Plexiinien ja semaforiinien yhteinen evolutionaalinen alkulähde selvitetty . Met RTK löytö.

torsdag 28 februari 2019

Plexiinien, semaforiinien ja MetRTK:n yhteisestä evoluutiotaustasta (suomennosta)

https://www.nature.com/articles/s41598-019-38512-y

 

Tiivistelmä (suomennosta) 

• Abstract

 Yksisoluisista monisoluisiin organismeihin siirtymisessä on tieteellinen kysymys, missä vaiheessa  evoluutiota alkoi esiintyä niitä geenejä, jotka  säätelivät solujen välisiä interaktioita.
PLEKSIINIT ja SEMAFORIINIT muodostavat  reseptori-ligandi-parin, joka säätelee  solujen  interaktioita hyvin laajalti  kehityksen aikana ja fysiologiassa.

• The transition from unicellular to multicellular organisms poses the question as to when genes that regulate cell-cell interactions emerged during evolution. The receptor and ligand pairing of plexins and semaphorins regulates cellular interactions in a wide range of developmental and physiological contexts.

Tässä tutkimuksessaan tiedemiehet tekivät katsauksen  yksisoluisista eukaryosyyteistä ja ei-bilateraalisista ja bilateraalisista  metazooista. He tekivät fylogeneettisia analyysejä   PLEKSIINIperheiden ja SEMAFORIINIperheiden   evoluutiosta. He havaitsivat pleksiinejä ja semaforiineja choanoflagellaateissa, mikä viittaisi  yhteiseen evolutionaaliseen alkuperään   Choanoflagellida ja Metazoa-linjoissa.
PLEXIINI-domeenirakenne  on kaikissa  kladeissa konservoitunut, mutta päinvastoin SEMAFORIINIT ovat  rakenteellisesti erilaisia. Choanoflagellate-semaforiinit ovat  transmembraanisia (TM) proteiineja, joissa on  useita fibronektiini- tyyppi- III-domeeneja N-terminaalisen SEMA-domeenin jälkeen ( merkitään Sema-FN).
Muita aiemmin  kirjattuja semaforiiniluokkia ovat  Ctenophora-semaforiinit, joissa on  peräkkäisiä immunoglobuliinidomeeneja (Sema-Ig)  ja  sekretoriset Echinodermata-semaforiinit (Sema-SP, Sema-SI) .
Tutkijat  tunnistivat myös  Met- reseptori tyrosiinikinaaseja, joilla oli  lyhentynyt plexiinin extrasellulaarinen domeeni ja näitä löytyi useissa bilateraalisissa kladeissa, mikä viittaisi  Bilateria- linjassa  yhteiseen  evolutionaaliseen alkuperään.
Lisäksi havaittin  uudentyyppinenkin Met-kaltainen RTK, jossa oli täydellinen  extrasellulaarinen plexiinidomeeni (Lophotrochoxoa ja Echinodermata- linjoissa) (merkitään   Met-LP RTK).
 Tutkijat vahvistavat PLEXIINIEN ja SEMAFORIINIEN   ikivanhat  funktiot sytoskeletaalisen dynamiikan ja soluadheesion säätelyssä, mistä voikin ennakoida niiden osuuden  aksoneja ohjaavina molekyyleinä.

• We surveyed here genomes of unicellular eukaryotes and of non-bilaterian and bilaterian Metazoa and performed phylogenetic analyses to gain insight into the evolution of plexin and semaphorin families. Remarkably, we detected plexins and semaphorins in unicellular choanoflagellates, indicating their evolutionary origin in a common ancestor of Choanoflagellida and Metazoa. The plexin domain structure is conserved throughout all clades; in contrast, semaphorins are structurally diverse. Choanoflagellate semaphorins are transmembrane proteins with multiple fibronectin type III domains following the N-terminal Sema domain (termed Sema-FN). Other previously not yet described semaphorin classes include semaphorins of Ctenophora with tandem immunoglobulin domains (Sema-IG) and secreted semaphorins of Echinoderamata (Sema-SP, Sema-SI). Our study also identified Met receptor tyrosine kinases (RTKs), which carry a truncated plexin extracellular domain, in several bilaterian clades, indicating evolutionary origin in a common ancestor of Bilateria. In addition, a novel type of Met-like RTK with a complete plexin extracellular domain was detected in Lophotrochozoa and Echinodermata (termed Met-LP RTK).

