Transformující růstový faktor - ß: rozmanitost přenosu signálu a funkce Karel Souček BÍ6051 Molekulární fyziologie živočichů Transforming growth factor -ß (TGF-ß) TGF-ß rodina ~ TGF-ßs, activins, bone morphogenic proteins (BMP) TGF-ß! • pleiotropní cytokin • negativní regulátor ■ TGF-ŕí Rll K \ í I ill ane # ^ Smad6 or Smad7 Smad2 or Smad3 Cellular effects Differentiation Growth inhibition Deposition of extracellular matrix Apoptosis Smad4 Nucleus / Epstein, F.H., N Engl J Med 2000; 342:1350-1358, 2000 Biologické funkce TGF-ß ■ 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). Biologické funkce TGF-ß TGF-ß1 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 TGF-ß2 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.htm Regulace růstu / p rol if era ce a zraní/diferenciace hematopoetickych buněk působením TGF-ß Primitive slemferogenllor ceil compartment with capacity for sell renewal HPP-eFU'E Uaiiir« «ryttvotd c#l CFU-QM Or«tiein T.W H Owuiocyt« N.O. Fortunel, A. Hatzfeid, J.A. Hatzfeid, Transforming growth factor-beta: pleiotropic role in the regulation of hematopoiesis, Blood 96 (2000) 2022-2036. Transforming growth factor-ß family ■ 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 Historie TGF-ß ■ 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 (0 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 Endokrinní, autokrinní & parakrinní regulace Endocrine Paracrine Autocrine Historie TGF-ß NO PHOTO AVAILABLE Todaro a De Larco (1978) popsali „faktor" způsobující transformaci normálních buněk - pojmenovali ho sarcoma growth factor (SGF) Proč. Natl. Acad. Sei. USÁ Vol. 75, No. 8. pp. 4001-4005, August 1978 Microbiology Growth factors from murine sarcoma virus-transformed cells (epidermal growth factor/Polypeptid« hormones/ceH transfonnatioD/rsdioreceptor assays) Joseph E. De Larco and George J. Todaro Laboratory of Vital Carcinogenesis, Nation»! Cancer institute. National institut«» of Health, Rrthftsda, Maryland 20014 Communicated inj David Baltimore, May 11,1'JTX ill M m Historie TGF-ß ■ 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 kom petice s EGF = TGF-ß Cancer Res. 1982 Nov;42(l l):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. Historie TGF-ß ■ Na začátku 80. let byli vyvinuty metody purifikace TGF-ß ■ V té tobě již bylo jasné, že produkce TGF-ß není nádorově specifická ■ purifikace zejména z placenty, krevních destiček a prasečích ledvin Historie TGF-ß ■ M.B. Sporn (1983) prokázal in vivo schopnost TGF-ß 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. Historie TGF-ß ■ Rik Derynck et al. (1985) nakloňovali TGF-ß NATURE VOL. 31» 22 AUGUST 1085________________________________ARTIPI F^____________________________________________________________— Human transforming growth factor-ß complementary DNA sequence and expression in normal and transformed cells Rik Derynck, Julie A. Jarrett, Ellson Y. Chen, Dennis FL Eaton, John R. Belľ, Richard K. Assoian , Anita B. Roberts1, Michael B. SponT & David V. Goeddel Departments of Molecular Biology and * Protein Biochemistry, Genentech Inc., 460 Point San Bruno Boulevard, South San Francisco, California 94080, USA t Laboratory of Chemoprevention, National Cancer Institute, Bethesda, Maryland 20205, USA Historie TGF-ß ■ Kathleen Flanders et al. (1988) vyvinula protilátky proti specifickým epitopum TGF-ß a tím umožnil