Generatore di schemi della via di segnalazione Notch
Genera schemi della via Notch tra due cellule, dal legame del ligando e dai tagli di ADAM10 e γ-secretasi fino a NICD e CSL (RBPJ) sui geni HES e HEY, più inibizione laterale e T-ALL. Realizzati per la biologia cellulare.
Esempi di schemi della via Notch
Render reali di quattro prompt sulla via Notch: la via tutta etichettata, una panoramica con cinque etichette, l’inibizione laterale nell’orecchio interno e una scheda vuota. Un clic ne carica il prompt da modificare.
Due cellule a contatto, due tagli su Notch
Si legge dall'alto, dalla cellula che invia fino al nucleo.
- 1
DLL1 → recettore Notch
Il ligando della cellula che invia lega Notch sulla cellula vicina.
- 2
Endocitosi del ligando
La cellula che invia internalizza il ligando e così tira Notch.
- 3
Tagli S2 e S3
ADAM10 taglia fuori dalla membrana, la γ-secretasi dentro.
- 4
NICD, CSL (RBPJ), MAML
Il NICD entra nel nucleo e con CSL e MAML accende HES1 e HEY1.
Chi tiene il Delta diventa cellula ciliata
Da sinistra a destra, dalla cellula A alla cellula B.
- 1
Delta su A → Notch su B
La cellula A, ricca di Delta, attiva Notch nella vicina B.
- 2
NICD → HES1
Il NICD liberato nella cellula B accende HES1.
- 3
HES1 e il gene Delta
HES1 abbassa il Delta della cellula B e la differenza cresce.
Figure di Notch, dalla struttura del recettore alle malattie
Le figure qui sopra mostrano una coppia ligando–recettore e l'inibizione laterale nell'orecchio interno, e la tabella più sotto mette Notch a confronto con Wnt. Queste sono le altre figure di Notch che si disegnano negli articoli di biologia dello sviluppo, biologia vascolare ed ematologia.
Struttura a domini del recettore Notch
Il recettore come mappa lineare, con l'N-terminale all'esterno. Nella parte extracellulare: una lunga fila di ripetizioni EGF-simili, 36 in NOTCH1, con il sito di legame del ligando alle ripetizioni 11–12; poi la regione regolatrice negativa (tre ripetizioni Lin12–Notch e il dominio di eterodimerizzazione), che nasconde il sito S2 finché un ligando non tira. Nella parte intracellulare: il dominio RAM e sette ripetizioni anchiriniche, che legano CSL, i segnali di localizzazione nucleare e il dominio PEST C-terminale. Segna i tre tagli: S1 dalla furina, S2 da ADAM10, S3 dalla γ-secretasi dentro il dominio transmembrana.
Induzione laterale e formazione dei confini
L'opposto dell'inibizione laterale della seconda figura: l'attivazione di Notch aumenta il ligando, di solito JAG1, nella cellula che riceve, così il segnale si propaga e un intero campo di cellule assume lo stesso destino; il dominio prosensoriale dell'orecchio interno e gli strati di muscolo liscio delle arterie sono gli esempi classici. A un confine, Fringe fa sì che Notch nelle cellule dorsali risponda a Delta e non a Serrate, e la segnalazione resta confinata a una linea, come al bordo dorso-ventrale del disco alare di Drosophila.
Cellule tip e stalk nell'angiogenesi
Un vaso che germoglia, con due cellule endoteliali. Il VEGF-A, agendo su VEGFR2, aumenta DLL4 nella cellula tip, quella di punta; DLL4 attiva NOTCH1 nella cellula stalk subito dietro, che abbassa VEGFR2 e alza VEGFR1, così quella cellula resta indietro e si divide per costruire il peduncolo. JAG1 nelle cellule stalk compete con DLL4 e mantiene dinamica la selezione. Bloccare DLL4 produce molte cellule tip e un groviglio fitto di vasi che portano poco sangue.
