|
HOW CELLS READ TGF-β SIGNALS |
|
Sensing and propagating TGF-β signalsСемейство TGF-β включает много сходных
факторов, имеющих разные функции во
время эмбрионального развития и для
гомеостаза взрослых тканей []. TGF-β и родственные факторы
используют простой механизм передачи
сигнала в ядро
(Рис.1.) . Они связываются с мембранным рецептором, имеющим цитоплазматический serine/threonine киназный домен. Связывание лиганда вызывает сборку рецепторного комплекса, который фосфорилирует белки семейства SMAD ( SMAD — которые связывают ДНК м рекрутируют ко-активаторы транскрипции или ко-репрессоры []. Фосфорилирование заставляет SMADs проникать в ядро, где они собираются в комплексы, которые прямо контролируют экспрессию генов. Каждый лиганд семейства TGF-β связывается со
специфической парой рецепторных serine/threonine
киназ, принадлежащих к группам,
известным как type I и type II receptors, соотв. []. Когда лиганд
соединяется, то он сводит вместе
рецепторы двух типов I и II . В этом
комплексе рецептор II выполняет
единственную функцию, активирует
рецептор I в результате
фосфорилирования
GS REGION
(Box.1.) . Рецептор типа I затем фосфорилирует белки SMAD, которые умножают сигнал(Рис.1). Одним из механизмов выключения сигнала TGF-βявляется SMAD UBIQUITYLATION в ядре, которая сопровождается PROTEASOME -опосредованной деградацией белка SMAD (Рис.1). Отдельный механизм ubiquitylation контролирует базовый уровень SMAD посредством UBIQUITIN LIGASE , SMAD ubiquitylation regulatory factor ( SMURF1). Функция SMADs как передатчика сигналов
членов семейства TGF-β распространена от червей
до человека []. У позвоночных
рецепторы типа I для bone morphogenetic proteins ( BMPs), growth and differentiation factors (
GDFs) и anti-Müllerian hormone/Müllerian inhibiting substance (
AMH/MIS) передают сигналы через SMAD1 или очень сходный SMAD5 и SMAD8, тогда как рецепторы для TGF-β,Activin и Nodal действуют через SMAD2 и SMAD3. Это рецептором-фосфорилированные
SMADs (R-SMADs). Фосфорилирование С-терминального
серина повышает сродство R-SMADs к
определенному члену семейства, SMAD4 (известному также как DPC4, deleted in pancreatic carcinoma
locus 4)
(Рис.1.) . , который функционирует как общий партнер (или co-SMAD) R-SMADs и необходим для сборки активного транскрипционного комплекса. R-SMADs соединяется с транскрипционным ко-активатором p300 и CBP (CREB-binding protein; где CREB stands for cyclic AMP-regulated enhancer-binding protein). Одной из функций SMAD4 м.б. разрешение рекрутации путем взаимодействия с белком MSG-1 (продуктом melanocyte-specific gene, хотя он экспрессируется и в других типах клеток), который м. функционировать как p300 адаптор. В базовом состоянии SMADs хранятся в цитоплазме. В случае SMAD2 это хранение обеспечивается взаимодействием с SMAD anchor for receptor activation, SARA (Рис.1). Контакт с SARA блокирует область SMAD2, которая обеспечивает импорт в ядро. Рецептором обусловленное фосфорилирование не только усиливает сродство SMAD2 к SMAD4, но и снижает сродство к SARA, высвобождая тем самым SMAD2 и демаскируя его функцию импорта в ядро что ведет к быстрому накоплению активированного SMAD2 в ядре. Рядом с SMAD-binding доменом, SARA содержит FYVE domain, тип белковой складки, который у джругих белков, обеспечивает их закрепление на мембране эндосомы. Возможно рецептор TGF-β м. подвергаться интернализациии, чтобы достичь SARA-bound SMAD субстрата. И др. белки кроме SARA также м. контролировать доступ SMAD к рецепторам и перемещение в ядро. Импорт в ядро SMAD, который ингибирует SARA , независит от пути импорта NUCLEAR LOCALIZATION SIGNAL (NLS), который импортирует белки, содержащие богатые lysine- и arginine- последовательности, известные как NLS. NLS распознаются как широкие пептидные петли с помощью ядерного импорт-фактора importin-α. Импорт SMAD не зависит от importin-α. Однако имеются богатые лизином последовательности в SMADs, которые если мутированы у SMAD2, то препятсвуют его импорту в ядро. Но м. просто нарушаться конформация. SMADs могут рассматриваться как ядерные белки, которые держатся в цитоплазме , так что они становятся доступны рецепторам, активируемым на плазматической мембране. Specificity in signal transductionКлеточное содержимое является
центральным в предопределении, какие
гены будут отвечать на активированный SMAD
комплекс. Однако выбор генов-мишеней
предопределяется компетенцией
каждого R-SMAD белка. И SMAD1 и SMAD2 (и др.