studium exprese in vivo Transforming Growth Factor-ßl: Histochemical Localization with Antibodies to Different Epitopes Kathleen C. Flanders, Nancy L. Thompson, David S. Cissel, Hlen Van Obberghen-Schilling, Carl C. Baker,* Mary E. Kass,& Larry R. Ellingsworth,* Anita B. Roberts, and Michael B. Sporn Laboratory of Chemoprevention and * Laboratory of Tumor Virus Biology, National Cancer Institute, National Institutes of Health, Bethesda, Maryland 20892; ^Connective Tissue Research Laboratory, Collagen Corporation, Palo Alto, California 94303; and ä Department of Pathology, Washington Hospital Center, Washington DC 20005 Historie TGF-ß Joan Massagué (1985) detailněji charakterizoval receptory pro TGF-ß The Journal or Bjoloolcal Chemistry O 19S5 hy Tht Americui Society of Biolcpc«! Cbcrouu, ľne Vol. 2H>, No. 5, Ituw of Much 10. pp. 2M6-Í645. 196& Print«* in U.S.A. Cellular Receptors for Type ß Transforming Growth Factor LIGAND BINDING AND AFFINITY LABELING IN HUMAN AND RODENT CELL UNES* (Received for publication, August 6. 1984) Joan Massagué and Betsy Like From the Department of Biochemistry, University of Massachusetts Medical School, Worcester, Massachusetts 0I6Q5 Historie TGF-ß ■ V letech 1992 a 1993 byly nakloňovány receptory pro TGF-ß Cell, vol. BS, 775-7B5. February 21. 1992. Copyrighl © 193Ž by Cell Press Expression Cloning of the TGF-ß Type II Receptor, a Functional Transmembrane Serine/Threonine Kinase Herbert Y. Lin,'t Xiao-Fan Wang,*t Elinor Ng-Eaton,' Robert A. Weinberg,"t and Harvey F. LodishM 'Whitehead Institute for Biomedical Research Cambridge, Massachusetts 02142 i Department of Biology Massachusetts Institute of Technology Cambridge, Massachusetts 02139 TGF-0 was originally described as a factor that induced Mrtiai lihrňhlnťlc tn pialüama la BBft ■"«' i" normal rat the p/ese 1981) TG numfjerof Roberts ar TGF-ß oar Cell, Vol. 75, 681-692, November 19. 1993, Copyrighl © 1993 by Cell Press Cloning of a TGFß Type I Receptor That Forms a Heteromeric Complex with the TGFß Type II Receptor Petra Franzin, Peter ten Oijke, Hidenori lehijo,' Hidetoshi Yamashila. Peter Schulz, Carl-Henrik Heldin, and Kohei Miyazono Ludwig Institute for Cancer Research Biomedical Center S-751 24 Uppsala Sweden in morphogenesis, e.g., during different stages of development (Akhurst el al., 1991; Lyons et al-, 1991). TGFßs exert their effects through binding to specific cell surface receptors. By affinity labeling and cross-linking to radioiodinated TGFßs, a number of TGFß receptors (or binding proteins) have been identified, including type I (53 kd), type II (75 kd), and type III receptors (or betaglycan (300 kd)), which are found in most cells (for reviews see Historie TGF-ß Objev intracelulárních přenašečů signálu TGF-ß - v roce 1995 na Drosophila melanogaster a v roce 1996 na Caenorhabditis elegans. Proč. Nati. Acad. Sei. USA Vol. 93, pp. 790-794, January 1996 Developmental Biology Caenorhabditis elegans genes sma-2, sma-3, and sma-4 define a conserved family of transforming growth factor ß pathway components (signal (ransduetion/pattern formation/bone murphogenetic protein/multigene family) Cathy Savage*, Pradeep Das*, Alyce L. Finelu*, Scott R. Townsend*, Ching-Yu Sunt, Scott E. Bairdí, and Richard W. Padgett*§ •Waksman Institute and Department of Molecular Biology and Biochemistry, Rutgers