A Notch egy filogenetikailag ősi jeltovábbító út, amelyet először Thomas H.
Morgan és mtsai (Morgan TH, 1917) írtak le Drosophila mutánsokban. A Notch receptorok és ligandumaik transzmembrán doménnel rendelkező sejtfelszíni glikoproteinek. Emberben és egérben 4 Notch receptor és legalább 5 ligandum létezik: Notch1-4, illetve Jagged-1, -2 és Delta-1, -3, -4 (2. táblázat). A receptor molekulák egy ~300 kD tömegű polipeptidláncként szintetizálódnak, majd a poszt-Golgi kompartmentben a furin nevű proteáz elhasítja (S1) őket (8. ábra). Az így létrejött heterodimer fehérjéket nem-kovalens kötések tartják össze. A sejtfelszínre kikerült receptor molekulák – amennyiben ligandummal találkoznak - tovább hasadnak. Egy membránhoz közeli és egy intramembrán proteolízis (S2 és S3) eredményeként a molekula intracelluláris része leválik, és a sejtmagba jut. A magban ez a polipeptid kapcsolatba lép a CSL transzkripciós faktorral. (A CSL név a más-más fajokban jellemző, de nagyfokú homológiát mutató, konzervatív CBF1/RBP-Jκ (Centromere promoter factor 1/Recombination-signal Binding Protein, emlősök); a Su(H) (Suppressor of Hairless, Drosophila); és a LAG-1 (Longevity Assurance Gene 1, C. elegans) transzkripciós faktorok nevének kezdőbetűiből tevődik össze). A CSL transzkripciós faktor egy korepresszor komplex részeként gátolja az ugyancsak transzkripciós faktorokat kódoló HES és HEY gének (a Drosophila Hairy és Enhancer of Split, En(spl), emlős homológjai) átírását. A sejtmagba bejutó, a CSL-hez kapcsolódó Notch intracelluláris polipeptid a represszor fehérjék helyére lép a komplexben, így az koaktivátor komplexé alakul és megkezdődik a HES és HEY gének átírása mRNS-re, majd fehérjére. E fehérjék számos különböző differenciálódási út – többek között a hematopoézis – során nélkülözhetetlen, sejtfejlődési sor-specifikus gén átírását gátolják. A Notch-jelzés során tehát lényegében a HES és HEY génekről átíródó transzkripciós faktorok fejtik ki hatásukat, gátolva bizonyos differenciációs utakat. Így a Notch-jelet fogó sejt általában tartósan megőrzi differenciációs potenciálját, azaz fiatalságát, sorsa több sejtfejlődési sor irányába is nyitott marad (Artavanis-Tsakonas S et al, 1999; Liu J et al, 2010).
2. táblázat. A Notch jeltovábbító rendszer legfontosabb elemei Drosophila Emlősök
Receptorok: Notch Notch1, 2, 3, 4
Ligandumok: Delta Delta(-like) 1, 3, 4
Serrate Jagged-1, 2
Intracelluláris effektorok: Su(H) CSL (CBF1/RBP-J)
Szabályozó fehérjék: Fringe Lunatic, Radical és Manic Fringe
Numb Numb, Numb-like
Deltex Deltex-1, 2, 3
Mastermind Mastermind-like-1, 2, 3 Célgének: Hairy, En(spl) HES1, 5, Hey1
A Notch rendszer és a hematopoézis kapcsolata a t(7;9) kromszóma transzlokációval járó T-sejtes akut leukaemiák (T-ALL) kapcsán merült fel először.
Kiderült, hogy a neoplasztikus sejtekben expresszálódó TAN1 onkogén valójában a Notch1 receptor csonka formáját kódolja, ami lényegében a receptor szabad intracelluláris doménjének felel meg. Így a sejtek Notch rendszere folyamatosan aktivált állapotban van akkor is, ha nem találkoznak Notch ligandummal (Ellisen LW et al, 1991). Amikor egér HSC-ket transzdukáltak hasonló - szolubilis Notch1 intracelluláris domént kódoló – génnel, immortalizált vérképző őssejt vonalakat nyertek (Varnum-Finney B et al, 2000).
