Koštanomorfogenetski protein 4 jest protein koji je kod ljudi kodiran genom BMP4 sa hromosoma 14, sekvenca 14q22-q23.
Otkriće Koštanomorfogenetski proteini su prvobitno identifikovani sposobnošću demineralizovanog ekstrakta kostiju da indukuje endohrskavičnu osteogenezu in vivo na vanskeletnom mjestu.
Aminokiselinska sekvenca Dužina polipeptidnog lanca je aminokiselina, a molekulska težina Da.
1020304050 MIPGNRMLMVVLLCQVLLGGASHASLIPETGKKKVAEIQGHAGGRRSGQS HELLRDFEATLLQMFGLRRRPQPSKSAVIPDYMRDLYRLQSGEEEEEQIH STGLEYPERPASRANTVRSFHHEEHLENIPGTSENSAFRFLFNLSSIPEN EVISSAELRLFREQVDQGPDWERGFHRINIYEVMKPPAEVVPGHLITRLL DTRLVHHNVTRWETFDVSPAVLRWTREKQPNYGLAIEVTHLHQTRTHQGQ HVRISRSLPQGSGNWAQLRPLLVTFGHDGRGHALTRRRRAKRSPKHHSQR ARKKNKNCRRHSLYVDFSDVGWNDWIVAPPGYQAFYCHGDCPFPLADHLN STNHAIVQTLVNSVNSSIPKACCVPTELSAISMLYLDEYDKVVLKNYQEM VVEGCGCR
Struktura proteina Dajući aktivni karboksi-terminalni peptid od 116 ostataka, ljudski BMP4 se inicijalno sintetizira kao preprotein od 40% ostatka koji se cijepa nakon translacije. BMP4 ima sedam ostataka koji su konzervirani i glikozilirani. Monomeri se drže disulfidnim mostovima i tri para cisteinskih aminokiselina. Ova konformacija naziva se "cistinski čvor". BMP4 može formirati homodimere ili heterodimere sa sličnim BMPS. Jedan primjer za to je BMP7. Ova sposobnost stvaranja homodimera ili heterodimera daje mogućnost veće osteoinduktivne aktivnosti nego samog BMP4. Još se ne zna mnogo o tome kako BMPS stupa u interakciju sa vanćelijskim matriksom. Isto tako, malo se zna o putevima koji zatim razgrađuju BMP4. thumb|BMP4 put transdukcije signala. BMP4 koristi puteve transdukcije Smad i MAPK signala, kako bi izmijenio transkripciju svojih ciljnih gena.
Funkcija BMP4 je član porodice koštanomorfogenetskih proteina koja je dio natporodice transformirajućih faktora rasta-beta. Natporodica uključuje velike porodice faktora rasta i diferencijacije. BMP4 je evolucijski visoko konzerviran. Nalazi u ranom embrionskom razvoju u ventralnoj marginalnoj zoni i u očima, srčanoj krvi i ušnoj vezikuli.
BMP4 također ograničava stepen do kojeg dolazi do nervne diferencijacije u embrionima ksenopusa izazivanjem epiderme. Mogu pomoći u indukciji bočnih karakteristika u somitima. Somiti su potrebni za razvoj struktura kao što su mišići udova. BMP4 pomaže u oblikovanju glave u razvoju iako izaziva apoptoze ćelija nerevnog grebena ćelije; ovo se dešava u zadnjem mozgu.Graham et al., 1994
Kod odraslih, BMP4 je važan za neurogenezu (tj. stvaranje novih neurona) koja se javlja tokom života u dvije neurogene niše mozga, dentatni girus hipokampusa i subventrikulskoj zoni (SVZ) uz bočne komore. U ovim nišama, novi neuroni se kontinuirano stvaraju iz matičnih ćelija. U stvari, pokazalo se da u dentatnom girusu BMP4 održava nervne matične ćelije u mirovanju, čime se sprečava iscrpljivanje pula matičnih ćelija. U SVZ, BMP posredovana signalizacija putem Smad4 je potrebna za pokretanje neurogeneze iz odraslih nervnih matičnih ćelija i potiskivanje alternativne sudbine oligodendrogliogeneze. Štaviše, pokazalo se da u SVZ BMP4 ima diferencijativni učinak, jer sprečava defekt terminalne diferencijacije u SVZ neurosferama gdje je deletira gen Tis21/BTG2 –x potreban za terminalnu diferencijaciju. Tis21 is a positive regulator of BMP4 expression in the SVZ.
BMP4 je važan za metabolizam kostiju i hrskavice. BMP4 signalizacija je pronađena u formiranju ranih mezodermnih i zametnih ćelija. Regulacija pupoljaka ekstremiteta i razvoj pluća, jetre, zuba i mezenhimskih ćelija lica su druge važne funkcije koje se pripisuju signalizaciji BMP4-a. Na formiranje prstiju utiče BMP4, zajedno sa drugim BMP signalima. Interdigitalni mezenhim pokazuje BMP4, koji sprečava apoptozu regije. Formiranje zuba se oslanja na ekspresiju BMP4, koja indukuje Msx 1 i 2. Ovi faktori transkripcije pretvaraju formirani zub da postane i sjekutić.
