BMP_FGF_Hh相关信号通路

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2014/8/24,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2014/8/24,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2014/8/24,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2014/8/24,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2014/8/24,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2014/8/24,#,单击此处编辑母版标题样式,BMP,信号通路,1,1 BMPs,BMP,是属于,TGF,超家族成员。,BMP,是一种二聚体分子，有,2,个单位和,1,个二硫键结合构成。其作用是在体内能够诱导成骨，在体外能够诱导成骨细胞的分化。,BMP,家族成员有,40,多个，根据结构和功能不同分为,3,个家族：,(1)BMP2,、,4,家族，包括,BMP2,、,BMP4,；,(2)OP1(osteogeninc protein1),家族，包括,BMP5,、,6,、,7,、,8,；,(3)GDF,5(growth differentiation factor5),家族，包括,GDF5,、,6,、,7,。,除,BMP1,外，其余是,TGF,的超家族成员。,BMP,的生物活性需要通过,BMP,的受体,(BMPR),的信号转导来发挥作用。,2,2 BMP,通路信号转导,TGF,超家族包括近三十个生长，分化因子。整合了,tgf-B,和,BMP,信号通路以及,nodal,和,activin,配体的信号传导。通路的最终信号分子几乎都指向,smad,家族，然后整合到,smad4,一个分子上。,如下图所示,2.1 TGF,超家族及其受体,3,TGF,超家整合了,TGF-B,和,BMP,信号通路以及,Nodal,和,ActivinA,配体的信号传导,4,TGF,家族信号转导首先是其配体与细胞膜上的,TGF,受体相结合。已知受体可分为,3,种，,I,型、,II,型和,III,型受体。,I,型和,II,型受体属于丝氨酸,/,苏氨酸,(Ser/Thr),激酶家族，大约为,55 kD,，,500,个,aa,和,70kD,570,个,aa,的跨膜糖蛋白。,II,型受体不能单独转导信号，而激活的,I,型受体可以单独转导信号。,II,型受体可以自动磷酸化，即在未与受体结合时就已经发生磷酸化。,III,型受体又叫附属受体，为,聚多糖,(glycan),， 一般在转导中促进活性的,TGF,配体与受体复合物的连接。,5,2.2 BMPs,受体,BMPs,有两类受体,I,型受体有,BMPRIA(ALK3),、,BMPR IB(ALK6),、,ActRL(ALK2,、,ALK1,、,ALK8),，在,I,型受体的丝氨酸,/,苏氨酸激酶结构区域的第和亚结构之间，存在着,Loop45(L45),结构域,其对细胞内信号转导起决定作用,II,型受体有,BMPRII,、,ActRIIA,、,ActRIIB,。,6,2.3 Smads,蛋白家族,Smads,蛋白家族结构与功能,Smads,的,N,端和,C,端含有保守的氨基酸序列，分别成为,MH1,和,MH2,结构区，中间是富含脯氨酸的连接区。,到目前为止，在哺乳动物中已经发现了,9,种，即,Smad 1,9,，可分为受体激酶,(Recepter regulated,Smad RSmad),、通用型,(Co,mediator Smad,CoSmad),和抑制型,(Inhibitory Smad,ISmad),。,如下,7,RSmad,包括,Smad 1,、,2,、,3,、,5,、,8,、,9,。