Smads (или SMADs ) представляют собой семейство структурно схожих белков , которые являются основными сигнальными преобразователями для рецепторов суперсемейства трансформирующего фактора роста бета (TGF-B), которые критически важны для регуляции развития и роста клеток. Аббревиатура относится к гомологии с генами Caenorhabditis elegans SMA («фенотип маленького» червя) и MAD («Mothers Against Decapentaplegic») у Drosophila .
Существует три различных подтипа Smad: рецептор-регулируемые Smad ( R-Smad ), общие партнерские Smad (Co-Smad) и ингибирующие Smad ( I-Smad ). Восемь членов семейства Smad разделены на эти три группы. Тримеры двух рецептор-регулируемых SMAD и одного co-SMAD действуют как факторы транскрипции , которые регулируют экспрессию определенных генов. [1] [2]
R-Smad состоят из Smad1 , Smad2 , Smad3 , Smad5 и Smad8/9 , [3] и участвуют в прямой передаче сигналов от рецептора TGF-B . [4]
Smad4 — единственный известный человеческий Co-Smad, роль которого заключается в партнерстве с R-Smad для привлечения ко-регуляторов в комплекс. [5]
Наконец, Smad6 и Smad7 являются I-Smad, которые подавляют активность R-Smad. [6] [7] В то время как Smad7 является общим ингибитором сигнала TGF-B, Smad6 ассоциируется более конкретно с сигнализацией BMP. R/Co-Smad в основном расположены в цитоплазме, но накапливаются в ядре после сигнализации TGF-β, где они могут связываться с ДНК и регулировать транскрипцию. Однако I-Smad преимущественно находятся в ядре, где они могут действовать как прямые регуляторы транскрипции. [8]
До открытия Smads было неясно, какие нижестоящие эффекторы отвечают за передачу сигналов TGF-B. Smads были впервые обнаружены у Drosophila , у которой они известны как матери против dpp (Mad), [примечание 1] посредством генетического скрининга доминантных усилителей декапентаплегика (dpp), версии TGF-B у Drosophila . [10] Исследования показали, что нулевые мутанты Mad демонстрируют фенотипы, схожие с фенотипами мутантов dpp, что позволяет предположить, что Mad играет важную роль в некоторых аспектах сигнального пути dpp. [10]
Аналогичный скрининг, проведенный в белке SMA Caenorhabditis elegans (от гена sma для малого размера тела), выявил три гена, Sma-2, Sma-3 и Sma-4, которые имели схожие мутантные фенотипы с фенотипами рецептора, подобного TGF-B, Daf-4 . [11] Человеческий гомолог Mad и Sma был назван Smad1, что является портманто ранее обнаруженных генов. При инъекции в шапочки эмбрионов животных Xenopus было обнаружено, что Smad1 способен воспроизводить эффекты вентрализации мезодермы, которые BMP4 , член семейства TGF-B, оказывает на эмбрионы. Кроме того, было продемонстрировано, что Smad1 обладает трансактивационной способностью, локализованной на карбоксильном конце, которая может быть усилена путем добавления BMP4. Эти данные свидетельствуют о том, что Smad1 частично отвечает за передачу сигналов TGF-B. [12]
Smads имеют длину примерно от 400 до 500 аминокислот и состоят из двух глобулярных областей на амино- и карбокси-концах, соединенных линкерной областью. Эти глобулярные области высоко консервативны в R-Smads и Co-Smads и называются Mad homology 1 (MH1) на N-конце и MH2 на C-конце. Домен MH2 также консервативен в I-Smads. Домен MH1 в первую очередь участвует в связывании ДНК, в то время как MH2 отвечает за взаимодействие с другими Smads, а также за распознавание транскрипционных коактиваторов и корепрессоров. [13] R-Smads и Smad4 взаимодействуют с несколькими мотивами ДНК через домен MH1. Эти мотивы включают CAGAC и его вариант CAGCC, а также консенсусную последовательность из 5 пар оснований GGC(GC)|(CG). [14] [15] Рецепторно-фосфорилированные R-Smad могут образовывать гомотримеры, а также гетеротримеры с Smad4 in vitro посредством взаимодействий между доменами MH2. Тримеры одной молекулы Smad4 и двух рецепторно- фосфорилированных молекул R-Smad считаются преобладающими эффекторами транскрипционной регуляции TGF-β. [13] Линкерная область между MH1 и MH2 является не просто соединителем, но также играет роль в функции и регуляции белка. В частности, R-Smad фосфорилируются в ядре в линкерном домене CDK8 и 9, и эти фосфорилирования модулируют взаимодействие белков Smad с транскрипционными активаторами и репрессорами. Кроме того, после этого этапа фосфорилирования линкер подвергается второму раунду фосфорилирования GSK3, маркируя Smad для их распознавания убиквитинлигазами и направляя их на протеасомно -опосредованную деградацию. [16] Активаторы транскрипции и убиквитинлигазы содержат пары доменов WW . [17] Эти домены взаимодействуют с мотивом PY, присутствующим в линкере R-Smad, а также с фосфорилированными остатками, расположенными поблизости от мотива. Действительно, различные паттерны фосфорилирования, генерируемые CDK8/9 и GSK3, определяют специфические взаимодействия либо с активаторами транскрипции, либо с убиквитинлигазами. [18] [19] Примечательно, что область линкера имеет самую высокую концентрацию различий аминокислот среди метазоа, хотя сайты фосфорилирования и мотив PY высококонсервативны.
Компоненты пути TGF-бета и, в частности, R-Smads, Co-Smad и I-Smads, представлены в геноме всех метазоа, секвенированных на сегодняшний день. Уровень консервации последовательностей белков Co-Smad и R-Smads у разных видов чрезвычайно высок. Этот уровень консервации компонентов и последовательностей предполагает, что общие функции пути TGF-бета в целом остались нетронутыми с тех пор. [20] [21] I-Smads имеют законсервированные домены MH2, но расходящиеся домены MH1 по сравнению с R-Smads и Co-Smads. [22]
Лиганды TGF-B связывают рецепторы, состоящие из сериновых/треониновых киназ типа 1 и типа 2 , которые служат для распространения сигнала внутри клетки. Связывание лиганда стабилизирует рецепторный комплекс, состоящий из двух рецепторов типа 1 и двух рецепторов типа 2. [23] Затем рецепторы типа 2 могут фосфорилировать рецепторы типа 1 в местах на домене GS, расположенном с N-конца по отношению к домену киназы типа 1. [23] Это событие фосфорилирования активирует рецепторы типа 1, делая их способными к дальнейшему распространению сигнала TGF-B через Smad. Рецепторы типа 1 фосфорилируют R-Smad на двух C-концевых серинах, которые расположены в мотиве SSXS. Smad локализуются на поверхности клетки с помощью якоря Smad для белков активации рецепторов (SARA), помещая их в непосредственной близости от рецепторных киназ типа 1 для облегчения фосфорилирования. [24] Фосфорилирование R-Smad приводит к его диссоциации от SARA, обнажая последовательность ядерного импорта, а также способствуя его ассоциации с Co-Smad. Этот комплекс Smad затем локализуется в ядре, где он способен связывать свои целевые гены с помощью других ассоциированных белков. [25]
I-Smads нарушают сигнализацию TGF-B посредством различных механизмов, включая предотвращение ассоциации R-Smads с рецепторами типа 1 и Co-Smads, подавление рецепторов типа 1 и внесение транскрипционных изменений в ядро. Консервативный домен MH2 I-Smads способен связываться с рецепторами типа 1, что делает его конкурентным ингибитором связывания R-Smad. После активации R-Smad он образует гетеромерный комплекс с I-Smad, что предотвращает его ассоциацию с Co-Smad. Кроме того, I-Smad привлекает убиквитинлигазу для нацеливания активации R-Smad на деградацию, эффективно подавляя сигнал TGF-β. [8] I-Smads в ядре также конкурируют с комплексами R/Co-Smad за ассоциацию с элементами связывания ДНК. [26] Анализы репортеров показывают, что слияние I-Smad с ДНК-связывающей областью генов-репортеров снижает их экспрессию, что позволяет предположить, что I-Smad функционируют как репрессоры транскрипции. [27]
В клетках взрослого человека TGF-β ингибирует прогрессию клеточного цикла, останавливая переход клеток из фазы G1 в фазу S. [28] Это явление присутствует в эпителиальных клетках многих органов и частично регулируется сигнальным путем Smad. Точный механизм контроля немного отличается между типами клеток.
Один из механизмов, посредством которого Smads облегчают цитостаз, вызванный TGF-β, заключается в подавлении Myc , который является фактором транскрипции, способствующим росту клеток. Myc также подавляет p15(Ink4b) и p21(Cip1), которые являются ингибиторами Cdk4 и Cdk2 соответственно. [29] Когда TGF-β отсутствует, в цитоплазме существует репрессорный комплекс, состоящий из Smad3 и факторов транскрипции E2F4 и p107. Однако, когда присутствует сигнал TGF-B, этот комплекс локализуется в ядре, где он ассоциируется с Smad4 и связывается с ингибиторным элементом TGF-B (TIE) промотора Myc, чтобы подавить его транскрипцию. [30]
В дополнение к Myc, Smads также участвуют в подавлении белков ингибиторов связывания ДНК (ID). ID являются факторами транскрипции, которые регулируют гены, участвующие в дифференцировке клеток, поддерживая мультипотентность в стволовых клетках и способствуя непрерывному клеточному циклу. [31] Таким образом, подавление белков ID является путем, с помощью которого сигнализация TGF-B может останавливать клеточный цикл. В скрининге ДНК-микрочипов было обнаружено, что Id2 и Id3 подавляются TGF-B, но индуцируются сигнализацией BMP. Выключение генов Id2 и Id3 в эпителиальных клетках усиливает ингибирование клеточного цикла TGF-B, показывая, что они важны для опосредования этого цитостатического эффекта. [32] Smads являются как прямым, так и косвенным ингибитором экспрессии Id. Сигнал TGF-B запускает фосфорилирование Smad3, которое, в свою очередь, активирует ATF3, фактор транскрипции, который индуцируется во время клеточного стресса. Затем Smad3 и ATF3 координируют свою работу, чтобы подавить транскрипцию Id1, что приводит к ее подавлению. [33] Косвенно подавление Id является вторичным эффектом подавления Myc Smad3. Поскольку Myc является индуктором Id2, подавление Myc также приведет к снижению сигнализации Id2, что способствует остановке клеточного цикла. [31]
Исследования показывают, что Smad3, но не Smad2, является существенным эффектором цитостатических эффектов TGF-B. Истощение эндогенного Smad3 посредством РНК-интерференции было достаточным для вмешательства в цитостаз TGF-B. Однако истощение Smad2 аналогичным образом усилило, а не остановило остановку клеточного цикла, вызванную TGF-B. Это предполагает, что хотя Smad3 необходим для цитостатического эффекта TGF-B, соотношение Smad3 и Smad2 модулирует интенсивность ответа. Однако сверхэкспрессия Smad2 для изменения этого соотношения не оказала влияния на цитостатический ответ. Поэтому необходимы дальнейшие эксперименты, чтобы окончательно доказать, что соотношение Smad3 и Smad2 регулирует интенсивность цитостатического эффекта в ответ на TGF-B. [34]
Белки Smad также оказались прямыми регуляторами транскрипции Cdk4. Репортерные анализы, в которых люцифераза была помещена под промотор Cdk4, показали повышенную экспрессию люциферазы, когда Smad4 был нацелен с помощью siRNA . Репрессия Smad2 и 3 не имела существенного эффекта, что позволяет предположить, что Cdk4 напрямую регулируется Smad4. [35]
Дефекты в сигнальной системе Smad могут привести к резистентности к TGF-B, вызывая нарушение регуляции роста клеток. Дерегуляция сигнальной системы TGF-B была связана со многими типами рака, включая рак поджелудочной железы, толстой кишки, молочной железы, легких и простаты. [36] Smad4 чаще всего мутирует при раке человека, особенно раке поджелудочной железы и толстой кишки. Smad4 инактивируется почти в половине всех случаев рака поджелудочной железы. В результате Smad4 был впервые назван удаленным в локусе рака поджелудочной железы 4 (DPC4) после его открытия. [37] Мутации Smad4 зародышевой линии частично отвечают за генетическую предрасположенность к семейному ювенильному полипозу человека , который подвергает человека высокому риску развития потенциально раковых желудочно-кишечных полипов . Экспериментальные подтверждающие доказательства этого наблюдения получены в исследовании, показывающем, что гетерозиготные мыши с нокаутом Smad4 (+/-) равномерно развивали желудочно-кишечные полипы к 100 неделям. [38] Многие семейные мутации Smad4 возникают в домене MH2, что нарушает способность белка образовывать гомо- или гетероолигомеры , тем самым нарушая передачу сигнала TGF-B. [39]
Несмотря на доказательства, показывающие, что Smad3 более важен, чем Smad2, для передачи сигналов TGF-B, частота мутаций Smad3 при раке ниже, чем у Smad2. [40] [41] Опухолевые клетки хориокарциномы устойчивы к передаче сигналов TGF-B, а также не экспрессируют Smad3. Исследования показывают, что повторное введение Smad3 в клетки хориокарциномы достаточно для повышения уровня TIMP-1 (тканевого ингибитора металлопротеазы-1), медиатора антиинвазивного эффекта TGF-B, и, таким образом, восстановления передачи сигналов TGF-B. Однако повторное введение Smad3 было недостаточным для восстановления антиинвазивного эффекта TGF-B. Это говорит о том, что другие механизмы передачи сигналов в дополнение к Smad3 дефектны в хориокарциноме, устойчивой к TGF-B. [37]
Пациенты с болезнью Альцгеймера демонстрируют повышенные уровни TGF-B и фосфорилированного Smad2 в нейронах гиппокампа . [42] Это открытие, по-видимому, парадоксально, поскольку ранее было показано, что TGF-B оказывает нейропротекторное действие на пациентов с болезнью Альцгеймера. Это говорит о том, что некоторые аспекты сигнализации TGF-B являются дефектными, в результате чего TGF-B теряет свои нейропротекторные эффекты. Исследования показали, что фосфорилированный Smad2 эктопически локализован в цитоплазматических гранулах, а не в ядре, в нейронах гиппокампа пациентов с болезнью Альцгеймера. В частности, эктопически расположенные фосфорилированные Smad2 были обнаружены в амилоидных бляшках и прикреплены к нейрофибриллярным клубкам . Эти данные свидетельствуют о том, что Smad2 участвует в развитии болезни Альцгеймера. [43] Недавние исследования показывают, что пептидил-пролил цис-транс-изомераза, взаимодействующая с NIMA 1 (PIN1), участвует в продвижении аномальной локализации Smad2. Было обнаружено, что Pin1 локализуется совместно с Smad2/3 и фосфорилированными белками тау в цитоплазматических гранулах, что предполагает возможное взаимодействие. Трансфекция клеток, экспрессирующих Smad2, с помощью Pin1 вызывает деградацию Smad2, опосредованную протеасомой, а также повышенную ассоциацию Smad2 с фосфорилированным тау. Эта петля обратной связи является двунаправленной; Smad2 также способен увеличивать синтез мРНК Pin1. Таким образом, два белка могут быть пойманы в «порочный круг» регуляции. Pin1 вызывает как себя, так и Smad2, ассоциированные в нерастворимые нейрофибриллярные клубки, что приводит к низким уровням обоих растворимых белков. Затем Smad2 стимулирует синтез РНК Pin1, чтобы попытаться компенсировать это, что только приводит к дальнейшей деградации Smad2 и ассоциации с нейрофибриллярными клубками. [44]
Нарушение регуляции сигнализации TGF-B/Smad является возможным патогенным механизмом хронического заболевания почек . В почках TGF-B1 способствует накоплению внеклеточного матрикса (ECM), увеличивая его продукцию и ингибируя его деградацию, что характерно для почечного фиброза . [45] Сигнал TGF-B1 передается R-Smads Smad2 и Smad3, оба из которых, как обнаружено, сверхэкспрессируются в больных почках. [46] У мышей с нокаутом Smad3 наблюдается снижение прогрессирования почечного фиброза, что указывает на его важность в регуляции заболевания. [47] И наоборот, ингибирование Smad2 в клетках почек (полные нокауты Smad2 являются эмбриональными летальными) на самом деле приводит к более тяжелому фиброзу, что указывает на то, что Smad2 работает антагонистически по отношению к Smad3 в прогрессировании почечного фиброза. [48] В отличие от R-Smads, белок Smad7 обычно недостаточно экспрессируется в больных клетках почек. Эта потеря ингибирования TGF-B приводит к увеличению количества активного Smad2/3, что способствует прогрессированию почечного фиброза, как описано выше. [49]