Schema des Notch-Signalwegs erstellen
Schemata des Notch-Signalwegs zwischen zwei Zellen, von der Ligandenbindung über die Schnitte durch ADAM10 und γ-Sekretase bis zu NICD und CSL (RBPJ) an HES- und HEY-Genen, dazu laterale Inhibition und T-ALL. Gemacht für die Zellbiologie.
Notch-Signalweg in Beispielen
Echte Renderings von vier Prompts zum Notch-Signalweg: voll beschriftet, als Überblick mit fünf Begriffen, als laterale Inhibition im Innenohr und als leeres Arbeitsblatt. Ein Klick lädt den Prompt zum Bearbeiten.
Zwei Zellen, ein Kontakt, zwei Schnitte
Von der sendenden Zelle abwärts bis in den Zellkern lesen.
- 1
DLL1 → Notch-Rezeptor
Der Ligand der sendenden Zelle bindet Notch der empfangenden Zelle.
- 2
Ligand-Endozytose
Die sendende Zelle nimmt den Liganden auf und zieht so an Notch.
- 3
S2- und S3-Spaltung
ADAM10 schneidet vor der Membran, γ-Sekretase dann darin.
- 4
NICD, CSL (RBPJ), MAML
NICD geht in den Kern und schaltet mit CSL und MAML HES1, HEY1 an.
Wer Delta behält, wird Haarzelle
Von links nach rechts: von Zelle A hinüber in Zelle B.
- 1
Delta auf A → Notch auf B
Zelle A mit viel Delta aktiviert Notch in ihrer Nachbarin, Zelle B.
- 2
NICD → HES1
Das in Zelle B freigesetzte NICD schaltet HES1 an.
- 3
HES1 am Delta-Gen von B
HES1 drosselt das eigene Delta von B, der Unterschied wächst.
Notch-Abbildungen von der Rezeptorstruktur bis zur Krankheit
Die Abbildungen oben zeigen ein Ligand-Rezeptor-Paar und die laterale Inhibition im Innenohr, die Tabelle weiter unten stellt Notch dem Wnt-Signalweg gegenüber. Publikationen aus Entwicklungsbiologie, Gefäßbiologie und Hämatologie zeichnen außerdem die folgenden Notch-Abbildungen.
Domänenstruktur des Notch-Rezeptors
Der Rezeptor als lineare Karte, N-Terminus außen. Extrazellulär: eine lange Reihe EGF-ähnlicher Wiederholungen, 36 bei NOTCH1, mit der Ligandenbindungsstelle an den Wiederholungen 11–12; dann die negative Regulationsregion – drei Lin12-Notch-Wiederholungen und die Heterodimerisierungsdomäne –, die die S2-Stelle verbirgt, bis ein Ligand zieht. Intrazellulär: die RAM-Domäne und sieben Ankyrin-Wiederholungen, die CSL binden, Kernlokalisationssignale und die C-terminale PEST-Domäne. Markieren Sie darauf die drei Schnitte: S1 durch Furin, S2 durch ADAM10, S3 durch γ-Sekretase in der Transmembrandomäne.
Laterale Induktion und Grenzbildung
Das Gegenteil der lateralen Inhibition in der zweiten Abbildung: Notch-Aktivierung erhöht den Liganden, meist JAG1, in der empfangenden Zelle, sodass sich das Signal ausbreitet und ein ganzes Zellfeld dasselbe Schicksal annimmt; die prosensorische Domäne des Innenohrs und die glatten Muskelschichten der Arterien sind die Standardbeispiele. An einer Grenze sorgt Fringe dafür, dass Notch in dorsalen Zellen auf Delta anspricht und nicht auf Serrate, sodass die Signalübertragung auf eine Linie beschränkt bleibt, wie an der dorsoventralen Grenze der Flügelimaginalscheibe von Drosophila.
