Wnt signaalirada

Wnt signaalirada on valkude võrgustik, mis vahendab signaale raku pinnaretseptorite ja tuumas aset leidva geeniekspressiooni vahel.
Wnt rada on äärmiselt konserveerunud (evolutsioonis muutumatuna püsinud) järkjärguline signaali ülekanne ühelt valgult teisele, millel on keskne roll embrüonaalses arengus, kudede taastekkes (ehk regeneratsioonis) ning ta osaleb ka mitmetes muudes bioloogilistes protsessides. Sihtmärkrakkude populatsioon reageerib sekreteeritud Wnt signaalmolekulidele kontsentratsioonist sõltuval viisil. Wnt kontsentratsiooni gradient määrab geeniekspressiooni ja rakkude diferentseerumise. Tänu sellele on Wnt molekulidel keskne roll signaali ülekande radades. Wnt molekulid on aluseks rakkude jagunemisele, ellujäämisele ja diferentseerumisele. Wnt signaaliraja tähtsust ilmestab juba fakt, et Wnt signaali alaregulatsiooni tingimustes moodustuvad vähkkasvajad või muud haigused. Viimastest uuringutest on ilmnenud, et Wnt molekulid mängivad rolli ka immuunsüsteemis. On näidatud, et Wnt signaal reguleerib T-rakkude arengut ja aktivatsiooni ning samuti dendriitrakkude küpsemist.
Esineb vähemalt kolm tüüpi Wnt signaaliradu: kanooniline rada, planaarne raku polaarsuse (PCP) rada ja Wnt/Ca2+ rada. Kanoonilises Wnt rajas kinnitub Wnt ligand oma retseptorile, mis inhibeerib beetakateniini lagundava kompleksi teket, stabiliseerides seega tsütoplasmaatilist beetakateniini. Vabanenud beetakateniin saab seejärel liikuda tuuma, kus ta interakteerub TCF perekonna transkriptsioonifaktorite ja kaasatud koaktivaatoritega. Sellise signaaliülekandega reguleeribki Wnt valk geeniekspressiooni. Planaarse raku polaarsuse signaaliraja tulemiks on väikeste GTPaaside RHOA ja RAC1 aktivatsioon, mis omakorda aktiveerivad JNK stressi kinaasi ning ROCK-i, tuues endaga kaasa tsütoskeleti remodelleerimise ja muutused raku adhesioonis ja liikuvuses. G-valgud ja fosfolipaasid vahendavad Wnt-Ca2+ signaali, mille tulemuseks on lühiaegne vaba tsütoplasmaatilise kaltsiumi kontsentratsiooni tõus, mis lõpuks aktiveerib PKC (proteiinkinaas C) kinaasi, CAMKII-e (kaltsium-kalmoduliin sõltuv kinaas II ) ja fosfataasi kaltsineuriin.
Avastamine.
1982. aastal avastasid Roel Nusse ja Harold Vamus Int1 ("Integrase I") geeni, esimese Wnt signaaliraja geeni. Nad leidsid, et selle geeni tehislik aktiveerimine hiire rinnatuumori viiruse (MMTV) abil hiires põhjustab nende mudelorganismis rinnavähi teket. Umbes samal ajal avastas Christiane Nüsslein-Volhard, keda hiljem tunnustati Nobeli auhinnaga, et äädikakärbsel "Drosophila melanogaster" ei arenenud "Wingless" (Wg) geeni puudumisel tiibu. Lõpuks tuli välja, et Nusse avastatud hiirte rinnavähi onkogeen Int1 on identne "Drosophila" geeniga "Wingless". Sellest johtuvalt pakkus Nusse välja uue nomenklatuuri, kombineerides "Wingless" ja "Int1", moodustades nimetuse "Wnt". Sellest ajast saati on teadlased avastanud rohkem kui 100 lisageeni, mis mängivad rolli Wnt signaalirajas.
WNT geeniperekond.
