Transformující růstový faktor ­ :
rozmanitost přenosu signálu a funkce
Karel Souček
7-12-2006
Bi6051 Molekulární fyziologie živočichů
Transforming growth factor - (TGF-)
TGF- rodina ~ TGF-s,
activins, bone morphogenic
proteins (BMP)
TGF-1
ˇ pleiotropní cytokin
ˇ negativní regulátor
Epstein, F.H., N Engl J Med 2000; 342:1350-1358, 2000Karel Souček Bi6051
Biologické funkce TGF-
Reguluje proliferaci, diferenciaci,
buněčnou smrt, motilitu, adhezi (v
závislosti na buněčném typu) =
ovlivňuje homeostázu;
reguluje expresi extracelulární matrix;
­ indukuje fibrilární kolagen a fibronectin;
­ inhibuje degradaci ECM (prostřednictvím
inhibice MMPs a indukce TIMPs).
Karel Souček Bi6051
Biologické funkce TGF-
TGF-1 knockout
­ Multifocal inflammatory disease followed by a wasting syndrome
ˇ Multifocal infiltration of lymphocytes and macrophages into diverse organs.
Increased adhesion of mononuclear leukocytes (MLN) to extracellular matrix and
to endothelial cells in vitro. Blockage of MLN infiltration by synthetic fibronectin
peptides
ˇ Decreased thymus size
ˇ Enlargement of lymph nodes
ˇ Elevated constitutive levels of IL-2 mRNA in the thymus
ˇ Elevated IL-2r mRNA in lymph nodes
­ Cachexia
Death roughly 20 days after birth
TGF-2 knockout
­ Multi-organ defects (lung, heart, limb, craniofacial, spinal column, eye, inner ear,
urinary tract, genital tract)
­ Perinatal mortality
http://www.bioscience.org/knockout/knochome.htmKarel Souček Bi6051
Regulace růstu/proliferace a zrání/diferenciace hematopoetických buněk
působením TGF-
N.O. Fortunel, A. Hatzfeld, J.A. Hatzfeld, Transforming growth factor-beta: pleiotropic role in
the regulation of hematopoiesis, Blood 96 (2000) 2022-2036.
Karel Souček Bi6051
Transformující růstový faktor ­ :
rozmanitost přenosu signálu a funkce
Historie
Zástupci rodiny a jejich nejvýznamnější
funkce
Syntéza, produkce a aktivace
Přenos signálu a jeho regulace
­ receptory
­ sekundární přenašeči
­ ,,alternativní" dráhy
­ regulace genové exprese
Role v rozvoji patologických stavů
Karel Souček Bi6051
Historie TGF-
na konci 70. let byla identifikována celá
řada růstových faktorů;
bylo zřejmé, že nádorové buňky se liší od
normálních buněk mmj. ve schopnosti
reagovat na některé z nich;
Robert Holley ( 1968) naznačil, že
transformované nebo nádorové buňky
unikají z normální růstové kontroly tím, že
potřebují méně hormonů či růstových
faktorů;
Michael B. Sporn vyslovil v roce 1980
hypotézu o možném podílu autokrinních
faktorů na buněčné transformaci
Karel Souček Bi6051
Endokrinní, autokrinní & parakrinní
regulace
Sporn, M.B. 2005
The early history of TGF-
R&D Systems
Karel Souček Bi6051
Historie TGF-
Todaro a De Larco (1978) popsali
,,faktor" způsobující transformaci
normálních buněk ­ pojmenovali ho
sarcoma growth factor (SGF)
Karel Souček Bi6051
Historie TGF-
A.B. Roberts a M.A. Anzano (1982)
prokázali, že SGF není jen jeden faktor
­ Frakce indukující málo kolonií a silně
kompetitivní s EGF= TGF-
­ Frakce indukující mnoho velkých kolonií a
bez kompetice s EGF = TGF-
Cancer Res. 1982 Nov;42(11):4776-8.
Synergistic interaction of two classes of transforming
growth factors from murine sarcoma cells.
Anzano MA, Roberts AB, Meyers CA, Komoriya A,
Lamb LC, Smith JM, Sporn MB.
Karel Souček Bi6051
Historie TGF-
Na začátku 80. let byli vyvinuty metody
purifikace TGF-
V té tobě již bylo jasné, že produkce
TGF- není nádorově specifická
purifikace zejména z placenty, krevních
destiček a prasečích ledvin
Karel Souček Bi6051
Historie TGF-
M.B. Sporn (1983) prokázal in vivo
schopnost TGF- podporovat tvorbu
kolagenu a vaskularizaci normální tkáně
během hojení
Science. 1983 Mar 18;219(4590):1329-31.