University, Piscataway, NJ (18855-1)75«; ^Department of Biological Sciences, University of Pittsburgh, Pittsburgh, PA 15260; and ÍDťpaTimtiH of Biological Sciences, Wright State University, Dayton. OH 45435 Communicated by Clyde A. Hutchison Hi, University of North Carolina, Chape! Hill, NC, September 15, 1995 (received for review August 11, 1995) Copyright <5 1995 by the Genetks Society of America Genetic Characterization and Cloning of Mothers against dpp, a Gene Required for decapentaplegic Function in Drosophila melanogaster Jeff J. Sekelsky,1 Stuart J. Newfeld, Laurel A. Rafteiy,2 Elena H, Chartoff and William M. Gelbart TtU Biological Laboratories, Harvard University Cambridge, Massachusetts 02138 Manuscript received September 23, 1994 Accepted for publication December 7, 1994 Historie TGF-ß Jeffrey Wrana, Lilana Attisano a Joan Massagué (1994) - popis aktivace receptoru ■ Mechanism of activation of the TGF-ß receptor Jeffrey L. Wrana, Liliana Attisano, Rotraud Wieser, Francesc Ventura & Joan Massagué* Howard Hughes Medical Institute and Cell Biology and Genetics Program, Memorial Sloan-Kettering Cancer Center, New York, New York 10021. USA NATURE ■ VOL 370 - 4 AUGUST 1994 Historie TGF-ß ■ Mad (mothers against decapentaplegic) + Srna = SMÄD Cell, Vol. 37, 173, October 19,1996, Copyright Si996 by Cell Press Nomenclature: Vertebrate Mediators of TGF(i Family Signals Rik Derynck,1 William M. Gelbart,2 Richard M. Ha r land,3 Carl-Henrik Heldin,1 Scott E. Kern,3 Joan Massag ué,eľ Douglas A. Melton,27 Marek Mlodzik,a Richard W. Padgett,9 Anita B. Roberts,10 Jim Smith," Gerald H. Thomsen,1,1 Bert Vogelstein,712 and Xiao-Fan Wang,13 Transforming growth factor- ß ■ Zástupci rodiny a jejich nejvýznamnější funkce TGF-ß rodina i více než 60 proteinů - Transformující růstové faktory - ß (TGF-ß) - Activin(y) - Bone Morphogenetic Proteins (BMP); Growth/Differentiation Factors (GDF) ■ rodina 941- BMP' ^ Myostatin/GDF8 (h) 100 52 — TGF02 (h) TGF[}3 (h) ------TGFßl (h) Inhbin ßB (h) Inhbin J5A (h) S; 63 Inhibin pD (X) ico Inhibin ßC (h) - Inhibin ßE (h) XnM (X) -------Xnr5 (X) ----------------Fugaein (X) - Nodal (h) ----- GDF10/BMP3b(h) \.> '€Z, 1 BMP3/osteogenin (h) ADMP (X) GDF5/CDMP1 (h) F6/CDMP2/BMP13(m) ------- GDF2 (h) BMP10(h) 841— BMP5 (h) ""'— BMP7/OP1 (h) - BMP6/VgM (h) - BMP8/OP2 (h) -----60A (D) Screw {D) 52j- BMP4{h) Decapentaplegic (D) - BMP2(h) 631------------ Vg1 (X) c err i are (X) -------------- GDF1 (h) :;■; GDF3/Vgr2 (h) BMP15/GDF9b(h) — GDF9 (h) Inhibin a (h) Placental TGFJi (h) ------------------ AMH/MIS (h) 0.1 substitutions/site Genes to Cells (2002) 7, 1191-1204 TGF-ß rodina ■ Bone Morphogenetic Proteins (BMP) - klíčové faktory pro vývoj kostí a chrupavek, ale i další funkce. BMP Funkce Genový lokus BMP1 Nenáleží do TGF-ß 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): 233-241 TGF-ß rodina ■ Growth/Differentiation Factors (GDF) -faktory podobné BMP GDF Funkce Genový lokus GDF1 Regulátor vývoje levo-pravé asymetrie během embryogenéze. 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 My ostati n; 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 páteře. 12q13.13 GDF15 Vysoká exprese v placentě; indukovaný NSAIDs; inhibitor karcinogeneze; induktor apoptózy ? 