Tip- und Stalk-Zellen in der Angiogenese
Ein aussprossendes Gefäß mit zwei Endothelzellen. VEGF-A an VEGFR2 erhöht DLL4 in der führenden Tip-Zelle; DLL4 aktiviert NOTCH1 in der Stalk-Zelle dahinter, die daraufhin VEGFR2 senkt und VEGFR1 erhöht, sodass diese Zelle zurückbleibt und sich teilt, um den Stiel aufzubauen. JAG1 in den Stalk-Zellen konkurriert mit DLL4 und hält die Auswahl dynamisch. Wird DLL4 blockiert, entstehen viele Tip-Zellen und ein dichtes Gefäßknäuel, das wenig Blut führt.
NOTCH1 im Thymus und bei T-ALL
Zwei Felder. Im Thymus aktiviert DLL4 auf dem kortikalen Epithel NOTCH1 in einwandernden Vorläuferzellen und legt sie auf die T-Zell-Linie statt auf die B-Zell-Linie fest. Bei der T-ALL ist derselbe Rezeptor dauerhaft an: Tragen Sie die Mutationen in die Rezeptorkarte ein – Mutationen der Heterodimerisierungsdomäne, durch die er ohne Ligand gespalten werden kann, PEST-Verkürzungen und FBXW7-Verlust, die den Abbau von NICD verhindern. Eine seltene Translokation, t(7;9), stellt ein verkürztes NOTCH1 unter die Kontrolle des T-Zell-Rezeptor-β-Locus.
Notch in der Darmkrypte
Notch entscheidet zwischen den beiden Linien der Darmschleimhaut. Paneth-Zellen präsentieren DLL1 und DLL4 den benachbarten Lgr5⁺-Stammzellen und Vorläufern; in Notch-aktiven Zellen unterdrückt HES1 ATOH1, und sie werden zu resorbierenden Enterozyten, während Zellen ohne Notch-Signal ATOH1 exprimieren und zu Becher-, Paneth- oder enteroendokrinen Zellen werden. Die Blockade der γ-Sekretase wandelt die Krypte in Becherzellen um; das ist der Mechanismus hinter den Durchfällen in Studien mit γ-Sekretase-Inhibitoren.
Erbliche Notch-Erkrankungen
Jedes Syndrom an seinem eigenen Knoten. Alagille-Syndrom: meist JAG1-, wenige NOTCH2-Mutationen; Rarefizierung der Gallengänge, Herzfehler wie die periphere Pulmonalstenose, Schmetterlingswirbel und Embryotoxon posterius. CADASIL: NOTCH3-Mutationen, die die Zahl der Cysteine in einer EGF-ähnlichen Wiederholung verändern, in der glatten Gefäßmuskulatur; subkortikale Schlaganfälle, Migräne mit Aura und Demenz. Hajdu-Cheney-Syndrom: NOTCH2-Verkürzungen, die die PEST-Domäne entfernen. Spondylokostale Dysostose: DLL3 und andere Gene der Segmentierungsuhr der Somiten. NOTCH1-Mutationen kommen außerdem bei bikuspider Aortenklappe und Aortenklappenverkalkung vor.
Was ist der Notch-Signalweg?
Der Notch-Signalweg ist ein kontaktabhängiger Signalweg: Ein Delta-like- oder Jagged-Ligand auf einer Zelle bindet den Notch-Rezeptor der Nachbarzelle, ADAM10 und γ-Sekretase schneiden den Rezeptor, und die freigesetzte intrazelluläre Domäne (NICD) wandert in den Zellkern, wo sie mit CSL (RBPJ) und MAML HES- und HEY-Gene anschaltet. Das Rezeptorfragment selbst trägt das Signal – ohne Kinasekaskade und ohne sekundären Botenstoff.
Auf einen Blick
- Säugetiere haben vier Notch-Rezeptoren und fünf kanonische Liganden. NOTCH1–4 werden von den Delta-like-Liganden DLL1 und DLL4 und den Jagged-Liganden JAG1 und JAG2 aktiviert; DLL3 wirkt vor allem über cis-Inhibition statt über Aktivierung.
- Notch wird dreimal geschnitten. Furin spaltet den neuen Rezeptor an S1 im Golgi-Apparat zum reifen Heterodimer; nach der Ligandenbindung schneidet ADAM10 an S2 knapp außerhalb der Membran, und die γ-Sekretase mit Presenilin als katalytischer Untereinheit schneidet an S3 in der Membran und setzt NICD frei.
- Der Ligand muss ziehen. Bindung allein reicht nicht: Die Ubiquitin-Ligasen Mindbomb oder Neuralized markieren den gebundenen Liganden, die sendende Zelle nimmt ihn per Endozytose auf, und dieser Zug entfaltet die negative Regulationsregion des Rezeptors, sodass ADAM10 die S2-Stelle erreicht.
- CSL (RBPJ) ist ein Schalter. Ohne NICD sitzt es mit Korepressoren und Histon-Deacetylasen auf den Zielgenen; NICD verdrängt sie und holt MAML und Histon-Acetyltransferasen wie p300 heran, die HES1, HES5, HEY-Gene und MYC anschalten.
- Jedes Signal ist kurzlebig. CDK8 phosphoryliert die PEST-Domäne von NICD, und die Ubiquitin-Ligase FBXW7 markiert es für den Abbau – Mutationen in PEST oder FBXW7, die das verhindern, sind bei der akuten lymphatischen T-Zell-Leukämie häufig.
Bestandteile des Notch-Signalwegs und ihre Aufgaben
Die Moleküle, die ein beschriftetes Schema des Notch-Signalwegs üblicherweise zeigt, in der Reihenfolge, in der das Signal sie durchläuft. Das ist der Standard-Beschriftungssatz, solange Sie keinen kürzeren verlangen.
| Bestandteil | Aufgabe | Wo er hingehört |
|---|---|---|
| DSL-Ligand (DLL1, DLL4, JAG1, JAG2) | Transmembraner Ligand, der Notch auf der Nachbarzelle bindet | In der Membran der sendenden Zelle, zum Spalt hin |
| Mindbomb oder Neuralized | Ubiquitin-Ligasen, die den gebundenen Liganden für die Endozytose markieren – der Zug wirkt auf den Rezeptor | In der sendenden Zelle, am Ende des Liganden |
| Notch-Rezeptor (NOTCH1–4) | Einfach membrandurchspannender Rezeptor, nach der S1-Spaltung durch Furin ein Heterodimer | Durch die Membran der empfangenden Zelle |
| Fringe | Glykosyltransferase im Golgi-Apparat, die O-Fucose an Notch-EGF-Wiederholungen verlängert und Delta gegenüber Jagged begünstigt | Im Golgi-Apparat der empfangenden Zelle (optional) |
| ADAM10 (S2-Spaltung) | Metalloprotease, die die extrazelluläre Domäne abtrennt, sobald der Zug die S2-Stelle freilegt; übrig bleibt NEXT | Knapp außerhalb der Membran der empfangenden Zelle |
| γ-Sekretase (S3-Spaltung) | Intramembran-Protease aus Presenilin, Nicastrin, PEN-2 und APH-1, die NEXT schneidet und NICD freisetzt | In der Lipiddoppelschicht |
| NICD | Intrazelluläre Notch-Domäne; trägt das Signal selbst in den Zellkern | Pfeil von der Membran durch das Cytoplasma in den Zellkern |
| CSL (RBPJ) mit Korepressoren | DNA-bindendes Protein, das die Zielgene ohne NICD abgeschaltet hält | Auf der DNA im Zellkern |
| MAML (Mastermind-like) | Koaktivator, den NICD und CSL rekrutieren; bringt p300 mit | Auf NICD und CSL an der DNA |
| HES- und HEY-Gene | Wichtigste Zielgene; sie codieren Repressoren, die die Notch-Wirkung ausführen | Unterhalb des Komplexes, ganz unten |
Wie viele Begriffe verlangt werden, hängt vom Kurs ab. Ein Einstieg zeigt Ligand, Rezeptor, NICD und Zielgene; im Oberstufen- oder Grundstudiumskurs kommen ADAM10, γ-Sekretase, CSL (RBPJ) und MAML dazu, in Vertiefungskursen Furin, Fringe und Mindbomb. Beim S2-Enzym widersprechen sich Quellen: ADAM17 spaltet Notch im Reagenzglas, die ligandenausgelöste Spaltung in lebenden Zellen hängt aber von ADAM10 ab.