NOTCH1 nel timo e nella LLA-T
Due pannelli. Nel timo, DLL4 dell'epitelio corticale attiva NOTCH1 nei progenitori in arrivo e li indirizza alla linea T invece che alla linea B. Nella leucemia linfoblastica acuta T (LLA-T) lo stesso recettore resta bloccato in posizione accesa: disegna le mutazioni sulla mappa del recettore, cioè le mutazioni del dominio di eterodimerizzazione che ne permettono il taglio senza ligando, le troncature del PEST e la perdita di FBXW7, che impediscono la degradazione del NICD. Una traslocazione rara, la t(7;9), mette un NOTCH1 troncato sotto il controllo del locus β del recettore delle cellule T.
Notch nella cripta intestinale
Notch decide tra le due linee dell'epitelio intestinale. Le cellule di Paneth presentano DLL1 e DLL4 alle vicine cellule staminali Lgr5⁺ e ai progenitori; nelle cellule con Notch acceso HES1 reprime ATOH1 e le cellule diventano enterociti assorbenti, mentre quelle con Notch spento esprimono ATOH1 e diventano cellule caliciformi, di Paneth o enteroendocrine. Bloccare la γ-secretasi converte la cripta in cellule caliciformi, ed è il meccanismo della diarrea negli studi clinici con inibitori della γ-secretasi.
Malattie ereditarie della via Notch
Ogni sindrome disegnata sul proprio nodo. Sindrome di Alagille: soprattutto JAG1, poche mutazioni di NOTCH2; scarsità di dotti biliari, difetti cardiaci come la stenosi polmonare periferica, vertebre a farfalla ed embriotoxon posteriore. CADASIL: mutazioni di NOTCH3 che cambiano il numero di cisteine in una ripetizione EGF-simile, nel muscolo liscio vascolare; ictus sottocorticali, emicrania con aura e demenza. Sindrome di Hajdu-Cheney: troncature di NOTCH2 che eliminano il dominio PEST. Disostosi spondilocostale: DLL3 e altri geni dell'orologio di segmentazione dei somiti. Mutazioni di NOTCH1 si trovano anche nella valvola aortica bicuspide e nella calcificazione della valvola aortica.
Che cos'è la via di segnalazione Notch?
La via di segnalazione Notch è una via che dipende dal contatto: un ligando Delta-like o Jagged su una cellula si lega al recettore Notch della cellula vicina, ADAM10 e la γ-secretasi tagliano il recettore e il dominio intracellulare liberato (NICD) entra nel nucleo, dove con CSL (RBPJ) e MAML accende i geni HES e HEY. È lo stesso frammento del recettore a portare il segnale, senza cascata di chinasi né secondo messaggero.
In breve
- I mammiferi hanno quattro recettori Notch e cinque ligandi canonici. NOTCH1–4 sono attivati dai ligandi Delta-like DLL1 e DLL4 e dai ligandi Jagged JAG1 e JAG2; DLL3 agisce soprattutto per cis-inibizione invece di attivare Notch.
- Notch viene tagliato tre volte. La furina taglia il recettore appena sintetizzato in S1 nell'apparato di Golgi, formando l'eterodimero maturo; dopo il legame del ligando ADAM10 taglia in S2 appena fuori dalla membrana e la γ-secretasi, la cui subunità catalitica è la presenilina, taglia in S3 dentro la membrana liberando il NICD.
- Il ligando deve tirare. Il legame da solo non basta: le ubiquitina ligasi Mindbomb o Neuralized marcano il ligando legato, la cellula che invia lo internalizza per endocitosi e questa trazione apre la regione regolatrice negativa del recettore, così ADAM10 raggiunge il sito S2.
- CSL (RBPJ) è un interruttore. Senza NICD occupa i geni bersaglio insieme a corepressori e istone deacetilasi; il NICD li sposta e recluta MAML e istone acetiltransferasi come p300 per accendere HES1, HES5, i geni HEY e MYC.
- Ogni segnale dura poco. CDK8 fosforila il dominio PEST del NICD e l'ubiquitina ligasi FBXW7 lo destina alla degradazione, azzerando la via; le mutazioni di PEST o di FBXW7 che lo impediscono sono frequenti nella leucemia linfoblastica acuta a cellule T.
