Frizzled/PCP signalling: a conserved mechanism regulating cell polarity and directed motility
Jessica R. K. Seifert1 and Marek Mlodzik Nature Reviews Genetics 8, 126-138 (February 2007) | doi:10.1038/nrg2042
Signalling through Frizzled (Fz)/planar cell polarity (PCP) is a conserved mechanism that polarizes cells along specific axes in a tissue. Genetic screens in Drosophila melanogaster pioneered the discovery of core PCP factors, which regulate the orientation of hairs on wings and facets in eyes. Recent genetic evidence shows that the Fz/PCP pathway is conserved in vertebrates and is crucial for disparate processes as gastrulation and sensory cell orientation. Fz/PCP signalling depends on complex interactions between core components, leading to their asymmetric distribution and ultimately polarized activity in a cell. Whereas several mechanistic aspects of PCP have been uncovered, the global coordination of this polarization remains debated.
Рис.1. | PCP and the organization of several tissues in a variety of systems.
Рис.2. | Subcellular distribution of core Fz/PCP factors in Drosophila melanogaster and vertebrates.
Рис.3. | The Fz/PCP pathway regulates cell motility during convergent extension and ommatidial rotation.
Рис.4. | Activity slopes of Fz/PCP signalling and the FT–DS–FJ interactions in different Drosophila melanogaster tissues.
Box 1 | Molecular interactions between the Fz/PCP core factors
Box 2 | Non-autonomous PCP effects in Drosophila melanogaster
Табл.1Core Frizzled (Fz)/planar cell polarity (PCP) components in Drosophila melanogaster and vertebrates
Табл.2Regulators and effectors of Frizzled (Fz)/planar cell polarity (PCP) signalling in Drosophila melanogaster and vertebrates
Табл.3Fat and Dachsous factors that affect Frizzled (Fz)/planar cell polarity (PCP) signalling in Drosophila melanogaster
В тканевых клетках обнаруживаются скоординированные признаки: напр., в , клетки униформно поляризованы вдоль апикально-базальной оси. Однако, помимо апикально-базальной полярности клетки в большинстве тканей клетки также нуждаются в позиционной информации на плоскости, чтобы создавать поляризованные структуры или перемещаться или ориентировать самих себя направленным образом (Fig. 1). Этот тип поляризации поля клеток обозначается как planar cell polarity (PCP).
PCP впервые была распознана у насекомых Oncopeltus fasciatus1 и Drosophila melanogaster2-4. Мутации D. melanogaster PCP генов вызывают дизорганизацию кутикулярных структур и/или (rev. Refs 5-8). Клеточные волоски, напр., обнаруживают завитки и волнообразные паттерны вместо характерной проксимо-дистальной ориентации в пластинке крыла (Fig. 1a,b) и обнаруживают сходные аномалии на стенках тела. Сходным образом в глазах, PCP мутантны обнаруживают дефекты в расположении фоторецепторов (Fig. 1e,f). Базируясь на этих фенотипах исследователи D. melanogaster открыли несколько генов, которые необходимы для PCP, и открыли эволюционно законсервированные наборы генов, которые контролируют установлением планарной полярности не только у мух, но и также у позвоночных - стержневые Frizzled ()/PCP факторы (rev. Refs 5-10) (Table 1). Этот Fz-обеспечиваемый путь является самостоятельным от канонического пути передачи сигналов Wnt-Fz/β-catenin7,9. Генетические исследования на D. melanogaster и позвоночных идентифицировали также факторы, необходимые для установления PCP, которые выпадают из этой стержневой Fz/PCP группы (Tables 2, 3). Активность факторов Fz/PCP поляризует поле клеток вдоль специфической оси, что отражается в дифференциальном распределении молекулярных маркеров или градиенте активности поляризованных клеток. Стержневые Fz/PCP молекулы сами по себе оказываются асимметрично локализованными во время молекулярных аспектов передачи сигналов Fz/PCP.
Объединяющая тема передачи сигналов Fz/PCP это поляризация клеток; это не ограничивается эпителием, а наблюдается также в , a нижестоящие эффекты варьируют (rev. Refs 6-9, 11, 12). Fz/PCP участвует также в регуляции ориентации митотического веретена у беспозвоночных13-15 а у позвоночных PCP путь регулирует многие аспекты развития, включая (CE) и закрытие нервной трубки9-12 (Fig. 1i-l), развитие внутреннего уха16-18 (Fig. 1g,h), ориентацию волос у млекопитающих19 (Fig. 1c,d), и 20-22. Большинство изученных из этих ролей связано с передачей сигналов Fz/PCP во время CE (Fig. 1i-l), которое происходит в мезенхимных клетках11,12,23. Результаты полученные как на позвоночных в области CE, так и на D. melanogaster указывают на участие пути Fz/PCP в регуляции динамики этих поляризованных клеток, ведущей к направленной подвижности клеток и к образованию у позвоночных поляризованных .
