Трансформирующий фактор роста бета

Трансформирующий фактор роста бета (TGF-β, от англ. Transforming Growth Factor Beta) — это полипептидный цитокин, относящийся к суперсемейству трансформирующих факторов роста, который регулирует широкий спектр клеточных процессов, включая пролиферацию, дифференцировку, апоптоз, миграцию, адгезию и иммунный ответ. TGF-β играет ключевую роль в эмбриональном развитии, поддержании тканевого гомеостаза, заживлении ран, фиброзе, ангиогенезе и канцерогенезе. В организме млекопитающих существует три основных изоформы TGF-β (TGF-β1, TGF-β2, TGF-β3), кодируемые разными генами, но обладающие сходными биологическими функциями.

История открытия

Исследования TGF-β начались в 1970-х годах, когда учёные обнаружили факторы, способные индуцировать трансформацию нормальных фибробластов в клетки, способные к неограниченному росту в мягком агаре. В 1978 году группа исследователей под руководством Эдварда Деларко и Джозефа Деларко впервые выделила из клеток саркомы мышей фактор, вызывающий обратимую трансформацию клеток. В 1981 году был описан TGF-β как белок, стимулирующий рост фибробластов в мягком агаре, но позже выяснилось, что его основная функция — ингибирование пролиферации многих типов клеток. В 1983 году Роберт Холли и его коллеги впервые очистили TGF-β из тромбоцитов человека и определили его аминокислотную последовательность. К 1985 году были клонированы гены TGF-β1, TGF-β2 и TGF-β3, что позволило изучать их структуру и функции на молекулярном уровне. За открытие и характеристику TGF-β и его рецепторов в 1990-х годах были присуждены несколько престижных научных премий, включая премию Ласкера.

Структура и изоформы

Молекулярная структура

TGF-β представляет собой гомодимерный белок с молекулярной массой около 25 кДа. Каждая субъединица состоит из 112 аминокислотных остатков и содержит консервативную структуру, включающую семь цистеиновых остатков, образующих внутрицепочечные дисульфидные связи. Две субъединицы соединяются между собой одной дисульфидной связью, образуя активный димер. Пространственная структура TGF-β характеризуется β-складчатым листом, известным как «цистеиновый узел» (cysteine knot), который стабилизирует молекулу. TGF-β синтезируется в виде неактивного предшественника — латентного TGF-β, который связывается с латентным TGF-β-связывающим белком (LTBP) и секретируется в межклеточный матрикс. Активация TGF-β происходит путём протеолитического отщепления пропептида, что может осуществляться различными протеазами, включая плазмин, тромбин, матриксные металлопротеиназы и интегрины.

Изоформы

У млекопитающих идентифицированы три основные изоформы TGF-β:

• TGF-β1 — наиболее распространённая и изученная изоформа. Экспрессируется во многих тканях, особенно в эндотелиальных, гемопоэтических и соединительнотканных клетках. Играет ключевую роль в иммуносупрессии, фиброзе и ангиогенезе.
• TGF-β2 — экспрессируется преимущественно в эпителиальных и нейронных клетках, участвует в эмбриональном развитии, особенно в формировании нервной трубки и сердца. Отличается более низкой аффинностью к рецепторам по сравнению с TGF-β1.
• TGF-β3 — экспрессируется в мезенхимальных клетках, участвует в формировании костей, хрящей, зубов и заживлении ран. Играет важную роль в процессе палатального сращения (формирования нёба).

Все три изоформы имеют высокую степень гомологии (70–80% аминокислотной последовательности) и связываются с одними и теми же рецепторами, но могут проявлять различную биологическую активность в зависимости от типа клеток и микроокружения.

Рецепторы и сигнальные пути

Рецепторы TGF-β

TGF-β передаёт сигнал через гетеромерный комплекс рецепторов серин/треониновой киназы, состоящий из двух типов рецепторов:

• Рецептор I типа (TβRI, также известный как ALK5) — активируется после связывания TGF-β с рецептором II типа.
• Рецептор II типа (TβRII) — конститутивно активная киназа, которая фосфорилирует TβRI после связывания лиганда.

Существует также рецептор III типа (бетагликан), который не обладает киназной активностью, но облегчает связывание TGF-β с рецепторами I и II типов, особенно для TGF-β2.

Канонический сигнальный путь (SMAD-зависимый)

Основной сигнальный путь TGF-β включает активацию белков семейства SMAD:

1. После связывания TGF-β с TβRII, TβRII фосфорилирует TβRI.
2. Активированный TβRI фосфорилирует рецептор-регулируемые SMAD-белки (R-SMAD): SMAD2 и SMAD3.
3. Фосфорилированные SMAD2/3 образуют комплекс с ко-медиатором SMAD4.
4. Комплекс SMAD2/3-SMAD4 транслоцируется в ядро, где регулирует транскрипцию целевых генов, взаимодействуя с другими транскрипционными факторами и коактиваторами/корепрессорами.

Неканонические сигнальные пути (SMAD-независимые)

Помимо SMAD-зависимого пути, TGF-β может активировать другие сигнальные каскады, включая:

• MAPK-пути (ERK, JNK, p38) — через активацию малых ГТФаз (Ras, Rho, Rac, Cdc42).
• PI3K/Akt-путь — участвует в регуляции выживаемости клеток и метаболизма.
• NF-κB-путь — модулирует воспалительный ответ.
• Wnt/β-катенин-путь — взаимодействует с TGF-β в регуляции клеточной пролиферации и дифференцировки.

