Jeszcze w czasie prób ANT-4 zdecydowano, że po wdrożeniu do produkcji seryjnej samolot otrzyma inne silniki – francuskie Lorraine-Dietrich 12E o mocy 450 KM (użyte również przez polskich konstruktorów w samolocie PWS-10). W związku z tym biuro konstrukcyjne Tupolewa już w połowie 1926 roku przystąpiło do opracowywania drugiego prototypu pod oznaczeniem ANT-4 Dubler. Poza zmianą silników wprowadzano zmiany związane z przystosowaniem samolotu do roli bombowca (m.in. dodano miejsce drugiego pilota, komorę bombową, stanowiska karabinów maszynowych). Prace nad drugim prototypem przeciągnęły się, ponieważ w ich trakcie zapadła kolejna decyzja o zmianie silników – tym razem na niemieckie BMW-VI. Powody tej zmiany były dwa: po pierwsze silniki BMW miały większą moc (600 KM), a po drugie trwały negocjacje w sprawie zakupu od firmy BMW licencji. 17 października 1927 roku podpisano umowę i rozpoczęła się produkcja radzieckiej wersji silnika BMW-VI pod nazwą M-17 (silniki te napędzały później również bombowce TB-3, a nawet niektóre radzieckie czołgi). Ostatecznie prace nad samolotem ANT-4 Dubler zakończyły się w marcu 1929 roku i został on zatwierdzony jako podstawa do produkcji seryjnej bombowca TB-1.