Transformující růstový faktor – b: rozmanitost přenosu signálu a funkce Karel Souček Bi6051 Molekulární fyziologie živočichů Biologické funkce TGF-b n Reguluje proliferaci, diferenciaci, buněčnou smrt, motilitu, adhezi (v závislosti na buněčném typu) = ovlivňuje homeostázu; n reguluje expresi extracelulární matrix; – indukuje fibrilární kolagen a fibronectin; – inhibuje degradaci ECM (prostřednictvím inhibice MMPs a indukce TIMPs). Biologické funkce TGF-b n TGF-b1 knockout – Multifocal inflammatory disease followed by a wasting syndrome • 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 • Decreased thymus size • Enlargement of lymph nodes • Elevated constitutive levels of IL-2 mRNA in the thymus • Elevated IL-2r mRNA in lymph nodes – Cachexia Death roughly 20 days after birth n TGF-b2 knockout – Multi-organ defects (lung, heart, limb, craniofacial, spinal column, eye, inner ear, urinary tract, genital tract) – Perinatal mortality Transforming growth factor-b family n Historie n Zástupci rodiny a jejich nejvýznamnější funkce n Syntéza, produkce a aktivace n Přenos signálu a jeho regulace – receptory – sekundární přenašeči – „alternativní“ dráhy – regulace genové exprese n Role v rozvoji patologických stavů Historie TGF-b n na konci 70. let byla identifikována celá řada růstových faktorů; n bylo zřejmé, že nádorové buňky se liší od normálních buněk mmj. ve schopnosti reagovat na některé z nich; n Robert Holley ( 1968) naznačil, že transformované nebo nádorové buňky unikají z normální růstové kontroly tím, že potřebují méně hormonů či růstových faktorů; n Michael B. Sporn vyslovil v roce 1980 hypotézu o možném podílu autokrinních faktorů na buněčné transformaci Endokrinní, autokrinní & parakrinní regulace Historie TGF-b n Todaro a De Larco (1978) popsali „faktor“ způsobující transformaci normálních buněk – pojmenovali ho sarcoma growth factor (SGF) Historie TGF-b n 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-a – Frakce indukující mnoho velkých kolonií a bez kompetice s EGF = TGF-b Historie TGF-b n Na začátku 80. let byli vyvinuty metody purifikace TGF-b n V té tobě již bylo jasné, že produkce TGF-b není nádorově specifická n purifikace zejména z placenty, krevních destiček a prasečích ledvin Historie TGF-b n M.B. Sporn (1983) prokázal in vivo schopnost TGF-b podporovat tvorbu kolagenu a vaskularizaci normální tkáně během hojení Historie TGF-b n Rik Derynck et al. (1985) naklonovali TGF-b Historie TGF-b n Kathleen Flanders et al. (1988) vyvinula protilátky proti specifickým epitopům TGF-b a tím umožnil studium exprese in vivo Historie TGF-b n Joan Massagué (1985) detailněji charakterizoval receptory pro TGF-b Historie TGF-b n V letech 1992 a 1993 byly naklonovány receptory pro TGF-b Historie TGF-b n Objev intracelulárních přenašečů signálu TGF-b - v roce 1995 na Drosophila melanogaster a v roce 1996 na Caenorhabditis elegans. Historie TGF-b n Jeffrey Wrana, Lilana Attisano a Joan Massagué (1994) – popis aktivace receptoru Historie TGF-b n Mad (mothers against decapentaplegic) + Sma = SMAD Transforming growth factor-b n Zástupci rodiny a jejich nejvýznamnější funkce TGF-b rodina n více než 60 proteinů – Transformující růstové faktory – b (TGF-b) – Activin(y) – Bone Morphogenetic Proteins (BMP); Growth/Differentiation Factors (GDF) TGF-b rodina TGF-b rodina n Bone Morphogenetic Proteins (BMP) – klíčové faktory pro vývoj kostí a chrupavek, ale i další funkce. TGF-b rodina n Growth/Differentiation Factors (GDF) – faktory podobné BMP TGF-b rodina n 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 b podjednotky a dvě b podjednotky inhibin(u) (A nebo B); – Activin A (bAbA); – Activin B (bBbB); – Activin AB (bAbB). n Inhibin(y) – Inhibuje produkci FSH; – dimer a a b podjednotky (A nebo B) TGF-b rodina n Transformující růstové faktory – b – důležité faktory řídící embryogenezi, diferenciaci, tkáňovou regeneraci, ale i rozvoj řady onemocnění – TGF-b1 (Chr. 19) – TGF-b2 (Chr. 1) – TGF-b3 (Chr. 14) – 76-80% homologie Transforming growth factor-b n Syntéza, produkce a aktivace Syntéza a sekrece TGF-b n Syntetizován a sekretován v podobě latentního komplexu n asociovaný s Latency Associated Peptide (LAP) = small latent complex; n LAP dimer spolu s TGF-b dimerem je kovalentně vázán na Latent TGF-b Binding Protein (LTBP) = large latent complex Syntéza a sekrece TGF-b Syntéza a sekrece TGF-b Syntéza a sekrece a aktivace TGF-b Aktivace TGF-b n Fyzikálně-chemicky – v kyselém mikroprostředí buněk – extrémními