stringtranslate.com

Матери против декапентаплегического гомолога 4

SMAD4 , также называемый членом семейства SMAD 4 , Mothers against decapentaplegic homolog 4 или DPC4 (удален при раке поджелудочной железы-4) — это высококонсервативный белок, присутствующий во всех метазоа . Он принадлежит к семейству белков -факторов SMAD , которые действуют как медиаторы передачи сигнала TGF-β. Семейство цитокинов TGFβ регулирует критические процессы в течение жизненного цикла метазоа, играя важную роль во время развития эмбриона, гомеостаза тканей, регенерации и иммунной регуляции. [5]

SMAD 4 принадлежит к группе co-SMAD ( общий медиатор SMAD), второму классу семейства SMAD. SMAD4 является единственным известным co-SMAD у большинства метазоа. Он также принадлежит к семейству белков Дарвина , которые модулируют членов суперсемейства белков TGFβ , семейства белков, которые все играют роль в регуляции клеточных реакций. SMAD4 млекопитающих является гомологом белка Drosophila « Матери против декапентаплегии » под названием Medea. [6]

SMAD4 взаимодействует с R-Smad, такими как SMAD2 , SMAD3 , SMAD1 , SMAD5 и SMAD8 (также называемыми SMAD9), образуя гетеротримерные комплексы. Транскрипционные корегуляторы, такие как WWTR1 (TAZ), взаимодействуют с SMAD, чтобы способствовать их функции. Попав в ядро, комплекс SMAD4 и двух R-SMADS связывается с ДНК и регулирует экспрессию различных генов в зависимости от клеточного контекста. [6] Внутриклеточные реакции с участием SMAD4 запускаются путем связывания на поверхности клеток факторов роста из семейства TGFβ . Последовательность внутриклеточных реакций с участием SMADS называется путем SMAD или путем трансформирующего фактора роста бета (TGF-β), поскольку последовательность начинается с распознавания TGF-β клетками.

Ген

У млекопитающих SMAD4 кодируется геном, расположенным на хромосоме 18. У людей ген SMAD4 содержит 54 829 пар оснований и расположен от пары № 51 030 212 до пары 51 085 041 в районе 21.1 хромосомы 18. [7] [8]

Паттерн хромосомы 18 у Homo sapiens . Ген SMAD 4 расположен на длинном плече хромосомы, в локусе 21.1. Этот локус соответствует черной полосе между регионами 12.3 и 21.2.

Белок

SMAD4 — это полипептид из 552 аминокислот с молекулярной массой 60,439 Да . SMAD4 имеет два функциональных домена, известных как MH1 и MH2.

SMAD 4 состоит из трех основных доменов, включая MH1 (вверху), MH2 (внизу) и связывающий домен (справа).

Комплекс из двух SMAD3 (или двух SMAD2) и одного SMAD4 напрямую связывается с ДНК посредством взаимодействия их доменов MH1. Эти комплексы привлекаются к сайтам по всему геному факторами транскрипции, определяющими клеточную линию (LDTF), которые определяют контекстно-зависимую природу действия TGF-β. Ранние сведения о специфичности связывания ДНК белками Smad были получены в результате скрининга связывания олигонуклеотидов, который идентифицировал палиндромный дуплекс 5'–GTCTAGAC–3' как высокоаффинную последовательность связывания для доменов MH1 SMAD3 и SMAD4. [9] Другие мотивы также были идентифицированы в промоторах и энхансерах. Эти дополнительные сайты содержат мотив CAGCC и консенсусные последовательности GGC(GC)|(CG), последние также известны как сайты 5GC. [10] Мотивы 5GC широко представлены в виде кластеров сайтов в областях, связанных со SMAD, по всему геному. Эти кластеры также могут содержать сайты CAG(AC)|(CC). Комплекс SMAD3/SMAD4 также связывается с элементами промотора гена, реагирующего на TPA, которые имеют мотив последовательности TGAGTCAG. [11]

