Ген SMO

Ген SMO (англ. Smoothened, frizzled class receptor) — это ген, кодирующий одноимённый трансмембранный белок, который является ключевым компонентом сигнального пути Hedgehog (Hh). Белок SMO относится к классу рецепторов, сопряжённых с G-белками (GPCR), и выполняет роль основного трансдуктора сигнала от рецептора Patched (PTCH) к факторам транскрипции семейства GLI. Ген SMO расположен на длинном плече 7-й хромосомы человека (локус 7q32.1). Мутации в гене SMO, а также нарушения регуляции его активности, ассоциированы с рядом онкологических заболеваний, врождённых пороков развития и наследственных синдромов.

История открытия и изучения

Ген SMO был впервые идентифицирован в 1996 году в ходе генетических исследований на плодовой мушке Drosophila melanogaster. Название «Smoothened» (с англ. — «сглаженный») отражает фенотип мутантных эмбрионов, у которых наблюдалось слияние сегментов тела и отсутствие характерных для кутикулы зубчиков. Вскоре после этого были клонированы гомологи SMO у позвоночных, включая человека. В 1998 году было установлено, что белок SMO является необходимым для передачи сигнала Hedgehog, а его активация происходит после связывания лиганда Hh с рецептором PTCH. В 2000-х годах были выявлены первые соматические мутации SMO при базальноклеточном раке кожи, что заложило основу для разработки таргетных ингибиторов этого белка.

Структура и локализация гена

Ген SMO человека состоит из 12 экзонов и занимает около 30 тысяч пар нуклеотидов. Кодирующая последовательность (CDS) имеет длину 2364 нуклеотида, что соответствует белку из 787 аминокислотных остатков. Промоторная область гена содержит консервативные сайты связывания для факторов транскрипции, регулирующих его экспрессию. У человека ген SMO экспрессируется во многих тканях, включая кожу, мозг, лёгкие, желудочно-кишечный тракт и костную ткань, причём уровень экспрессии может варьировать в зависимости от стадии развития организма.

Биохимия и функции белка SMO

Структура белка

Белок SMO представляет собой трансмембранный рецептор с семью альфа-спиральными доменами, характерными для GPCR. Его структура включает:

• N-концевой внеклеточный домен — участвует во взаимодействии с рецептором PTCH и малыми молекулами-ингибиторами.
• Семь трансмембранных доменов — образуют гидрофобный канал, через который происходит передача конформационного сигнала.
• Внутриклеточные петли и C-концевой домен — содержат сайты фосфорилирования и связывания с G-белками, а также с киназами GRK2/3 и β-аррестинами.

Механизм активации

В отсутствие лиганда Hedgehog рецептор PTCH ингибирует SMO, препятствуя его накоплению в первичной ресничке клетки. При связывании Hh с PTCH ингибирование снимается, и SMO перемещается в первичную ресничку, где происходит его конформационная активация. Активированный SMO запускает каскад внутриклеточных сигналов, кульминацией которого является активация факторов транскрипции GLI (GLI1, GLI2, GLI3). Последние регулируют экспрессию генов-мишеней, участвующих в пролиферации, дифференцировке и апоптозе клеток.

Ключевые функции

• Эмбриональное развитие — SMO необходим для формирования нервной трубки, конечностей, лёгких, зубов и других органов. Дефекты сигнального пути Hh-SMO приводят к таким порокам, как голопрозэнцефалия, циклопия и дефекты скелета.
• Поддержание стволовых клеток — путь Hh-SMO регулирует самообновление и дифференцировку стволовых клеток во взрослых тканях, включая кожу, кишечник и кроветворную систему.
• Канцерогенез — гиперактивация SMO (вследствие мутаций или потери функции PTCH) является драйвером развития базальноклеточного рака, медуллобластомы, рабдомиосаркомы и некоторых других опухолей.

Клиническое значение

Онкологические заболевания

Мутации в гене SMO, приводящие к конститутивной активации белка, обнаружены при:

• Базальноклеточном раке кожи (БКР) — наиболее частом злокачественном новообразовании у человека. Около 10–20% спорадических БКР несут активирующие мутации SMO, а при синдроме Горлина-Гольца (наследственной форме заболевания) мутации затрагивают ген PTCH, что также приводит к гиперактивации SMO.
• Медуллобластоме — злокачественной опухоли мозжечка у детей. Активирующие мутации SMO встречаются примерно в 10–15% случаев медуллобластомы подтипа SHH (Sonic Hedgehog).
• Рабдомиосаркоме — редкой опухоли мягких тканей, ассоциированной с активацией пути Hh.

