Wnt/β-катениновый путь

Wnt/β-катениновый путь (канонический Wnt-сигнальный путь) — это эволюционно консервативный внутриклеточный сигнальный каскад, регулирующий процессы эмбрионального развития, клеточной пролиферации, дифференцировки и поддержания стволовых клеток. Центральным элементом пути является белок β-катенин, который в отсутствие сигнала Wnt разрушается в протеасоме, а при активации пути накапливается в цитоплазме и перемещается в ядро, где активирует транскрипцию генов-мишеней. Нарушения регуляции этого пути ассоциированы с развитием ряда онкологических заболеваний, в первую очередь колоректального рака.

История открытия

Исследования Wnt-сигнализации начались в 1980-х годах с изучения онкогенов. В 1982 году был открыт ген int1 (позднее переименованный в Wnt1), активирующийся при встраивании вируса опухоли молочной железы мышей (MMTV). Параллельно в 1980-х годах у плодовой мушки дрозофилы был идентифицирован ген wingless (wg), мутации которого приводили к отсутствию крыльев. В 1987 году было показано, что int1 и wingless являются гомологами. В 1990-х годах была установлена роль β-катенина в передаче сигнала: в 1993 году независимо друг от друга группы Берта Фогельштейна и Кеннета Кинцлера обнаружили, что мутации в гене APC (аденоматозный полипоз кишечника) приводят к накоплению β-катенина в клетках колоректального рака. В 1997 году была выяснена структура деструктивного комплекса, разрушающего β-катенин в отсутствие сигнала. К началу 2000-х годов канонический путь был описан в деталях.

Общая схема сигнального каскада

В отсутствие сигнала Wnt (неактивное состояние)

В клетке, не получающей сигнал Wnt, концентрация свободного β-катенина в цитоплазме поддерживается на низком уровне. Белок β-катенин связывается с деструктивным комплексом, который включает следующие компоненты:

• Аденоматозный полипоз кишечника (APC) — белок-каркас, обеспечивающий сборку комплекса.
• Аксин (Axin) — белок-каркас, связывающий APC и другие компоненты.
• Гликогенсинтаза-киназа 3β (GSK-3β) — киназа, фосфорилирующая β-катенин.
• Казеинкиназа 1α (CK1α) — киназа, осуществляющая первичное фосфорилирование β-катенина.

В составе деструктивного комплекса β-катенин последовательно фосфорилируется по остаткам серина и треонина в N-концевой области (кодон 45 — CK1α, затем кодоны 41, 37, 33 — GSK-3β). Фосфорилированный β-катенин узнаётся убиквитин-лигазой β-TrCP, которая присоединяет к нему цепь убиквитина. Убиквитинированный β-катенин направляется на деградацию в протеасому. В результате в цитоплазме практически отсутствует свободный β-катенин, а в ядре транскрипционный фактор TCF/LEF находится в репрессированном состоянии, связанном с корепрессорами (например, Groucho).

При активации сигналом Wnt (активное состояние)

Внеклеточный сигнальный белок Wnt (например, Wnt3a) связывается с рецепторным комплексом на клеточной мембране. Рецептор состоит из:

• Frizzled (Fz) — семиспиральный трансмембранный белок.
• LRP5/6 (LDL receptor-related protein 5/6) — корецептор, относящийся к семейству липопротеиновых рецепторов.

Связывание Wnt с Fz и LRP5/6 индуцирует кластеризацию рецепторов и фосфорилирование цитоплазматического хвоста LRP5/6 киназой GSK-3β и CK1γ. Фосфорилированный LRP5/6 привлекает к мембране белок Dishevelled (Dvl), который связывается с Fz. Dvl инактивирует деструктивный комплекс: аксин перемещается к мембране и связывается с LRP5/6, что приводит к диссоциации комплекса. GSK-3β перестаёт фосфорилировать β-катенин. В результате β-катенин перестаёт разрушаться и накапливается в цитоплазме.

Накопившийся β-катенин транслоцируется в ядро, где связывается с транскрипционным фактором TCF/LEF (T-cell factor/lymphoid enhancer factor). В отсутствие β-катенина TCF/LEF связан с корепрессорами (например, Groucho/TLE) и подавляет транскрипцию генов-мишеней. При связывании β-катенина корепрессоры вытесняются, и β-катенин привлекает коактиваторы (например, BCL9, Pygo, CBP/p300), что приводит к активации транскрипции. Гены-мишени Wnt-пути включают c-Myc, Cyclin D1, Axin2, Lef1, CD44 и другие, регулирующие пролиферацию, клеточный цикл и дифференцировку.

Ключевые компоненты

Лиганды Wnt

У млекопитающих обнаружено 19 белков Wnt. Они секретируются клетками и подвергаются посттрансляционным модификациям, включая пальмитолирование (присоединение жирной кислоты), необходимое для их активности и секреции. Белки Wnt делятся на канонические (например, Wnt1, Wnt3a, Wnt8), активирующие β-катениновый путь, и неканонические (Wnt5a, Wnt11), активирующие другие пути.

Рецепторы

Рецептор Frizzled (10 типов у человека) — семиспиральный трансмембранный белок с внеклеточным цистеин-богатым доменом (CRD), связывающим Wnt. Корецептор LRP5/6 (два типа) — односпиральный трансмембранный белок с внеклеточными повторами, богатыми лейцином.

β-катенин

Белок β-катенин (кодируется геном CTNNB1) выполняет двойную функцию: в клеточной адгезии он связывает кадгерины с цитоскелетом, а в сигнализации действует как коактиватор транскрипции. Его стабильность регулируется фосфорилированием.

