Войти
Smads (или SMAD ) составляют семейство структурно похожие белки, которые являются основными преобразователями сигналов для рецепторов суперсемейства трансформирующего фактора роста бета (TGF-B), которые критически важны для регуляции развития и роста клеток. Аббревиатура относится к гомологиям генов семейства Caenorhabditis elegans SMA (фенотип «малых» червей) и Drosophila MAD («Матери против декапентаплегии»).
Существует три различных подтипа Smads: Smads, регулируемые рецептором (R-Smads ), Smads с общим партнером (Co-Smads) и тормозящие Smads (I- Смадс ). Восемь членов семьи Смад делятся на эти три группы. Тримеры двух рецепторно-регулируемых SMAD и одного co-SMAD действуют как факторы транскрипции, которые регулируют экспрессию определенных генов.
R-Smads состоят из Smad1, Smad2, Smad3, Smad5 и Smad8 / 9 и участвуют в прямой передаче сигналов от рецептора TGF-B.
Smad4 - единственный известный человеческий Co-Smad, который играет роль партнерства с R-Smads для набора ко-регуляторов в комплекс.
Наконец, Smad6 и Smad7 - это I-Smads, которые работают, чтобы подавить активность R-Smads. В то время как Smad7 является общим ингибитором сигналов TGF-B, Smad6 более специфично связывается с передачей сигналов BMP. R / Co-Smads в основном расположены в цитоплазме, но накапливаются в ядре после передачи сигналов TGF-B, где они могут связываться с ДНК и регулировать транскрипцию. Однако I-Smads преимущественно обнаруживаются в ядре, где они могут действовать как прямые регуляторы транскрипции.
До открытия Smads было неясно, за какие последующие эффекторы ответственны передача сигналов TGF-B. Smads были впервые обнаружены у Drosophila, в котором они известны как матери против dpp (Mad), посредством генетического скрининга доминантных энхансеров decapentaplegic (dpp), версия TGF-B для дрозофилы. Исследования показали, что нуль-мутанты Mad проявляют фенотип, аналогичный мутантам dpp, что позволяет предположить, что Mad играет важную роль в некоторых аспектах сигнального пути dpp.
Аналогичный скрининг был проведен в отношении белка Caenorhabditis elegans SMA (от гена sma для небольшого размера тела) выявило три гена, Sma-2, Sma-3 и Sma-4, которые имели фенотип, аналогичный мутантным фенотипам рецептора, подобного TGF-B Daf-4. Человеческий гомолог Mad и Sma был назван Smad1, в сумме с ранее обнаруженными генами. Было обнаружено, что при введении в шапочки эмбрионов животных Xenopus 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 карбокси-конце, которая может быть усилена добавлением BMP4. Эти данные свидетельствуют о том, что Smad1 частично отвечает за передачу сигналов TGF-B.
Smads имеют длину примерно от 400 до 500 аминокислот и состоят из двух глобулярных областей в амино и карбоксиконцы, соединенные линкерной областью. Эти глобулярные области являются высококонсервативными 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 коактиваторов транскрипции и ко-репрессоров. 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). Рецептор-фосфорилированные R-Smads могут образовывать гомотримеры, а также гетеротримеры с Smad4 in vitro посредством взаимодействий между доменами MH2. Считается, что тримеры одной молекулы Smad4 и двух рецептор- фосфорилированных молекул R-Smad являются преобладающими эффекторами регуляции транскрипции TGF-β. Линкерная область между MH1 и MH2 является не только соединителем, но также играет роль в функции и регуляции белка. В частности, R-Smads фосфорилируются в ядре в линкерном домене с помощью CDK8 и 9, и эти фосфорилирования модулируют взаимодействие белков Smad с активаторами и репрессорами транскрипции. Кроме того, после этой стадии фосфорилирования линкер подвергается второму раунду фосфорилирования GSK3, маркируя Smads для их распознавания убиквитинлигазами и направляя их на опосредуемую протеасомами деградацию. Активаторы транскрипции и убиквитинлигазы содержат пары WW-доменов. Эти домены взаимодействуют с мотивом PY, присутствующим в линкере R-Smad, а также с фосфорилированными остатками, расположенными рядом с мотивом. В самом деле, разные паттерны фосфорилирования, генерируемые CDK8 / 9 и GSK3, определяют специфические взаимодействия либо с активаторами транскрипции, либо с убиквитинлигазами. Примечательно, что линкерная область имеет самую высокую концентрацию аминокислотных различий среди многоклеточных, 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 многоклеточных животных, секвенированных на сегодняшний день.. Уровень сохранения последовательности белков Co-Smad и R-Smads у разных видов чрезвычайно высок. Такой уровень сохранения компонентов и последовательностей предполагает, что с тех пор общие функции пути TGF-бета в целом остаются неизменными. I-Smads имеют консервативные домены MH2, но расходящиеся домены MH1 по сравнению с R-Smads и Co-Smads.