19p13.2-p13.1 TGF-ß 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 ß podjednotky a dvě ß podjednotky inhibin(u) (A nebo B); - Activin A (ßAßA); - Activin B (ßBßB); - Activin AB (ßAßB) - Inhibuje produkci FSH; - dimer a aß 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. 1284 TGF-ß rodina ■ Transformující růstové faktory - ß - důležité faktory řídící embryogenezi, diferenciaci, tkáňovou regeneraci, ale i rozvoj řady onemocnění -TGF-ß1 (Chr. 19) -TGF-ß2(Chr. 1) - TGF-ß3 (Chr. 14) - 76-80% homologie Transforming growth factor- ß ■ Syntéza, produkce a aktivace Syntéza a sekrece TGF-ß ■ Syntetizován a sekretovan v podobě latentního komplexu ■ asociovaný s Latency Associated Peptide (LAP) = small latent complex; ■ LAP dimer spolu s TGF-ß dimerem je kovalentně vázán na Latent TGF-ß Binding Protein (LTBP) = large latent complex Syntéza a sekrece TGF-ß 1 30 279 390 NH2 r"p^^^^^^^^^^^g- i COOH Pre-pro-TGF ßl Signal peptide SLC I NH2 ^^^^^^^^^^^ I COOH Pro-TGF-fil LAP a TGF^l endopeptídase Active ^BP TGF-ßi Secretion ßefease Av*>!ri)f ttnlir« dl ww*. i L ir i h «fr ■ et 1. Hum •*"— //ßCß ELSEVIER n* hicr.nustJt.oDM] ur itirti i Hin * r di il^ miau, tia-ilfl __ M>ik^uluf m focus Mammalian transforming growth factor-ßs: Smäd signaling and physio-pa mo logical roles [X-lphiniľ Jľivckiijü. Altill Mnü\-id" Syntéza a sekrece TGF-ß LAPdimer 4, 4 Hinge region TGF-ß dimer Putalive ECM interacting region LTBP-l 8-Cys repeat Hybrid domain Q Ca1* binding EGF-Jike repeat B Non-CaJ* binding EGF-Iike repeat llIi-H(JSCOPV HTCKAldt-H AN[] THťlINKjLiK Ü?-*!U -JüBQ i 8*>Ö |1 LatencyT Activation, and Binding Proteins of TGF-ß KATPT KtM.I.- .IT'flA HAFIAFtlNKN'. Ma Et Ku ľ[YYTľAlN"K\. ľ.MLľlW EJKN ITEM'X. imi .POKM.-S KKSKI O.ÍA tlcparlarcnSt nfVimlfify trnii J'iufrrJiVi, tfatirtruan Inttilntc, tfnriT/rwty iif {ititrnl/1. ŕ'ŕ.V t/mtH ílťltinki, {"inland Syntéza a sekrece a aktivace TGF-ß llIÍ-H(JSCOPV HTCKAldt-H AN[] THťll*ilQU|Í 115. Í!U-MíJ IÍOO11 Latency, Activation, and Binding Proteins of TGF-ß KATPT Kr.HA,- .H'EIA HA FIA HI N'KN', MAttKu ľEYYTľAlN"K\. i'AFMTA EJKN ITEM'X. imi .POKMA KESRI 0.3A tlcparlarcnSt nfVimlfify trnii J'iufrrJiVi, tfatirtruan Inttilntc, tfnriT/rwty iif {ititrnl/1. ŕ'ŕ.V WWii tli'lwnki, {"inland Secreting cell LAPs T TGF-ß gradient/ Chordin-inverse gradient Metalloproteinases Large latent TGF-ß complex lit [Proteases Intercellular matrix Chordin| Tsg DAN/Gremlin/ + Follistatin TGF-ß family member Cerberus antagonists (e.g. inhibin and lefty) CriptoGlypican i The other side of TGF-ß superfamily signal regulation: thinking outside the cell BAMBI Receptors I Smad activation I Transcriptional regulation of downstream genes (including repressors) Receiving cell is L. GumieivTy aitd Richard W. PadgeU TRENDS in Endocrinology & Metabolism Aktivace TGF-ß ■ Fyzikálně-chemicky - v kyselém mikroprostředí buněk - extrémními změnami pH - y zářením - reaktivními skupinami kyslíku - zvýšenou teplotou ■ Enzymaticky a prostřednictvím nespecifických proteinových interakcí - Proteázy • Plasmin, Catepsin G • Calpain - MMP-9 a MMP-2 - Glykosidázy - Interakce s trombospondinem - Interakce s integrinem avß6 Transforming growth factor- ß ■ Přenos signálu a jeho regulace - receptory - sekundární přenašeči - „alternativní" dráhy - regulace genové exprese Přenos signálu TGF-ß TGF-ß TGF-ß receptor Ubiquitination .n n d degradation Massague J. Nat. Rev. Mol. Biol. 2000 Transforming growth factor- ß ■ Přenos signálu a jeho regulace - receptory - sekundární přenašeči - „alternativní" dráhy - regulace genové exprese Receptory TGF-ß rodiny Type II receptor family Ligand CD CO es TTSGSGSGLP. "T1 Ť- "Ť Ť- "T- Activating phosphorylations FKBP12 binding site GS CD co TO Type I receptor family AclR-IB Accesory Receptors - Type III: betaglycan, endoglin Massague J. Annu. Rev. Biochem. 