Fz/PCP signalling molecules
Стержневые компоненты передачи сигналов Fz/PCP (Table 1) взаимодействуют, чтобы установить полярность клеток (или в поле клеток). Это ведет к поляризованному расположению и/или активации ассоциированных цитоплазматических компонентов, которые затем, как полагают, управляют 'PCP activity' разнообразных нижестоящих эффекторов и тем самым выявляют ткане-специфичные реакции (субнабор таких нижестоящих эффекторов описан в Table 2). Стержневые компоненты включают пронизывающие мембрану белки FZ, Flamingo (, известный также как STAN) и Strabismus (,известный также как VANG), а также Dishevelled (),Diego (),и Prickle (), которые являются цитоплазматическими, но ассоциируют с мембранами во время передачи сигналов PCP. Некоторые из стержневых компонентов, по-видимому, противодействуют функции др. др. (Box 1). Это было установлено с помощью генетических способов в крыльях D. melanogaster, в которых избыточная экспрессия в клонах FZ заставляла крыловые волоски ориентироваться прочь от домена экспрессии, тогда как избыт очная экспрессия STBM заставляла волоски ориентироваться в направлении экспрессируемой области24-27. Или проще, фенотип избыточной экспрессии 'негативно' действующих факторов (по отношению к FZ) напоминает фенотип потери функции 'позитивно' действующих факторов (т.е, FZ), указывая тем самым на антогонистические взаимоотношения между разными факторами (Box 1). Возможно, что как позитивно, так и негативно действующие факторы регулируют набор ткане-специфических нижестоящих эффекторов (Table 2).
В системах позвоночных, таких как рыбки данио и Xenopus laevis, были идентифицированы дополнительные факторы пути Fz/PCP, которые могут функционировать выше, создавая инициальную асимметрию. Сюда входят члены семейства Wnt (известный также как pipe tail, Ppt) и (известный также как silberblick, Slb) и Glypican 4 (известный также как knypek, ). Интересно, что эти факторы, по-видимому, не играют роли в установлении PCP у дрозофилы (др. менее и зученные факторы позвоночных также представлены в Tables 2,3).
У D. melanogaster, имеется вторая группа PCP регуляторов, которая включает Fat () и Dachsous (), два protocadherins, которые могут взаимодействовать гетерофильно через границы клеток, и типа II трансмембранный белок Four-jointed (); роль этой группы в установлении PCP у позвоночных не установлена (Table 3). В то время как экспрессия FT является униформной в большинстве тканей, DS, который может модифицировать активность FT, экспрессируется в виде градиента в глазах и (в меньшей степени) в крыльях, это делает эту группу привлекательным кандидатом на роль вышестоящего поляризующего сигнала для Fz/PCP28-35. Фенотипы fj мутантов не обнаруживают той же самой тяжести, что и ft или ds, указывая тем самым, что fj модифицирует активность этих белков32,34,36. Кроме того, внутриклеточный домен FT взаимодействует с ядерным фактором, Atrophin (;известном также как Grunge, GUG), указывая тем самым, что FT-DS взаимодействие может функционировать путем регуляции транскрипции37.
Subcellular localization of PCP factors
В каждой клетке, прежде предполагаемого начала передачи сигналов Fz/PCP, все стержневые Fz/PCP компоненты распределяются униформно вдоль 25,27,38-42, частично перекрываясь с клеточными соединениями43. На основании функциональных исследований известно, что поляризация компонентов Fz/PCP вдоль апикально-базальной оси является предварительным условием для их последующей поляризации вдоль др. осей, таких как проксимо-дистальная ось, и для самой передачи сигналов Fz/PCP43. Апикальная локализация зависит от присутствия PCP трансмембранных белков FZ, STBM и FMI; в каждом мутантном background апикальная локализация остальных PCP факторов теряется или сильно снижается25,27,38-42,44. Хотя отсутствие DSH, PK или DGO по одиночке не влияет на апикальную локализацию др. Fz/PCP факторов, но некоторые двойные мутантные комбинации влияют (напр., pk-/- dgo-/- двойные мутанты)39. Активное рекрутирование и поддержание в апексе стержневых Fz/PCP факторов, следовательно, может отражать первую ступень передачи сигналов Fz/PCP. Соответственно были описаны некоторые физические взаимодействия между апикально-базальными детерминантами и Fz/PCP факторами13,45,46.