Наследственные синдромы

• Синдром Горлина-Гольца (невоидный базальноклеточный рак) — аутосомно-доминантное заболевание, вызванное мутациями в гене PTCH, но клинически проявляющееся гиперактивацией SMO. Характеризуется множественными базальноклеточными карциномами, одонтогенными кератоцистами челюстей, скелетными аномалиями и кальцификацией серповидного отростка мозга.
• Синдром Мак-Кьюна-Олбрайта — редкое заболевание, при котором описаны соматические мутации SMO, приводящие к гиперпродукции циклического АМФ и развитию полиостозной фиброзной дисплазии костей, пятнистой пигментации кожи и эндокринных нарушений.

Терапевтические мишени

Белок SMO является мишенью для нескольких таргетных противоопухолевых препаратов. Наиболее известный ингибитор SMO — висмодегиб (торговое название «Эриведж»), одобренный в 2012 году Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) для лечения метастатического или местно-распространённого базальноклеточного рака у пациентов, которым противопоказано хирургическое лечение или лучевая терапия. Висмодегиб связывается с трансмембранным доменом SMO, блокируя его конформационную активацию. Другие ингибиторы SMO (сонадегиб, гласдегиб) проходят клинические испытания при различных опухолях, включая медуллобластому. Однако применение этих препаратов ограничено развитием резистентности, часто связанной с вторичными мутациями в гене SMO (например, D473H, W535L).

Регуляция экспрессии и взаимодействия

Экспрессия гена SMO регулируется на нескольких уровнях:

• Транскрипционном — промотор SMO содержит сайты связывания для факторов GLI, что создаёт положительную обратную связь в сигнальном пути.
• Посттрансляционном — белок SMO подвергается фосфорилированию киназами GRK2/3, убиквитинированию и деградации в протеасомах, что ограничивает длительность сигнала.
• Взаимодействие с другими белками — помимо PTCH, SMO связывается с белками первичной реснички (например, EVC, EVC2), необходимыми для его локализации, а также с β-аррестинами, которые участвуют в интернализации рецептора.

Эволюционная консервативность

Ген SMO высококонсервативен у животных: гомологи обнаружены у насекомых, рыб, амфибий, птиц и млекопитающих. У человека и мыши идентичность аминокислотной последовательности белка SMO превышает 95%. У Drosophila ген SMO необходим для сегментации тела и развития органов, а его мутации приводят к летальности на эмбриональной стадии. У позвоночных дупликация гена SMO не описана, что подчёркивает его уникальную роль в передаче сигнала Hh.

Интересные факты

• Белок SMO является представителем класса F GPCR, который также включает рецепторы Frizzled (FZD), участвующие в сигнальном пути Wnt. Несмотря на структурное сходство, SMO и FZD активируются разными лигандами и выполняют разные функции.
• Первичная ресничка — обязательная структура для активации SMO у позвоночных. У беспозвоночных, лишённых ресничек, активация SMO происходит в других компартментах клетки.
• Висмодегиб, первый ингибитор SMO, был открыт в результате скрининга библиотеки малых молекул на способность блокировать пролиферацию клеток базальноклеточного рака. Его клинические испытания показали эффективность у 48% пациентов с местно-распространённой формой заболевания.

Источники

• Chen, Y., & Struhl, G. (1996). Dual roles for patched in sequestering and transducing Hedgehog. Cell, 87(3), 553–563.
• Stone, D. M., et al. (1996). The tumour-suppressor gene patched encodes a candidate receptor for Sonic hedgehog. Nature, 384(6605), 129–134.
• Xie, J., et al. (1998). Activating Smoothened mutations in sporadic basal-cell carcinoma. Nature, 391(6662), 90–92.
• Von Hoff, D. D., et al. (2009). Inhibition of the hedgehog pathway in advanced basal-cell carcinoma. New England Journal of Medicine, 361(12), 1164–1172.
• Briscoe, J., & Thérond, P. P. (2013). The mechanisms of Hedgehog signalling and its roles in development and disease. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 14(7), 416–429.
• Robarge, K. D., et al. (2009). GDC-0449—a potent inhibitor of the hedgehog pathway. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 19(19), 5576–5581.