BMP-FGF-Hh相關(guān)信號通路

1、BMP信號通路編輯課件1 BMPsBMP是屬于TGF超家族成員。BMP是一種二聚體分子，有2個單位和1個二硫鍵結(jié)合構(gòu)成。其作用是在體內(nèi)能夠誘導成骨，在體外能夠誘導成骨細胞的分化。BMP家族成員有40多個，根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能不同分為3個家族：(1)BMP2、4家族，包括BMP2、BMP4； (2)OP1(osteogeninc protein1)家族，包括BMP5、6、7、8；(3)GDF5(growth differentiation factor5)家族，包括GDF5、6、7。除BMP1外，其余是TGF的超家族成員。BMP的生物活性需要通過BMP的受體(BMPR)的信號轉(zhuǎn)導來發(fā)揮作用。編輯課件2

2、 BMP通路信號轉(zhuǎn)導TGF超家族包括近三十個生長，分化因子。整合了tgf-B和BMP信號通路以及nodal和 activin配體的信號傳導。通路的最終信號分子幾乎都指向smad家族，然后整合到smad4一個分子上。如下圖所示2.1 TGF超家族及其受體編輯課件TGF超家整合了TGF-B和BMP信號通路以及Nodal和 ActivinA配體的信號傳導編輯課件TGF家族信號轉(zhuǎn)導首先是其配體與細胞膜上的TGF受體相結(jié)合。已知受體可分為3種，I型、II型和III型受體。I型和II型受體屬于絲氨酸/ 蘇氨酸(Ser/Thr)激酶家族，大約為55 kD ，500個aa和70kD,570個aa 的跨膜糖蛋白

3、。II型受體不能單獨轉(zhuǎn)導信號，而激活的I 型受體可以單獨轉(zhuǎn)導信號。II型受體可以自動磷酸化，即在未與受體結(jié)合時就已經(jīng)發(fā)生磷酸化。III型受體又叫附屬受體，為聚多糖(glycan)， 一般在轉(zhuǎn)導中促進活性的TGF配體與受體復合物的連接。編輯課件2.2 BMPs受體BMPs有兩類受體I型受體有BMPRIA(ALK3)、BMPR IB(ALK6)、ActRL(ALK2、ALK1、ALK8)，在I型受體的絲氨酸/蘇氨酸激酶結(jié)構(gòu)區(qū)域的第和亞結(jié)構(gòu)之間，存在著 Loop45(L45)結(jié)構(gòu)域,其對細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導起決定作用II型受體有BMPRII、ActRIIA、ActRIIB。編輯課件2.3 Smads蛋白家

4、族Smads蛋白家族結(jié)構(gòu)與功能Smads的N端和C端含有保守的氨基酸序列，分別成為MH1和MH2結(jié)構(gòu)區(qū)，中間是富含脯氨酸的連接區(qū)。到目前為止，在哺乳動物中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了9種，即Smad 19，可分為受體激酶(Recepter regulated,Smad RSmad)、通用型(Comediator Smad,CoSmad)和抑制型(Inhibitory Smad,ISmad)。如下編輯課件RSmad包括Smad 1、2、3、5、8、9。RSmads又分為兩類，由TGF激活的為TGF RSmads；和由BMP激活的為BMP RSmads。 RSmads的MH2區(qū)存在著L3(Loop3)，可與TRI與

5、BMPRI相結(jié)合；CoSmad在哺乳動物中僅發(fā)現(xiàn)Smad 4。Smad 4的MH2區(qū)可與RSmads相結(jié)合形成RSmads/CoSmad復合物；ISmad包括Smad 6、7，其N端不含有MH 1結(jié)構(gòu)區(qū)域，可以與激活的I型受體結(jié)合，從而來抑制TGF超家族的信號轉(zhuǎn)導。編輯課件2.4 TGF/BMP信號跨膜轉(zhuǎn)導的實現(xiàn)過程 TGF/BMP信號跨膜轉(zhuǎn)導的過程有2個階段：(1)TGFs/BMPs與受體的膜外結(jié)構(gòu)域結(jié)合； (2)絲氨酸/蘇氨酸激酶的激活。TGF家族的配體先與相應(yīng)的TRII識別結(jié)合，TRII被TRI所識別，形成TRI配體TRII異源三聚體，TRII蛋白激酶活性催化TRI的GS區(qū)(富含Gly和

