Введение
Блок млекопитающих, обнаруженный в Homo sapiens SMAD4, также называемый членом семьи SMAD 4, матерями против декапентаплегического гомолога 4 или DPC4 (Удаленный в раке поджелудочной железы 4), является высококонсервативным белком, присутствующим во всех метазоанах. Он относится к семейству белков факторов транскрипции SMAD, которые выступают в качестве медиаторов трансдукции TGF β-сигнала. Семейство цитокинов TGFβ регулирует критические процессы в течение жизненного цикла метазоанов, играя важную роль в развитии эмбриона, хомеостазе тканей, регенерации и иммунной регуляции. SMAD 4 относится к группе SMAD (SMAD-общий медиатор), второму классу семейства SMAD. SMAD4 является единственным известным ко-SMAD у большинства метазоев. Он также относится к семейству белков Дарвина, которые модулируют членов суперсемейства белков TGFβ, семейства белков, которые все играют роль в регуляции клеточных реакций. СМАД4 млекопитающих является гомологом белка дрозофилы "Матери против декапентаплегии" по имени Медея. SMAD4 взаимодействует с R Smads, такими как SMAD2, SMAD3, SMAD1, SMAD5 и SMAD8 (также называемый SMAD9), чтобы сформировать гетеротримерные комплексы. Корегуляторы транскрипции, такие как WWTR1 (TAZ), взаимодействуют с SMAD для продвижения их функции. Попадая в ядро, комплекс SMAD4 и двух R SMADS связывается с ДНК и регулирует экспрессию различных генов в зависимости от клеточного контекста.
SMAD4, also called SMAD family member 4, Mothers against decapentaplegic homolog 4, or DPC4 (Deleted in Pancreatic Cancer 4) is a highly conserved protein present in all metazoans. It belongs to the SMAD family of transcription factor proteins, which act as mediators of TGF β signal transduction. The TGFβ family of cytokines regulates critical processes during the lifecycle of metazoans, with important roles during embryo development, tissue homeostasis, regeneration, and immune regulation. SMAD 4 belongs to the co SMAD group (common mediator SMAD), the second class of the SMAD family. SMAD4 is the only known co SMAD in most metazoans. It also belongs to the Darwin family of proteins that modulate members of the TGFβ protein superfamily, a family of proteins that all play a role in the regulation of cellular responses. Mammalian SMAD4 is a homolog of the Drosophila protein "Mothers against decapentaplegic" named Medea. SMAD4 interacts with R Smads, such as SMAD2, SMAD3, SMAD1, SMAD5 and SMAD8 (also called SMAD9) to form heterotrimeric complexes. Transcriptional coregulators, such as WWTR1 (TAZ) interact with SMADs to promote their function. Once in the nucleus, the complex of SMAD4 and two R SMADS binds to DNA and regulates the expression of different genes depending on the cellular context.
Белок
SMAD4 представляет собой полипептид из 552 аминокислот с молекулярной массой 60, 439 Da. SMAD4 имеет два функциональных домена, известных как MH1 и MH2. Комплекс двух SMAD3 (или двух SMAD2) и одного SMAD4 связывается непосредственно с ДНК через взаимодействие их доменов MH1. Эти комплексы набираются в местах по всему геному клеточной линии, определяющей факторы транскрипции (LDTF), которые определяют контекстную природу действия TGF β. Ранние наблюдения за специфичностью связывания ДНК белков Smad были получены из скриниров связывания олигонуклеотидов, которые идентифицировали палиндромный дуплекс 5'GTCTAGAC3' как высокоаффинную связывающую последовательность для доменов SMAD3 и SMAD4 MH1. Другие мотивы также были идентифицированы в промоторах и усилителях. Эти дополнительные сайты содержат мотив CAGCC и последовательности консенсуса GGC ((GC) CG), последние также известны как сайты 5GC. Мотивы 5GC широко представлены в виде кластеров сайтов в связанных SMAD регионах генома. Эти кластеры могут также содержать CAG{AC} и CC{CC} сайты. Комплекс SMAD3/SMAD4 также связывается с элементами промотора гена, отвечающего на TPA, которые имеют последовательность мотивов TGAGTCAG.
Комплексы домена MH1 с ДНК-мотивами
Первой структурой SMAD4, связанной с ДНК, был комплекс с палиндромным мотивом GTCTAGAC. Недавно также были определены структуры домена SMAD4 MH1, связанной с несколькими мотивами 5GC. Во всех комплексах взаимодействие с ДНК включает консервацию β-прищепки, присутствующей в домене MH1. Шпилька частично гибкая в растворе, и высокая степень гибкости конформации позволяет распознавать различные последовательности 5 bp. Эффективное взаимодействие с участками GC происходит только в том случае, если нуклеотид G находится глубоко в основной роще и устанавливает водородные связи с гуанидиниевой группой Arg81. Это взаимодействие способствует взаимодействию поверхности между шнуром, связывающим ДНК Smad, и основным канавкой ДНК. Другие прямые взаимодействия включают Lys88 и Gln83. Рентгеновская кристаллическая структура доменов Trichoplax adhaerens SMAD4 MH1, связанных с мотивом GGCGC, указывает на высокую консервацию этого взаимодействия у метазоанов.