Componenti della via di segnalazione Notch e cosa fanno
Le molecole che uno schema etichettato della via Notch mostra di solito, nell'ordine in cui il segnale le attraversa. È il set di etichette predefinito, a meno che tu non ne chieda uno più breve.
| Componente | Cosa fa | Dove disegnarlo |
|---|---|---|
| Ligando DSL (DLL1, DLL4, JAG1, JAG2) | Ligando transmembrana che si lega a Notch sulla cellula vicina | Nella membrana della cellula che invia, rivolto verso lo spazio tra le cellule |
| Mindbomb o Neuralized | Ubiquitina ligasi che marcano il ligando legato per l'endocitosi, che tira il recettore | Dentro la cellula che invia, all'estremità del ligando |
| Recettore Notch (NOTCH1–4) | Recettore a singolo passaggio transmembrana, eterodimero dopo il taglio S1 della furina | Attraverso la membrana della cellula che riceve |
| Fringe | Glicosiltransferasi del Golgi che allunga l'O-fucosio delle ripetizioni EGF di Notch e favorisce Delta rispetto a Jagged | Nel Golgi della cellula che riceve (facoltativo) |
| ADAM10 (taglio S2) | Metalloproteasi che stacca il dominio extracellulare quando la trazione espone il sito S2, lasciando NEXT | Appena fuori dalla membrana della cellula che riceve |
| γ-Secretasi (taglio S3) | Proteasi intramembrana (presenilina, nicastrina, PEN-2, APH-1) che taglia NEXT e libera il NICD | Dentro il doppio strato lipidico |
| NICD | Dominio intracellulare di Notch; porta direttamente il segnale nel nucleo | Freccia dalla membrana, attraverso il citoplasma, al nucleo |
| CSL (RBPJ) con corepressori | Proteina che lega il DNA e tiene spenti i geni bersaglio in assenza di NICD | Sul DNA, nel nucleo |
| MAML (Mastermind-like) | Coattivatore reclutato da NICD e CSL; porta con sé p300 | Impilato su NICD e CSL sul DNA |
| Geni HES e HEY | Bersagli principali; codificano repressori che realizzano gli effetti di Notch | Sotto il complesso, in fondo |
Quanti termini servono dipende dal corso. Un primo approccio si ferma a ligando, recettore, NICD e geni bersaglio; un corso di biologia cellulare aggiunge ADAM10, γ-secretasi, CSL (RBPJ) e MAML, i corsi avanzati furina, Fringe e Mindbomb. Le fonti non concordano sull'enzima di S2: ADAM17 taglia Notch in provetta, ma il taglio indotto dal ligando nelle cellule vive dipende da ADAM10.
Via Notch e via Wnt: qual è la differenza?
La via Notch richiede contatto diretto (un ligando fissato in membrana fa tagliare il recettore della cellula vicina e il frammento del recettore stesso va nel nucleo), mentre la via Wnt canonica usa un ligando secreto che sottrae la β-catenina al suo complesso di distruzione. Entrambe decidono il destino cellulare nello sviluppo e nelle cellule staminali, ed entrambe sono alterate nei tumori.
| Via Notch | Via Wnt (canonica) | |
|---|---|---|
| Ligando | Ligandi DSL di membrana: DLL1, DLL4, JAG1, JAG2 | Glicoproteine WNT secrete e modificate con lipidi; 19 nell'uomo |
| Raggio d'azione | Dipende dal contatto (iuxtacrina): solo cellule che si toccano | Breve e lungo, come gradiente attorno alla sorgente |
| Recettore | NOTCH1–4, a singolo passaggio transmembrana | Uno dei 10 recettori Frizzled con il corecettore LRP5/6 |
| Come passa il segnale | Proteolisi: S2 da ADAM10, S3 dalla γ-secretasi | Il complesso di distruzione (APC, Axina, GSK3, CK1) viene spento |
| Messaggero verso il nucleo | NICD, un frammento del recettore | β-catenina, una proteina citoplasmatica che non viene più degradata |
| Partner nel nucleo | CSL (RBPJ) con MAML | TCF/LEF |
| Stato spento | CSL (RBPJ) reprime i bersagli con i corepressori | La β-catenina viene fosforilata e distrutta dal proteasoma |
| Tumore emblematico | Mutazioni di NOTCH1 in oltre il 50% delle LLA-T | Una mutazione della via Wnt in circa il 90% dei tumori del colon-retto sporadici |
Disegna Notch con due cellule a contatto e il ligando fisso in una membrana; disegna Wnt con il ligando libero nello spazio tra le cellule. Le due vie si parlano (il NICD può agire sulla via Wnt), ma tieni separati i partner nel nucleo: CSL per Notch, TCF/LEF per Wnt.
