A β1-katenin, más néven β-katenin fehérje, melyet emberben a CTNNB1 gén kódol.
A β-katenin kétfunkciós fehérje: a sejtadhéziót és a transzkripciót egyaránt szabályozza és koordinálja. A Drosophila melanogasterben előforduló homológja az armadillo. A β-katenin a kadherin fehérjekomplex alegysége, és a Wnt-jelzőút sejtbeli jeltranszdukciót végző fehérjéje. A kateninek fehérjecsaládjának tagja, és a plakoglobin – más néven γ-katenin – homológja. A β-katenint számos szövet expresszálja. Szívizomban az adherens junkciókon lokalizálódik az Eberth-vonalakban, ami fontos a szomszédos szívizomsejtek elektromos és mechanikai kapcsolásához.
A β-katenin mutációi és túlexpressziója számos ráktípusban, például máj-, vastagbél-, tüdő-, emlő-, petefészek- és endometriális rákban megtalálható. A β-katenin lokalizációjának és expressziós szintjei változása bizonyos szívbetegségekkel, például a dilatatív kardiomiopátiával is kapcsolatban áll. A β-katenint a β-katenin-bontó komplex, azon belül az APC szabályozza és bontja, melyet az APC gén kódol. Ezért az APC mutációja is összefügg a rákkal, különösen a familiális adenómás polipózis eredményeként fellépő vastagbélrákkal. Felfedezés A β-katenint először 1991-ben fedezték fel emlősök sejtadhéziós komplexének részeként: a kadherinek citoplazmatikus kapcsolásáért felelős fehérjeként. Hamar kiderült, hogy a Drosophila armadillo fehérjéje, mely a wingless morfogén hatásait mediálja, ennek homológja nemcsak szerkezetben, hanem funkcióban is. Így a β-katenin a többfunkciós fehérje az egyik első példája lett: egynél több, egymástól jelentősen különböző funkciót ellátó fehérje. Szerkezet Fehérjeszerkezet bélyegkép|upright=1.5|A β-katenin egyszerűsített szerkezete A β-katenin több, mintegy 40 aminosavas jellemző ismétlődő szakaszokból, armadillo-ismétlődésekből áll, melyek egy merev, nyújtott fehérjedomént, armadillo (ARM) domént alkotnak. Az átlagos armadillo-ismétlődés 3 α-hélixből áll. Az N-terminushoz közeli első ismétlődés kissé eltér a többitől – hélixe kissé nyújtott egy kis kiemelkedéssel, mely az 1. és 2. hélix egyesüléséből alakult ki. Az egyes ismétlődések komplex alakja nem egyenes: enyhén ívelt, így egy konvex külső és egy konkáv belső felszín alakul ki. E belső felszín az ARM domének különböző kölcsönható partnereinek kötőhelye.
Az ARM domén előtti és utáni szakaszok oldatban nem alakítanak ki szerkezetet. Azonban e rendezetlen szakaszok fontosak a β-katenin működésében. Az N-terminális rendezetlen szakasz állandósul rövid lineáris motívumot alkot, mely a TrCP1, más néven β-TrCP E3 ubikvitinligázhoz köt – de csak ha az foszforilált. A β-katenin bontását így e szakasz határozza meg. A C-terminális szakasz erős transzaktivátor, ha DNS-hez köt. E szakasz nem teljesen rendezetlen: egy része stabil α-hélixet is alkot, mely az ARM doménnel szemben van, de külön partnerekhez is köthet. E kis szerkezeti elem (hélix-C) az ARM romén C-terminális végét zárja, megvédve hidrofób aminosavjait. A hélix-C nem szükséges a β-katenin sejtadhéziós funkciójához, azonban szükséges a Wnt-jelzéshez feltehetően bizonyos koaktivátorok, például a 14-3-3ζ működéséhez. Azonban az általános transzkripciós komplexek közti pontos partnerei nem teljesen ismertek, és valószínűleg vannak köztük szövetspecifikusak. Ismert, hogy C-terminális szakasza a teljes Wnt-út hatásait utánozhatja, ha a limfoiderősítő-kötő faktor 1 (LEF1) DNS-kötő doménjéhez kötődik.
A plakoglobin (más néven γ-katenin) szerkezete is hasonlít a β-kateninéhez. Nemcsak az ARM-doménjei hasonlítanak szerkezet és ligandumkötő képesség terén, hanem az N-terminális β-TrCP-kötő motívum is közös a plakoglobinban, ami közös eredetet és hasonló szabályzást jelent a β-kateninhez. Azonban a DNS-hez kötött plakoglobin igen gyenge transzaktivátor – ezt valószínűleg eltérő C-terminális szekvenciájuk okozza (a plakoglobinon nincs transzaktivátormotívum, így gátolja a Wnt-út célgénjeit, nem pedig aktiválja). Kötés az armadillo doménhez bélyegkép|upright=1.5|A β-katenin ARM doménjének fő kötőhelyéért versengő partnerek. A további kötőhelyek nem láthatók. A fentiek alapján a β-katenin ARM doménje platformként működik, melyhez meghatározott lineáris motívumok köthetnek. A változatos szerkezetű partnerekben a β-katenin-kötő motívumok önmagukban általában rendezetlenek, és az ARM doménhez kötve merev szerkezetet vesznek fel, mint a rövid lineáris motívumoknál. Azonban a β-kateninnel kölcsönható motívumok számos sajátos jellemzővel rendelkeznek. Például akár több mint 30 aminosavból is állhatnak, így nagy felületen érintkezhetnek az ARM doménnel. További jellemzőjük gyakran nagy fokú foszforilációjuk. A szerin- és treoninfoszforiláció jelentősen erősíti számos β-katenin-asszociált motívum kötését az ARM doménnel.