BMP4 također ima važnu ulogu u masnom tkivu: neophodan je za adipogenezu bijelog masnog tkiva i promovira diferencijaciju adipocita. Osim toga, važan je i za smeđu mast, gdje indukuje UCP1, povezan sa termogenezom bez drhtanja.
Izlučivanje BMP4 pomaže u diferencijaciji pupoljka uretera u mokraćovod.
BMP4 antagonizira tkivo organizatora i eksprimira se u ranom razvoju u tkivu ektoderma i mezoderma. Nakon gastrulacije, transkripcija BMP4 je ograničena na ventrolateralnu marginalnu zonu, zbog inhibicije sa dorzalne strane embriona u razvoju. BMP4 pomaže u ventralizaciji mezoderma, koji vodi formiranje dorzalno-ventralne ose. U rodu Xenopus, za BMP4 otkriveno je da pomaže u formiranju krvi i krvnih ostrva.
BMP4, prvobitno eksprimiran u epidermi, tokom formiranja nervne cijevi, nalazi se u krovnoj ploči. Gradijent BMP signalizacije nalazi se u suprotnosti sa gradijentom zvučnog ježa. Ova ekspresija BMP4 oblikuje dorzalne neurone.
BMP4, zajedno sa FGF2, promoviše diferencijaciju matičnih ćelija u mezodermne linije. Nakon diferencijacije, ćelije tretirane BMP4 i FGF2 općenito proizvode veće količine osteogene i hondorgene diferencijacije nego netretirane matične ćelije. Također, u kombinaciji sa FGF2 može proizvesti progenitorne ćelije štitne žlijezde iz pluripotentnih matičnih ćelija kod miševa i ljudi.
Pokazalo se da BMP4 indukuje ekspresiju gena porodice Msx, za koju se vjeruje da je dio formiranja hrskavice iz somitskog mezoderma.
BMP4, parakrini faktor rasta, pronađen je kod pacovskih jajnika. BMP4, zajedno sa BMP7, reguliše rani razvoj folikula jajnika i prelazak iz primordijalnog u primarni folikul. Osim toga, pokazalo se da inhibicija BMP4 antitijelima smanjuje ukupnu veličinu jajnika. Ovi rezultati pokazuju da BMP4 može pomoći u preživljavanju i prevenciji apoptoze kod oocita.
Kod ptica pokazalo se da BMP4 utiče na veličinu kljuna Darwinove zebe. Male količine BMP4 su u korelaciji sa niskom dubinom i širinom kljuna. Suprotno tome, visoka ekspresija BMP4 stvara veliku dubinu i širinu kljuna. Genetička regulacija BMP4 pruža osnovu za prirodnu selekciju u ptičjim kljunovima.
Inhibicija Inhibicija BMP4 signala (putem hordina, nogina ili folistatina) uzrokuje da se ektoderm diferencira u nervnu ploču. Ako ove ćelije takođe primaju signale od FGF, one će se diferencirati u kičmenu moždinu; u nedostatku FGF ćelije postaju moždano tkivo.
Dok prekomjerna ekspresija BMP4 može dovesti do ventralizacije, inhibicija s dominantnim negativnim uticajem može rezultirati potpunom dorzalizacijom embrija ili formiranjem dvije osovine.
Važno je napomenuti da su miševi kod kojih je BMP4 inaktiviran obično uginuli tokom gastrulacija. Smatra se da bi inaktivacija ljudskog BMP4 vjerovatno imala isti efekat. Međutim, mutacije koje su suptilne kod ljudi mogu imati i suptilne fenotipske efekte.
Izoforme Opisana je alternativna preradaalternativno u 5' neprevedenom regionu ovog gena i opisane su tri varijante transkripta, od kojih sve kodiraju identičan protein.
Molekulski mehanizmi BMP4, kao član porodice transformirajućih faktora rasta-β (TGF-β), vezuje se za dva različita tipa receptora serin-treonin kinaze, poznatih kao BMPR1 i BMPR2. Dolazi do prijenosa signala preko ovih receptora putem Smad-a i mapiraju kinazne puteve da bi izvršili transkripciju svojih ciljnih gena. Da bi došlo do transdukcije signala, oba receptora moraju biti funkcionalna. BMP se može vezati za BMPR2 bez BMPR1; međutim afinitet se značajno povećava u prisustvu oba receptora. BMPR1 je transfosforiliran preko BMPR2 koji indukuje nizvodnu signalizaciju unutar ćelije, utičući na transkripciju.