Структуры

Комплексы домена MH1 с мотивами ДНК

Первой структурой SMAD4, связанной с ДНК, был комплекс с палиндромным мотивом GTCTAGAC. [12] Недавно также были определены структуры домена SMAD4 MH1, связанного с несколькими мотивами 5GC. Во всех комплексах взаимодействие с ДНК включает консервативную β-шпильку, присутствующую в домене MH1. Шпилька частично гибкая в растворе, и ее высокая степень конформационной гибкости позволяет распознавать различные последовательности 5-bp. Эффективные взаимодействия с GC-сайтами происходят только в том случае, если нуклеотид G расположен глубоко в главной бороздке и устанавливает водородные связи с гуанидиновой группой Arg81. Это взаимодействие облегчает комплементарный поверхностный контакт между шпилькой, связывающей ДНК Smad, и главной бороздкой ДНК. Другие прямые взаимодействия включают Lys88 и Gln83. Рентгеноструктурное исследование структуры MH1-доменов SMAD4 Trichoplax adhaerens , связанных с мотивом GGCGC, указывает на высокую степень консервативности этого взаимодействия у многоклеточных животных. [10]

Домен Smad4 MH1, связанный с мотивом ДНК GGCT, из PDB : 5MEZ
Увеличенный вид домена Smad4 MH1, связанного с мотивом ДНК GGCGC, из PDB : 5MEY
Домен Smad4 MH1, связанный с мотивом ДНК GGCGC, из PDB : 5MEY

Комплексы доменов MH2

Домен MH2, соответствующий C-концу , отвечает за распознавание рецепторов и ассоциацию с другими SMAD. Он взаимодействует с доменом R-SMADS MH2 и образует гетеродимеры и гетеротримеры. Некоторые опухолевые мутации, обнаруженные в SMAD4, усиливают взаимодействие между доменами MH1 и MH2. [13]

Номенклатура и происхождение названия

SMAD высококонсервативны у разных видов, особенно в N-концевом домене MH1 и C-концевом домене MH2. Белки SMAD являются гомологами как белка MAD дрозофилы , так и белка SMA C. elegans . Название представляет собой комбинацию этих двух названий. Во время исследований дрозофилы было обнаружено, что мутация в гене MAD у матери подавляла ген decapentaplegic у эмбриона. Была добавлена ​​фраза «Матери против», поскольку матери часто формируют организации, выступающие против различных проблем, например, Матери против вождения в нетрезвом виде (MADD), что отражает «усиление материнского эффекта dpp »; [14] и основано на традиции необычного наименования в исследовательском сообществе. [15] SMAD4 также известен как DPC4, JIP или MADH4.

Функция и механизм действия

SMAD4 — это белок, определяемый как существенный эффектор в пути SMAD. SMAD4 служит посредником между внеклеточными факторами роста из семейства TGFβ и генами внутри ядра клетки . Аббревиатура co в co-SMAD означает общий медиатор . SMAD4 также определяется как передатчик сигнала.

В пути TGF-β димеры TGF-β распознаются трансмембранным рецептором, известным как рецептор типа II. Как только рецептор типа II активируется связыванием TGF-β, он фосфорилирует рецептор типа I. Рецептор типа I также является рецептором клеточной поверхности . Затем этот рецептор фосфорилирует внутриклеточные рецепторы, регулируемые SMADS (R-SMADS), такие как SMAD2 или SMAD3. Затем фосфорилированные R-SMADS связываются с SMAD4. Ассоциация R-SMADs-SMAD4 представляет собой гетеромерный комплекс. Этот комплекс будет перемещаться из цитоплазмы в ядро: это транслокация. SMAD4 может образовывать гетеротримерные, гетерогексамерные или гетеродимерные комплексы с R-SMADS.

