Введение
Белок человека и кодирующий ген Морфогенетический белок кости 4 - белок, который у людей кодируется геном BMP4. BMP4 находится на хромосоме 14q22 q23. BMP4 является членом семейства морфогенетических белков костей, которые являются частью трансформирующего фактора роста бета. Суперсемейство включает в себя большие семейства факторов роста и дифференцировки. BMP4 очень консервативен эволюционно. BMP4 обнаруживается в раннем эмбриональном развитии в вентральной маргинальной зоне и в глазу, крови сердца и в глазной везикуле.
Bone morphogenetic protein 4 is a protein that in humans is encoded by BMP4 gene. BMP4 is found on chromosome 14q22 q23. BMP4 is a member of the bone morphogenetic protein family which is part of the transforming growth factor beta superfamily. The superfamily includes large families of growth and differentiation factors. BMP4 is highly conserved evolutionarily. BMP4 is found in early embryonic development in the ventral marginal zone and in the eye, heart blood and otic vesicle.
Открытие
Морфогенетические белки кости первоначально были идентифицированы способностью деминерализованного костного экстракта индуцировать эндохондральный остеогенез in vivo в экстраскелетном месте.
Функция
BMP4 - это полипептид, принадлежащий к суперсемейству белков TGF β. Он, как и другие морфогенетические белки костей, участвует в развитии костей и хрящей, в частности, в развитии зубов и конечностей и восстановлении переломов. Этот конкретный член семьи играет важную роль в начале образования эндохондрической кости у человека. Было показано, что он участвует в развитии мышц, минерализации костей и развитии мочевыводящих пупышек. BMP4 стимулирует дифференциацию находящейся над ней эктодермальной ткани. Известно, что морфогенетические белки костей стимулируют образование костей у взрослых животных. Считается, что это вызывает остеобластную связь и дифференцировку стволовых клеток, таких как мезенхимальные стволовые клетки. Известно, что BMP играют большую роль в эмбриональном развитии. В эмбрионе BMP4 помогает установить формирование спинной вентральной оси у лягушки Xenopus путем индукции вентральной мезодермы. У мышей целенаправленная инактивация BMP4 нарушает формирование мезодермы. Также устанавливает спинно-вентральную структуру развивающейся нервной трубки с помощью BMP7 и индуцирует спинные характеристики. BMP4 также ограничивает степень, в которой происходит нейронная дифференциация эмбрионов Xenopus, вызывая образование эпидермиса, а не нейронной ткани. Они могут помочь в индуцировании боковых характеристик у сомитов. Сомиты необходимы для развития хряща, кости, дермы на спинной стороне тела, грудных мышц и мышц в конечностях. BMP4 помогает в формировании образа развивающейся головы, вызывая апоптоз клеток нервной коры; это происходит в задней части мозга. У взрослых BMP4 важен для нейрогенеза (т. е. генерации новых нейронов), который происходит на протяжении всей жизни в двух нейрогенных нишах мозга, зубчатой гирусе гиппокампа и субвентрикулярной зоне (SVZ), прилегающей к боковым желудочкам. В этих нишах из стволовых клеток постоянно образуются новые нейроны. Фактически было показано, что в зубчатой гирусе BMP4 поддерживает нейронные стволовые клетки в состоянии покоя, тем самым предотвращая истощение пула стволовых клеток. В SVZ, BMP опосредованная сигнализация через Smad4 требуется для инициирования нейрогенеза из взрослых нервных стволовых клеток и подавления альтернативной судьбы олигодендроглиогенеза. Кроме того, было показано, что в SVZ BMP4 имеет продифференцирующий эффект, поскольку он спасает дефект терминальной дифференцировки в нейросферах SVZ, где ген Tis21/BTG2, необходимый для терминальной дифференцировки, был удален. Tis21 является положительным регулятором экспрессии BMP4 в SVZ. На формирование цифр влияет BMP4, наряду с другими BMP-сигналами. Мезенхим между пальцами имеет BMP4, который предотвращает апоптоз области. Образование зубов зависит от экспрессии BMP4, которая индуцирует Msx 1 и 2. Эти факторы транскрипции превращают формирующийся зуб в резчик. BMP4 также играет важную роль в жировой ткани: он необходим для белого адипогенеза и способствует дифференциации адипоцитов. Кроме того, он также важен для коричневого жира, где он индуцирует UCP1, связанный с термогенезом без дрожания. BMP4 антагонизирует ткань-организатор и экспрессируется в раннем развитии в ткани эктодермы и мезодермы. После гаструляции транскрипция BMP4 ограничивается вентролатеральной маргинальной зоной из-за ингибирования со стороны развивающегося эмбриона. BMP4 помогает в вентрализации мезодермы, которая направляет формирование дорсальной вентральной оси. У Xenopus BMP4 было обнаружено, что он способствует образованию крови и островков крови. BMP4, первоначально экспрессируемый в эпидермисе, обнаруживается в крышевой пластине во время образования нервной трубки. Градиент BMP-сигналов находится в противоположность Sonic hedgehog, Shh, gradient. Экспрессия BMP4 формирует образцы спинных нейронов. BMP4, в сочетании с FGF2, способствуют дифференцировке стволовых клеток в мезодермальные линии. После дифференцировки обработанные BMP4 и FGF2 клетки обычно производят больше остеогенной и хондрогенной дифференцировки, чем необработанные стволовые клетки. Также в сочетании с FGF2 он может производить прогениторные клетки щитовидной железы из плюрипотентных стволовых клеток у мышей и людей. Было показано, что BMP4 индуцирует экспрессию генов семейства Msx, которые, как полагают, являются частью формирования хряща из сомитской мезодермы. В яичниках крыс обнаружен паракриновый фактор роста BMP4. BMP4, в сочетании с BMP7, регулируют раннее развитие фолликулов яичников и первичный пе�...