Stier és mtsai (Stier S et al, 2002) igazolták, hogy a folyamatosan aktív Notch1 mind in vitro, mind in vivo gátolja a HSC-k differenciálódását. Az egésztest besugárzás után ilyen sejtekkel transzplantált egerek csontvelőjében a vad típusú sejtekkel oltott kontroll állatokéhoz képest nőtt az LTRA HSC-k és csökkent a különböző mértékben elkötelezett elődsejtek aránya. GFP transzgenikus riporter egerek - amelyekben a fluoreszcens fehérje expresszióját a Notch rendszer aktiválódása indítja el - csontvelő graftját vad típusú recipiensekbe ültetve a GFP+ HSC-k repopulációs képessége jóval nagyobb volt, mint a GFP- őssejteké (Duncan AWE et al, 2005). Később ugyanez a csoport igazolta, hogy in vitro elsősorban a zölden fluoreszkáló HSC-k képesek szimmetrikus (önfenntartó) osztódásra (Wu M et al, 2007). A Notch aktivitás tehát gátolja a vérképző őssejtek differenciálódását, segíti az őssejt kompartment változatlan formában történő fenntartását.
Ezzel összhangban a HSC „nich”-t alkotó csontvelői stroma sejtek (Karanau FN et al, 2000), osteoblastok (Weber JM et al, 2006), endothel és CAR sejtek (Sacchetti B et al,
2007) nagy mennyiségű Notch ligandumot, elsősorban Jagged1-et fejeznek ki.
Konstitutíven aktív parathyroid hormon (PTH) receptort expresszáló transzgenikus egereket PTH-val oltva, a csontvelőben megnő az osteoblastok száma, és – főként - az egyes osteoblastokon kifejeződő Jagged1 mennyisége. Ezzel párhuzamosan nő az LT-HSC-k mennyisége a hormonkezelt állatokban (Calvi LM et al, 2003). In vitro kultúrában a tenyésztőtálca aljához kötött – inszolubilizált – Delta ligandumok mind az egér, mind a humán HSC-k osztódását fokozták (Karanau FN et al, 2001; Varnum-Finney B et al, 2003;
Ohishi K et al, 2002).
8. ábra. A Notch jeltovábbító rendszer felépítése és működése
Ugyanakkor, ha Jagged-1 floxed (Jagged-1fl/fl) egereket Mx1 Cre állatokkal kereszteztek, majd az utódokban interferon adásával aktiválták a rekombináz enzimet, a Jagged1 kiesése semmiféle zavart nem okozott a vérképző rendszer működésében.
Megismételve a kísérleteket Notch1fl/fl és Jagged-1fl/fl /Notch1fl/fl egerekkel, hasonló eredményre jutottak (Mancini SJ et al, 2005). Figyelembe véve azonban a Notch rendszer nagyfokú redundanciáját felmerült, hogy a Notch1 és Jagged1 kiesését más Notch receptorok és ligandumok kompenzálhatták a génkiütött állatokban. Ezért Maillard és mtsai (Maillard I et al, 2008) domináns-negatív Mastermind-like1 (dnMAML) mutáns egereket állítottak elő. (A MAML egy olyan szabályozó fehérje, ami mind a négy Notch receptor intracelluláris doménjéhez kötődik, gátolva a receptorokról történő jelátvitelt).
Mivel a mutáns egerek csontvelőjét sikerrel transzplantálták myeloablatált recipiensekbe, arra a következtetésre jutottak, hogy a HSC-k repopulációs képességének fenntartásához nincs szükség Notch szignálra. Egy másik, a Notch ligandumok endocitózisához és a receptorok aktivitásához szükséges szabályozó fehérje, a Midbomb-1 (Mib1) inaktiválása viszont egészen más, meglepő eredményre vezetett. Az állatokban súlyos myeloproliferatív betegség (MPD) alakult ki. Ráadásul, ha vad típusú HSC-ket transzplantáltak Mib1 negatív mikrokörnyezetbe, az egerek akkor is megbetegedtek. Konstitutíven aktív Notch1-et, pontosabban annak intracelluláris doménjét expresszáló HSC-ket oltva a Mib1 -recipiensekbe az MPD szintén kialakult, de progressziója sokkal lassabb volt, mint a vad típusú graft beültetése után (Kim YW et al, 2008). A Notch jelátviteli utak gátlása a vérképző őssejt „niche”-ben tehát igenis megzavarhatja a hematopoézist.
A ma általánosan elfogadott hipotézis szerint a Notch jeltovábbító rendszer normális működésének főként a vérképző rendszer kialakulásában és a csontvelő károsodást okozó stresszhelyzetek (besugárzás, mérgezés) elhárításában van meghatározó szerepe. Az egyensúlyi vérképzés során más „niche” komponensek esetleg részben helyettesíthetik a Notch aktivitást (Weber JM and Calvi LM, 2010).