A sonic hedgehog (SHH) fehérjét az SHH gén kódolja. A fehérjét Sonicról, a sünről nevezte el Robert Riddle egy Sonic the Hedgehog-reklám alapján.
E jelzőmolekula fontos a Planulozoa csoportba tartozó állatok embrionális morfogenezisében. Az SHH irányítja az organogenezist és a központi idegrendszer, a végtagok, az ujjak és számos más testrész szerveződését. A fehérje morfogén, mely a fejlődést franciazászló-modellel jellemezhető koncentrációgradienssel irányítja. Ez azt jelenti, hogy az SHH molekulák eloszlása nem egyenletes, mely a sejtek eltérő sorsát irányítja koncentrációtól függően. A mutációk holoprozenkefáliát okozhatnak, mely az agyféltekék sikertelen elválása, ahogy SHH knockout egerekben kimutatták, ahol nem fejlődött ki az előagyi középvonal, helyette egy egyesült telenkefalikus vezikulum maradt.
A sonic hedgehog a felnőtt szövetek differenciálódásában, proliferációjában és fenntartásában is szerepet játszik. Az SHH jelek nem megfelelő aktivációját mutatták ki számos daganatban, például mell-, bőr-, agy-, máj-, epehólyag-daganatban stb.
A humán SHH gén 3 exont tartalmaz, melyek egy összesen 462 aminosavból álló fehérjét kódolnak.
Felfedezése és elnevezése A hedgehog (hh) gént először a Drosophila melanogasterben fedezték fel Christiane Nüsslein-Volhard és Eric Wieschaus 1980-ban. E vizsgálatok – melyekért 1995-ben orvostudományi Nobel-díjat kaptak a kutatók Edward B. Lewis genetikussal együtt – a Drosophila-embriók anatómiai mintáit meghatározó géneket találtak. A hh funkcióvesztéses mutáns fenotípus sünök tüskéihez hasonló fogakkal borított embrió volt. Egy gerinces hh-ekvivalenst kerestek Philip Ingham, Andrew P. McMahon és Clifford Tabin, akik 3 homológ gént találtak.
Két ilyen gént, a desert hedgehogot és az indian hedgehogot valódi sünfajról nevezték el, míg a sonic hedgehog Sonicról, a sünről kapta a nevét. A gént Robert Riddle, a Tabin Lab posztdoktori dolgozója nevezte el, miután felesége, Betsy Wilder egy Sonic the Hedgehog-reklámot tartalmazó újsággal tért haza. A zebradánióban ezekből kettő többször van jelen: az SHH a és az SHH b (korábban tiggywinkle hedgehog, melynek névadója Beatrix Potter gyermekkönyveinek szereplője) és ihha és ihhb (korábban echidna hedgehog, melynek névadója a hangyászsün ()).
Funkció A hh-homológok közül az SHH-ról derült ki, hogy a fejlődésben a legfontosabb, számos rendszer – például az adenohipofízis, a neokortex, a gerincvelő, a tüdők, a fogak és a talamusz zona limitans intrathalamica körüli részének – mintázatának kialakításában morfogénként működik. A gerincesekben a végtagok és az ujjak fejlődése a végtagcsíra polarizáló zóna általi sonic hedgehog-szekréciótól függ. Az SHH gén mutációi 3-as (HPE3) típusú holoprozenkefáliát okoznak a ventrális középvonal elvesztésének eredményeként. A sonic hedgehog transzkripciós útvonalát ezenkívül bizonyos tumorok – például az embrionális kisagytumor és a medulloblasztóma – létrejöttéhez, továbbá a prosztatarák előrehaladásához is kapcsolták. Az SHH expressziójához a fibroblaszt-növekedésifaktorok apikális ektodermális kiemelkedés általi kiválasztása szükséges.
A sonic hedgehogról ezenkívül kimutatták, hogy axonirányító részecske. Felfedezték, hogy a kommisszurális axonokat a fejlődő gerincvelő ventrális középvonalához vonzza. Az SHH ezenkívül vonzza a retinális ganglionsejtek (RGC) axonjait kis koncentrációban, magasabbakban taszítja. Az SHH expressziójának hiányáról kimutatták, hogy a cetek hátsó végtagjainak is a növekedését irányítja.