Notch- vs. Wnt-Signalweg: Was ist der Unterschied?
Der Notch-Signalweg braucht direkten Zellkontakt – ein membrangebundener Ligand löst Schnitte im Rezeptor der Nachbarzelle aus, und das Rezeptorfragment selbst geht in den Zellkern –, der kanonische Wnt-Signalweg dagegen nutzt einen sezernierten Liganden, der β-Catenin vor seinem Abbaukomplex bewahrt. Beide steuern Zellschicksale in Entwicklung und Stammzellen, und beide sind bei Krebs verändert.
| Notch-Signalweg | Wnt-Signalweg (kanonisch) | |
|---|---|---|
| Ligand | Membrangebundene DSL-Liganden: DLL1, DLL4, JAG1, JAG2 | Sezernierte, lipidmodifizierte WNT-Glykoproteine – 19 beim Menschen |
| Reichweite | Kontaktabhängig (juxtakrin): nur Zellen, die sich berühren | Kurz und weit, als Gradient um die Quelle |
| Rezeptor | NOTCH1–4, einfach membrandurchspannend | Einer von 10 Frizzled-Rezeptoren mit dem Korezeptor LRP5/6 |
| Wie das Signal weitergeht | Proteolyse: S2 durch ADAM10, S3 durch γ-Sekretase | Der Abbaukomplex (APC, Axin, GSK3, CK1) wird abgeschaltet |
| Bote in den Zellkern | NICD, ein Fragment des Rezeptors | β-Catenin, ein cytoplasmatisches Protein, das nicht mehr abgebaut wird |
| Partner im Zellkern | CSL (RBPJ) mit MAML | TCF/LEF |
| Aus-Zustand | CSL (RBPJ) hemmt die Zielgene mit Korepressoren | β-Catenin wird phosphoryliert und im Proteasom abgebaut |
| Typische Krebserkrankung | NOTCH1-Mutationen bei über 50 % der T-ALL | Eine Wnt-Weg-Mutation bei etwa 90 % der sporadischen kolorektalen Karzinome |
Zeichnen Sie Notch als zwei sich berührende Zellen mit dem Liganden fest in einer Membran, Wnt dagegen mit dem Liganden frei im Raum zwischen den Zellen. Die beiden Wege beeinflussen sich – NICD kann auf den Wnt-Signalweg wirken –, doch die Partner im Zellkern bleiben getrennt: CSL bei Notch, TCF/LEF bei Wnt.
Häufige Fragen zum Notch-Signalweg
Was gehört in ein beschriftetes Schema des Notch-Signalwegs?
Standard sind die sendende Zelle mit einem DSL-Liganden (Delta-like oder Jagged), die empfangende Zelle mit dem Notch-Rezeptor, die S2-Spaltung durch ADAM10, die S3-Spaltung durch γ-Sekretase, das freigesetzte NICD und im Zellkern CSL (RBPJ), MAML und die Zielgene HES/HEY. Viele Abbildungen zeigen zusätzlich die S1-Spaltung durch Furin im Golgi-Apparat und die Korepressoren, an die CSL gebunden ist, bevor NICD eintrifft.
Welche Schritte hat der Notch-Signalweg?