Лиганды TGF-B связывают рецепторы, состоящие из серин / треониновых киназ типа 1 и типа 2, которые служат для распространения сигнала внутриклеточно. Связывание лиганда стабилизирует рецепторный комплекс, состоящий из двух рецепторов типа 1 и двух рецепторов типа 2. Рецепторы типа 2 затем могут фосфорилировать рецепторы типа 1 в местах на домене GS, расположенном на N-конце киназного домена типа 1. Это событие фосфорилирования активирует рецепторы типа 1, делая их способными к дальнейшему распространению сигнала TGF-B через Smads. Рецепторы типа 1 фосфорилируют R-Smads по двум С-концевым серинам, которые расположены в мотиве SSXS. Smads локализуются на поверхности клетки с помощью якоря Smad для белков активации рецептора (SARA), помещая их в непосредственной близости от киназ рецептора 1 типа для облегчения фосфорилирования. Фосфорилирование R-Smad вызывает его диссоциацию от SARA, обнажая ядерную последовательность импорта, а также способствуя его ассоциации с Co-Smad. Этот комплекс Smad затем локализуется в ядре, где он способен связывать свои гены-мишени с помощью других связанных белков.
I-Smads разрушают TGF-B передача сигналов через множество механизмов, включая предотвращение ассоциации R-Smads с рецепторами типа 1 и Co-Smads, подавление рецепторов типа 1 и внесение изменений транскрипции 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 комплекс с I-Smad, который предотвращает его ассоциацию с Co-Smad. Кроме того, I-Smad рекрутирует убиквитинлигазу для нацеливания на активированный R-Smad для деградации, эффективно подавляя сигнал TGF-B. I-Smads в ядре также конкурируют с комплексами R / Co-Smad за ассоциацию с элементами связывания ДНК. Репортерные анализы показывают, что слияние I-Smads с ДНК-связывающей областью репортерных генов снижает их экспрессию, предполагая, что I-Smads функционируют как репрессоры транскрипции.
У взрослых клеток, TGF-B подавляет развитие клеточного цикла, не давая клеткам совершать фазовый переход G1 / S. Это явление присутствует в эпителиальных клетках многих органов и частично регулируется сигнальным путем Smad. Точный механизм контроля немного отличается для разных типов клеток.
Один из механизмов, с помощью которого Smads способствует индуцированному TGF-B цитостазу, заключается в подавлении Myc, который является фактором транскрипции, который способствует росту клеток. Myc также репрессирует p15 (Ink4b) и p21 (Cip1), которые являются ингибиторами Cdk4 и Cdk2 соответственно. Когда TGF-B 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 связывается с Smad4 и связывается с TGF-B-ингибиторным элементом (TIE) промотора Myc, подавляя его транскрипцию.
В Помимо Myc, Smads также участвуют в подавлении белков-ингибиторов связывания ДНК (ID). ID - это факторы транскрипции, которые регулируют гены, участвующие в дифференцировке клеток, поддерживая мульти-эффективность стволовых клеток и способствуя непрерывному круговороту клеток. Следовательно, подавление белков ID является путем, с помощью которого передача сигналов TGF-B может останавливать клеточный цикл. При скрининге микрочипов ДНК было обнаружено, что Id2 и Id3 репрессируются TGF-B, но индуцируются передачей сигналов BMP. Выключение генов Id2 и Id3 в эпителиальных клетках усиливает ингибирование клеточного цикла TGF-B, показывая, что они важны в опосредовании этого цитостатического эффекта. Smads являются прямым 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. Smad3 и ATF3 затем координируются, чтобы репрессировать транскрипцию Id1, что приводит к его подавлению. Косвенно подавление Id является вторичным эффектом репрессии Myc с помощью Smad3. Поскольку Myc является индуктором Id2, подавление Myc также приведет к снижению передачи сигналов Id2, что способствует остановке клеточного цикла.
Исследования показывают, что Smad3, но не Smad2, является важным эффектором для цитостатических эффектов TGF. -B. Истощения эндогенного Smad3 посредством РНК-интерференции было достаточно, чтобы нарушить цитостаз TGF-B. Однако истощение Smad2 аналогичным образом усиливает, а не останавливает, вызванную TGF-B остановку клеточного цикла. Это предполагает, что хотя Smad3 необходим для цитостатического эффекта TGF-B, соотношение Smad3 и Smad2 модулирует интенсивность ответа. Однако избыточная экспрессия Smad2 для изменения этого соотношения не влияла на цитостатический ответ. Следовательно, необходимы дальнейшие эксперименты, чтобы однозначно доказать, что соотношение Smad3 и Smad2 регулирует интенсивность цитостатического эффекта в ответ на TGF-B.
Было обнаружено, что белки Smad являются прямыми регуляторами транскрипции Cdk4. Репортерные анализы, в которых люциферазу помещали под промотор Cdk4, показали повышенную экспрессию люциферазы, когда на Smad4 нацеливали миРНК. Репрессия Smad2 и 3 не оказала значительного эффекта, что свидетельствует о том, что Cdk4 напрямую регулируется Smad4.
