Факторы роста фибробластов: роль в развитии и сигнальных путях.

Введение

Семья белков, участвующих в анатомическом развитии

Факторы роста фибробластов (FGF) — это семейство клеточных сигнальных белков, продуцируемых макрофагами; они вовлечены в широкий спектр процессов, особенно как важнейшие элементы для нормального развития клеток животных. Любые нарушения в их функции приводят к различным дефектам развития. Эти факторы роста обычно действуют как системные или локально циркулирующие молекулы внеклеточного происхождения, активирующие клеточные поверхностные рецепторы. Характерной особенностью FGF является их способность связываться с гепарином и гепарансульфатом. Таким образом, некоторые из них секвестрируются во внеклеточном матриксе тканей, содержащем гепарансульфатные протеогликаны, и высвобождаются локально при повреждении или ремоделировании тканей.

Рецепторы

Семейство рецепторов фактора роста фибробластов млекопитающих состоит из 4 членов: FGFR1, FGFR2, FGFR3 и FGFR4. FGFR состоят из трех внеклеточных доменов иммуноглобулинового типа (D1–D3), однократно проходящего через мембрану домена и внутриклеточного домена расщепленной тирозинкиназы. ФГР взаимодействуют с доменами D2 и D3, при этом взаимодействие с доменом D3 в основном определяет специфичность связывания лиганда (см. ниже). Связывание с гепарансульфатом опосредуется доменом D3. Короткий участок кислых аминокислот, расположенный между доменами D1 и D2, обладает автоингибирующими функциями. Этот мотив "кислотного ящика" взаимодействует с местом связывания гепарансульфата, предотвращая активацию рецептора в отсутствие ФГР. Альтернативный сплайсинг мРНК приводит к образованию вариантов "b" и "c" FGFR1, FGFR2 и FGFR3. Благодаря этому механизму на клеточной поверхности могут быть экспрессированы семь различных сигнальных подтипов FGFR. Каждый FGFR связывается с определенным подмножеством ФГР. Аналогично, большинство ФГР могут связываться с несколькими различными подтипами FGFR. FGF1 иногда называют "универсальным лигандом", поскольку он способен активировать все 7 различных FGFR. В отличие от этого, FGF7 (фактор роста кератиноцитов, KGF) связывается только с FGFR2b (KGFR). Считается, что сигнальный комплекс на поверхности клетки представляет собой троичный комплекс, образованный двумя идентичными лигандами ФГР, двумя идентичными субъединицами FGFR и одной или двумя цепями гепарансульфата.

История

В 1973 году Армелин обнаружил митогенную активность фактора роста в экстрактах гипофиза, а дальнейшая работа Gospodarowicz, опубликованная в 1974 году, описывала более четкую изоляцию белков из экстракта коровьего мозга. При тестировании в биологическом анализе, вызывающем пролиферацию фибробластов, исследователи применили название "фактор роста фибробластов". В 1975 году они дополнительно фракционировали экстракт, используя кислую и щелочную pH, и выделили две несколько различающиеся формы, которые были названы "кислый фактор роста фибробластов" (FGF1) и "основной фактор роста фибробластов" (FGF2). Эти белки демонстрировали высокую степень гомологии последовательности аминокислотных цепей, но были определены как отдельные белки. Вскоре после выделения FGF1 и FGF2 другая группа исследователей выделила пару гепарин-связывающих факторов роста, названных HBGF 1 и HBGF 2, а третья группа выделила пару факторов роста, вызывающих пролиферацию клеток в биоанализе с клетками эндотелия кровеносных сосудов, которые они назвали ECGF1 и ECGF2. Впоследствии было показано, что эти независимо открытые белки представляют собой один и тот же набор молекул: FGF1, HBGF 1 и ECGF 1 – это один и тот же кислый фактор роста фибробластов, описанный Gospodarowicz и соавторами, а FGF2, HBGF 2 и ECGF 2 – один и тот же основной фактор роста фибробластов. "Промискуоз" относится к биохимической и фармакологической концепции, согласно которой различные молекулы могут связываться с одним рецептором и вызывать ответ. В случае FGF четыре подтипа рецепторов могут быть активированы более чем двадцатью различными лигандами FGF. Таким образом, функции FGF в процессах развития включают индукцию мезодермы, формирование передне-задней оси, а в зрелых тканях и системах – ангиогенез, организацию кератиноцитов и процессы заживления ран. FGF критически важен для нормального развития как позвоночных, так и беспозвоночных, и любые нарушения в их функции приводят к ряду дефектов развития. FGF, секретируемые гипобластами во время гаструляции птиц, играют роль в стимуляции Wnt-сигнального пути, участвующего в дифференциальном движении клеток серповидного гребня Коллера при формировании примитивной полоски. Слева – ангиография вновь образованной сосудистой сети в области передней стенки левого желудочка. Справа – анализ, количественно оценивающий ангиогенный эффект. Хотя многие FGF могут секретироваться клетками для воздействия на отдаленные мишени, некоторые FGF действуют локально в ткани и даже внутри клетки. FGF2 человека существует в изоформах с низкой (LMW) и высокой (HMW) молекулярной массой. LMW FGF2 преимущественно цитоплазматичен и функционирует аутокринно, в то время как HMW FGF2 находятся в ядре и оказывают действие посредством интракринного механизма. Важной функцией FGF1 и FGF2 является стимуляция пролиферации эндотелиальных клеток и их физическая организация в трубчатые структуры, что способствует ангиогенезу – росту новых кровеносных сосудов из существующей сосудистой сети. FGF1 и FGF2 являются более мощными ангиогенными факторами, чем сосудистый эндотелиальный фактор роста (VEGF) или фактор роста, полученный из тромбоцитов (PDGF). В клинических экспериментальных исследованиях было показано, что FGF1 индуцирует ангиогенез в сердце, а FGF2 использовался для искусственного извилистости коры головного мозга мышей. Другой член семейства FGF, FGF8, регулирует размер и позиционирование функциональных областей коры головного мозга (областей Бродмана). FGF также важны для поддержания мозга взрослого организма. Таким образом, FGF являются основными детерминантами выживаемости нейронов как в процессе развития, так и у взрослых. Нейрогенез у взрослых в гиппокампе, например, в значительной степени зависит от FGF2. Кроме того, FGF1 и FGF2, по-видимому, участвуют в регуляции синаптической пластичности и процессов, связанных с обучением и памятью, по крайней мере, в гиппокампе. FGF23 продуцируется костной тканью, но воздействует на клетки почек, экспрессирующие FGFR1, для регуляции синтеза витамина D и гомеостаза фосфатов.

