Matky proti dekapentaplegickému homologu 4 - Mothers against decapentaplegic homolog 4

SMAD4
Protein SMAD4 PDB 1dd1.png
Dostupné struktury
PDBHledání ortologu: PDBe RCSB
Identifikátory
AliasySMAD4Člen rodiny DPC4, JIP, MADH4, MYHRS, SMAD 4
Externí IDOMIM: 600993 MGI: 894293 HomoloGene: 31310 Genové karty: SMAD4
Umístění genu (člověk)
Chromozom 18 (lidský)
Chr.Chromozom 18 (lidský)[1]
Chromozom 18 (lidský)
Genomické umístění pro SMAD4
Genomické umístění pro SMAD4
Kapela18q21.2Start51,028,394 bp[1]
Konec51,085,045 bp[1]
Exprese RNA vzor
PBB GE SMAD4 202527 s na fs.png

PBB GE SMAD4 202526 na fs.png
Další údaje o referenčních výrazech
Ortology
DruhČlověkMyš
Entrez

4089

17128

Ensembl

ENSG00000141646

ENSMUSG00000024515

UniProt

Q13485

P97471

RefSeq (mRNA)

NM_005359

NM_008540
NM_001364967
NM_001364968

RefSeq (protein)

NP_005350

NP_032566
NP_001351896
NP_001351897

Místo (UCSC)Chr 18: 51,03 - 51,09 MbChr 18: 73,64 - 73,7 Mb
PubMed Vyhledávání[3][4]
Wikidata
Zobrazit / upravit člověkaZobrazit / upravit myš

SMAD4, také zvaný Člen rodiny SMAD 4, Matky proti dekapentaplegickému homologu 4nebo DPC4 (vypouští se u rakoviny pankreatu-4) je vysoce konzervovaný protein přítomný ve všech metazoans. Patří k SMAD rodina transkripční faktor proteiny, které působí jako mediátory signální transdukce TGF-β. The TGFβ rodina cytokinů reguluje kritické procesy během životního cyklu metazoanů, s důležitými rolemi během vývoje embrya, homeostázy tkání, regenerace a imunitní regulace.[5]

SMAD 4 patří do co-SMAD skupina (společný mediátor SMAD), druhá třída rodiny SMAD. SMAD4 je jediný známý co-SMAD ve většině metazoanů. Patří také k Darwinova rodina proteinů, které modulují členy TGFβ proteinová nadrodina, rodina proteinů, které všechny hrají roli v regulaci buněčných odpovědí. Savčí SMAD4 je homolog z Drosophila protein "Matky proti dekapentaplegice „jmenoval se Medea.[6]

SMAD4 interaguje s R-Smads, jako je SMAD2, SMAD3, SMAD1, SMAD5 a SMAD8 (nazývané také SMAD9) za vzniku heterotrimerních komplexů. Jednou v jádru se váže komplex SMAD4 a dvou R-SMADS DNA a reguluje expresi různých genů v závislosti na buněčném kontextu.[6] Intracelulární reakce zahrnující SMAD4 jsou spouštěny vazbou růstových faktorů z buněk na povrch buněk TGFβ rodina. Sekvence intracelulárních reakcí zahrnujících SMADS se nazývá dráha SMAD nebo dráha transformujícího růstového faktoru beta (TGF-β), protože sekvence začíná rozpoznáním TGF-β buňkami.

Gen

U savců je SMAD4 kódován genem umístěným na chromozom 18. U lidí je SMAD4 Gen obsahuje 54 829 párů bází a nachází se od páru č. 51 030 212 do páru 51 085 041 v oblasti 21,1 chromozomu 18.[7][8]

Vzor chromozomu 18 palců Homo sapiens. The SMAD 4 Gen se nachází na dlouhém rameni chromozomu v místě 21.1. Tento lokus odpovídá černému pruhu mezi oblastmi 12.3 a 21.2.

Protein

SMAD4 je 552 aminokyselina polypeptid s molekulovou hmotností 60,439 Da. SMAD4 má dvě funkční domény známé jako MH1 a MH2.

SMAD 4 se skládá ze tří hlavních domén, včetně MH1 (nahoru), MH2 (dolů) a spojovací domény (vpravo).

