Wechselwirkungen zwischen Embryonalentwicklung und Tumorentstehung -

Wechselwirkungen zwischen Embryonalentwicklung und Tumorentstehung -
Die „Wnts“ Wechselwirkungen zwischen Embryonalentwicklung und Tumorentstehung -

Die Wnt-Proteinfamilie: allgemein
- Gycoproteine mit As (MW kDa) - Name: entstanden aus dem Gen int-1 (durch Integration eines Tumorvirus aktiviertes Gen) und seinem Drosophila Homolog Wingless (1982) - insgesamt 16 wnt-Gene in Maus und Mensch (wnt1-wnt16) - Expression von Wnt-Proteinen in Wirbeltieren und Nichtwirbeltieren, jedoch nicht in Pflanzen und Bakterien - Synthese durch eine Vielzahl verschiedener Zelltypen - sezernierte Proteine

Die Wnt-Proteinfamilie: Struktur
konservierte Cysteinreste  Proteinfaltung durch Ausbildung von intramolekularen Disulfidbrücken  schlechte Löslichkeit, geringe biologische Aktivität in "in-vitro" assays - C-terminale Domäne für die Signaltransduktion essentiell  C-terminal trunkierte Wnt-Proteine wirken als dom.neg. Mutanten - Glycoproteine  Funktion der Glycosylierung unbekannt

Die Wnt-Proteinfamilie: Gruppen
- Einteilung der Wnts nicht nach Homologie sondern nach den nachgeschalteten Signalketten "Canonical" Wnts Wnt 1 Wnt 3a Wnt 8 Wnt 10b "Non-canonical" Wnts Wnt 4 Wnt 5a Wnt 11

Die Wnt-Proteinfamilie: Funktionen in der Entwicklung
Wnt-Funktionen:  zentrale Bedeutung bei der Organ- und Zelldifferenzierung

Die Wnt-Proteinfamilie: Funktionen in der Entwicklung
Gen Phänotyp des Knock-outs Wnt 1  Störungen der Gehirnentwicklung Wnt 2  Plazenta Defekte Wnt 3  Störungen der Körperachsenbildung, Defekt in der Haarbildung Wnt 3a  Verlust des Hippocampus Wnt 4  Störungen der Nierenentwicklung, Defekte in der Entwicklung weiblicher Geschlechtsorgane Wnt 5a  verkürzte Gliedmaßen Wnt 7a  Defekte in der Synapsenbildung, Infertilität weibl. Mäuse Wnt 10b  Defekt in der Adipozytenentwicklung

Die Wnt-Proteinfamilie: Signaltransduktion
Welche Signaltransduktionswege werden wie durch Wnt-Proteine aktiviert?

Die Wnt-Proteinfamilie: Signalwege
1. Klassischer oder "canonischer" Wnt-Signalweg  Wnt-stimulierte Akkumulation von ß-catenin und Aktivierung von Tcf/Lef Transkriptionsfaktoren

2. Wnt/Ca2+ -Signalweg  Wnt-stimulierte Aktivierung von Gq/Go und Anstieg des intrazellulären [Ca2+]  Aktivierung von Ca2+-aktivierten Signalmolekülen: Ca2+/CaM-Kinase; Calcineurin (Phosphatase); NF-AT (Transkriptionsfaktor)

3. Wnt/Zell-Polarität Signalweg Wnt-stimulierte Aktivierung von Signalmolekülen, welche mit der Organisation des Cytoskelets in Verbindung stehen  z.B. Rho, Integrine, Actin/Myosin

Die Wnt-Proteinfamilie: Wnt-Rezeptoren
1. Schritt der Aktivierung aller 3 Signalwege Bindung von Wnts an Rezeptoren auf der extrazellulären Seite LRP

Frizzled-Rezeptoren - 7 Transmembranrezeptoren - geringe Homologie zu GPCRs

Frizzled-Rezeptoren Frizzled Mutante - 7 Transmembranrezeptoren - geringe Homologie zu GPCRs Orientierung der Körperhaare bei Drosophila

