Matki przeciwko homologowi dekapentapletycznemu 4 - Mothers against decapentaplegic homolog 4

SMAD4
Białko SMAD4 PDB 1dd1.png
Dostępne konstrukcje
WPB Wyszukiwanie ortologów : PDBe RCSB
Identyfikatory
Skróty SMAD4 , DPC4, JIP, MADH4, MYHRS, członek rodziny SMAD 4
Identyfikatory zewnętrzne OMIM : 600993 MGI : 894293 HomoloGene : 31310 Karty genetyczne : SMAD4
Ortologi
Gatunek Człowiek Mysz
Entrez
Zespół
UniProt
RefSeq (mRNA)

NM_005359

NM_008540
NM_001364967
NM_001364968

RefSeq (białko)

NP_005350

NP_032566
NP_001351896
NP_001351897

Lokalizacja (UCSC) Chr 18: 51.03 – 51.09 Mb Chr 18: 73,64 – 73,7 Mb
Wyszukiwanie w PubMed
Wikidane
Wyświetl/edytuj człowieka Wyświetl/edytuj mysz

SMAD4 , zwany także członkiem rodziny SMAD 4 , Mothers against decapentaplegic homolog 4 lub DPC4 (usunięty w raku trzustki-4) jest wysoce konserwatywnym białkiem obecnym we wszystkich śródstopiakach . Należy do rodziny białek czynnika transkrypcyjnego SMAD , które pełnią rolę mediatorów przekazywania sygnału TGF-β. TGF rodziny cytokin reguluje krytycznych procesów w trakcie realizacji metazoans z ważnych ról w czasie rozwoju zarodka, homeostazy tkanki regeneracji i regulacji układu odpornościowego.

SMAD 4 należy do grupy co-SMAD ( wspólny mediator SMAD), drugiej klasy rodziny SMAD. SMAD4 jest jedynym znanym ko-SMADem w większości metazoan. Należy również do rodziny białek Darwina , które modulują członków nadrodziny białek TGFβ , rodziny białek, które odgrywają rolę w regulacji odpowiedzi komórkowych. Od ssaków SMAD4 jest homolog z Drosophila białka „ Matki przeciw decapentaplegic ” o nazwie Medea.

SMAD4 oddziałuje z R-Smadami, takimi jak SMAD2 , SMAD3 , SMAD1 , SMAD5 i SMAD8 (zwane również SMAD9), tworząc kompleksy heterotrimeryczne. W jądrze kompleks SMAD4 i dwóch R-SMADS wiąże się z DNA i reguluje ekspresję różnych genów w zależności od kontekstu komórkowego. Reakcje wewnątrzkomórkowe z udziałem SMAD4 są wywoływane przez wiązanie na powierzchni komórek czynników wzrostu z rodziny TGFβ . Sekwencja wewnątrzkomórkowych reakcji z udziałem SMADS nazywana jest ścieżką SMAD lub ścieżką transformującego czynnika wzrostu beta (TGF-β), ponieważ sekwencja zaczyna się od rozpoznania TGF-β przez komórki.

Gen

U ssaków SMAD4 jest kodowany przez gen zlokalizowany na chromosomie 18 . U ludzi gen SMAD4 zawiera 54 829 par zasad i znajduje się od pary nr 51 030 212 do pary 51 085 041 w regionie 21.1 chromosomu 18.

Wzór chromosomu 18 u Homo sapiens . SMAD 4 gen znajduje się na długim ramieniu chromosomu w locus 21.1. Locus ten odpowiada czarnemu pasowi między regionami 12.3 i 21.2.

Białko

SMAD4 to 552 aminokwasowy polipeptyd o masie cząsteczkowej 60,439 Da . SMAD4 ma dwie funkcjonalne domeny znane jako MH1 i MH2 .

SMAD 4 składa się z trzech głównych domen, w tym MH1 (w górę), MH2 (w dół) i domeny łączącej (z prawej).

Kompleks dwóch SMAD3 (lub dwóch SMAD2) i jednego SMAD4 wiąże się bezpośrednio z DNA poprzez interakcje ich domen MH1. Kompleksy te są rekrutowane do miejsc w całym genomie przez czynniki transkrypcyjne definiujące linię komórkową (LDTF), które określają zależny od kontekstu charakter działania TGF-β. Wczesne informacje na temat swoistości wiązania DNA przez białka Smad pochodziły z badań przesiewowych wiązania oligonukleotydów, które zidentyfikowały palindromiczny dupleks 5'-GTCTAGAC-3' jako sekwencję wiązania o wysokim powinowactwie do domen SMAD3 i SMAD4 MH1. W promotorach i wzmacniaczach zidentyfikowano również inne motywy. Te dodatkowe miejsca zawierają motyw CAGCC i sekwencje konsensusowe GGC(GC)|(CG), te ostatnie znane również jako miejsca 5GC. Motywy 5GC są silnie reprezentowane jako skupiska miejsc w regionach związanych z SMAD w całym genomie. Klastry te mogą również zawierać miejsca CAG(AC)|(CC). Kompleks SMAD3/SMAD4 wiąże się również z elementami promotora genu odpowiadającego na TPA, które mają motyw sekwencji TGAGTCAG.