члены любой подгруппы) компетентны
доставать отдельные наборы генов-мишеней.
С помощью специфически выбранных SMADs из
одной подгруппы или другой TGF-β ветвь ( TGF-βs, Activins и Nodals) и BMP ветвь (BMPs,
GDFs и MIS) семейства TGF-β диктует клеткам выбор из
разных наборов потенциальных генов-мишеней
(Рис.2.) . Примером дихотомии между SMAD1-зависимым
и SMAD2-зависимым путем м. служить их
функция во время эмбриогенеза Xenopus laevis embryogenesis.
В ответ на Nodal-related factors ( Xnr-1, Xnr-2 и Vg1), SMAD2 активирует экспрессию
генов-маркеров дорсальной
MESODERM и дает дорсальную
мезодерму, тогда как SMAD1, в ответ на BMP4, индуцирует другой набор
генов, которые специфицируют
формирование вентральной мезодермы и
поддерживают нейральную судьбу.
Эктопическая экспрессия SMAD1 или SMAD2
воспроизводит эффект этих дух групп
агонистов. Другим примером является
лево-правосторонняя асимметрия в
результате взаимодействия между BMP
и Nodal сигналами.
Дискретные структурные элементы в
киназных доменах рецепторов и MAD homology
MH2 домен SMAD предписывают
специфичность их взаимодействия и выбор
SMADs
SMAD2 и SMAD3 имеют почти идентичную первичную структуру, но у SMAD3 отсутствует вставка, которая присутствует в большинстве широко распространенных сплайс-форм SMAD2. Эта вставка соседствует с ДНК-связывающим элементом MH1 домена и препятсвует прямому контакту SMAD2 с ДНК. Рецепторы типа I в той же самой подгруппе м. также иметь функциональные различия в лиганд-связывающей специфичности, кинетике SMAD-фосфорилирования, взаимодействии с регуляторами или в активации альтернативных путей. Establishing a cellular contextАктивированный R-SMAD–SMAD4 комплекс,
достигнув ядра, останавливается перед
выбором из многих потенциальных генов-мишеней.
SMADs могут распознавать
последовательности ДНК CAGAC (и
определенные G+C-rich последовательности),
но без поддержки они неспособны к этому.
Если бы их сродство к CAGAC
последовательностям было высоким, то SMADs
декорироали бы всю хромосому. Нужны
ENHANCER ELEMENTS . Гипотетически
эта потребность выполняется
кооперативным связыванием SMAD олигомера
с contiguous CAGAC последовательностями,
расположенными на правильном
расстоянии друг от друга. Гены.
регулируемые таким образом будут
активироваться SMADs независимо от типа
клетокю Но это не так.
Получены доказательства, что
активированные SMADs достигают высокого
сродства в результате своего
взаимодействия с ДНК путем ассоциации с
ДНК-связанными кофакторами (Рис.1.) — структурно отличающимися белками,
способными одновременно контактировать
с R-SMAD и специфическими
последовательностями ДНК (Рис.3.). Эти белки д. экспрессироваться
только в некоторых типах клеток. Более
того, SMAD DNA-binding кофакторы участвуют в
сегрегации SMAD1 и SMAD2 путей в результате
специфического взаимодействия с SMADs fтолько
одной группы. При наличии специфических
последовательностей ДНК на точном
расстоянии от сайта CAGAC SMAD DNA-binding
кофакторы обеспечат избирательность
генов-мишеней. Adaptors and partnersОдна группа SMAD кофакторов, по-видимому,
функционирует как ДНК-связывающие
адапторы. Напр., белки OAZ (Olf-associated zinc finger) для SMAD1, и FAST (forkhead activin signal transducer)
и Mixer для SMAD2 (Рис.3). Эти факторы лишены
транскрипционной активности и их роль в
обеспечении контакта с ДНК
активированному комплексу SMAD.