Domande frequenti sulla via di segnalazione Notch
Che cosa deve contenere uno schema etichettato della via di segnalazione Notch?
Il set standard comprende la cellula che invia con un ligando DSL (Delta-like o Jagged), la cellula che riceve con il recettore Notch, il taglio S2 di ADAM10, il taglio S3 della γ-secretasi, il NICD liberato e, nel nucleo, CSL (RBPJ), MAML e i geni bersaglio HES/HEY. Molte figure aggiungono il taglio S1 della furina nel Golgi e i corepressori legati a CSL prima che arrivi il NICD.
Quali sono le tappe della segnalazione Notch?
Cinque tappe: un ligando su una cellula si lega a Notch sulla vicina; la cellula che invia internalizza il ligando e tira; ADAM10 taglia Notch in S2; la γ-secretasi lo taglia in S3 dentro la membrana; il NICD entra nel nucleo, dove si unisce a CSL (RBPJ) e MAML per accendere i geni bersaglio. Prima di tutto questo, la furina ha già tagliato una volta il recettore appena sintetizzato, in S1 nel Golgi.
Che cosa fa la γ-secretasi nella via Notch?
La γ-secretasi fa l'ultimo taglio, S3, dentro la membrana, e libera il NICD dal moncone lasciato da ADAM10. È un complesso di quattro parti (presenilina 1 o 2 come subunità catalitica, con nicastrina, PEN-2 e APH-1) che taglia anche la proteina precursore dell'amiloide, legata alla malattia di Alzheimer.
Che cos'è l'inibizione laterale nella via Notch?
L'inibizione laterale divide un gruppo di cellule equivalenti tra due destini: una cellula che invia un po' più di Delta attiva Notch nelle vicine, il segnale Notch abbassa il loro Delta e la differenza cresce finché la prima cellula prende un destino e quelle intorno un altro. Nell'orecchio interno, così, ogni cellula ciliata resta circondata da cellule di sostegno.
Che cos'è la cis-inibizione di Notch?
La cis-inibizione è il blocco di Notch da parte di un ligando della sua stessa cellula: un ligando Delta o Jagged nella stessa membrana si lega al recettore e gli impedisce di rispondere ai ligandi delle vicine. DLL3 sembra agire solo così e, insieme all'attivazione in trans, spinge la cellula verso uno stato netto di invio o di ricezione.
Che effetto ha Fringe su Notch?
Gli enzimi Fringe (Lunatic, Manic e Radical Fringe) allungano nel Golgi gli zuccheri O-fucosio delle ripetizioni EGF di Notch, così NOTCH1 risponde di più ai ligandi Delta-like che a Jagged. La modifica regola finemente il segnale; non serve alla maturazione del recettore.
Che ruolo ha la via Notch nei tumori?
Mutazioni attivanti di NOTCH1 si trovano in oltre il 50% delle leucemie linfoblastiche acute a cellule T (LLA-T), soprattutto nel dominio di eterodimerizzazione, che fa scattare il recettore senza ligando, e nel dominio PEST, che impedisce la degradazione del NICD. In altri tessuti, come i carcinomi squamosi, Notch agisce invece da oncosoppressore.
A che cosa servono gli inibitori della γ-secretasi?
Gli inibitori della γ-secretasi (GSI) bloccano il taglio S3 e così spengono la segnalazione Notch; la FDA ne ha approvato uno, il nirogacestat, per i tumori desmoidi in progressione nel novembre 2023. Un primo studio con un GSI nella LLA-T è stato interrotto per diarrea grave: la mucosa intestinale dipende da Notch e l'enzima ha molti altri substrati oltre a Notch.
Fonti
- 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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