BMP4

BMP4 , což je kostní morfogenetický protein 4 (BMP, anglicky kostní morfogenetický protein ) je protein, který patří do superrodiny transformující růstové faktory TGF beta-beta (stání transformačního růstového faktoru beta ), který obsahuje sám rodinu kostní morfogenetický bílkoviny. Proteiny rodiny TGF-p ovlivňují zejména růst a diferenciaci buněk .

Gen zodpovědný za produkci BMP4 se nachází na 14 -tého chromozómu v poloze cytogenetické 14q22.2. U lidí tento gen obsahuje 4 funkční exony , což má za následek 11 různých mRNA po transkripci a polypeptid 408 aminokyselin po translaci . BMP4 se vyskytuje u všech obratlovců a během vývoje je extrémně konzervovaný . Během embryonálního vývoje hraje tento protein roli při tvorbě mezodermu , tvorbě zubů, vývoji kostry, tvorbě kostní dřeně, morfogenezi končetin a indukci nervového plaku .

Objev

BMP byly poprvé objeveny Marshallem R. Uristem v roce 1965 po izolaci tří proteinů z demineralizace skotu. Při injekčním podání zvířatům tyto proteiny vyvolaly růst kostní tkáně, konkrétněji tvorbu ektopické chrupavky a endochondrální kosti.

Signalizační cesta

Během signalizace se BMP váží na specifické receptory na buněčném povrchu. Tyto receptory, nazývané BMPR (pro BMP-receptor ), jsou kinázy receptoru serinu / threoninu. Prostřednictvím skupiny specializovaných proteinů zvaných Smads je signál produkovaný BMP transdukován BMPR. Tento signál pak ovlivňuje regulaci následných cílových genů.

Jedná se o extrémně složitý proces, který lze regulovat mnoha způsoby, včetně skupiny proteinů inhibitoru extracelulární signalizace , které fungují vazbou na ligandy BMP. V případě BMP4, jeho hlavní inhibitory jsou Noggin a Chordin .

Extracelulárně a v závislosti na typu cílové buňky, koncentraci BMP4 a načasování signálu může BMP4 způsobit buněčnou proliferaci, diferenciaci buněk nebo apoptózu . Bylo navrženo, že vysoká koncentrace BMP4 by měla tendenci vyvolávat diferenciaci, zatímco nízká koncentrace by vedla k proliferaci.

Vývoj kraniofaciální morfologie obratlovců

Kraniofaciální morfologie určuje, čím se druh může živit, stejně jako jeho účinnost krmení. Je samozřejmé, že když druhy přijímají specializovanou stravu, dochází také ke změně kraniofaciální formy a funkce s ní spojené.

Bylo stanoveno, že BMP4 a CaM (kalmodulin) hrají hlavní roli při určování morfologie ptačího zobáku a čelisti obratlovců během embryonálního vývoje .

Stanovení morfologie zobáku v Geospize

Rod Geospiza má 6 druhů, hovorově nazývaných Darwinovy ​​pěnkavy , všechny seskupené na Galapágských ostrovech . Nejzákladnějším druhem Geospiza je G. difficileilis . Ostatní druhy jsou rozděleny do dvou skupin. Jsou první, kdo mají velký, hluboký účet schopný drtit semena, „pozemní geospize“ G. fuliginosa , G. fortis a G. magnirostris . Pak existují i ​​ty, které mají delší ostrý zobák, který se používá k dosažení květů kaktusů a plodů, geospize kaktusů G. scandens a G. conirostris .

Velmi rozmanitá morfologie zobáku v této skupině úzce souvisí s kraniofaciální strukturou. Protože specializovaná forma zobáku je přítomna již při narození, znamená to genetický základ během embryonálního vývoje. Embryologie těchto druhů ukazuje, že od 26 th embryonálním stadiu , rozdíly specifické pro druhy, pokud jde o morfologii zobáku jsou již viditelné.

Srovnávací studie vzorce exprese různých růstových faktorů ve vývoji zobáku ukazuje silnou korelaci mezi expresí BMP4 a morfologií zobáku. V embrya géospizes s zobáku široká hluboká, je prudký nárůst exprese BMP4 v mesenchymu zobáku do 26 th  embryonálním stadiu, které se udržuje až do 29 tého  stupně. U embryí G. difficile a druhů s dlouhými, ostrými zobáky toto zvýšení exprese BMP4 chybí.

Byl vyvozen závěr, že zvýšená a časná exprese BMP4 v mezenchymu zobáku (příklad heterometrie a heterochronie ) způsobuje růst zobáku v dorsoventrální ose, což má za následek hlubší zobák a široký. Variace výrazu BMP4 je omezena pouze na horní zobák. Exprese tohoto proteinu dolního zobáku zůstává konstantní v celém rodu Geospiza .

