BMP-FGF-Hh相关信号通路

1、BMP信号通路编辑课件1 BMPsBMP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)GDF5(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。编辑课件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超家族及其受体编辑课件TGF超家整合了TGF-B和BMP信号通路以及Nodal和 ActivinA配体的信号传导编辑课件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

3、。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。编辑课件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。编辑课件2.3 Smads蛋白家

4、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 19，可分为受体激酶(Recepter regulated,Smad RSmad)、通用型(Comediator Smad,CoSmad)和抑制型(Inhibitory Smad,ISmad)。如下编辑课件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

5、BMPRI相结合；CoSmad在哺乳动物中仅发现Smad 4。Smad 4的MH2区可与RSmads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。编辑课件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)TGFs/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

6、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。编辑课件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RSma

7、ds/CoSmad异聚复合物，活性的RSmads与CoSmad结合后向核内移动。编辑课件核内载体蛋白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。编辑课件BMP信号通路示意图编辑课件3 有关TGF/BMP转导通路的调节

8、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。编辑课件其中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(TGFactivated kinase,TAKI)结合，BMP诱导的P

9、38/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；编辑课件而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TGFI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。编辑课件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

10、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。编辑课件 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

11、录激活因子P300易于与E3泛素连接酶结合启动Smad 3的降解。编辑课件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。编辑课件另外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。编辑课件FGF信号通

12、路编辑课件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信号通路示意图编辑课件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RasRaf-1MEKERK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编辑课件FGF和BMP

13、对心脏特异基因调节示意图编辑课件Hedgehog信号通路编辑课件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。编辑课件以上三种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

14、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。编辑课件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-棕榈酰化编辑课件Hh蛋白只有通过这些翻

15、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。 编辑课件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。编辑课件受体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

16、，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。 编辑课件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CiGli、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CiGli、Fu起正调控作用，Cos 2、PKA

17、起负调控作用。编辑课件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。编辑课件另外，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。编辑课件Hh信号通路示意图编辑课件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