• Our findings are consistent with an ancient function of plexins and semaphorins in regulating cytoskeletal dynamics and cell adhesion that predates their role as axon guidance molecules.

 Johdanto

• Introduction

 PLEXIINIT ja SEMAFORIINIT  ovat solupintareseptoreita ja  ligandeja, jotka säätävät monia kehityksellisiä ja aikuisfysiologian aikaisia prosesseja. Näihin kuuluu  neuronaalinen kehitys, verisuoniston kehitys, immuunijärjestelmän aktivoituminen, luun homeostaasi ja epiteelin järjestäytyminen (organisoituminen) .

• Plexins and semaphorins are cell surface receptors and ligands that regulate multiple processes of development and adult physiology, including neural development, vascular development, immune system activation, bone homeostasis, and epithelial organization^{1,2,3,4,5,6,7,8,9}.

 SEMAFORIINIT tunnistettiin  repulsoivina (luotaantyöntävinä, karkoittavina)   aksoneja ohjaavina molekyyleinä heinäsirkoilta  ja  linnunpojilta.
PLEXIINEJÄ kuvattiin ensimmäisen  kerran Xenopus-lajin poikasten  hermojärjestelmän solupintamolekyyleistä  ja näissä PLEXIINEISSÄ  havaittiin  samanlaisia  molekulaarisia sekvenssejä   kuin Met- tyrosiinikinaasireseptorien (RTK) extrasellulaaridomeenissa.  

• Semaphorins were identified as repulsive axon guidance molecules in grasshopper and in chick^10,11. Plexins were first described as cell surface molecules in the nervous system of Xenopus tadpoles¹² and as molecules with sequence similarity to the extracellular domain of Met receptor tyrosine kinases (RTKs)¹³.

Selkärangattomien  bilateraalisten metazooien SEMAFORIINIT  ryhmiteltiin  sekvenssien samankaltaisuuden perusteella luokkiin 1 ja 2.
 Selkärankaisten SEMAFORIINIT ryhmiteltiin viiteen luokkaan: Luokat 3-7
Lisäksi  on yksi virusten semaforiinien luokka , V-luokka.
Lisätutkimukset  tunnistivat, että banaanikärpäsellä on myös luokan 5 semaforiineja, joten sitä esiintyy sekä selkärankaisissa että selkärangattomissa.
Virusten semaforiini on ilmeisesti johdannainen luokan 7 semaforiineista.
PLEXIINIT ryhmiteltiin  sekvenssiensä perusteella  mukaan  neljään  luokkaan (luokat A-D)

• Semaphorins of bilaterian Metazoa have been grouped by sequence similarity into two invertebrate classes (class 1 and 2) and five vertebrate classes (class 3–7), plus one class for viral semaphorins (class V)^14,15. Subsequent studies revealed that Drosophila melanogaster also has a class 5 semaphorin, thus class 5 semaphorins are present in both vertebrates and invertebrates¹⁶. The viral semaphorins appear to be all derived from class 7 semaphorins¹⁷.
• The plexins of vertebrates were grouped by sequence similarity into 4 classes (class A-D)¹⁸.

