Notch-eiwitten zijn een familie van transmembraaneiwitten die een kerncomponent vormen van de Notch-signalering. Deze is van groot belang in de ontwikkeling van dieren en is daarom sterk geconserveerd. Het extracellulairedomein gaat interacties aan met DSL-familieliganden (DSL: Delta/Serrate/Lag-2, Delta=DLL1/DLL3/DLL4, Serrate=JAG1/JAG2), waardoor het kan deelnemen aan juxtacriene signalering. Juxtacriene communicatie is een vorm van celsignalering tussen aangrenzende cellen waarbij oligosachariden, lipiden of membraaneiwitten betrokken zijn en die van invloed kan zijn op de zendende cel zelf of op enkele aangrenzende cellen.
Als gevolg van deze signalering kunnen cellen geremd worden in hun ontwikkeling ten gunste van andere aangrenzende cellen om vorm te geven aan weefsels en organen. Notch-eiwitten opereren in verschillende weefsels en spelen een rol in diverse ontwikkelingsprocessen door tijdens de celdifferentiatie het lot van een cel te controleren. Veel van wat bekend is over de Notch-functie komt uit studies die zijn uitgevoerd in Caenorhabditis elegans en Drosophila melanogaster. Menselijke homologen zijn ook geïdentificeerd, maar details van de Notch-functie en interacties met zijn liganden zijn bij de mens niet goed bekend.
Leden van deze type 1 transmembraaneiwitfamilie delen verschillende kernstructuren, waaronder een extracellulair domein dat bestaat uit meerdere epidermalegroeifactor (EGF)-achtige herhalingen en een intracellulair transcriptioneel activeringsdomein (TAD: Topologically associating domain). Het intracellulaire domein, dat afgesplitst wordt na binding van Notch met Delta, verplaatst zich naar de celkern waar het een complex vormt met CSL-familietranscriptiefactoren (CSL: Suppressor of Hairless, Lag-1), dat daardoor van een transcriptieonderdrukker omgezet wordt in een transcriptioneleactivator.
Structuur
Oppervlakte-aanzichten van het CSL-coactivatorcomplex (boven) en corepressorcomplexen
Drosophila melanogaster bevat één Notch-eiwit, Caenorhabditis elegans bevat twee redundante Notch-paralogen, Lin-12 en GLP-1, en mensen hebben vier Notch-varianten, Notch 1-4. Hoewel er variaties bestaan tussen homologen, is er een set van zeer geconserveerde structuren gevonden in alle Notch-familie-eiwitten. Het eiwit kan grofweg worden gesplitst in het Notch extracellulaire domein (NECD) en Notch intracellulaire domein (NICD) die met elkaar verbonden zijn door een single-pass transmembraandomein (TM). Een single-pass membraaneiwit is een transmembraaneiwit dat de lipide-dubbellaag slechts één keer overspant.
Het NECD bevat 36 EGF-herhalingen in Drosophila melanogaster, 28-36 bij mensen, en 13 en 10 in Caenorhabditis elegans Lin-12 en GLP-1 respectievelijk. Deze herhalingen worden sterk gemodificeerd door O-glycosylering en de toevoeging van specifieke O-gekoppelde glycanen is noodzakelijk gebleken voor een goede werking. De EGF-herhalingen worden gevolgd door drie cysteïnerijke Lin-12/Notch-herhalingen (LNR) en een heterodimerisatiedomein (HD). Samen vormen de LNR en HD het negatieve regulerende regio grenzend aan het celmembraan en helpen signalering te voorkomen bij afwezigheid van ligandbinding.
NICD fungeert als een transcriptiefactor die wordt vrijgegeven nadat ligandbinding de splitsing ervan te weeg brengt. Het bevat een celkern lokalisatiesequentie (NLS) die de translocatie naar de celkern bemiddelt, waar het een transcriptioneel complex vormt samen met verschillende andere transcriptiefactoren. Eenmaal in de celkern, interageren verschillende ankyrine-repeats en het RAM-domein (RNMT-Activating Mini-protein, RNMT: mRNA (guanine-N7-)-methyltransferase) tussen de NICD- en CSL-eiwitten om een transcriptioneel activeringscomplex te vormen. Bij mensen speelt een extra PEST-domein een rol bij de afbraak van NICD.[30] PEST is een primaire eiwitstructuur dat veel proline (P), glutaminezuur (E), serine (S) en threonine (T) bevat.
Functie
Notch ligandenNotch recptoren.