6、Ser的區(qū)域)的絲氨酸/蘇氨酸殘基磷酸化。BMP受體的信號轉(zhuǎn)導過程與TGF受體類似，所不同的是BMPRI可以直接與BMP的配體結(jié)合。編輯課件2.5 RSmads/CoSmad復合物的形成在胞內(nèi)RSmads/CoSmad復合物的形成主要是由定位于膜上的FYVE(fablp/yotp/vaclp/eeal)結(jié)構(gòu)域包括SARA(smad anchor for receptor activation,SARA)蛋白可將RSmads導給TRI復合物。I型受體磷酸化RSmads后，RSmads的構(gòu)象發(fā)生變化，導致了與受體和SARA的分離。 同時CoSmad對磷酸化后RSmads的MH2區(qū)識別，形成RSma

7、ds/CoSmad異聚復合物，活性的RSmads與CoSmad結(jié)合后向核內(nèi)移動。編輯課件核內(nèi)載體蛋白Importin 參與RSmads的核內(nèi)移。如Smad 3，它在核內(nèi)移動的關(guān)鍵是其具有保守的NLS序列；與Smad 4結(jié)合形成Smad 3/Smad 4復合物，Smad 3/Smad 4復合物入核之后，通過Smad 3/Smad 4的MH1的發(fā)夾(hairpin)樣結(jié)構(gòu)與DNA上的SBE (smads binding element,SBE)結(jié)合，在其它轉(zhuǎn)錄因子的協(xié)同作用下使與DNA緊密結(jié)合，調(diào)節(jié)靶基因的轉(zhuǎn)錄，實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)導。編輯課件BMP信號通路示意圖編輯課件3 有關(guān)TGF/BMP轉(zhuǎn)導通路的調(diào)節(jié)

8、在胞膜外有LAP(latency associated polypeptide, LAP)蛋白與TGF結(jié)合，卵泡抑素(follistatin，F(xiàn)ST)與BMPs結(jié)合而產(chǎn)生抑制受體與配體結(jié)合作用；glycan可以促進 TGF與II型受體的接觸。對于TR與Smad的連接主要有SARA蛋白參與調(diào)節(jié)。一般認為Smad 6優(yōu)先抑制BMP的信號轉(zhuǎn)導，Smad 7主要抑制TGF的信號轉(zhuǎn)導。編輯課件其中Smad 6主要是有以下幾條途徑發(fā)揮作用： (1)與Smad 1、5、8競爭性抑制BMP的I 型受體導致BMP信號抑制； (2)與TAKI(TGFactivated kinase,TAKI)結(jié)合，BMP誘導的P

9、38/MAKP的激活； (3)與Smad4競爭性結(jié)合Smad 1從而阻止的形成復合體RSmads/CoSmad；編輯課件而Smad7具有于其他信息分子不同的負性調(diào)節(jié)作用，在TGF刺激的情況下Smad7從細胞核中出核，通過聚GADD34(growth arrest and DNA damage nducible gene,GADD)復合物，作用在TGFI型受體上，使之失去磷酸化而失活Smad 7還可與泛素蛋白酶系統(tǒng)作用對TGF/Smad信號轉(zhuǎn)導進行調(diào)節(jié)。編輯課件4 E3泛素連接酶參與Smads信號轉(zhuǎn)導細胞漿中的Smads蛋白被染色質(zhì)釋放后通過核小體表面蛋白途徑進行降解的。另外通過泛素蛋白酶途徑使

10、TGF/Smads的轉(zhuǎn)導結(jié)束。Smad泛素調(diào)節(jié)因子1、2 (Smad ubiquitin regulatory factor 1/2，Smurf1/2)屬于E3泛素連接酶家族。編輯課件 Smurf 1主要與Smad 1、5起作用，Smurf 2主要與Smad 2、3相互作用。Smurf 1與Smad 6/7在細胞核內(nèi)結(jié)合，再由Importin蛋白家族一種出核因子CRM 1(chromosome maintenance region 1)相互作用引發(fā)BMP信號蛋白的降解。Smad 7可與Smurf 2結(jié)合, IFN(interferon, IFN)誘導Smad 7/Smurf 2復合體的形成。轉(zhuǎn)