Передача сигналов Fz/PCP к асимметричному обогащению и распределению их собственных компонентов во всех тканях D. melanogaster, которые были проанализированы, создаются при этом FZ-DSH-DGO и STBM-PK комплексы, которые противодействуют др. др. (Box 1). FZ-DSH-DGO действует позитивно, обеспечивая активацию нижестоящих DSH эффекторов, в то время как STBM-PK комплекс функционирует, чтобы ограничивать активацию DSH и возможно обладает своим собственным набором эффекторов. Молекулярные взаимодействия между факторами PCP вносят улучшения в их локализацию. В крыльях факторы FZ-DSH-DGO оказываются специфически обогащенными на дистальных сторонах клеток38,39,42 (Fig. 2a; Table 1). Напротив, белки, которые действуют как антагонисты FZ-PK и STBM - концентрируются на проксимальной стороне клеток 25,27. FMI оказывается обогащенным на обоих концах каждой крыловой клетки, проксимально и дистально, возможно он стабилизирует оба комплекса благодаря своему гомофильному клеточно-адгезивному поведению47. В глазах аналогичная локализация наблюдается вдоль краев клеток предшественников для R3 и R4 фоторецепторов, где FZ-DGO обогащены апико-латерально на полярной стороне R3 (и отсутствуют на экваториальной стороне R4), тогда как STBM-PK располагается на экваториальной стороне R4 и отсутствует на полярной стороне R3 (Refs 39, 41; Fig. 2b). Паттерн субклеточной локализации стрежневых Fz/PCP факторов относительно интерфейса R3-R4 клеток параллелен и их генетической потребности. Факторы, необходимые для R3, такие как FZ и DGO, локализуются на R3 стороне R3-R4 клеточной границы, в то время как FMI, фактор генетически необходимый обеим клеткам, локализуется на обеих сторонах R3-R4 клеточной границы26,40,41,44,48. Сходное асимметричное распределение PCP белков наблюдается во время клеточных делений в нотуме. В этом случае, PK и STBM локализуются на переднем кортексе, a FZ обогащен на заднем кортексе13,14 (Fig. 2d),в то время как FMI остается распределенным униформно по кортексу клеток SOP49. Асимметричное перераспределение стержневых Fz/PCP белков может быть достигнуто благодаря взаимному ингибированию внутри индивидуальной клетки или благодаря специфической стабилизации через границу между двумя соседними клетками или с помощью обоих этих механизмов (Box 1).
Анализ субклеточной локализации белков Fz/PCP теперь распространен и на позвоночных как в отношении клеток сенсорных волосков во внутреннем ухе (cochlea), так и в отношении CE перемещений во время и . В улитке сенсорные клетки поляризуются от внутреннего к наружному краю; окрашивание антибиотиками, приготовленными против этих факторов, показывает, что DSH локализуется на наружном клеточном кортексе, где формируются богатые актином 50 (Fig. 2c), тогда как (продукт ортолога Stbm у мышей) локализуется на противоположной внутренней стороне сенсорных клеток46. Такие паттерны расположения напоминают крыловые клетки у D. melanogaster. Интригует однако то, что и ко-локализуются с VANGL2 (Refs 46, 51), в противоположность тому, что предсказывалось, исходя из данных по D. melanogaster. Это яви лось неожиданным различием между локализацией Fz/PCP фактора (и возможно передачи сигналов Fz/PCP) у D. melanogaster и позвоночных. Однако, DSH локализация зависит от рекрутирования с помощью FZ во всех использованных системах (D. melanogaster in vivo, in vitro, X. laevis клетки анимальной шапочки, млекопитающие). Поэтому остается неясным, как DSH оказывается закрепленным в наружном клеточном кортексе в клетках улитки. Можно ожидать, что д. существовать дополнительные члены Fz семейства, которые обеспечивают ассоциацию DSH с мембраной и локализацию. Это конечно возможно, т.к. имеется множество членов Fz семейства у позвоночных и только два из них были изучены на наличие во внутреннем ухе. Однако, с этой точки зрения др. механизмы у мышей д. регулировать рекрутирование DSH. Пока локализация (и функция) др. стержневых PCP факторов (напр., PK) и всех членов семейства Fz не станет известна, этот вопрос будет оставаться без ответа.
Субклеточная локализация еще более трудна при изучении гаструляции в отношении CE. Первые исследования на X. laevis показали, что DSH обогащен в мембранах обоих концов медиолатеральной оси в клетках, подвергающихся CE перемещениям52,53. Однако, это не было подтверждено с помощью эндогенных белков или для др. стержневого Fz/PCP фактора. Недавно во время нейруляции у рыбок данио Pk (GFP-Pk) был обнаружен, расположенным на мембране передней стороны клеток в хорде и нейроэктодерме54, это указывает на то, что Fz/PCP факторы обнаруживают асимметричную концентрацию вдоль передне-задней оси во время нейруляции. Асимметричное обогащение мембраны Pk зависит от передачи сигналов Fz/PCP. У maternal/zygotic trilobite () мутантов (tri является ортологом Stbm рыбок данио; Table 1), Pk теряется из мембран и обнаруживается униформно распределенным в цитоплазме54. Обогащение Pk в передней части мембраны также зависит от активности Wnt-Fz , как показано на примере wnt5(ppt) wnt11(slb) двойных мутантов, у которых нокаут экспрессии wnt4 элиминирует экспрессию трех Wnt генов54; wnt5 и wnt11 рассматриваются как основные не-канонические PCP-специфичные члены семейства Wnt в этом контексте (Table 2). Во время гаструляции и увеличения хорды у эмбрионов асцидий Ciona savignyi, PK и DSH сначала обнаруживаются по вей мембране клеток презумптивной хорды за исключением частей мембран, которые прикасаются к соседним мышечным клеткам55. Позднее PK (и STBM) выявляются на переднем конце каждой клетки хорды, тогда как DSH обнаруживается обогащенным в латеральных частях мембраны (соседствующих с мышечными клетками)55, указывая тем самым, что передняя локализация PK в хорде законсервирована. Итак, известная локализация немногих Fz/PCP факторов, по-видимому, указывает на то, что эти вещи могут быть более сложны в передаче сигналов Fz/PCP у позвоночных в мезенхимных клетках, а также в эпителиальных клетках (внутреннее ухо).
