Rozwój twarzoczaszki u ssaków to złożony proces morfologiczny, podczas którego wiele populacji komórek koordynuje swoje działania, aby wytworzyć szkielet czołowo-nosowy. U myszy proces ten rozpoczyna się w dniu embrionalnym (E) 9,5 dnia od utworzenia wypukłości czołowo-nosowej i par wyrostków szczękowych i żuchwowych, z których każdy zawiera postmigracyjne komórki grzebienia nerwowego czaszki. Boczne i przyśrodkowe wyrostki nosowe powstają z wypukłości czołowo-nosowej wraz z pojawieniem się dołów nosowych i ostatecznie łączą się, tworząc nozdrza. Ponadto przyśrodkowe wyrostki nosowe i wyrostki szczękowe łączą się, tworząc górną wargę. Jednocześnie palatogeneza rozpoczyna się od powstania wyraźnych wyrostków - drugorzędowych półek podniebiennych - od strony ustnej wyrostków szczękowych w E11.5. Z biegiem czasu półki podniebienne rosną w dół po obu stronach języka, unoszą się do przeciwnej pozycji nad językiem i ostatecznie łączą się w linii środkowej, tworząc ciągłe podniebienie, które oddziela jamę nosową i ustną przez E16.51.
Te zmiany morfologiczne w całym rozwoju twarzoczaszki są inicjowane i podtrzymywane przez różnorodne interakcje sygnalizacyjne, które często obejmują fosforylację białek przez kinazy. Na przykład receptory błony komórkowej, takie jak podrodziny receptorów β transformującego czynnika wzrostu (TGF), w tym receptory białek morfogenetycznych kości (BMPR) i różne rodziny receptorowych kinaz tyrozynowych (RTK), ulegają autofosforylacji po wiązaniu i aktywacji ligandów w komórkach grzebienia nerwowego czaszki2,3,4. Dodatkowo, wygładzony receptor transbłonowy sprzężony z białkiem G ulega fosforylacji w komórkach grzebienia nerwowego czaszki i ektodermie twarzoczaszki za ligandem Sonic hedgehog (SHH) wiążącym się z receptorem Patched1, co powoduje wygładzoną akumulację na błonie rzęskowej i aktywację szlaku SHH5. Takie interakcje ligand-receptor mogą zachodzić poprzez sygnalizację autokrynną, parakrynną i / lub jukstakrynową w kontekstach twarzoczaszki. Na przykład wiadomo, że BMP6 sygnalizuje w sposób autokrynny podczas różnicowania chondrocytów6, podczas gdy czynnik wzrostu fibroblastów (FGF) 8 ulega ekspresji w ektodermie łuku gardłowego i wiąże się z członkami rodziny FGF RTK wyrażonymi w mezenchymie łuku gardłowego w sposób parakrynny, aby zainicjować wzorzec i wzrost łuków gardłowych7, 8,9,10. Co więcej, sygnalizacja Notch jest aktywowana zarówno w chondrocytach, jak i osteoblastach podczas rozwoju szkieletu twarzoczaszki poprzez sygnalizację jukstarynową, gdy transbłonowe ligandy Delta i/lub Jagged wiążą się z transbłonowymi receptorami Notch na sąsiednich komórkach, które są następnie rozszczepiane i fosforylowane11. Istnieją jednak inne pary ligandów i receptorów ważne dla rozwoju twarzoczaszki, które mają elastyczność w funkcjonowaniu zarówno w sygnalizacji autokrynnej, jak i parakrynnej. Na przykład, podczas morfogenezy zębów myszy, wykazano, że ligand płytkowego czynnika wzrostu (PDGF)-AA sygnalizuje w sposób autokrynny, aby aktywować RTK PDGFRα w nabłonku narządu szkliwa 12. Natomiast w mysich procesach twarzowych w połowie ciąży transkrypty kodujące ligandy PDGF-AA i PDGF-CC ulegają ekspresji w ektodermie twarzoczaszki, podczas gdy receptor PDGFRα ulega ekspresji w mezenchymie pochodzącej z grzebienia nerwowego czaszki, co powoduje sygnalizację parakrynną13,14,15,16,17. Niezależnie od mechanizmu sygnalizacji, te zdarzenia fosforylacji receptorów często skutkują rekrutacją białek adaptorowych i/lub cząsteczek sygnałowych, które często same ulegają fosforylacji, aby zainicjować wewnątrzkomórkowe kaskady kinaz, takie jak szlak kinazy białkowej aktywowanej mitogenem (MAPK)18,19.
Końcowe wewnątrzkomórkowe efektory tych kaskad mogą następnie fosforylować szereg substratów, takich jak czynniki transkrypcyjne, białka wiążące RNA, cytoszkielet i macierz zewnątrzkomórkowa. Runx220, Hand121, Dlx3/522,23,24, Gli1-325, oraz Sox926 należą do czynników transkrypcyjnych fosforylowanych w kontekście rozwoju twarzoczaszki. Ta modyfikacja potranslacyjna (PTM) może bezpośrednio wpływać między innymi na podatność na alternatywne PTM, dimeryzację, stabilność, rozszczepienie i/lub powinowactwo do wiązania DNA20,21,25,26. Dodatkowo, białko wiążące RNA Srsf3 ulega fosforylacji w kontekście rozwoju twarzoczaszki, co prowadzi do jego translokacji jądrowej27. Ogólnie wykazano, że fosforylacja białek wiążących RNA wpływa na ich subkomórkową lokalizację, interakcje białko-białko, wiązanie RNA i/lub specyficzność sekwencji28. Co więcej, fosforylacja aktomiozyny może prowadzić do przegrupowań cytoszkieletu podczas całego rozwoju twarzoczaszki29,30, a fosforylacja białek macierzy zewnątrzkomórkowej, takich jak małe glikoproteiny związane z integryną wiążącą integrynę, przyczynia się do biomineralizacji podczas rozwoju szkieletu31. Z powyższych i wielu innych przykładów jasno wynika, że istnieją szerokie implikacje dla fosforylacji białek podczas rozwoju twarzoczaszki. Dodając dodatkowy poziom regulacji, fosforylacja białek jest dodatkowo modulowana przez fosfatazy, które przeciwdziałają kinazom poprzez usuwanie grup fosforanowych.
Te zdarzenia fosforylacji zarówno na poziomie receptora, jak i cząsteczki efektorowej są kluczowe dla propagacji szlaków sygnałowych i ostatecznie skutkują zmianami w ekspresji genów w jądrze, napędzając określone działania komórki, takie jak migracja, proliferacja, przeżycie i różnicowanie, które skutkują prawidłowym kształtowaniem twarzy ssaka. Biorąc pod uwagę specyficzność kontekstową interakcji białek z kinazami i fosfatazami, wynikające z nich zmiany w PTM i ich wpływ na aktywność komórki, niezwykle ważne jest, aby parametry te były badane w fizjologicznie istotnych warunkach, aby uzyskać pełne zrozumienie udziału zdarzeń fosforylacji w rozwoju twarzoczaszki. W tym miejscu przedstawiono przykłady dwóch kontekstów, w których można badać fosforylację białek, a tym samym aktywację szlaków sygnałowych podczas rozwoju twarzoczaszki u ssaków: procesy twarzowe myszy, w szczególności wyrostki szczękowe E11.5, oraz hodowane embrionalne komórki mezenchymy podniebiennej myszy pochodzące z wtórnych półek podniebiennych E13.5 - oba primary32 i immortalized33. W E11.5 wyrostki szczękowe są w trakcie łączenia się z bocznymi i przyśrodkowymi wyrostkami nosowymi1, reprezentując tym samym krytyczny punkt czasowy podczas rozwoju twarzoczaszki myszy. Co więcej, wybrano tutaj wyrostki szczękowe i komórki pochodzące z półek podniebiennych, ponieważ te ostatnie struktury są pochodnymi pierwszej, dając tym samym naukowcom możliwość zbadania fosforylacji białek in vivo i in vitro w powiązanych kontekstach. Jednak protokół ten ma również zastosowanie do alternatywnych procesów twarzy i rozwojowych punktów czasowych.
Krytycznym problemem w badaniu fosforylowanych białek jest to, że są one łatwo defosforylowane podczas izolacji białek przez obfite fosfatazy środowiskowe. Aby pokonać tę barierę, omówiono adaptacje i modyfikacje standardowych metod laboratoryjnych, które pozwalają na izolację fosforylowanych białek. Ponadto przedstawiono najlepsze praktyki w zakresie prawidłowej analizy i kwantyfikacji fosforylowanych białek. Techniki te, szczególnie w połączeniu z inhibitorami farmakologicznymi i/lub mysimi modelami genetycznymi, mogą być wykorzystane do uzyskania lepszego wglądu w dynamikę i role różnych szlaków sygnałowych aktywnych podczas rozwoju twarzoczaszki.