查看: 1076|回复: 5

影响细胞分化的通路—Wnt信号传导通路(上)

[复制链接]

迅猛龙

Rank: 8Rank: 8

主题
209
注册时间
2020.6.16
在线时间
125 小时

发表于 2021.3.2 09:24:21 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 基迪奥-Jt桃 于 2021.3.2 09:23 编辑

和周老师学kegg 通路系列文章持续更新中,本期将继续介绍的是核心35通路中的Wnt信号传导通路,主要内容有Wnt通路在kegg通路中的位置、简要结构、Wnt蛋白家族及其胞外分泌过程、Wnt受体及相关调节,在下期文章中将分享的是Wnt信号通路中经典Wnt/β-catenin信号通路的信号传导过程、非经典的Wnt/PCP通路、非经典的Wnt/Ca2+离子通路。

Wnt信号传导通路(ko04310)简介及在kegg通路中的位置

Wnt信号传导途径是由配体蛋白质Wnt和膜蛋白受体结合激发的一组信号转导途径。Wnt 信号通路在动物间存在遗传学上的高度保守性,不同的动物物种间极为相似。1982年,Wnt基因首次在小鼠乳腺癌中发现,由于此基因激活与“小鼠乳腺癌相关病毒”的基因组整合插入有关,因此,当时被命名为Int1(interated1, 整合的意思)基因。之后的研究表明,Int1基因在小鼠正常胚胎发育中发挥重要作用,与果蝇的无翅(Wingless)基因是功能相似的同源基因。研究者将Wingless与Int1合并,赋名为Wnt基因。

我们再来看看Wnt通路在kegg通路中的位置。在前文提到的kegg核心35通路中(下图),Wnt通路一共与7个通路存在直接连接。Wnt通路是一个偏上游的通路,其会参与细胞周期、肿瘤等通路的调节

图1  Wnt通路在35个核心通路中与直接相关的通路

如果看整个kegg数据库中,与Wnt通路存在直接关系的通路为27个,数量并不算多(数量少点,终于可以画一张清晰的图了)。但其中14个与疾病相关(其中9个是癌症)。所以,Wnt通路在癌症研究领域也是一个比较热门的通路。另外一个比较关注Wnt通路的疾病类型是退行性疾病。有许多退化性疾病与Wnt信号通路异常相关,比如骨密度、牙齿发育和视网膜的发育异常、埃尔海默症等。

图2  Wnt最直接相关的27个通路网络示意图

图3  Wnt通路涉及的kegg通路的分类

Wnt信号传导通路的简要结构

Wnt信号传导通路也是一个典型的信号传导通路。从kegg信号图中从左往右看,和前面介绍过的信号传导通路都类似。细胞膜外的Wnt蛋白通过结合并激活膜受体将信号传入细胞,然后通过激活特定的转录因子激活下游基因表达,从而完成细胞周期、细胞骨架改变等细胞生长相关的通路调节。

经典的Wnt途径是Wnt/β-catenin途径,即Wnt信号以β-catenin为关键节点调控下游通路。除此之外,Wnt途径还可以依赖其他分子调控下游通路,这些称为非经典Wnt信号通路,包括Wnt/PCP(Planar cell polarity ,平面细胞极性)通路、Wnt-RAP1信号通路、Wnt-Ror2信号通路、Wnt-PKA通路、Wnt-GSK3MT通路、Wnt-aPKC通路、Wnt-RYK通路、Wnt-mTOR通路和Wnt/Ca2+离子通路等。当然这些通路也不是完全独立,而是彼此之间有相当多的重叠。

不同的Wnt配体和对应的Wnt受体FZD(Frizzled)对可以分别激活这些途径,并导致独特的细胞反应。Wnt/β-catenin途径主要调节发育期间的细胞命运,而Wnt/PCP途径的主要功能是通过调节细胞骨架组织来调节细胞的极性。Kegg图中(kegg图从上往下看)就展示了经典Wnt通路以及其中两种非经典Wnt信号通路。

图4 kegg中的Wnt通路图包括经典和非经典通路

Wnt蛋白家族以及其胞外分泌过程

在哺乳动物中,Wnt基因家族共有19个成员。Wnt家族中的直系同源物可以追溯到所有动物门:哺乳动物中的Wnt1是水螅和果蝇中Wnt1的真正直系同源物。在功能上,不同的Wnt配体蛋白是高度保守的。只是不同Wnt蛋白的表达具有时空特异性,因此可以参与不同组织发育过程的调控。

WNTs约为40 kDa,是一种分泌蛋白,呈现两种信号传导方式:胞间交流(旁分泌)或者自体细胞的交流(自分泌)。如下图展示了Wnt1的结构域,其带有一个N末端信号肽(红色),共有20多个保守的半胱氨酸(蓝色竖线)和若干个的N-糖基化位点(粉色)。两个脂质修饰位点Cys93和Ser225,以及下文将要提到的棕榈酰转移酶的结合结构域(绿色区域)也已在图中标示了。