Notch-familieleden spelen een rol in verschillende ontwikkelingsprocessen door beslissingen over het lot van een cel bij de celdifferentiatie te controleren. Het Notch-signaleringsnetwerk is een evolutionair geconserveerde intercellulair signalering dat interacties tussen fysiek aangrenzende cellen reguleert. In Drosophila melanogaster vestigt de Notch-interactie met zijn celgebonden liganden een intercellulaire signalering dat een sleutelrol speelt in de ontwikkeling. Dit eiwit functioneert als een receptor voor membraangebonden liganden en kan meerdere rollen spelen tijdens de ontwikkeling.Een tekort kan worden geassocieerd met een bicuspide aortaklep ( aortaklep met niet de gebruikelijke drie klepslippen, maar met slechts twee).
Er is bewijs dat geactiveerde Notch 1 en Notch 3 de differentiatie van voorlopercellen bevorderen. Notch 1, dat dan al vóór de geboorte wordt geactiveerd, induceert radiale gliacel-differentiatie, maar induceert na de geboorte de differentiatie in astrocyten. Uit één onderzoek blijkt dat de Notch 1-cascade op een onbekende manier wordt geactiveerd door Reeline. Volgens een ander onderzoek werken Reeline en Notch 1 samen bij de ontwikkeling van de gyrus dentatus.
Ligandinteracties
Notch-signalering wordt geactiveerd via direct cel-tot-celcontact, gemedieerd door interacties tussen het Notch-receptoreiwit in de signaalontvangende cel en een ligand in een aangrenzende signaaldoorgevende cel. Deze type 1 single-pass transmembraaneiwitten vallen in de Delta/Serrate/Lag-2 (DSL)-familie van eiwitten, die is vernoemd naar de drie canonieke Notch-liganden. Delta en Serrate worden aangetroffen in Drosophila melanogaster, terwijl Lag-2 wordt aangetroffen in Caenorhabditis elegans. Mensen bevatten 3 Delta-homologen, Delta-achtige 1, 3 en 4, evenals twee Serrate-homologen, Jagged 1 en 2. Notch-eiwitten bestaan uit een relatief kort intracellulair domein en een groot extracellulair domein met een of meer EGF-motieven en een N-terminus DSL-bindend motief. EGF-herhalingen 11-12 op het extracellulaire Notch-domein zijn noodzakelijk en voldoende gebleken voor trans-signaleringsinteracties tussen Notch en zijn liganden. Bovendien zijn EGF-herhalingen 24-29 betrokken bij de remming van cis-interacties tussen Notch en liganden die in dezelfde cel worden samen tot expressie gebracht.
Proteolyse
Diagram van een ectodomein dat door ADAM-metalloprotease wordt afgesplitst.
Om een signaalgebeurtenis te laten plaatsvinden, moet het Notch-eiwit op verschillende plaatsen worden gesplitst. Bij mensen wordt Notch eerst gesplitst in het NRR-domein door furine terwijl het wordt verwerkt in het trans-Golgi-netwerk voordat het op het celoppervlak wordt gepresenteerd als een heterodimeer. Drosophila melanogaster-Notch heeft deze splitsing niet nodig om signaaloverdracht te laten plaatsvinden, en er is enig bewijs dat suggereert dat LIN-12 en GLP-1 op deze plaats worden gesplitst in Caenorhabditis elegans.
Vrijgave van de NICD wordt bereikt na nog eens twee splitsingsgebeurtenissen aan Notch. Binding van Notch aan een DSL-ligand resulteert in een conformationele verandering die een splitsingsplaats in de NECD blootlegt. Enzymatische proteolyse op deze plaats wordt uitgevoerd door een A Disintegrin and Metalloprotease-domein (ADAM)-familieprotease. Dit eiwit wordt Kuzbanian genoemd in Drosophila melanogaster, sup-17 in Caenorhabditis elegans, en ADAM10 bij mensen. Na proteolytische splitsing ondergaat de vrijgekomen NECD endocytose in de signaaloverdragende cel, waarbij slechts een klein extracellulair deel van Notch achterblijft. Dit afgeknotte Notch-eiwit kan vervolgens worden herkend door een γ-secretase die de derde plaats in het TM-domein (single-pass transmembraandomein) splitst.
Ontdekking
Veronderstelde Notch-signaalmodulatoren reguleren de vorming van de vleugelrand.