Polypeptide transforming growth factors isolated from
bovine sources and used for wound healing in vivo.
Sporn MB, Roberts AB, Shull JH, Smith JM, Ward JM,
Sodek J.
Karel Souček Bi6051
Historie TGF-
Rik Derynck et al. (1985) naklonovali
TGF-
Karel Souček Bi6051
Historie TGF-
Kathleen Flanders et al. (1988) vyvinula
protilátky proti specifickým epitopům
TGF- a tím umožnil studium exprese in
vivo
Karel Souček Bi6051
Historie TGF-
Joan Massagué (1985) detailněji
charakterizoval receptory pro TGF-
Karel Souček Bi6051
Historie TGF-
V letech 1992 a 1993 byly naklonovány
receptory pro TGF-
Karel Souček Bi6051
Historie TGF-
Objev intracelulárních přenašečů signálu TGF- - v roce 1995
na Drosophila melanogaster a v roce 1996 na Caenorhabditis
elegans.
Karel Souček Bi6051
Historie TGF-
Jeffrey Wrana, Lilana Attisano a Joan
Massagué (1994) ­ popis aktivace receptoru
Karel Souček Bi6051
Historie TGF-
Mad (mothers against decapentaplegic)
+ Sma = SMAD
Karel Souček Bi6051
Transforming growth factor-
Zástupci rodiny a jejich nejvýznamnější
funkce
TGF- rodina
více než 60 proteinů
­ Transformující růstové faktory ­  (TGF-)
­ Activin(y)
­ Bone Morphogenetic Proteins (BMP);
Growth/Differentiation Factors (GDF)
Karel Souček Bi6051
TGF- rodina
Genes to Cells (2002) 7, 1191-1204Karel Souček Bi6051
TGF- rodina
Bone Morphogenetic Proteins (BMP)
­ klíčové faktory pro vývoj kostí a chrupavek, ale i další funkce.
BMP Funkce Genový lokus
BMP1 Nenáleží do TGF- rodiny. Metaloproteinása. 8p21
BMP2 Indukuje vývoj kostí a chrupavek; klíčový regulátor
diferenciace osteoblastů.
20p12
BMP3 Indukuje tvorbu kostí. 14p22
BMP4 Reguluje tvorbu zubů, končetin a kostí z mesodermu;
ovlivňuje hojení zlomenin.
14q22-q23
BMP5 Úloha při tvorbě chrupavek. 6p12.1
BMP6 Důležitý pro funkci kloubů. 6p12.1
BMP7 Klíčový faktor diferenciace osteoblastů a vývoje ledvin. 20q13
BMP8a Reguluje vývoj kostí a chrupavek. 1p35-p32
BMP8b Exprimován v hipokampu. 1p35-p32
BMP10 ? Vývoj srdce. 2p14
BMP15 ?Vývoj oocytů a folykulů. Xp11.2
Chen, Di, Zhao, Ming, and Mundy, Gregory R. (2004). "Bone Morphogenetic Proteins". Growth Factors 22 (4): 233­241
Karel Souček Bi6051
TGF- rodina
Growth/Differentiation Factors (GDF)
­ faktory podobné BMP
GDF Funkce Genový lokus
GDF1 Regulátor vývoje levo-pravé asymetrie během
embryogeneze.
19p12
GDF2 Indukuje cholinergní fenotyp. Chr.10
GDF3 ? 12p13.1
GDF5 Důležitý pro vývoj kostí a kloubů. 20q11.2
GDF6 Důležitý pro vývoj kostí a kloubů. Chr. 8
GDF7 Důležitý pro vývoj kostí a kloubů. Chr. 2
GDF8 Myostatin; regulátor funkce kosterního svalstva.
Negativní regulátor svalového růstu.
2q32.2
GDF9 Exprese v oocytech během folikulogeneze. Chr. 5
GDF10 BMP3b; kontroluje endochondrální osifikaci Chr. 28
GDF11 Důležitý při vývoji pátěře. 12q13.13
GDF15 Vysoká exprese v placentě; indukovaný NSAIDs;
inhibitor karcinogeneze; induktor apoptózy ?
19p13.2-p13.1
Karel Souček Bi6051
TGF- rodina
Activin(y)
­ dimerické proteiny regulující syntézu a sekreci FSH a
regulující menstruační cyklus, ale také imunitní a nervový
systém; důležité faktory při tvorbě kůže a hojení ran;
­ dimer obsahuje dvě identické  podjednotky a dvě 
podjednotky inhibin(u) (A nebo B);
­ Activin A (AA);
­ Activin B (BB);
­ Activin AB (AB).