Struktury

Kompleksy domen MH1 z motywami DNA

Pierwszą strukturą SMAD4 związaną z DNA był kompleks z palindromicznym motywem GTCTAGAC. Ostatnio określono również struktury domeny SMAD4 MH1 związanej z kilkoma motywami 5GC. We wszystkich kompleksach oddziaływanie z DNA obejmuje konserwatywną spinkę do włosów β obecną w domenie MH1. Spinka do włosów jest częściowo elastyczna w roztworze, a jej wysoki stopień elastyczności konformacyjnej umożliwia rozpoznanie różnych sekwencji 5-pz. Skuteczne interakcje z miejscami GC występują tylko wtedy, gdy nukleotyd G znajduje się głęboko w głównym zagajniku i tworzy wiązania wodorowe z grupą guanidyniową Arg81. Ta interakcja ułatwia komplementarny kontakt powierzchniowy między spinką do włosów wiążącą DNA Smad a głównym rowkiem DNA. Inne bezpośrednie interakcje obejmują Lys88 i Gln83. Rentgenowska struktura krystaliczna domen SMAD4 MH1 Trichoplax adhaerens związanych z motywem GGCGC wskazuje na wysoką konserwację tego oddziaływania u śródstopiaków.

Domena Smad4 MH1 związana z motywem DNA GGCT, z PDB : 5MEZ
Zbliżenie domeny Smad4 MH1 związanej z motywem DNA GGCGC, z PDB : 5MEY
Domena Smad4 MH1 związana z motywem DNA GGCGC, z PDB : 5MEY

Kompleksy domen MH2

Domena MH2, odpowiadająca C-końcowi , jest odpowiedzialna za rozpoznawanie receptora i powiązanie z innymi SMAD. Oddziałuje z domeną R-SMADS MH2 i tworzy heterodimery i heterotrimery . Niektóre mutacje nowotworowe wykryte w SMAD4 wzmacniają interakcje między domenami MH1 i MH2.

Nazewnictwo i pochodzenie nazwy

SMADs są silnie konserwowane u różnych gatunków, zwłaszcza na końcu N domeny MH1 i na końcu C domeny MH2 . Białka SMAD są homologami zarówno białka MAD Drosophila, jak i białka SMA C. elegans . Nazwa jest kombinacją tych dwóch. Podczas badań Drosophila odkryto, że mutacja w genie MAD u matki stłumiła gen dekapentaplegiczny w zarodku. Dodano frazę „Matki przeciw”, ponieważ matki często tworzą organizacje sprzeciwiające się różnym problemom, np. Mothers Against Drunk Driving (MADD), odzwierciedlające „wzmocnienie efektu matczynego dpp ”; i oparte na tradycji nietypowego nazewnictwa w środowisku naukowym. SMAD4 jest również znany jako DPC4, JIP lub MADH4.

Mechanizm funkcji i działania

SMAD4 to białko określone jako niezbędny efektor w szlaku SMAD. SMAD4 służy jako mediator między zewnątrzkomórkowymi czynnikami wzrostu z rodziny TGFβ a genami wewnątrz jądra komórkowego . Skrót co w co-SMAD oznacza wspólnego mediatora . SMAD4 jest również definiowany jako przetwornik sygnału.

W szlaku TGF-β dimery TGF-β są rozpoznawane przez receptor transbłonowy, znany jako receptor typu II. Gdy receptor typu II jest aktywowany przez wiązanie TGF-β, fosforyluje receptor typu I. Receptor typu I jest również receptorem powierzchniowym komórki . Receptor ten następnie fosforyluje wewnątrzkomórkowe SMADS regulowane przez receptory (R-SMADS), takie jak SMAD2 lub SMAD3. Fosforylowane R-SMADS wiążą się następnie z SMAD4. Asocjacja R-SMADs-SMAD4 jest kompleksem heteromerycznym . Ten kompleks przemieści się z cytoplazmy do jądra: jest to translokacja. SMAD4 może tworzyć kompleksy heterotrimeryczne, heteroheksameryczne lub heterodimeryczne z R-SMADS.

