بروتينات نوتش

بروتينات نوتش هي عائلة من البروتينات الغشائية من النوع الأول، تُشكل مكونًا أساسيًا في مسار إشارات نوتش ، وهو مسار محفوظ للغاية في الحيوانات . يتوسط النطاق خارج الخلوي لبروتين نوتش التفاعلات مع روابط عائلة DSL ، مما يسمح له بالمشاركة في الإشارات المجاورة . يعمل النطاق داخل الخلوي لبروتين نوتش كمنشط نسخ عند ارتباطه بعوامل النسخ من عائلة CSL . تشترك أفراد هذه العائلة من البروتينات الغشائية من النوع الأول في العديد من البنى الأساسية، بما في ذلك نطاق خارج خلوي يتكون من تكرارات متعددة شبيهة بعامل نمو البشرة (EGF)، ونطاق تنشيط نسخ داخل خلوي (TAD). تعمل أفراد عائلة نوتش في مجموعة متنوعة من الأنسجة المختلفة، وتلعب دورًا في العديد من العمليات التطورية من خلال التحكم في تحديد مصير الخلايا . يستند جزء كبير مما هو معروف عن وظيفة نوتش إلى دراسات أُجريت على دودة Caenorhabditis elegans ( C. elegans ) وذبابة الفاكهة Drosophila melanogaster . تم تحديد نظائر بشرية أيضًا، ولكن تفاصيل وظيفة Notch وتفاعلاتها مع روابطها غير معروفة جيدًا في هذا السياق.

اكتُشف جين Notch في ذبابة فاكهة طافرة في مارس 1913 في مختبر توماس هانت مورغان . ^{[ 2 ]} ظهرت هذه الطفرة بعد عدة أجيال من تهجين ذباب الفاكهة ذي الأجنحة المخرزة مع ذباب الفاكهة البري ، ووُصفت لأول مرة من قِبل جون إس. ديكستر. ^{[ 3 ]} النمط الظاهري الأكثر شيوعًا في ذباب الفاكهة الطافر Notch هو ظهور حافة مسننة مقعرة في الطرف البعيد للأجنحة، والتي سُمي الجين نسبةً إليها ، مصحوبةً بغياب الشعيرات الهامشية. ^{[ 4 ] [ 5 ]} وُجد أن هذه الطفرة سائدة مرتبطة بالجنس على الكروموسوم X، ولا يمكن ملاحظتها إلا في الإناث غير المتماثلة الزيجوت، إذ كانت مميتة في الذكور والإناث المتماثلة الزيجوت. ^{[ 2 ]} تم تحديد أول أليل لجين Notch في عام 1917 بواسطة تشارلز ويليام ميتز وكالفن بريدجز . ^{[ 6 ]} في أواخر ثلاثينيات القرن العشرين، قدمت دراسات دونالد ف. بولسون حول تكوين أجنة ذبابة الفاكهة أول مؤشر على دور بروتين نوتش في النمو. ^{[ 7 ]} أظهرت ذكور ذبابة الفاكهة الطافرة في جين نوتش نقصًا في الطبقات الجرثومية الداخلية ، الأديم الباطن والأديم المتوسط ، مما أدى إلى فشلها في الخضوع لمراحل التكوين الجنيني اللاحقة، وبالتالي موت الجنين. وقدمت دراسات لاحقة حول التكوين العصبي المبكر في ذبابة الفاكهة بعضًا من أولى المؤشرات على دور نوتش في التواصل بين الخلايا، حيث تطور الجهاز العصبي في طفرات نوتش عن طريق التضحية بخلايا تحت الجلد. ^{[ 8 ]}

ابتداءً من ثمانينيات القرن الماضي، بدأ الباحثون في اكتساب المزيد من الفهم لوظيفة بروتين نوتش من خلال التجارب الجينية والجزيئية. أدت الفحوصات الجينية التي أُجريت على ذبابة الفاكهة (دروسوفيلا) إلى تحديد العديد من البروتينات التي تلعب دورًا محوريًا في إشارات نوتش، بما في ذلك مُحسِّن الانقسام ^{[ 8 ]} ، والعقل المُطلق، ودلتا ^{[ 9 ]} ، ومثبط الشعر (CSL) ^{[ 10 ]} ، وسيرات ^{[ 11 ]} . في الوقت نفسه، تم بنجاح تحديد تسلسل جين نوتش ^{[ 12 ] [ 13 ]} واستنساخه ^{[ 14 ] [ 15 ]، مما} وفر رؤى ثاقبة حول البنية الجزيئية لبروتينات نوتش، وأدى إلى تحديد نظائر نوتش في الدودة الأسطوانية Caenorhabditis elegans [ 16 ^] [ ^{17 ] [ 18 ] ، وفي} النهاية في الثدييات .