Asymmetric localization of Fz/PCP proteins
Возникновение асимметричного обогащения Fz/PCP факторами во всех проанализированных контекстах ставит вопрос, как такая асимметрия генерируется и поддерживается и действует ли тот же самый механизм во всех контекстах. Было предположено на базе биохимических и генетических данных, что 4 члена Fz/PCP (fz, dsh, Stbm и pk) достаточны, чтобы установить и поддерживать асимметрию белков в крыловых клетках D. melanogaster вместе с инициальной асимметрией возможно генерируемой fat, ds и fj 56. Эта модель базируется на FZ, рекрутирующем DSH на мембрану и на STBM-PK комплексе, ингибирующем рекрутирование DSH с помощью FZ. Однако, модель требует взаимодействия FZ с STBM в клеточных мембранах, что является чисто спекулятивным56. Более того, имеется более 4 Fz/PCP генов, необходимых для корректного установления PCP in vivo. В частности, fmi и dgo, как ключевые игроки в стрежневой группе факторов Fz/PCP, д. приниматься во внимание в будущих подходах к моделированию, что уже частично пытались сделать6,57,58. Т.к. атипический cadherin FMI обеспечивает гомофильные взаимодействия между соседними клетками47, то он может также обеспечивать 'функциональное' FZ-STBM взаимодействие (см. напр., модели в Refs 6, 58). Однако, т.к не известно физических взаимодействий между FMI и каким-либо из Fz/PCP факторов, то это остается спекулятивным.
Further regulators of Fz/PCP signalling
Генетический анализ идентифицировал некоторые гены помимо стержневых Fz/PCP генов. которые регулируют передачу сигналов Fz/PCP. недавно, Casein kinase 1ε (CK1ε известная также как Discs overgrown, ) была добавлена в качестве потенциального регулятора Fz/PCP факторов у D. melanogaster59,60 и skf предположена родственная PCP функция у позвоночных61 (Table 2). CK1ε может фосфорилировать DSH in vitro и необходима для фосфорилирования DSH in vivo, хотя имеющиеся данные указывают на то, что активность CK1ε kinase не существенна в контексте PCP59,60. Генетические взаимодействия между CK1ε и fz/dsh указывает на то, что CK1ε действует позитивно на их активность59,60. В то время как CK1ε обогащен апикально он не локализуется асимметрично вдоль проксимо-дистальной оси в крыловых клетках, но в CK1ε мутантной ткани DSH оказывается локализованным неправильно60. Итак, CK&1epsilon; скорее всего действует как позитивный регулятор активности FZ и DSH как Fz/PCP так и канонической Wnt-Fz передаче сигналов59,60.
Субъединица Galphao гетеротримерных G белков также необходима для Fz/PCP и канонической Wnt-Fz передачи сигналов62. Во время генерации PCP в крыловых клетках, она обнаруживает диффузную, но проксимально ограниченную апикальную локализацию62. Более того, B субъединица Protein phosphatase 2A (PP2A), известная как Widerborst () у D. melanogaster, является, как полагают поставляет PP2A к её субстрату и следовательно, обладает субстрат специфичностью, она локализуется асимметрично на апикальных соединениях в диффузной сети микротрубочек на дистальном конце клеток63. Локализация WDB предшествует асимметричной локализации Fz/PCP белков, а экспрессия доминантно негативной формы WDB приводит к униформной локализации Fz/PCP белков63. Неизвестно, как генерируется асимметрия WDB. Можно предположить, что PP2A необходима для удержания FZ в дефосфорилированном состоянии, предупреждая atypical Protein kinase C (), которая часто обнаруживается в ассоциации с Partitioning () дефектными белками 3 и 6 ( и ), от инактивации FZ путем фосфорилирования45. Во время установления PCP в глазах, FZ уровни избирательно увеличиваются в R3-R4 паре путем PAR3 (также известного как Bazooka), это удерживает aPKC от фосфорилирования и инактивирования FZ (Ref 45). Асимметричное PP2A-обусловленное дефосфорилирование и последующая активация FZ может приводить к инициальной склонности активности FZ в направлении дистального конца каждой из крыловых клеток. Несмотря на эти привлекательные предположения, роль WDB или Galphao остается в основном неизвестной в контексте PCP.