Inhibin(y)
­ Inhibuje produkci FSH;
­ dimer  a  podjednotky
(A nebo B)
Sulyok, S., Wankell, M., Alzheimer, C., and Werner, S. Activin: an important regulator of
wound repair, fibrosis, and neuroprotection. Mol. Cell. Endocrinol., 225: 127-132, 2004.
Karel Souček Bi6051
TGF- rodina
Transformující růstové faktory ­ 
­ důležité faktory řídící embryogenezi, diferenciaci,
tkáňovou regeneraci, ale i rozvoj řady onemocnění
­ TGF-1 (Chr. 19)
­ TGF-2 (Chr. 1)
­ TGF-3 (Chr. 14)
­ 76-80% homologie
Karel Souček Bi6051
Transforming growth factor-
Syntéza, produkce a aktivace
Syntéza a sekrece TGF-
Syntetizován a sekretován v podobě
latentního komplexu
asociovaný s Latency Associated
Peptide (LAP) = small latent complex;
LAP dimer spolu s TGF- dimerem je
kovalentně vázán na Latent TGF-
Binding Protein (LTBP) = large latent
complex
Karel Souček Bi6051
Syntéza a sekrece TGF-
Karel Souček Bi6051
Syntéza a sekrece TGF-
Karel Souček Bi6051
Syntéza, sekrece a aktivace TGF-
Karel Souček Bi6051
Aktivace TGF-
Fyzikálně-chemicky
­ v kyselém mikroprostředí buněk
­ extrémními změnami pH
­  zářením
­ reaktivními skupinami kyslíku
­ zvýšenou teplotou
Enzymaticky a prostřednictvím nespecifických proteinových interakcí
­ Proteázy
ˇ Plasmin, Catepsin G
ˇ Calpain
­ MMP-9 a MMP-2
­ Glykosidázy
­ Interakce s trombospondinem
­ Interakce s integrinem v6
Karel Souček Bi6051
Transforming growth factor-
Přenos signálu a jeho regulace
­ receptory
­ sekundární přenašeči
­ ,,alternativní" dráhy
­ regulace genové exprese
Karel Souček Bi6051
Přenos signálu TGF-
Massague J. Nat. Rev. Mol. Biol. 2000Karel Souček Bi6051
Transforming growth factor-
Přenos signálu a jeho regulace
­ receptory
­ sekundární přenašeči
­ ,,alternativní" dráhy
­ regulace genové exprese
Karel Souček Bi6051
Receptory TGF- rodiny
Accesory Receptors ­ Type III: betaglycan, endoglin
Massague J. Annu. Rev. Biochem. 1998. 67: 753-91Karel Souček Bi6051
Receptory TGF- rodiny
R-SMAD
Annu. Rev. Cell. Dev. Biol. 2005. 21: 659-93
SMAD
Massague J. Annu. Rev. Biochem. 1998. 67: 753-91Karel Souček Bi6051
Transforming growth factor-
Přenos signálu a jeho regulace
­ receptory
­ sekundární přenašeči
­ ,,alternativní" dráhy
­ regulace genové exprese
Karel Souček Bi6051
Přenos signálu nezávislý na SMAD
Nature 425 (2003) 577-584
Oncogene (2005) 24, 5742­5750
Massague J. Nat. Rev. Mol. Biol. 2000
Regulace transkripce
Nature 425 (2003) 577-584
Kofaktory
Massague J. Nat. Rev. Mol. Biol. 2000
Inhibice proliferace u epiteliálních
buněk
Carcinogenesis vol.27 no.11 pp.2148­2156, 2006
Souček, et al. Leuk. Res. 30 (2006) 607-623 Karel Souček Bi6051
Growth Differentiation Factor 15 (GDF-15)
NAG-1 (Non Steroidal Anti-Inflammatory Drugs (NSAIDs)-Activated Gene)
Placental transforming growth factor b (PTGF-)
macrophage inhibitory cytokine-1 (MIC-1)
placental bone morphogenetic protein
PLAB
Prostate-derived factor (PDF)
patří do TGF- rodiny
inhibitor nádorové
progrese
­ inhibuje proliferaci
­ indukuje apoptózu
Jaká je úloha cytokinů z rodiny TGF- v
chemopreventivním působení inhibitorů
metabolismu kyseliny arachidonové?