1998. 67: 753-91 Receptory TGF-ß rodiny TGF-Beta TGF-Befca RI ."GF-Beta RII ff V f * - - R-SMAD Ligand TGF-P1 TGF-|i2 TGF-P3 Activi Nodal Lefty O BMP2/4 BMP6 BMP7 MIS/ AM H Annu. Rev. Cell. Dev. Biol. 2005. 21: 659-93 Rl R-Smad activation Ti IR I ALK1 ActRIB ALK7 BMPRIA BMPRIB ALK2 í> í> Smad2 Smad3 Smadl Smad5 S mad 8 í> :> Smad2 Smad3 Smadl ^> SmadS Smad8 Smadl Smad5 SmadS SMÄD Receptor-regulated SMADs Smads 1, 5, S Smads 2. 3 Mad (Drosophila) Sma 2, 3 {C. elegans) Co-SMADs Smad4 Medea (Drosophila) Sma-4 (C. elegans) Antagonistic SMADs Smads 6, 7 Dad (Drosophila) M MH2 Receptor kinase -s © ■^ Transcription Massague J. Annu. Rev. Biochem. 1998. 67: 753-91 Transforming growth factor- ß ■ Přenos signálu a jeho regulace - receptory - sekundární přenašeči - „alternativní" dráhy - regulace genové exprese Přenos signálu nezávislý na SMAD Ligand JNK p38 MAPK R-Smad R-Smad @ Smad4 v®® # 11 co « co X Nature 425 (2003) 577-584 Stress (UV, Osmotic shock) Mitogens Growth factors plasma membrane Dik TABl/2 Inflammation MKK6 Tpl-2 ERK1/2 p38 MEKK3 MNK1/Z MAPKAP K/^/5 MK<3 Gadd 2/3 45b \ ŘSK MSK1/2 CHOP-1 cytoplasm MAPK MAPKK AAAPKKK , Sapla Elk 1 nucleus y c-Fos ATF-2 MKK4 TAK1 TAK1 o Jun AAKK4 MEF-2 JNK MKK7 TAB MÉKK1 1/2 MLKs Rac MEKK4 Stress (UV, Osmotic shock) cdc42 Mi togens Growth factors Inflammation Oncogene(2005) 24, 5742-5750 Growth —ify <*> / Growth factor r^\ r^i factor Cytokine Cytokine receptor ■ ■■■■■■■■■■■■■■■%■■■■■■■■■■■■■rva■ I Massague J. Nat. Rev. Mol. Biol. 2000 Regulace transkripce Sequence-specific transcription factors AP-1/bZIP AMĽRunx bHLH Homeodomain Sp1 Winged helix Intracellular receptors Coactivators CBP/p300 SMIF MSG1 ARC105 Coactivator/ repressor TBP/TAFs Pol — TATA Co-repressors c-Ski/SnoN c-Myc Evil ATF3 TGI F SNIP1 SIP1 Tob Nature 425 (2003) 577-584 Kofaktory Cofactor Target Function OAZ Vent2 Ventral mesoderm specification by BMP in Xenopus CBFA1? Osteocalcin? Osteoblast differentiation by BMP in human, mouse Tinman Tinman Visceral mesoderm formation by Dpp in Drosophiia CREB Ubx Endoderm formation by Dpp in Drosophiia TGF-ß,\ Nodal Activin inputs / SMAD2.3 FAST Mixer TFE3 CBFA3 Mix.2 Mesoderm specification by Nodal in Xenopus Nodal Lefty2 Left plate mesoderm formation by Nodal in mouse Goosecoid Anterior mesoderm induction by Nodal in mouse PAi-1 Plasminogen system control byTGF-ßin human, mouse IgA Immunoglobulin A class switching by TGF-ß in human Jun c-Fos Diverse TGF-ß responses Lefl/TCF Xtwn Mesoencioderm differentiation by Nodal in Xenopus Massague J. Nat. Rev. Mol. Biol. 2000 Inhibice proliferace u epiteliálních buněk JUT TGFB Receptor éľ- R-Smaci-Smad4 complex —Hľ^ I----»pVlATF3 Carcinogenesis vol.27 no. 11 pp.2148-2156, 2006 SP1|~* p2ÍCip1 spiJ3 p15tnk4b Q r pi»!______rt —»pVvE2F4/S c-myc !