Hedgehogi signaalirada

Hedgehogi signaalirada on põhiline regulaator paljudes selgroogsete embrüonaalse arengu protsessides, tüvirakkude säilitamises, rakkude diferentseerumises ja kiires kasvus. Embrüo eri osadel on erinevas kontsentratsioonis Hedgehogi valke. Evolutsiooniliselt on Hedgehogi signaalirada konserveerunud, lisaks kontrollib signaalirada kahekülgsete organismide organite arenguprotsesse. Lisaks embrüonaalsele arengule mängib signaalirada rolli ka täiskasvanu arengus. Ebakorrapärane Hedghehogi signaaliraja aktiveerumine võib viia vähi tekkeni. Seda on näidatud basaalrakuliste kasvajate ja medulloblastoomide (teatud tüüpi ajukasvaja) väljakujunemises. Paljudes inimese vähkkasvajates, nagu aju-, seedeelundkonna-, kopsu-, rinna- ja eesnäärmevähk, on näidatud ebanormaalset Hedgehogi signaaliraja aktivatsiooni.

Avastamine

1970. aastatel oli arengubioloogia fundamentaalseks probleemiks mõista, kuidas viljastatud munarakust saab areneda keeruline ja segmenteeritud kehaplaaniga organism. Kõige esimesena kirjeldati Hedgehogi signaalirada äädikakärbsel (Drosophila melanogaster). Hedgehogi geeni avastasid 1980. aastal Christiane Nusslein-Volhard ja Eric F. Weischaus, uurides mutatsioone, mis häirisid Drosophila vastse normaalset kehalist arengut. Nad isoleerisid muteerunud geene, mis kontrollisid kärbse ees- ja tagakehasuunalise kehatelje arengut. Nende ülereguleerimise mutageneesi uuring viis uue grupi geenide avastamiseni. Need geenid mängisid olulist rolli kehaplaanide normaalses arengus. 1995. aastal jagasid nad Nobeli auhinda Edward B. Lewisega D. melanogasteri embrüonaalses arengus esinevate geneetiliste mutatsioonide uurimise eest. Seega on Drosophila Hedgehogi geen tähtis, et areneksid välja peasuunalised ja tagakehasuunalised kehasegmendid. Kärbse Hedgehogi geen klooniti aastal 1992. Mõned Hedgehogi geenimutandid on ebanormaalse kujuga, lühikese ja harjaselise fenotüübiga. Nimi "Hedgehog" (inglise keeles 'siil') tuleneb lühikesest ja ogalisest Hedgehogi mutantset geeni kandvate Drosophila vastsete kutiikula fenotüübist, mis sarnaneb siili ogadega.

Ligandid

Imetajatel on Hedgehogi signaalirajas kolm ligandi ehk homoloogi, mis on sekreteeritavad. Nendeks on Indian Hedgehog, Desert Hedgehog ja Sonic Hedgehog. Sonic Hedgehogi (Shh) on neist kõige rohkem uuritud. Shh kontrollib selgmise-kõhtmise telje ning proksimaalse-distaalse telje korrapärast moodustumist. Shh on ka vahendajaks polariseeruva aktiivsusega ZPA-tsoonis, millest kujuneb pea- ja tagakehasuunaline telg.
Teise ligandi, Indian Hedgehogi (Ihh) kodeeritud signaal on vajalik luukoe korrapäraseks väljakujunemiseks.
Kolmandaks ligandiks ehk homoloogiks on Desert Hedgehog (Dhh). Seda toodetakse vaid areneva organismi gonaadis. Dhh-i on uuritud hiirtel. Defektse ligandi puhul on isased hiired viljatud, sest nende sugurakud ei küpse korrektselt.

Signaaliraja mehhanism selgroogsetel

Sonic Hedgehog (Shh) on kõige rohkem uuritud ligand selgroogsete Hedgehogi signaalirajas. Suurem osa teadmistest, mis on meil Hedgehogi raja kohta, ongi saadud Shh-i uurides. Shh on transleeritud umbes 45 kDa suuruse prekursorina. Prekursor on molekul, mis toetab keemilise reaktsiooni toimumist ja mis saab muutuda ühest ühendist teiseks. Sonic Hedgehogil on 20 kDa suurune N-terminaalne signaliseerimisjärjestus ja 25 kDa suurune C-terminaalne domeen, millel ei teata olevat signaliseerimisega seotud rolli. Mitu korda läbi rakumembraani käiv Patched valk seob ligande. Lisaks vajatakse GPCR-isarnast valku signaali edasikandumiseks. PC ehk primaarne ripse kontrollib selgroogsetes organismides Hedgehogi homoloogide vastuseid. Homoloogi puudumisel koondub Patched valk PC regiooni. See tagab GPCR-ilaadse valgu inaktiivse oleku. Sihtmärkide geeniekspressioon surutakse maha, kui PKA ehk proteiinkinaas A lõikab Gli geeni transkriptsioonifaktorit. Gli geen on aktivatsiooniks vähi tekkele. Gli ekspressiooni täheldatakse just tuumoris, mitte ümbritsevas koes. Patced valgust ja Hedgehogi homoloogist tekib kompleks, mis liigub edasi tsütoplasmasse. Patched valk ei pärsi enam GPCR-isarnase valgu aktiivsust ja see valk saab liikuda PC regiooni, kus PKA takistab Gli transkriptsioonifaktori lõikamist. Kui Gli geeni ei lõigata, käivitab GPCR-ilaadne valk ta funktsioonid. Edasi liigub ta targetgeenide transkriptsiooni aktiveerimiseks tuuma.