Номенклатура и происхождение названия
SMADs высоко консервативны среди видов, особенно в N-терминальном домене MH1 и C-терминальном домене MH2. Белки SMAD являются гомологами как белка MAD дрозофилы, так и белка SMA C. elegans. Название - это комбинация этих двух. В ходе исследования дрозофилы было обнаружено, что мутация в гене MAD у матери подавляет ген декапентаплегии у эмбриона. Фраза "Матери против" была добавлена, поскольку матери часто создают организации, выступающие против различных вопросов, например, "Матери против вождения в нетрезвом виде" (MADD), отражающие "усиление материнского эффекта DPP"; и основанные на традиции необычного наименования в исследовательском сообществе. SMAD4 также известен как DPC4, JIP или MADH4.
Функция и механизм действия
SMAD4 - это белок, определяемый как важный эффектор в пути SMAD. SMAD4 служит посредником между внеклеточными факторами роста из семейства TGFβ и генами внутри ядра клетки. Сокращение co in co SMAD означает "общий посредник". SMAD4 также определяется как преобразователь сигнала. В TGF- β пути TGF- β димеры распознаются трансмембранным рецептором, известным как рецептор II типа. После активации рецептора II типа путем связывания TGF β, он фосфорилирует рецептор I типа. Рецептор типа I также является рецептором поверхности клетки. Затем этот рецептор фосфорилирует внутриклеточные рецепторно-регулируемые SMADS (R SMADS), такие как SMAD2 или SMAD3. Фосфорилированные R SMADS затем связываются с SMAD4. Ассоциация R SMADs SMAD4 представляет собой гетеромерный комплекс. Этот комплекс перемещается от цитоплазмы к ядру: это транслокация. SMAD4 может образовывать гетеротримерические, гетерогексамерические или гетеродимерические комплексы с R SMADS. SMAD4 является субстратом киназы Erk/MAPK и GSK3. Стимуляция пути FGF (фактор роста фибробластов) приводит к фосфорилированию Smad4 Эрком канонического MAPK-сайта, расположенного в Threonine 277. Это событие фосфорилирования оказывает двойственное влияние на активность Smad4. Во-первых, он позволяет Smad4 достичь пика транскрипционной активности путем активации домена активации транскрипции, регулируемого фактором роста, расположенного в области Smad4 - линкера, SAD (Smad Activation Domain). Во-вторых, MAPK примутирует Smad4 для фосфорилирования, опосредованного GSK3, которое вызывает ингибирование транскрипции, а также генерирует фосфодегрон, используемый в качестве места стыковки лигазой убиквитина E3 Beta transducin Repeat Containing (beta TrCP), которая полиубиквитинирует Smad4 и нацеливается на его деградацию в протеасоме. Было предложено, чтобы фосфорилирование Smad4 GSK3 регулировало стабильность белка во время прогрессирования рака поджелудочной железы и толстой кишки. В ядре гетеромерный комплекс связывает промоторы и взаимодействует с транскрипционными активаторами. Комплексы SMAD3/SMAD4 могут непосредственно связывать SBE. Эти ассоциации слабы и требуют дополнительных факторов транскрипции, таких как члены семейства AP 1, TFE3 и FoxG1, для регулирования экспрессии генов. Многие лиганды TGFβ используют этот путь, и впоследствии SMAD4 участвует во многих клеточных функциях, таких как дифференциация, апоптоз, гаструляция, эмбриональное развитие и клеточный цикл.
Клиническое значение
Генетические эксперименты, такие как генный нокаут (ГН), которые заключаются в модификации или инактивации гена, могут проводиться для того, чтобы увидеть влияние дисфункционального SMAD 4 на исследуемый организм. Эксперименты часто проводятся на домашней мыши (Mus musculus). Было показано, что у мыши KO SMAD4 клетки гранулезы, которые выделяют гормоны и факторы роста во время развития яйцеклеток, 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 эффекта морфогенетического белка 7 кости, поскольку BMP 7 использует сигнальный путь SMAD4. Делеции в генах, кодирующих SMAD1 и SMAD5, также были связаны с метастатическими опухолями гранулезоцитарных клеток у мышей. SMAD4 часто мутирует при многих видах рака. Мутация может быть унаследована или приобретена в течение жизни человека. Если мутация передается по наследству, она поражает как соматические клетки, так и клетки репродуктивных органов. Если мутация SMAD 4 приобретается, она будет существовать только в определенных соматических клетках. Действительно, SMAD 4 синтезируется не всеми клетками. Белок присутствует в клетках кожи, поджелудочной железы, толстой кишки, матки и эпителии. Он также вырабатывается фибробластами. Функциональный SMAD 4 участвует в регуляции пути трансдукции TGF β-сигнала, который негативно 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 торможения. Значительное количество клеточных делений приводит к образованию опухолей, а затем к мультиплоидному колоректальному раку и карциноме поджелудочной железы. Он оказывается инактивированным как минимум в 50% случаев рака поджелудочной железы. Соматические мутации, обнаруженные в раковых опухолях человека домена MH1 SMAD 4, ингибируют функцию связывания ДНК этого домена. SMAD 4 также мутирует при аутосомно- доминантном заболевании синдроме ювенильного полипоза (JPS). Для СПЖ характерны гамартоматозные полипы в желудочно-кишечном тракте. Эти полипы обычно доброкачественны, однако они подвержены большему риску развития рака желудочно- кишечного тракта, в частности рака толстой кишки. Было выявлено около 60 мутаций, вызывающих СПЖ. Они связаны с образованием меньшего SMAD 4, с отсутствующими доменами, которые препятствуют связыванию белка с R SMADS и формированию гетеромерных комплексов.