EC, Deblandre GA, Kintner C, Rubin GM: Drosophila neuralized is a ubiquitin ligase that promotes the internalization and degradation of delta. [see comments]. Dev Cell 2001, 1:783-794.
21. Deblandre GA, Lai EC, Kintner C: Xenopus neuralized is a ubiquitin ligase that interacts with XDelta1 and regulates Notch signalling. [see comments]. Dev Cell 2001, 1:795-806.
22. Yeh E, Dermer M, Commisso C, Zhou L, McGlade CJ, Boulianne GL: Neuralized functions as an E3 ubiquitin ligase during Drosophila development. Curr Biol 2001, 11:1675-1679.
23. Itoh M, Kim CH, Palardy G, Oda T, Jiang YJ, Maust D, Yeo SY, Lorick K, Wright GJ, Ariza-McNaughton L et al.: Mind bomb is a ubiquitin ligase that is essential for efficient activation of Notch signaling by Delta. Dev Cell 2003, 4:67-82.
24. Seugnet L, Simpson P, Haenlin M: Requirement for dynamin during Notch signaling in Drosophila neurogenesis. Dev Biol 1997, 192:585-598.
25. Parks AL, Klueg KM, Stout JR, Muskavitch MA: Ligand endocytosis drives receptor dissociation and activation in the Notch pathway. Development 2000, 127:1373-1385.
26. Le Borgne R, Schweisguth F: Unequal segregation of Neuralized biases Notch activation during asymmetric cell division. Dev Cell 2003, 5:139-148.
27. Haines N, Irvine KD: Glycosylation regulates Notch signalling. Nat Rev Mol Cell Biol 2003, 4:786-797.
28. Moloney DJ, Panin VM, Johnston SH, Chen J, Shao L, Wilson R, Wang Y, Stanley P, Irvine KD, Haltiwanger RS et al.: Fringe is a glycosyltransferase that modifies Notch. Nature 2000, 406:369-375.
29. Hicks C, Johnston SH, diSibio G, Collazo A, Vogt TF, Weinmaster G: Fringe differentially modulates Jagged1 and Delta1 signalling through Notch1 and Notch2. Nat Cell Biol 2000, 2:515-520.
30. Wang Y, Shao L, Shi S, Harris RJ, Spellman MW, Stanley P, Haltiwanger RS: Modification of epidermal growth factor-like repeats with O-fucose. Molecular cloning and expression of a novel GDP-fucose protein O-fucosyltransferase. J Biol Chem 2001, 276:40338-40345.
31. Sasamura T, Sasaki N, Miyashita F, Nakao S, Ishikawa HO, Ito M, Kitagawa M, Harigaya K, Spana E, Bilder D et al.: neurotic, a novel maternal neurogenic gene, encodes an O-fucosyltransferase that is essential for Notch–Delta interactions. Development 2003, 130:4785-4795.
32. Okajima T, Xu A, Irvine KD: Modulation of notch-ligand binding by protein O-fucosyltransferase 1 and fringe. J Biol Chem 2003, 278:42340-42345. 33. Lei L, Xu A, Panin VM, Irvine KD: An O-fucose site in the ligand binding domain inhibits Notch activation. Development 2003, 130:6411-6421.
34. Rand MD, Grimm LM, Artavanis-Tsakonas S, Patriub V, Blacklow SC, Sklar J, Aster JC: Calcium depletion dissociates and activates heterodimeric notch receptors. Mol Cell Biol 2000, 20:1825-1835.
35. Raya A, Kawakami Y, Rodriguez-Esteban C, Ibanes M, Rasskin-Gutman D, Rodriguez-Leon J, Buscher D, Feijo JA, Izpisua Belmonte JC: Notch activity acts as a sensor for extracellular calcium during vertebrate left-right determination. Nature 2004, 427:121-128.
The asymmetric distribution of Nodal and other Notch pathway compo-nents were observed during chick gastrulation. The authors went on to develop a mathematical model that allowed them to test specific inter- actions among those components, leading to the prediction that Notch is activated asymmetrically. The H+/K+-ATPase was also distributed asym-metrically and inhibition of this enzyme ablated asymmetric distribution of Nodal, indicating that the H+/K+ -ATPase acted upstream of Notch. The group went on to show that the H+/K+-ATPase generated a gradient of calcium ions and that this gradient was ultimately responsible for the asymmetric activation of Notch. Co-culture experiments confirmed that Notch’s ability to signal in response to Delta is proportional to the concentration of calcium ions.
36. Hu QD, Ang BT, Karsak M, Hu WP, Cui XY, Duka T, Takeda Y, Chia W, Sankar N, Ng YK et al.: F3/contactin acts as a functional ligand for Notch during oligodendrocyte maturation. Cell 2003, 115:163-175.
Here, it is demonstrated that F3/contactin can bind to Notch on oligo-dendrocyte precursor cells and this leads to the generation of NICD. Whereas Notch signaling from Jagged leads to an inhibition of oligoden-drocyte differentiation, signaling from F3/contactin promoted differentia-tion, suggesting the existence of two distinct pathways. In support of this, the group showed that dominant-negative forms of CSL did not block the effects of F3/contactin, and NICD alone could not recapitulate the effects of F3/contactin.
37. Cui XY, Hu QD, Tekaya M, Shimoda Y, Ang BT, Nie DY, Sun L, Hu WP, Karsak M, Duka T et al.: NB-3/Notch1 pathway via Deltex1 promotes neural progenitor cell differentiation into oligodendrocytes. J Biol Chem 2004.
38. Nofziger D, Miyamoto A, Lyons KM, Weinmaster G: Notch signaling imposes two distinct blocks in the differentiation of C2C12 myoblasts. Development 1999, 126:1689-1702. 39. Bush G, diSibio G, Miyamoto A, Denault JB, Leduc R, Weinmaster G: Ligand-induced signaling in the absence of furin processing of Notch1. Dev Biol 2001, 229:494-502.
40. Qi H, Rand MD, 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, 283:91-94.
41. Mishra-Gorur K, Rand MD, Perez-Villamil B, Artavanis-Tsakonas S: Down-regulation of Delta by proteolytic processing. J Cell Biol 2002, 159:313-324.
42. Chen N, Greenwald I: The lateral signal for LIN-12/Notch in C. elegans vulval development comprises redundant secreted and transmembrane DSL proteins. Dev Cell 2004, 6:183-192.
In an attempt to identify the source of the lateral signal that specifies vulval precursor cells, Chen and Greenwald computationally identified several DSL proteins encoded by the C. elegans genome. One of these, encoded by dsl-1, lacks a transmembrane domain, yet meets the genetic criteria of a bona fide Notch ligand.
43. Small D, Kovalenko D, Kacer D, Liaw L, Landriscina M, Di Serio C, Prudovsky I, Maciag T: Soluble Jagged 1 represses the function of its transmembrane form to induce the formation of the Src-dependent chord-like phenotype. J Biol Chem 2001, 276:32022-32030.
44. LaVoie MJ, Selkoe DJ: The Notch ligands, Jagged and Delta, are sequentially processed by alpha-secretase and presenilin/ gamma-secretase and release signaling fragments. J Biol Chem 2003, 278:34427-34437.
LaVoie and Selkoe show that Delta and Jagged can each be proteolyzed sequentially to generate a C-terminal fragment, in a manner similar to that observed for the Notch receptor. Interestingly, these C-terminal frag-ments can enter the nucleus where they may affect transcription.
45. Bland CE, Kimberly P, Rand MD: Notch-induced proteolysis and nuclear localization of the Delta ligand. J Biol Chem 2003, 278:13607-13610.
46. Takasugi N, Tomita T, Hayashi I, Tsuruoka M, Niimura M, Takahashi Y, Thinakaran G, Iwatsubo T: The role of presenilin cofactors in the gamma-secretase complex. Nature 2003, 422:438-441.
47. Hu Y, Fortini ME: Different cofactor activities in gamma-secretase assembly: evidence for a nicastrin-Aph-1 subcomplex. J Cell Biol 2003, 161:685-690.
48. Kuroda K, Han H, Tani S, Tanigaki K, Tun T, Furukawa T, Taniguchi Y, Kurooka H, Hamada Y, Toyokuni S et al.: Regulation of marginal zone B cell development by MINT, a suppressor of Notch/RBP-J signaling pathway. Immunity 2003, 18:301-312.