Wnt-1 geeni identifitseerimisest saati on genoomide sekveneerimine paljastanud veel 18 Wnt geeni olemasolu imetajates, mida saab järjestuste sarnasuse alusel jagada 12-sse tugevalt konserveerunud alamperekonda. Varases arengustaadiumis mitmerakulistes organismides on paljud nendesse alamperekondadesse kuuluvad geenid tugevalt konserveerunud, mis tõstab esile Wnt raja ülitähtsa rolli kehamustri kujunemises kogu loomariigis. Kõigil Wnt valkudel on ühised omadused, mis on vajalikud nende talitlemiseks, sealhulgas sekretsiooniks tarvilik signaalpeptiid, paljud potentsiaalsed glükosüülimise saidid ja arvuliselt tsüsteiinijääke, mis vastutavad valkude õige pakkimise ja sekretsiooni eest. Mõningate eranditega (Wg, Wnt3/5, Wnt4) on Wnt valgud üldiselt umbes 350 aminohapet pikad ja nende ligikaudne molekulaarne kaal jääb 40 kDa piirimaile.
Kanooniline Wnt rada.
Wnt signaaliradu rühmitatakse kanoonilisteks ehk beetakateniinist sõltuvateks ja mittekanoonilisteks ehk beetakateniinist sõltumatuteks Wnt radadeks. Kanoonilise Wnt raja lihtsustatud mudel (hematoloogilise vähkkasvaja näitel) on välja toodud joonisel 1. Wnt on grupp tsüsteiinirikkaid sekreteeritavaid glükoproteiine, mille liikmeid on avastatud väga mitmesugustes liikides, alates ümarussidest ja putukatest kuni inimeseni välja.
Kui Wnt ligandi kinnitumist tema retseptorile ei toimu (joonis 1, a), degradeerib "hävitaja-kompleks" tsütoplasmaatilise beetakateniini. Selles kompleksis käitub aksiin kui "tapalava" valk, millele kinnituvad kooloni adenomatoosne polüpoos (APC), glükogeeni süntaasi kinaas 3β (GSK-3β) ja kaseiini kinaas 1α (CK1α). Selline kompleks hõlbustab beetakateniini järjestikulist fosforüülimist (kinaas CK1α fosforüülib 45' seriini ja 41' treoniini, GSK-3β fosforüülib 37', 33' seriini). Sellele järgnevalt tunneb beetatrandutsiini kordusi sisaldav valk (beetaTrCP) fosforüülitud beetakateniini ära ja ubikvitiin-proteasoomi raja kaudu toimub tema pidev lagundamine.
Wnt signaliseerimine aktiveeritakse Wnt-ide ligatsiooni kaudu (joonis 1, b) oma vastavatele dimeersetele raku pinnaretseptoritele, mis koosnevad seitsmest transmembraansest käharakujulisest Fz ("frizzled") valgust ja madalmolekulaarse lipoproteiini retseptoriga seotud valgust 5/6 (LRP5/6). Pärast retseptoritele ligeerumist kaasatakse kompleksi tsütoplasmaatiline säbruline valk Dvl ("dishevelled"), mis fosforüülimise kaudu aktiveeritakse. Dvl aktivatsioon indutseerib GSK-3β dissotsiatsiooni aksiinilt, mille kaudu GSK-3β inhibeeritakse. "Hävitaja-kompleksi" inaktivatsiooni tulemusel takistatakse ka beetakateniini fosforüülimine ja degradeerimine. Seejärel transporditakse stabiliseeritud beetakateniin tuuma. Nukleaarne beetakateniin on lõplik efektor, mis seostub Tcf/Lef (T-raku faktor ja lümfoide tugevdav faktor) transkriptsioonifaktoritele. Selle tulemusel muudetakse mitmete märklaud-geenide ekspressiooni, mis reguleerivad rakkude jagunemist, diferentseerumist ja ellujäämist, raku polaarsust ja isegi angiogeneesi.
Planaarse raku polaarsuse rada.