Komplex dvou SMAD3 (nebo dvou SMAD2) a jednoho SMAD4 se váže přímo na DNA prostřednictvím interakcí jejich domén MH1. Tyto komplexy jsou přijímány do míst v celém genomu transkripčními faktory definujícími buněčnou linii (LDTF), které určují kontextově závislou povahu působení TGF-β. První poznatky o DNA vazebné specificitě proteinů Smad pocházely z vazebných obrazovek oligonukleotidů, které identifikovaly palindromický duplex 5'– GTCTAGAC – 3 'jako vysoce afinitní vazebnou sekvenci pro domény SMAD3 a SMAD4 MH1.[9] Jiné motivy byly také identifikovány v promotorech a enhancerech. Tato další místa obsahují motiv CAGCC a konsensuální sekvence GGC (GC) | (CG), druhé známé také jako 5GC místa.[10] Motivy 5GC jsou vysoce zastoupeny jako shluky míst v oblastech vázaných na SMAD v celém genomu. Tyto klastry mohou také obsahovat stránky CAG (AC) | (CC). Komplex SMAD3 / SMAD4 se také váže na elementy promotoru genu reagující na TPA, které mají sekvenční motiv TGAGTCAG.[11]

Struktury

Komplexy domén MH1 s motivy DNA

První strukturou SMAD4 vázaného na DNA byl komplex s palindromickým motivem GTCTAGAC.[12] Nedávno byly také stanoveny struktury domény SMAD4 MH1 vázané na několik 5GC motivů. Ve všech komplexech zahrnuje interakce s DNA konzervovaný p-vlásenka přítomná v doméně MH1. Vlásenka je v řešení částečně flexibilní a její vysoký stupeň konformační flexibility umožňuje rozpoznání různých 5-bp sekvencí. K účinným interakcím s místy GC dochází pouze v případě, že se nukleotid G nachází hluboko v hlavním háji a vytvoří vodíkové vazby s guanidiniovou skupinou Arg81. Tato interakce usnadňuje komplementární povrchový kontakt mezi vlásenkou vázající DNA Smad a hlavní drážkou DNA. Další přímé interakce zahrnují Lys88 a Gln83. Rentgenová krystalová struktura Trichoplax adhaerens Domény SMAD4 MH1 navázané na motiv GGCGC naznačují vysoké zachování této interakce v metazoanech.[10]

Doména Smad4 MH1 vázaná na motiv GGCT DNA, od PDB: 5 MEZ​
Detailní pohled na doménu Smad4 MH1 navázanou na DNA motiv GGCGC, z PDB: 5MEY​
Doména Smad4 MH1 vázaná na GGCGC DNA motiv, od PDB: 5MEY​

Komplexy domén MH2

Doména MH2, odpovídající C-konec, je zodpovědný za rozpoznávání receptorů a asociaci s jinými SMAD. Interaguje s doménou a formami R-SMADS MH2 heterodimery a heterotrimery. Některé nádorové mutace detekované v SMAD4 zvyšují interakce mezi doménami MH1 a MH2.[13]

Nomenklatura a původ jména

SMAD jsou mezi druhy vysoce konzervované, zejména v N terminál MH1 doména a C terminál MH2 doména Proteiny SMAD jsou homology obou Drosophila protein MAD a C. elegans protein SMA. Název je kombinací obou. V průběhu Drosophila výzkumu bylo zjištěno, že mutace v genu ŠÍLENÝ v matce potlačil gen decapentaplegic v embryu. Byla přidána fráze „Matky proti“, protože matky často vytvářejí organizace, které se staví proti různým problémům, např. Matky proti řízení pod vlivem alkoholu (MADD), což odráží „posílení mateřského efektu dpp ";[14] a na základě tradice neobvyklého pojmenování v rámci výzkumné komunity.[15] SMAD4 je také známý jako DPC4, JIP nebo MADH4.

Funkční a akční mechanismus

SMAD4 je protein definovaný jako základní efektor v dráze SMAD. SMAD4 slouží jako prostředník mezi extracelulárními růstovými faktory z rodiny TGFp a geny uvnitř buňky jádro. Zkratka co v co-SMAD znamená společný mediátor. SMAD4 je také definován jako signální převodník.

