Как белок нетрин подсказывает аксонам, куда им расти

Рис. 1. «Портрет героя». Структура свободного нетрина-1 с двух сторон. LN-домен показан голубым, LE-1 (первый модуль LE-домена) — зеленым, LE-2 — розовым, LE-3 — красным, LC не показан вовсе. Во врезке — связывание участка LN-домена с ионом кальция, необходимое для достижения нетрином правильной конформации. Буквы и цифры обозначают аминокислоты и их порядковые номера в белке. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Клетки общаются друг с другом с помощью химических сигналов. Выделяя те или иные вещества, клетка может «подзывать» к себе другие клетки либо «отпугивать» их, сообщать им различные сведения, «звать на помощь» клетки иммунной системы в случае атаки патогенов. Химическое общение между клетками играет важнейшую роль во множестве клеточных процессов. Мы рассмотрим подробно один из таких процессов — аксональное наведение — и роль в нем «химической подсказки» — белка нетрина. Связываясь с разными рецепторами, нетрин образует совершенно разные комплексы, что приводит к разным каскадам реакций, которые могут по-разному поворачивать конус роста аксона.

Аксональное наведение — это сложный процесс, в результате которого аксон прорастает в нужное место, а не куда попало. Нечего и говорить о том, какая тут нужна точность — представьте себе, например, путешествие аксона от спинного мозга до пятки. Или — менее наглядный, но более важный пример — образование правильных связей между нейронами в головном мозге, без которого мозг работать не будет (о том, насколько это сложно, запутанно и интересно, можно прочесть в статье Blue Brain Project: как все связано?).

Самый кончик аксона — конус роста — чрезвычайно подвижное и, можно сказать, любопытное образование. Он нашпигован рецепторами к так называемым «химическим подсказкам» — веществам, которые окружают аксон снаружи и сообщают, куда ему расти. Предполагается, что связывание рецептора на конусе роста с химической подсказкой вызывает каскады реакций, приводящие к перестройке цитоскелета и повороту конуса роста — а значит, к изменению направления роста аксона. Так и представляешь себе, как конус роста «ловит» сигналы от разных подсказок, вертится из-за этого в разные стороны и наконец, выбрав итоговое направление, поворачивает туда весь аксон.

Химические подсказки могут находиться на поверхности окружающих аксон клеток или выделяться этими клетками в окружающую среду. Если они прикреплены к поверхности клеток, то могут действовать только при непосредственном соприкосновении этих клеток и конуса роста; если же они выделяются в окружающую среду, то дальность их действия повышается. Большинство химических подсказок играет роль не только в аксональном наведении, но и в других процессах, например в прорастании кровеносных сосудов — ангиогенезе.

Есть несколько классов химических подсказок:

• Семафорины (от слова «семафор») — могут как выделяться окружающими нейрон клетками, так и находиться на их поверхности. Они в основном отталкивают, «отпугивают» аксоны, не позволяя им прорасти в неподходящие для этого области.
• Нетрины (от санскритского «netr» — проводник) — выделяются окружающими аксон клетками и могут как привлекать аксоны, так и отпугивать их.
• Слиты (см. Slit-Robo) — выделяются окрестными клетками и, связываясь с Robo-рецепторами, отпугивают аксоны.
• Эфрины — находятся на поверхности окружающих аксон клеток. Эти молекулы-перевертыши могут быть одновременно и лигандами, и рецепторами. Соединяясь с эфриновыми рецепторами на конусе роста, они могут как привлекать, так и отпугивать нейроны; в то же время, соединение их с этими самыми эфриновыми рецепторами может приводить и к изменениям внутри тех клеток, на поверхности которых находятся сами эфрины.
• Молекулы клеточной адгезии — находятся на поверхности почти всех клеток организма и связывают их друг с другом и с внеклеточным матриксом. Они важны не только для аксонального наведения, но и для множества других процессов: без них наш организм вообще распался бы на отдельные клетки.
• А также другие, чуть менее специализированные молекулы.

Как вы уже, наверное, заметили, некоторые из вышеописанных молекул выполняют только одно действие — например, только отпугивают аксон, в то время как другие умеют и привлекать, и отпугивать аксоны в зависимости от конкретных условий, прежде всего от наличия на поверхности конуса роста тех или иных рецепторов. В результате аксон, на конусе роста которого находятся «привлекательные» рецепторы к этой молекуле, прорастет туда, где находится данная химическая подсказка, а аксон, на конусе роста которого рецепторы «отталкивающие», будет избегать места с этой подсказкой как чумы. Причем вокруг конуса роста много разных подсказок, а на самом конусе много разных рецепторов, и в результате все полученные сигналы суммируются, и аксон прорастает туда, куда ему показывает итоговый вектор.

Большая интернациональная группа ученых задалась целью подробней исследовать один из классов химических подсказок — нетрины — и разобраться на молекулярном уровне, как этим молекулам удается так противоположно действовать на аксоны. Сама по себе работа не представляет особого интереса для широкой публики, но на ее примере хорошо видны правила, по которым взаимодействуют друг с другом белки, и то, как эти взаимодействия могут влиять на жизнь клетки.

