Рецептор эпидермального фактора роста: структура и роль в патогенезе заболеваний.

Введение

Трансмембранный белок

Рецептор эпидермального фактора роста (EGFR; ErbB 1; HER1 у человека) – это трансмембранный белок, являющийся рецептором для представителей семейства эпидермальных факторов роста (семейство EGF) – внеклеточных белковых лигандов. Рецептор эпидермального фактора роста входит в семейство рецепторов ErbB, подсемейство, состоящее из четырех тесно связанных рецепторных тирозинкиназ: EGFR (ErbB 1), HER2/neu (ErbB 2), Her 3 (ErbB 3) и Her 4 (ErbB 4). При многих типах рака мутации, влияющие на экспрессию или активность EGFR, могут приводить к развитию злокачественных новообразований. Эпидермальный фактор роста и его рецептор были открыты Стэнли Коэном из Университета Вандербильта. В 1986 году Коэн разделил Нобелевскую премию по физиологии и медицине с Ритой Леви-Монтальчини за открытие факторов роста. Недостаточная передача сигналов EGFR и других рецепторных тирозинкиназ у человека связана с такими заболеваниями, как болезнь Альцгеймера, а их избыточная экспрессия – с развитием широкого спектра опухолей. Прерывание передачи сигналов EGFR, либо путем блокирования участков связывания EGFR на внеклеточном домене рецептора, либо путем ингибирования внутриклеточной тирозинкиназной активности, может предотвратить рост опухолей, экспрессирующих EGFR, и улучшить состояние пациента.

Функция

Рецептор эпидермального фактора роста (EGFR) является трансмембранным белком, который активируется при связывании со своими специфическими лигандами, включая эпидермальный фактор роста и трансформирующий фактор роста альфа (TGF α). ErbB2 не имеет известных прямых активирующих лигандов и может находиться в активированном состоянии конститутивно или становиться активным при гетеродимеризации с другими членами семейства, такими как EGFR. При активации факторами роста EGFR претерпевает переход от неактивной мономерной формы к активному гомодимеру – хотя есть данные, свидетельствующие о том, что предварительно сформированные неактивные димеры также могут существовать до связывания лиганда. Помимо образования гомодимеров после связывания лиганда, EGFR может образовывать пары с другим членом семейства рецепторов ErbB, таким как ErbB2/Her2/neu, формируя активированный гетеродимер. Также имеются данные, указывающие на формирование кластеров активированных EGFR, однако остается неясным, важно ли это кластерирование для самой активации или происходит после активации отдельных димеров. Димеризация EGFR стимулирует его собственную внутриклеточную протеинтирозинкиназную активность. В результате происходит аутофосфорилирование нескольких тирозиновых (Y) остатков в C-концевом домене EGFR, включая Y992, Y1045, Y1068, Y1148 и Y1173, как показано на соседнем рисунке. Это аутофосфорилирование запускает активацию и сигнализацию множества других белков, которые связываются с фосфорилированными тирозинами через свои собственные SH2-домены, связывающие фосфотирозин. Эти нисходящие сигнальные белки инициируют несколько каскадов передачи сигналов, главным образом пути MAPK, Akt и JNK, приводящие к синтезу ДНК и пролиферации клеток. Эти белки модулируют такие фенотипы, как миграция, адгезия и пролиферация клеток. Активация рецептора важна для врожденного иммунного ответа в коже человека. Кроме того, киназный домен EGFR может перекрестно фосфорилировать тирозиновые остатки других рецепторов, с которыми он агрегирован, тем самым активируя себя.

Epidermal growth factor receptor (EGFR) is a transmembrane protein that is activated by binding of its specific ligands, including epidermal growth factor and transforming growth factor alpha (TGF α). ErbB2 has no known direct activating ligand, and may be in an activated state constitutively or become active upon heterodimerization with other family members such as EGFR. Upon activation by its growth factor ligands, EGFR undergoes a transition from an inactive monomeric form to an active homodimer. – although there is some evidence that preformed inactive dimers may also exist before ligand binding. In addition to forming homodimers after ligand binding, EGFR may pair with another member of the ErbB receptor family, such as ErbB2/Her2/neu, to create an activated heterodimer. There is also evidence to suggest that clusters of activated EGFRs form, although it remains unclear whether this clustering is important for activation itself or occurs subsequent to activation of individual dimers. EGFR dimerization stimulates its intrinsic intracellular protein tyrosine kinase activity. As a result, autophosphorylation of several tyrosine (Y) residues in the C terminal domain of EGFR occurs. These include Y992, Y1045, Y1068, Y1148 and Y1173, as shown in the adjacent diagram. This autophosphorylation elicits downstream activation and signaling by several other proteins that associate with the phosphorylated tyrosines through their own phosphotyrosine binding SH2 domains. These downstream signaling proteins initiate several signal transduction cascades, principally the MAPK, Akt and JNK pathways, leading to DNA synthesis and cell proliferation. Such proteins modulate phenotypes such as cell migration, adhesion, and proliferation. Activation of the receptor is important for the innate immune response in human skin. Additionally, the kinase domain of the EGFR can cross phosphorylate the tyrosine residues of other receptors with which it is aggregated and thereby activate itself.

