Kasvufaktorid

Kategooria:Valgud
pisi|Epidermaalse kasvufaktori ehk EGF ruumiline struktuur, mõõdetuna tuumamagnetresonants-spektroskoopia abiga. Pulgakujuliste struktuuridena on joonisel kujutatud üks kolmest molekulisisesest disulfiidsidemest, mis moodustub EGF tsüsteiinijääkide vahel.
Kasvufaktorid on mitmesuguste rakkude poolt sekreteeritavad valgud, mis seonduvad retseptoritega kasvufaktoreid sekreteerivate rakkude pinnal (autokriinselt) või läheduses paiknevate rakkude pinnal (parakriinselt) ning seeläbi annavad impulsi vastavate rakkude kasvuks. Iga kasvufaktor seondub selektiivselt vaid teatud retseptoriga või retseptori paari kune mõne isotüübiga. Näiteks epidermaalne kasvufaktor EGF seondub retseptor-türosiinkinaasiga EGFR ehk ErbB1, kuid mitte struktuurselt sarnaste retseptoritega nagu ErbB2, ErbB3 või ErbB4.
pisi|287x287px|Mitmed kasvufaktorid on olulised vereloome kontekstis.
Kasvufaktorid on olulised nii organismi arengu algetappidel kui hilisemas elus, näiteks kudede regenereerumise tagamiseks vigastuse järel või regulaarse kulumise käigus. Samas võib kasvufaktorite ja nende retseptorite anomaalne aktiivsus olla seotud ka mitmete haigustega.

Allpool vaadeldakse kasvufaktoreid eeskätt loomade ja konkreetsemalt imetajate organismi kontekstis; taimede puhul leiab teaduskirjanduses ka kasvufaktorite (ingl k growth factors) mainimist, kuid nende ühendite kohta (auksiinid, giberelliinid jms) on õigem kasutada mõistet fütohormoonid.

 Kasvufaktorite eristamine sarnase toimega biomolekulidest 
Termini kasvufaktor tähendusväli on lai nii eesti kui inglise keeles ning kattub osaliselt terminitega tsütokiin, mitogeen ja hormoon. Kuigi osad kasvufaktorid on tsütokiinid ja osad on hormoonid, on kõigil nendel mõistetel ka rida iseloomulikke tunnuseid:

 Tsütokiinid on põhiliselt väikese molekulmassiga valgud, mida sekreteerivad eelistatult immuunsüsteemi rakud (makrofaagid, B-lümfotsüüdid, T-lümfotsüüdid, mastotsüüdid). Tsütokiinidel võib olla erinev toime rakkude kasvule: mõned tsütokiinid kiirendavad rakkude kasvu ja jagunemist, teised aeglustavad, kuigi füsioloogiline efekt võib olla ka koest sõltuv. Tsütokiinid, mis kuuluvad ühtlasi kasvufaktorite hulka, on näiteks interleukiinid 1-7.
 Mitogeenid on väikese molekulmassiga valgud ja peptiidid, mis avaldavad toimet rakutsüklile, kiirendades seda (näiteks mõjutades tsükliinide ekspressiooni) ning suunates rakku seega kiiremini jagunema mitoosi teel. Mitogeenid aktiveerivad rakkudes eelistatult Ser/Thr proteiinkinaaside MAPK (inglise keeles mitogen-activated protein kinase) vahendatud signaaliradu, kuid mitte niivõrd palju fosfoinositiid-3-kinaasi ja proteiinkinaasi B vahendatud signaaliradu – samas kui kasvufaktorid aktiveerivad pigem mõlemat, kuigi eri radade aktivatsiooni määr võib sõltuda ka rakutüübist. Mitogeenide hulka on mõnikord loetud näiteks vaskulaarse endoteeli kasvufaktorit (VEGF).
 Hormoonid on sisenõrenäärmete poolt sekreteeritavad biomolekulid, mille toime avaldub sageli suhteliselt kaugel sellest organist, kus hormoon toodeti (endokriinne signaaliülekanne, vt nt Hüpotaalamuse – ajuripatsi – sugunäärmete telg). Biokeemiliselt võivad hormoonid kuuluda mitmesse aineklassi, kusjuures hormooni struktuur määrab paljuski retseptori tüübi, millega hormoon seondub. Näiteks hüdrofoobsed väikese molekulmassiga steroidhormoonid suudavad läbida rakumembraani ja seonduda tuumasiseste retseptoritega, samas valgulised hormoonid nagu gonadotropiinid seonduvad raku pinnal paiknevate G-valguga seotud retseptoritega. Mõned kasvufaktorid võivad olla põimitud hormoonide signaaliradadesse. Näiteks ajuripatsis vabanev kasvuhormoon ehk somatotropiin käivitab insuliinisarnase kasvufaktori 1 ehk IGF1 tootmist maksas.

