У клітинній біології паракринна сигналізація — це форма міжклітинної сигналізації, за якої сигнал, вироблений клітиною, викликає зміни в сусідніх клітинах. На відміну від ендокринної форми сигналізації, молекули, відомі як паракринні фактори, дифундують на відносно коротку відстань і мають локальну дію. Точна відстань, яку можуть подолати паракринні фактори, невідома.

Хоча паракринна сигналізація викликає різноманітні реакції, більшість паракринних факторів використовують відносно спрощений набір рецепторів та шляхів. Фактично, відомо, що різні органи в організмі — навіть у різних видів — використовують подібні набори паракринних факторів у диференціальному розвитку. Висококонсервативні рецептори та шляхи можна згрупувати в чотири основні родини: родина факторів росту фібробластів (FGF), родина Hedgehog (геджгок), родина Wnt та надродина TGF-β. Зв'язування паракринного фактора з відповідним рецептором ініціює каскади передачі сигналу, викликаючи різні реакції.

Компетентність та індукція клітин-рецепієнтів Для того, щоб паракринні фактори успішно викликали реакцію в клітині-реципієнті, ця клітина повинна мати відповідні рецептори на клітинній мембрані для отримання сигналів, що також відоме як компетентність. Крім того, клітина, що відповідає, також повинна мати здатність до механістичної індукції.

Родина факторів росту фібробластів (FGF) Хоча родина паракринних факторів FGF має широкий спектр функцій, основні результати дослідження підтверджують ідею про те, що вони переважно стимулюють проліферацію та диференціацію. Для виконання багатьох різноманітних функцій FGF можуть бути альтернативно сплайсовані або навіть мати різні ініціаційні кодони для створення сотень різних ізоформ FGF.

Одна з найважливіших функцій рецепторів FGF (FGFR) полягає в розвитку кінцівок. Ця сигналізація включає дев'ять різних ізоформ рецептора, що мають альтернативний сплайсинг. Fgf 8 та Fgf 10 є двома ключовими учасниками розвитку кінцівок. Під час ініціації розвитку передніх кінцівок та росту кінцівок у мишей, аксіальні (поздовжні) сигнали з проміжної мезодерми продукують Tbx 5, який згодом сигналізує тій самій мезодермі про продукцію Fgf 10. Потім Fgf 10 сигналізує ектодермі про початок продукування Fgf 8, який також стимулює продукцію Fgf 10. Делеція Fgf 10 призводить до появи мишей без кінцівок.

Крім того, паракринна сигналізація Fgf є важливою для розвитку ока курчат. мРНК fgf8 виявляється там, де тканина диференціюється в нервову сітківку зорової чашки. Ці клітини контактують із зовнішніми клітинами ектодерми, які зрештою стануть кришталиком.

Фенотип та виживання мишей після нокауту деяких генів FGFR: Ген нокауту FGFR Виживання Фенотип Fgf1 Життєздатний Незрозуміло Fgf3 Життєздатний Внутрішнє вухо, диференціація скелета (хвоста) Fgf4 Смертельний Проліферація внутрішньої клітинної маси Fgf8 Смертельний Дефект гаструляції, розвиток ЦНС, розвиток кінцівок Fgf10 Смертельний Розвиток кількох органів (включаючи кінцівки, тимус, гіпофіз) Fgf17 Життєздатний Розвиток мозочка

Шлях рецепторної тирозинкінази (RTK) Паракринна сигналізація через фактори росту фібробластів та відповідні їм рецептори використовує тирозиновий рецепторний шлях. Цей сигнальний шлях був ретельно вивчений на очах дрозофіли та культурах пухлин людини.

Зв'язування FGF з FGFR фосфорилює неактивну кіназу та активує шлях RTK. Цей шлях починається на поверхні клітинної мембрани, де ліганд зв'язується зі своїм специфічним рецептором. Ліганди, що зв'язуються з RTK, включають фактори росту фібробластів, епідермальні фактори росту, фактори росту тромбоцитів та фактор стовбурових клітин. Це димеризує трансмембранний рецептор з іншим рецептором RTK, що викликає аутофосфорилювання та подальшу конформаційну зміну гомодимеризованого рецептора. Ця конформаційна зміна активує неактивну кіназу кожного RTK на залишки тирозину. Через те, що рецептор проходить через мембрану з позаклітинного середовища, через ліпідний бішар і в цитоплазму, зв'язування рецептора з лігандом також викликає трансфосфорилювання цитоплазматичного домену рецептора.