V dráze TGF-p jsou dimery TGF-p rozpoznávány transmembránovým receptorem, známým jako receptor typu II. Jakmile je receptor typu II aktivován vazbou TGF-p, fosforyluje receptor typu I. Receptor typu I je také a buněčný povrchový receptor. Tento receptor poté fosforyluje SMADS (R-SMADS) regulované intracelulárním receptorem, jako je SMAD2 nebo SMAD3. Fosforylované R-SMADS se poté vážou na SMAD4. Sdružení R-SMADs-SMAD4 je a heteromerní komplex. Tento komplex se bude pohybovat z cytoplazmy do jádra: je to translokace. SMAD4 může tvořit heterotrimerní, heterohexamerní nebo heterodimerní komplexy s R-SMADS.

SMAD4 je substrátem Erk /MAPK kináza[16] a GSK3.[17] FGF (Fibroblastový růstový faktor ) stimulace dráhy vede k Smad4 fosforylace podle Erk kanonického MAPK místo umístěné na Threoninu 277. Tato událost fosforylace má dvojí účinek na aktivitu Smad4. Nejprve umožňuje Smad4 dosáhnout svého vrcholu transkripční aktivity aktivací a růstový faktor -regulovaná aktivační doména transkripce umístěná v oblasti linkeru Smad4, SAD (doména aktivace Smad).[18] Druhý, MAPK připraví Smad4 pro GSK3 zprostředkované fosforylace, které způsobují transkripční inhibici a také generují fosfodegron používaný jako dokovací místo ubikvitinem E3 ligáza Opakování obsahující beta-transducin (beta-TrCP ), který polyubikvitinuje Smad4 a cílí jej na degradaci v proteazom.[19] Smad4 GSK3 byly navrženy fosforylace k regulaci stability proteinu během pankreatu a rakovina tlustého střeva postup.[20]

V jádru heteromerní komplex váže promotory a interaguje s transkripčními aktivátory. SMAD3 / Komplexy SMAD4 mohou přímo vázat SBE. Tyto asociace jsou slabé a vyžadují další transkripční faktory jako jsou členové AP-1 rodina, TFE3 a FoxG1 regulovat genová exprese.[21]

Mnoho TGFp ligandů to používá cesta a následně je SMAD4 zapojen do mnoha funkcí buněk, jako je diferenciace, apoptóza, gastrulace, embryonální vývoj a buněčný cyklus.

Klinický význam

Genetické experimenty jako např genový knockout (KO), které spočívají v modifikaci nebo inaktivaci genu, lze provést za účelem zjištění účinků nefunkčního SMAD 4 na studovaný organismus. Pokusy se často provádějí na domácí myši (Mus musculus ).

Ukázalo se, že u myší KO z SMAD4, granulózní buňky, které vylučují hormony a růstové faktory během oocyt vývoj, podstoupit předčasnou luteinizaci a vyjádřit nižší hladiny receptory hormonů stimulujících folikuly (FSHR) a vyšší úrovně receptory luteinizačního hormonu (LHR). To může být částečně způsobeno snížením hodnoty kostní morfogenetický protein-7 efekty, protože BMP-7 používá signální cestu SMAD4.[22][23]

Delece v genech kódujících SMAD1 a SMAD5 byly také spojeny s metastázujícími nádory granulózových buněk u myší.[24]

SMAD4 se často vyskytuje mutovaný u mnoha druhů rakoviny. Mutaci lze zdědit nebo získat během života jednotlivce. Pokud je zděděna, ovlivňuje mutace obojí somatický buňky a buňky reprodukčních orgánů. Pokud SMAD 4 je získána mutace, bude existovat pouze v určitých somatických buňkách. Ve skutečnosti SMAD 4 není syntetizován všemi buňkami. Protein je přítomen v buňkách kůže, pankreatu, tlustého střeva, dělohy a epitelu. Vyrábí také společnost fibroblasty. Funkční SMAD 4 se podílí na regulaci signální transdukční dráhy TGF-β, která negativně reguluje růst epiteliálních buněk a extracelulární matrix (ECM). Když se změní struktura SMAD 4, exprese genů zapojených do buněčného růstu již není regulována a buněčná proliferace může pokračovat bez jakékoli inhibice. Důležitý počet buněčných dělení vede k tvorbě nádorů a poté k multiploidnímu kolorektální karcinom a karcinom pankreatu. Je zjištěno, že je inaktivován nejméně u 50% karcinomů pankreatu.[25]

Bylo prokázáno, že somatické mutace nalezené v lidských rakovinách MH1 domény SMAD 4 inhibují funkci DNA vázání této domény.