 Näiteid kasvufaktoritest ja nende retseptoritest 
Mitmeid kasvufaktoreid toodetakse kõigepealt suuremate prekursor-molekulidena, millest saadakse lühem aktiivne kasvufaktor teatud sidemete selektiivsel proteolüütilisel lagundamisel. Enamik kasvufaktorite retseptoritest kuulub retseptor-türosiinkinaaside klassi, kuigi teatud kasvufaktorid seonduvad tsütokiinide retseptoritega – viimased võivad omakorda omada aktiivsust Ser/Thr kinaasidena või esineda kompleksitena türosiinkinaaside perekonnaga JAK. Mõnevõrra erandlikeks kasvufaktoriteks on Hedgehog, mis seondub valguga Patched ning aktiveerib seeläbi G-valguga seotud retseptorit (GPCR) Smoothened, ja Wnt, mille retseptor Frizzled kuulub samuti GPCR alla.

Enim uuritud kasvufaktorid on toodud tabelis allpool:
Kasvufaktori või kasvufaktorite perekonna nimetusKasvufaktori kirjeldusKasvufaktori retseptorEpidermaalne kasvufaktor EGFSisaldab 53 aminohappejääki, seondub retseptorile dimeerina või dimeriseerub enne seondumist (mehhanism pole selge)EGFR (retseptor-türosiinkinaas)Fibroblastide kasvufaktor FGFKasvufaktorite perekond, mis sisaldab enam kui 15 liiget (molekulmass 17-34 kDa), millest mõned funktsioneerivad parakriinsena ja mõned endokriinsena; seonduvad dimeersetele retseptoritele  ja seejärel dimeriseeruvad iseFGFR1, FGFR2, FGFR3, FGFR4 (retseptor-türosiinkinaasid)Hedgehog3 liikmest koosnev kasvufaktorite perekond; aktiivsete vormide N-terminaalis on palmitiinhappe jääk ning N-terminaalse domeeni lõpus kolesteroolijääkPatched (12 transmembraanse domeeniga retseptor, mis Hedgehog puudumisel inhibeerib G-valguga seotud retseptorit  Smoothened)Insuliinisarnane kasvufaktor IGFIGF1 ja IGF2 (aktiivsed vormid sisaldavad pärast proteolüütilist modifitseerimist vastavalt 70 ja 67 aminohappejääki) sarnanevad struktuurselt insuliinigaIGF1R, IGF2R ja insuliini retseptor (retseptor-türosiinkinaasid)Kasvaja nekroosifaktor alfa ehk TNF alfa (ka lihtsalt TNF)Aktiivse lahustuva vormi molekulmass on 17 kDa, retseptoriga seondub trimeerses vormisTNFR1, TNFR2 (tsütokiinide retseptorid tsüsteiinirikka rakuvälise domeeniga)Närvirakkude kasvufaktor NGFNeurotrofiinide perekonda kuuluv 26 kDa valk, mis on aktiivne dimeerinaTrkA (retseptor-türosiinkinaas)Transformeeriv kasvufaktor beeta ehk TGF beetaImetajates 3 isotüüpi, kuid kuulub suuremasse valkude perekonda, milles on üle 30 liikme (sealhulgas inhibiinid ja luu morfogeneetilised valgud); moodustab dimeereTGFBR1, TGFBR2 (tsütokiinide retseptorid Ser/Thr kinaasidomeeniga)Trombopoietiin ehk megakarüotsüütide kasvu ja diferentseerumist toetav faktorGlükoproteiin; valgu primaarstruktuuri esimesed 155 aminohappejääki omavad sarnasust erütropoietiini primaarstruktuurigaMüeloproliferatiivne leukeemiavalk CD110 (tsütokiinide retseptor, tüüp 1)Vaskulaarse endoteeli kasvufaktor VEGFImetajates 5 isotüüpi (A-D ja PLGF, kus PL tähistab platsentat) ja lisaks mitu isovormi; mitmed isotüübid moodustavad homo- või heterodimeereVEGFR1, VEGFR2, VEGFR3 (retseptor-türosiinkinaasid); kõik VEGF isotüübid ei seostu kõigi VEGF retseptoritegaVereliistakutest pärinev kasvufaktor PDGFKaks lühikest isotüüpi (A, B) ja kaks pikemat isotüüpi (C, D) moodustavad omavahel homo- ja heterodimeerePDGFR alfa, PDGFR beeta (retseptor-türosiinkinaasid)WntSuur glükoproteiinide perekond, mis sisaldab selgroogsetes 19 liiget; aminohappejääkide arv on vahemikus 350-400 ning aminohappelise järjestuse sarnasus perekonna liikmete vahel varieerub vahemikus 20-85%Frizzled 1, 3, 6, 7, 8 ja 9 (G-valguga seotud retseptorid); kõik Wnt perekonna liikmed ei seostu kõigi Frizzled-tüüpi retseptoritega