A β-katenin és a TCF transzkripciós transzaktivációs partner kateninkötő doménje komplexének szerkezete a β-katenin kötőpartnerei által képezhető kölcsönhatások szerkezetének felvázolását tette lehetővé. E szerkezet bemutatta, hogy a TCF egyébként rendezetlen N-terminusa merev konformációt vehet fel, ahol a kötőmotívum sok β-katenin-ismétlődésen át tarthat. Viszonylag erős töltéskölcsönhatási „forró pontokat” határoztak meg (előrejelezték, majd megerősítették állandóságát a β-katenin/E-kadherin kölcsönhatásban), és fontos hidrofób régiókat mutattak ki a kötésmód és a rákgyógyításban használható potenciális kisinhibitor-célpontok szempontjából. Ezenkívül a további tanulmányok kimutattak egy másik jellemzőt: a TCF N-terminusának β-katenin-kötésének plaszticitását. Az ARM domén szabályzófaktorokat, például SWI/SNF ATP-dependens kromatin-újramodellező komplexeket aktivál, melyek az ARID1A alegység rendezetlen régióin keresztül kötnek.
Ugyanígy az E-kadherin citoplazmatikus farka az ARM-doménhez ugyanígy kanonikusan köt. Az axin támasztófehérje (2 közeli rokon paralóg, az AXIN1 és az AXIN2) hasonló kölcsönható motívummal rendelkezik hosszú rendezetlen középső szakaszán. Bár 1 axinmolekula csak 1 β-katenin-aktiváló motívumot tartalmaz, partnere, az APC fehérje protomerenként 11 ilyet tartalmaz tandem elrendezésben, így egyszerre több β-katenin-molekulával tud kölcsönhatni. Mivel az ARM domén felszíne egyszerre 1 peptidmotívumhoz tud kapcsolódni, e fehérjék ugyanazokért a sejtbeli β-katenin-molekulákért versengenek. E versengés fontos a Wnt-jelzőút ismeretében.
Azonban e „fő” kötőhely a β-katenin ARM doménjén nem az egyetlen. Az ARM domén első hélixei további speciális fehérje-fehérje kölcsönhatásokat lehetővé tevő zsebet alkotnak: ez a BCL9 – vagy közeli rokon paralógja, a BCL9L – hélixet alkotó lineáris motívumához tud kapcsolódni, melyek fontos fehérjék a Wnt-jelzőútban. Bár erről a pontos részletek sokkal kevésbé ismertek, feltehetően ugyane helyet használja az α-katenin, amikor a β-katenin az adherens junkcióknál van. Mivel e zseb eltér az ARM domén „fő” kötőhelyétől, az α-katenin az E-kadherinnel, a TCF1 a BCL9-cel nem verseng. Ezzel szemben a BCL9 és a BCL9L versengenek az α-kateninnel a β-katenin eléréséért. Funkció Transzkripciós faktorként A β-katenin a sejtmagba léphet, ahol transzkripciós faktorként működhet, bár ennek pontos mechanizmusa még vizsgálatok tárgya. A magban a β-katenin a TCF/LEF-fel kölcsönhatva azt represszorból transzkripciósegítő fehérjévé alakítja. Ezenkívül a Mediator fehérjét is aktiválja, mely aktiválja az RNS-polimeráz II-t és más általános transzkrpciós faktorokat. A Wnt/β-katenin-út számos gén transzkripcióját aktiválja, köztük elsősorban a következőket: ABCB1 Survivin (BIRC5) Ciklin D1 (CCND1) Fibroblaszt-növekedésifaktor 18 (FGF18) Mátrix-metalloproteináz 14 (MMP14) Myc protoonkogén (MYC) Számos ilyen gén közvetve vagy közvetlenül érintett a sejtnövekedésben, -osztódásban és -túlélésben. E gének fontosak az embriogenezisben és tumorigenezisben egyaránt, így a β-katenin transzkripciósfaktor-szerepe számos kutatás témája. Foszforilációs bontásszabályzás A β-katenin sejtbeli szintjét legjobban ubikvitinációja és proteaszómák általi bontása szabályozza. Az E3 ubikvitinligázok közé tartozó TrCP1, más néven β-TrCP a β-katenint a rendezetlen N-terminális szakaszán lévő rövid lineáris motívumon keresztül ismeri fel. Azonban e motívum (Asp-Ser-Gly-Ile-His-Ser) két szerinje foszforilálandó a β-TrCP-hez való kötéshez. Ezt a glikogén-szintáz-kináz 3 α és β (GSK3α és GSK3β) végzik. A GSK3-ak alapaktivitással rendelkező enzimek, melyek számos szabályzófolyamatban vesznek részt. Egy feltétel szükséges: a GSK3-szubsztrátok 4 aminosavval a célhely után foszforilálandók, így primingkinázt igényelnek. A β-katenin esetén a legfontosabb primingkináz a kazeinkináz 1 (CKI). A szerin-treonin-gazdag szubsztrát primingja után a GSK3 C-terminálistól N-terminális irányba „sétálhat”, minden 4. szerint vagy treonint foszforilálva. E folyamat a β-TrCP-felismerő motívum kettős foszforilációját is eredményezi.