SMAD4 является субстратом киназы Erk / MAPK [16] и GSK3 . [17] Стимуляция пути FGF ( фактор роста фибробластов ) приводит к фосфорилированию Smad4 Erk канонического сайта MAPK , расположенного в треонине 277. Это событие фосфорилирования оказывает двойное влияние на активность Smad4. Во-первых, оно позволяет Smad4 достичь пика транскрипционной активности путем активации домена активации транскрипции, регулируемого фактором роста , расположенного в линкерной области Smad4, SAD (домен активации Smad). [18] Во-вторых, MAPK подготавливает Smad4 к фосфорилированию, опосредованному GSK3 , которое вызывает ингибирование транскрипции, а также генерирует фосфодегрон, используемый в качестве места стыковки убиквитин E3-лигазой, содержащей бета-трансдуциновый повтор ( beta-TrCP ), который полиубиквитинирует Smad4 и нацеливает его на деградацию в протеасоме . [19] Было высказано предположение, что фосфорилирование Smad4 GSK3 регулирует стабильность белка во время прогрессирования рака поджелудочной железы и толстой кишки . [20]

В ядре гетеромерный комплекс связывает промоторы и взаимодействует с активаторами транскрипции. Комплексы SMAD3 /SMAD4 могут напрямую связывать SBE. Эти ассоциации слабы и требуют дополнительных факторов транскрипции , таких как члены семейства AP-1 , TFE3 и FoxG1, для регуляции экспрессии генов . [21]

Многие лиганды TGFβ используют этот путь , и впоследствии SMAD4 участвует во многих клеточных функциях, таких как дифференцировка , апоптоз , гаструляция , эмбриональное развитие и клеточный цикл .

Клиническое значение

Генетические эксперименты, такие как нокаут гена (KO), заключающиеся в модификации или инактивации гена, могут быть проведены для того, чтобы увидеть влияние дисфункционального SMAD 4 на исследуемый организм. Эксперименты часто проводятся на домовой мыши ( Mus musculus ).

Было показано, что при нокауте SMAD4 у мышей гранулезные клетки , которые секретируют гормоны и факторы роста во время развития ооцита , подвергаются преждевременной лютеинизации и экспрессируют более низкие уровни рецепторов фолликулостимулирующего гормона (FSHR) и более высокие уровни рецепторов лютеинизирующего гормона (LHR). Это может быть отчасти связано с нарушением эффектов костного морфогенетического белка-7 , поскольку BMP-7 использует сигнальный путь SMAD4. [22] [23]

Делеции в генах, кодирующих SMAD1 и SMAD5, также связаны с метастатическими гранулезоклеточными опухолями у мышей. [24]

SMAD4 часто обнаруживается мутировавшим во многих видах рака. Мутация может быть унаследована или приобретена в течение жизни человека. При наследовании мутация затрагивает как соматические клетки, так и клетки репродуктивных органов. Если мутация SMAD 4 приобретена, она будет существовать только в определенных соматических клетках. Действительно, SMAD 4 не синтезируется всеми клетками. Белок присутствует в клетках кожи, поджелудочной железы, толстой кишки, матки и эпителиальных клетках. Он также вырабатывается фибробластами . Функциональный SMAD 4 участвует в регуляции пути передачи сигнала TGF-β, который отрицательно регулирует рост эпителиальных клеток и внеклеточного матрикса (ECM). Когда структура SMAD 4 изменяется, экспрессия генов, участвующих в росте клеток, больше не регулируется, и пролиферация клеток может продолжаться без какого-либо ингибирования. Значительное количество делений клеток приводит к образованию опухолей, а затем к мультиплоидному колоректальному раку и карциноме поджелудочной железы . Он обнаруживается в инактивированном состоянии по крайней мере в 50% случаев рака поджелудочной железы. [25]

Было показано, что соматические мутации, обнаруженные в раковых клетках человека в домене MH1 SMAD 4, подавляют функцию связывания ДНК этого домена.

SMAD 4 также обнаруживается мутировавшим при аутосомно-доминантном заболевании — синдроме ювенильного полипоза (JPS). JPS характеризуется гамартомными полипами в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ). Эти полипы обычно доброкачественные, однако они подвержены большему риску развития рака желудочно-кишечного тракта , в частности рака толстой кишки . Было выявлено около 60 мутаций, вызывающих JPS. Они связаны с образованием меньшего SMAD 4 с отсутствующими доменами, которые не позволяют белку связываться с R-SMADS и образовывать гетеромерные комплексы. [8]