 Kasvufaktorite tootmine ja lokaalne toime 
pisi|284x284px|Mõned kasvufaktorite käivitatud signaalirajad rakkude sees, mis toetavad rakkude kasvu.Kasvufaktoreid võivad terves organismis toota väga erinevat tüüpi rakud. Sama kasvufaktorit võivad toota mitmed rakutüübid (see eristab kasvufaktoreid olulisel määral hormoonidest): näiteks FGF2 toodavad nii fibroblastid kui keratinotsüüdid, mastotsüüdid, endoteeli rakud, silelihaskoe rakud kui kondrotsüüdid. Samuti võib üks rakutüüp toota mitmeid kasvufaktoreid – nii toodavad erinevaid kasvufaktoreid makrofaagid ja vereliistakud. Kasvufaktori nimes sisalduv vihje teatud rakutüübile võib samas tähendada nii pigem sekreteerivaid rakke kui pigem neid rakke, millele kasvufaktor mõjub. Näiteks kasvufaktorit PDGF toodavad vereliistakud (kasvufaktori lühendis sisalduv P tuleneb ingliskeelsest platelet), kasvufaktorit NGF toodavad aga pigem immuunsüsteemi rakud, kuid selle oluliseks rolliks on neuriitide kasvu tagamine.

Täiskasvanute organismis käivitab kasvufaktorite tootmist koes sageli füüsiline vigastus, näiteks haav või luumurd. Kudede regeneratsiooni kontekstis on olulised mitmed kasvufaktorid, näiteks EGF, FGF, IGF1, PDGF, TGF beeta ning VEGF. Lisaks vastutab VEGF angiogeneesi ehk veresoonte tekke eest, mis toetab nii pehmete kudede kui luude paranemist. EGF, IGF1 ja TGF beeta mängivad täiskasvanu organismis olulist rolli ka eri koe kontekstides tüvirakkude niši alalhoidmises, võimaldades koe kiiret taastumist või regulaarset taastootmist (nt luuüdis, seedekulglas või munandites) uue rakkude diferentseerumise teel. Kasvufaktor IGF1 on lisaks tähtis anabolismi seisukohalt (sh lihaskoe kontekstis), mistõttu seda kasutatakse mõnikord ka dopinguna.pisi|Kasvufaktor SHH (ingliskekeelsest Sonic hedgehog) määrab selgroogsete embrüonaalses arengus muuhulgas sõrmede või varvaste korrektset arvu jäsemes.|284x284px
Mõned kasvufaktorid nagu Hedgehog ja Wnt on aga rohkem tuntud embrüo arengu kontekstis, kus nad osalevad organogeneesis. Neid kasvufaktoreid nimetatakse ka morfogeenideks ehk valkudeks, mis kujundavad organismi osade kuju. Viimane roll nõuab eriti rangelt, et kasvufaktori difusioon rakuvälises keskkonnas oleks ruumiliselt piiritletud – sel viisil kujunevad kontsentratsioonigradiendid, mis määravadki rakkude lokaalset kasvu või lokaalset apoptoosi.