Белок состоит из отдельных доменов — функциональных групп, имеющих сложную третичную структуру, — и соединяющих их линкерных участков — цепочек аминокислот, почти не имеющих никакой структуры и представляющих собой как бы веревочку между двумя доменами. У разных белков отдельные домены могут быть почти одинаковыми и выполнять сходные функции. Существуют базы данных по белковым доменам (например, pfam и scop). Как правило, домен получает название по тому белку, где впервые был обнаружен, либо по тому, на котором был исследован лучше всего; часто название домена не имеет никакого отношения к его функции. Сочетание доменов, их порядок и длина линкерных участков между ними во многом определяют итоговые свойства белка. Связывание домена с другим доменом этого или другого белка либо с какой-то небольшой сигнальной молекулой может кардинально изменить его свойства, а также свойства всего белка. Изменение этих свойств может вызвать лавинообразные каскады реакций, приводящие к серьезным перестройкам жизни клетки.

В работе рассматривались:

• Нетрин-1 (рис. 1) — один из главных нетринов. У мыши состоит из 603 аминокислот, у человека — из 604. Имеет три домена — ламининовый N-концевой, или LN (см. Laminin N-terminal); ламининовый EGF-подобный (см. EGF-like domain), состоящий из трех модулей, посередине; и маленький положительно заряженный LC-домен на C-конце.
• DCC — его «привлекательный» рецептор. Связывается с LN-LE доменами нетрина-1 посредством своих фибронектиновых доменов III типа (см. Fibronectin type III domain).
• Неогенин (см. статью N. H. Wilson, B. Key, 2007. Neogenin: One receptor, many functions) — многофункциональный рецептор, имеющий некоторое структурное сходство с DCC. Возможно, играет роль и в аксональном наведении за счет связывания с нетрином-1.
• Unc5 — «отталкивающий» рецептор нетрина-1.

Нетрин-1 образует тетрамерный комплекс с неогенином

Одна молекула нетрина в принципе не в состоянии связаться с одной молекулой неогенина: линкер между нетринсвязывающими доменами неогенина не может так растянуться, чтобы прилипнуть к нужным доменам нетрина. Поэтому нетрины-1 образуют с рецепторами комплексы, в которых несколько нетринов связываются с несколькими молекулами рецепторов. Комплекс, который нетрин-1 образует с неогенином, состоит из двух молекул нетрина и двух молекул рецептора. Нетрин при этом практически не меняет свою конформацию по сравнению со свободным состоянием. Два нетрина встают крест-накрест и сцепляются своими срединными LE-2 доменами, а к их концам присоединяются два параллельно расположенных неогенина (рис. 2).

Рис. 2. Связывание нетрина-1 с неогенином в тетрамерный комплекс (А). Во врезках подробнее показаны образующиеся связи: между LN-доменом нетрина и FN4-доменом неогенина (две связи в двух концах комплекса, В), между LE3-доменом нетрина и FN5-доменом неогенина (тоже две связи в двух концах комплекса, С) и, наконец, между двумя LE2-доменами двух нетринов (одна связь в самой середине комплекса, D). Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Нетрин-1 связывается с DCC

У DCC линкерный (соединяющий два домена) регион между доменами FN4 и FN5 короче, чем у неогенина, и потому он не может связываться с нетрином-1 в такой красивый тетрамерный комплекс, как неогенин. Вместо этого нетрины и DCC чередуются в длинных (теоретически — бесконечных) цепочках (рис. 3). При этом молекулы DCC в этих цепочках расположены параллельно друг другу, так же, как и молекулы неогенина в вышеописанном комплексе.

Рис. 3. Комплекс между нетрином-1 и DCC (А). Во врезках (В и С) сравниваются связи, образуемые одинаковыми доменами нетрина с DCC и нетрина с неогенином. Видно, что образуемые связи практически идентичны; но из-за более короткого линкера DCC не может образовать с нетрином такую же тетрамерную структуру, как неогенин, а образует вместо этого длинную-длинную цепочку (D). Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Другие возможности

Исследователи предположили, что, поскольку связи между нетрином-1 с DCC и нетрином-1 с неогенином практически идентичны, возможна ситуация, когда нетрин одним концом сцепляется с одним своим рецептором, а другим — с другим. Кроме того, не будем забывать и об «отталкивающем» рецепторе для нетрина-1 — Unc-5. Судя по всему, он присоединяется к LE2-домену нетрина (см. статью R. P. Kruger et al., 2004. Mapping Netrin Receptor Binding Reveals Domains of Unc5 Regulating Its Tyrosine Phosphorylation). В результате помимо двух вышеописанных структур могут получаться другие, в которых нетрины, неогенины, DCC и UNC5 слипаются друг с другом в самых причудливых сочетаниях, что приводит к самым разнообразным последствиям: различные изменения конформации рецептора приводят к разным каскадам реакций, которые могут совершенно по-разному поворачивать конус роста аксона. Похожим образом могут работать и другие сигнальные молекулы, чьи эффекты отличаются в зависимости от того, на какие рецепторы им довелось попасть.

Источник: Kai Xu, Zhuhao Wu, Nicolas Renier et al. Structures of netrin-1 bound to two receptors provide insight into its axon guidance mechanism // Science. 2014. V. 344. P. 1275–1279.

Вера Башмакова