11、錄激活因子P300易于與E3泛素連接酶結(jié)合啟動Smad 3的降解。編輯課件5 Smads蛋白介導的信號通路網(wǎng)絡(luò)TGF的激活還可以有其它信號轉(zhuǎn)導通路，通路與通路之間的相互作用形成信號通路網(wǎng)絡(luò)。如BMP2/4和TGF能激活JUK/P38/MAPK通路，能與Smads蛋白協(xié)同調(diào)節(jié)多能干細胞C2C12 Runx2基因的表達。因此，MAPK具有對成骨細胞的調(diào)節(jié)作用。編輯課件另外Notch通路是最近發(fā)現(xiàn)的，其受到BMP2和TGF的調(diào)節(jié)，Notch的基因包括Lfng Hey1和Hes1，其主要功能是成骨細胞分化。還有Runx 2是BMP信號轉(zhuǎn)導中的重要因子，主要對傳導通路抑制調(diào)節(jié)起作用。編輯課件FGF信號通

12、路編輯課件1、Nodal的受體是TGF家族和CFC構(gòu)成的復合體。2、Smad2/3和FoxH1共同做為許多基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。FGF信號通路示意圖編輯課件FGF信號通路在中胚層的形成和塑型過程中發(fā)揮了重要作用。FGF首先與其膜受體FGFRs結(jié)合，F(xiàn)GFRs屬于跨膜酪氨酸受體類成員，其與配體結(jié)合后發(fā)生二聚體化，并被磷酸化激活其激活下游信號主要有兩條通路：一條是通過磷酸化激活PLCy，生成第二信使IP3、DAG，并引起ca2+濃度升高，PKC活化等一系列下游反應(yīng)；另一條是激活RasRaf-1MEKERK通路，以調(diào)節(jié)細胞的生長和分化”。FGF信號在心臟前體的特化中都起了重要作用編輯課件FGF和BMP

13、對心臟特異基因調(diào)節(jié)示意圖編輯課件Hedgehog信號通路編輯課件1 Hedgehog基因及Hh蛋白Hedgehog基因是一種分節(jié)極性基因， 因突變的果蠅胚胎呈多毛團狀，酷似受驚刺猬而得名。哺乳動物中存在三個Hedgehog的同源基因：SonicHedgehog(SHH)、Indian Hedgehog(IHH)和Desert Hedgehog(DHH)，分別編碼Shh、Ihh和Dhh蛋白。編輯課件以上三種Hh蛋白可以相互代替，但是它們都有自己獨特的功能。Shh是一種細胞內(nèi)信號分子，在發(fā)育過程中有多種功能，在胚胎誘導、模式形成和細胞增殖中起作用。Dhh和Ihh的作用較為嚴格，Dhh在精子發(fā)生及生

14、殖細胞的遷移中起作用，Ihh調(diào)節(jié)軟骨細胞和成骨細胞的分化，在早期妊娠子宮上皮中作為基質(zhì)細胞一個旁分泌生長因子起作用。編輯課件2 He d g e h o g通路的信號轉(zhuǎn)導Hh蛋白家族成員均由兩個結(jié)構(gòu)域組成：氨基端結(jié)構(gòu)域(Hh-N)及羧基端結(jié)構(gòu)域(Hh-C)，其中Hh-N有Hh蛋白的信號活性，而Hh-C則具有自身蛋白水解酶活性及膽固醇轉(zhuǎn)移酶功能。Hh前體蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中通過自身催化分裂成 Hh-N及Hh-C兩部分，其中Hh-C共價結(jié)合膽固醇分子、并將其轉(zhuǎn)移到Hh-N的羧基端，隨后在?；D(zhuǎn)移酶的作用下Hh-N氨基端的半胱氨酸發(fā)生棕櫚酰化。2.1 Hh的脂類修飾-棕櫚?；庉嬚n件Hh蛋白只有通過這些翻

