The Transforming Growth Factor (TGF) superfamily of cytokines and their serine/threonine kinase receptors play an important role in the regulation of cell division, differentiation, adhesion, migration, organization, and death. Smad proteins are the major intracellular signal transducers for the TGF receptor superfamily that mediate the signal from the membrane into the nucleus. Bone Morphogenetic Protein-4 (BMP-4) is a representative of the TGF superfamily, which regulates the formation of teeth, limbs and bone, and also plays a role in fracture repair. Binding of BMP-4 to its receptor stimulates phosphorylation of Smad1, which subsequently recruits Smad4. A hetero-oligomeric complex consisting of Smad1 and Smad4 then translocates into the nucleus and regulates transcription of target genes by interacting with transcription factors. Although the individual steps of the signaling cascade from the receptor to the nucleus have been identified, the exact kinetics and the rate limiting step(s) have remained elusive. Standard biochemical techniques are not suitable for resolving these issues, as they do not offer sufficiently high sensitivity and temporal resolution. In this study, advanced optical techniques were used for direct visualization of Smad signaling in live mammalian cells. Novel fluorescent biosensors were developed by fusing cyan and yellow fluorescent proteins to the signaling molecules Smad1 and Smad4. By measuring Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) between the two fluorescent proteins, the kinetics of BMP/Smad signaling was unraveled. A rate-limiting delay of 2 - 5 minutes occurred between BMP receptor stimulation and Smad1 activation. A similar delay was observed in the complex formation between Smad1 and Smad4. Further experimentation indicated that the delay is dependent on the Mad homology 1 (MH1) domain of Smad1. These results give new insights into the dynamics of the BMP receptor – Smad1/4 signaling process and provide a new tool for studying Smads and for testing inhibitory drugs. / Die Transforming Growth Factor" (TGF)-Superfamilie der Cytokine und ihrer Serin/Threonin-Kinase-Rezeptoren spielt eine bedeutende Rolle bei der Regulierung der Zellteilung, -differenzierung, -adhäsion, -migration, -organisation, und beim Zelltod. Die Smad-Proteine sind die wichtigsten intrazellulären Signalüberträger für die TGF-Rezeptor-Familie, da sie das Signal von der Zellmembran zum Kern übermitteln. Das ,,Bone Morphogenetic Protein4" (BMP-4) ist ein Vertreter der TGF-Familie, der die Bildung von Zähnen, Gliedmaßen und Knochen reguliert und darüber hinaus eine Rolle bei der Frakturheilung spielt. Das Binden von BMP-4 an seinen Rezeptor stimuliert die Phosphorylierung von Smad1, welches in der Folge Smad4 rekrutiert. Ein hetero-oligomerer Komplex bestehend aus Smad1 und Smad4 verlagert sich dann in den Zellkern, wo er durch Interaktion mit Transkriptionsfaktoren die Transkription von Zielgenen reguliert. Obwohl die einzelnen Schritte der Signalkaskade vom Rezeptor bis in den Zellkern bereits identifiziert wurden, blieben die Kinetik und die geschwindigkeitsbegrenzenden Schritte bisher unbekannt. Gängige biochemische Methoden eignen sich nicht um diese Fragen zu lösen, da sie nicht über ausreichende Empfindlichkeit und zeitliches Auflösungsvermögen verfügen. In der vorliegenden Arbeit wurden hochentwickelte optische Techniken angewandt, um die Smad-vermittelte Signaltransduktion direkt in lebenden Zellen sichtbar zu machen. Neue fluoreszierende Biosensoren wurden konstruiert, indem gelb- und cyan-fluoreszierende Proteine mit den Signalmoleküle Smad1 und Smad4 fusioniert wurden. Durch Messung des "Fluorescent Resonance Energy Transfer" (FRET) zwischen den zwei fluoreszierenden Proteinen konnte die Kinetik der BMP-Smad-Signalkaskade bestimmt werden. Zwischen der Stimulation des Rezeptors und der Aktivierung von Smad1 trat eine geschwindigkeitsbegrenzende Verzögerung von 2-5 Minuten auf. Eine ähnliche Verzögerung wurde bei der Bildung des Komplexes aus Smad1 und Smad4 beobachtet. Weitere Experimente zeigten, dass die Verzögerung von der Mad-Homologie-Domäne 1 (MH1) von Smad1 abhängt. Die Ergebnisse dieser Arbeit geben neue Einblicke in die Dynamik der BMP-Rezeptor-Smad1/4 Signaltransduktion und stellen neue Werkzeuge zur Untersuchung von Smads und zur Austestung inhibitorischer Wirkstoffe zur Verfügung.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:2215 |
| Date | January 2007 |
| Creators | Gromova, Kira V. |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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