Az SHH gén a hedgehog géncsalád tagja, 5 DNS-sorozatbeli vagy splicingváltozattal. A 7. kromoszómán van, és a sonic hedgehog fehérje termelését indítja. E fehérje rövid- és hosszútávú jeleket küld a szöveteknek a fejlődés szabályzásához. Mutációja vagy hiánya esetén a fehérje nem tudja megfelelően ellátni tevékenységét. A sonic hedgehog a sejtnövekedést, -differenciálódást és a test alakját, szerkezetét és felépítését határozza meg. Létfontosságú morfogén jeladó molekulaként, és az embriók számos különböző struktúrájának kialakításában fontos. Számos fontos szervrendszer, például az idegrendszer, a szív–ér rendszer, a légzőrendszer és a vázrendszer felépítésében fontos. Mutációi e rendszerek számos elváltozását okozhatja, a fejlődő embrióban jelentkező problémákat okozva. Az agyat és a szemet például jelentősen érintheti mutáció, és mikroftalmiát és holoprozenkefáliát okozhat. A mikroftalmia egy vagy két szem szöveteinek kis méretét és alulfejlettségét okozó betegség. Ez különböző gondokat jelenthet, például kolobómát, egy kis szem jelenlétét vagy a szemek hiányát. A holoprozenkefáliát általában az SHH gén mutációja okozza, és a bal és jobb agyféltekék nem megfelelő elválását vagy felcserélődését és arcdiszmorfiát okoz. Sok rendszer és szerkezet függ az SHH gén megfelelő expressziójától és az így létrejövő fehérje megfelelőségétől, azt létfontosságú génné téve a fejlődéshez.
A központi idegrendszer kialakítása Az SHH jelzőmolekulának számos szerepe van a központi idegrendszer kialakításában a gerincesek fejlődése során. Egy leginkább jellemző funkciója az alaplemez és számos ventrális sejttípus indukciója a velőcsőbe. Az axiális mezodermából származtatott notochorda SHH-t termel, mely a sejten kívül a velőcsőbe kerül, és az alaplemez létrehozására utasítja a sejteket. Az alaplemez-indukció másik nézete szerint egyes notochordális prekurzorsejtek bekerülnek az ideglemezbe annak létrejötte előtt, később az alaplemezt adva.
A velőcső maga a gerincesek központi idegrendszerének elődje, az alaplemez egy speciális szerkezet annak ventrális középpontján. Jelzőközponti szerepének bizonyítékai azok a tanulmányok, ahol egy második notochorda kerül be egy velőcső mellé in vivo, ektopikus alaplemezt létrehozva a velőcsőben.
A sonic hedgehog ezenkívül a velőcső és az alaplemez fejlődésében is fontos. Az SHH in vitro és in vivo ektopikus expressziója a lemez indukciójához és a mozgatóidegsejtek és az interneuronok differenciációjához vezet. Ezzel szemben a mutáns egerekben nincsenek ilyen ventrális gerincvelői jellemzők. Az SHH jelzés in vitro blokkolása antitestekkel szintén ilyen fenotípusokat ad. Az SHH koncentrációfüggően fejti ki hatásait, így egy nagy SHH-koncentráció a sejtproliferáció helyi inhibícióját okozza. Ez a lemezt elvékonyítja a velőcső laterális részeihez képest. Az alacsonyabb SHH-koncentráció sejtproliferációt és egyes ventrális idegsejttípusok indukcióját. Ha az alaplemez létrejött, az itteni sejtek expresszálják az SHH-t, koncentrációgradienst okozva a velőcsőben.
Bár nincs közvetlen bizonyíték az SHH-gradiensre, van közvetett bizonyíték az SHH-receptor ligandumkötő doménjét kódoló patched (Ptc) gén expressziójának vizualizációjával a ventrális velőcsövön át. In vitro tanulmányok szerint a két- és a háromszoros SHH-koncentráció-változások mozgatóneuronok és különböző interneuron-altípusok létrejöttét okozzák, melyek a ventrális gerincvelőben is megtalálhatók. Ezen in vitro növekedések megfelelnek a domének jelzőszövettől (notochorda és alaplemez) való távolságának növekedésének, melyek később különböző neuronaltípusokká differenciálódnak, ahogy in vitro történik.. Az SHH-szignált feltehetően a Gli fehérjecsalád közvetíti, mely a Drosophila cinkujjat tartalmazó Cubitus interruptus (Ci) transzkripciós faktorának gerinceshomológja. A Ci a Hh-szignál fontos közvetítője. A gerincesekben 3 különböző Gli-fehérje (Gli1, Gli2, Gli3) található, melyeket a velőcső fejez ki. A Gli1-mutációt tartalmazó egerek normális gerincvelő-fejlődést mutatnak, ami azt jelenti, hogy feltehetően nélkülözhető az SHH-aktivitás közvetítéséhez. Azonban a Gli2-mutánsok a hasi gerincvelőben eltéréseket mutatnak, alaplemezi hiányosságokkal és a V3 interneuronok hiányosságaival. A Gli3 dózisfüggő SHH-antagonista, mely a dorzális neuronaltípusokat segíti. Az SHH-mutáns fenotípusok menthetők SHH/Gli3 kettős mutánsként. A Gli fehérjéknek C-terminális aktivációs és N-terminális represszív doménjük van.