-► WÍ H Id2 buňky podobné monocytům CDU b CD14 NSE aktivita W ROS produkce ™ DIFERENCIACE buňky podobné neutrofilům CDllb ROS produkce ZÁSTAVA BUNĚČNÉHO CYKLU p21 defosforylace R B proteinu ATRA/TGF-ßl ATRA AIL DR4 |-------TRAIL rv-Pi c-FLIP L -----► tBíd + depolarizace mitochondrial ní mem _l kaspaza-8 aktivace ^ kaspáza-3 aktivace WMUIIUII II íbrány cytochrom c uvolnění štěpení substrátů Souček, et al. Leuk. Res. 30 (2006) 607-623 APOPTOZA 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 ■ cancer is not single cell disease; ■ tissue microenvironment plays an important role in tumor initiation and progression; ■ 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; ■ modulation of their signal transduction represent potential target for therapy. Growth factors in cancer cell signaling ■ What is a role of TGF-ß family cytokines in chemopreventive action of inhibitors of arachidonic acid metabolim? ■ How we can effectively modify neuroendocrine differentiation of the cancer cells? 260- Male 1 1 tí t V~- Ol f— ■m i.T r- Ol r- o Líl r- Ol C CM r* - S. r^ CO CO CO CO CO CT) o; CT) cd Ol O O c t) o> Ol CD O) 0) CTI CT) - T: CT) CT) '-■ O o OJ CM Female Non-Hodgkin Lymphoma ID ľ- m *— CO LO l^ Ol i— m LT K Ol i- CSJ r- r~- K m on m m m m m m Ol m o o e» en Ol m tt en oi a-i ai ľh en Ol Ol o o tN C\j Year of Diagnosis Year o1 Diagnosis Cancer Statistics, 2006 A Comer It A CancerJosin laijor Clii lia'aw What is a role of TGF-ß family cytokines in chemopreventive action of inhibitors of arachidonic acid metabolim? Eva Lincová Growth Differentiation factor - 15 (GDF-15) NAG-1 (Non Steroidal Anti-Inflammatory Drugs (NSAIDs)-Activated Gene) placental transforming growth factor beta (PTGF-ß) macrophage inhibitory cytokine-1 (MIC-1) __ _ _ _ .. , placental bone morphogenetic protein |bl"-p T3íTllly moíTIDOľ Prostate-derived factor (PDF) Cancer progression inhibitor - Inductor of apoptosis - Inhibitor of proliferation? ■ ■ Figure 14.1 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007) MU ■■■ ■ ■ 31 co' 5. probability of eventually developing metastasis (%) .n primary tumor localized intravasation transport arrest in extravasation formation invasion through circulation microvessels of various organs interaction with platelets, lymphocytes, and other blood components formation of a micrometastasis colonization -formation of a macrometastasis Figure 14.4 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007) Genetic determinants of cancer metastasis Oon X. Nguyen orrd Jocsn Mrtsscujtic Tumorigenic genes I Metastasis initiation genes ■ Proliferative autonomy ■ Genomic instabiity ■ Self-renewal ■ Evasion of death ■ Evasion of cytostasis ■ Evasion of immunity ■ Resistance to hypoxia Metastasis progression genes Metastasis virulence genes I ■ Detachment ■ Motility ■ Invasion ■ Marrow progenitor-cell recruitment ■ Angiogenesis ■ Intravasation ■ Survival in circulation ■ Embolism ■ Capillary adhesion ■ Extravasation ■ Adaption to new environment ■ Emergence from dormancy ■ Organ-specific colonization NATURE REVIEWS GENETICS VOLUME 8 | MAY 2007 | 343 prostate liinnc J b - lungs -W bone marrow liver . XlT\ Mver pancreas breast colon Figure 14.42 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007) Cyclooxygenases (COX-1, -1 b, -2) ■ key enzymes of arachidonic acid metabolism Bradykinin PLA2 (inhibited by steroids) G-pratan'' ^arachidonic acid + cyclooxygenase^------(2)02 lysophospholipids PGGj peroxidase t£zL PGH prostacyclin j«» / . i 2 synthase (2) GSH (2) GSSG thromboxane synthase PGI PGD„ PGF2a TXB, copyright 1996 M.W.King ... and its