Размер головного мозга человека зависит от активности Wnt в эмбриогенезе

Развитие головного мозга, как и многие другие этапы формирования организма, контролируется сигнальным путем Wnt. Изменение уровня его активности в эмбриогенезе может привести как к дефициту нервных клеток и микроцефалии, так и к их избытку и макроцефалии. Оба этих состояния характеризуются задержкой умственного развития. Исследование международного коллектива ученых показало, что важную роль в них играет белок ZNRF3, который обеспечивает отрицательную обратную связь в каноническом Wnt-сигналинге.

Сигнальный путь Wnt регулирует эмбриогенез, пролиферацию и дифференцировку клеток. Wnt связывается со своим рецептором Frizzled (FZD) и корецептором LRP5/6. В каноническом пути передачи сигнала учувствует β-катенин (сигнальный путь Wnt/β-катенин). Данный сигнальный путь отвечает за пролиферацию клеток, в том числе нейрогенез. Соматические мутации в генах-участниках сигнального пути Wnt/β-катенин связаны с онкологическими заболеваниями, а зародышевые — с патологиями развития. Одним из генов, который экспрессируется из-за активации канонического Wnt-пути, является Znrf3. Белок ZNRF3 — трансмембранная убиквитинлигаза, которая инактивирует рецепторный комплекс FZD и ослабляет сигнал Wnt. Иными словами, ZNRF3 обеспечивает отрицательную обратную связь канонического пути. Также он способен связывать белки R-спондины (RSPO), которые стимулируют интернализацию ZNRF3 и тем самым усиливают сигналинг Wnt.

Как уже говорилось выше, уровнем активности Wnt-пути строго регулируется кортикогенез. На его ранних стадиях Wnt активирует деление апикальных клеток-предшественников (APC). ZNRF3 регулирует этот процесс по принципу отрицательной обратной связи. Когда APC становится достаточно, Wnt-сигналинг также ослабляется другим белком — WDFY3, — что обеспечивает дифференцировку нервных клеток.

У мышей полный нокаут Znrf3 приводит к перинатальной гибели, а гетерозиготные особи имеют аномалии гонад. Известно, что у людей соматические мутации в Znrf3 часто ассоциированы с раком, а зародышевые — с пороками развития. Однако роль мутаций Znrf3 в нарушениях развития нервной системы не исследовалась. Авторы работы проанализировали данные 12 носителей различных мутаций Znrf3 в гетерозиготе. Информация об этих пациентах и последовательности гена были взяты из различных баз данных, например, из работ по изучению генетики микроцефалии. Ученые провели компьютерное моделирование взаимодействий доменов ZNRF3 с белками-партнерами на основании уже известных моделей ортологичных генов. Кроме того, влияние мутантных форм на активность сигнального пути Wnt/β-катенин проверили на коммерческой линии клеток SuperTopFlash HEK293, специально предназначенной для изучения компонентов Wnt-пути.

4 из 12 пациентов имели сильно усеченные варианты ZNRF3 или несли в этом гене большие делеции. По сути, они были гемизиготами по Znrf3, и, не обладая нарушениями нервной системы, имели различные пороки развития. У остальных 8 человек в этом гене имелись миссенс-мутации. Один из них имел мутацию в RSPO-связывающем домене ZNRF3 и страдал микроцефалией, ещё шестеро несли мутации, нарушающие функцию RING-домена, и страдали макроцефалией (оставшийся восьмой участник подвергался воздействию высоких доз опиоидов в ходе эмбриогенеза и тоже страдал микроцефалией).

Эксперименты по экспрессии мутантных форм ZNRF3 в клетках HEK293 выявили доминантно-негативное наследование мутаций в домене RING. ZNRF3 функционирует в виде димера, и взаимодействие нормального и мутантного белков, вероятно, приводит к нарушению убиквитинлигазной активности ZNRF3.

Таким образом, мутации в RSPO-связывающем домене ZNRF3, препятствующие взаимодействию RSPO с ZNRF3, снижают активность Wnt/β-катенинового сигнального пути, что приводит к микроцефалии. Нарушение взаимодействия с RSPO ослабляет интернализацию ZNRF3- LGR комплексов и способствует накоплению в мембране ZNRF3. Он, в свою очередь, убиквитинирует рецептор FZD, что приводит к интернализации комплексов FZD-LRP5/6 и снижению активности сигнального пути.

В то же время мутации в RING-домене ZNRF3, приводящие к нарушению убиквитинирования FZD и, следовательно, препятствующие интернализации комплексов FZD-LRP5/6, разрушают отрицательную обратную связь Wnt-сигналинга и увеличивают его активность, что приводит к развитию макроцефалии.

Полученные результаты объясняют связь между ZNRF3 и двумя зеркально противоположными фенотипами мозга — микро- и макроцефалией. Они подчеркивают роль сигнального пути Wnt/β-катенин в формировании правильного размера мозга человека в процессе нейрогенеза.