SMAD4 jest substratem kinazy Erk / MAPK i GSK3 . Stymulacja szlaku FGF ( czynnik wzrostu fibroblastów ) prowadzi do fosforylacji Smad4 przez Erk kanonicznego miejsca MAPK zlokalizowanego w Treoninie 277. To zdarzenie fosforylacji ma podwójny wpływ na aktywność Smad4. Po pierwsze, umożliwia Smad4 osiągnięcie szczytowej aktywności transkrypcyjnej poprzez aktywację regulowanej przez czynnik wzrostu domeny aktywacji transkrypcji zlokalizowanej w regionie łącznika Smad4, SAD (Smad-Activation Domain). Po drugie, MAPK pobudza Smad4 do fosforylacji za pośrednictwem GSK3, które powodują hamowanie transkrypcji, a także generują fosfodegron używany jako miejsce dokowania przez ligazę ubikwitynową E3 Beta-transducin Repeat Containing ( beta-TrCP ), który poliubikwitynuje Smad4 i kieruje go do degradacji w proteasomie . Zaproponowano, że fosforylacja Smad4 GSK3 reguluje stabilność białka podczas progresji raka trzustki i okrężnicy .

W jądrze heteromeryczny kompleks wiąże promotory i oddziałuje z aktywatorami transkrypcji. Kompleksy SMAD3 /SMAD4 mogą bezpośrednio wiązać SBE. Te asocjacje są słabe i wymagają dodatkowych czynników transkrypcyjnych, takich jak członkowie rodziny AP-1 , TFE3 i FoxG1, aby regulować ekspresję genów .

Wiele ligandów TGFβ wykorzystuje ten szlak, a następnie SMAD4 jest zaangażowany w wiele funkcji komórkowych, takich jak różnicowanie , apoptoza , gastrulacja , rozwój embrionalny i cykl komórkowy .

Znaczenie kliniczne

Eksperymenty genetyczne, takie jak nokaut genu (KO), które polegają na modyfikacji lub inaktywacji genu, mogą być przeprowadzane w celu zaobserwowania wpływu dysfunkcjonalnego SMAD 4 na badany organizm. Eksperymenty często przeprowadza się na myszy domowej ( Mus musculus ).

Wykazano, że u myszy KO SMAD4 , w komórkach ziarnistych , które wydzielają hormony i czynniki wzrostu w oocytów rozwoju, ulegają przedwczesnemu luteinizacji i wyrażania niższe poziomy receptora hormonu folikulotropowego (FSHR) i wyższe poziomy luteinizujący receptory hormonów (LHR). Może to częściowo wynikać z upośledzenia wpływu morfogenetycznego białka 7 na kości, ponieważ BMP-7 wykorzystuje szlak sygnałowy SMAD4.

Delecje w genach kodujących SMAD1 i SMAD5 powiązano również z przerzutowymi guzami komórek ziarnistych u myszy.

SMAD4 jest często zmutowany w wielu nowotworach. Mutacja może być dziedziczona lub nabyta w ciągu życia osobnika. W przypadku dziedziczenia mutacja dotyczy zarówno komórek somatycznych , jak i komórek narządów rozrodczych. Jeśli mutacja SMAD 4 zostanie nabyta, będzie istnieć tylko w niektórych komórkach somatycznych. W rzeczywistości SMAD 4 nie jest syntetyzowany przez wszystkie komórki. Białko występuje w komórkach skóry, trzustki, jelita grubego, macicy i nabłonka. Jest również wytwarzany przez fibroblasty . Funkcjonalny SMAD 4 uczestniczy w regulacji szlaku transdukcji sygnału TGF-β, który ujemnie reguluje wzrost komórek nabłonka i macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM). Kiedy struktura SMAD 4 jest zmieniona, ekspresja genów zaangażowanych we wzrost komórek nie jest już regulowana i proliferacja komórek może przebiegać bez żadnego zahamowania. Znaczna liczba podziałów komórkowych prowadzi do powstawania guzów, a następnie do wieloploidalnego raka jelita grubego i raka trzustki . Jest inaktywowany w co najmniej 50% raków trzustki.

Wykazano, że mutacje somatyczne znalezione w ludzkich nowotworach domeny MH1 SMAD 4 hamują funkcję wiązania DNA tej domeny.

SMAD 4 jest również zmutowany w zespole polipowatości młodzieńczej choroby autosomalnej dominującej (JPS). JPS charakteryzuje się hamartomatycznymi polipami w przewodzie pokarmowym (GI). Polipy te są zwykle łagodne, jednak są bardziej narażone na rozwój nowotworów przewodu pokarmowego , w szczególności raka okrężnicy . Zidentyfikowano około 60 mutacji powodujących JPS. Zostały one powiązane z wytwarzaniem mniejszego SMAD 4, z brakującymi domenami, które uniemożliwiają białku wiązanie się z R-SMADS i tworzenie kompleksów heteromerycznych .

Mutacje w SMAD4 (głównie substytucje) mogą powodować zespół Myhre , rzadkie dziedziczne zaburzenie charakteryzujące się upośledzeniem umysłowym, niskim wzrostem, niezwykłymi rysami twarzy i różnymi nieprawidłowościami kości.

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki