bélyegkép|Noch-mediált juxtakrin jelzés szomszédos sejtek közt bélyegkép|A Notch-jelzés lépései A Notch-jelzőútvonal a legtöbb állatban jelenlévő erősen állandósult sejtkommunikációs rendszer. Emlősökben 4 különböző Notch-receptor van jelen, ezek a NOTCH1, a NOTCH2, a NOTCH3 és a NOTCH4. A Notch-receptor egyszeri áthaladásos transzmembrán receptorfehérje. Kalciumdependens, nem kovalens interakcióval egy sejten kívüli rövid résszel asszociálódó, sejten kívüli nagy, egy egyszer áthaladó és egy sejten belüli kis részből áll.
A Notch-jelzés erősíti a proliferatív jelzést a neurogenezis során, aktivitását a Numb gátolja az idegi differenciációt segítve. Fontos szerepe van az embrionális fejlődés szabályzásában.
A Notch-jelzés szabályzása számos rákban hibás, és számos betegségben előfordul hibás Notch-jelzés, beleértve a T-sejtes akut limfoblasztikus leukémiát (T-ALL), a szubkortikális infarktusos és leukoenkefalopátiás cerebralis autoszomális domináns arteriopátiát (CADASIL), a sclerosis multiplexet, a Fallot-tetralógiát és az Alagille-szindrómát. A Notch-jelzés gátlása gátolja a T-sejtes akut limfoblasztikus leukémia proliferációját sejttenyészetben és egérmodellben is. Felfedezése 1914-ben John S. Dexter bemélyedést vett észre a Drosophila melanogaster szárnyain. A gén alléljeit 1917-ben azonosította Thomas Hunt Morgan amerikai fejlődésbiológus. Egymástól függetlenül elemezték molekulárisan és szekvenálták ezeket az 1980-as években Spyros Artavanis-Tsakonas és Michael W. Young. Fejlődési fenotípusok alapján azonosították a C. elegans 2 Notch-génjét, a lin-12-t és a glp-1-et. A lin-12 klónozását és részleges szekvenciáját a Drosophila Notch-génjével együtt írta le Iva Greenwald. Mechanizmus A Notch-protein a sejtmembránon áthalad, egyik része belül, a másik kívül van. A sejten kívüli doménhez kapcsolódó ligandumproteinek a sejten belüli domén proteolitikus leválását és felszabadítását okozzák, mely a sejtmagba kerülve a génexpressziót módosítja.
A leválásmodellt először 1993-ban javasolták a Drosophila Notch és a C. elegans lin-12 fehérjéin, informed by the first oncogenic mutation affecting a human Notch gene. Compelling evidence for this model was provided in 1998 by in vivo analysis in Drosophila by Gary Struhl valamint sejttenyészetben végzett munka alapján. Bár eleinte vitatott volt e modell, az ezt alátámasztó bizonyítékok egyértelműek lettek 2001-re.
A receptor általában közvetlen sejt-sejt érintkezés aktiválja, ahol a sejtek érintkező transzmembrán proteinjei a Notch-receptorhoz kötődő ligandumokat alkotják. A Notch-kötés lehetővé teszi a sejtcsoportok olyan elrendeződését, ahol ha egy sejt egy gént expresszál, ezt kikapcsolhatja a szomszédos sejtekben a sejtközi Notch-jelzés. Így a sejtcsoportok egymást befolyásolják nagy szerkezetek létrehozásával. Ezért a laterális gátló mechanizmusok fontosak a Notch-jelzéshez. A lin-12 és a Notch bináris sejtdöntéseket közvetítenek, a laterális gátlás visszacsatolási mechanizmusokat érint a kezdeti különbségek erősítéséhez.
A Notch-kaszkád a Notchból és annak ligandumaiból, valamint a Notch-jelzést a sejtmagba közvetítő sejtbeli fehérjékből áll. A Notch/Lin-12/Glp-1 receptorcsalád érintett a sejtek sorsának eldöntésében a Drosophila és a C. elegans esetén.
A Notch sejtbeli doménje komplexet alkot a CBF1-gyel és a Masterminddal a célgének transzkripciójának aktiválásához. A komplex szerkezete ismert.
A Notch-jelzőútban a több O-glükozilációs hely pufferként szolgál a hőmérsékletfüggő jelzésvesztéssel szemben. Útvonal A Notch-receptor érése a sejten kívüli oldalon való bomlást igényli a sejten belüli anyagcserekor a Golgi-komplexbe való kerüléshez. Ez kétrészes proteint ad, mely egy kis transzmembrán és sejten belüli doménhez kapcsolt, sejten kívüli nagy domént ad. A ligandum kötése két proteolitikus reakciót segít elő, így a sejten belüli domén leválik, és bejuthat a sejtmagba további DNS-kötő fehérjék működését elősegítve és a génexpressziót szabályozva.
A Notch-ligandumok egyszeri áthaladásos transzmembrán fehérjék, és a DSL (Delta/Serrate/LAG-2) fehérjecsalád tagjai. A Drosophila melanogasterben 2 ligandum van, a Delta és a Serrate. Emlősökben ezeknek a Delta-szerű és a Jagged felelnek meg. Emlősökben több Delta-szerű és Jagged ligandum van, valamint feltehetően több más ligandum is, például az F3/kontaktin.
A C. elegansban két gén kódol homológ fehérjéket, ezek a glp-1 és a lin-12. Legalább egy beszámoló szerint egyes sejteknek akár 4–5 sejtméret távolságra lévő sejtek közt is lehetséges a kommunikáció.
A Notch sejten kívüli doménje főleg kis cisztingazdag motívumokból, EGF-szerű ismétlődésekből áll.
Például a NOTCH1-ben 36 ilyen csoport található. Minden EGF-szerű ismétlődés mintegy 40 aminosavból áll, szerkezetüket nagyrészt 6 állandósult cisztein határozza meg, ezek 3 állandósult diszulfidkötést alkotnak. Minden EGF-szerű ismétlődés módosulhat O-kapcsolt glikánokkal bizonyos helyeken. Az első és második állandósult cisztein közé O-glükóz, a második és harmadik közé O-fukóz ékelődhet. E cukrokat egy O-glükoziltranszferáz (kivéve a Rumit),Rumi illetve GDP-fukóz fehérje-O-fukoziltranszferáz (POFUT1) helyezik el. Az O-fukóz POFUT1 általi hozzáadása szükséges a Notch-funkcióhoz, és az O-fukózt hozzáadó enzim nélkül a Notch-fehérjék nem működnek megfelelően. A glükoziláció hatása a funkcióra még nem teljesen tisztázott, azonban a POGLUT1-ről ismert, hogy mutációi több betegség okai.
Az O-glükóz a Notchon bővülhet triszachariddá két xilóz hozzáadásával xiloziltranszferázok révén, az O-fukóz pedig tetraszachariddá bővülhet N-acetilglükózamin (GlcNAc) hozzáadásával a FNG N-acetilglükózaminiltranszferáz révén, galaktóz hozzáadásával galaktoziltranszferáz révén, valamint sziálsav hozzáadásával szialiltranszferáz révén.
Emlősökben három Fng GlcNAc-transzferáz van, ezek az LFNG, az MFNG és az RFNG. Ezen enzimek felelnek a Notch-jelzésen jelentkező „FNG-hatásért”. Ha az FNG a GlcNAc-t fukózhoz adja, a galaktóz és a sziálsav hozzáadása megtörténik. E tetraszacharid jelenlétében a Notch erősen jelez a Delta ligandummal, de kevésbé a Jaggeddel. A mód, mely révén a cukor hozzáadása gátolja az egyik ligandummal való jelzést, és erősíti a másikkal valót, nem teljesen tisztázott.
Amikor a Notch sejten kívüli doménje ligandummal lép interakcióba, az ADAM10 metalloproteáz a membrántól kis távolságra elválasztja a Notch-fehérjét. Így felszabadul a Notch sejten kívüli része (NECD), mely a ligandummal továbbra is kölcsönhat. A ligandum és a NECD ezután a ligandumot expresszáló sejtbe kerül. Lehetnek jelzőhatások a ligandumot expresszáló sejtben az endocitózis után, erről folynak kutatások. Az első elválasztás után az Alzheimer-kórban is szerepet játszó γ-szekretáz elválasztja a fehérje maradékát. Így felszabadul a Notch-fehérje sejten belüli része (NICD), mely ezután a sejtmagba kerül, ahol a CSL transzkripciós faktor aktiválásával szabályozhatja a génexpressziót. Korábban feltételezték, hogy e CSL fehérjék a Notch-céltranszkripciót akadályozták. Később kiderült, hogy amikor a sejten belüli domén a komplexhez kapcsolódik, transzkripciórepresszorból aktivátorrá válik. Más fehérjék is részt vesznek a Notch-kaszkád sejten belüli részében.