Дефекты в передаче сигналов Smad может привести к устойчивости к TGF-B, вызывая нарушение регуляции роста клеток. Нарушение регуляции передачи сигналов TGF-B вовлечено во многие типы рака, включая рак поджелудочной железы, толстой кишки, груди, легких и простаты. Smad4 чаще всего мутирует при раке человека, особенно при 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 4 рака поджелудочной железы (DPC4) после его открытия. Мутации Smad4 зародышевой линии частично ответственны за генетическую предрасположенность человека к семейному ювенильному полипозу, который подвергает человека высокому риску развития потенциально злокачественных желудочно-кишечных полипов полипов. Экспериментальные подтверждающие доказательства этого наблюдения получены из исследования, показывающего, что у гетерозиготных мышей с нокаутом Smad4 (+/-) равномерно развились желудочно-кишечные полипы к 100 неделям. Многие семейные мутанты Smad4 встречаются в домене MH2, что нарушает способность белка образовывать гомо- или гетероолигомеры, тем самым нарушая передачу сигнала TGF-B.
Несмотря на доказательства, свидетельствующие о том, что Smad3 более важен, чем Smad2 в передаче сигналов TGF-B, частота мутаций Smad3 при раке ниже, чем у Smad2. Хориокарциномы опухолевые клетки устойчивы к передаче сигналов TGF-B, а также лишены Выражение Smad3. Исследования показывают, что повторного введения Smad3 в клетки хориокарциномы достаточно для повышения уровней TIMP-1 (тканевого ингибитора металлопротеазы-1), медиатора противоинвазивного действия TGF-B, и, таким образом, восстановления передачи сигналов TGF-B. Однако повторного введения Smad3 было недостаточно, чтобы спасти противоинвазивный эффект TGF-B. Это свидетельствует о том, что другие сигнальные механизмы в дополнение к Smad3 являются дефектными при TGF-B-резистентной хориокарциноме.
Альцгеймера Пациенты с болезнью Альцгеймера демонстрируют повышенные уровни TGF-B и фосфорилированного Smad2 в их нейроны гиппокампа. Это открытие кажется парадоксальным, поскольку ранее было показано, что TGF-B оказывает нейрозащитное действие на пациентов с болезнью Альцгеймера. Это говорит о том, что некоторые аспекты передачи сигналов TGF-B нарушены, в результате чего TGF-B теряет свои нейрозащитные 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 внутри амилоидных бляшек и прикреплены к нейрофибриллярным клубкам. Эти данные предполагают, что Smad2 участвует в развитии болезни Альцгеймера. Недавние исследования показывают, что пептидил-пролилцис-транс-изомераза, взаимодействующая с NIMA 1 (PIN1), участвует в стимулировании аномальной локализации Smad2. Было обнаружено, что Pin1 совместно локализуется с Smad2 / 3 и фосфорилированными тау-белками внутри цитоплазматических гранул, что указывает на возможное взаимодействие. Трансфекция клеток, экспрессирующих Smad2, с помощью Pin1 вызывает опосредованную протеасомами деградацию Smad2, а также усиление ассоциации Smad2 с фосфорилированным тау. Этот цикл обратной связи является двунаправленным; Smad2 также способен увеличивать синтез мРНК Pin1. Таким образом, два белка могут попасть в «порочный круг» регуляции. Pin1 заставляет как себя, так и Smad2 связываться в нерастворимые нейрофибриллярные клубки, что приводит к низким уровням обоих растворимых белков. Затем Smad2 способствует синтезу РНК Pin1, чтобы попытаться компенсировать это, что только способствует большей деградации Smad2 и ассоциации с нейрофибриллярными клубками.
Нарушение регуляции TGF-B / Передача сигналов Smad является возможным патогенетическим механизмом хронической болезни почек. В почках TGF-B1 способствует накоплению внеклеточного матрикса (ECM) за счет увеличения его продукции и ингибирования его деградации, что характерно для почечного фиброза. Сигнал TGF-B1 передается с помощью R-Smads Smad2 и Smad3, оба из которых, как обнаружено, сверхэкспрессируются в пораженных почках. У мышей с нокаутом Smad3 наблюдается снижение прогрессирования почечного фиброза, что указывает на его важность в регулировании заболевания. Напротив, ингибирование Smad2 в клетках почек (полное нокаут Smad2 является эмбриональным летальным исходом) на самом деле ведет к более тяжелому фиброзу, предполагая, что Smad2 действует антагонистично Smad3 при прогрессировании почечного фиброза. В отличие от R-Smads, белок Smad7 обычно недостаточно экспрессируется в пораженных клетках почек. Эта потеря ингибирования TGF-B приводит к увеличению количества активного Smad2 / 3, что способствует прогрессированию почечного фиброза, как описано выше.
