Smad-Proteine

• Rezeptor-Smad-Proteine (Smad 2 und 3)
• Kooperative Smad-Proteine (Co-Smads, Smad 4)
• Inhibitorische Smad-Proteine (Smad 6 und 7).

Alle Smad-Proteine sind relativ ähnlich aufgebaut. Die hoch konservierten Kettenenden werden über einen Linker variabler Länge und Sequenz verknüpft. Der N-Terminus von Smad 4, die so genannte MH1-Domäne, erfüllt nach Aktivierung und Translokation in den Zellkern die Funktion der Bindung an DNA-Promotoren. Die C-terminale MH2-Domäne kann an diverse Proteine binden, zum Beispiel an die Typ 1-Rezeptoren, an andere Smads und an Transkriptionsfaktoren. Der Smad-Komplex permeiert nach der Phosphorylierung in den Zellkern, wo er über die MH2-Domäne der R-Smads Wechselwirkungen mit Transkriptionsfaktoren eingeht oder durch die Anlagerung von der MH1-Domäne von Smad 4 an Promotoren direkt die Genexpression vermittelt. Smad-Komplexe scheinen sich aber auch hemmend auf DNA-Segmente wachstumsfördernder Gene wie c-myc auszuwirken.

Die so genannten Rezeptor-Smad-Proteine (Smad 2 und Smad 3) binden an den Rezeptorkomplex und werden durch den Typ 1-Rezeptor phosphoryliert. Die phosphorylierten R-Smad-Proteine bilden einen Komplex mit dem kooperativen Smad 4. Dieser ist in der Lage, in den Zellkern einzudringen. Hier lagern sich die aktivierten R-Smads an DNA-Promotoren und/oder Transkriptionsfaktoren an und steuern Transkriptionsprozesse.

Die inhibitorischen Smad-Proteine (Smad 6 und Smad 7) antagonisieren die Anlagerung der R-Smads an den Rezeptorkomplex oder an Smad 4. Die Rezeptor-Smad-Proteine (R-Smads, Smad 2 und 3) interagieren direkt mit dem durch die oben beschriebenen Mechanismen aktivierten Typ 1-Rezeptor. Erst nach Phosphorylierung können R-Smads die zytoplasmatischen kooperativen Smad-Proteine (Co-Smads, Smad 4) binden, die letztendlich der Anlagerung des Smad-Komplexes an DNA-Promotoren und der Transkriptionsaktivierung dienen.

Die dritte Gruppe sind die inhibitorischen Smad-Proteine (I-Smads, Smad 6 und 7). Sie zeichnen sich durch markante Strukturvariationen im Vergleich zu den R- und den Co-Smads aus. Hierauf ist zurückzuführen, dass sie die TGF-vermittelte Signaltransduktion kompetitiv antagonisieren. Beide I-Smads werden in Folge eines großen Angebots an Wachstumsfaktoren vermehrt gebildet, dienen also der negativen Rückkopplung. Sie können sowohl mit den R-Smads um Rezeptorbindung konkurrieren als auch die Wechselwirkung von R-Smad und Co-Smad verhindern.

Für den Zusammenschluss von Smad-Proteinen mit Transkriptionsfaktoren kann der Activin Responsive Factor (ARF) angeführt werden. Dieser kann mit dem Activin Responsive Element (ARE) am Mix2-Gen erst nach Kooperation mit dem Smad-Komplex interagieren.

Mit der zunehmenden Etablierung des Knock-out-Verfahrens und dessen Anwendung auch auf Smad-Proteine und TGF-β wurde es möglich, die Auswirkungen des Fehlens dieser Signalmoleküle auf die geordnete Hautentwicklung zu beobachten. Bei diesem Eingriff, der Gene für bestimmte Proteine gezielt ausschaltet, wird die Blastozyste, die sich nach der natürlichen Befruchtung ausbildet, entnommen und mit Fremd-DNA transfiziert. Die Einfuhr der DNA erfolgt durch Transfer per Retroviren oder Mikroinjektion. Anschließend werden die Embryonalzellen einer Leihmutter implantiert und in ihrer Entwicklung beobachtet. Die beigefügte DNA, die von selbst aus dem Zytoplasma in den Zellkern gelangt, enthält ein Segment, das dem auszuschaltenden Gen exakt entspricht. Dieses Segment lagert sich im Zuge der homologen Rekombination an die Zielsequenz an und verschmilzt mit dieser an der Überlagerungsstelle. Da hierbei auch die gesamte Trägerstruktur in das Gen eingebaut wird, sind die Transkription und die resultierende Proteinsynthese nicht mehr möglich.

1. Ashcroft GS et al. (1999) Mice lacking Smad3 show accelerated wound healing and an impaired local inflammatory response. Nat Cell Biol 1: 260-266
2. Denton CP et al. (2001) Transforming growth factor-beta and connective tissue growth factor: key cytokines in scleroderma pathogenesis. Curr Opin Rheumatol 13: 505-511
3. Holmes A et al. (2001) CTGF and SMADs, maintenance of scleroderma phenotype is independent of SMAD signaling. J Biol Chem 276: 10594-10601
4. Dong C et al. (2002) Deficient Smad7 expression: a putative molecular defect in scleroderma. Proc Natl Acad Sci USA 99: 3908-3913
5. Itoh S et al. (2000) Signaling of transforming growth factor-beta family members through Smad proteins. Eur J Biochem 267: 6954-6967
6. Massague J (1998) TGF-β signal transduction. Ann Rev Biochem 67: 753-791
7. Mori Y et al. (2003) Expression and regulation of intracellular SMAD signaling in scleroderma skin fibroblasts. Arthritis Rheum 48: 1964-1978
8. Takagawa S et al. (2003) Sustained activation of fibroblast transforming growth factor-beta/Smad signaling in a murine model of scleroderma. J Invest Dermatol 121: 41-50
9. Yang X et al. (1999) Targeted disruption of SMAD3 results in impaired mucosal immunity and diminished T cell responsiveness toTGF-β. EMBO J 18: 1280-1291