Liganduminterakciók bélyegkép|455x455px|A Notch1-DLL4 komplex szerkezete a két sejt közti kölcsönhatásban () A Notch-jelzés akkor indul, amikor a sejtfelszíni Notch-receptorok az ellentétes oldali sejteken in trans lévő ligandumokat alkalmaznak. A Notch sejten kívüli doménjének mérete ellenére a 11-es és 12-es EGF domének a Deltával való interakciók fontos meghatározói. További tanulmányok kimutattak a Notch EGF11–12-n kívül további ligandumkötő részeket. Például a Notch EGF 8-as domén fontos a Serrate/Jagged szelektív észlelésében, a 6–15-ös domén a maximális jelzéshez szükséges ligandumstimulációkor. A NOTCH1 és a Delta-like 4 (Dll4) kristályszerkezete révén a Notch–ligandum interakciók is láthatók, és az N-terminális MNNL (C2) és DSL domének a 12-es, illetve a 11-es doménekhez kapcsolódnak. A Notch1–Dll4 szerkezet révén a Notch O-fukóz és glükóz szerepei is ismertté váltak, és a glikánmediált Notch-jelzés-hangolás szerkezeti mechanizmusát is meg lehetett így ismerni. Szintetikus Notch-jelzés Lehetséges szintetikus Notch-receptorok létrehozása a sejten kívüli receptort és a sejten belüli transzkripciós doméneket más választott doménekre cserélésve. Ez lehetővé teszi az észlelt ligandumok és az erősített gének kiválasztását. Így a sejtek jelenthetik vagy változtathatják viselkedésüket meghatározott jelekkel való érintkezéskor, a sejtközi kommunikációról szóló alap- és alkalmazott kutatást megkönnyítve. E rendszer lehetővé tesz több szintetikus útvonal helyezését párhuzamosan egy sejtbe.
Funkció A Notch-jelzőút fontos a sejtközi kommunikációban, mely több sejtdifferenciációs folyamatot irányító génszabályzó mechanizmusokat tartalmaz az embrionális és a felnőttkori életben is. Az alábbi folyamatokban is fontos a Notch-jelzés: neuronfunkció és -fejlődés az artériás endotél sejtek stabilizációja és az angiogenezis fontos sejtkommunikációs események szabályzása az endocardium és a myocardium közt a valvularis elsődleges és a ventricularis fejlődés és differenciáció során szívbillentyű-homeosztázis; szív- és érrendszeri rendellenességekben is szerepe vanThe notch signaling pathway in cardiac development and tissue homeostasis az endokrin és exokrin hasnyálmirigy időben történő specifikációja a szekréció és abszorpció közt választó bélsejtek döntésének befolyása vérképző őssejteknek fenntartott térrész növelése csontfejlődés során, részvétel az oszteoblaszt csoportban, lehetséges terápiás szerep a csontregenerációban és az osteoporosisban hemogén endotélsejtek növelése a Hh-jelzőutat és a Scl-t tartalmazó jelzőtengellyel együtt T-sejtek közös limfoid prekurzorból való képzése sejtek döntésének befolyásolása az emlőmirigyekben több különböző fejlődési szakaszban feltehetően néhány nem magi mechanizmus, például az aktin sejtváz irányítása az Abl tirozinkináz révén a C. elegans csíravonalának mitózis és meiózis közti döntése pulmonaris alveolusok fejlesztése.
A Rex1 gátolja a notch expresszióját mesenchymalis őssejtekben, akadályozva a differenciációt.
A POGLUT1 (emlősökben), illetve a Rumi (Drosophilában) a C-X-S-X-P-C szekvenciájú ismétlődésekben lévő szerint glükozilálja. Szerepe az embriogenezisben A Notch-jelzőút fontos a sejtközi kommunikációban, és szabályozza az embrionális fejlődést. Embriópolaritás A Notch-jelzés szükséges a polaritásszabályzásban. Például mutációs kísérletek szerint a Notch-jelzés elvesztése a szomitákban nem megfelelő anterior-posterior polaritást okoz. Továbbá a Notch-jelzés szükséges a bal-jobb aszimmetria kialakulásához gerincesekben.
Korai C. elegans-kísérletek szerint a Notch-jelzés fontos a mezoderma indukciójában és a sejt sorsának eldöntésében. Mint korábban szerepel, a C. elegansnak 2 génje van, melyek részben funkcionálisan redundáns Notch-homológokat kódolnak, ezek a glp-1 és a lin-12. A C. elegansban a glp-1 az APX-1-gyel, a Delta C. elegans-homológjával reagál. Ez a sejtek differenciációját okozza, és létrehozza a dorzális-ventrális tengelyt.
Szerepe a szomitogenezisben
A Notch-jelzés fontos a szomitogenezisben. 1995-ben a Notch1-ről kiderült, hogy fontos az egerek szomitáinak szegmentációjában. További tanulmányok azonosították szerepét a szegmentációs órában. Ezek feltételezték, hogy a Notch-jelzés elsődleges funkciója nem egy sejtre hat, hanem koordinálja, szinkronban tartja a sejtórákat. Ez megmagyarázta a Notch-jelzés szerepét a szegmentáció fejlődésében, és alátámasztották az egér- és a zebradánió-kísérletek. A Delta1-mutáns egerek a kísérletek alapján rendellenes szomitogenezist mutatnak anterior-posterior polaritás nélkül, ezek alapján a Notch-jelzés fontos a szomitahatárok fenntartásában is.