inhibitors ■ Nonsteroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) ■ COX-2 specific inhibitors Inflammations Increase in cyclooxygenases Increase in and binding of prostaglandin E2 Accumulation of — QaZ ß-catenin and entry into the nucleus / Q ß -eaten in 'V GSK-3ß Transcription ofß-caten n target genes Cell proliferation and colorectal cancer NSAIDs -#- Decrease in cyclooxygenases Decrease in prostaglandin E2 A PC Ax i i GSK-3/3 ■"I ß-catenin ^-^> Degradation of phosphorylated ß-catenin " &. f\& \. No transcription ofß-catenin target genes \ X No cell proliferation H. Clevers, "Colon cancer-understanding howNSAIDs work," NEnglJMed, vol. 354, no. 7, pp. 761-763,2006. Nonsteroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) ■ variety of mechanisms _____________ ( BAYER.------- Send for I http://www.home.duq.edu/~harr old/Chem3D/NSAID_binding_pa gel .html http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/summary/summary.cgi?cid=27194 http://en.wikipedia.org/wiki/Aspirin Some effects of NSAIDs are independent on inhibition of prostaglandin synthesis Table I. A list of the 10 gene* most highly induced by 5 mM aspirin treatment, together with their GeneBank accession numbers and the mean fold induction Table II. A list of the 10 genes most highly repressed by 5 mM aspirin treatment, together with their GeneBank accession numbers and the mean fold repression Gene name Mean fold induction Gen Ban k ace. no. Gene name DNA array analysis of the effects of aspirin on colon cancer cells: involvement of Racl James C.II.IIardwick . Marije van Sauten, (iijs K.van den Brink, Sander J.II.van Deventer and Maikel P.Peppelenbosch Mean fold re press!tin JÍHH9770 Prostate differentiation factor 2.6 X535S7 X92106 M92287 HLA-G histocompatibility antigen, class 1, G Cyclin D3 Serine proteinase inhibitor 1.69 1 56 M29870 Small G'ľľ binding protein Raci 1.49 MS0563 S100 calcium-binding protein A4 (metastasin) 2.5 SS5655 Glutathione transferase omega 1.45 S40706 DNA-d am age-inducible transcript 3 2.5 M35543 Cell division cycle 42 (GTP-binding protein. 1.39 X54941 CDC28 protein kinase 1 2.1 25 kDa) M60S54 Ribosomal protein S16 2.1 U65410 Heat shock protein 70 kDa 1.33 J04111 v-jun avian sarcoma virus 17 oncogene homol ogue 2.1 X51521 Mitotic feedback control protein MADP2 homolog ue 1.30 XI6277 Ornithine decarboxylase 1 2.0 U5SMS Neurotrophic tyrosine kinase receptor type 1 1.30 K02770 Interleukin 1, beta 1.8 X56681 NF-kB (pi 05) 1.28 M27364 Eukaryotic translation elongation factor 1 alpha 1 1.7 M93056 Mitogen-activated protein kinase kinase 1 1.28 Carcinogenesis vol.25 no.7 pp.1293-1298, 2004 DO!: 10.109:Vciircin/bghlia Growth Differentiation Factor -15 (GDF-15) NSAID-Activated Gene (NAG-1) macrophage inhibitory cytokine-1 (MIC-1) placental transforming growth factor beta (PTGF-ß) placental bone morphogenetic protein Prostate-derived factor (PDF) NSAIDs Antioxidants activation Retinoids Vitamin D3 P PAR; ligands latent GDF-15 GDF-15 Transcription Factor: p53, SP-1,etc. fflÖ Transcription Factor: AP-1,SP-1,etc. Target Genes - Regulating Cytokineties Inhibition of Proliferation ? Induction of Proliferation Transforming growth factor- ß ■ Role v rozvoji patologických stavů Biologické funkce TGF-ß ■ Hraje klíčovou úlohu během embryogenéze; ■ 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 TI MPs). Role TGF-ß 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-ß; - indukce angiogeneze. Role TGF-ß v carcinogenezi TGF-jS signaling component TGF-ß 9 Endoglin ; Type II receptors \ Type 1 receptors 4 Smad2 Smad4 Cancers (somatic mutations) Increased expression leads to enhanced invasion and metastasis Colorectal (30%) Gastric (15%) Endometrial Prostate Breast Lung Hepatic Pancreatic Cervical Glioma Head and neck Breast (16%) Pancreatic Biliary Cervical Chronic lymphocytic leukemia Colorectal í 11%) Lung (7%) Hepatocellular Pancreatic (50%) Colorectal (30%) Lung f10%) Breast Prostate Ovarian Head and neck Esophageal Gastric Bladder Hepatocellular Renal cell Other diseases (germ-line mutations or polymorphisms) Fibrosis Hypertension Osteoporosis Atherosclerosis Hereditary hemorrhagic ■telangiectasia Atherosclerosis Familial juvenile polyposis NEJM 342, 18 (2000) 1350-1358 Role TGF-ß v carcinogenezi SMAD3 Smad, mothers against dpp homolog 3 (diosophila) 1.5 [fl ■t! i.o • c • C O vi °'5 (D íi 0.0 "□ • 1 N (C -0.5 o z -1.0 -1.5 • Sub Class Class 1 2 Box Plot - Description Prostate - normal vs. cancer TGFBR2 Transforming growth factor, beta receptor i i (70/SOkda) 2.0 [/I 1.5 O [fl E °'5 Jj 0.0 XI tu ^ -0.5 E o -1.0 -1,5 -a. d Sub Class Class • • • • L 2 Box Plot - Description normal, hyperplasia vs. cancer OĽAľOOK lift M II l\C IUI AH.Vfl ONCOMINE™ Role TGF-ß Epithelium Cell enlarges and makes new proteins Arrest of growth Inhibition of proliferation v carcinogenezi NEJM 342,18 (2000) 1350-1358 Role TGF-ß v carcinogenezi -v- Rapid growth Clonal expansion ->- Carcinoma Metastasis Loss of TGF-ß signaling, e.g.TßRIl mutation Increased mutation rate Increased mutation rate TGF-ß Normal cell Benign lesion \ Perturbation of TGF-ß signaling, e.g. altered Smad2 T Migration/invasion Reversible E MT \ V^ 1 Slowly expanding tumor — -►- Car ^ TRENDS in Cell Biology TRENDS in Cell Biology Vol.11 No. 11 2001 Epithelial-Mesenchymal Transition (EMT) ■ Změna buněčného fenotypu spojená se ztrátou adheze a zvýšením motility BUNECNY POHYB A EMT během embryonálního vývoje - zákl. typy pohybu: E-cadherri ewpreaaiun of regulattn -----------^ sve Polarized epiihfíuiri v/hh N-cadherr E-cadherr Geil sorting - uiu---_ -' 8 M v »fe V ■ ' '^ -" ■ jai ■ fcpl ^É^-V- i ^:Ä Invasive carcinoma TGF-ß for 7 days Aribntts RBsearzb & Tb&ntpy Dvojí úloha TGF-ß v carcinogenezi ■ Deregulace inhibice proliferace epiteliálních buněk; ■ Epithelia-mesenchymal transition ■ podpora migrace, metastázování a angiogeneze. Role TGF-ß v diagnóze, prognóze a léčbě ■ Vysoká sérová hladina TGF-ß1 je spojena s nádory tlustého střeva, prostaty a rozvojem fibrózy; ■ polymorfismus genu pro TGF-ß1 vedoucí k eho zvýšené produkci určuje predispozici k ibróze, hypertenzi a osteoporéze; ■ blokování produkce a aktivity TGF-ß má velký potenciál pro léčbu fibrózy; ■ protektivní účinek retinoidů a vitamínu D3 může být způsoben prostřednictvím TGF-ß. Shrnutí přednášky TGF-ß rodina zahrnuje řadu multifunkčních proteinů. Přenos signálu je intracelulárně přenášen SMAD proteiny, ale interaguje s řadou dalších signálních drah. Působení TGF-ß je závislé na buněčném typu a také přítomnosti dalších faktorů. TGF-ß 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-ß rodiny; 2. umět popsat přenos signálu který závisí na SMAD; 3. být schopni vysvětlit úlohu TGF-ß v karcinogenezi.