Frizzled(Flz)-Rezeptoren - 7 Transmembranrezeptoren - N-terminale Cystein(C)-rich(R)-Domäne(D)  Wnt-Bindung - 10 unterschiedliche Flz-Rezeptoren im Menschen - begrenzte Bindungsselektivität einzelner für unterschiedliche Wnts - differentielle Expression unterschiedlicher Flz-Rezeptoren in unterschiedlichen Geweben

Frizzled-Rezeptoren - 7 Transmembranrezeptoren - N-terminale Cystein(C)-rich(R)-Domäne(D)  Wnt-Bindung - 2 Gruppen: (A) Canonical Signalweg: keine Kopplung an G-Proteine (B) Ca2+-Signalweg: Kopplung an Gq, Aktivierung von PLC und PKC

LDL-receptor-related protein (LRP) Rezeptoren LRP - LRP-5 und LRP-6 sind essentiell für die Aktivierung des "canonical"-Wnt-Signalwegs - Ko-Rezeptoren  ternärer Wnt-Frizzled-LRP Komplex - LRP5 und LRP6 (-/-) Mäuse zeigen ähnliche Defekte wie Wntx (-/-) Mäuse - LRP-5 und LRP-6 binden Wnts und bilden einen ternären Komplex mit dem Frizzled Rezeptor  Signaltransduktion

Signaltransduktion des "canonischen" Wnt-Signalwegs LRP LRP Besonderheit der "canonischen" Wnt-Signalkette: - nicht Stimulation eines ruhenden Systems sondern Inhibition einer konstitutiv aktiven Signalkette

LRP LRP "canonical"- Wnt-Signalweg Unstimulierter Zustand  Proteolytischer Abbau von ß-Catenin

Die Wnt-Proteinfamilie: Signalmoleküle
ß-Catenin Drosophila 42 As - Interaktion mit zahlreichen Proteinen durch "Arm-repeats" - Bindungspartner von E-Cadherin  Verbindung von Zelladhäsionsmolekülen mit dem Zytoskelett - cytoplasmatisches ß-Catenin wird schnell abgebaut  Proteasomaler Abbau

LRP LRP "canonical"- Wnt-Signalweg Unstimulierter Zustand  Proteolytischer Abbau von ß-Catenin  Ubiquitinylierung von ß-Catenin

Proteasomaler Proteinabbau
Multiproteinkomplex

LRP LRP "canonical"- Wnt-Signalweg Unstimulierter Zustand  Proteolytischer Abbau von ß-Catenin  Ubiquitinylierung von ß-Catenin  Phosphorylierung von ß-Catenin

ß-Catenin Drosophila 42 As - cytoplasmatisches ß-Catenin wird schnell proteasomal abgebaut - Phosphorylierung in der N-terminalen Domäne ist essentiell für die Markierung mit Ubiquitin und den proteasomalen Abbau von ß-Catenin

häufig Mutationen bei Dickdarmkrebs ß-Catenin Drosophila 42 As - cytoplasmatisches ß-Catenin wird schnell proteasomal abgebaut - Phosphorylierung in der N-terminalen Domäne ist essentiell für die Markierung mit Ubiquitin und den proteasomalen Abbau von ß-Catenin

LRP LRP "canonical"- Wnt-Signalweg Destruction-Komplex: - Caseinkinase I (CKI) - Dishevelled - Axin - APC - GSK-3

Glycogen-Synthase Kinase 3 (GSK-3)

Glycogen-Synthase Kinase 3 (GSK-3) ß-Catenin Phosphorylierung

Glycogen-Synthase Kinase 3 (GSK-3) - Ser/Thr Kinase, phosphoryliert ß-Catenin an den Positionen 33, 37 und 41 - für die Phosphorylierung von ß-Catenin an diesen Positionen ist eine vorherige Phosphorylierung an Position 45 durch Casein-Kinase I (CKI) essentiel (priming) - Phosphorylierung von ß-Catenin an diesen Positionen ist essentiell für die Ubiquitinylierung von ß-Catenin durch die E3-Ligase ß-TrCP - GSK-3ß phosphoryliert ß-Catenin nur im Komplex mit APC und Axin effektiv

LRP LRP "canonical"- Wnt-Signalweg Destruction-Komplex: - CKI - Dishevelled - Axin - APC - GSK-3