Селективное распознавание этих
кофакторов и SMADs связано с
SMAD-interaction доменом (законсервированном в FAST
и Mixer, но другом в OAZ) и выступающим
элементом (α-helix 2) в MH2 домене SMADs (Box.1) . Как и в случае взаимодействия receptor–SMAD избирательность взаимодействия SMAD–кофактор предопределяется subtype-specific аминокислотными остатками в месте контакта. Др. группа белков, облегчающая
связывание SMAD binding промоторами
мишеней, являются транскрипционные
факторы, со своей способностью
рекрутировать ко-активаторы и
функционировать независимо от SMADs в
других контекстах. Напр., JUNB,
TFE3 (transcription factor binding to immunoglobulin heavy
constant mu enhancer 3),
core-binding factor A/acute myeloneous leukaemia (CBFA/
AML) белки и lymphoid enhancer-binding factor 1/T-cell-specific factor ( LEF1/TCF)
Choosing co-activators and corepressors Вторым важным выбором д.б. будет ли активрованный SMAD комплекс активровать или репрессировать экспрессию гена. SMADs связывают корепрессоры транскрпиции TG3-interacting factor ( TGIF), Sloan-Kettering Institute proto-oncogene (SKI ) и Ski-related novel gene N ( SnoN). Эти белки связывают histone deacetylases (HDACs), чьи эффекты ведут к конденсации хроматина промоторов генов-мишеней, что противоположно действию histone acetyltransferase (HAT), активрующей коактиваторы p300 и CBP. TGIF связывает SMAD2 и SMAD3 в конкуренции с p300, так что относительный уровень p300 и TGIF в клетке предопределит предоставит ли SMAD комплекс одинили другой гену мишени, то же самое и для SKI и SnoN. TGF-β ингибирует экспрессию многих генов и это м.б. обеспечено рекрутацией с помощью SMADs корепрессоров в регуляторную область некоторых из этих генов. Белки SKI и SnoN деградируют вскоре после стимуляции клетки TGF-β, но снова накапливаются позднее. TGIF, по-видимому, достигает максимального уровня, при котором TGF-β сигнал м. активровать транскрипцию. Мутации TGIF
вызывают holoprosencephaly ( HPE), defective bifurcation передних
нейральных структур, ведущая к циклопии
(single eye) и к оджиночному мозговому
желудочку. Обычно при этом имеетс
делеция одной копии гена или
гетерозиготность по
HYPOMORPHIC ALLELE . Боле того, TGIF м.
обеспечивать репрессию гена через
Nodal/SMAD2 путь, как в случае мутации у данио
cyclops (гомолог nodal) или у
комбинационных гетерозиготных Nodal и SMAD2
мышей, также дающих icyclopia.
Enlisting MAPK pathwaysSMADs являются субстратом только для TGF-β рецепторов и сигнальными
трансдукторами. Однако, TGF-β и BMP могут посылать сигналы
и через MAPK путь. Эффекты TGF-β и BMP на Jun N-terminal kinase ( JNK), p38 и ERK MAPKs существенно варьируют
по кинетике, величине и субтипу киназ в
зависимости от условий и
обнаруживаются только в некоторых из
многих клеточных линий. В некоторых
случаях имеются киназы, которые
активируются с помощью TGF-β с медленной кинетикой,
указывая тем самым, что это м.б.
задержанные непрямые эффекты. В др.
случаях активация быстрая. TGF-β активирует JNK быстро через MKK4 (MAP kinase kinase 4) в линии клеток
фибросаркомы или p38 через MKK3 в линии эпителиальных
клеток легких и почек
(Рис.4.) . Одним из contender для такой связи является TAK1 (TGF-β activated kinase), a MAPK kinase kinase (MAPKKK) член семейства, участвующий также в неродственном пути interleukin-1 и Wnt. Члены Rho family малых GTPases также участвуют в купировании TGF-β рецепторов с JNK активацией. Способность TGF-β увеличивать активность AP-1 ( Jun– Fos) комплексов через фосфорилирование c-Jun с помощью JNK, или активность CREB комплексов чрез фосфорилирование activating-transcription factor 2 ( ATF2) с помощью p38 м в принципе активировть , AP-1 или CREB-target гены. Индукция гена fibronectin с помощью TGF-β м.б. вызвана частично JNK и частично SMADs. TGF-β-activated MAPKs м конвергировать на SMADs. In vitro активированные SMADs м. ассоциировать с Jun или ATF2 комплексами. Более того, SMADs м. фосфорилироваться с помощью have been reported to be phosphorylated by JNK. Если MAPK путь м. модифицировать
активность комплексов SMAD, то значит, что
классические активаторы этого пути,
такие как цитокины (напр., tumour necrosis factor-α( TNF-α)) и клеточные стрессы (напр., ionizing
radiation or hyperosmolarity), могут также
модулировать активность SMAD
транскрипционных комплексов. И наоборот, TGF-β-индуцированные SMAD iвзаимодействия
с AP-1 и CREB м. модифицировать клеточные
ответы на др. цитокины и стрессовы
сигналы.