Биологические роли

EGFR необходим для развития протоковой системы молочных желез, а агонисты EGFR, такие как амфирегулин, TGF α и герегулин, стимулируют развитие как протоковой, так и лобулоальвеолярной ткани даже в отсутствие эстрогена и прогестерона.

Рак

Мутации, приводящие к переэкспрессии EGFR (известной как повышение регуляции или амплификация), связаны с рядом онкологических заболеваний, включая аденокарциному легких (в 40% случаев), рак анального канала, глиобластому (в 50% случаев) и эпителиальные опухоли головы и шеи (в 80–100% случаев). Эти соматические мутации, затрагивающие EGFR, приводят к его постоянной активации, что вызывает неконтролируемое деление клеток. При глиобластоме часто встречается специфическая мутация EGFR, называемая EGFRvIII. Мутации, амплификации или нарушения регуляции EGFR или членов его семейства вовлечены примерно в 30% всех эпителиальных раков.

Воспалительные заболевания

Нарушения EGFR-сигнализации вовлечены в патогенез псориаза, экземы и атеросклероза. Однако точные механизмы ее действия при этих заболеваниях остаются неясными.

Моногенная болезнь

У одного ребенка, у которого наблюдалось эпителиальное воспаление нескольких органов, была выявлена гомозиготная мутация, приводящая к потере функции гена EGFR. Патогенность мутации EGFR была подтверждена экспериментами in vitro и функциональным анализом биопсии кожи. Тяжесть его состояния соответствует многим предыдущим результатам исследований функции EGFR. Клинические проявления включали папулопустулезную сыпь, сухость кожи, хроническую диарею, аномалии роста волос, затрудненное дыхание и электролитные нарушения.

Заживление ран и фиброз

EGFR показано, что играет критическую роль в дифференцировке фибробластов в миофибробласты, зависящую от TGF beta1. Нарушенная персистенция миофибробластов в тканях может приводить к прогрессирующему фиброзу тканей и нарушению функции тканей или органов (например, гипертрофические или келоидные рубцы кожи, цирроз печени, фиброз миокарда, хроническая болезнь почек).

Цель наркотиков

Определение EGFR как онкогена привело к разработке противораковых терапевтических препаратов, направленных против EGFR (так называемых "ингибиторов EGFR", EGFRi), включая гефитиниб, эрлотиниб, афатиниб, бригатиниб и икотиниб для лечения рака легких, и цетуксимаб для лечения рака толстой кишки. Недавно AstraZeneca разработала осимертиниб, ингибитор тирозинкиназы третьего поколения. Другие моноклональные препараты, находящиеся в клинической разработке, – это залутумумаб, нимотузумаб и матузумаб. Моноклональные антитела блокируют внеклеточный домен связывания лиганда. При блокировании сайта связывания сигнальные молекулы больше не могут присоединяться к нему и активировать тирозинкиназу. Другой подход – использование малых молекул для ингибирования тирозинкиназы EGFR, расположенной на цитоплазматической стороне рецептора. Без активности киназы EGFR не способен к самоактивации, что является необходимым условием для связывания с нижележащими адапторными белками. Предположительно, путем остановки каскада сигналов в клетках, зависящих от этого пути для роста, снижается пролиферация и миграция опухоли. Гефитиниб, эрлотиниб, бригатиниб и лапатиниб (ингибитор EGFR и ERBB2) являются примерами ингибиторов тирозинкиназы малых молекул. CimaVax EGF, активная вакцина, нацеленная на EGF как основной лиганд EGFR, использует иной подход, индуцируя выработку антител против самого EGF, тем самым лишая EGFR-зависимые раки пролиферативного стимула; она применяется в качестве терапии рака при немелкоклеточном раке легких (наиболее распространенной форме рака легких) на Кубе и проходит дальнейшие клинические испытания для возможного лицензирования в Японии, Европе и Соединенных Штатах. Существует несколько количественных методов, использующих детекцию фосфорилирования белков для идентификации ингибиторов семейства EGFR. Новые препараты, такие как осимертиниб, гефитиниб, эрлотиниб и бригатиниб, непосредственно воздействуют на EGFR. Пациенты разделяются на EGFR-положительных и EGFR-отрицательных в зависимости от наличия мутации, выявленной при исследовании ткани. У EGFR-положительных пациентов наблюдается 60% частота ответа, что превышает частоту ответа при традиционной химиотерапии. Однако, по состоянию на 2010 год, не было достигнуто единого мнения относительно эффективного подхода к преодолению резистентности и не было одобрено FDA конкретной комбинации препаратов. Результаты клинических испытаний II фазы, касающиеся мутации T790M, были опубликованы, и бригатиниб получил статус "прорывной терапии" от FDA в феврале 2015 года. Наиболее распространенным побочным эффектом ингибиторов EGFR, наблюдаемым у более чем 90% пациентов, является папулопустулезная сыпь, распространяющаяся на лицо и туловище; наличие сыпи коррелирует с противоопухолевым эффектом препарата. У 10–15% пациентов эффект может быть серьезным и требовать лечения. Некоторые тесты, такие как Veristrat, направлены на прогнозирование эффективности лечения EGFR. Лабораторные исследования с использованием генетически модифицированных стволовых клеток для воздействия на EGFR у мышей, проведенные в 2014 году, показали обнадеживающие результаты. EGFR является хорошо изученной мишенью для моноклональных антител и специфических ингибиторов тирозинкиназы.