图5 哺乳动物Wnt家族19个成员以及Wnt1的结构域示意图

在kegg通路中主要展示的是Wnt蛋白如何与配体结合并调节下游通路,但没有详细展示Wnt如何被分泌到细胞外,这里补充一下这部分内容。

在Wnt合成过程中,在内质网上Wnt被一种叫做棕榈烯酸的脂酰基修饰。这种修饰是所有Wnts的共同特征,由一种特殊的棕榈酰转移酶Porcupine(Porc)完成修饰。脂酰基主要作为Wnt受体Frizzled(FZD)的结合基序,即只有被脂质修饰的Wnt才可以被受体FZD结合。另外脂质修饰也使Wnt蛋白疏水,并可能将其束缚在细胞膜上,这有助于限制Wnt的扩散以及作用范围。脂质修饰的Wnt的转运受跨膜蛋白Wnless/Evi(Wls)调节,中间可能涉及内体(endosome)。然后Wnt通过胞泌小泡(Exocytic vesicle)被分泌到细胞外。在细胞外,Notum酶可以作为脱酰基酶,去除脂质并使Wnt失活(无法与受体FZD结合)。

图6 Wnt分泌模型

Wnt受体以及相关调节

在细胞表面,Wnt蛋白结合两类蛋白分子构成的受体复合物——Frizzled(FZD)和LRP5/6异二聚物。FZD蛋白具有7个跨膜区和细胞外富含N-末端半胱氨酸的结构域(CRD)。CRD是Wnt结合的主要结构域。CRD有多个与Wnt相互作用的表面,包括一个疏水口袋可以结合到Wnt的脂质上。在信号传递过程中,FZDs与单次跨膜的共受体LRP5/6协同作用。与Wnt蛋白的结合将导致两种受体的二聚化和构象改变,进而激活下游通路。

图7 Wnt的经典受体FZD与LRP5/6以及相关的Wnt信号调节机制

FZD蛋白是Wnt信号的主要受体。Wnts可结合FZD的CRD结构域。共受体LRPs是单次跨膜蛋白,可以被包括GSK3和CK1在内的几种蛋白激酶磷酸化。Wnt激活蛋白Rspo在细胞表面与LGR5家族成员相互作用,以增强Wnt信号。跨膜蛋白ZNRF3和RNF43是Wnt信号的负调节因子。它们具有作用于FZD分子的E3泛素连接酶活性,导致这些受体的降解。Rspo与ZNRF3的结合可以下调ZNRF3的活性,从而增强了Wnt信号。

Wnts和FZD/LRP受体并不是彼此的唯一配体。比如由NDP基因编码的Norrin也能结合并激活Wnt受体(下图)。在人类中调节血脑屏障和其他脉管系统区域时,Wnt7不仅能与FZD4和LRP相互作用,还能与多途径跨膜蛋白Gpr124相互作用。在血管发育期间。Norrin也可以作为FZD4/LRP5复合物的配体。四氢大麻酚家族成员Tspan12可以是诺林特异性共受体。

而在kegg图中展示的另外两个非经典的Wnt通路中(PCP途径和钙离子途径),Wnt信号传导就是与另外两种受体相关。ROR和RYK酪氨酸激酶受体,能够分别使用CRD或WIF结构域与Wnt配体结合(下图)。一旦被激活,这些受体就会启动非经典的Wnt信号通路。

图8 其他类型的Wnt/受体结合模式

图9 kegg图中展示的Wnt相关抑制剂

在kegg图中,展示若干经典的对Wnt产生调节的Wnt抑制剂。这些分子的抑制效应分为几种类型:

①调节配体Wnt的修饰

Notum是一种可以去除Wnt上棕榈酸酯修饰的羧酸酯酶,让Wnt失去FZD的结合能力。

②直接与配体Wnt结合

这种类型包括FRP和WIF,两者都能够直接结合Wnt,从而抑制其与受体结合。

③结合并调节受体

这种类型包括Dickkopf(DKK)和SOST家族的蛋白质。这些分子通过结合LRP5/6干扰Wnt配体信号,可能破坏Wnt诱导的FZD-LRP二聚化。

另外,上文提到过的两个高度同源的Wnt靶基因ZNRF3和RNF43,是Wnt信号的有效负反馈调节因子(即这个两个基因的表达可以被Wnt激活,但这个两个蛋白反过来又对Wnt信号进行抑制)。它们具有作用于FZD的E3泛素连接酶活性,这导致Wnt受体FZD的快速内吞和降解(图7左图)。这两种E3连接酶的缺失会导致对细胞对内源性Wnt信号的高反应性。已经在多种人类癌症中观察到RNF43和ZNRF3的突变,使得恶性肿瘤细胞对Wnt信号的依赖性比健康细胞低得多。这类肿瘤细胞对Wnt受体/配体抑制剂敏感。

