A Notch jelátviteli fehérje által irányított új útvonal meglepő felfedezése megnyitja az utat a jobb gyógyszerfejlesztés előtt
By Lindsay Brownell
(BOSTON) – Minden percben másfél gallon vér lüktet a test vénák és artériák hálózatán keresztül. Ennek a véráramlásnak az ereje segít megőrizni az ereket bélelő sejtek, az úgynevezett endotélsejtek egészségét; amikor a véráramlás megszakad, például sebészeti beavatkozások vagy stroke során, az erek szivárogni kezdenek, ami számos gyulladásos reakciót okozhat, amelyek sejtkárosodáshoz és betegséghez vezetnek. A Harvard Egyetem Wyss Intézetének tudósai nekiláttak annak a rejtélynek a megoldásához, hogy a véráramlás hogyan tartja épségben az ereket, és meglepetésükre egy teljesen új sejtszignál-útvonalat fedeztek fel, amely ígéretes célpontja lehet a különböző gyengítő állapotok kezelésére szolgáló gyógyszereknek.
“Azt találtuk, hogy a jól ismert Notch-fehérje felelős azért, hogy az erek ne váljanak lyukacsossá, és ezt egy másodlagos jelátviteli útvonalon keresztül teszi, amely teljesen más módon működik, mint az ismert transzkripciós alapú útvonal” – mondja Dr. Chris Chen, a Wyss Institute munkatársa, a Biológiai Tervezési Központ alapító igazgatója és a Boston University Biomedical Engineering neves professzora, a tanulmány levelező szerzője. “Nemcsak a felfedezés szempontjából izgalmas ez az új útvonal, hanem a rák- és szív- és érrendszeri gyógyszerek néhány mellékhatását is javíthatja, hogy biztonságosabbá és hatékonyabbá tegye azokat.” A tanulmány ma jelenik meg a Nature folyóiratban.
A véredényeket bélelő endotélsejtek szorosan kapcsolódnak egymáshoz az adherens csomópontoknak nevezett kapcsolatokon keresztül, hogy olyan gátat képezzenek, amely az érben tartja a vért, és szabályozza, hogy más anyagok milyen könnyen tudnak be- és kijutni az érből. Ennek a gátnak a tanulmányozására és annak megállapítására, hogy a véráramlás hiánya miért okozza a gát szivárgását, a kutatók egy mikrofluidikai eszközön belül egy emberi endotélsejtek rétegével bélelt csatornából álló, extracelluláris mátrixszal körülvett vérér on-a-chip modellt építettek, amely lehetővé tette számukra, hogy könnyen szimulálják és szabályozzák a vér áramlását az érben, és értékeljék a sejtek reakcióit.
A véráramlást tapasztalt endotélsejtek a Notch1 transzmembránfehérje fokozott aktivitását mutatták, míg a statikus vérnek kitett sejtekét nem. Amikor a kutatók olyan vegyszert adtak hozzá, amely blokkolja a Notch1 aktiválódását azáltal, hogy megakadályozza intracelluláris doménjének leválását, azt figyelték meg, hogy az ér szivárogni kezdett, amiről megállapították, hogy a szomszédos endotélsejtek közötti adherens csomópontok megszakadása és az egyes sejteken belül az aktinrostok átrendeződése okozta. Ez megerősítette, hogy a Notch1 véráramlás általi aktiválása szükséges az erek endoteliális gátjának kialakulásához és fenntartásához.
Furcsa módon a Notch1 intracelluláris doménjének megakadályozása a leválás utáni transzkripció elindításában (ami a Notch1 jól ismert hatásmechanizmusa) nem okozta az erek szivárgását, ami arra utalt, hogy a fehérje valamely más, a transzkripciót nem érintő funkciójú része reagált a véráramlásra. Ezt a gyanút erősítették meg azok az in vivo kísérletek, amelyekben a tudósok a Notch1-et blokkoló vegyszert fecskendeztek egerekbe kék festékkel együtt, és azt látták, hogy a festék a vártnál sokkal gyorsabban szivárgott ki a kezelt egerek vérereiből. “Egy gén átírása egy fehérjévé, amely aztán valamilyen funkciót lát el a sejtben, általában két órát vesz igénybe, de mi 30 percen belül szivárgást láttunk, ami arra utal, hogy bármilyen folyamat is szabályozza a gát áteresztőképességét, az egy teljesen más mechanizmuson keresztül működik” – mondja Dr. Bill Polacheck, Miután megállapították, hogy az intracelluláris domén nem vesz részt az endoteliális gát szabályozásában, a tudósok a Notch1 más részeinek aktivitását vizsgálták. CRISPR/Cas-9 segítségével törölték a Notch1 gén különböző szakaszait, és azt találták, hogy az intracelluláris domént kódoló szakasz törlése nem volt hatással a permeabilitásra, míg az apró transzmembrán domén (TMD) szakasz törlése szintén áramlási körülmények között az érszivárgás növekedését okozta. “Ez az első alkalom, hogy a Notch TMD biológiai funkcióját értékelték” – mondja Matthew Kutys, Ph.D., a Wyss Intézet vendégkutatója és társ-első szerzője. “Nagyrészt azt feltételezték, hogy inaktív és csak úgy eltűnik az aktiválás után, és a legtöbb tankönyv és kutatási cikk nem is mutatja be a Notch-receptorok különálló részeként.” További vizsgálatok során rájöttek, hogy amikor a Notch1 aktiválódik és intracelluláris doménje felszabadul, TMD-je komplexet állít össze a membránban a VE-kadherin, Rac1, LAR és Trio fehérjékkel, amelyek együttesen összeállítják és fenntartják a sejtek közötti adherens csomópontokat, és aktinrostokat osztanak szét a sejtmembránnal szemben, hogy támogassák ezeket a csomópontokat.