The identification of EGFR as an oncogene has led to the development of anticancer therapeutics directed against EGFR (called "EGFR inhibitors", EGFRi), including gefitinib, erlotinib, afatinib, brigatinib and icotinib for lung cancer, and cetuximab for colon cancer. More recently AstraZeneca has developed Osimertinib, a third generation tyrosine kinase inhibitor. Other monoclonals in clinical development are zalutumumab, nimotuzumab, and matuzumab. The monoclonal antibodies block the extracellular ligand binding domain. With the binding site blocked, signal molecules can no longer attach there and activate the tyrosine kinase. Another method is using small molecules to inhibit the EGFR tyrosine kinase, which is on the cytoplasmic side of the receptor. Without kinase activity, EGFR is unable to activate itself, which is a prerequisite for binding of downstream adaptor proteins. Ostensibly by halting the signaling cascade in cells that rely on this pathway for growth, tumor proliferation and migration is diminished. Gefitinib, erlotinib, brigatinib and lapatinib (mixed EGFR and ERBB2 inhibitor) are examples of small molecule kinase inhibitors. CimaVax EGF, an active vaccine targeting EGF as the major ligand of EGF, uses a different approach, raising antibodies against EGF itself, thereby denying EGFR dependent cancers of a proliferative stimulus; it is in use as a cancer therapy against non small cell lung carcinoma (the most common form of lung cancer) in Cuba, and is undergoing further trials for possible licensing in Japan, Europe, and the United States. There are several quantitative methods available that use protein phosphorylation detection to identify EGFR family inhibitors. New drugs such as osimertinib, gefitinib, erlotinib and brigatinib directly target the EGFR. Patients have been divided into EGFR positive and EGFR negative, based upon whether a tissue test shows a mutation. EGFR positive patients have shown a 60% response rate, which exceeds the response rate for conventional chemotherapy. However, as of 2010 there was no consensus of an accepted approach to combat resistance nor FDA approval of a specific combination. Clinical trial phase II results reported for brigatinib targeting the T790M mutation, and brigatinib received Breakthrough Therapy designation status by FDA in Feb. 2015. The most common adverse effect of EGFR inhibitors, found in more than 90% of patients, is a papulopustular rash that spreads across the face and torso; the rash's presence is correlated with the drug's antitumor effect. In 10% to 15% of patients the effects can be serious and require treatment. Some tests are aiming at predicting benefit from EGFR treatment, as Veristrat. Laboratory research using genetically engineered stem cells to target EGFR in mice was reported in 2014 to show promise. EGFR is a well established target for monoclonal antibodies and specific tyrosine kinase inhibitors.

Цель для изобразительных средств

Разработаны диагностические средства, позволяющие выявлять раки, зависимые от EGFR, с использованием меченого EGF. Возможность визуализации экспрессии EGFR *in vivo* была продемонстрирована в ряде исследований. Предполагается, что определенные признаки, выявляемые при компьютерной томографии, такие как участки с полупрозрачностью типа "матового стекла", воздушная бронхограмма, шиповидные края, сосудистая конвергенция и утолщение плевры, могут указывать на наличие мутации EGFR у пациентов с немелкоклеточным раком легких.