změnami pH – g zářením – reaktivními skupinami kyslíku – zvýšenou teplotou n Enzymaticky a prostřednictvím nespecifických proteinových interakcí – Proteázy • Plasmin, Catepsin G • Calpain – MMP-9 a MMP-2 – Glykosidázy – Interakce s trombospondinem [– ]Interakce s integrinem a[v]b[6] Transforming growth factor-b n Přenos signálu a jeho regulace – receptory – sekundární přenašeči – „alternativní“ dráhy – regulace genové exprese Přenos signálu TGF-b Transforming growth factor-b n Přenos signálu a jeho regulace – receptory – sekundární přenašeči – „alternativní“ dráhy – regulace genové exprese Receptory TGF-b rodiny Receptory TGF-b rodiny R-SMAD SMAD Transforming growth factor-b n Přenos signálu a jeho regulace – receptory – sekundární přenašeči – „alternativní“ dráhy – regulace genové exprese Přenos signálu nezávislý na SMAD Regulace transkripce Kofaktory Inhibice proliferace u epiteliálních buněk Growth factors in cancer cell signaling Karel Souček ksoucek@ibp.cz Eva Lincová Andrea Staršíchová Zuzana Pernicová Department of Cytokinetics Institute of Biophysics AS CR, v.v.i., Brno, Czech Republic Growth factors in cancer cell signaling n cancer is not single cell disease; n tissue microenvironment plays an important role in tumor initiation and progression; n growth factors - cytokines - play crucial role in cancer development and some of them belong to the significant autocrine/paracrine factors produced by various cell types in tumor microenvironment; n modulation of their signal transduction represent potential target for therapy. Growth factors in cancer cell signaling n What is a role of TGF-b family cytokines in chemopreventive action of inhibitors of arachidonic acid metabolim? n How we can effectively modify neuroendocrine differentiation of the cancer cells? What is a role of TGF-b family cytokines in chemopreventive action of inhibitors of arachidonic acid metabolim? Cyclooxygenases (COX-1, -1b, -2) n key enzymes of arachidonic acid metabolism Nonsteroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) n variety of mechanisms n cancer chemoprevention Some effects of NSAIDs are independent on inhibition of prostaglandin synthesis Transforming growth factor-b n Role v rozvoji patologických stavů Biologické funkce TGF-b n Hraje klíčovou úlohu během embryogeneze; n reguluje proliferaci, diferenciaci, buněčnou smrt, motilitu, adhezi (v závislosti na buněčném typu) = ovlivňuje homeostázu; n reguluje expresi extracelulární matrix; – indukuje fibrilární kolagen a fibronectin; – inhibuje degradaci ECM (inhibicí MMPs a indukci TIMPs). Role TGF-b v rozvoji patologických stavů n Fibróza – deregulace exprese ECM prostřednictvím indukce proliferace fibroblastů a jejich myofibroblastového fenotypu. n Nádorová onemocnění – ztráta citlivosti epiteliálních buněk k inhibičnímu působeni TGF-b; – indukce angiogeneze. Role TGF-b v carcinogenezi Role TGF-b v carcinogenezi Role TGF-b v carcinogenezi Role TGF-b v carcinogenezi Epithelial-Mesenchymal Transition (EMT) n Změna buněčného fenotypu spojená se ztrátou adheze a zvýšením motility • během embryonálního vývoje - zákl. typy pohybu: 1) KONVERGENČNÍ rozšíření - masová migrace b. - b. udržují během migrace své mezibun. kontakty - u obrtl., kteří dramaticky nezvětšují svou velikost těla během raného vývoje (ryby, obojživelníci) 2) INDIVIDUÁLNÍ BUN. MIGRACE - EMT - ztráta bun. kontaktů - migrace jednotlivých b. či malých skupin b. skrz EXTRACELULÁRNÍ MATRIX - během formování - mezodermu Amniot (plazi, ptáci, savci) - neurální lišty (neural crest) obratlovců EMT Dvojí úloha TGF-b v carcinogenezi n Deregulace inhibice proliferace epiteliálních buněk; n Epithelia-mesenchymal transition n podpora migrace, metastázování a angiogeneze. Role TGF-b v diagnóze, prognóze a léčbě n Vysoká sérová hladina TGF-b1 je spojena s nádory tlustého střeva, prostaty a rozvojem fibrózy; n polymorfismus genu pro TGF-b1 vedoucí k jeho zvýšené produkci určuje predispozici k fibróze, hypertenzi a osteoporéze; n blokování produkce a aktivity TGF-b má velký potenciál pro léčbu fibrózy; n protektivní účinek retinoidů a vitamínu D3 může být způsoben prostřednictvím TGF-b. Shrnutí přednášky n TGF-b rodina zahrnuje řadu multifunkčních proteinů. n Přenos signálu je intracelulárně přenášen SMAD proteiny, ale interaguje s řadou dalších signálních drah. n Působení TGF-b je závislé na buněčném typu a také přítomnosti dalších faktorů. n TGF-b hraje významnou roli v rozvoji karcinogeneze a dalších patologických stavů.