另外一个值得关注的Wnt激活蛋白是Rspo(R-Spondin),在kegg图中显示其对ZNRF3和RNF43有抑制作用。脊椎动物基因组包含四种Rspo分泌蛋白(genecards数据库中同样可以查到这4个基因)。Rspo在细胞表面与Lgr家族成员(包括Lgr4、Lgr5和Lgr6)相互作用,以增强Wnt信号。之所以提到Lgr家族,是因为该家族成员(例如Lgr5)是干细胞的marker基因之一,在单细胞测序的文章中会经常出现。Wnts信号本身并不足以使Lgr5+干细胞自我更新,而是还需要依赖Rspo的受体Lgr5等持续表达。

Rspo和Lgr是如何放大Wnt信号的呢?Rspo以Lgr依赖的方式可以促进ZNRF3和RNF43在细胞膜被清除,从而增加了Wnt/ FZD/LRP受体复合物在质膜上的持续时间,提高Wnt信号强度和持续时间(图7)。

文末福利

学习了kegg通路的解读,那么自己从RNA-seq分析结果中挖掘关键信息就水到渠成了。哪里有高性价比的转录组测序和分析服务呢?试试基迪奥OM商城。

基迪奥OM商城正式上线,推出全新组学解决方案,转录组测序分析低至649元/样;微生物扩增子测序分析低至164元/样!更有2020年末特惠,即日起,在OM商城下单满额,即送OmicShare会员、生信培训班、原创书籍等超多福利!(不与线下预付款下单优惠共享)


OmicShare VIP介绍:
https://www.omicshare.com/vip/

OM商城地址:

https://www.omicsmart.com/home.html#/

什么是OmicShare?你可以了解下哦。kegg解读系列文章中的kegg通路间的网络图,以及包括kegg注释,kegg富集分析等经典生物信息分析,都可以使用基迪奥公司开发的在线分析小工具Omicshare tools完成。使用这些在线工具,不需要任何编程基础,就可以完成专业的kegg分析工作。在这个平台上百个小工具里,kegg相关的工具也是最受用户喜欢的工具。

在线工具地址:
https://www.omicshare.com/tools/


参考文献
1. Miller, J.R. The Wnts. Genome Biol 3, reviews3001.1 (2001). https://doi.org/10.1186/gb-2001-3-1-reviews3001
2. Clevers,H. Wnt/beta-catenin signaling in development and disease. Cell 127,469–480 (2006).

3. MacDonald,B. T., Tamai, K. & He, X. Wnt/beta-catenin signaling: components, mechanisms, and diseases. Dev. Cell 17, 9–26 (2009).
4. De A. Wnt/Ca2+ signaling pathway: a brief overview. Acta Biochim Biophys Sin (Shanghai). 2011 Oct;43(10):745-56.
5. Herr, Patrick, George Hausmann, and Konrad Basler. "WNT secretion and signalling in human disease." Trends in molecular medicine 18.8 (2012): 483-493.
6. Nusse,R. & Clevers, H. Wnt/beta-catenin signaling, disease, and emerging therapeutic modalities. Cell, 169, 985–999 (2017).

本文作者:基迪奥-周老师

本帖子中包含更多资源

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
新的一天加油!
回复

使用道具 举报

迅猛龙

Rank: 8Rank: 8

主题
0
注册时间
2020.11.21
在线时间
30 小时

发表于 2021.3.2 12:09:09 | 显示全部楼层
坚持就是胜利!
回复

使用道具 举报

中华鲟

Rank: 5Rank: 5

主题
1
注册时间
2016.8.25
在线时间
62 小时

发表于 2021.3.2 13:25:42 | 显示全部楼层
又来学习综述文章了,谢谢周老师
假期愉快
回复 支持 反对

使用道具 举报

迅猛龙

Rank: 8Rank: 8

主题
0
注册时间
2020.11.21
在线时间
30 小时

发表于 2021.3.3 11:55:03 | 显示全部楼层
坚持就是胜利!
回复

使用道具 举报

迅猛龙

Rank: 8Rank: 8

主题
3
注册时间
2017.9.8
在线时间
26 小时

发表于 2021.3.4 08:05:28 | 显示全部楼层
加油,加油!
回复

使用道具 举报

钵水母

Rank: 3Rank: 3

主题
0
注册时间
2018.11.22
在线时间
10 小时

发表于 2021.3.6 20:57:47 | 显示全部楼层
新的一天加油!
回复

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

快速回复 返回顶部 返回列表