The authors identify MINT in a two-hybrid screen using CSL as bait and show that MINT can inhibit Notch signaling in cultured cells. Disruption of the MINT gene was found to be embryonic lethal, with embryos displaying multiple developmental defects. The role of MINT in hematopoietic development was assessed using fetal liver cells. MINT did not affect the development of either erythroid or myeloid cells in vitro and caused a decrease in the overall numbers of T cells and B cells in recipient mice. However, in the spleen, the ratio of marginal zone B-cells to follicular B-cells was significantly increased in MINT-/- cells. Given the known effect of Notch on these cells, this is the result expected if MINT acts as an inhibitor of Notch signaling in vivo.
49. Barolo S, Stone T, Bang AG, Posakony JW: Default repression and Notch signaling: Hairless acts as an adaptor to recruit the corepressors Groucho and dCtBP to Suppressor of Hairless. Genes Dev 2002, 16:964-976.
50. Lamar E, Deblandre G, Wettstein D, Gawantka V, Pollet N, Niehrs C, Kintner C: Nrarp is a novel intracellular component of the Notch signaling pathway. Genes Dev 2001, 15:1885-1899.
51. Krebs LT, Deftos ML, Bevan MJ, Gridley T: The Nrarp gene encodes an ankyrin-repeat protein that is transcriptionally regulated by the notch signaling pathway. Dev Biol 2001, 238:110-119.
52. Yun TJ, Bevan MJ: Notch-regulated ankyrin-repeat protein inhibits notch1 signaling: multiple notch1 signaling pathways involved in T cell development. J Immunol 2003, 170:5834-5841.
53. Zhong W, Feder JN, Jiang MM, Jan LY, Jan YN: Asymmetric localization of a mammalian numb homolog during mouse cortical neurogenesis. Neuron 1996, 17:43-53.
54. Guo M, Jan LY, Jan YN: Control of daughter cell fates during asymmetric division: interaction of Numb and Notch. Neuron 1996, 17:27-41.
55. Spana EP, Doe CQ: Numb antagonizes Notch signaling to specify sibling neuron cell fates. Neuron 1996, 17:21-26.
56. Berdnik D, Torok T, Gonzalez-Gaitan M, Knoblich JA: The endocytic protein alpha-Adaptin is required for numb-mediated asymmetric cell division in Drosophila. Dev Cell 2002, 3:221-231.
57. McGill MA, McGlade CJ: Mammalian numb proteins promote Notch1 receptor ubiquitination and degradation of the Notch1 intracellular domain. J Biol Chem 2003, 278:23196-23203.
58. Iso T, Chung G, Hamamori Y, Kedes L: HERP1 is a cell type-specific primary target of Notch. J Biol Chem 2002, 277:6598-6607.
59. Wu G, Lyapina S, Das I, Li J, Gurney M, Pauley A, Chui I, Deshaies RJ, Kitajewski J: SEL-10 is an inhibitor of notch signaling that targets notch for ubiquitin-mediated protein degradation. Mol Cell Biol 2001, 21:7403-7415.
60. Ohtsuka T, Ishibashi M, Gradwohl G, Nakanishi S, Guillemot F, Kageyama R: Hes1 and Hes5 as notch effectors in mammalian neuronal differentiation. EMBO J 1999, 18:2196-2207.
61. Jensen J, Pedersen EE, Galante P, Hald J, Heller RS, Ishibashi M, Kageyama R, Guillemot F, Serup P, Madsen OD: Control of endodermal endocrine development by Hes-1. Nat Genet 2000, 24:36-44.
62. Sumazaki R, Shiojiri N, Isoyama S, Masu M, Keino-Masu K, Osawa M, Nakauchi H, Kageyama R, Matsui A: Conversion of biliary system to pancreatic tissue in Hes1-deficient mice. Nat Genet 2004, 36:83-87.
63. Murtaugh LC, Stanger BZ, Kwan KM, Melton DA: Notch signaling controls multiple steps of pancreatic differentiation. Proc Natl Acad Sci USA 2003, 100:14920-14925.
64. Sakata Y, Kamei CN, Nakagami H, Bronson R, Liao JK, Chin MT: Ventricular septal defect and cardiomyopathy in mice lacking the transcription factor CHF1/Hey2. Proc Natl Acad Sci USA 2002, 99:16197-16202.
65. Donovan J, Kordylewska A, Jan YN, Utset MF: Tetralogy of fallot and other congenital heart defects in Hey2 mutant mice. Curr Biol 2002, 12:1605-1610.
66. Gessler M, Knobeloch K, Helisch A, Amann K, Schumacher N, Rohde E, Fischer A, Leimeister C: Mouse gridlock. No Aortic Coarctation or Deficiency, but Fatal Cardiac Defects in Hey2 S/S Mice. Curr Biol 2002, 12:1601-1604.
67. Fischer A, Schumacher N, Maier M, Sendtner M, Gessler M: The Notch target genes Hey1 and Hey2 are required for embryonic vascular development. Genes Dev 2004, 18:901-911.
68. Ross DA, Rao PK, Kadesch T: Dual roles for the Notch target gene Hes-1 in the differentiation of 3T3-L1 preadipocytes. Mol Cell Biol 2004, 24:3505-3513.
69. Amsen D, Blander JM, Lee GR, Tanigaki K, Honjo T, Flavell RA: Instruction of distinct CD4 T helper cell fates by different notch ligands on antigen-presenting cells. Cell 2004, 117:515-526.
This study conclusively demonstrates that Notch signaling promotes the development of TH2 helper T cells, probably through the direct induction of IL-4 gene transcription. They also provide indirect evidence that supports the idea that development of the TH1 and TH2 subsets is induced by Delta and Jagged, respectively.
70.Tanigaki K, Tsuji M, Yamamoto N, Han H, Tsukada J, Inoue H, Kubo M, Honjo T: Regulation of alphabeta/gammadelta T cell lineage commitment and peripheral T cell responses by Notch/RBP-J signaling. Immunity 2004, 20:611-622.
Although not a central conclusion of the paper, Tanigaki and colleagues provide evidence that CSL does not appreciably repress Notch target genes in the absence of Notch activation.
71. Stancheva I, Collins AL, Van den Veyver IB, Zoghbi H, Meehan RR: A mutant form of MeCP2 protein associated with human Rett syndrome cannot be displaced from methylated DNA by notch in Xenopus embryos. Mol Cell 2003, 12:425-435.
The authors show that the xHairy2a promoter, a direct target of Notch, is also bound by MeCP2. Paradoxically, a mutant form of MeCP2 that cannot bind the co-repressor SMRT is not displaced from the xHairy2a promoter by Notch. This leads to an overall decrease in the activation of this promoter by Notch and demonstrates that promoter architecture can influence the ability of Notch to activate target genes.
72. Dahlqvist C, Blokzijl A, Chapman G, Falk A, Dannaeus K, Ibanez CF, Lendahl U: Functional Notch signaling is required for BMP4-induced inhibition of myogenic differentiation. Development 2003, 130:6089-6099.
A molecular explanation is provided for the crosstalk between the Notch and BMP signaling pathways in muscle development. Although Notch signaling can inhibit muscle differentiation on its own, inhibition by BMP requires sub-inhibitory levels of Notch signaling. This appears to be due to the recruitment of activated SMAD proteins by the NICD–CSL complex.
73. Blokzijl A, Dahlqvist C, Reissmann E, Falk A, Moliner A, Lendahl U,Ibanez CF: Cross-talk between the Notch and TGF-beta signaling pathways mediated by interaction of the Notch intracellular domain with Smad3. J Cell Biol 2003, 163:723-728.
74. Schroeter EH, Kisslinger JA, Kopan R: Notch-1 signalling requires ligand-induced proteolytic release of intracellular domain. Nature 1998, 393:382-386.
75. Struhl G, Adachi A: Nuclear access and action of notch in vivo. Cell 1998, 93:649-660.
76. Kidd S, Lieber T, Young MW: Ligand-induced cleavage and regulation of nuclear entry of Notch in Drosophila melanogaster embryos. Genes Dev 1998, 12:3728-3740.
77. Iso T, Kedes L, Hamamori Y: HES and HERP families: multiple effectors of the Notch signaling pathway. J Cell Physiol 2003, 194:237-255.