Выявляющаяся роль PAR белков и aPKC в регуляции активности FZ или уровней FZ очень интересна. В недавнем исследовании были выявлены физические взаимодействия между ADP ribosylation factor GTPase activating protein (), известного у X. laevis как и некоторыми PAR белками которые рассматриваются как существенные в CE контексте64. XGAP, PAR белки, PAR6 и (известный также как 14-3-3ε), и aPKC локализуются на медиолатеральных концах клеток, испытывающих CE, где они обнаруживают взаимную зависимость др. от др. в отношении локализации, указывая тем самым на присутствие стабильных, поляризованных PAR комплексов. Каковы взаимоотношения между XGAP-PAR белковым комплексом и Fz/PCP факторами? Хотя необходимо сравнение двух разных систем - мезодермы у X. laevis64 и нейроэктодермы у рыок данио54 - это интригует. В мезенхимных клетках рыбок данио, подвергающихся CE, Pk локализуется на переднем конце54, в то время как у X. laevis, комплекс XGAP-PAR-aPKC располагается на медиолатеральных концах во время CE. Если эти события происходят 'универсально', тогда мы д. увидеть, что имеются антагонистические взаимодействия между комплексами, содержащими aPKC и FZ, которые д. быть аналогичными тем, что происходят в глазах D. melanogaster45. Антогонистические взаимодействия между всеми тремя комплексами (aPKC комплексом и двумя PCP комплексами)д. следовательно, приводить к переднему расположению STBM-PK комплекса и к заднему FZ-DSH комплекса и медиолатеральному XGAP-PAR-aPKC комплекса. Это могло бы обеспечить клетки всей информацией о полярности и активности, необходимой для конвергенции по срединной линии и последующей интеркаляции. Хотя эта модель и привлекательна и согласуется с некоторыми известными взаимодействиями, таким как kinase (PAR1 может фосфорилировать и позитивно регулировать DSH во время CE65 и её локализация, по-видимому, взаимно исключительна с aPKC/PAR3/PAR6 в некоторых клеточных контекстах), но др. данные не согласуются и поэтому модель остается спекулятивной. Более того, анализ локализации DSH во время CE в клетках дорсальной маргинальной зоны64 показывает, что одинаково с XGAP, он также ассоциирует с медиолатеральными концами клеток53. DSH локализация не была проанализирована детально во время CE при нейруляции рыбок данио и поэтому невозможно прямое сравнение DSH и PK во время CE у позвоночных. Дальнейшее предупреждение исходит от исследований по локализации PCP фактора в хорде C. savignyi, где PK и STBM были локализованы на переднем конце клеток, а DSH обнаруживался на латеральных концах после завершения интеркаляции55. Необходимо больше данных для решения, какого типа признаки общей и законсервированной локализации существуют.
Fz/PCP signalling regulates cell motility
Хотя передача сигналов Fz/PCP обладает разнообразными нижестоящими эффектами, одной из выявляемых и возможно законсервированной функцией является передача поляризующей информации клеткам во время ремоделирования ткани и клеточной подвижности. Во время развития ткань часто подвергается обширным клеточным перестройкам, которые управляются частично посредством поляризации клеток перед или одновременно с морфогенезом. Передача сигналов Fz/PCP устанавливает полярность клеток, которая ведет к направленной клеточной подвижности во время ротации омматидий (OR) из кластеров фоторецепторов в глазных имагинальных дисках D. melanogaster66-68 и в CE во время гаструляции и нейруляции позвоночных10-12,23,69. В обоих случаях путь Fz/PCP является инструментом установления полярности, которая ведет к изменениям клеточной формы и вызывает направленные движения (Fig. 3). Имеются, однако, фундаментальные различия между этими двумя процессами. Напр., глазные имагинальные диски являются высоко упорядоченным эпителием, т.к. клетки соединяются с помощью плотных слипчивых соединений и сохраняют униформной апикально-базальную полярность, в то время как мезодермальные и нейроэктодермальные клетки, подвергающиеся CE, являются мезенхимными по природе и обладают пониженной слипчивостью клеток, а удлиненная форма клеток указывает на полярность в отношении ведущего края10-12,23,69. Кроме того, CE нуждается в ориентированных и направленных клеточных отростках, таких как lamellipodia и filopodia23, но подобных структур не было описано при ротации омматидий. Несмотря на эти различия оба процесса подвижности нуждаются в поляризованной регуляции и динамическом ремоделировании адгезивных контактов между клетками, независимо от того имеют ли они клеточные выпячивания или др. типы контактов.