Биологические функции

Эмбриональное развитие

TGF-β играет критическую роль в эмбриогенезе, включая формирование мезодермы, нейруляцию, органогенез и морфогенез тканей. TGF-β2 и TGF-β3 необходимы для развития сердца, лёгких, почек, зубов и скелета. Нокаутные мыши по генам TGF-β1, TGF-β2 или TGF-β3 погибают на эмбриональной или постнатальной стадии из-за тяжёлых пороков развития, включая дефекты сердечно-сосудистой системы, иммунодефицит и воспалительные процессы.

Иммунная регуляция

TGF-β является мощным иммуносупрессором, подавляя пролиферацию и активацию Т-лимфоцитов, В-лимфоцитов, естественных киллеров (NK-клеток) и макрофагов. Он способствует дифференцировке регуляторных Т-клеток (Treg), которые поддерживают иммунологическую толерантность и предотвращают аутоиммунные реакции. TGF-β также ингибирует продукцию провоспалительных цитокинов (например, интерферона-γ, фактора некроза опухоли-α) и стимулирует продукцию противовоспалительных цитокинов (например, интерлейкина-10). Нарушение регуляции TGF-β связано с развитием аутоиммунных заболеваний, таких как системная красная волчанка, ревматоидный артрит и рассеянный склероз.

Заживление ран и фиброз

TGF-β является ключевым медиатором заживления ран, стимулируя миграцию фибробластов, синтез коллагена и других компонентов внеклеточного матрикса, а также ангиогенез. Однако избыточная активность TGF-β приводит к фиброзу — патологическому разрастанию соединительной ткани, что характерно для таких заболеваний, как цирроз печени, лёгочный фиброз, нефросклероз, склеродермия и келоидные рубцы. TGF-β1 считается основным про-фибротическим фактором, и его ингибирование рассматривается как потенциальная терапевтическая стратегия при фиброзных заболеваниях.

Канцерогенез

Роль TGF-β в онкогенезе двойственна. На ранних стадиях рака TGF-β действует как супрессор опухоли, ингибируя пролиферацию эпителиальных клеток и индуцируя апоптоз. Однако на поздних стадиях рака, когда клетки приобретают мутации в компонентах сигнального пути TGF-β (например, в генах SMAD4 или TβRII), TGF-β может стимулировать инвазию, метастазирование и эпителиально-мезенхимальный переход (ЭМП). ЭМП — процесс, при котором эпителиальные клетки теряют полярность и межклеточные контакты, приобретают миграционные и инвазивные свойства, характерные для мезенхимальных клеток. TGF-β также способствует ангиогенезу в опухолях, стимулируя продукцию фактора роста эндотелия сосудов (VEGF) и подавляя иммунный ответ против опухоли.

Клиническое значение и терапевтические подходы

Заболевания, связанные с нарушением сигнализации TGF-β

Нарушения в сигнальном пути TGF-β ассоциированы с рядом заболеваний:

• Фиброзные заболевания: лёгочный фиброз, цирроз печени, фиброз почек, склеродермия, келоидные рубцы.
• Сердечно-сосудистые заболевания: аневризма аорты, атеросклероз, гипертрофическая кардиомиопатия, синдром Марфана (связан с мутациями в гене фибриллина-1, который регулирует активность TGF-β).
• Иммунные заболевания: системная красная волчанка, ревматоидный артрит, воспалительные заболевания кишечника.
• Рак: рак поджелудочной железы, колоректальный рак, рак лёгкого, рак молочной железы, рак предстательной железы, глиобластома.
• Наследственные заболевания: наследственная геморрагическая телеангиэктазия (болезнь Рандю-Ослера-Вебера), синдром Лойса-Дитца, синдром Камурати-Энгельманна.

Терапевтические стратегии

Разработка ингибиторов TGF-β является активной областью исследований. Основные подходы включают:

• Моноклональные антитела против TGF-β: например, фрезолимумаб (GC1008), который связывает все три изоформы TGF-β, и сотатерцепт (TGF-β-ловушка), который блокирует связывание TGF-β с рецепторами.
• Ингибиторы рецепторных киназ: малые молекулы, ингибирующие киназную активность TβRI, такие как галинисериб (LY2157299), вакасертиб (SB-505124) и другие.
• Антисмысловые олигонуклеотиды: например, трабедерсен (AP-12009), который подавляет экспрессию TGF-β2.
• Генная терапия: использование векторов для доставки генов, кодирующих ингибиторы TGF-β, или для редактирования генов компонентов сигнального пути.

Несмотря на многообещающие доклинические данные, клинические испытания ингибиторов TGF-β сталкиваются с рядом проблем, включая токсичность (особенно сердечно-сосудистую и иммуносупрессивную), ограниченную эффективность при монотерапии и необходимость разработки биомаркеров для отбора пациентов. В настоящее время ингибиторы TGF-β проходят клинические испытания при различных фиброзных и онкологических заболеваниях, но ни один из них ещё не одобрен для широкого клинического применения.

Интересные факты

• TGF-β был впервые обнаружен в клетках саркомы, но позже выяснилось, что он экспрессируется практически во всех тканях организма.
• Концентрация TGF-β в тромбоцитах человека в 100–1000 раз выше, чем в других клетках, что указывает на его важную роль в гемостазе и заживлении ран.
• TGF-β является одним из наиболее консервативных цитокинов: гомологи TGF-β обнаружены у всех многоклеточных животных, включая насекомых, червей и иглокожих.
• Мыши с нокаутом гена TGF-β1 погибают в течение первых 3–4 недель жизни из-за массивного воспалительного ответа, что подтверждает его критическую роль в иммуносупрессии.
• TGF-β участвует в регуляции стволовых клеток, поддерживая их плюрипотентность и предотвращая преждевременную дифференцировку.
• В 2023 году был одобрен первый препарат на основе ингибитора TGF-β — сотатерцепт (Sotatercept) для лечения лёгочной артериальной гипертензии, хотя его механизм действия включает не только блокировку TGF-β, но и модуляцию других сигнальных путей.