Структура белка
Получив активный карбокситерминальный пептид из 116 остатков, человеческий bmp4 изначально синтезируется в виде сорокапроцентного препротеина остатков, который расщепляется после трансляции. BMP4 содержит семь остатков, которые консервируются и гликозилируются. Мономеры удерживаются дисульфидными мостами и 3 парами аминокислот цистеина. Эта конформация называется цистиновым узлом. BMP4 может образовывать гомодимеры или гетеродимеры с аналогичными BMPS. Одним из примеров является BMP7. Эта способность образовывать гомодимеры или гетеродимеры дает возможность иметь большую остеоиндуктивную активность, чем только bmp4. Пока мало что известно о том, как БМПС взаимодействует с внеклеточным матриксом. Также мало что известно о путях, которые затем деградируют BMP4.
Ингибирование
Ингибирование сигнала BMP4 (за счет хордина, ноггина или фоллистатина) вызывает дифференциацию эктодермы в нейронную пластину. Если эти клетки также получают сигналы от FGF, они дифференцируются в спинной мозг; в отсутствие FGF клетки становятся тканями мозга. В то время как переэкпрессия экспрессии BMP4 может привести к вентрализации, ингибирование с доминантной отрицательной может привести к полной дорсализации эмбриона или образованию двух осей. Важно отметить, что мыши, у которых BMP4 был полностью инактивирован, обычно умирали во время гаструляции. Считается, что инактивация BMP4 у человека, вероятно, будет иметь такой же эффект. Однако мутации, которые не полностью инактивируют BMP4 у людей, также могут иметь тонкие фенотипические эффекты и были связаны с возникновением зубов, а также с остеопорозом.
Изоформы
Было описано альтернативное сплайсинг в 5'- нетранслируемой области этого гена и описаны три варианта, все кодирующие идентичный белок.
Молекулярные механизмы
BMP4, как член семьи трансформирующего фактора роста β (TGF β), связывается с 2 различными типами серинтреонинкиназных рецепторов, известных как BMPR1 и BMPR2.
Сигнальный путь Smad
Рецепторы семейства TGF β чаще всего используют сигнальный путь Smad для передачи сигналов. Активация MAPKKK происходит посредством взаимодействия главным образом GTPases или другой группы белковых киназ. TGF-β-рецепторы индуцируют сигнальные пути MAPK ERK, JNK и p38. Активация путей ERK и JNK действует на фосфорилирование Smad и, следовательно, регулирует его активацию. Кроме того, MAPK-пути могут непосредственно влиять на Smad-интерактивные факторы транскрипции через субстрат JNK или p38, который индуцирует конвергенцию двух сигнальных путей. Эта конвергенция состоит в основном из кооперативного поведения, однако есть доказательства того, что они могут иногда противодействовать друг другу. Кроме того, баланс, который существует между прямой активацией этих сигнальных путей, оказывает значительное влияние на индуцированные TGF β клеточные реакции. Существуют убедительные доказательства из исследований по секвенированию генов-кандидатов, участвующих в расщеплении, что мутации в гене морфогенетического белка кости 4 (BMP4) могут быть связаны с патогенезом расщепления губы и неба.
Развитие глаз
Глаза необходимы организмам, особенно наземным позвоночным, для наблюдения за добычей и препятствиями; это имеет решающее значение для их выживания. Образование глаз начинается с оптических везикулов и линз, полученных из нейроэктодермы. Известно, что костные морфогенные белки стимулируют образование линз глаза. Во время раннего развития глаз формирование оптического пузыря имеет важное значение у мышей, и BMP4 выражен сильно в оптическом пузыре и слабо в окружающем мезенхиме и поверхностной эктодерме. Этот градиент концентрации BMP4 в оптической везикуле имеет решающее значение для индукции линзы. Исследователи, доктор Фурута и доктор Хоган обнаружили, что если они сделали лазерную мутацию на эмбрионах мышей и вызвали нулевую мутацию гомозиготного BMP4, этот эмбрион не будет развивать линзу. Они также сделали гибридизацию гена BMP4 на месте, показывая зеленый цвет и ген Sox2 красным, который, как они думали, также участвовал в образовании линз. После двух гибридизаций на месте в эмбрионах мышей они обнаружили, что в оптической везикуле эмбрионов мышей присутствуют как зеленый, так и красный цвета. Это указывает на то, что BMP4 и Sox2 экспрессируются в правильном месте в нужное время в оптической везикуле и доказывают, что они имеют некоторые важные функции для индукции линзы. Кроме того, они провели последующий эксперимент, в результате которого путем введения BMP4 в гомозиготные мутантные эмбрионы BMP4 было спасено образование линз (12). Это указывает на то, что BMP4 определенно необходим для образования линз. Однако исследователи также обнаружили, что некоторых мутировавших мышей спасти невозможно. Позже они обнаружили, что эти мутанты не имеют Msx 2, который активируется BMP4. Механизм, который они предсказали, заключался в том, что BMP4 активирует Msx 2 в оптической везикуле, а концентрационная комбинация BMP4 и Msx2 вместе с активным Sox2 и Sox2 имеет важное значение для дифференциации линз. Инъекция Noggin в клетки линзовых волокон у мышей значительно снижает содержание белков BMP4 в клетках. Это указывает на то, что Noggin достаточно для ингибирования производства BMP4. Кроме того, был обнаружен другой ингибиторный белок, Alk6, который блокировал BMP4 от активации Msx2, что останавливало дифференциацию линз. Однако, до сих пор остается много неизвестных о механизме ингибирования BMP4 и нисходящей регуляции Sox2. В будущем исследователи стремятся найти более полный путь развития глаз и надеются, что однажды они смогут найти способ лечения некоторых генетически вызванных заболеваний глаз.
Выпадение волос
Выпадение волос или известное как алопеция вызвано изменением морфологии волосяных фолликулов и циклическим движением волосяных фолликулов в ненормальной форме. Циклы волосяных фолликулов - это циклы роста или анагена, регрессии или катагена, и покоя или телогена. У млекопитающих взаимные эпителиальные и мезенхимальные взаимодействия контролируют развитие волос. Такие гены, как BMP4 и BMP2, активны в прекурсорах волосяного вала. В частности, BMP4 находится в кожевенной сосочке. BMP4 является частью сигнальной сети, которая контролирует развитие волос. Он необходим для индукции биохимических путей и сигнализации для регулирования дифференциации волосяного вала в анагенном волосяном фолликуле. Это достигается путем контроля экспрессии факторов транскрипции, которые регулируют дифференциацию волос. Однако до сих пор неясно, где BMP действуют в генетической сети. Сигнализация bmp4 может потенциально контролировать экспрессию терминальных дифференцирующих молекул, таких как кератин. Было показано, что другие регуляторы также контролируют развитие волосяных фолликулов. HOXC13 и FOXN1 считаются важными регуляторами, поскольку эксперименты по потере функции показывают нарушение дифференциации волосяного вала, которое не мешает образованию волосяных фолликулов. При эктопической экспрессии BMP4 у трансгенных мышей наружная оболочка корня волосяного фолликула (ORS) ингибирует пролиферацию клеточного матрикса. BMP4 также активирует экспрессию гена кератина волос, отмечая, что BMP4 важен в дифференциации волоса. Ноггин, известный ингибитор BMP4, находится в клетках матрицы волосяного луковицы. Другими важными факторами, которые следует учитывать при развитии волос, является экспрессия Shh (звуковой ежик), BMP7, BMP2, WNT и β-катеноина, поскольку они необходимы на ранней стадии морфогенеза. Другие гены, которые могут ингибировать или взаимодействовать с BMP4, это ноггин, фоллистатин, гремлин, который экспрессируется в развивающихся волосяных фолликулах. У мышей, у которых отсутствует ноггин, волосяных фолликулов меньше, чем у нормальной мыши, и развитие фолликулов ингибируется. В эмбрионах цыплят показано, что эктопически выраженная ноггин производит увеличенные фолликулы, а сигнализация BMP4 показывает подавленную плакодическую судьбу в соседних клетках. BMP4 является важным компонентом биологических путей, которые включают регулирование дифференциации волосных стволов в анагенном волосяном фолликуле. Наиболее высокие уровни экспрессированного BMP4 обнаруживаются в медуле, клетках волосатого вала, дистальном матрице волос и потенциальных предшественниках кутикулы. Два основных метода, которыми BMP4 ингибирует экспрессию волос, заключаются в ограничении экспрессии фактора роста в матрице волоса и антагонизме между сигнализацией роста и дифференцировки. Пути, которые регулируют образование волосяных фолликулов и рост волос, являются ключевыми в разработке терапевтических методов для заболеваний выпадения волос. Такие состояния включают в себя развитие новых фолликулов, изменение формы характеристик существующих фолликулов и изменение роста волос в существующих волосяных фолликулах. Кроме того, BMP4 и путь, через который он действует, могут обеспечить терапевтические цели для профилактики выпадения волос.