Мутации в SMAD4 (в основном замены) могут вызывать синдром Майре — редкое наследственное заболевание, характеризующееся умственными нарушениями, низким ростом, необычными чертами лица и различными аномалиями костей. [26] [27]

Ссылки

  1. ^ abc GRCh38: Ensembl выпуск 89: ENSG00000141646 – Ensembl , май 2017 г.
  2. ^ abc GRCm38: Ensembl выпуск 89: ENSMUSG00000024515 – Ensembl , май 2017 г.
  3. ^ "Human PubMed Reference:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  4. ^ "Mouse PubMed Reference:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  5. ^ Massagué J (октябрь 2012 г.). «Сигнализация TGFβ в контексте». Nature Reviews. Молекулярная клеточная биология . 13 (10): 616–630. doi :10.1038/nrm3434. PMC 4027049. PMID  22992590 . 
  6. ^ ab Massagué J (1998). "Трансдукция сигнала TGF-бета". Annual Review of Biochemistry . 67 (1): 753–791. doi : 10.1146/annurev.biochem.67.1.753 . PMID  9759503.
  7. ^ "SMAD4 SMAD family member 4". Энтрез Джин .
  8. ^ ab "SMAD 4". Справочный веб-сайт Genetics Home .
  9. ^ Завел Л., Дай Дж.Л., Бакхолтс П., Чжоу С., Кинцлер К.В., Фогельштейн Б. и др. (март 1998 г.). «Человеческие Smad3 и Smad4 являются специфичными для последовательности активаторами транскрипции». Молекулярная клетка . 1 (4): 611–617. дои : 10.1016/s1097-2765(00)80061-1 . ПМИД  9660945.
  10. ^ ab Мартин-Мальпартида П., Батет М., Качмарска З., Фрейер Р., Гомес Т., Арагон Э. и др. (декабрь 2017 г.). «Структурная основа полногеномного распознавания мотивов GC длиной 5 п.н. факторами транскрипции SMAD». Природные коммуникации . 8 (1): 2070. Бибкод : 2017NatCo...8.2070M. дои : 10.1038/s41467-017-02054-6. ПМЦ 5727232 . ПМИД  29234012. 
  11. ^ Zhang Y, Feng XH, Derynck R (август 1998 г.). «Smad3 и Smad4 взаимодействуют с c-Jun/c-Fos для опосредования транскрипции, индуцированной TGF-бета». Nature . 394 (6696): 909–913. Bibcode :1998Natur.394..909Z. doi :10.1038/29814. PMID  9732876. S2CID  4393852.
  12. ^ Baburajendran N, Jauch R, Tan CY, Narasimhan K, Kolatkar PR (октябрь 2011 г.). «Структурная основа кооперативного распознавания ДНК димерами Smad4 MH1». Nucleic Acids Research . 39 (18): 8213–8222. doi :10.1093/nar/gkr500. PMC 3185416. PMID  21724602 . 
  13. ^ Hata A, Lo RS, Wotton D, Lagna G, Massagué J (июль 1997 г.). «Мутации, увеличивающие аутоингибирование, инактивируют супрессоры опухолей Smad2 и Smad4». Nature . 388 (6637): 82–87. Bibcode :1997Natur.388R..82H. doi : 10.1038/40424 . PMID  9214507. S2CID  4407819.
  14. ^ Sekelsky JJ, Newfeld SJ, Raftery LA, Chartoff EH, Gelbart WM (март 1995). «Генетическая характеристика и клонирование матерей против dpp, гена, необходимого для декапентаплегической функции у Drosophila melanogaster». Genetics . 139 (3): 1347–1358. doi :10.1093/genetics/139.3.1347. PMC 1206461 . PMID  7768443. 
  15. ^ White M (26 сентября 2014 г.). «Sonic Hedgehog, DICER и проблема с наименованием генов». Pacific Standard .
  16. ^ Roelen BA, Cohen OS, Raychowdhury MK, Chadee DN, Zhang Y, Kyriakis JM и др. (октябрь 2003 г.). «Фосфорилирование треонина 276 в Smad4 участвует в преобразовании ядерного накопления, вызванного фактором роста бета». American Journal of Physiology. Cell Physiology . 285 (4): C823–C830. doi :10.1152/ajpcell.00053.2003. PMID  12801888. S2CID  9326115.
  17. ^ Demagny H, Araki T, De Robertis EM (октябрь 2014 г.). «Супрессор опухолей Smad4/DPC4 регулируется фосфорилированием, которое интегрирует сигнальные пути FGF, Wnt и TGF-β». Cell Reports . 9 (2): 688–700. doi : 10.1016/j.celrep.2014.09.020 . PMID  25373906.
  18. ^ de Caestecker MP, Yahata T, Wang D, Parks WT, Huang S, Hill CS и др. (январь 2000 г.). «Домен активации Smad4 (SAD) — это богатый пролином, зависимый от p300 домен транскрипционной активации». Журнал биологической химии . 275 (3): 2115–2122. doi : 10.1074/jbc.275.3.2115 . PMID  10636916.
  19. ^ Demagny H, De Robertis EM (март 2016 г.). "Smad4/DPC4: барьер против прогрессирования опухоли, управляемый сигнализацией RTK/Ras/Erk и Wnt/GSK3". Молекулярная и клеточная онкология . 3 (2): e989133. doi :10.4161/23723556.2014.989133. PMC 4905428. PMID  27308623 . 
  20. ^ Demagny H, De Robertis EM (январь 2016 г.). «Точечные мутации в супрессоре опухолей Smad4/DPC4 усиливают его фосфорилирование GSK3 и обратимо инактивируют сигнализацию TGF-β». Молекулярная и клеточная онкология . 3 (1): e1025181. doi :10.1080/23723556.2015.1025181. PMC 4845174. PMID  27308538 . 
  21. ^ Inman GJ (февраль 2005 г.). «Связывание Smads и транскрипционная активация». The Biochemical Journal . 386 (Pt 1): e1–e3. doi :10.1042/bj20042133. PMC 1134782. PMID  15702493 . 
  22. ^ Shi J, Yoshino O, Osuga Y, Nishii O, Yano T, Taketani Y (март 2010 г.). «Костный морфогенетический белок 7 (BMP-7) увеличивает экспрессию рецептора фолликулостимулирующего гормона (ФСГ) в гранулезных клетках человека». Fertility and Sterility . 93 (4): 1273–1279. doi : 10.1016/j.fertnstert.2008.11.014 . PMID  19108831.
  23. ^ Pangas SA, Li X, Robertson EJ, Matzuk MM (июнь 2006 г.). «Преждевременная лютеинизация и дефекты кумулюсных клеток у мышей с нокаутом гена Smad4, специфичным для яичников». Молекулярная эндокринология . 20 (6): 1406–1422. doi : 10.1210/me.2005-0462 . PMID  16513794.
  24. ^ Middlebrook BS, Eldin K, Li X, Shivasankaran S, Pangas SA (декабрь 2009 г.). «У мышей с условным нокаутом генов Smad1-Smad5 в яичниках развивается профиль заболевания, схожий с ювенильной формой гранулезоклеточных опухолей человека». Эндокринология . 150 (12): 5208–5217. doi : 10.1210 /en.2009-0644 . PMC 2819741. PMID  19819941. 
  25. ^ Котран RS, Кумар V, Фаусто N, Роббинс SL, Аббас AK (2005). Патологическая основа болезни Роббинса и Котрана (7-е изд.). Сент-Луис, Миссури: Elsevier Saunders. ISBN 0-7216-0187-1.
  26. ^ "Синдром дефицита роста и умственного развития Майре". Национальная организация по редким расстройствам . Архивировано из оригинала 2 апреля 2015 г. Получено 26 марта 2015 г.
  27. ^ Капуто В., Боккинфузо Г., Кастори М., Траверса А., Пиццути А., Стелла Л. и др. (июль 2014 г.). «Новая мутация SMAD4, вызывающая синдром Мюре». Американский журнал медицинской генетики. Часть А. 164А (7): 1835–1840. doi : 10.1002/ajmg.a.36544. PMID  24715504. S2CID  5294309.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки