Luu morfogeneetiline valk 5

Luu morfogeneetiline valk 5 (inglise bone morphogenetic protein 5, lühendina BMP5) on valk, mida inimestes kodeerib BMP5-geen.

Geeni iseloomustus

Inimesel asub luu morfogeneetilise valgu 5 (bone morphogenetic protein 5 – BMP5) geen kuuenda kromosoomi lühikeses õlas (6p12.1). Geenilt kodeeritakse luu morfogeneetilisse perekonda kuuluvat valku, mis kuulub transformeeruva kasvufaktor beeta (TGF-β) superperekonda. On kindlaks tehtud, et Bmp5 geeni promooterregioon koosneb kahest transkriptsiooni startsaidist – elementaarsest TATA boksist ning mitmest konsensusjärjestusest. Edasised uuringud näitasid, et promootorregioonis puudub vaigistav element.

Valgu iseloomustus

BMP5 kuulub TGF-β superperekonda, kuhu liigitatakse palju rakkude kasvu ning diferentseerumisega seotud valke, samuti on neil oluline roll tagada normaalne areng kesk- ja perifeerses närvissüteemis. BMP valgud (BMP2 – BMP7) on jagatud alamgruppidesse nende struktuursete ning evolutsiooniliste omapärade järgi. Luu morfogeneetilised valgud identifitseeriti esimest korda tänu nende võimele luuüdist mineraalaineid välja tuua, et indutseerida endokondraalset osteogeneesi (protsess, mille käigus luuraku eellased ehk osteoblastid sünteesivad uut luukudet). Valke sünteesitakse eelvalkudena ning funktsionaalne valk esineb dimeerina. Kõige enam ekspresseeritud valk on BMP5, mis omab kõige tähtsamat rolli närvisüsteemide arengus. Ometi ei ole valgu bioloogilne funktsioon täpselt teada. Valgujärjestuse pikkuseks on 454 aminohapet, mis võib käituda trabekulaarses võrgustikus ja optilise närvi peas kui oluline signaalmolekul ning võib omada potentsiaalset rolli glaukoomi patogeneesis. Lähtudes aminohapete järjestuse homoloogiast, võib valgud BMP5, BMP6 ning BMP7 liigitada eraldiseisvatesse alamperekondadesse. Teised käesoleva grupi valgud moduleerivad neuronaalset morfogeneesi dendriitide kasvu mõjutamise kaudu. BMP6 ja 7 stimuleerivad dendriitide kasvu rakukultuuris kasvatatud sümpaatilistes närvides, mis on eemaldatud vastsündinute või täiskasvanute närvikeskusest, kus puudusid dendriitide ja närvi aksonaalseks kasvuks vajalikud rakud.
Katsed on näidanud, et BMP5 geeniekspressioon arenevate tibude neuraalses tuubulis surub maha ventraalsed markerid, seejuures jättes alles dorsaalsed markerid, mis lubab oletada valgu rolli aju dorsaalses piirkonnas. Edasised tõendid BMP5 valgu regulatsiooni kohta eesaju arengus on võimalikud tänu BMP5/BMP7 topeltmutantide uuringule.
Eelnevale lisaks on tehtud avastused, mis näitasid BMP5 lisarolle hilisemas närviarengus. Hiire ajus toimub maksimaalne BMP5 valgu ekspressioon nii täiskasvanu subkortikaalses kui ka posterioorses aju osas ning maksimaalne ekspressioon hipokampuses ja väikeajus leiab aset alates embrüonaalse arengu 18. päevast kuni esimese päevani pärast sündi ning jätkub täiskasvanueani välja.

