Notch Signaling Pathways | 고마바이오텍

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Notch 신호 전달 경로 

Notch 수용체 패밀리(Notch-1, -2, -3, -4)는 세포 운명 결정, 증식, 혈관신생, 세포 생존, 면역 반응 등 다양한 생리적 역할을 담당하는 고도로 보존된 단백질입니다. 이러한 과정들과 관련된 많은 단백질처럼, 비정상적인 Notch 활성은 종양 발생에 대해 복잡하고 맥락 의존적인 영향을 미치는 것으로 보고되어 있습니다.

번역 및 세포막으로 이동하는 과정에서 Notch는 다음과 같은 여러 전처리 단계를 거칩니다.

• 소포체(Endoplasmic reticulum)에서 O-fucosyltransferase 1 (POFUT1)에 의한 O-fucose 추가

• 골지체(Golgi)에서 척추동물의 Lunatic Fringe (LFNG), Manic Fringe (MFNG), Radical Fringe (RFNG) 중 하나에 의한 N-acetylglucosamine 추가

• 골지체에서 Furin에 의한 절단(Cleavage)을 통해 NICD (Notch intracellular domain)와 NECD (Notch extracellular domain)로 구성된 이종이량체(Heterodimer) 생성

이 이종이량체는 세포막으로 이동하여 단일 통과 막관통 수용체(Single pass transmembrane protein)로 존재합니다. Notch는 세포막으로의 재삽입과 엔도사이토시스(Endocytosis)를 포함하는 순환 상태에 있거나, 리소좀 분해(Lysosomal degradation) 표적이 되는 것으로 여겨집니다.

Notch의 활성화 및 단백질 절단 과정

Notch는 리간드 결합과 다단계 단백질 가수분해 과정을 포함하는 독특한 과정을 통해 활성화됩니다.

• 무척추동물의 Notch 리간드로는 DSL (Delta, Serrate, and Lag2)이 있으며, 포유류의 DSL 대응물로는 DLL (Delta-like)-1, -3, -4, Jagged 1, Jagged 2가 있습니다.

• Notch와 마찬가지로 DSL 리간드도 단일 통과 막관통 수용체이며, 전형적인 Notch 활성화에는 직접적인 세포 간 상호작용(Trans-activation)이 포함됩니다.

• Notch에 결합한 후, Notch 리간드의 세포질 도메인은 E3 유비퀴틴 리가제인 Mind Bomb-1을 통해 유비퀴틴화됩니다. 이는 리간드 발현 세포로의 Notch 리간드/NECD 복합체의 엔도사이토시스(Endocytosis)를 개시합니다.

• 이 과정에는 Clathrin, Dynamin, Epsin, Picalm 등 흔히 알려진 엔도사이토시스 관련 인자들이 관여합니다. 이러한 엔도사이토시스 관련 이벤트에 의해 생성된 기계적 힘은 Notch 경로의 다음 단계(Notch의 순차적인 단백질 가수분해 절단 포함)에 중요할 수 있습니다.

• Notch는 먼저 TACE/ADAM17에 의해 절단된 다음, Presenilin, PSENEN/PEN-2, APH1, Nicastrin을 포함하는 gamma-Secretase 복합체에 의해 절단됩니다. gamma-Secretase 절단이 세포막에서 일어나는지 엔도좀 구획(Endosomal compartment)에서 일어나는지는 여전히 연구 중인 사안입니다.

• 절단 후, NICD는 세포질로 방출되어 핵으로 전위(Translocation)됩니다.                                                                  

전사 조절 및 핵 내 작용 기전

Notch의 활성은 주로 유전자 전사를 조절하는 능력에 달려 있습니다.

• RBPj (면역글로불린 Kappa J 영역에 대한 재조합 신호 결합 단백질, Recombination Signal Binding Protein for Immunoglobulin Kappa J Region)는 Notch 매개 유전자 전사에서 중요한 역할을 합니다. RBPj는 포유류의 CBF-1, 초파리의 Suppressor of Hairless, 예쁜꼬마선충의 Lag-2 오르로그를 기반으로 CBF-1 또는 CSL로도 알려져 있습니다.

• Notch 활성화가 없는 경우, CSL/RBPj는 히스톤 탈아세틸화효소(HDACs)와 같은 점점 늘어나는 공동 억제자(Co-repressors), 링커 단백질, 효소 복합체와 함께 전사 억제자(Transcriptional repressor)로 작용합니다.

• 핵 내에서 NICD는 전사 억제자를 대체하고 CSL/RBPj 및 Mastermind-like (MAML)와 복합체를 형성합니다. MAML은 히스톤 아세틸화효소(Histone acetyltransferase) p300 같은 전사 공동 활성화자(Transcriptional co-activators)를 리크루트하여 Notch 활성화 복합체를 형성하고, 이는 최종적으로 Notch 표적 유전자의 전사로 이어집니다.

• 활성화 복합체 조절과 관련된 단백질의 수는 계속 증가하고 있습니다. NICD를 직접 인산화하여 긍정적이거나 부정적으로 조절할 수 있는 키네이스(Kinases)가 존재합니다. 또한 맥락에 따라 전사를 촉진하거나 억제할 수 있는, NICD와 직접 상호작용하는 다양한 DNA 결합인자 및 단백질이 존재합니다.

• NICD의 턴오버(Turnover)는 높으며, CDK8에 의한 인산화는 E3 유비퀴틴 리가제인 FBW7에 의한 인식을 촉진하여 NICD 유비퀴틴화 및 프로테아좀 분해(Proteasomal degradation)를 초래합니다. 전반적인 Notch 활성 수준을 결정하는 상반된 조절자들 사이에는 복잡한 평형 상태가 존재합니다.

비전형적(Non-canonical) 경로 및 신호 전달 교차

DSL 리간드에 의한 Notch의 결합과 CSL/RBPj를 포함하는 전사 활성화는 전형적인 Notch 경로(Canonical Notch pathway)로 간주됩니다. 그러나 비전형적 신호 전달(Non-canonical signaling)에 대한 설명도 계속해서 보고되고 있습니다.

• Notch 경로의 억제 또는 활성화를 포함하여 다양한 효과를 가지는 여러 비전형적 Notch 리간드가 확인되었습니다.

• 또한, Notch와 Akt/mTOR, NF kappa B, Wnt/beta-Catenin 등 다른 신호 전달 경로 간의 크로스토크(Crosstalk)가 존재함이 분명합니다.

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