“Visszatekintve, kockáztattunk ezzel a projekttel, mert azzal, hogy a Notch vizsgálatát választottuk, a biológia egyik legzsúfoltabb kutatási területére léptünk be. De a mérnöki alapú megközelítésünk lehetővé tette, hogy új módon, a korábbi munkák befolyása vagy elfogultsága nélkül tanulmányozzuk, ami szerintem elég nyitottá tett minket ahhoz, hogy megfigyeljük és jellemezzük ezt az új, váratlan útvonalat” – mondja Polacheck. “Annak ismerete, hogy a Notch1 a sejtdifferenciálódás mellett a sejtadhéziót is szabályozza, új keretet kínál a komplex sejtfolyamatok koordinációjának megértéséhez, mivel az olyan egyetlen molekulák, mint a Notch, többféle szerepet játszhatnak” – teszi hozzá Kutys.
A felfedezés, hogy a Notch1 különböző funkciókat lát el, és annak ismerete, hogy a fehérje mely részei irányítják az egyes funkciókat, lehetővé teszi új, hatékonyabb és kevésbé toxikus gyógyszerek kifejlesztését. “A Notch egyes rákterápiák célpontja, de ezek a gyógyszerek köztudottan ödémát és egyéb problémákat okoznak. Most aktívan dolgozunk a Notch két útvonalának szétválasztásán, hogy olyan gyógyszereket hozhassunk létre, amelyek csak az intracelluláris domént célozzák, megkímélve a TMD-t, és így megőrizve az erek épségét” – mondja Karen Hirschi, Ph.D., a Yale School of Medicine orvostudományi és genetikai professzora, aki a tanulmányban közreműködött. Annak ismerete, hogy a Notch szabályozza az erek áteresztőképességét, a szív- és érrendszeri betegségek kezelésére szolgáló új gyógyszerek jelöltjévé is teszi, és a kutatócsoport magát a TMD-t mint potenciális terápiás szert is vizsgálja, mivel a szivárgást kiváltó gyulladásnak kitett sejtmodellekben drámaian csökkent a szivárgás, amikor a TMD kifejeződésére módosították őket.
“Az együttműködések, amelyeket a Wyss Intézet lehetővé tesz és ápol olyan eltérő területek között, mint a gépészet és a molekuláris biológia, új megközelítéseket tesznek lehetővé régi problémákra, amelyek valóban paradigmaváltó eredményekhez vezethetnek” – mondja Dr. Donald Ingber, a Wyss Intézet alapító igazgatója, a Harvard Medical School és a bostoni gyermekkórház érbiológiai programjának Judah Folkman professzora, aki egyben a Harvard Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) biomérnöki professzora. “Ez a tanulmány kiváló példája annak, hogy az ilyen típusú partnerségek milyen előnyökkel járhatnak a tudomány és a társadalom számára.”
A tanulmány további szerzői: Jinling Yang, Ph.D., a Wyss Intézet posztdoktori munkatársa; Jeroen Eyckmans, Ph.D., korábbi Wyss posztdoktori ösztöndíjas és jelenlegi csoportvezető a Bostoni Egyetemen; Yinyu Wu, a Yale Genetikai Tanszékének végzős hallgatója; és Hema Vasavada, a Yale School of Medicine laborvezetője.
Ezt a kutatást a National Institutes of Health (NIH), a National Science Foundation (NSF), a Ruth L. Kirchstein National Research Service Award, a The Hartwell Foundation és a Harvard Egyetem Wyss Intézete támogatta.
- Szerkesztés – Nature: Egy nem-kanonikus Notch-komplex szabályozza az adherens csomópontokat és a vaszkuláris barrier funkciót