Fünf Schritte: Ein Ligand auf einer Zelle bindet Notch auf der Nachbarzelle; die sendende Zelle nimmt den Liganden per Endozytose auf und zieht; ADAM10 schneidet Notch an S2; die γ-Sekretase schneidet an S3 in der Membran; NICD gelangt in den Zellkern und schaltet dort mit CSL (RBPJ) und MAML die Zielgene an. Schon vorher hat Furin den neuen Rezeptor einmal geschnitten, an S1 im Golgi-Apparat.
Was macht die γ-Sekretase im Notch-Signalweg?
Die γ-Sekretase setzt den letzten Schnitt, S3, innerhalb der Membran und löst NICD von dem Stumpf, den ADAM10 übrig lässt. Sie ist ein Komplex aus vier Teilen – Presenilin 1 oder 2 als katalytische Untereinheit, dazu Nicastrin, PEN-2 und APH-1 – und spaltet auch das Amyloid-Vorläuferprotein, das mit der Alzheimer-Krankheit verbunden ist.
Was ist laterale Inhibition beim Notch-Signalweg?
Laterale Inhibition teilt eine Gruppe gleichwertiger Zellen in zwei Schicksale: Eine Zelle, die etwas mehr Delta bildet, aktiviert Notch in ihren Nachbarn, Notch-Signale senken deren eigenes Delta, und der Unterschied wächst, bis die erste Zelle ein Schicksal einschlägt und ihre Nachbarn ein anderes. Im Innenohr ist so jede Haarzelle von Stützzellen umgeben.
Was ist cis-Inhibition von Notch?
Bei der cis-Inhibition wird Notch durch Liganden der eigenen Zelle blockiert: Ein Delta- oder Jagged-Ligand in derselben Membran bindet den Rezeptor und macht ihn für Liganden der Nachbarzellen unempfindlich. DLL3 scheint nur so zu wirken; zusammen mit der Aktivierung in trans drängt das eine Zelle in einen klaren Sende- oder Empfangszustand.
Was bewirkt Fringe an Notch?
Die Fringe-Enzyme – Lunatic, Manic und Radical Fringe – verlängern im Golgi-Apparat die O-Fucose-Zucker an den EGF-Wiederholungen von Notch, sodass NOTCH1 stärker auf Delta-like-Liganden anspricht als auf Jagged. Die Modifikation stimmt das Signal fein ab; für die Reifung des Rezeptors ist sie nicht nötig.
Welche Rolle spielt der Notch-Signalweg bei Krebs?
Aktivierende NOTCH1-Mutationen finden sich bei über 50 % der akuten lymphatischen T-Zell-Leukämien (T-ALL), meist in der Heterodimerisierungsdomäne, die den Rezeptor ohne Liganden feuern lässt, und in der PEST-Domäne, die den Abbau von NICD verhindert. In anderen Geweben, etwa bei Plattenepithelkarzinomen, wirkt Notch dagegen als Tumorsuppressor.
Wofür werden γ-Sekretase-Inhibitoren eingesetzt?
γ-Sekretase-Inhibitoren (GSI) blockieren den S3-Schnitt und legen damit den Notch-Signalweg still; die FDA hat im November 2023 einen davon, Nirogacestat, für fortschreitende Desmoidtumoren zugelassen. Eine frühe GSI-Studie bei T-ALL wurde wegen schwerer Durchfälle abgebrochen – die Darmschleimhaut ist auf Notch angewiesen, und das Enzym hat neben Notch viele weitere Substrate.
Quellen
- Signaling by NOTCH1 — pathway R-HSA-1980143 — Reactome
- Notch signaling pathway — KEGG PATHWAY hsa04330 — KEGG
- Notch signaling pathway: architecture, disease, and therapeutics (Zhou et al., 2022) — Signal Transduction and Targeted Therapy
- FDA approves nirogacestat for desmoid tumors (2023) — U.S. Food and Drug Administration
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