A signalling network at playРазличные стимулы контролируют экспрессию рецепторв TGF-β семейства. Передача сигналов growth factor hedgehog ( HH) репрессирует экспрессию Decapentaplegic ( DPP) рецептора thickveins в центральных регионах Drosophila melanogaster крыловых IMAGINAL DISC . Примером молекулы, которая прямо взаимодействует с функцией TGF-β-рецептора является SMAD7 (Рис. 2). Белок SMAD7 является дивергентным членом семейства SMAD , который м. связвааться как с TGF-β так и BMP рецепторами и интерферировать с фосфорилированием R-SMADs. В некоторых типах клеток экспрессия SMAD7 увеличивается в ответ на провоспалительные цитокины interferon-γ( IFN-γ) , действующий через janus kinase ( JAK) /signal transducer and activator of transcription (STAT) путь передачи сигнала и TNF-α, действующий через NF-κB (nuclear factor of κ-light polypeptide gene enhancer in B cells) путь (Рис.2). Увеличение уровня SMAD7 lвзаимодействует с фосфорилированием с помощью TGF-β рецептора SMAD3 и ингибирует передачу сигналов SMAD. Активность TGF-β и BMP путей также регулируется с помощью crosstalk на уровне активированных SMADs (Рис.2). Активация Ras–MEK–ERK пути с помощью сигналов рецептора фактора роста или с помощбю онкогенной мутации ras, ведет к ERK-опосредованному фосфорилированию SMAD1, SMAD2 и SMAD3. ERKs фосфорилирует SMADs в специфических сайтах в области связи MH1 и MH2 доменов. В ответ на epidermal growth factor (EGF), эти фосфориляции ослабляют накопление активированных SMADs в ядре до низких уровней TGF-β stimulation. При высоких уровнях TGF-β стимуляции, ERK-фосфорилированные SMADs накапливаются в больших количествах в ядре, но некоторые реакции на SMADs остаются нарушенными, это указывает на то. что ERK активация оказывает и др. эффекты на передачу сигналов SMAD. Crosstalk между SMAD и MAPK путями м.работать и в др. направлении. Напр., SMAD и wingless сигналы вместе позволяют гену отвечать на Ras/MAPK сигнал. FeedbackДр. важный источник регуляции
внутриклеточного TGF-β пути является негативная
петля обратной связи
(Рис.2.) . На уровне рецепторов, BMP осуществляет контроль с помощью негативной петли обратной связи через белок BAMBI (BMP and Activin membrane-bound inhibitor) — a укороченный, киназа-дефицитный рецептор типа I , который взаимодействует с BMP рецепторами и интерферирует с их активацией. Во время эмбриогенеза Xenopus, Bambi экспрессия перекрывается с экспрессией BMP4 и необходима для передачи сигналов BMP. Bambi является negative-feedback регулятором BMP пути. Другие формы негативной петли
обратной связи обеспечиваются
антогонистами
Многочисленные белки, такие как latency-associated protein (LAP), Follistatin, Noggin, Chordin и родственные факторы Caronte, Cerberus и Gremlin связывают факторы семейства TGF-β и предупреждают их контакт с сигнальными рецепторами. Несколько факторов, связанных с мембранами, включая Betaglycan, Endoglin и Crypto , по-видимому, облегчают связывание лиганда с TGF-β family рецепторами. Betaglycan облегчает связывание TGF-β с его сигнальным рецептором, но также облегчает и связывание Inhibin — антогониста Activin — с рецепторами Activin, снижая стимуляцию клеток активином. Белки, которые контролируют активацию членов семейства TGF-β или их доступ к рецепторам оболочки м. функционировать как медиаторы петли обратной связи или crosstalk control (Рис.2). Примером м. служить BMP-sequestering factor Caronte, чья экспрессия на левой латеральной пластинке мезодермы индуцируется с помощью SHH signalling у эмбрионов кур. BMP ингибитор Gremlin участвует в сходной регуляторной петле в ответ на сигналы SHHво время роста и формирования паттерна конечностей позвоночных. Экспресия др. ингибитора BMP , Noggin, увеличивается с помощью BMP в культуре CHONDROCYTE и OSTEOBLAST Quantitative signals, qualitative outputsВходящие импульсы, контролирующие
уровень SMAD сигнала м. оказывать
количественные и качественные эффекты.