في أوائل التسعينيات، تزايدت الأدلة على دور Notch كمستقبل لمسار إشارات بين الخلايا لم يكن معروفًا سابقًا ^{[ 19 ] [ 20 ]} ، حيث يُنقل نطاق Notch بين الخلايا (NICD) إلى النواة ، حيث يعمل كعامل نسخ لتنظيم الجينات المستهدفة بشكل مباشر. ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} وقد وُجد أن إطلاق NICD ينتج عن انقسام بروتيني للبروتين الغشائي عبر عمل الوحدة الفرعية التحفيزية لمركب γ-secretase، بريسينيلين . كان هذا تفاعلًا هامًا، إذ يُعتقد أن بريسينيلين له دور في تطور مرض الزهايمر. ^{[ 24 ]} وقد أدى هذا، بالإضافة إلى المزيد من الأبحاث حول آلية إشارات Notch، إلى أبحاث أخرى ربطت Notch بمجموعة واسعة من الأمراض البشرية.

تحتوي ذبابة الفاكهة (دروسوفيلا) على بروتين نوتش واحد، بينما تحتوي الدودة الأسطوانية (C. elegans ) على نظيرين متكررين من بروتين نوتش، هما Lin-12 ^{[ 25 ]} وGLP-1 ^{[ 18 ] [ 26 ]} ، أما البشر فلديهم أربعة متغيرات من بروتين نوتش، من نوتش 1 إلى نوتش 4. على الرغم من وجود اختلافات بين المتماثلات، إلا أن هناك مجموعة من البنى المحفوظة للغاية الموجودة في جميع بروتينات عائلة نوتش. يمكن تقسيم البروتين بشكل عام إلى نطاق نوتش خارج الخلوي (NECD) ونطاق نوتش داخل الخلوي (NICD)، ويرتبطان معًا بواسطة نطاق غشائي أحادي المرور (TM).

يحتوي نطاق NECD على 36 تكرارًا لعامل نمو البشرة (EGF) في ذبابة الفاكهة ، ^{[ 13 ]} و28-36 تكرارًا في الإنسان، و13 تكرارًا في Lin-12 و10 تكرارات في GLP-1 في الدودة الأسطوانية Caenorhabditis elegans على التوالي. ^{[ 27 ]} تخضع هذه التكرارات لتعديلات مكثفة عبر عملية الغلكزة المرتبطة بالأكسجين ^{[ 28 ]} ، وقد ثبت أن إضافة أنواع محددة من الغليكانات المرتبطة بالأكسجين ضرورية لأداء وظيفتها على النحو الأمثل. يلي تكرارات EGF ثلاثة تكرارات غنية بالسيستين من نوع Lin-12/Notch (LNR) ونطاق التغاير الثنائي (HD). يشكل نطاقا LNR وHD معًا المنطقة التنظيمية السلبية المجاورة لغشاء الخلية ، ويساعدان في منع الإشارات في غياب ارتباط الليغاند.

يعمل NICD كعامل نسخ يُطلق بعد ارتباط الليجاند الذي يحفز انقسامه. يحتوي على تسلسل توطين نووي (NLS) يُسهّل انتقاله إلى النواة ، حيث يُشكّل مُركّبًا نسخياً مع العديد من عوامل النسخ الأخرى. بمجرد دخوله النواة، تتفاعل عدة تكرارات أنكيرين ونطاق RAM بين بروتينات NICD وCSL لتكوين مُركّب تنشيط نسخي. ^{[ 29 ]} في البشر، يلعب نطاق PEST إضافي دورًا في تحلل NICD. ^{[ 30 ]}

تؤدي بروتينات عائلة Notch دورًا في العديد من العمليات النمائية من خلال التحكم في تحديد مصير الخلايا. تُعد شبكة إشارات Notch مسارًا إشاريًا بين الخلايا محفوظًا تطوريًا، ينظم التفاعلات بين الخلايا المتجاورة فيزيائيًا. في ذبابة الفاكهة ، يُنشئ تفاعل Notch مع روابطه الخلوية (دلتا، سيرات) مسارًا إشاريًا بين الخلايا يلعب دورًا محوريًا في النمو. يعمل هذا البروتين كمستقبل للروابط الغشائية، وقد يؤدي أدوارًا متعددة خلال النمو. ^{[ 31 ]} قد يرتبط نقصه بوجود صمام أبهري ثنائي الشرفات . ^{[ 32 ]}

توجد أدلة تشير إلى أن تنشيط Notch 1 و Notch 3 يعزز تمايز الخلايا السلفية إلى خلايا نجمية . ^{[ 33 ]} يحفز Notch 1، عند تنشيطه قبل الولادة، تمايز الخلايا الدبقية الشعاعية ، ^{[ 34 ]} ولكنه يحفز بعد الولادة تمايزها إلى خلايا نجمية . ^{[ 35 ]} تُظهر إحدى الدراسات أن سلسلة Notch-1 يتم تنشيطها بواسطة Reelin بطريقة غير معروفة. ^{[ 36 ]} ووفقًا لدراسة أخرى، يتعاون Reelin و Notch1 في نمو التلفيف المسنن . ^{[ 37 ]}