15、譯后的修飾過程才能獲得完全功能。Hh的這種脂類修飾可能使它們定位于作為細胞膜內(nèi)起分類和信號轉(zhuǎn)導平臺作用的微區(qū)域脂類筏上 ，從而更有效地指導下游信號的傳遞。 編輯課件2.2 Hh信號傳遞Hh信號傳遞受靶細胞膜上兩種受體Patched(Ptc)和Smoothened(Smo)的控制。受體Ptc由腫瘤抑制基因Patched編碼，是由12個跨膜區(qū)的單一肽鏈構(gòu)成，能與配體直接結(jié)合，對Hh信號起負調(diào)控作用。編輯課件受體Smo由原癌基因Smothened 編碼，與G蛋白偶聯(lián)受體同源，由7個跨膜區(qū)的單一肽鏈構(gòu)成，N端位于細胞外，C端位于細胞內(nèi)，跨膜區(qū)氨基酸序列高度保守，C 末端的絲氨酸與蘇氨酸殘基為磷酸化部位

16、，蛋白激酶催化時結(jié)合磷酸基團。該蛋白家族成員只有當維持全長時才有轉(zhuǎn)錄啟動子的功能，啟動下游靶基因的轉(zhuǎn)錄；當羧基端被蛋白酶體水解后，就形成轉(zhuǎn)錄抑制子，抑制下游靶基因的轉(zhuǎn)錄。Smo是Hh信號傳遞所必須的受體。在無Hh、Ptc的情況下，激活Smo可導致Hh靶基因的活化；基因Smo突變時，可出現(xiàn)與Hh基因突變相同的表征。 編輯課件2.3 參與Hh信號通路的核內(nèi)因子目前發(fā)現(xiàn)的參與Hh信號轉(zhuǎn)導的核內(nèi)因子包括轉(zhuǎn)錄因子CiGli、絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶Fused(Fu)、Fu抑制劑(SuFu)、類運動蛋白 Costal-2(Cos2)、蛋白激酶A(PKA)等。其中CiGli、Fu起正調(diào)控作用，Cos 2、PKA

17、起負調(diào)控作用。編輯課件Gli蛋白家族成員是較大的多功能的轉(zhuǎn)錄因子，屬于C2H2型鋅指結(jié)構(gòu)蛋白。在正常情況下，Ptc抑制Smo蛋白活性，從而抑制下游通路，這時下游的Gli蛋白在蛋白酶體(Proteasome)內(nèi)被截斷，并以羧基端被截斷的形式進入細胞核內(nèi)，抑制下游靶基因的轉(zhuǎn)錄。當Ptc和Hh結(jié)合以后，解除對Smo的抑制作用，促使Gli蛋白與PKA及一些未知因子與微管形成大分子復合物，使得全長Gli蛋白進入核內(nèi)激活下游靶基因轉(zhuǎn)錄。編輯課件另外，Hh-Gli通路可以誘導Ptc的轉(zhuǎn)錄，形成負反饋的調(diào)控環(huán)。當Ptc發(fā)生突變或缺失時、或是Smo突變導致對Ptc的抑制作用不敏感致使基因活化，致使Hh信號通路失控，使Gli持續(xù)激活、啟動靶 基因轉(zhuǎn)錄。在正常時，Ptc蛋白抑制跨膜蛋白Smo的活性。Hh結(jié)合Ptc后釋放Smo來阻斷Ptc蛋白的功能，并通過潛伏的Gli家屬轉(zhuǎn)譯因子激活轉(zhuǎn)譯靶分子。 Gli蛋白可以通過與Su(fu)蛋白的抑制物的結(jié)合來調(diào)節(jié)。編輯課件Hh信號通路示意圖編輯課件3.Hh信號通路在動物發(fā)育中的作用Hedgehog家族與動物發(fā)育的許多過程有關(guān)，包括與果蠅幼蟲體節(jié)極性的形成及成蟲附肢等器官的形成有關(guān)。在脊椎動物胚胎誘導 、模式形成和許多不同組織的形態(tài)發(fā)生中起作用。如在雞的胚胎左右軸的不