,RSmads,又分为两类，由,TGF,激活的为,TGF RSmads,；和由,BMP,激活的为,BMP RSmads,。,RSmads,的,MH2,区存在着,L3(Loop3),，可与,TRI,与,BMPRI,相结合；,CoSmad,在哺乳动物中仅发现,Smad 4,。,Smad 4,的,MH2,区可与,R,Smads,相结合形成,RSmads/CoSmad,复合物；,ISmad,包括,Smad 6,、,7,，其,N,端不含有,MH 1,结构区域，可以与激活的,I,型受体结合，从而来抑制,TGF,超家族的信号转导。,8,2.4 TGF,/BMP,信号跨膜转导的实现过程,TGF,/BMP,信号跨膜转导的过程有,2,个阶段：,(1)TGF,s/BMPs,与受体的膜外结构域结合；,(2),丝氨酸,/,苏氨酸激酶的激活。,TGF,家族的配体先与相应的,TRII,识别结合，,TRII,被,TRI,所识别，形成,TRI,配体,TRII,异源三聚体，,TRII,蛋白激酶活性催化,TRI,的,GS,区,(,富含,Gly,和,Ser,的区域,),的丝氨酸,/,苏氨酸残基磷酸化。,BMP,受体的信号转导过程与,TGF,受体类似，所不同的是,BMPRI,可以直接与,BMP,的配体结合。,9,2.5 RSmads/CoSmad,复合物的形成,在胞内,RSmads/CoSmad,复合物的形成主要是由定位于膜上的,FYVE(fablp/yotp/vaclp/eeal),结构域包括,SARA(smad anchor for receptor activation,SARA),蛋白可将,RSmads,导给,TRI,复合物。,I,型受体磷酸化,RSmads,后，,RSmads,的构象发生变化，导致了与受体和,SARA,的分离。 同时,CoSmad,对磷酸化后,RSmads,的,MH2,区识别，形成,RSmads/CoSmad,异聚复合物，活性的,RSmads,与,CoSmad,结合后向核内移动。,10,核内载体蛋白,Importin ,参与,RSmads,的核内移。如,Smad 3,，它在核内移动的关键是其具有保守的,NLS,序列；与,Smad 4,结合形成,Smad 3/Smad 4,复合物，,Smad 3/Smad 4,复合物入核之后，通过,Smad 3/Smad 4,的,MH1,的发夹,(hairpin),样结构与,DNA,上的,SBE (smads binding element,SBE),结合，在其它转录因子的协同作用下使与,DNA,紧密结合，调节靶基因的转录，实现信号转导。,11,BMP,信号通路示意图,12,3,有关,TGF/BMP,转导通路的调节,在胞膜外有,LAP(latency associated polypeptide, LAP),蛋白与,TGF,结合，卵泡抑素,(follistatin,，,FST),与,BMPs,结合而产生抑制受体与配体结合作用；,glycan,可以促进,TGF,与,II,型受体的接触。对于,TR,与,Smad,的连接主要有,SARA,蛋白参与调节。,一般认为,Smad 6,优先抑制,BMP,的信号转导，,Smad 7,主要抑制,TGF,的信号转导。,13,其中,Smad 6,主要是有以下几条途径发挥作用：,(1),与,Smad 1,、,5,、,8,竞争性抑制,BMP,的,I,型受体导致,BMP,信号抑制；,(2),与,TAKI(TGF,activated kinase,TAKI),结合，,BMP,诱导的,P38/MAKP,的激活；,(3),与,Smad4,竞争性结合,Smad 1,从而阻止的形,成复合体,RSmads/CoSmad,；,14,而,Smad7,具有于其他信息分子不同的负性调节作用，在,TGF,刺激的情况下,Smad7,从细胞核中出核，通过聚,GADD34(growth arrest and DNA damage nducible gene,GADD),复合物，作用在,TGF,I,型受体上，使之失去磷酸化而失活,Smad 7,还可与泛素,蛋白酶系统作用对,TGF,/Smad,信号转导进行调节。