Signalni put Smad Za transdukciju signala, receptori porodice TGF-β najčešće koriste Smadov signalni put. Tip 2 receptora odgovorni su za aktiviranje tipa 1 receptora, gdje njihova funkcija uključuje fosforilacije R-Smada (Smad-1, Smad-5, Smad-8). Nakon fosforilacije, javlja se formiranje R-SMAD kompleksa u sprezi sa zajedničkim partnerom Smad (ko-Smad), gdje migrira u nukleus. Signalizacija ovog puta regulirana je malim molekulskim inhibitorom, poznatim kao doruzomorfin koji sprječava nizvodne efekte R-smada.
Mapa signalnih kinaznih puteva (MAPK) Mitogenom aktivirane proteinske kinaze (MAPK) prolaze kroz fosforilaciju putem signalne kaskade, gdje MAPKKK fosforilira i aktivira MAPKK i MAPKK fosforilira i aktivira MAPK, što zatim inducira unutarćelijski odgovor. Aktivacija MAPKKK je putem interakcije uglavnom GTPaza ili druge grupe proteinskih kinaza. TGF-β receptori induciraju MAPK signalne puteve ERK, JNK i p38. Poznato je da BMP4 aktivira ERK, JNK i p38 MAPK signalne puteve, dok je otkriveno da djeluje nezavisno od Smad puteva signalizacije, uglavnom su aktivni u sprezi sa Smadom. Aktivacija ERK i JNK puteva djeluje na fosforilaciju Smada i stoga reguliše njegovu aktivaciju. Pored toga, MAPK putevi mogu biti u mogućnosti da direktno utiču na transkripcijske faktore u interakciji sa Smadom, preko JNK ili p38 supstrata koji indukuje konvergenciju dva signalna puta. Zapaženo je da se ova konvergencija uglavnom sastoji od kooperativnog ponašanja; međutim, postoje dokazi koji ukazuju na to da se oni ponekad mogu međusobno suprotstaviti. Nadalje, ravnoteža koja postoji između direktne aktivacije ovih signalnih puteva ima značajan utjecaj na TGF-β inducirane ćelijske odgovore. left|thumb| Generiranje matičnih ćelija trofoblasta iz kunićevih embrionske matične ćelije sa BMP4-pone.0017124.s005
Klinički značaj Povećanje ekspresije BMP4 povezano je sa raznim bolestima kostiju, uključujući nasljedni poremećaj fibrodysplasia ossificans progressiva. Postoje jaki dokazi iz studija sekvenciranja gena kandidata uključenih u rascjep da mutacije u genu koštanomorfogenetskog proteina 4 (BMP4) mogu biti povezane u patogenezi rascjepa usne i/ili nepca.
Razvoj očiju Oči su neophodne organizmima, posebno kopnenim kičmenjacima, da posmatraju plijen i prepreke; ovo je ključno za njihov opstanak. Formiranje očiju počinje kao očne vezikule i sočiva izvedena iz neuroektoderma. Poznato je da koštanomorfogenetski proteini stimulišu formiranje očnih sočiva.
Tokom ranog razvoja očiju, formiranje očnih vezikula je bitno kod miševa i BMP4 je snažno izražen u očnoj vezikuli i slabo u okolnom mezenhimu i površinskom ektodermu. Ovaj koncentracijski gradijent BMP4 u očnoj vezikuli je kritičan za indukciju sočiva. Dr. Furuta i dr. Hogan otkrili su da ako se laserski inducira mutacija na embrionima miševa nastaje BMP4 homozigotna nulta mutacija, zbog koje ovaj embrion neće razviti sočivo. Također su uradili in situ hibridizacija gena BMP4, pokazujući zelenu boju i Sox2 gen u crvenoj za koji su mislili da je također uključen u formiranje sočiva. Nakon što su izvršili ove dvije in situ hibridizacije u embrionima miševa, otkrili su da se i zelena i crvena boja nalaze u optičkoj vezikuli mišjih embriona. Ovo je pokazalo da su BMP4 i Sox2 eksprimirani na pravom mjestu u pravo vrijeme očnih vezikula i dokazuju da imaju neke bitne funkcije za indukciju sočiva. Nadalje, izvršili su naknadni eksperiment ubrizgavanjem BMP4 u BMP4 homozigotni mutantni embrioni i spasili formiranje sočiva. Ovo ukazuje da je BMP4 definitivno potreban za formiranje sočiva. Međutim, također su otkrili da se neki od mutiranih miševa ne mogu spasiti. Kasnije su otkrili da tim mutantima nedostaje Msx 2 koji se aktivira BMP4. Mehanizam koji su predvidjeli bio je da će BMP4 aktivirati Msx 2 u očnoj vezikuli i da su zajednička kombinacija koncentracije BMP4 i Msx2 i aktivni Sox2 i Sox2 neophodni za diferencijaciju sočiva.