Isolamento di lisati proteici a cellule intere da processi facciali di topo e cellule mesenchimali palatali coltivate per l'analisi delle fosfoproteine

Lo sviluppo craniofacciale dei mammiferi è un processo morfologico complesso durante il quale più popolazioni cellulari si coordinano per generare lo scheletro frontonasale. Nel topo, questo processo inizia al giorno embrionale (E) 9.5 con la formazione della prominenza frontonasale e coppie di processi mascellari e mandibolari, ognuno dei quali contiene cellule della cresta neurale cranica post-migratoria. I processi nasali laterali e mediali derivano dalla prominenza frontonasale con la comparsa delle fosse nasali e alla fine si fondono per formare le narici. Inoltre, i processi nasali mediali e i processi mascellari si fondono per generare il labbro superiore. Allo stesso tempo, la palatogenesi viene avviata con la formazione di escrescenze distinte – gli scaffali palatali secondari – dal lato orale dei processi mascellari a E11.5. Nel corso del tempo, i ripiani palatali crescono verso il basso su entrambi i lati della lingua, si elevano in una posizione opposta sopra la lingua e alla fine si fondono sulla linea mediana per formare un palato continuo che separa le cavità nasali e orali da E16.5¹.

Questi cambiamenti morfologici durante lo sviluppo craniofacciale sono iniziati e sostenuti attraverso diverse interazioni di segnalazione, che spesso includono la fosforilazione proteica da parte delle chinasi. Ad esempio, i recettori della membrana cellulare, come le sottofamiglie di recettori del fattore di crescita trasformante (TGF)-β, compresi i recettori delle proteine morfogenetiche ossee (BMMR) e varie famiglie di tirosin-chinasi (RTK), sono autofosforilati dopo il legame del ligando e l’attivazione nelle cellule della cresta neurale cranica ^2,3,4 . Inoltre, il recettore transmembrana accoppiato alla proteina G Smoothened diventa fosforilato nelle cellule della cresta neurale cranica e nell’ectoderma craniofacciale a valle del ligando Sonic hedgehog (SHH) che si lega al recettore Patched1, con conseguente accumulo smoothened alla membrana ciliare e attivazione della via SHH⁵. Tali interazioni ligando-recettore possono avvenire attraverso la segnalazione autocrina, paracrina e/o juxtacrine in contesti craniofacciali. Ad esempio, BMP6 è noto per segnalare in modo autocrino durante la differenziazione dei condrociti⁶, mentre il fattore di crescita dei fibroblasti (FGF) 8 è espresso nell’ectoderma dell’arco faringeo e si lega ai membri della famiglia FGF di RTK espressi nel mesenchima dell’arco faringeo in modo paracrino per avviare il patterning e la crescita degli archi faringei^{7, 8,9,10}. Inoltre, la segnalazione di Notch viene attivata sia nei condrociti che negli osteoblasti durante lo sviluppo scheletrico craniofacciale attraverso la segnalazione juxtacrine quando i ligandi Delta transmembrana e/o Jagged si legano ai recettori Notch transmembrana sulle cellule vicine, che vengono successivamente scissi e fosforilati¹¹. Tuttavia, ci sono altre coppie di ligando e recettori importanti per lo sviluppo craniofacciale che hanno la flessibilità di funzionare sia nella segnalazione autocrina che paracrina. Ad esempio, durante la morfogenesi dei denti murini, è stato dimostrato che il ligando del fattore di crescita derivato dalle piastrine (PDGF)-AA segnala in modo autocrino l’attivazione del PDGFRα RTK nell’epitelio¹² dell’organo dello smalto. Al contrario, nei processi facciali murini durante la gestazione media, i trascritti che codificano i ligandi PDGF-AA e PDGF-CC sono espressi nell’ectoderma craniofacciale, mentre il recettore PDGFRα è espresso nel mesenchima derivato dalla cresta neurale cranica sottostante, con conseguente segnalazione paracrina 13,14,15,16,17 . Indipendentemente dal meccanismo di segnalazione, questi eventi di fosforilazione del recettore spesso provocano il reclutamento di proteine adattatrici e/o molecole di segnalazione, che spesso si fosforilano per avviare cascate di chinasi intracellulari come la via della chinasi proteica attivata dai mitogeni (MAPK)^18,19.

Gli effettori intracellulari terminali di queste cascate possono quindi fosforilare una serie di substrati, come fattori di trascrizione, legame con l’RNA, proteine della matrice citoscheletrica ed extracellulare. Runx2²⁰, Hand1²¹, Dlx3/5 22,23,24, Gli1-3 ²⁵ e Sox9²⁶ sono tra i fattori di trascrizione fosforilati nel contesto dello sviluppo craniofacciale. Questa modifica post-traduzionale (PTM) può influenzare direttamente la suscettibilità a PTM alternativi, dimerizzazione, stabilità, scissione e / o affinità di legame con il DNA, tra le altre attività 20,21,25,26. Inoltre, la proteina legante l’RNA Srsf3 è fosforilata nel contesto dello sviluppo craniofacciale, portando alla sua traslocazione nucleare²⁷. In generale, è stato dimostrato che la fosforilazione delle proteine leganti l’RNA influisce sulla loro localizzazione subcellulare, sulle interazioni proteina-proteina, sul legame con l’RNA e/o sulla specificità della sequenza²⁸. Inoltre, la fosforilazione dell’actomiosina può portare a riarrangiamenti citoscheletrici durante lo sviluppo craniofacciale^29,30 e la fosforilazione delle proteine della matrice extracellulare, come le glicoproteine legate al ligando N legate all’integrina, contribuisce alla biomineralizzazione durante lo sviluppo scheletrico³¹. Attraverso quanto sopra e numerosi altri esempi, è evidente che ci sono ampie implicazioni per la fosforilazione delle proteine durante lo sviluppo craniofacciale. Aggiungendo un ulteriore livello di regolazione, la fosforilazione delle proteine è ulteriormente modulata dalle fosfatasi, che contrastano le chinasi rimuovendo i gruppi fosfato.

Questi eventi di fosforilazione sia a livello di recettore che di molecola effettrice sono fondamentali per la propagazione delle vie di segnalazione e alla fine provocano cambiamenti nell’espressione genica nel nucleo, guidando attività cellulari specifiche, come la migrazione, la proliferazione, la sopravvivenza e la differenziazione, che si traducono in una corretta formazione del volto dei mammiferi. Data la specificità del contesto delle interazioni proteiche con chinasi e fosfatasi, i conseguenti cambiamenti nelle PTM e i loro effetti sull’attività cellulare, è fondamentale che questi parametri siano studiati in un contesto fisiologicamente rilevante per ottenere una comprensione completa del contributo degli eventi di fosforilazione allo sviluppo craniofacciale. Qui vengono forniti esempi di due contesti in cui studiare la fosforilazione delle proteine e, quindi, l’attivazione delle vie di segnalazione durante lo sviluppo craniofacciale dei mammiferi: i processi facciali dei topi, in particolare i processi mascellari E11.5, e le cellule mesenchimiche palatali embrionali di topo in coltura derivate da scaffali palatali secondari E13.5 – entrambi primari³² e immortalati³³ . A E11.5, i processi mascellari sono in fase di fusione con i processi nasali laterali e mediali¹, rappresentando così un punto temporale critico durante lo sviluppo craniofacciale del topo. Inoltre, i processi mascellari e le cellule derivate dagli scaffali palatali sono stati scelti qui perché queste ultime strutture sono derivati delle prime, fornendo così ai ricercatori l’opportunità di interrogare la fosforilazione proteica in vivo e in vitro in contesti correlati. Tuttavia, questo protocollo è applicabile anche a processi facciali alternativi e punti temporali di sviluppo.

Un problema critico nello studio delle proteine fosforilate è che sono facilmente defosforilate durante l’isolamento proteico da abbondanti fosfatasi ambientali. Per superare questa barriera, vengono discussi gli adattamenti e le modifiche ai metodi di laboratorio standard che consentono l’isolamento delle proteine fosforilate. Inoltre, vengono fornite le migliori pratiche per un’analisi e una quantificazione adeguate delle proteine fosforilate. Queste tecniche, in particolare in combinazione con inibitori farmacologici e/o modelli genetici murini, possono essere utilizzate per ottenere una maggiore comprensione delle dinamiche e dei ruoli delle varie vie di segnalazione attive durante lo sviluppo craniofacciale.