,15,4 E3,泛素连接酶参与,Smads,信号转导,细胞浆中的,Smads,蛋白被染色质释放后通过核小体表面蛋白途径进行降解的。另外通过泛素蛋白酶途径使,TGF,/Smads,的转导结束。,Smad,泛素调节因子,1,、,2 (Smad ubiquitin regulatory factor 1/2,，,Smurf1/2),属于,E3,泛素连接酶家族。,16,Smurf 1,主要与,Smad 1,、,5,起作用，,Smurf 2,主要与,Smad 2,、,3,相互作用。,Smurf 1,与,Smad 6/7,在细胞核内结合，再由,Importin,蛋白家族一种出核因子,CRM 1(chromosome maintenance region 1),相互作用引发,BMP,信号蛋白的降解。,Smad 7,可与,Smurf 2,结合, IFN(interferon, IFN,),诱导,Smad 7/Smurf 2,复合体的形成。转录激活因子,P300,易于与,E3,泛素连接酶结合启动,Smad 3,的降解。,17,5 Smads,蛋白介导的信号通路网络,TGF,的激活还可以有其它信号转导通路，通路与通路之间的相互作用形成信号通路网络。,如,BMP2/4,和,TGF,能激活,JUK/P38/MAPK,通路，能与,Smads,蛋白协同调节多能干细胞,C2C12 Runx2,基因的表达。因此，,MAPK,具有对成骨细胞的调节作用。,18,另外,Notch,通路是最近发现的，其受到,BMP2,和,TGF,的调节，,Notch,的基因包括,Lfng Hey1,和,Hes1,，其主要功能是成骨细胞分化。还有,Runx 2,是,BMP,信号转导中的重要因子，主要对传导通路抑制调节起作用。,19,FGF,信号通路,20,1,、,Nodal,的受体是,TGF,家族和,CFC,构成的复合体。,2,、,Smad2/3,和,FoxH1,共同做为许多基因的转录调控因子。,FGF,信号通路示意图,21,FGF,信号通路在中胚层的形成和塑型过程中发挥了重要作用。,FGF,首先与其膜受体,FGFRs,结合，,FGFRs,属于跨膜酪氨酸受体类成员，其与配体结合后发生二聚体化，并被磷酸化激活,其激活下游信号主要有两条通路：一条是通过磷酸化激活,PLCy,，生成第二信使,IP3,、,DAG,，并引起,ca2+,浓度升高，,PKC,活化等一系列下游反应；另一条是激活,Ras,Raf-1,MEK,ERK,通路，以调节细胞的生长和分化”。,FGF,信号在心脏前体的特化中都起了重要作用,22,FGF,和,BMP,对心脏特异基因调节示意图,23,Hedgehog,信号通路,24,1 Hedgehog,基因及,Hh,蛋白,Hedgehog,基因是一种分节极性基因， 因突变的果蝇胚胎呈多毛团状，酷似受惊刺猬而得名。,哺乳动物中存在三个,Hedgehog,的同源基因：,SonicHedgehog(SHH),、,Indian Hedgehog(IHH),和,Desert Hedgehog(DHH),，分别编码,Shh,、,Ihh,和,Dhh,蛋白。,25,以上,三种,Hh,蛋白可以相互代替，但是它们都有自己独特的功能。,Shh,是一种细胞内信号分子，在发育过程中有多种功能，在胚胎诱导、模式形成和细胞增殖中起作用。,Dhh,和,Ihh,的作用较为严格，,Dhh,在精子发生及生殖细胞的迁移中起作用，,Ihh,调节软骨细胞和成骨细胞的分化，在早期妊娠子宫上皮中作为基质细胞一个旁分泌生长因子起作用。,26,2 He d g e h o g,通路的信号转导,Hh,蛋白家族成员均由两个结构域组成：氨基端结构域,(Hh-N),及羧基端结构域,(Hh-C),，其中,Hh-N,有,Hh,蛋白的信号活性，而,Hh-C,则具有自身蛋白水解酶活性及胆固醇转移酶功能。