SMAD9

SMAD9 ^{[ 1 ]} (también conocido como SMAD8, MADH6 y homólogo 9 de Mothers against decapentaplegic ) es una proteína homóloga codificada por elgen SMAD9 . ^{[ 2 ]} Las SMAD ^{[ 3 ]} son ​​una familia de proteínas que transducen receptores de la superfamilia del factor de crecimiento transformante beta ^{[ 4 ]} (TGF-B) y son importantes en la regulación del desarrollo celular. El nombre deriva de dos homologías: el fenotipo del gusano "pequeño" o SMA de Caenorhabditis elegans y la familia MAD o "Mothers Against Decapentaplegic" de genes en la mosca de la fruta Drosophila . SMAD9 es una proteína " mensajera " crítica que traduce señales extracelulares en expresión. Su importancia radica en cómo determina el destino celular: señalización para síntesis/crecimiento, diferenciación o muerte, específicamente dentro de los sistemas cardiovascular y esquelético.

SMAD9 también se conoce como Smad8/9, Smad8A, Smad8B, MADH9, MADH6 y PPH2. Dentro del grupo SMAD , existen tres subtipos de proteína: R-Smads (reguladas por el receptor), I-Smads ^{[ 5 ]} (inhibitorias) y Co-SMADs (socias comunes). Las R-Smads ^{[ 6 ]} , que incluyen Smad1, Smad2 , Smad3, Smad5 y Smad8/9, son fundamentales en la señalización del receptor TGF-β. Las I-Smads, que incluyen Smad6 y Smad7, suprimen la actividad de las R-Smads al unirse a los receptores TGF-β, impidiendo que se activen. Sin la acción de las I-Smads, las vías de señalización de TGF-β y BMP permanecerían activas permanentemente.

Antes de que se creara el nombre SMAD, se descubrieron los genes MAD (Mothers Against Decapentaplegic) en la Drosophila (mosca de la fruta). Durante la investigación con Drosophila , se descubrió que una mutación en el gen MAD de la madre reprimía el gen decapentaplegic en el embrión. La frase "Mothers against" (Madres contra) se añadió porque las madres suelen formar organizaciones que se oponen a diversos problemas, como Mothers Against Drunk Driving (MADD), y basándose en la tradición de este tipo de nombres inusuales dentro de la comunidad de investigación genética. ^{[ 7 ]}

El posterior descubrimiento de la versión humana de este gen se denominó MADH , y SMAD9 se catalogó como MADH6 o MADH9. Los numerosos nombres alternativos de SMAD9 son resultado de la confusión entre especies. En las primeras investigaciones sobre TGF-β, se encontró un gen en Xenopus (ranas) al que se denominó Smad8. Simultáneamente, otros científicos encontraron un gen similar en humanos y lo llamaron SMAD8. Un análisis posterior de estos genes reveló que la versión humana no era un ortólogo directo del Smad8 de la rana. Para diferenciar las dos clases genómicas y aclarar la confusión, el nombre del gen humano se modificó a SMAD9. La versión más actualizada de este nombre, según la comunidad científica, es SMAD9, pero las versiones MADH aún persisten en publicaciones y artículos como sinónimos. Además, SMAD8 sigue siendo el término más común utilizado en la literatura antigua.

Para comprender la estructura específica de SMAD9, es crucial entender la organización general de las proteínas SMAD. Las SMAD tienen aproximadamente entre 400 y 500 aminoácidos de longitud y constan de dos regiones globulares en los extremos amino y carboxilo, conectadas por una región de enlace, una corta secuencia de aminoácidos que une dominios funcionales dentro de una misma proteína, manteniendo su estructura y flexibilidad. Esta región de enlace desempeña un papel importante en la función y regulación de la proteína, especialmente en las R-Smad. Ambas regiones están altamente conservadas en las R-Smad: la MH1 en el extremo N , implicada en la unión al ADN, y la MH2 en el extremo C , responsable de la interacción con otras Smad y del reconocimiento de coactivadores y correpresores transcripcionales.

Las R-Smad interactúan con motivos de ADN en su extremo N-terminal, incluidas las variantes CAGAC y CAGCC. Las R-Smad fosforiladas por el receptor tienen la capacidad de formar heterotrímeros mediante intercambios de MH2, y se cree que estos son efectores de la regulación transcripcional de TGF-β. Las R-Smad se fosforilan en el núcleo en el dominio de enlace por CDK8 y CDK9, lo que altera la interacción de las Smad con activadores y represores . Una vez fosforilada una R-Smad, el dominio de enlace sufre otra modulación de fosforilación por GSK3 , que marca las Smad para su reconocimiento por las ubiquitina ligasas y las dirige a la degradación mediada por el proteasoma después de que cumplen su función como factores de transcripción.

La estructura de SMAD9 le permite funcionar tanto como un ligando de ADN como una estación de acoplamiento de proteínas. Analizando más específicamente los componentes morfológicos de R-Smad, el dominio MH1 (extremo N) contiene dos regiones clave para la unión al ADN y la localización nuclear. Esta región tiene una estructura en horquilla que le permite unirse a los elementos de respuesta a BMP (BRE), que son secuencias de ADN específicas que median las respuestas transcripcionales a la señalización de BMP. ^{[ 8 ]}   Además, este extremo contiene la señal de localización nuclear (NLS), que permite a SMAD9 entrar en el núcleo una vez activado.

El dominio MH2 (extremo C) tiene tres componentes clave que preparan a SMAD9 para la interacción y activación, ayudando a desenrollar el ADN e iniciar el proceso de transcripción. El motivo SSXS ^{[ 9 ]} desempeña un papel fundamental en la regulación postraduccional de las R-Smads. Este motivo es fosforilado por los receptores de TGF-β y BMP de tipo I, lo que inicia un cambio conformacional que promueve la unión de R-Smad a Smad4 (el co-SMAD) mediante oligomerización , desplazando a SMAD9 al núcleo para regular la transcripción génica.