Az SHH feltehetően a Gli2 aktivációs funkcióját is segíti, és gátolja a Gli3 represszív aktivitását. Ezenkívül a Gli3 aktivációs funkcióját is segítheti, de ez nem elég erős. Az SHH fokozatos koncentrációváltozása fokozatos Gli2- és Gli3-aktivitás-változást okoz, melyek a hasi és a háti neuronaltípusokat segíti a hasi gerincvelőben. A Gli3- és az SHH/Gli3-mutánsok alapján az SHH főképp az elődsejtdomének térbeli korlátozását szabályozza induktivitás helyett, ugyanis az SHH/Gli3-mutánsok kevert sejttípusokat mutatnak.
Az SHH ezenkívül más fehérjéket is undukál, melyekre hat, és ezek befolyásolhatják egy sejt SHH-szenzitivitását. A hedgehog-kölcsönható fehérjét (HHIP) az SHH indukálja, ami annak jelzőaktivitását csökkenti. A vitronektin szintén az SHH által indukált fehérje, egy obligát kofaktor a velőcsövi SHH-szignálhoz.
5 különböző előddomén van a hasi velőcsőben: V3 interneuronok, mozgatóneuronok (MN), V2, V1 és V0 interneuronok (ventrális–dorzális sorrendben). E domének különböző homeobox transzkripciós faktorok közti „kommunikációval” jönnek létre (vö. háromosztatú ideg). Ezek a transzkripciós faktorok az SHH-gradiensre válaszolnak. Az SHH-interakciójuk természetétől függően két csoportba sorolják – I. és II. osztály –, és a Pax, Nkx, Dbx és Irx családok tagjait tartalmazzák. Az I. osztályú fehérjék különböző SHH-küszöböknél represszálódnak, az előddomének hasi határait jelölve, a II. osztályúak aktiválódnak bizonyos SHH-küszöböknél, a dorzális határt kijelölve. Bizonyos keresztrepresszív interakciók az I. és II. osztályú fehérjék közt 5 fő hasi neuronaltípust adnak.
Fontos, hogy az SHH nem az egyetlen jelzőmolekula, mely a fejlődő velőcsőre hat. Számos más molekula, genetikai út és mechanizmus is aktív (például retinoinsav, FGF, BMP), és az SHH és más molekulák komplex kölcsönhatásai is lehetségesek. A BMP-k feltehetően fontosak a neuron SHH-jelzésre való érzékenységének meghatározására. Ezt BMP-gátlókat használó tanulmányokban igazolták, melyek az ideglemezsejtet ventralizálják bizonyos SHH-koncentrációhoz. Azonban a BMP-antagonisták (például a noggin) mutációja a leghasibb gerincvelői részen okoz hiányosságokat a hasi velőcső ektopikus expressziója miatt. Az SHH FGF-fel és RA-val való kölcsönhatásait még nem tanulmányozták molekuláris részletességgel.
Morfogenetikai aktivitás Az SHH idő- és koncentrációfüggő, sejtsorsot meghatározó aktivitása a hasi velőcsőben fontos morfogénné teszi. A gerincesekben az SHH-szignál a velőcső hasi részén az alaplemez sejtjei és a mozgatóneuronok indukciójáért felel. Az SHH kikerül a notochordából és a hasi alaplemezből, dorzoventrális koncentrációs gradienst létrehozva, egy fordított Wnt gradienssel párban, mely a háti gerincvelőt határozza meg. Nagyobb SHH-ligandum-koncentrációk vannak a velőcső és a notochorda leghasibb részeiben, alacsonyabbak vannak a hátibb részeken. Az SHH-gradienst SHH::GFP fúziós fehérjét kifejező egerek velőcsövében jelenítették meg ennek bemutatására a velőcsőmintázatok kialakulása alatt.
Feltehetően e gradiens több sejtsorsot tesz lehetővé koncentráció- és időfüggő mechanizmussal számos transzkripciós faktorral a hasi elődsejtekben. Minden hasi előddomén transzkripciós faktorok – Nkx2.2, Olig2, Nkx6.1, Nkx6.2, Dbx1, Dbx2, Irx3, Pax6 és Pax7 – erősen egyedi kombinációjával rendelkezik, melyeket az SHH-gradiens szabályoz. Ezek egymás után indukálódnak a gradiens mentén a ligandum mennyiségének és a neki való kitettség tartamának függvényében. Ahogy minden sejtpopuláció eltérő mennyiségű SHH-t kap, egyedi kombinációt fejeznek ki, idegsejt-differenciálódást okozva. Ez a folyamat a különböző domének közt éles határokat hoz létre, a hasi velőcső mintázatainak létrehozását okozva.