,Hh,前体蛋白在内质网中通过自身催化分裂成,Hh-N,及,Hh-C,两部分，其中,Hh-C,共价结合胆固醇分子、并将其转移到,Hh-N,的羧基端，随后在酰基转移酶的作用下,Hh-N,氨基端的半胱氨酸发生棕榈酰化。,2.1 Hh,的脂类修饰,-,棕榈酰化,27,Hh,蛋白只有通过这些翻译后的修饰过程才能获得完全功能。,Hh,的这种脂类修饰可能使它们定位于作为细胞膜内起分类和信号转导平台作用的微区域脂类筏上 ，从而更有效地指导下游信号的传递。,28,2.2 Hh,信号传递,Hh,信号传递受靶细胞膜上两种受体,Patched(Ptc),和,Smoothened(Smo),的控制。,受体,Ptc,由肿瘤抑制基因,Patched,编码，是由,12,个跨膜区的单一肽链构成，能与配体直接结合，对,Hh,信号起负调控作用。,29,受体,Smo,由原癌基因,Smothened,编码，与,G,蛋白偶联受体同源，由,7,个跨膜区的单一肽链构成，,N,端位于细胞外，,C,端位于细胞内，跨膜区氨基酸序列高度保守，,C,末端的丝氨酸与苏氨酸残基为磷酸化部位，蛋白激酶催化时结合磷酸基团。该蛋白家族成员只有当维持全长时才有转录启动子的功能，启动下游靶基因的转录；当羧基端被蛋白酶体水解后，就形成转录抑制子，抑制下游靶基因的转录。,Smo,是,Hh,信号传递所必须的受体。,在无,Hh,、,Ptc,的情况下，激活,Smo,可导致,Hh,靶基因的活化；基因,Smo,突变时，可出现与,Hh,基因突变相同的表征。,30,2.3,参与,Hh,信号通路的核内因子,目前发现的参与,Hh,信号转导的核内因子包括转录因子,Ci,Gli,、丝氨酸苏氨酸蛋白激酶,Fused(Fu),、,Fu,抑制剂,(SuFu),、类运动蛋白,Costal-2(Cos2),、蛋白激酶,A(PKA),等。其中,Ci,Gli,、,Fu,起正调控作用，,Cos 2,、,PKA,起负调控作用。,31,Gli,蛋白家族成员是较大的多功能的转录因子，属于,C2H2,型锌指结构蛋白。在正常情况下，,Ptc,抑制,Smo,蛋白活性，从而抑制下游通路，这时下游的,Gli,蛋白在蛋白酶体,(Proteasome),内被截断，并以羧基端被截断的形式进入细胞核内，抑制下游靶基因的转录。,当,Ptc,和,Hh,结合以后，解除对,Smo,的抑制作用，促使,Gli,蛋白与,PKA,及一些未知因子与微管形成大分子复合物，使得全长,Gli,蛋白进入核内激活下游靶基因转录。,32,另外，,Hh-Gli,通路可以诱导,Ptc,的转录，形成负反馈的调控环。当,Ptc,发生突变或缺失时、或是,Smo,突变导致对,Ptc,的抑制作用不敏感致使基因活化，致使,Hh,信号通路失控，使,Gli,持续激活、启动靶 基因转录。,在正常时，,Ptc,蛋白抑制跨膜蛋白,Smo,的活性。,Hh,结合,Ptc,后释放,Smo,来阻断,Ptc,蛋白的功能，并通过潜伏的,Gli,家属转译因子激活转译靶分子。,Gli,蛋白可以通过与,Su(fu),蛋白的抑制物的结合来调节。,33,Hh,信号通路示意图,34,3.Hh,信号通路在动物发育中的作用,Hedgehog,家族与动物发育的许多过程有关，包括与果蝇幼虫体节极性的形成及成虫附肢等器官的形成有关。在脊椎动物胚胎诱导 、模式形成和许多不同组织的形态发生中起作用。,如在鸡的胚胎左右轴的不对称性形成研究中发现，在亨氏节的左侧表达的,Shh,能诱导原节左侧特异基因的表达，所以,Shh,在鸡中被作为一个左侧的决定子。而在小鼠中,shh,作为,lefty -1,的上游基因在原节和中线的左侧表达，,Shh,突变小鼠胚胎表现为左侧特异的基因在右侧的异位表达。,Hh,信号还影响心脏和内脏等多种器官的不对称性， 不同器官对于中线来源信号的级联反应的应答是独立的。,35,另外 ，,Hh,信号的异常活化可以导致发育异常及基底细胞痣综合征和前脑无裂畸变等一些严重的疾病的发生。,Hh,信号的丢失或减弱亦会导致靶基因的激活或抑制，从而可能导致各种发育缺陷、 功能的缺失及癌症发生。,36,