Notch werd ontdekt in een gemuteerdeDrosophila melanogaster in maart 1913 in het laboratorium van Thomas Hunt Morgan. Deze mutant ontstond na verschillende generaties van het kruisen en terugkruisen van gleufvleugelvliegen met wilde-type vliegen en werd voor het eerst gekarakteriseerd door John S. Dexter. Het meest frequent waargenomen fenotype in Notch-mutante vliegen is het verschijnen van een ronde inkeping (engels:notch) aan het meest distale uiteinde van de vleugels, waarnaar het gen is vernoemd, vergezeld door een zijkant zonder borstelharen.Het bleek een dominant geslachtsgebonden mutant op het X-chromosoom te zijn die alleen kon worden waargenomen bij heterozygote vrouwtjes, omdat het dodelijk was bij mannetjes en homozygote vrouwtjes. Het eerste Notch-allel werd in 1917 vastgesteld door C.W. Metz en C.B. Bridges. Eind jaren dertig leverden studies van vliegenembryogenese, uitgevoerd door Donald F. Poulson, de eerste indicatie van Notch's rol in de embryonale ontwikkeling. Notch-8 mutante mannetjes vertoonden een gebrek aan de binnenste kiembladen, het endoderm en mesoderm, wat resulteerde in embryonale letaliteit. Latere studies in vroege Drosophila melanogaster-neurogenese leverden enkele van de eerste indicaties van Notch's rol in cel-cel signalering, aangezien het zenuwstelsel in Notch mutanten werd ontwikkeld door het opofferen van hypodermale cellen.
Vanaf de jaren tachtig begonnen onderzoekers meer inzicht te krijgen in de functie van Notch door middel van genetische en moleculaire experimenten. Genetische screenings uitgevoerd in Drosophila melanogaster leidden tot de identificatie van verschillende eiwitten die een centrale rol spelen bij de Notch-signalering, waaronder enhancer of split (E(spl), Master mind, Delta, Suppressor of Hairless (CSL), en Serrate. Tegelijkertijd werd het Notch-gen succesvol gesequenced en gekloond, wat inzicht gaf in de moleculaire architectuur van Notch-eiwitten en leidde tot de identificatie van Notch-homologen in Caenorhabditis elegans en uiteindelijk in zoogdieren.
Begin jaren negentig werd Notch steeds meer geïmpliceerd als de receptor van een voorheen onbekende intercellulaircelsignalering waarin het intercellulaire domein van Notch (NICD) naar de celkern wordt getransporteerd waar het fungeert als een transcriptiefactor om doelgenen rechtstreeks te reguleren. De vrijgave van de NICD bleek het resultaat te zijn van proteolytische splitsing van het transmembraaneiwit door de acties van de katalytische subeenheid preseniline van het γ-secretasecomplex. Dit was een belangrijke interactie, aangezien preseniline betrokken is bij de ontwikkeling van de ziekte van Alzheimer. Dit en verder onderzoek naar het mechanisme van Notch-signalering leidden tot onderzoek dat Notch verder in verband zou brengen met een breed scala aan menselijke ziekten.
De oorzaak van het syndroom van Alagille is nog niet volledig opgehelderd. Bij ca 70% van de patiënten zijn afwijkingen in een gen genaamd JAG1 aantoonbaar. Het gen ligt op chromosoom 20, locatie 20p12. Het codeert voor Jagged 1, dat een functie heeft bij signaaluitwisseling tussen cellen zowel tijdens de embryonale ontwikkeling als daarna.
Mutaties in Notch3 zijn geïdentificeerd als de onderliggende oorzaak van het CADASIL-syndroom (cerebrale autosomale dominant arteriopathie met subcorticale infarcten en leukencefalopathie). Mutaties in Notch3 zijn ook geïdentificeerd in families met de ziekte van Alzheimer. Volwassen Notch3-knock-outmuizen vertonen onvolledige neuronale rijping in de dorsale hoorn van het ruggenmerg, wat resulteert in permanent verhoogde nociceptieve pijngevoeligheid.
Mutaties in Notch3 zijn geassocieerd met het laterale meningocele-syndroom.
Mutaties in het Notch4-gen kunnen in een klein deel van de gevallen worden geassocieerd met vatbaarheid voor schizofrenie.
↑Shao L, Luo Y, Moloney DJ, Haltiwanger R(November 2002).O-glycosylation of EGF repeats: identification and initial characterization of a UDP-glucose: protein O-glucosyltransferase. Glycobiology12(11): 763–70. PMID12460944. DOI: 10.1093/glycob/cwf085.