تُفعَّل إشارات Notch عبر اتصال مباشر بين الخلايا، بوساطة تفاعلات بين بروتين مستقبل Notch في الخلية المستقبلة للإشارة وربيطة في خلية مجاورة ناقلة للإشارة. تنتمي هذه البروتينات الغشائية أحادية المرور من النوع الأول إلى عائلة بروتينات Delta/Serrate/Lag-2 (DSL)، والتي سُميت نسبةً إلى ربيطات Notch الثلاثة الأساسية. ^{[ 19 ]} يوجد كل من Delta وSerrate في ذبابة الفاكهة (Drosophila )، بينما يوجد Lag-2 في الدودة الأسطوانية (C. elegans) . يحتوي الإنسان على ثلاثة نظائر لـ Delta، هي Delta-like 1 و 3 و 4 ، بالإضافة إلى نظيرين لـ Serrate، هما Jagged 1 و 2 . تتكون بروتينات Notch من نطاق داخلي قصير نسبيًا ونطاق خارجي كبير يحتوي على واحد أو أكثر من أنماط EGF ونمط ارتباط DSL في الطرف الأميني. ثبت أن تكرارات عامل نمو البشرة (EGF) من 11 إلى 12 على النطاق خارج الخلوي لبروتين نوتش ضرورية وكافية لتفاعلات الإشارات العابرة بين نوتش وروابطه. ^{[ 38 ]} بالإضافة إلى ذلك، فقد تبين أن تكرارات عامل نمو البشرة (EGF) من 24 إلى 29 تساهم في تثبيط التفاعلات المجاورة بين نوتش والروابط المعبر عنها بشكل مشترك في نفس الخلية. ^{[ 39 ]}

لكي تحدث عملية الإشارة، يجب أن يُشطر بروتين نوتش في عدة مواقع. في البشر، يُشطر نوتش أولًا في نطاق NRR بواسطة إنزيم فورين أثناء معالجته في شبكة غولجي قبل عرضه على سطح الخلية على شكل ثنائي غير متجانس. ^{[ 40 ] [ 41 ]} لا يتطلب نوتش في ذبابة الفاكهة هذا الشطر لحدوث الإشارة، ^{[ 42 ]} وهناك بعض الأدلة التي تشير إلى أن LIN-12 وGLP-1 يُشطران في هذا الموقع في دودة C. elegans .

يتم تحرير نطاق NECD بعد عمليتي انقسام إضافيتين لبروتين Notch. يؤدي ارتباط Notch بربيطة DSL إلى تغيير في بنيته يكشف عن موقع انقسام في نطاق NECD. يتم التحلل البروتيني الأنزيمي في هذا الموقع بواسطة بروتياز من عائلة ADAM (نطاق الديسينتغرين والميتالوبروتياز). يُسمى هذا البروتين Kuzbanian في ذبابة الفاكهة ^{[ 43 ] [ 44 ]} ، وsup-17 في الدودة الأسطوانية Caenorhabditis elegans ^{[ 45 ]} ، وADAM10 في الإنسان ^{[ 46 ] [ 47 ]} . بعد الانقسام البروتيني، يتم ابتلاع نطاق NECD المُحرر إلى داخل الخلية الناقلة للإشارة، تاركًا وراءه جزءًا صغيرًا خارج الخلية من Notch. يمكن بعد ذلك التعرف على بروتين Notch المبتور هذا بواسطة إنزيم γ-secretase الذي يقطع الموقع الثالث الموجود في نطاق TM ^{[ 48 ] .}

بدأت التحليلات الجينومية المقارنة لعائلة مستقبلات Notch عبر الثدييات في الكشف عن كيفية مساهمة الحفظ التطوري والاختلافات الخاصة بالسلالة في وظيفة المستقبلات وقابلية الإصابة بالأمراض. وقد حددت دراسات واسعة النطاق لـ NOTCH3 عبر أكثر من 100 نوع من الثدييات درجة عالية من الحفظ البنيوي، لا سيما ضمن التكرارات خارج الخلوية الشبيهة بـ EGF، والتي تُعد ضرورية لارتباط الليجاند واستقرار المستقبل. كما كشفت هذه التحليلات عن اختلافات نادرة خاصة بالأنواع تحدث بشكل طبيعي، بما في ذلك تغييرات في بقايا السيستين المحفوظة والمناطق التنظيمية، والتي يبدو أنها مقبولة في بعض الثدييات ولكنها ممرضة في البشر. تشير هذه النتائج إلى أن التباين التطوري داخل مستقبلات Notch يمكن أن يُسلط الضوء على القيود البنيوية والعتبات الوظيفية التي لا يمكن اكتشافها بسهولة في الدراسات التي تُجرى على نوع واحد. وقد اقتُرح إدخال متغيرات الثدييات التي تحدث بشكل طبيعي في الأنظمة النموذجية تجريبيًا كاستراتيجية لاختبار التنبؤات المعلوماتية الحيوية ولفهم أفضل لكيفية تأثير التغييرات الطفيفة في بنية مستقبلات Notch على الإشارات والتطور والأمراض ^{[ 49 ]} .

• مسار إشارات نوتش