Zfp64 participates in Notch signaling and regulates differentiation in mesenchymal cells.
K.Sakamoto, Y. Tammamura, Ken-chci Katsube, A. Yamaguchi
J. of Cell Sci., 121. 1613-1623, 2008


Идентифицирован белок zink finger 64 (Zfp54) в качестве коактиватора Notch1. Zfp64 ассоциирует с внутриклеточным доменом Notch1, рекрутируется на промоторы генов мишеней Notch, Hes1 и Hey1, и трансактивирует их. Экспрессия Zfp64 находится под контролем Runx2 и активируется за счет прямой трансактивации своего промотора. Zfp64 супрессирует миогенную дифференцировку клеток С2С12 и способствует их остеобластической дифференцировке. Полученные данные демонстрируют две функции Zpf64, ген является мишенью для Runx2, а его белок действует как коактиватор NICD.
Белки Notch являются рецепторами клеточной поверхности, сигнальная активность которых регулирует разнообразные онтогенетические процессы. Роль Notch's в латеральной ингибиции во время нейрогенеза у Drosophila показала, что передача сигналов Notch обычно регулирует бинарный выбор клеточных судеб, отсылая клетки на 'default' онтогенетические пути. Хотя имеется множество дополнительных примеров, в которых передача сигналов Notch функционирует, ограничивая судьбу определенным выбором, не известно, чтобы передача сигналов способствовала развитию и/или пролиферации некоторых типов клеток и влияла на множественные онтогенетические ступени внутри данного клона. Как и в большинстве сигнальных путей эффекты передачи сигналов Notch имеют изысканный контекст и зависят от типа клеток. В зависимости от клетки Notch м. дейстовать как онкоген или функционировать в качестве опухолевого супрессора [1-6].