Otázky které si klademe:
Karel Souček Bi6051
ATRA a vitamín D3 (a jejich deriváty)
inhibitory proliferace a regulátory
diferenciace a apoptózy
v principu podobný biologický mechanismus
účinku prostřednictvím jaderných receptorů
induktory autokrinní produkce TGF-1
terapeutické využití
Karel Souček Bi6051
Nesteroidní antiflogistika
(NSAIDs)
protizánětlivé léky
inhibitory
cyklooxygenáz
Karel Souček Bi6051
Řada efektů NSAIDs je nezávislá na
inhibici syntézy prostaglandinů
Karel Souček Bi6051
Signálová transdukce GDF-15/NAG-1/MIC-1/PTGF-
GDF-15 GDF-15
Karel Souček Bi6051
Indometacin zastavuje progresi buněčného cyklu a
indukuje GDF-15 u nádorových buněk prostaty
%ofcellinS-phase
0
5
10
15
20
25
30
PGE2 (nM)
INDO (M)
-
-
1
0
10
0
-
50
1
50
10
50
GDF-15
Karel Souček Bi6051
Existuje interakce mezi působením
vitamínu D3 a intometacinu
G0/G1-phase
hours
6 12 24
%ofcells
0
20
40
60
80
CTRL
INDO
VD3
RA
VD3/INDO
RA/INDO
S-phase
hours
6 12 24
%ofcells
0
5
10
15
20
25
30
35
G2/M-phase
hours
6 12 24
%ofcells
0
5
10
15
20
25
30
Karel Souček Bi6051
Transforming growth factor-
Role v rozvoji patologických stavů
Biologické funkce TGF-
Hraje klíčovou úlohu během embryogeneze;
reguluje proliferaci, diferenciaci, buněčnou
smrt, motilitu, adhezi (v závislosti na
buněčném typu) = ovlivňuje homeostázu;
reguluje expresi extracelulární matrix;
­ indukuje fibrilární kolagen a fibronectin;
­ inhibuje degradaci ECM (inhibicí MMPs a indukci
TIMPs).
Karel Souček Bi6051
Role TGF- v rozvoji patologických
stavů
Fibróza
­ deregulace exprese ECM
prostřednictvím indukce proliferace
fibroblastů a jejich
myofibroblastového fenotypu.
Nádorová onemocnění
­ ztráta citlivosti epiteliálních buněk k
inhibičnímu působeni TGF-;
­ indukce angiogeneze.
Karel Souček Bi6051
Role TGF- v carcinogenezi
NEJM 342, 18 (2000) 1350-1358Karel Souček Bi6051
Role TGF- v carcinogenezi
Prostate ­ normal vs. cancer normal, hyperplasia vs. cancer
Karel Souček Bi6051
Role TGF- v carcinogenezi
NEJM 342, 18 (2000) 1350-1358Karel Souček Bi6051
Role TGF- v carcinogenezi
TRENDS in Cell Biology Vol.11 No.11 2001Karel Souček Bi6051
Dvojí úloha TGF- v carcinogenezi
Deregulace inhibice proliferace
epiteliálních buněk;
podpora migrace, metastázování a
angiogeneze.
Karel Souček Bi6051
Role TGF- v diagnóze, prognóze a léčbě
Vysoká sérová hladina TGF-1 je spojena s
nádory tlustého střeva, prostaty a rozvojem
fibrózy;
polymorfismus genu pro TGF-1 vedoucí k
jeho zvýšené produkci určuje predispozici k
fibróze, hypertenzi a osteoporéze;
blokování produkce a aktivity TGF- má velký
potenciál pro léčbu fibrózy;
protektivní účinek retinoidů a vitamínu D3
může být způsoben prostřednictvím TGF-.
Karel Souček Bi6051
Shrnutí přednášky
TGF- rodina zahrnuje řadu multifunkčních proteinů.
Přenos signálu je intracelulárně přenášen SMAD proteiny, ale
interaguje s řadou dalších signálních drah.
Působení TGF- je závislé na buněčném typu a také přítomnosti
dalších faktorů.
TGF- hraje významnou roli v rozvoji karcinogeneze a dalších
patologických stavů.
Na konci dnešní přednášky by jste měli:
1. znát základní zástupce a funkce proteinů TGF- rodiny;
2. umět popsat přenos signálu který závisí na SMAD;
3. být schopni vysvětlit úlohu TGF- v karcinogenezi.
Na konci dnešní přednášky by jste měli:
1. znát základní zástupce a funkce proteinů TGF- rodiny;
2. umět popsat přenos signálu který závisí na SMAD;
3. být schopni vysvětlit úlohu TGF- v karcinogenezi.
Karel Souček Bi6051