 Sekä PLEXIINEILLÄ että SEMAFORIINEILLA on rakenteellinen tunnusmerkkinsä. Se on N-terminaalinen Sema-domeeni, joka on  "seitsensiipinen beta-propelli", jossa  joka siipi muodostuu  neljästä antiparalleelista beta-tupesta.  Tällainen Sema-domeeni esiintyy yksinomaan plexiineissä, semaforiineissa ja Met-reseptorityrosiinikinaaseissa (Met RTK).  Plexiinit ja semaforiinit sitoutuvat toisiinsa juurin näiden  vastaavien Sema-domeeniensa  välityksellä.  Mutta Met RTK taas sitoo erittyneitä kasvutekijöitä kuten maksasolun kasvutekijää (HGF), joka on rakenteellisesti  semaforiineista poikkeava.

• Both plexins and semaphorins contain a structural hallmark: an N-terminal Sema domain, which is a seven-blade beta-propeller, with each blade formed by four anti-parallel beta-strands¹⁹. The Sema domain is exclusive of plexins, semaphorins, and Met RTKs¹⁹. Plexins and semaphorins bind to each other through their respective Sema domains^20,21,22. Met RTKs, on the other hand, bind to secreted growth factors such as hepatocyte growth factor (HGF) that are structurally different from semaphorins²³.

 NEUROPILIINIEN osuus: Luokan 3 semaforiinien  sitoutumisessa tarvitaan koreseptorina  neuropiliiniä, joka tekee kompleksin plexiinin kanssa. Näihin asti  ollaan oltu  sitä mieltä, että neuropiliinejä esiintyy vain selkäranakaisissa, vaikka  erittyneen semaforiinin koreseptorina toimii
C. Elegansissa  L1CAM -homologi LAD-2, mikä viittaisi siihen, että  selkärangattomissakin hyödynnettäneen  koreseptoria erittyneiden semaforiinin  sitomiseen. 

• For the binding of secreted class 3 semaphorins, neuropilin transmembrane proteins act as required co-receptors in a complex with plexins²⁴. To date, Neuropilins are considered exclusive of vertebrates²⁵, although in Caenorhabditis elegans, the L1CAM homolog LAD-2 acts as co-receptor for secreted semaphorins²⁶, suggesting that invertebrates may utilize other co-receptors for the binding of secreted semaphorins.

Minkälainen on PLEXIININ Sema-domeeni?
PLEXIINIEN Sema-domeenia seuraa  tyypillisesti PSI-domeeni (Plexiini, Semaforiini ja Integriini), joka on noin  50-60 aminohapon  pituinen kooltaan ja käsittää  konservoitua cysteiiniaminohappoa ja keskeisen  CxWC- motiivin.
 Plexiineillä on myös extrasellulaarinen IPT-domeeni ( Immunoglobuliinin kaltainen poimu, jonka jakaa keskenään Pleksiini ja Transkriptiotekijät) ja se on noin 95 aminohappoa ja muodostaa  beetatuppikimpun  jossa on on kaksi konservoitua cysteiiniä.
 Kidetutkimuksista on havaittu, että plexiinin extrasellulaaridomeenit muodostavat yhdessä  rengasrakenteen, jossa on Sema-domeenin perässä  kolme peräkkäistä PSI-IPT-jaksoa ja lisäksi kolme IPT- jaksoa, siis: Sema-PSI-IPT-PSI-IPT-IPT-IPT-IPT-TM ( transmembraaninen osa) . Poikkeuksia tästä plexiinin sterotyyppisestä  rakenteesta ovat  Plexiini-B1, jolla  on liitännäinen toisessa PSI-domeenissaan ja Plexiini-C1, jolta puuttuu yksi PSI-domeeni ja 2 IPT-domeenia.