The core pathway


Белки Notch (Notch1-Notch4 у позвоночных) являются однопроходными рецепторами, которые активируются с помощью связанных с мембраной лигандов из семейств Delta (или Delta-like) и Jagged/Serrate. Они транспортируются в плазматическую мембрану как расщепленные, и во всем остальном как интактные полипептиды. Взаимодействие с лигандом приводит к двум дополнительным протеолитическим расщеплениям, которые высвобождают Notch intracellular domain (NICD, ICD, NIC или NIC) из плазматической мембраны [7,8]. NICD проникает в ядро, где он взаимодействует с ДНК связывающим белком CSL [CBF (C-promoter binding factor)-1, Suppressor of Hairless, LAG-1; известным также как RBP-Jk (recombination signal binding protein Jk) [9]]. В отсутствие NICD, CSL репрессирует транскрипцию благодаря взаимодействию с ко-репрессорным комплексом, содержащим histone deacetylase [10-12]. Вступив в ядро, NICD вытесняет ко-репрессорный комплекс от CSL и замещает его комплексом транскрипционной активации, включающей NICD, Mastermind, histone acetyltransferase p300 и возможно PCAF p300/CBP [CREB (cyclic AMB response element binding protein) binding protein]-ассоциированный фактор [13-17]. В результате CSL превращается из репрессора в активатор. Гены мишени включают членов семейств Hes и HRT/HERP/Hey транскрипционных репрессоров.
Стержневой путь м.б. подразделен на три основных этапа: активация рецептора, генерация активного NICD и стимуляция транскрипции генов мишеней (Рис. 1).