Planaarse raku polaarsuse (PCP) Wnt signaalirada (joonis 2) mängib olulist rolli embrüonaalsete kudede moodustumises, raku polaarsuses, migratsioonis ja morfogeneesis. PCP rada ühes Wnt/Ca2+ rajaga kuuluvad mittekanooniliste Wnt signaaliradade hulka, mis tähendab, et need rajad on beetakateniinist sõltumatud. PCP rada on vähem mõistetud ja iseloomustatud, kuid tõestusmaterjali hulk koguneb kiirelt. PCP rajas on olulisel kohal Fz ("frizzled") retseptorid ja intratsellulaarne Dvl ("dishevelled") valk, mis kujutavad endast ka kanoonilise ja mittekanoonilise raja hargnemispunkti. Wnt ligandide olemasolu nõue on põhjustanud vasturääkivusi, kuid mõned neist, nagu Wnt5, Wnt7 ja Wnt11, näivad vähemalt selgroogsetes mängivat olulist rolli. Tuumikkomponentide hulka kuuluvad veel rakumembraanivalgud Vangl2 (Strabismus/Van Gogh valkude homoloog) ja Celsr1 (Flamingo valgu homoloog) ning tsütoplasmaatiline Prickle. Lisaks kuuluvad selgroogsete PCP signaaliratta veel Ptk7, Scrib ja allavoolu ("downstream") asuvate geenide efektor Daam1. PCP raja komponentide asümmeetriline ja polaarne membraaniga seotus on avastatud "Drosophilas". Analoogne mudel on leitud ka imetajates.
Scrib interakteerumine Vangl2-ga mängib rolli Vangl2 asümmeetrilises positsioneerimises. Celsr1 panustab samuti Vangl2 asümmeetrilisse lokaliseerumisse. Ka Ptk7 näib interakteeruvat Vangl2-ga, kuid interakteerumise täpset mehhanismi veel ei teata. Vangl valk seostab enda külge Pricle'i, mis seejärel saab seostuda ja seega takistada Dvl kompleksi Fz-ga. Fz aktivatsiooni ja Dvl värbamise kaudu aktiveeritakse Rho perekonda kuuluv väike monomeerne G-valk RhoA. Seda tänu interakteerumisele Daam1 ja Rac-iga ning järgnevale Rho/Rac/Cdc42 ja C-Jun N-terminaalse kinaasi (JNK) radade valla pääsemisele. Esimene neist radadest kontrollib tsütoskeleti ümberkorraldusi ja organisatsiooni ning teine mõjutab geeniekspressiooni. PCP-raja alaregulatsioon on inimestel seotud mitmete haigustega, kaasa arvatud vähiga.
Wnt/Ca2+ rada.
Mittekanoonilist Wnt/Ca2+ rada (joonis 3) on kindlasti vähem kirjeldatud kui kanoonilist Wnt/beetakateniini rada. Wnt/Ca2+ signaalirada iseloomustatakse kui väga olulist vahendajat arenguprotsessides. On tõestatud, et see signaalirada on seotud paljude erinevate molekulaarsete fenomenidega, kuigi paljud aspektid on siiski veel tundmatud.
Wnt ligandi ja Fz retseptori interaktsiooni (kaasatud ka koretseptor Ror1/2) tulemusel toodetakse membraaniseoselisest fosfolipiid fosfatidüül-inositool-4,5-bisfosfaadist (tänu aktsioonile membraanseoselise ensüümi PLC-ga) IP3-e ja DAG-i. Moodustub kolmevalguline kompleks Dvl-aksiin-GSK, kus GSK vahendab Ror-koretseptori fosforüülimist. IP3 põhjustab Ca2+ vabanemise endoplasmaatilisest retiikulumist; aktiveeritakse kaltsineuriin (Cn) ja CamKII, mis omakorda aktiveerivad aktiivsete T-rakkude tuumafaktorit (NFAT) ja tuumafaktorit κB (NFκB). Vabanenud kaltsiumi tulemusel aktiveerub DAG, mis aktiveerib PKC. PKC aktiveerib NFκB ja CREB-i. NFAT, NFκB ja CREB translokeeruvad tuuma ja trasnkribeerivad allavoolu asuvaid regulaatorseid geene. Wnt/Fz retseptor-ligand interaktsioon võib kaltsiumist sõltuvalt aktiveerida fosfodiesteraas-6 (PDE6), vähendades tsüklilise guanosiinmonofosfaadi (cGMP) hulka. Wnt5a/Ror signaaliraja aktivatsiooni tõttu toimub Siah2, calpain ja CDX2 produktsioon. Siah2 alareguleerib beetakateniini taset. Calpaini aktivatsioon (kaltsiumist sõltuval viisil) lõhustab tsütoskeleti valke filamiini ja spektriini. CDX2 võib käituda kui transkriptsioonifaktor, ekspresseerides allavoolu asuvaid geene.