• The Sema domain of plexins is typically followed by a PSI domain (plexins, semaphorins, and integrins), which is ~50–60 aa in size and contains up to 8 conserved cysteines with a central conserved CxWC motif ²⁷. Plexins also contain extracellular IPT domains (immunoglobin-like fold shared by plexins and transcription factors), which are ~95 aa in size, forming a beta-sheet bundle with two central conserved cysteines²⁷. It has been an intriguing finding from crystallographic studies that the plexin extracellular domains form together a ring structure, which consists of a Sema domain followed by three consecutive PSI-IPT domains and three more IPT domains, i.e. Sema-PSI-IPT-PSI-IPT-PSI-IPT-IPT-IPT-IPT-TM^28,29. Exceptions to this stereotypic domain pattern are Plexin-B1, which carries an insert in its second PSI domain, and Plexin-C1, which lacks one PSI and two IPT domains.

 Mitä on PLEXIINIEN  solunsisäisessä jaksossa, intrasellulaariosassa?
Plexiinissä on sytosoliin (solulimaan)  ulottuvassa  intrasellulariosassa  Ras-GAP (GTPaasia aktivoiva proteiini)-domeeni, joka inaktivoi pieniä G-proteiineja Rap1/2 perheestä.
Rap1/2 G-proteiineilla   on pleiotrooppinen verkostonsa effektoreita, vaikuttavia tekijöitä, jotka kontrolloivat  sytoskeletaalista  dynamiikkaa ja solujen adhesoitumisprosesseja.

• The intracellular part of plexins contains a Ras-GAP (GTPase activating protein) domain, which inactivates small G proteins of the Rap1/2 families³⁰. The Rap1/2 G proteins have a pleiotropic network of effectors that control cytoskeletal dynamics and cell adhesion processes³¹.

Aiemmissa   genomisissa  sekventoivissa  tutkimuksissa on tunnistettu  PLEXIINEILLÄ ja SEMAFORIINEILLA   olevan varhainen yhteinen  alkuperä  metazooisessa evoluutiossa.    Tässä tutkimuksessa  tehtiin  katsausta  lähtien  yksisoluisista eukaryosyyteistä  monimutkaisiin metazooisiin organismeihin  asti  jäljittäen   plexiinien ja semaforiinien evolutionaalista alkuperää  ja kuvattiin  niiden  intra- ja extrasellulaaristen domeenien järjestäytymiset.

• Previous genome sequencing studies have recognized that plexins and semaphorins have an early origin in metazoan evolution^32,33. In the current study, we surveyed plexins and semaphorins from unicellular eukaryotes to complex metazoan organisms to track their evolutionary origin and to describe their intra- and extracellular domains arrangements.

 Tutkijat  löysivät  PLEXIINEJÄ  ja SEMAFORIINEJA  jo chonoflagellaateilta, jotka ovat  muuan  yksisoluisten eukaryosyyttien ryhmä lähellä  metazooia.  Nämä  fylogeneettiset  analyysit viittaavat siihen, että  plexiinit ja semaforiinit  ovat  lähtöisin   chonoflagellaattojen ja metazooien yhteisestä alkulähteestä.
PLEXIINIT ovat säilyttäneet  stabiilin domeenijärjestyksen  kaikissa kladeissaan.
 SEMAFORIINIT ovat   muodostaneet evoluutiossa erilaisia luokkia vaihtelevin domeenijärjestyksin.
Mielenkiintoisena löytönä  tutkijoiden   Sema-domeenia sisältävien proteiinien analyyseissä  havaittiin uuden tyyppinen  Met:in kaltainen RTK, jossa on täydellinen  plexiinin ektodomeenirakenne.

• Remarkably, we detected plexins and semaphorins in choanoflagellates, a group of unicellular eukaryotes closely related to Metazoa³⁴. Our phylogenetic analyses suggest that plexins and semaphorins emerged in a common ancestor of choanoflagellates and Metazoa. Whereas plexins have maintained a stable domain arrangement throughout all clades, semaphorins have evolved into diverse classes with different domain arrangements. Interestingly, our analyses of Sema domain-containing proteins also revealed a novel type of Met-like RTK that contains a complete plexin ectodomain structure.

HUOM. tähän artikkeliin liittyy hyviä kuvia. Kts. LINKKI