↑Tamura K, Taniguchi Y, Minoguchi S, Sakai T, Tun T, Furukawa T, Honjo T(December 1995).Physical interaction between a novel domain of the receptor Notch and the transcription factor RBP-J kappa/Su(H). Current Biology5(12): 1416–23. PMID8749394. DOI: 10.1016/S0960-9822(95)00279-X.
↑Gaiano N, Nye JS, Fishell G(May 2000).Radial glial identity is promoted by Notch1 signaling in the murine forebrain. Neuron26(2): 395–404. PMID10839358. DOI: 10.1016/S0896-6273(00)81172-1.
↑Kidd S, Lieber T(July 2002).Furin cleavage is not a requirement for Drosophila Notch function. Mechanisms of Development115(1–2): 41–51. PMID12049766. DOI: 10.1016/s0925-4773(02)00120-x.
↑Wen C, Metzstein MM, Greenwald I(December 1997).SUP-17, a Caenorhabditis elegans ADAM protein related to Drosophila KUZBANIAN, and its role in LIN-12/NOTCH signalling. Development124(23): 4759–67. PMID9428412. DOI: 10.1242/dev.124.23.4759.
↑Howard L, Glynn P(1995).Proteolytic Enzymes: Aspartic and Metallo Peptidases. DOI:10.1016/0076-6879(95)48025-0,'Membrane-associated metalloproteinase recognized by characteristic cleavage of myelin basic protein: Assay and isolation',388–95.ISBN 9780121821494.
↑Struhl G, Adachi A(September 2000).Requirements for presenilin-dependent cleavage of notch and other transmembrane proteins. Molecular Cell6(3): 625–36. PMID11030342. DOI: 10.1016/s1097-2765(00)00061-7.
↑Metz CW, Bridges CB(December 1917).Incompatibility of Mutant Races in Drosophila. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America3(12): 673–8. PMID16586764. PMC1091355. DOI: 10.1073/pnas.3.12.673.
↑Poulson DF(March 1937).Chromosomal Deficiencies and the Embryonic Development of Drosophila Melanogaster. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America23(3): 133–7. PMID16588136. PMC1076884. DOI: 10.1073/pnas.23.3.133.
12Lehmann R, Jiménez F, Dietrich U, Campos-Ortega JA(March 1983).On the phenotype and development of mutants of early neurogenesis inDrosophila melanogaster. Wilhelm Roux's Archives of Developmental Biology192(2): 62–74. PMID28305500. DOI: 10.1007/BF00848482.
↑Lehmann R, Dietrich U, Jiménez F, Campos-Ortega JA(July 1981).Mutations of early neurogenesis inDrosophila. Wilhelm Roux's Archives of Developmental Biology190(4): 226–229. PMID28305572. DOI: 10.1007/BF00848307.
↑Guerreiro RJ, Lohmann E, Kinsella E, Brás JM, Luu N, Gurunlian N, Dursun B, Bilgic B, Santana I, Hanagasi H, Gurvit H, Gibbs JR, Oliveira C, Emre M, Singleton A(2012).Exome sequencing reveals an unexpected genetic cause of disease: NOTCH3 mutation in a Turkish family with Alzheimer's disease. Neurobiol. Aging33(5): 1008.e17–23. PMID22153900. PMC3306507. DOI: 10.1016/j.neurobiolaging.2011.10.009.
↑Rusanescu G, Mao J(2014).Notch3 is necessary for neuronal differentiation and maturation in the adult spinal cord. J. Cell. Mol. Med.18(10): 2103–16. PMID25164209. PMC4244024. DOI: 10.1111/jcmm.12362.
↑Gripp KW, Robbins KM, Sobreira NL, Witmer PD, Bird LM, Avela K, Makitie O, Alves D, Hogue JS, Zackai EH, Doheny KF, Stabley DL, Sol-Church K(2014).Afkappende mutaties in het laatste exon van NOTCH3 veroorzaken lateraal meningocelesyndroom. Am. J. Med. Genet. A167A: 271–81. PMID25394726. PMC5589071. DOI: 10.1002/ajmg.a.36863.
↑Shayevitz C, Cohen OS, Faraone SV, Glatt SJ(July 2012).A re-review of the association between the NOTCH4 locus and schizophrenia. Am. J. Med. Genet. B Neuropsychiatr. Genet.159B(5): 477–83. PMID22488909. DOI: 10.1002/ajmg.b.32050.