β-Katenin-bontó komplex bélyegkép|upright=1.5|A β-katenin-bontó komplex egyszerűsített szerkezete. Az axin és APC fehérjék rendezetlen szakaszainak aránya nagy.
Hogy a GSK3 hatékony fehérjekináz legyen, az előfoszforiláció nem elég. További szükséges feltétel, hogy a mitogénaktivált fehérjekinázokhoz (MAPK) hasonlóan nagy affinitású dokkolómotívumokkal asszociáljon az enzimhez a szubsztrát. A β-kateninen nincs ilyen motívum, de az axinon van. What is more, its GSK3 docking motif is directly adjacent to a β-catenin binding motif. Így az axin valódi támasztófehérje, mely egy enzimet (GSK3) a szubsztrátjával (β-katenin) fizikai közelségbe hoz.
De az axin se egyedül hat: N-terminális G-protein-jelzés-szabályzó (RGS) doménje révén az APC fehérjét aktiválja. Ez számos β-katenin-kötő motívumával (egy APC-molekula 11 ilyet tartalmaz) a lehető legtöbb β-katenint tudja összegyűjteni. Az APC több axinmolekulával tud egyszerre kölcsönhatni, mivel 3 SAMP (Ser-Ala-Met-Pro) motívuma van, melyekkel az axin RGS doménjeihez tud kötni. Ezenkívül az axin képes C-terminális DIX doménje révén oligomerképzésre. Ennek eredménye a β-katenin-foszforilációra kialakult nagy multimer fehérjekomplex. Ezt nevezik β-katenin-bontó komplexnek, bár különbözik a β-katenin bontásáért ténylegesen felelő proteaszómától. Ez egyszerűen későbbi bontásra jelöli a β-catenin-molekulákat. Wnt-jelzés és bontásszabályzás A nyugvósejtekben az axin oligomert képez 2 kötőfelületű C-terminális DIX doménjeiken keresztül. Így lineáris oligo- vagy akár polimert képezhetnek a sejtplazmában. A DIX domének egyediek: csak a dishevelled (Dsh) és a DIXDC1 rendelkeznek vele az axinon kívül. (a Drosophila egyetlen Dsh fehérjéje emlősökben 3 paralóg génnek (DVL1, DVL2, DVL3) felel meg). Ez a frizzled-receptorok citoplazmatikus részeivel asszociál PDZ és DEP doménjén keresztül. Miután egy Wnt-molekula a frizzledhez kötődik, kevéssé ismert eseménysorozatot indít el, melynek vége a DIX domén kiemelése és egy tökéletes axinkötőhely létrehozása. Az axint ezután oligomerjeiből – a β-katenin-bontó komplexből – a Dsh kititrálja. Miután a receptorkomplexhez kötődött, az axin nem képes β-katenin-kötésre és GSK3-aktivitásra. A frizzled-asszociált LRP5 és LRP6 citoplazmatikus szakaszai GSK3-pszeudoszubsztrát-szekvenciákat (Pro-Pro-Pro-Ser-Pro-x-Ser) tartalmaz, melyeket a CKI előfoszforilál (priming), mintha valódi GSK3-szubsztrátok lennének. E hamis célhelyek kompetitíven jelentősen inhibeálják a GSK3-aktivitást. Így a receptorkötött axin a β-katenin-foszforiláció mediálását megszünteti. Mivel a β-katenin már nincs bontásra jelölve, de továbbra is termelődik, koncentrációja nő. Miután a β-katenin-szint elég magas a sejtplazmában lévő összes kötőhely megtöltésére, a magba is kerül. A LEF1, TCF1, TCF2 vagy TCF3 transzkripciós faktorok aktiválása után a β-katenin korábbi partnereik, a Groucho-fehérjék inaktiválására kényszeríti őket. A transzkripciós represszorokat (például hiszton-lizin-metiltranszferázokat) aktiváló Grouchóval szemben a β-katenin transzkripciós aktivátorokat köt, aktiválva a célgéneket. A sejtadhézióban