APC-Bindung Axin Dimerisierung ß-Catenin, GSK-3ß Bindung - für normale Entwicklung der Maus essentiell - wirkt als "scaffold"-Protein, in dem es die beteiligten Proteine ß-Catenin, APC, Casein-Kinase I und GSK-3ß fixiert und damit in direkte räumliche Nähe bringt - zentrale Domäne für ß-Cat und GSK-Bindung essentiell - Phosphorylierung von ß-Catenin durch GSK-3ß wird durch Axin gesteigert - Phosphorylierung von Axin durch GSK-3ß steigert dessen Affinität für APC

Adenomatous polyposis Coli (APC) - Tumorsupressorgen vor allem bei Dickdarmkrebs (Mutationen) - Bindung von APC an ß-Catenin ist essentiell für die Phophorylierung durch GSK-3ß - GSK-3ß phosphoryliert neben ß-Catenin auch APC, wodurch die Bindung von ß-Catenin und APC noch verstärkt wird

LRP LRP "canonical"- Wnt-Signalweg Axin APC GSK-3ß ß-Catenin-P ß-Catenin-P-Ubiquitin  Abbau

LRP LRP Wie beeinflusst die Bindung von Wnt die Aktivität von GSK-3ß und damit die ß-Catenin Konzentration ?

Die Wnt-Proteinfamilie: Signaltransduktion Destruction-Komplex:
"canonical"- Wnt-Signalweg Stimulierter Zustand LRP LRP Destruction-Komplex: - Dishevelled (Dvl)  Wnt-induzierte Phosphorylierung

Axin-Bindung Dishevelled (zerzaust) - positiver Mediator des klassischen Wnt-Signalwegs - ubiquitär, cytosolisch lokalisiert - Wnt-Bindung führt zu einer Phosphorylierung von Dishevelled (wahrscheinlich durch Casein-Kinase I (CKI))

Die Wnt-Proteinfamilie: Signaltransduktion Destruction-Komplex:
"canonical"- Wnt-Signalweg Stimulierter Zustand Destruction-Komplex: - Dishevelled  Wnt-induzierte Phosphorylierung  Bindung von Dvl an Axin  Rekrutierung von GBP an GSK-3ß (GSK-binding protein)  Inhibition der GSK-3ß/Axin Bindung und ß-Catenin Phosphorylierung  Translokation von ß-Catenin in den Kern  Aktivierung von Tcf/Lef LRP LRP Translokation in den Kern

TCF/Lef -Transkriptionsfaktoren DNA-Bindung - Gruppe von Transkriptionsfaktoren (Tcf 1-4) - Tcf: T-cell factor; Lef: lymphoid enhancer factor

TCF/Lef -Transkriptionsfaktoren DNA-Bindung - Gruppe von Transkriptionsfaktoren (Tcf 1-4) - Tcf: T-cell factor; Lef: lymphoid enhancer factor - konstitututive DNA-Bindung, aber keine transkriptionelle Aktivität ohne Ko-Aktivator

TCF/Lef -Transkriptionsfaktoren DNA-Bindung - Gruppe von Transkriptionsfaktoren (Tcf 1-4) - Tcf: T-cell factor; Lef: lymphoid enhancer factor - konstitututive DNA-Bindung, aber keine transkriptionelle Aktivität ohne Ko-Aktivator - Bindung von ß-Catenin an TCF/Lef führt zu einer Transaktivierung und damit Transkription von Zielgenen durch Tcf/Lef

TCF/Lef -Transkriptionsfaktoren DNA-Bindung Tcf/Lef kontrolierte Gene: C-myc (Protoonkogen) Cyclin D (CDK-Aktivator) p21 (CDK Inhibitor) VEGF (Wachstumsfaktor) PPARd (Nucleärer Rezeptor/Transkriptionsfaktor) MMP7 (Metalloproteinase)

TCF/Lef -Transkriptionsfaktoren DNA-Bindung Tcf/Lef kontrolierte Gene: C-myc (Protoonkogen) Cyclin D (CDK-Aktivator) p21 (CDK Inhibitor) VEGF (Wachstumsfaktor) PPARd (Nucleärer Rezeptor) MMP7 (Metalloproteinase) Proliferation

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