Сигнальний шлях Wnt (від та «Int-1») — це один із міжклітинних сигнальних шляхів генної регуляторної мережі, який активують секреторні білки родини Wnt, модифіковані ліпідами. Регулює проліферацію, , детермінацію долі клітин, формування нейронних структур та органогенез під час ембріогенезу.
У дорослому організмі сигнальний шлях Wnt бере участь у підтримці тканинного гомеостазу, активності стовбурових клітин у тканинах кишечника, шлунка, шкіри та молочної залози, а також регенерації у безхребетних і хребетних тварин.
Класифікація Передачу сигналів Wnt поділяють на канонічний (β-катенін-залежний) та неканонічні (β-катенін-незалежні) шляхи.
Класи білків Wnt За функціональною спрямованістю ліганди Wnt поділяють на два класи: клас Wnt1 (Wnt1, Wnt3, Wnt3a, Wnt8a та Wnt8b) пов'язаний із канонічним Wnt/β-катеніновим шляхом та клас Wnt5a (Wnt4, Wnt5a, Wnt5b, Wnt6, Wnt7a, Wnt7b та Wnt11), асоційований із неканонічними Wnt-шляхами. Для ефективної секреції та подальшого зв'язування з рецепторами білки Wnt мають зазнати пальмітоїлювання ацилтрансферазою Porcupine (PORCN).
Канонічний сигнальний шлях Wnt (Wnt/β-катенін)
Головна функція канонічного Wnt-сигнального шляху — регуляція стабільності білка β-катеніну. За відсутності Wnt-сигналу вільний (не зв’язаний із кадгеринами) β-катенін фосфорилюється комплексом деградації (), до якого входять GSK3β, Axin/Conductin, APC та . Спочатку CK1α фосфорилює β-катенін за залишком Ser45, після чого послідовно фосфорилює залишки Thr41, Ser37 та Ser33. Фосфорильований β-катенін розпізнає убіквітин-лігаза β-TrCP, після чого він зазнає деградації в протеасомах. Коли ж Wnt-ліганди секретуються клітиною, вони зв'язуються з трансмембранними рецепторами родини та корецепторами родини (LRP5/6). Рецепторний комплекс фосфорилюється й залучає Axin до плазматичної мембрани, що інактивує комплекс деградації та запобігає деградації β-катеніну. Накопичений вільний β-катенін транспортується до ядра, де як транскрипційний коактиватор утворює активний комплекс із факторами транскрипції та іншими білками-активаторами (, BCL9, Pygo).
Канонічний шлях Wnt можуть модулювати й інші ліганди. Так Norrin активує цей шлях через Fzd4 та LRP5, тоді як R-спондини (RSPO) посилюють сигнал Wnt через G-білокспряжені рецептори LGR4, LGR5 та LGR6.
Неканонічні шляхи Wnt
До неканонічних Wnt-шляхів належать два основні каскади: шлях площинної полярності клітин (Wnt/PCP) та кальцієвий шлях (Wnt/Ca2+).
У Wnt/PCP-шляху ліганди Wnt (WNT5A, WNT7A та WNT11) зв'язуються з рецепторами родини Frizzled на поверхні клітини, ініціюючи сигнальний каскад через білок Dishevelled . Ця активація запускає передачу сигналу через малі ГТФази Rho/ та (JNK).
У Wnt/Ca2+-шляху білки Wnt, такі як WNT5A, WNT11 та WNT1, також взаємодіють із рецепторами Frizzled. Через Dvl/Dsh та G-білкове сигналювання це активує фосфоліпазу C (PLC) та спричиняє вивільнення внутрішньоклітинного Ca2+. Крім того, Dvl/Dsh може активувати , яка знижує рівень внутрішньоклітинного та додатково підвищує концентрацію Ca2+. Збільшення вмісту Ca2+ посилює фосфорилювання TCF/LEF, тим самим пригнічуючи канонічний Wnt-шлях.
Структура До основних корецепторів сигнального шляху Wnt належать LRP5/6, , ROR2, ADGRA2, RECK і TMEM59.