Во время гаструляции у позвоночных различные клеточные движения необходимы для CE, все они достигают кульминации в сужении вдоль дорсо-вентральной и медиолатеральной осей и в элонгации эмбриона вдоль передне-задней оси. Передача сигналов Fz/PCP регулирует медиально направленные перемещения клеток из презумптивной мезодермы и нейральной эктодермы. Механизмы конвергенции различаются между животными моделями и тканями; мезодермальные клетки X. laevis удлиняются вдоль медиолатеральной оси и обнаруживают биполярные выпячивания, тогда как клетки нейроэктодермы и у рыбок данио мезодермы обнаруживают монополярные выпячивания12,23,70-73 (Fig. 3). Механизмы, лежащие в основе этих различий, неясны, однако, регуляция обоих механизмов связана с передачей сигналов Fz/PCP. Гены wnt5 и wnt11 действуют посредством Fz/PCP пути в этом контексте, а потеря их функции (используя мутантов рыбок данио ppt и slb) и избыточная экспрессия нарушают CE73,74. Соответственно, экспрессия ингибирующих форм DSH или избыточная экспрессия дикого типа DSH в эксплантах из X. laevis, приводят к дефектам или стабильности или ориентации клеточных выпячиваний, в обоих случаях приводящих к дефектам CE52. Помимо DSH, ортологи всех D. melanogaster стержневых факторов Fz/PCP - STBM, PK, FZ, DGO (известен как diversin у позвоночных) и FMI - участвуют в CE10-12,69. Но всё ещё мало известно о механизмах, с помощью которых достигается клеточная подвижность во время CE.
У рыбок данио специфическая мезодермальная популяция, предшественников прехордальной пластинки, вносит вклад в увеличение оси кпереди за счет направленной миграции73. Эффективность такой миграции нуждается в направленных движениях с помощью ориентированных выпячиваний, которые теряются у мутантов slb. Wnt11, по-видимому, регулирует направленные выпячивания и миграцию предшественников прехордальной пластинки путем воздействия на субклеточную локализацию E-cadherin посредством модуляции рециклинга с помощью GTPase Rab5 (Ref. 73). Следовательно, во время гаструляции передача сигналов Fz/PCP может регулировать рециклинг адгезивных молекул, создавая динамическое окружение для подвижности и также сообщая поляризующую информацию, чтобы направлять это движение. Интересно, что Wnt11/slb мутанты могут быть частично супрессированы экспрессией Rho associated kinase () (Ref. 75), нижестоящего эффектора передачи сигналов Fz/PCP у D. melanogaster76), a экспрессия доминантно негативной формы Rok2 редуцирует медиолатеральное удлинение мезодермальных клеток, ведущее к дефектам CE75. Важно установить, является ли Rok2 нижестоящим эффектором Wnt11, который регулирует локализацию E-cadherin.
Cell motility requires several inputs
Направленная миграция во время CE могут нуждаться в сигналах от нескольких путей, включая PCP. Эта идея подтверждается в исследованиях на X. laevis, идентифицировавших новую изоформу XGAP, которая преимущественно соединяется с ADP-ribosylation factor 6 () и участвует в CE (описанном выше). Поляризованная регуляция ARF6 может быть существенной для направленной миграции и ориентации выпячиваний, т.к. ARF6 контролирует эндосомный трафик и ремоделирование актина на плазматической мембране77. Соответственно XGAP локализуется на медиолатеральных концах биполярных клеток во время CE, ко-локализуясь с PAR комплексом (PAR6, 14-3-3/PAR5 и aPKC, как показано выше). Снижение XGAP нарушает ориентацию клеточных выпячиваний64. Т.к. PAR комплекс может ингибировать PCP активность, как было показано выше, то взаимодействие между этими путями может регулировать ориентированные клеточные выпячивания, которые важны для направленного движения клеток.
Направленные клеточные движения во время ротации омматидий, также используют PCP путь, работающий параллельно с др. сигнальными путями. В глазном диске D. melanogaster клетки, которые специфицированы стать фоторецепторами образуют тесно ассоциированные кластеры и вся группа подвергается ротации на 90° в плоскости эпителия68,78,79 (Fig. 3). Направление ротации, которое происходит в противоположных направлениях в дорсальной и вентральной половинах глаз, связано со спецификацией R3 и R4, которая регулируется с помощью передачи сигналов Fz/PCP. Следовательно, неправильная ротация является общим фенотипом, наблюдаемым у мутантов как с потерей, так и и избыточной функцией PCP генов в глазах78,79. Помимо PCP пути, ротация омматидий регулируется также с помощью Epidermal growth factor receptor (),,и др. путей66,67,80-82. Взаимодействия между PCP и EGFR путями во время ротации омматидий имеют место, т.к. fz и fmi генетически взаимодействуют с компонентами сигнального пути EGFR, a локализация FMI и FZ (FZ-GFP) нарушается на генетическом фоне, в котором нарушена передача сигналов EGFR67,82. Следовательно, во время ротации омматидий подвижности клеток в целом, путь PCP д. наиболее вероятно функционировать параллельно с др. сигнальными путями и компонентами полярности, чтобы модулировать их активности и направлять миграцию.