Valgu funktsioon

Luu morfogeneetilised valgud on tuntud nende võime poolest indutseerida luu ja kõhre arengut. BMP5 võib mängida rolli teatud kasvajate arengus. Nagu teised BMP-d on ka BMP5 inhibeeritud chordin’i ja noggin’i poolt. Ekspresseerimine toimub trabekulaarses võrgustikus ja optilises närvi peas, lisaks omab valk olulist rolli inimese normaalses arengus. Valku ekspresseeritakse samuti kopsus ja maksas ning suures ulatuses närvisüsteemis läbi terve arengu täiskasvanueani välja. Peamine BMP5 funktsioon seisneb eesaju arengu indutseerimises. Valk võib lisaks sellele reguleerida hilisemaid närvide arenguetappe, eriti dendriitide morfogeneesi.
BMP5 omab võimalikku rolli kontrollitud rakusurma protsessis, kuna on leitud valgu olemasolu sõrmede- ja varvastevahelises ehk interdigitaalses koes spetsiifilise mustrina. BMP5 transkripte ja valku on leitud rohkelt apoptootiliste interdigitaalsete rakkude tsütoplasmast, mis viitab asjaolule, et BMP5 transporditakse rakkudesse apoptoosi ajal. Funktsionaalsed eksperimendid näitavad, et BMP5-l on sama efekt nagu teistel interdigitaalsetel BMP-del. Nad kutsuvad esile apoptsoosi diferentseerumata mesodermis ning kasvavas mesenhüümis.

Dendriitide kasv sümpaatilistes neuronites

Luu morfogeneetiline valk 5, mis sekreteeritakse signaalmolekulidena TGF-β superperekonna poolt, stimuleerib dendriitide kasvu sümpaatilistes neuronites. Neuronite kasv, piisava seerumi ja gliiarakkude puudumine ei võimalda dendriitide moodustumist. BMP5 lisamine kasvukeskkonda võimaldab dendriitide kasvu neuronites. Samuti võimaldab dendriitide kasvu BMP7 lisamine. Mõlemad, nii BMP5 kui ka BMP7, kutsuvad esile dendriidi moodustumise 90–100% ulatuses neuroni rakus 24–48 tunni jooksul. Nii BMP5-l kui ka BMP7-l on maksimaalselt efektiivse kontsentratsiooni korral sarnased tulemused neuronite arengule. Kahel nimetatud kasvufaktoril on dendriitide kasvule sarnane mõju – suureneb dendriitidega neuronite arv, ka dendriite hulk ja pikkus raku kohta on sarnane.

Dendriitide kasvu inhibeerimine

Viimased teadusuuringud väidavad, et närvisüsteemi arengu käigus seovad BMP antagonistid nagu follistatin ja noggin BMPd ekstratsellulaarsesse ruumi takistades retseptori ja ligandi interaktsiooni. 
Follistatin ja noggin inhibeerivad oluliselt BMP5 soodustavat rolli dendriitide kasvule sõltuvalt antagonistide kontsentratsioonide vahekorrast. Suurimad kontsentratsioonid, mis langetavad BMP5 rolli dendriitide kasvus, on mõlema antagonisti korral 1000 ng/ml, kasvu inhibeerimine toimub vastavalt järjekorrale 77% ning 72%.