Регуляція На інтенсивність Wnt-сигналу додатково впливає низка допоміжних чинників. Так родина секреторних білків, споріднених із Frizzled (, SFRP1, SFRP2, SFRP3, SFRP4, SFRP5) пригнічує Wnt-каскад шляхом конкурентного зв'язування лігандів або формування нефункціональних комплексів із рецепторами Frizzled. Подібний механізм має й білок WIF1, який є антагоністом сигнального шляху Wnt, що безпосередньо зв'язується з лігандами Wnt і блокує їхню взаємодію з рецепторами.
Білки родини Dickkopf (, DKK1, DKK2, DKK3, DKK4) пригнічують Wnt-сигнал, індукуючи ендоцитоз корецепторів LRP5/6, тоді як склеростин інгібує цей шлях, імовірно, через взаємодію з LRP5.
Крім того, сигнальний шлях саморегулюється за принципом негативного зворотного зв'язку. Деякі гени-мішені, що активуються Wnt, згодом пригнічують активність самого каскаду. Так ген NOTUM кодує секреторний фермент, який відщеплює жирнокислотний залишок від Wnt, тим самим інактивуючи його. Інший ген-мішень кодує трансмембранний білок RNF43 — E3-убіквітинлігазу, яка спрямовує Frizzled на деградацію.
Важливим позитивним регулятором канонічного шляху Wnt є протеїнфосфатаза , яка здійснює дефосфорилювання β-катеніну, що стабілізує його в цитоплазмі та посилює передачу сигналу.
Взаємодії Wnt тісно взаємодіє з іншими сигнальними шляхами, зокрема , Notch, , NF-κB, PI3K/Akt/mTOR та іншими.
Медичне значення Порушення нормальної регуляції сигнального шляху Wnt має критичні наслідки для ембріонального розвитку людини та є етіологічним чинником багатьох плейотропних патологій.
Вроджені та генетичні патології Порушення неканонічного Wnt/PCP-шляху є однією з причин дефектів закриття нервової трубки у людини, зокрема spina bifida, оскільки цей шлях регулює закриття нервової трубки, керуючи клітинною полярністю та процесами конвергентного витягування під час морфогенезу . Попри те, що канонічний шлях Wnt передусім відомий своєю роллю у розвитку скелета, фолатна недостатність здатна викликати дефекти закриття нервової трубки через канонічний шлях Wnt. Внаслідок підвищення експресії GCM1 виникає аномальна активація сигнального шляху Wnt/β-катенін, що порушує експресію AXIN2 та спричиняє дисбаланс між проліферацією й апоптозом у та унеможливлює належне закриття нервової трубки.
При циліопатіях, таких як та , мутації у структурних білках війок (наприклад, MKS1) порушують передачу сигналів, опосередковану первинними війками, що призводить до гіперактивації канонічного шляху Wnt/β-катенін. Ці дефекти спричиняють комплексні вади розвитку, зокрема полікістоз нирок.
При синдромі Клайнфельтера анеуплоїдія X-хромосоми та дефекти її інактивації призводять до надмірної активації сигнального шляху Wnt.
Онкологічні захворювання Порушення канонічного шляху Wnt спричиняє розвиток багатьох злоякісних пухлин, їхню ініціацію, прогресію та метастазування через геномні порушення, епігенетичні модифікації, взаємодію з .
Встановлено зв'язок між аномальною активацією шляху Wnt та патогенезом колоректального раку, папілярного раку щитоподібної залози, плоскоклітинного раку стравоходу, раку печінки, молочної залози, шлунка. При цьому колоректальний рак демонструє найвищу частоту мутацій APC (67%) у спорадичних пухлинах, потім за частотою йдуть мутації RNF43 (8%), CTNNB1 (6%) та AXIN2 (5%). І навпаки, при раку печінки спостерігаються мутації у генах CTNNB1 (25%) та AXIN1 (8%), при раку підшлункової залози виявлять мутації RNF43 (6%), а при раку надниркових залоз — мутації ZNRF3 (20%) або CTNNB1 (15%).