Když je mesenchym zobáku kuřecích embryí infikován virovým vektorem, jehož účinkem je zvýšení lokální produkce BMP4, vede to k morfologicky podobnému zobáku jako u „pozemských geospatů“. Naopak infekce virovým vektorem majícím Noggin vede k výraznému zmenšení tvaru zobáku. Předpokládá se, že regulace BMP4 v mesenchymu zobáku je výsledkem účinku proti proudu sonického proteinu ježka a fibroblastového růstového faktoru 8 ( Fgf8 ), vyjádřeného v zobáku epitelu.

Stanovení morfologie čelisti u cichlíd

Cichlidy velkých afrických jezer ukazují překvapivou rozmanitost morfologie jejich čelistí. Tato jezera spojují více než 2 000 druhů, které jsou výsledkem evolučního záření . Rozdrcené druhy mají krátkou čelist s několika řadami zubů. To výrazně zvyšuje mechanickou výhodu jejich čelisti, to znamená přenos síly při otevírání a zavírání čelisti. U druhů, které se krmí odsáváním, má čelist spíše protáhlý tvar s velmi málo řadami zubů, což poskytuje malou mechanickou výhodu.

Byla provedena srovnávací studie embryologie mezi dvěma cichlidy z jezera Malawi , aby se určil molekulární původ této morfologické rozmanitosti. Použité druhy byly Labeotropheus fuelleborni , který má krátkou podsaditou dolní čelist s velkou drtivou silou, a Metriaclima zebra , která má protáhlejší a štíhlejší spodní čelist vhodnou pro sání. Studie ukazuje, že druhově specifické rozdíly v morfologii čelistí silně korelují s expresí BMP4 podél mandibulárního hltanového oblouku . V milionech embryí . zebra , exprese BMP4 byla omezena na nejvzdálenější oblast mandibulárního mezenchymu. Exprese BMP4 však byla rozsáhlá v celém mezenchymu v L. fuelleborni . Když je v zebrafish Dania rerio způsobena nadměrná exprese BMP4 , způsobí to, že čelist roste podél osy dorsoventral, což má za následek hlubší čelist podobnou jako L. fuelleborni .

Je třeba poznamenat, že v cichlidách ve východní Africe je rychlost vývoje aminokyselin genu BMP4 mnohem vyšší než u jiných genů odpovědných za vývoj kraniofaciální. To by svědčilo o evolučním záření, ze kterého tyto druhy pocházejí. Genetický vývoj BMP4 je omezen na pro-doménové substituce , což naznačuje změny v regulaci exprese BMP4.

Vývoj chrupu v teleostech

Zebrafish jsou teleosts, kteří nemají zuby ústní, ale spíše faryngální . Tato vlastnost spojená s absencí exprese BMP2A, BMP2B a BMP4 v orální oblasti během embryonálního vývoje naznačuje silnou korelaci mezi BMP a vývojem zubů. Absence těchto proteinů se zdá být zodpovědná za lokální ztrátu zubů během vývoje teleostů.

Regrese penisu u ptáků

Při srovnání mužského reprodukčního orgánu ve dvou sourozeneckých skupinách ptáků, Galliformes a Anseriformes (běžně označovaných jako Gallinacea a Anseriformes), vidíme mezi těmito dvěma skupinami velký rozdíl. Gallinacea nemají falický člen, který vstupuje do ženy, ale spíše žumpu . Pokud jde o anseriformes, mají dobře vyvinutý falus. Embryologie ukazuje, že embrya Galliformes vyvinout genitální hrbolek jako Anseriformes od 26 th  embryonálním stadiu. Nicméně, ke 35 -té  fázi, vývoj se zastaví a regresi hlízy apoptózou v Galliformes. Apoptóza začíná v nejvzdálenějším bodě tuberkulózy.

Při studiu vzorce exprese růstových faktorů pozorujeme u Galliformes odchylku vzorce BMP4 na úrovni tuberkulózy genitálu ve srovnání s ostatními skupinami. V embryu kuřat , gallinacea, dochází k nadměrné expresi BMP4 v hlízě. Tato nadměrná exprese se časově i místně shoduje s apoptózou hlízy, což naznačuje souvislost mezi těmito dvěma jevy. Inhibice BMP4 přidáním proteinu Noggin zabraňuje apoptóze, což vede k plně vyvinutému orgánu penisu. U Anseriformes je BMP4 velmi málo vyjádřen v hlízách. U kachního embrya anseriform, indukující nadměrnou expresi BMP4 v distální oblasti hlízy, způsobuje jeho regresi apoptózou.