А также регулирование амплитуды или
продолжительности SMAD ответа, некоторые
входящие импульсы м. активировать
разные наборы генов при разных
сигнальных порогах. Имеются
определенные гены, активируемые только
промежуточными уровнями сигналов. Напр.,
индукция разных судеб клеток разными
концентрациями Activin, добавляемого к
эксплантанам Xenopus
ECTODERM . Индукция различных
судеб в клетках является функцией
уровня рецептора Activin/Nodal, готового к
связыанию лиганда она частично
рекапитулируется инъекциями
увеличивающихся количеств транскриптов
SMAD2.
ERK-activated Ras путь заслуживает спец.
рассмотрения,т.к. он м. модифицировать путь
передачи сигналов TGF-β на разных уровнях
сигналы, которые встречают SMADs,
и переходят на уровень промоторов генов-мишеней,
м. квалифицировать как модификаторы SMAD
ответа. Многие онтогенетические
процессы находятся под объединенным
контролем пути SMAD и путей Wnt, hedgehog или Ras (Рис.2). Напр., LEF1/TCF, который активируется с
помощью Wnt/β-catenin пути и м.физически
взаимодейстовать
SMAD для активации некоторых промоторов. STAT3,
активируемый цитокином leukaemia
inhibitory factor (LIF), и SMAD1, активируется с
помощью BMP, м.б. связан мостиком через ко=активатор p300,
и это м. лежать в основесинергии
циокинов во время дифференцировки
мышиных нейроэпителиальных клеток в
ASTROCYTES
Self-regulating FGF-β signalsОтвет на SMAD-activating сигнала одной стадии м. предопределять ответ на тот же сигнал на другой стадии(Рис.5.) . Напр., если TGF-β м. индуцировать экспрессию членов семейства Jun и увеличивает активность JNKs, и если Jun-содержащий AP-1 комплекс м. модифицировать активность комплексов SMAD , то в принципе, по крайней мере, TGF-β будет менять конечный результат своего собственного SMAD пути, влияя на уровень AP-1 в клетке. Это приложимо и к CBFA/AML транскрипционным факторам ( CBFA1, CBFA2 и CBFA3; известных также как AML3, AML1, и AML2, соотв.) как к мишеням и партнерам, активируемых SMADs. CBFA3 участвует в активации в зародышевой линии гена IMMUNOGLOBULIN-αCONSTANT REGION ( IgC α с помощью TGF-β, который стимулирует ANTIBODY CLASS SWITCHING к IgA immunoglobulin в B клетках. Белок CBFA3 ассоциирует с SMAD3–SMAD4, а образующийся комплекс распознает и стимулирует промотор IgCα . Но это в свою очередь ведет к тому, что TGF-β усиливает экспрессию CBFA3 в В клетках селезенки, Этим самым устанавливается стадия для последующей совместной работы CBFA3 с SMADs (Рис.5.) . Более того, CBFA1 является критическим для дифференцировки остеобластов. Экспрессия CBFA1 усиливается с помощью BMP7 MESENCHYMAL клетках, которые могут, в свою очередь, увеличить способность BMP-активированного SMAD1 кооперировать с CBFA1 в транскрипционной активации генов дифференцировки остеобластов. Примером процесса само-модификации
пути передачи сигналов м. служить goosecoid
у эмбрионов Xenopus
(Рис.5.) . goosecoid является MESOENDODERMAL геном, чья экспрессия ограничена DORSAL MARGINAL ZONE ранней GASTRULA . Активация goosecoid in vivo в основном зависит от синергичного взаимодействия между проксимальным энхансерным элементом, который твечает на транскрипционный фактор Xtwn, и дистальным энхансерным элементов, который отвечает на SMAD2 и Mixer. И Mixer и Xtwn активируются частично с помощью SMAD2 сигналов. Mixer индуцируется с помощью Activin-подобного фактора, действующего через SMAD2, возможно с помощью FAST. Xtwn экспрессия активируется Wnt сигнальным путем через β-catenin и LEF1/TCF в кооперации с SMADs (Рис.5). |
|---|