Патології опорно-рухового апарату Остеопороз, остеоартрит та порушення зрощування переломів — основні патології скелета, в яких сигнальний шлях Wnt регулює ремоделювання та морфогенез кісткової тканини.
У нормі сигнальний шлях Wnt/β-катенін стимулює експресію Runx2 та Osterix, посилюючи остеогенез, тоді як його пригнічення є однією з причин розвитку остеопорозу. SOST пригнічує сигнальний шлях Wnt, конкуруючи за зв'язування з LRP5/6, що пригнічує утворення кісткової тканини. Аптамери, що таргетують SOST (наприклад, Apc001OA), відновлюють активність Wnt, посилюють остеогенну диференціацію та сприяють мінералізації матриксу. Генетичні варіанти WNT1, WNT5B та ARHGEF15 додатково впливають на гомеостаз кісткової тканини через зміни в експресії лігандів, їхньої секреції та цитоскелетних сигнальних шляхах.
При остеоартриті помірна активність канонічного шляху Wnt підтримує гомеостаз хондроцитів, тоді як його надмірна активація спричиняє накопичення β-катеніну, гіпертрофію хондроцитів та підвищення експресії ферментів, які руйнують матрикс (MMP13, ), що прискорює дегенерацію хряща.
Серцево-судинні патології Сигнальний шлях Wnt залучений до всіх етапів розвитку атеросклерозу, від ендотеліальної дисфункції до формування атеросклеротичної бляшки.
Пригнічення канонічного Wnt-шляху виявлено при аритмогенній кардіоміопатії (АКМ) людини навіть за відсутності явних ознак серцевої недостатності.
Нейродегенеративні порушення Сигнальний шлях Wnt підтримує виживання нейронів, синаптичну пластичність і цілісність мітохондрій. Натомість порушення його регуляції сприяє розвитку та прогресуванню нейродегенеративних захворювань, таких як хвороба Альцгеймера, хвороба Паркінсона та хвороба Гантінгтона, які супроводжуються поступовою втратою нейронів і синаптичною дисфункцією.
При хворобі Альцгеймера сигнальний шлях Wnt/β-катенін пригнічує утворення бета-амілоїду (Aβ), знижує гіперфосфорилювання тау-білка та підтримує синаптичну стабільність.
Мутації, пов'язані з хворобою Паркінсона, як-от LRRK2 G2019S, пригнічують сигнальний шлях Wnt, тоді як активація Wnt1, навпаки, стимулює нейрогенез і сприяє функціональному відновленню.
Розлади метаболізму Оскільки сигнальний шлях Wnt регулює ліпідний обмін, відповідь клітини на інсулін та рівень глюкози в крові, він є перспективною мішенню для терапії цукрового діабету 2-го типу та його ускладнень.
Активація Wnt/β-катенінового шляху зміцнює кишково-судинний бар'єр, що перешкоджає проникненню E.coli NF73-1 до печінки та знижує ризик розвитку НАЖХП, зумовленої раціоном із високим вмістом жирів.
Історія та походження Історія дослідження сигнального шляху Wnt бере початок із відкриття гена wingless (wg) у Drosophila melanogaster, мутація в якому пригнічує розвиток крил, та протоонкогена int-1 у мишей, які виявилися ортологами. Зрештою цей ген і кодований ним білок було перейменовано на Wnt1, що започаткувало серію досліджень і дало змогу виявити ще 18 глікопротеїнів, об'єднаних у родину Wnt.
Висока консервативність складових шляху Wnt від найдавніших багатоклітинних тварин до ссавців вказує на те, що цей сигнальний шлях виник ще на ранніх етапах еволюції тварин. Геномні аналізи свідчать, що шлях Wnt сформувався шляхом екзаптації вже існуючих сигнальних компонентів лігандами Wnt, що підтверджується наявністю гомологів рецептора Wnt (FZD), GSK3 та β-катеніну у ґрунтової амеби Dictyostelium, у якої самі ліганди Wnt відсутні.
Примітки
Посилання Signaling by WNT — інтерактивна схема сигнального шляху Wnt у базі даних Reactome The Wnt Homepage — спеціалізований ресурс лабораторії Рула Нюссе у Стенфордському університеті