Fz/PCP and adherens junction remodelling
В глазных имагинальных дисках D. melanogaster и во всех эпителиальных тканях регуляция движения и клеточных перестроек скорее всего зависит от ремоделирования . Доказательства этому при ротации омматидий получены благодаря анализу мутантов, несущих гипоморфный аллель E-cadherin, который известен как shotgun () у D. melanogaster, у которых большинство кластеров фоторецепторов неспособны достигать полной 90° ротации (Ref. 83). Генетические взаимодействия между SHGи Fz/PCP факторами STBM и DGO указывают на то, что передача сигналов Fz/PCP может оказывать регуляторную роль на E-cadherin в этом контексте. Более того, в клонах с потерей функции E-cadherin локализуется неправильно, указывая, что передача сигналов Fz/PCP может управлять локализацией E-cadherin посредством RHOA и ROK (Ref. 83).
Во время некоторых процессов (CE, OR и ремоделирования формы клеток в крыльях) фенотипы, генерируемые путем потери функции и избыточности функции компонентов пути Fz/PCP, могут частично объясняться дефектами направленного рециклинга молекул клеточной адгезии, в частности E-cadherin. В то время как эпителиальные клетки крыльев D. melanogaster неподвижны, эти клетки подвергаются обширным изменениям в форме, чтобы сформировать высоко упорядоченные гексогональный паттерн в конце установления PCP84. Во время этого процесса клеточные соединения перестраиваются, т.к. межклеточные контакты разрываются и восстанавливаются вновь. Для этого необходим экстенсивный рециклинг E-cadherin посредством и .Мутанты Fz/PCP обнаруживают дефекты гексогональной упаковки крыловых клеток и усиливают dynamin () мутантный фенотип, в котором рециклинг E-cadherin нарушен. Однако, мутанты по Fz/PCP пути не блокируют рециклинг E-cadherin непосредственно, указывая тем самым, что передача сигналов Fz/PCP модулирует этот процесс, но не обязательна для его механики84. Экстенсивный анализ клеточных движений в дорсальной мезодерме во время CE у рыбок данио показал, что интеркалирующие клетки склонны к перестройке соединений с общим увеличением межклеточных контактов вдоль своих медиолатеральных осей и снижением вдоль передне-задних осей85. Нуждается ли механизм, обеспечивающий эти перестройки, в передаче сигналов Fz/PCP не было изучено детально, но вполне возможно, что передача сигналов Fz/PCP детерминирует полярность, регулируя разрыв и/или восстановление соединений между клетками.
Global tissue coordination of Fz/PCP signalling
Во время установления PCP взаимодействия между стержневыми Fz/PCP факторами может быть асимметрично активированными во всей ткани или органе. Способность клеток, которые удалены на сотни клеточных диаметров, адаптировать одну и ту же планарную полярность является обворожительной биологической проблемой. Самым простейшим объяснением может быть то, что дальнодействующие сигналы пока ещё неясны.
Члены семейства Fz, которые действуют как рецепторы для секретируемых ростовых факторов из семейства Wnt в каноническом сигнальном пути Wnt-β-catenin86,87, играют центральную роль в контексте Fz/PCP. Это указывает на то, что члены семейства Wnt могут функционировать как дальнодействующие сигналы в регуляции PCP. Пока имеются экспериментальные подтверждения для вовлечения Wnt в Fz/PCP, исходящие из анализа CE у позвоночных. wnt11/slb и wnt5/ppt специфически необходимы для CE у X. laevis и рыбок данио88-91. Имеющиеся данные по позвоночным больше аргументируют в пользу пермиссивной скорее, чем инструктивной роли для этих членов семейства Wnt. Напр., инъекции РНК wnt11 в эмбрионы рыбок данио на одноклеточной или двухклеточной стадии спасают slb мутантов, указывая тем самым, что локальная экспрессия РНК не существенна88. Несмотря на это недавние данные на эмбрионах Caenorhabditis elegans показали, что локальный Wnt сигнал в P2 клетке, наиболее заднем из бластомеров, необходим для поляризованного расположения митотического веретена в EMS клетке15, предшественнике энтодермы и мезодермы, что подтверждает инструктивность сигнала Wnt. Следовательно, в определенных контекстах члены семейства Wnt могут обеспечивать непосредственными инструктивными сигналами для генерации полярности.
Функциональный анализ у D. melanogaster Wnt генов не выявил их непосредственного участия в Fz/PCP. Более того, ни один из членов семейства Wnt у D. melanogaster не обнаруживает паттерна экспрессии, указывающего на активирующую функцию передачи сигналов Fz/PCP (также ни один из членов семейства Wnt в геноме мух не является ортологом wnt5 или wnt11). Имеются ли доказательства для др., non-Wnt, регуляторов передачи сигналов Fz/PCP у D. melanogaster? Недавняя работа с protocadherins FT и DS, по-видимому, указывает на то, что это так. Элегантное генетическое исследование вовлечения PCP в глазах D. melanogaster показало, что FT действует позитивно на FZ и что DS ингибирует FT активность33 (Table 3). FT и DS также взаимодействуют с FJ (Refs 34, 35), это возможно модифицирует активность DS29,32,33,36. Поразительно, в развивающихся глазах экспрессия DS формирует обратные градиенты по отношению к предполагаемому градиенту активности Fz/PCP и находится под транскрипционным контролем Wingless ()-β-catenin передачи сигналов33 (Fig. 4a), указывая на модель, согласно которой WG регулирует градированную экспрессию DS, и следовательно, создает склон активности Fz/PCP посредством FT/DS сигнала32,33.