La función principal de las SMAD, las R-SMAD y, más específicamente, la SMAD9, se deriva de su interacción con la superfamilia del factor de crecimiento transformante β (TGF-β). ^{[ 10 ]} La señalización de TGF-β implica una compleja red de puntos de control y moduladores, incluidos aquellos involucrados en la progresión del ciclo celular, la diferenciación, la función reproductiva, el desarrollo, la cicatrización de heridas, la motilidad, la adhesión y la monitorización inmunitaria. Una vez que se forma un holocomplejo , el dominio quinasa de TGF-β puede fosforilar las Smad. Las R-Smad, incluida la SMAD9, pueden formar sus complejos heterotriméricos con co-Smad como Smad4. Esta unidad proteica puede entonces regular la transcripción de genes diana.

SMAD9 es un modulador transcripcional activado por las proteínas morfogenéticas óseas (BMP), factores de crecimiento que inician la formación de hueso y cartílago nuevos al unirse y activar la quinasa del receptor tipo 1. En esencia, SMAD9 actúa como un interruptor molecular. Una vez activado, SMAD9 se traslada al núcleo para activar o desactivar genes específicos. Aunque SMAD9 funciona como factor de transcripción, su función principal es la de transductor, actuando como un puente físico entre la membrana celular y el genoma. Este ciclo funcional comienza cuando SMAD9 transforma una señal —la unión de una proteína al receptor adecuado— en un evento celular significativo de transcripción de ADN.

Los ligandos BMP son un componente de la familia TGF-β ^{[ 11 ]} que regula la formación, diferenciación y desarrollo óseo. Forman heterodímeros que se unen a receptores de tipo I como ALK2 o ALK3 ^{[ 12 ]} para activar la señalización intracelular SMAD. Los receptores de tipo I reconocen una porción especial y altamente conservada del dominio MH2 llamada bucle L3 ^{[ 13 ]} . Otros miembros de la familia SMAD, como Smad2 y Smad3, tienen sitios de unión similares pero con aminoácidos diferentes en posiciones importantes de la secuencia; en consecuencia, ALK2/3 ^{[ 14 ]} los evitará y se unirá únicamente a SMAD9. El receptor actúa como una quinasa (una enzima que cataliza la fosforilación) transfiriendo grupos fosfato al motivo SSXS en el extremo C-terminal para liberar la proteína en el citoplasma. Este evento de fosforilación provoca un cambio conformacional en SMAD9, que luego puede unirse con el co-SMAD, SMAD4, para formar un complejo heterotrimérico capaz de entrar en el núcleo para llevar a cabo modificaciones transcripcionales.

El complejo SMAD9 entra y sale continuamente del núcleo, ya que las modificaciones estructurales permiten o impiden su capacidad para influir en los genes diana. El dominio MH1 interactúa con varios complejos del poro nuclear a través de la importina beta, un receptor de transporte que transloca proteínas del citosol al núcleo. Una vez dentro, el complejo encuentra genes clave donde la estructura de horquilla beta dentro del dominio MH1 de SMAD9 se inserta en el surco mayor del ADN, el sitio principal para la unión del factor de transcripción. Luego busca un elemento de respuesta a BMP (BRE) o un elemento de unión a Smad (SBE) específico. El dominio MH2 de SMAD9 recluta coactivadores como p300 o la proteína de unión a Creb (CBP) para liberar la cromatina, permitiendo que la ARN polimerasa comience a sintetizar ARNm . SMAD9 también actúa como cofactor del complejo microprocesador Drosha ^{[ 15 ]} para escindir los miRNA primarios (ARN no codificante o intrones) en miRNA precursores que producen varios productos de ARN, como ARNm , ARNt y ARNr .

Existe abundante investigación clínica sobre las funciones que desempeña la familia de proteínas SMAD en la progresión del cáncer, la fibrosis y los trastornos genéticos, específicamente los co-SMAD y los R-SMAD. La asociación clínica mejor establecida para las mutaciones de SMAD9 involucra la hipertensión arterial pulmonar (HAP ), una afección caracterizada por presión arterial elevada que, si no se trata, conduce a insuficiencia cardíaca derecha y, en el peor de los casos, a la muerte. Si bien la HAP se asocia más comúnmente con mutaciones en el receptor tipo II de BMP (BMPR2), este hallazgo fue inesperado; los investigadores creían que la pérdida de un SMAD9 funcional en la señalización de BMP sería compensada por otros R-Smad como Smad1 o Smad5. Esto los llevó a concluir que el procesamiento atípico de microARN ^{[ 16 ]} , en lugar de la transcripción génica estándar y las vías de señalización, es el impulsor clave de los trastornos de HAP relacionados con SMAD9. Una variación patogénica de SMAD9 impide la maduración de los miRNA inhibidores del crecimiento, lo que resulta en una proliferación celular descontrolada de las células del músculo liso que se encuentran en los órganos cardíacos. En una vía metabólica normal, las BMP activan la vía SMAD9, se producen microARN y se detiene el crecimiento celular al alcanzarse un umbral. Sin embargo, una mutación elimina por completo este proceso, y las arterias pulmonares de las células carecen del mecanismo de control necesario para detener la proliferación. En consecuencia, las paredes arteriales se engrosan y estrechan, lo que provoca niveles de presión arterial peligrosamente elevados. Además, dado que SMAD9 es un componente clave de las BMP —que desempeña un papel vital en la diferenciación de células madre mesenquimales y osteoblastos—, una mutación en esta proteína puede dar lugar a fenotipos anormales de densidad ósea y a un desarrollo deficiente del cartílago.