Hedgehogi signaaliraja sihtmärgistamine

Kõige lihtsam viis rada sihtmärgistada on moduleerida GPCR-ilaadset valku. Valgu antagonistid reguleerivad signaalirada allvoolu. Kliiniliselt kõige efektiivsem sihtmärgistaja-agent on tsüklopamiin. Teiseks sihtmärgistajaks on itrakonasool (sporanox), aga viimase mehhanism erineb tsüklopamiini ja vismodegiibi omast. Vismodegiibi kasutatakse basaalrakulise kartsinoomi raviks. Intrakonasool inhibeerib GPCR-ilaadset valku. Seda aga ainult samal ajal, kui rakul on mutatsioonid, mis väldivad vismodegiibi ja tsüklopamini antagoniste. Ka antikehadega saab seda signaalirada mõjutada. SiRNA Gli1 on allavoolu efektor ja tugev transkribeerimisaktivaator. Ta limiteerib rakukasvu ja suunab rake apoptoosile. Häirides Hedgehogi signaalirada ja Gli funktsioone, saab signaalirada alla suruda.

Roll

Hedgehogi ligandid on olulised paljudes keha normaalsetes ja ka patogeensetes arenguprotsessides. Hedgehogi signaalirada reguleerib kasvaja tüvirakkude kiiret jagunemist ja suurendab kasvaja levikut mujale organitesse. Signaaliraja inhibeerimine on üks võimalikke viise pärssida vähi arengut ja ennetada eri tüüpi kasvajate väljakujunemist.
Üheks paremini uuritud näiteks on Shh roll selgroogsete jäsemete kujunemisel. 1968. aastal uurisid J. W. Saunders Jr. ja M.T. Gasseling kana jäsemepungade arengut. See andis üldise arusaama jäsemete morfogeensuse väljakujunemisest. Nende uuring näitas, et kana jäsemete normaalset väljaarenemist määras kehas hajuv faktor. Seda difuusset faktorit toodab ZPA-tsoon (inglise keeles zone of polarizing activity), mis on väike piirkond jäseme posterioorsest äärealast.
Imetajate areng jälgib sama kujunemismustrit. Uuringud näitavad, et selleks hajuvaks faktoriks on Sonic Hedgehog. Siiski on siiani jäänud selgusetuks, kuidas Shh määrab kindlad jäsemeosad. On teada, et Shh kontsentratsioon ja selle vabanemise aeg kudedesse määrab jäseme arengu. Hedgehogi signaalirada mängib lisaks embrüonaalsele arengule rolli ka täiskasvanueas. Sonic hedgehog soodustab keha tüvirakkude proliferatsiooni keha kudedes.

Signaalirajaga seotud haigused inimesel

Hedgehogi signaaliraja normaalse töö häirimine embrüonaalse arengu ajal võib viia paljude kehaliste väärarenguteni. Signaalirada segavateks faktoriteks võivad olla geneetilised deleteerumismutatsioonid või mürkainete tarbimine raseduse ajal.
Holoprosentsefaalia on haigus, kus embrüonaalses staadiumis idulase eesaju ei jagune kaheks ajupoolkeraks. Seda haigust esineb sünnisagedusega 1/8000 ja nurisünnituste puhul sagedusega 1/200. Tavaliselt on see haiguse kujunemine seotud geenimutatsioonidega Hedgehogi signaalirajas, kaasa arvatud mutatsioonidega Shh ligandis ja PTCH valgus. Holoprosentsefaalia kõige raskemaks vormiks on kükloopia. See tekib, kui raseduse ajal tarbitakse tsüklopamiini, mis on signaaliraja inhibiitoriks.
Hedgehogi signaaliraja aktivatsiooni on seostatud mitmete vähkkasvajate arenguga paljudes organites, nagu näiteks peaajus, kopsus, piimanäärmetes, nahas ja eesnäärmes. Basaalrakulisel kasvajal on väga suur seos Hedgehogi signaalirajaga. Lisaks on basaalrakuline kasvaja kõige enam levinud pahaloomuline kasvaja. Selle kasvajaga patsientidel on näidatud PTCH valgu aktivatsiooni vähenemist ja GPCR-ilaadse valgu mutatsioone. Signaaliraja ebanormaalne aktivatsioon sunnib keha tüvirakke transformeeruma vähirakkudeks, mis omakorda viib haiguste kujunemise ja vähi tekkeni. Vaigistades signaalirada teatud inhibiitoritega, on teadlastel lootus, et tulevikus saab luua tõhusa ravimeetodi, millega ravida ja ära hoida pahaloomulisi muutusi siganaalirajas.