Рис. 1. The core Notch signaling pathway. The three basic steps include: (1) receptor activation, (2) the generation of active NICD and (3) the activation of downstream targets. The proteins and molecules that are now known t o regulate each step are shown in the boxes.

Step one: regulating receptor activation


Наиболее общим и концептуально наиболее простым уровнем контроля является клеточно-специфичная экспрессия Notch лигандов. Независимо от того экспрессирует или нет клетка Notch белки, передача сигналов не будет происходить, если соседняя клетка не экспрессирует лиганд. За исключением Jagged1 у позвоночных [18,19], мало известно о сигналах и транскрипционных факторах, которые регулируют транскрипцию лигандов; однако, экспрессия простого лиганда является детерминантом не только силы Notch сигнала. Очень важными оказались убиквитилирование лиганда и гликозилирование Notch для модулирования уровня активации рецепторов. Активация Notch с помощью атипичных лигандов также описана.

Ligand internalization


Активность Notch лигандов м. зависеть от белков, которые регулируют их интернализацию и деградацию. Neuralized, ген, который способствует активности Notch, кодирует E3 ubiquitin ligase, которая способствует интернализации и деградации Delta [20-22]. Съодная активность приписывается белку, кодируемому у геном mind bomb у рыбок данио [23]. Идея, что интернализация лиганда стимулирует пердачу сигналов Notch, первоначально возникла при анализе мутантов Drosophila shibire, которые фенокопировали некоторые Notch мутации потери функции [24]. Shibire кодирует мушиный гомолог dynamin, белок, который помогает превращениям эндоцитотических пузырьков и тем самым связывает активность лиганда и эндоцитозом лиганда. Всё это [25] подтверждает модель, согласно которой интернализация лиганда способствует отщеплению Notch внеклеточного домена с соседней клетки, тем самым способствует последующему протеолитическому расщеплению, которое генерирует NICD (Рис. 2). Асимметричные деления клеток м. приводить к неравному распределению белка Neuralized (в дополнение к Notch ингибитору Numb) в дочерних клетках, умножая различия в этих клетках способности посылать и воспринимать Notch сигнал [26]. Молекулярные детали этой связи активности ubiquitin ligase Neuralized и Mind Bomb с интернализацией лигандов еще предстоит выяснить.

Notch glycosylation


Передача сигналов Notch зависит также от гликозилирования рецепторов [27]. Гены fringe (lunatic fringe, manic fringe и radical fringe, iу позвоночных) кодирую glycosyltransferases (в частности, β1,3 N-acetylgucosaminyltransferases), которые модулируют реакции Notch's на их лиганды [28]. Гликозилирование Drosophila Notch или Notch1 у позвоночных с помощью Fringe ведет к дифференциальной активации с помощью двух классов лигандов - ингибированию Serrate/Jagged обусловленной передачи сигналов и активации передачи сигналов посредством Delta [29]. Действие Fringe зависит от предварительной O-fucosylation (с помощью O-FucT-1 у млекопитающих и Nti/OFUT1 у мух), модификации, которая абсолютно необходима для передачи сигналов всех Notch [30-32]. Модификации с помощью белков Fringe



Рис. 2. A model for the generation of active NICD. In this model, the internalization of ligand serves to physically pull the Notch extracellular domain from the surface of the receiving cell. This allows access of the ADAM family protease TACE and subsequent cleavage by the g-secretase complex, liberating NICD from the plasma membrane.

модулируют реакции Notch's на индивидуальные лиганды. Эти модификации влияют непосредственно на взаимодействия Notch-лиганд. Хотя большинство повторов EGF содержат консенсусные сайты для O-FucT-1 модификации, но гликозилирование одного определенного повтора (EGF12 в Drosophila Notch) необходимо для ингибирующего эффекта Fringe на передачу сигналов по пути Serrate-Notch [33].