Redukce falického člena Galliformes, a dokonce i jiných skupin ptáků, by tedy nevyplývala z inhibice tvorby genitálního tuberkulózy, ale spíše z apoptózy regulované expresí BMP4.

Vývojové peří

Zdá se, že interakce mezi BMP4 a Nogginem určuje proces vývoje peří u ptáků. Zatímco BMP4 podporuje tvorbu páteře a fúzi hrotu , Noggin podporuje páteř a rozvětvení hrotu. BMP4 je exprimován více v distální oblasti folikulu peří, zatímco Noggin je exprimován v buňkách dřeně poblíž epidermis .

Stanovení osy hřbetní a břišní

U obratlovců je BMP4 zodpovědný za identitu ventrální oblasti během gastrulace . Během stádia blastocyst je BMP4 exprimován po celém obvodu embrya. Nicméně, během gastruly fázi , je exprese Chordin / Noggin ve hřbetní oblasti, která omezuje expresi BMP4 na ventrální oblasti.

V Drosophile je homologním genem BMP4 Dpp (decapentaplegic), zodpovědný za identitu dorzální oblasti ve stadiu gastruly. Experiment, ve kterém je oblast odpovědná za ligand Dpp nahrazena oblastí lidského ligandu BMP4, vede k normální funkci modifikovaného genu Dpp. V embryu Drosophila se stále získává normální osa dorzálně-ventrální, což vede ke zdravému dospělému. To ukazuje, že během evoluce by došlo k silnému zachování signální dráhy BMP4-Dpp.

Související články

Reference

  1. (en) Parsons KJ a Albertson RC, „  Role pro Bmp4 a CaM1 ve hře Shaping the Jaw: Evo-Devo and Beyond  “ , Annual Review of Genetics , sv.  43,2009, str.  369-388 ( číst online )
  2. (en) Padgett RW, Wozney JM a Gelbart WM, „  Human BMP Sequences can Confer Normal Dorsal-Ventral Patterning in the Drosophila Embryo  “ , Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America , vol .  90, n o  7,1993, str.  2905-2909 ( číst online )
  3. „  Vstup OMIM - * 112262 - KOSTNÍ MORFOGENETICKÝ PROTEIN 4; BMP4  ” , na www.omim.org (přístup 18. listopadu 2015 )
  4. (in) Urist MR a Strata BS, „  Bone morphogenetic protein  “ , Journal of Dental Research , sv.  50, n O  6,1971, str.  1392-1406
  5. (in) Hogan BLM, „  Kostní morfogenetické proteiny: multifunkční regulátory vývoje obratlovců  “ , Genes & Development , sv.  10,1996, str.  1580-1594 ( číst online )
  6. (en) Abzhanov A, Protas M, Grant BR, Grant PR a Tabin CJ, „  Bmp4 a morfologická variace zobáků v Darwinových pěnkavách  “ , Science , sv.  305,2004, str.  1462-1465 ( číst online )
  7. (in) Abzhanov A, Kuo WP Hartmann C. Grant BR, Grant PR a Tabin CJ, „  Cesta kalmodulinu a vývoj morfologie podlouhlého zobáku v Darwinových pěnkavách  “ , Nature , sv.  442,2006, str.  563-567 ( číst online )
  8. (en) Albertson RC, Streelman JT, Kocher TD a Yelick PC, „  Integration and Evolution of the Cichlid Mandible: The Molecular Basis of Alternate Feeding Strategies  “ , Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America , sv.  102, n o  45,2005, str.  16287-16292 ( číst online )
  9. (in) Terai Y, Morikawa N a N Okada, „  Evoluce pro-domény kostního morfogenetického proteinu 4 (Bmp4) ve výbušně specifikované linii východoafrických cichlíd  “ , Molecular Biology and Evolution , sv.  19,2002, str.  1628-1632 ( číst online )
  10. (in) Herrera AM, SG Shuster, Perriton CL a J. Cohn, „  Vývojové základy redukce falusu během evoluce ptáků  “ , Current Biology , sv.  23,2013, str.  1065-1074 ( číst online )
  11. (in) Yu M, Wu P, RB Widelitz a Chuong CM, „  Morfogeneze peří  “ , Nature , sv.  420,2002, str.  308-312 ( číst online )
  12. (in) Holley SA a EL Ferguson, „  Ryby jsou jako mouchy, jako žáby: ochrana dorzálně-ventrálních vzorců Mechanismy  “ , BioEssays , sv.  19, n o  4,1997, str.  281-284 ( číst online )