Хотя генетические данные указывают на взаимоотношения между экспрессией FT/DS и градиентом активности Fz/PCP в глазу, очевидно, что механистическая информация связи этих двух отсутствует. Более того, в др. D. melanogaster PCP модели ткани склоны FT-DS экспрессии и градиенты активности Fz/PCP отличны от сценария в глазах. В крыльях28,29,30 (Fig. 4b), ft и ds мутантные клоны, по-видимому, влияют на силу fz неавтономного фенотипа28,92 (Box 2), но неясно, необходима ли какая-либо градированная активность системы FT-DS для нормального установления PCP в этой ткани29,30. В глазах57,93-95 (Fig. 4c) у ft и ds мутантов асимметрия Fz/PCP комплексов рандомизирована, это указывает на то, что они влияют на передачу сигналов FZ преимущественно в R3-R4 клеточной паре31,33. Однако, очень мало известно о их молекулярных функциях или регуляторных взаимодействиях среди них самих с FJ или с Fz/PCP стержневыми факторами, за исключением FT и DS, обнаруживающих гетерофильное клеточно-адгезивное поведение поперек мембран соседних клеток28,29,30 и того, что FT цитоплазматический хвост может взаимодействовать с транскрипционным ко-репрессором ATRO37. Следовательно, хотя ft, ds и fj определенно необходимы для установления PCP во всех проанализированных тканях, подобно стержневым Fz/PCP факторам, их молекулярная связь с активностью Fz/PCP остается неясной.
Функционируют ли FT-DS PCP факторы на или во всей группе Fz/PCP. Casal et al. описали крупную серию генетических экспериментов, которые показали, что , по крайней мере, в абдомене FT-DS группа и стержневые Fz/PCP факторы функционируют в основном независимо др. от др. 95. Является ли это абдомен-специфическим или более общим правилом остается неизвестным. Потенциальный прямой эффект FT-DS на Fz/PCP осложняется тем фактом, что предполагаемая градированная активность FT, которая генерируется за счет его взаимодействия с DS и/или FJ, имеет противоположный склон относительно градиента активности Fz/PCP в глазах в противоположность крыльям и абдомену (Fig. 4). Следовательно, клетки в разных тканях или разных компартментах одной и той же ткани, нуждаются в интеграции градиентов активностей FT-DS и Fz/PCP противоположными способами. Хотя возможность FT-DS сигнала, координирующего активацию Fz/PCP по всей ткани, интригующая, но их роль в регуляции активности Fz/PCP остается неясной, а доказательства сомнительны. Т.к. имеющиеся данные указывают, что разные способы действия присутствуют в разных тканях, то возможно, что мы всё ещё имеем дело с нераскрытым унифицированным механизмом. Следовательно, вообще остается неясным, как передача сигналов регулируется у D. melanogaster, и существует ли общая потребность в членах семейства Wnt в установлении PCP.
Conclusions and perspectives
PCP is a fundamental mechanism in cell biology that polarizes cells in a tissue along a specific tissue axis. Although in D. melanogaster the events associated with PCP establishment have started to be dissected, such as the apical localization and redistribution of PCP complexes and their molecular interactions, most mechanistic aspects remain obscure. Moreover, it is not resolved how conserved these mechanistic aspects are between flies, vertebrates or C. elegans. Further experiments are required to assess the asymmetrical localization of Fz/PCP proteins in various vertebrate contexts, including looking at localization in mosaic tissue during gastrulation and neurulation, which is technically challenging. In vertebrates and flies, PCP signalling serves in some contexts as a regulator of directed migration. However, directed cell movements during CE and OR are likely to be regulated through cross-talk between Fz/PCP-signalling and several other pathways, which is an emerging area of PCP research. Genetic screens aimed at identifying other pathways or regulators of these processes will increase our understanding of the role of PCP signalling in a broader context.
The most serious lack of understanding in PCP generation remains however the coordination of the activity across whole tissues and organs. It remains unclear how upstream components affect the activation and polarization of Fz/PCP signalling, and how this is coordinated across hundreds of cells. What is the specific role of WNT11 and WNT5? Are we missing an activating Wnt in D. melanogaster or is the mechanism different? Moreover, the roles of FT, DS, and FJ still need to be determined. Further experiments that use localized Wnt expression to rescue PCP defects, as was done by genetic means in C. elegans (Ref. 15), will determine to what extent Wnt family members instruct the asymmetry of Fz/PCP signalling. Using an evolutionary approach to dissect the upstream activation of Fz/PCP signalling, we might determine whether the tissue coordination that evolved after the intrinsic mechanism in the cell was already established. This might explain the differences between species in upstream activation.