Calcium


Передача сигналов Notch зависит также от уровней внеклеточного кальция. EGF повторы, обнаруживаемые во внеклеточных доменах как Notch, так и их лигандов, связывают ионы кальция. Истощение кальция из среды культуры ткани ведет к мощной лиганд-независимой активации Notch рецепторов, по-видимому. в результате изменения структуры внеклеточного домена [34]. Работы на курах выяснили участие Notch в установлении лево-правосторонней асимметрии во время развития [35]. В этом случае, предпоследний сигнал, по-видимому, обусловливает асимметричную активацию H+/K+-ATPase, которая, в свою очередь, создает асимметрический градиент ионов кальция, на который отвечает Notch. Сила Notch сигнала коррелирует позитивно с имеющейся концентрацией внеклеточного кальция, эта корреляция м.б. воспроизведена на культивируемых клетках [35].

F3/Contactin


GPI-сцепленная молекула распознавания нейральных клеток F3/Contactin не является членом DSL (Delta/Serrate/Lag-2) семейства Notch лигандов. Несмотря на это она является функциональным лигандом для Notch и обеспечивает некоторые аспекты Notch-обусловленной дифференцировки олигодендроцитов [36]. NB-3, родственная F3/Contactin молекула, которая экспрессируется нейронами, м. сходным образом способствовать дифференцировке одигодендроцитов [37]. Интересно, что хотя ингибиторы γ-Secretase и доминантно-негативные формы Notch (и Deltex) м. ингибировать активность F3/Contactin, но доминантно-негативные формы CSL нет. Это открывает возможность, что F3/Contactin, хотя и способен генерировать ядерные NICD, но работает посредством дополнительного нового пути, м. сотрудничать или нет с основным NICD/CSL путем. Хотя CSL-независимые пути и предполагались для др. онтогенетических эффектов Notch [38,39], молекулярное определение таких путей остается смутным.

Proteolyzed ligands


Drosophila Delta м.б. расщеплен протеолитически с помощью ADAM (A disintegrin and A metalloprotease) семейства протеаз Kuzbanian, это ведт к его высвобождению из плазматической мембраны. Генетические исследования показали, что Kuzbanian усиливает передачу сигналов Notch у мух, подтвержадя, что как мембран-связанный, так и расщепленный лиганд Delta м. активировать путь [40,41]. Исследования на C. elegans казали, что DSL-1, белок, который лишен предполагаемого трансмембранного домена, м.б. замещен на типичный связывающийся с мембраной Notch лиганд LAG-2 в специфицирующихся клетках предшественниках вульвы [42]. Хотя внеклеточная часть Drosophila Delta м. замещать связанный с мембраной лиганд Delta в экспериментах с выростами нейритов с использованием культивируемых клеток [40], но последующие эксперименты показали, что внеклеточные формы Notch лигандов обычно противодействуют передаче сигналов [43]. Причина, почему растворимые лиганды способствуют передаче сигналов в некоторых контекстах, но не в др. ещё предстоит выяснить. Установлено, что Notch лиганды м. подвергаться дальнейшему процессингу с помощью presenilin-γ-secretase комплекса, давая в результате часть внутриклеточного домена, оказывающегося в конце концов в ядре и влияющего на транскрипцию [44,45].

Step two: regulating the level or activity of NICD


Когда лиганд делает Notch рецептор чувствительным к расщеплению, первоначально с помощью TACE (TNF-α converting enzyme) и затем с помощью γ-Secretase комплекса, то генерируется NICD [7,8]. Хотя индивидуальные роли для компонентов γ-Secretase комплекса описаны [46,47], но не известно, является ли комплекс объектом активной регуляции per se. Это верно и для TACE. Несмотря на это уровень и активность NICD м.б. модулирован за счет межбелковых взаимодействий и за счет протеосомами-опосредованной деградации.

MINT


MINT (Msx2-interacting nuclear target protein) идентифицирован при двугибридном скрининга с использованием CSL (RBP-J) в качестве наживки [48]. MINT мешает способности NICD соединяться с CSL in vitro и способен ингибировать NICD-обеспечиваемую активацию транскрипции в культивируемых клетках, указывая тем самым на то, что MINT является ингибитором передачи сигналов Notch in vivo. Остаётся определить, функционирует ли MINT подобно Hairless, белку Drosophila, который рекрутирует ко-репрессоры для Su(H), мушиного гомолога CSL [49]. Экспрессия MINT обнаруживается в тестисах, головном мозге, селезенке, легких и почках, а мышиные эмбрионы, лишенные этого гена, погибают примерно на 12-й день эмбриогенеза, обнаруживая разнообразные онтогенетические дефекты. Клетки печени плода как от эмбрионов дикого типа, там и MINT-/- м. генерировать B и T клетки у облученных мышей. Однако, MINT-/- клетки генерируют более высокие количества В клеток маргинальной зоны за счет фолликулярных В клеток у реципиентных мышей. Это согласуется с идеей, что предача сигналов Notch регулирует выбор судьбы клетками между follicular- и marginal zone B клетками и что MINT является негативным регулятором Notch в этих условиях. Роль MINT в др. типах клеток пока не выявлена.