A mitogenic growth factor activity was found in pituitary extracts by Armelin in 1973 and further work by Gospodarowicz as reported in 1974 described a more defined isolation of proteins from cow brain extract which, when tested in a bioassay that caused fibroblasts to proliferate, led these investigators to apply the name "fibroblast growth factor." In 1975, they further fractionated the extract using acidic and basic pH and isolated two slightly different forms that were named "acidic fibroblast growth factor" (FGF1) and "basic fibroblast growth factor" (FGF2). These proteins had a high degree of sequence homology among their amino acid chains, but were determined to be distinct proteins. Not long after FGF1 and FGF2 were isolated, another group of investigators isolated a pair of heparin binding growth factors that they named HBGF 1 and HBGF 2, while a third group isolated a pair of growth factors that caused proliferation of cells in a bioassay containing blood vessel endothelium cells, which they called ECGF1 and ECGF2. These independently discovered proteins were eventually demonstrated to be the same sets of molecules, namely FGF1, HBGF 1 and ECGF 1 were all the same acidic fibroblast growth factor described by Gospodarowicz, et al., while FGF2, HBGF 2, and ECGF 2 were all the same basic fibroblast growth factor. Promiscuous refers to the biochemistry and pharmacology concept of how a variety of molecules can bind to and elicit a response from single receptor. In the case of FGF, four receptor subtypes can be activated by more than twenty different FGF ligands. Thus the functions of FGFs in developmental processes include mesoderm induction, anterior posterior patterning, and in mature tissues/systems angiogenesis, keratinocyte organization, and wound healing processes. FGF is critical during normal development of both vertebrates and invertebrates and any irregularities in their function leads to a range of developmental defects. FGFs secreted by hypoblasts during avian gastrulation play a role in stimulating a Wnt signaling pathway that is involved in the differential movement of Koller's sickle cells during formation of the primitive streak. Left, angiography of the newly formed vascular network in the region of the front wall of the left ventricle. Right, analysis quantifying the angiogenic effect. While many FGFs can be secreted by cells to act on distant targets, some FGF act locally within a tissue, and even within a cell. Human FGF2 occurs in low molecular weight (LMW) and high molecular weight (HMW) isoforms. LMW FGF2 is primarily cytoplasmic and functions in an autocrine manner, whereas HMW FGF2s are nuclear and exert activities through an intracrine mechanism. One important function of FGF1 and FGF2 is the promotion of endothelial cell proliferation and the physical organization of endothelial cells into tube like structures. They thus promote angiogenesis, the growth of new blood vessels from the pre existing vasculature. FGF1 and FGF2 are more potent angiogenic factors than vascular endothelial growth factor (VEGF) or platelet derived growth factor (PDGF). FGF1 has been shown in clinical experimental studies to induce angiogenesis in the heart. and FGF2 has been used to induce artificial gyrification of the mouse brain. Another FGF family member, FGF8, regulates the size and positioning of the functional areas of the cerebral cortex (Brodmann areas). FGFs are also important for maintenance of the adult brain. Thus, FGFs are major determinants of neuronal survival both during development and during adulthood. Adult neurogenesis within the hippocampus e. g. depends greatly on FGF2. In addition, FGF1 and FGF2 seem to be involved in the regulation of synaptic plasticity and processes attributed to learning and memory, at least in the hippocampus. FGF23 is produced by bone but acts on FGFR1 expressing kidney cells to regulate the synthesis of vitamin D and phosphate homeostasis.

Структура

Кристаллическая структура FGF1 была определена и оказалось, что она связана с интерлейкином 1 бета. Оба семейства имеют одинаковую бета-трефольную складку, состоящую из 12-нитевой структуры бета-листов, при этом бета-листы расположены в 3 схожих лопастях вокруг центральной оси, а 6 нитей формируют антипараллельный бета-баррель. В целом, бета-листы хорошо сохранены, и кристаллические структуры совпадают в этих областях. Промежуточные петли менее консервативны, при этом петля между бета-цепями 6 и 7 немного длиннее в интерлейкине 1 бета.

Клинические применения

Нарушение регуляции системы передачи сигналов FGF является причиной ряда заболеваний, связанных с повышенной экспрессией FGF. Ингибиторы передачи сигналов FGF показали клиническую эффективность. Показано, что некоторые лиганды FGF (в частности, FGF2) усиливают регенерацию тканей (например, при ожогах кожи, трансплантации и язвах) в различных клинических ситуациях.