Адаптерний білок (наприклад, SOS) розпізнає фосфорильований тирозин на рецепторі. Цей білок функціонує як місток, що з'єднує RTK з проміжним білком (наприклад, GNRP), запускаючи внутрішньоклітинний сигнальний каскад. У свою чергу, проміжний білок стимулює GDP-зв'язаний Ras до активованого GTP-зв'язаного Ras. GAP зрештою повертає Ras у його неактивний стан. Активація Ras далі може ініціювати три сигнальні шляхи: шлях Ras→Raf→MAP-кінази, шлях PI3-кінази та шлях Ral. Кожен шлях призводить до активації транскрипційних факторів, які потрапляють у ядро, і змінюють експресію генів.

RTK-рецептор і рак Було показано, що паракринна сигналізація факторів росту між сусідніми клітинами посилює канцерогенез. Фактично, мутантні форми одного RTK можуть відігравати причинну роль у дуже різних типах раку. Протоонкоген Kit кодує рецептор тирозинкінази, лігандом якого є паракринний білок, який називається фактором стовбурових клітин (SCF), що важливий для гемопоезу. Рецептор Kit та споріднені рецептори тирозинкінази насправді є інгібіторними та ефективно пригнічують активацію рецепторів. Мутантні форми рецептора Kit, які активуються конститутивно ліганд-незалежним чином, виявлені в різноманітних злоякісних новоутвореннях.

Шлях JAK-STAT та рак Дослідження раку щитоподібної залози прояснили теорію про те, що паракринна сигналізація може сприяти створенню мікросередовищ пухлини. Коли Ras перебуває у стані, зв'язаному з ГТФ, транскрипція хемокінів підвищується і вони вивільняються та зв'язуються з сусідними клітинами. Паракринна сигналізація між сусідніми клітинами створює позитивний зворотний зв'язок. Таким чином, конститутивна транскрипція підвищено експресованих білків формує ідеальне середовище для виникнення пухлин. Фактично, багаторазове зв'язування лігандів з рецепторами RTK надмірно стимулює шлях Ras-Raf-MAPK, що призводить до надмірної здатності клітин до мітозу та інвазії.

JAK-STAT шлях Окрім сигнального шляху RTK, фактори росту фібробластів також можуть активувати сигнальний шлях JAK-STAT. Замість того, щоб нести ковалентно пов'язані тирозинкіназні домени, рецептори Jak-STAT утворюють нековалентні комплекси з тирозинкіназами класу Jak (кіназа Janus). Ці рецептори зв'язуються з еритропоетином (важливим для еритропоезу), тромбопоетином (важливим для утворення тромбоцитів) та інтерфероном (важливим для опосередкування функції імунних клітин).

Після зв'язування з лігандом і димеризації цитокінових рецепторів, JAK трансфосфорилюють один одного. Утворені фосфотирозини притягують STAT-білки. STAT-білки димеризуються та потрапляють у ядро, де діють як транскрипційні фактори і змінюють експресію генів. Зокрема, STAT транскрибують гени,такі як myc, що сприяють проліферації та виживанню клітин.

Фенотип та виживання мишей після нокауту деяких генів JAK або STAT: Нокаутний ген Виживання Фенотип Jak1 Смертельний Неврологічний дефіцит Jak2 Смертельний Порушення еритропоезу Stat1 Життєздатний Синдроми карликовості та краніосиностозу у людини Stat3 Смертельний Тканиноспецифічні фенотипи Stat4 Життєздатний дефектна диференціація Th1, зумовлена IL-12, підвищена сприйнятливість до внутрішньоклітинних патогенів

Аберантний шлях JAK-STAT та мутації в кістках Сигнальний шлях JAK-STAT відіграє важливу роль у розвитку кінцівок, зокрема у його здатності регулювати ріст кісток через паракринну сигналізацію цитокінів. Мутації в цьому шляху були пов'язані з важкими формами карликовості: танатофорною дисплазією (летальною) та ахондроплазичною карликовістю (життєздатною). Це пов'язано з мутацією в гені Fgf, що викликає передчасну та конститутивну активацію транскрипційного фактора Stat1. Поділ хондроцитів передчасно припиняється, що призводить до летальної карликовості. Клітини ростових пластинок ребер та кінцівок не транскрибуються. Таким чином, нездатність грудної клітки розширюватися перешкоджає диханню новонародженого.