NRARP


NRARP (Notch regulated ankyrin repeat protein) идентифицирован при скрининге РНК, индуцируемых с помощью Notch [50,51]. Белок содержит два анкириновых повтора и ингибирует активность Notch, или за счет образования ингибирующего комплекса с CSL-NICD и/или за счет дестабилизации NICD. Форсирование экспрессии NRARP в гематопоэтических предшественниках блокирует развитие Т клеток, это согласуется с его сущностью ингибитора передачи сигналов Notch in vivo [52].

Numb


Numb , как известно, соединяется с Notch и противодействует передаче сигналов Notch клеточно автономно [53-55], но точный механизм, с помощью которого функционирует Numb, неясен. Проведены исследования с использованием α-Adaptin [56], белка, который способствует эндоцитозу, и E3 ubiquitin лигазы Itch [57]. Потребность в α-Adaptin и его физическом взаимодействии с Numb указывает на механизм, с помощью которого Numb направляет интактные Notch рецепторы на эндоцитоз, редуцируя тем самым его концентрацию в плазматической мембране. Напротив, вовлечение Itch и его физическое взаимодействие с Numb указывают на иной механизм, с помощью которого Numb отправляет Notch на протеолиз. Ассоциация с Itch согласуется также с наблюдением, что Numb м. ингибировать активность NICD, чего не обнаруживается на плазматической мембране.

Step three: regulating downstream targets and effectors


Оказавшись в ядре и будучи способным связываться с CSL, NICD управляет формированием мульти-белковго комплекса, который активирует транскрипцию. Хотя идентифицировано несколько предполагаемых генов мишеней, но многие важные вопросы всё ещё остаются нерешенными. Напр., активация транскрипции с помощью NICD зависит от типа клеток, так что только субнабор Notch's первичных мишеней м.б. активирован, когда клетки сталкиваются с лигандом [58]. Механизм, который контролирует эту избирательность, неизвестен. Кроме того, хотя период полу-жизни ядерных NICD относительно короток (1-1.5 ч), из-за действия ubiquitin ligase Sel-10 [59], обнаруживается связь между фосфорилированием NICD и деградацией [14]. Детали этой связи остаются неясными. Наконец, NICD м. активировать транскрипцию нескольких генов, но мало известно о том, какие из этих генов ответственны за фенотипические эффекты передачи сигналов Notch. В случает Notch ингибирования нейронального развития, кажется, что гены мишени Hes1 и Hes5 обеспечивают многие и вообще-то все эффекты Notch [60]. Нокаутные исследования выявили дополнительные связи между Notch и известными мишенями в развитии разных тканей и типов клеток. Сюда входят связи между Notch и HES-1 в развитии поджелудочной железы [61-63], Notch и его мишенью Hey2 в кардиальном развитии [64-66] и Notch и его мишенями Hey1 и Hey2 в сосудистом развитии [67]. Способность Notch блокировать адипогенез в модельных культурах клеток м.б. воспроизведена с помощью HES-1, это указывает на то, что поддержание экспрессии HES-1 м. объяснить большую часть активности Notch's в таких специальных условиях [68]. Ген IL-4 является непосредственной мишенью Notch, это м. объяснить способность Notch обеспечивать формирование TH2 helper T клеток [69]. Непосредственные мишени, которые опосредуют др. Notch's эффекты на развитие T клеток и на способность ингибировать мышечное развитие, неизвестны.
Молекулярные компоненты CSL-co-repressor комплекса [10-12] и CSL-NICD-co-activator комплекса [13-17] изучены относительно неплохо. Mastermind, компонент ко-активирующего комплекса, соединяется с p300 histone acetyltransferase и каким-то образом также способствует фосфорилированию и деградации NICD [14]. Необходимо установить, до какой степени ко-репрессорный и ко-активирующий комплексы кооперируют с дополнительными ДНК-связывающими белками, чтобы влиять на общую активность Notch генов мишеней in vivo. Изучение Т клеток, которые лишены CSL (RBP-J) указывает на то, что CSL не репрессирует ощутимо транскрипцию в отсутствие NICD [70].

MeCP2


MeCP2 (Methyl-Cytosine Binding Protein) является белком, который соединяется с метилированными CpG островками и рекрутирует ко-репрессоры на ДНК. У Xenopus, MeCP2 взаимодействует с ко-репрессором SMRT (silencing mediator for retinoid and thyroid-hormone receptors), чтобы регулировать xHairy2a, первичную мишень для NICD [71]. Передача сигналов Notch ведет к высвобождению MeCP2 с промотора xHairy2a, возможно путем вытеснения SMRT из CSL и ослабления взаимодействий MeCP2-SMRT комплекса с промотором. Парадоксально, но мутантная форма Xenopus MeCP2, которая не м. соединяться с SMRT (эта мутация аналогична той, что найдена у некоторых пациентов с Rett Syndrome) не высвобождается в результате передачи сигналов Notch и это коррелирует с пониженной индукцией транскрипции xHairy2a. Функциональные взаимодействия между MeCP2 и Notch не приложимы для всех промоторов, которые связывают CSL, но взаимодействия в этих исследованиях иллюстрируют сложность взаимодействий, которые м. происходить на Notch-чувствительных промоторах, и того, как др. пути м. конвергировать, чтобы повлиять на Notch фенотипы.