SMAD 4 je také nalezen mutovaný v autosomálně dominantní choroba syndrom juvenilní polypózy (JPS). JPS je charakterizován hamartomatózními polypy v gastrointestinálním (GI) traktu. Tyto polypy jsou obvykle benigní, ale je u nich větší riziko vývoje gastrointestinální rakoviny, zejména rakovina tlustého střeva Bylo identifikováno přibližně 60 mutací způsobujících JPS. Byly spojeny s produkcí menšího SMAD 4, s chybějícími doménami, které zabraňují vazbě proteinu na R-SMADS a tvorbě heteromerní komplexy.[8]

Mutace v SMAD4 (většinou substituce) může způsobit Myhreův syndrom, vzácná dědičná porucha charakterizovaná mentálním postižením, nízkým vzrůstem, neobvyklými rysy obličeje a různými abnormalitami kostí.[26][27]

Reference

  1. ^ A b C GRCh38: Vydání souboru 89: ENSG00000141646 - Ensembl, Květen 2017
  2. ^ A b C GRCm38: Vydání souboru 89: ENSMUSG00000024515 - Ensembl, Květen 2017
  3. ^ „Human PubMed Reference:“. Národní centrum pro biotechnologické informace, Americká národní lékařská knihovna.
  4. ^ „Myš PubMed Reference:“. Národní centrum pro biotechnologické informace, Americká národní lékařská knihovna.
  5. ^ Massagué, Joan (2012). "TGFβ signalizace v kontextu". Nature Reviews Molecular Cell Biology. 13 (10): 616–630. doi:10.1038 / nrm3434. ISSN  1471-0080. PMC  4027049. PMID  22992590.
  6. ^ A b Massagué, J. (1998). "TRANSDUKCE TGF-β SIGNÁLU". Roční přehled biochemie. 67 (1): 753–791. doi:10,1146 / annurev.biochem.67.1.753. ISSN  0066-4154. PMID  9759503.
  7. ^ „Člen rodiny SMAD4 SMAD 4“. Entrez Gene.
  8. ^ A b „SMAD 4“. Referenční web Genetics Home.
  9. ^ Zawel L, Dai JL, Buckhaults P, Zhou S, Kinzler KW, Vogelstein B, Kern SE (březen 1998). "Lidský Smad3 a Smad4 jsou sekvenčně specifické transkripční aktivátory". Molekulární buňka. 1 (4): 611–617. doi:10.1016 / s1097-2765 (00) 80061-1. PMID  9660945.
  10. ^ A b Martin-Malpartida, Pau; Batet, Marta; Kaczmarská, Zuzanna; Freier, Regina; Gomes, Tiago; Aragón, Eric; Zou, Yilong; Wang, Qiong; Xi, Qiaoran (12. prosince 2017). „Strukturální základ pro rozpoznávání 5-bp GC motivů širokým genomem transkripčními faktory SMAD“. Příroda komunikace. 8 (1): 2070. Bibcode:2017NatCo ... 8.2070M. doi:10.1038 / s41467-017-02054-6. ISSN  2041-1723. PMC  5727232. PMID  29234012.
  11. ^ Zhang, Ying; Feng, Xin-Hua; Derynck, Rik (1998). „Smad3 a Smad4 spolupracují s c-Jun / c-Fos na zprostředkování transkripce indukované TGF-β“. Příroda. 394 (6696): 909–913. Bibcode:1998 Natur.394..909Z. doi:10.1038/29814. ISSN  0028-0836. PMID  9732876. S2CID  4393852.
  12. ^ Baburajendran, Nithya; Jauch, Ralf; Tan, Clara Yueh Zhen; Narasimhan, Kamesh; Kolatkar, Prasanna R. (2011). „Strukturální základ pro kooperativní rozpoznávání DNA dimery Smad4 MH1“. Výzkum nukleových kyselin. 39 (18): 8213–8222. doi:10.1093 / nar / gkr500. ISSN  1362-4962. PMC  3185416. PMID  21724602.
  13. ^ Hata, Akiko; Lo, Roger S .; Wotton, David; Lagna, Giorgio; Massagué, Joan (1997). "Mutace zvyšující autoinhibici deaktivují nádorové supresory Smad2 a Smad4". Příroda. 388 (6637): 82–87. Bibcode:1997 Natur.388R..82H. doi:10.1038/40424. ISSN  0028-0836. PMID  9214507. S2CID  4407819.