Шлях JAK-STAT та рак Дослідження паракринної сигналізації через шлях JAK-STAT виявило її потенціал в активації інвазивної поведінки епітеліальних клітин яєчників. Цей перехід від епітелію до мезенхіми дуже помітний при метастазуванні. Паракринна сигналізація через шлях JAK-STAT необхідна для переходу від стаціонарних епітеліальних клітин до мобільних мезенхімальних клітин, які здатні проникату у навколишні тканини. Було виявлено, що лише шлях JAK-STAT індукує міграцію клітин.

Родина білків Hedgehog Родина білків Hedgehog бере участь в індукції типів клітин, створенні меж і структури тканин і виявлені у всіх двосторонніх організмах. Білки Hedgehog були вперше виявлені та вивчені у дрозофіли. Білки Hedgehog виробляють ключові сигнали для встановлення плану кінцівок і тіла плодових мушок, а також гомеостазу тканин дорослих, беруть участь у пізньому ембріогенезі та метаморфозі. Принаймні три гомологи «дрозофільного» Hedgehog були виявлені у хребетних: sonic Hedgehog, desert Hedgehog та Indian Hedgehog. Sonic Hedgehog (SHH) відіграє різні ролі в розвитку хребців, опосередковуючи сигналізацію та регулюючи організацію центральної нервової системи, кінцівок і полярності сомітів. Desert Hedgehog (DHH) експресується в клітинах Сертолі, що беруть участь у сперматогенезі. Indian Hedgehog (IHH) експресується в кишечнику та хрящах, що важливо для постнатального росту кісток.

Сигнальний шлях Hedgehog

Члени родини білків Hedgehog діють шляхом зв'язування з трансмембранним рецептором «Patched», який зв'язаний з білком «Smoothened», через який може трансдукуватися сигнал Hedgehog. За відсутності Hedgehog рецептор Patched пригнічує дію Smoothened. Інгібування Smoothened призводить до того, що комплекс білків Cubitus interruptus (Ci), Fused та Cos, приєднаний до мікротрубочек, залишається неушкодженим. У цій конформації білок Ci розщеплюється, так що частина білка може потрапити в ядро та діяти як репресор транскрипції. У присутності Hedgehog, Patched більше не пригнічує Smoothened. Тоді активний білок Smoothened здатний пригнічувати протеїн-кіназу А та Slimb, так що білок Ci не розщеплюється. Цей неушкоджений білок Ci може потрапити в ядро, зв'язатися з білком CPB та діяти як активатор транскрипції, індукуючи експресію генів Hedgehog-відповіді.

Сигнальний шлях Hedgehog та рак Сигнальний шлях Hedgehog є критично важливим для правильного формування та орієнтації тканин під час нормального розвитку більшості тварин. Білки Hedgehog індукують проліферацію клітин в одних клітинах та диференціацію в інших. Аберантна активація сигнального шляху Hedgehog була пов'язана з кількома типами раку, зокрема базальноклітинною карциномою. Ця неконтрольована активація білків Hedgehog може бути спричинена мутаціями сигнального шляху, які можуть бути незалежними від ліганду, або мутацією, що викликає надмірну експресію білка Hedgehog, яка може бути залежною від ліганду. Крім того, було показано, що індукована терапією активація сигнального шляху Hedgehog необхідна для прогресування пухлин раку простати після андроген-деприваційної терапії. Цей зв'язок між сигнальним шляхом Hedgehog та раком людини може забезпечити можливість терапевтичного втручання як лікування таких видів раку. Сигнальний шлях Hedgehog також бере участь у нормальній регуляції популяцій стовбурових клітин і необхідний для нормального росту та регенерації пошкоджених органів. Це може забезпечити ще один можливий шлях для онкогенезу через сигнальний шлях Hedgehog.

Родина білків Wnt

Родина білків Wnt включає велику кількість глікопротеїнів багатих на цистеїн.