Деструктивный комплекс

Ключевые белки: APC (ген APC), аксин (гены AXIN1, AXIN2), GSK-3β (ген GSK3B), CK1α (ген CSNK1A1). Мутации в этих генах приводят к конститутивной активации пути.

Регуляция пути

Wnt-сигнальный путь регулируется на нескольких уровнях:

• Внеклеточные антагонисты: белки семейства Dickkopf (Dkk) связываются с LRP5/6 и блокируют его взаимодействие с Wnt; белки SFRP (secreted Frizzled-related protein) связывают Wnt в межклеточном пространстве; белки WIF (Wnt inhibitory factor) также ингибируют связывание.
• Внутриклеточные регуляторы: убиквитин-лигаза RNF43/ZNRF3 удаляет рецепторы Frizzled с мембраны, снижая чувствительность клетки; белок Tiki отщепляет N-конец Wnt, инактивируя его.
• Обратная связь: активация пути индуцирует экспрессию Axin2 и RNF43, которые подавляют сигнал, создавая отрицательную обратную связь.

Роль в развитии и физиологии

Wnt/β-катениновый путь критически важен в эмбриогенезе:

• Формирование оси тела: у позвоночных Wnt сигнализирует о дорсальной стороне эмбриона, участвуя в формировании спинного мозга и сомитов.
• Развитие нервной системы: регулирует пролиферацию нейральных стволовых клеток и миграцию нейронов.
• Органогенез: участвует в развитии кишечника, лёгких, почек, костей (остеогенез) и сердца.
• Поддержание стволовых клеток: в кишечнике, коже, волосяных фолликулах и гемопоэтической системе Wnt-сигнал поддерживает пролиферацию стволовых клеток и предотвращает их дифференцировку.

Патологии, связанные с нарушениями пути

Онкологические заболевания

Наиболее изучена роль Wnt-пути в колоректальном раке. Более 80% случаев спорадического колоректального рака имеют мутации в гене APC. Мутации в APC приводят к потере функции белка, что делает деструктивный комплекс неспособным разрушать β-катенин. В результате β-катенин накапливается, и путь активируется конститутивно, стимулируя пролиферацию клеток. Мутации в CTNNB1 (β-катенин) также встречаются, особенно в гепатоцеллюлярной карциноме, меланоме, раке яичников и эндометрия. Активация Wnt-пути способствует росту опухолей, метастазированию и устойчивости к терапии.

Другие заболевания

• Наследственный аденоматозный полипоз кишечника (FAP) — аутосомно-доминантное заболевание, вызванное мутациями в APC; характеризуется множественными полипами толстой кишки с высоким риском малигнизации.
• Синдром Гарднера — вариант FAP с экстраинтестинальными проявлениями (остеомы, кисты).
• Остеопороз — снижение активности Wnt-пути в остеобластах приводит к уменьшению костной массы; мутации в LRP5 связаны с остеопорозом-псевдоглиомой.
• Болезнь Альцгеймера — предполагается, что дисрегуляция Wnt-пути способствует накоплению амилоида-β и гибели нейронов.
• Врождённые пороки развития — мутации в генах Wnt-пути могут вызывать дефекты нервной трубки, скелетные аномалии и пороки сердца.

Терапевтические подходы

Из-за частой активации Wnt-пути в раке он является мишенью для лекарственных препаратов. Разрабатываются:

• Ингибиторы секреции Wnt (например, LGK974) — блокируют пальмитолирование Wnt, предотвращая его секрецию.
• Антагонисты рецепторов (антитела к Frizzled, например, vantictumab) — препятствуют связыванию Wnt.
• Ингибиторы β-катенина (например, PRI-724) — нарушают взаимодействие β-катенина с коактиваторами CBP/p300.
• Ингибиторы транскрипции (например, ICG-001) — блокируют связывание β-катенина с TCF.

Однако терапия осложняется тем, что полное подавление пути токсично для нормальных стволовых клеток, особенно в кишечнике. Поэтому разрабатываются подходы с частичным ингибированием или таргетной доставкой.

Интересные факты

• Название «Wnt» происходит от слияния названий wingless (дрозофила) и int (мышь).
• β-катенин был впервые идентифицирован как белок, связывающийся с кадгеринами, и лишь позже была открыта его сигнальная функция.
• У некоторых организмов (например, у гидры) Wnt-сигнализация регулирует регенерацию и может восстанавливать утраченные части тела.
• Мутации в APC являются одним из наиболее ранних событий в канцерогенезе колоректального рака, что делает их потенциальным биомаркером для ранней диагностики.

Источники

• Logan C.Y., Nusse R. The Wnt signaling pathway in development and disease // Annual Review of Cell and Developmental Biology. — 2004. — Vol. 20. — P. 781–810.
• Clevers H., Nusse R. Wnt/β-catenin signaling and disease // Cell. — 2012. — Vol. 149, № 6. — P. 1192–1205.
• Nusse R., Clevers H. Wnt/β-catenin signaling, disease, and emerging therapeutic modalities // Cell. — 2017. — Vol. 169, № 6. — P. 985–999.
• MacDonald B.T., Tamai K., He X. Wnt/β-catenin signaling: components, mechanisms, and diseases // Developmental Cell. — 2009. — Vol. 17, № 1. — P. 9–26.
• Zhan T., Rindtorff N., Boutros M. Wnt signaling in cancer // Oncogene. — 2017. — Vol. 36, № 11. — P. 1461–1473.