  14. ^ Sekelsky JJ, Newfeld SJ, Raftery LA, Chartoff EH, Gelbart WM (březen 1995). "Genetická charakterizace a klonování matek proti dpp, gen potřebný pro dekapentaplegickou funkci u Drosophila melanogaster". Genetika. 139 (3): 1347–58. PMC  1206461. PMID  7768443.
  15. ^ White M (26. září 2014). „Ježek Sonic, DICER a problém pojmenování genů“. Tichomořský standard.
  16. ^ Roelen BA, Cohen OS, Raychowdhury MK, Chadee DN, Zhang Y, Kyriakis JM, Alessandrini AA, Lin HY (říjen 2003). „Fosforylace threoninu 276 v přípravku Smad4 se účastní transformace jaderné akumulace indukované růstovým faktorem beta“. American Journal of Physiology. Fyziologie buněk. 285 (4): C823–30. doi:10.1152 / ajpcell.00053.2003. PMID  12801888.
  17. ^ Demagny H, Araki T, De Robertis EM (říjen 2014). „Nádorový supresor Smad4 / DPC4 je regulován fosforylacemi, které integrují signalizaci FGF, Wnt a TGF-β“. Zprávy buněk. 9 (2): 688–700. doi:10.1016 / j.celrep.2014.09.020. PMID  25373906.
  18. ^ de Caestecker, Mark P. (2000). „Aktivační doména Smad4 (SAD) je transkripční aktivační doména bohatá na prolin, závislá na p300.“. The Journal of Biological Chemistry. 275 (3): 2115–2122. doi:10.1074 / jbc.275.3.2115. PMID  10636916.
  19. ^ Demagny H, De Robertis EM (2015). „Smad4 / DPC4: bariéra proti progresi nádoru způsobená signalizací RTK / Ras / Erk a Wnt / GSK3“. Molekulární a buněčná onkologie. 3 (2): e989133. doi:10.4161/23723556.2014.989133. PMC  4905428. PMID  27308623.
  20. ^ Demagny H, De Robertis EM (2015). „Bodové mutace v supresoru nádoru Smad4 / DPC4 zvyšují jeho fosforylaci pomocí GSK3 a reverzibilně deaktivují signalizaci TGF-β“. Molekulární a buněčná onkologie. 3 (1): e1025181. doi:10.1080/23723556.2015.1025181. PMC  4845174. PMID  27308538.
  21. ^ Inman GJ (únor 2005). „Linking Smads and transkripční aktivace“. 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 (březen 2010). „Kostní morfogenetický protein 7 (BMP-7) zvyšuje expresi receptoru folikuly stimulujícího hormonu (FSH) v lidských buňkách granulózy“. Plodnost a sterilita. 93 (4): 1273–9. doi:10.1016 / j.fertnstert.2008.11.014. PMID  19108831.
  23. ^ Pangas SA, Li X, Robertson EJ, Matzuk MM (červen 2006). „Předčasná luteinizace a defekty kumulovaných buněk u ovariálně specifických myší Smad4 knockout“. Molekulární endokrinologie. 20 (6): 1406–22. doi:10.1210 / me.2005-0462. PMID  16513794.
  24. ^ Middlebrook BS, Eldin K, Li X, Shivasankaran S, Pangas SA (2009). „Smad1-Smad5 ovariální podmíněné knockout myši vyvinou profil onemocnění podobný juvenilní formě lidských nádorů z granulózních buněk“. Endokrinologie. 150 (12): 5208–17. doi:10.1210 / cs.2009-0644. PMC  2819741. PMID  19819941.
  25. ^ Cotran RS, Kumar V, Fausto N, Robbins SL, Abbas AK (2005). Robbins a Cotran patologické základy nemoci (7. vydání). St. Louis, Mo: Elsevier Saunders. ISBN  0-7216-0187-1.
  26. ^ "Myhreův syndrom duševního růstu". Národní organizace pro vzácné poruchy.
  27. ^ Caputo V, Bocchinfuso G, Castori M, Traversa A, Pizzuti A, Stella L, Grammatico P, Tartaglia M (červenec 2014). "Nová mutace SMAD4 způsobující Myhreův syndrom". American Journal of Medical Genetics Part A. 164A (7): 1835–40. doi:10,1002 / ajmg.a.36544. PMID  24715504. S2CID  5294309.

Další čtení

externí odkazy