BMP5 mRNA ja valgu ekspressioon

BMP5 mRNA ja valgu ekspressioon toimub kaelaganglioni rakkudes (superior cervical ganglion – SCG). BMP5 on dendriitide morfogeneesi füsioloogiline regulaator sümpaatilistes neuronites, seega selle ekspressioonimustrid peaksid kokku langema dendriitide kasvuga antud neuraalses rakutüübis. Potentsiaalseteks BMP5 allikateks on neuraalsed ja gliiarakud ganglionis. Selle võimaluse uurimiseks kasutati BMP5 spetsiifilist antikeha, millega viidi läbi spetsiifiliste valkude leidmise protsess SCG neuraalsetes rakkudes ja gliiarakkude kokultuuris, mida kasvatati 2 nädalat, et võimaldada gliiarakkude populatsiooni arengut. Katses kasutatud BMP5 antikeha spetsiifilisust demonstreerib fakt, et ta tunneb ära rekombinantse BMP5, kuid ei tunne ära rekombinantset BMP6-t ega BMP7-t. SCG kultuurides, mida töödeldi BMP5 antikehaga, esineb enamikus kui mitte kõikides neuraalsetes ja gliiarakkudes immunoreaktiivsus. Gliiarakkudes on fluorestsents levinud üle terve raku, kuid puudub rakutuumas. Neuronites on immunoreaktiivsus nähtav nii närvirakukehas ehk soomas kui ka jätketes. Kui BMP5 antikeha töödelda spetsiifilise blokeeriva valguga, siis toimub BMP5-s immunoreaktiivsuse langus, mis on võrreldav kontroll-kultuurides toimunud reaktsioonidele sekundaarse antikehaga. Rottidest kogutud SCG rakkudes, milles oli näha dendriitide kasvu erinevust, määrati BMP5 ekspressioon RT-PCR analüüsi abil. Valgu mRNA on olemas SCG rakkudes embrüonaalse arengu 20. päeval, mil hakkab toimuma dendriitide esialgne pikkuskasv. Samuti on mRNA olemas sünnijärgsetel päevadel 3 ja 7, mil toimub maksimaalne dendiitide pikkuskasv. mRNA-d ei leitud täiskasvanu SCG rakkudest.

Loommudel

Spetsialistid näitasid, et 9. kromosoomi lühikeses õlas teatud lookuses esinevate mutatsioonide tulemusel on häirunud hiire Bmp5 geeni funktsioon. Mutatsioonid „lühikese õla“ lookustes on seotud spetsiifiliste morfoloogiliste parandustega kõrvas ja mitmete siseskeleti struktuuridega, vihjates, et luu morfogeneetilistele valkudele on pandud asjakohane nimetus. Mutantloomadel esinevad probleemid luumurdude parandamisel ning esinevad ka mitmed pehme koe hälbed, näiteks kopsu tsüsti, maksa granuloomi ja hydrotic kidney’d. Edasised rottide uuringud peaksid olema kasulikud BMP tuvastamisel, et kontrollida skeletikoe kasvu ja mustrit ning tuvastada nende geenide roll teistes elundkondades.
Kasutades standardseid transgeenseid lähenemisi, võib regulatoorsete regioonide, mis ümbritsevad mitmeid geene, uurimine olla raskesti teostatav. Teadlased seletasid bakteriaalse tehiskromosoomi (BAC) kloonide kasutust, et uurida sadu kiloaluspaare DNAd potentsiaalsete regulatoorsete järjestuste olemasolu suhtes, mis ümbritsevad hiire Bmp5 geeni. Suurte sisestuskloonide süst lacZ reporteriga moodustab kordused kõikidest ekspressioonisaitidest, mida on eelnevalt vaadeldud mitme väikese regioonina ning ka suure, komplekse regulatoorse regioonina. Koinjektsioon võimaldab uurida teisi Bmp5 geeni regioone, otsides potentsiaalseid kontrollelemente, et kinnitada mitmete elementide lokatsioon ennustatuna eelmisest ekspressiooniuuringust. Katsete tulemusena näidati, et Bmp5 kontrollelemendid on võimelised fenotüübilisi efekte päästma sõltumata Bmp5 puudusest. Tulevikus jääb veel uurida, kas Bmp5 kontrollregioon käitub sarnaselt endogeensetel ja võõrpromootoritel. See lähenemine identifitseeris uue Bmp5 kontrollregiooni, mis vastutab spetsiifiliste anatoomiliste struktuuride arengu kontrolli üle selgroogsete skeletis. Teadlased pakkusid välja, et sarnane lähenemine võib olla kasulik, et tuvastada kompleksset kontrollregiooni mis ümbritseb mitmeid teisi geene, mis on olulised embrüogeneesis ja inimese haiguses.