SMADs


В двух недавних работах приводится молекулярное объяснение, по крайней мере, некоторым взаимосвязям между Notch и TGF-
сигнальными путями. Показано, что низкий уровень передачи сигналов Notch необходим для BMP4-обусловленного ингибирования миогенеза [72]. BMP4 способен активировать транскрипцию Notch гена-мишени Hey1, частично благодаря способности CSL рекрутировать активированный SMAD1 на промотор посредством NICD. В др. работе показано, что тоже самое верно и для TGF-β, который активирует промотор Hes-1 благодаря CSL-зависимому рекрутированию SMAD3 [73]. Т.о., BMP и TGF-β м. подпитывать Notch путь за счет усиления транскрипции Notch генов мишеней.

Perspectives


Our understanding of the Notch signaling pathway has grown enormously over the past few years. In fact, a bona fide role for Notch cleavage and for nuclear NICD was not fully appreciated until 1998 [74–76]. In a relatively short time period, the proteins that define the core pathway have been identified, along with additional proteins that modulate the pathway. Major issues that have yet to be fully explored include: the precise mechanism by which ligand internalization and ubiquitylation promotes receptor activation; the potential role of ligand cleavage in affecting gene expression in ligand expressing cells and; the identification of the transcriptional events downstream of Notch that govern phenotype. Although several Notch target genes have been identified, most of these have yet to be linked to Notch’s specific effects on differentiation and tumorigenesis. Secondary Notch targets, such as those regulated by the Hes and HRT/Herp/ Hey families of transcriptional repressors [77], are even less well characterized. The challenge over the coming years will be to extend Notch signaling from the core pathway, downstream towards the proteins that directly elicit a cell response. Given that the effects of Notch can be profoundly cell type-dependent, it is likely that the downstream pathway will not be universal, but will, instead, be defined by branches and tributaries that might flow in particular cell types, but not others.

A mutation in EGF repeat-8 of Notch discriminates between Serrate/Jagged and Delta family ligands.
S. Yamamoto, W.-L. Charng, N. A. Rana, S. Kakuda, M. Jaiswal, V. Bayat, B. Xiong, K. Zhang, H. Sandoval, G. David, H. Wang, R. S. Haltiwanger, H. J. Bellen
Science 338, 1229–1232 (2012).

Передача сигналов посредством трансмембранного рецептора Notch детерминирует клеточные судьбы, дифференцировку, пролиферацию и гибель во многих контекстах во время развития и гомеостаза. Notch активируется посредством связывания лигандов семейств Delta (Dl) и Serrate (Ser) с внеклеточной частью рецептора, которая состоит в основном из повторов epidermal growth factor (EGF). Рецептор различает между лигандами Delta и Serrate в некоторых контекстах, а гликозилирование EGF повторов рецептора Notch участвует в этом процессе. При генетическом скрининге плодовых мушек Drosophila melanogaster, бы выделен N jigsaw, аллель, который затронут только в субнаборе Notch-зависимых фенотипов. Аллель N jigsaw несет мутацию замены Val на Met в аминокислоте 361 (V361M), которая является частью EGF повтора 8 и обусловливает фенотипы во многих тканях, сходные с потерей функции Ser. В результате Dl, а не Ser, активируется передачей сигналов Notch в мутантных клонах N jigsaw крылового диска. Распределение, внутриклеточная доставка и статус гликозилирования N jigsaw белков сходны с дикого типа Notch (NWT). В культивируемых клетках Drosophila, N jigsaw соединяется с Dl, но обнаруживает пониженную способность связывания с Ser по сравнению с NWT. Авт. создали аллели мышиного Notch2, которые содержат соотв. точковую мутацию (V327M) или сходную с точковую мутацию (V327A) и тестировали возникающий в результате белок в отношении способности трансдуцировать сигнал с помощью Delta-like1 (Dll1) и Ser гомолога Jagged1 в клетках мышиных фибробластов NIH 3T3. В то время как Dll1-обеспечиваемая активация Notch2V327M и Notch2V327A была сравнима с таковой Notch2WT, Jagged1-обеспечиваемая активация Notch2V327M и Notch2V327A была редуцирована. Мутирование консервативного сайта гликозилирования Notch2 EGF повтора 8 не влияет на его активацию с помощью Dll1 или Jagged1. Т.о., EGF повтор 8 Notch является важным для активации Notch лигандами семейства Ser, но безразличен для активации Notch лигандами семейства Dl.
Сайт создан в системе uCoz