Kasvufaktorite autokriinset ja parakriinset (st lokaalset) toimet tagavad mitmed mehhanismid. Näiteks jääb osa EGF molekulidest ankurdatuks sekreteeriva raku membraani külge, mistõttu kasvufaktor ei pääsegi rakkudevahelisse alasse. Samuti aitavad difusiooni piiramisele kaasa translatsioonijärgsed modifikatsioonid: nt Hedgehog N-terminaalsele osale kinnitatakse sekreteerimisel nii kolesterooli- kui palmitiinhappe jääk, mis samuti soodustavad valgu vastastikmõju membraaniga ja vähendavad tõenäosust valgu difundeerumiseks sekreteerivast rakust väga kaugele. FGF puhul tekivad aga rakuvälisesse maatriksisse kasvufaktori lokaalsed reservuaarid kasvufaktorit siduvate abivalkude (heparaansulfaat-proteoglükaanide) toimel. Hiljutised uuringud on lisaks näidanud, et mitmeid kasvufaktoreid (sh FGF2, VEGF, mõned Wnt isotüübid) sekreteeritakse suuremate ekstratsellulaarsete vesiikulite koosseisus, mille levik rakkudevahelises ruumis on piiratud juba vesiikulite arvestatavate mõõtmete tõttu.

 Seos patoloogiliste seisunditega ja kasutatavad teraapiad 

 Vähkkasvajad 
pisi|VEGF on oluline kudede regenereerumiseks terves organismis, kuid vähkkasvajates aitab see luua veresoonte võrgustiku, mis varustab vohavaid rakke toitainete ja hapnikuga.|280x280px
Vähkkasvajatele on omane kasvufaktorite ja/või nende retseptorite ületootmine ning anomaalne aktiivsus. Sellega võib kaasneda amplifikatsioon kasvufaktorit või kasvufaktori retseptorit kodeeriva geeni tasandil või aktiveerivad (ingl k gain-of-function) mutatsioonid vastavates geenides. Näiteks esineb FGF ja FGFR raja aktiveerimist kusepõie, rinna ja endomeetriumi pahaloomuliste kasvajate korral, IGF1 ja IGF1R raja aktiveerimist rinna-, munasarja- ja eesnäärmevähis ning VEGF ja VEGFR raja aktiveerimist pankrease- ja soolevähis. Samas ei ole konkreetsed kasvufaktorid eriti kasvaja paikme osas spetsiifilised ning sihtmärkteraapia määramisel haigele tuvastatakse biopsiaproovi DNA sekvereerimise teel konkreetses kasvajas või metastaasis esinevad geneetilised muutused, sealhulgas mitmete kasvufaktorite ja nende retseptorite geenides.

Vähendamaks kasvufaktorite algatatud radade aktiivsust, mis kindlustavad vähkkasvajate vohamist, on vähiravis kasutusel mitmed inhibiitorid, mis blokeerivad rada enamasti kasvufaktori retseptori tasemel. Tegemist võib olla nii väikese molekulmassiga hüdrofoobsete inhibiitoritega, mis läbivad rakumembraani ja seostuvad retseptori kinaasidomeeniga (nt EGFR inhibiitor gefitiniib), kui inhibeerivate antikehadega, mis blokeerivad retseptorit rakuvälises keskkonnas (nt EGFR-vastane antikeha tsetuksimab). Samuti on vähiravis kasutusel antikehad, mis seostuvad kasvufaktori endaga (nt VEGF-vastane antikeha bevatsisumab). Uudse ravistrateegiana on võetud kasutusele ka nn libaretseptorid (ingl k decoy receptor): näiteks raviaine aflibertsiib on kunstlikult disainitud valk, mis suudab siduda kasvufaktorit VEGF ja seega konkureerida organismisisese retseptoriga. Samas võib vastusena kasutatud teraapiale kujuneda resistentsus, mille puhul esineb nii korraga mitme kasvufaktori signaaliraja anomaalne võimendamine kui täiendavate mutatsioonide teke samas signaalirajas, mis kokkuvõttes võimaldavad vähirakkudel ravimi juuresolekul ellu jääda.

 Kroonilised põletikud 
pisi|JAK inhibiitor tofatsitiniib on kasutusel reumatoidartriidi, psoriaatilise artriidi ja haavandilise koliidi ravis
Põletikuliste protsesside puhul esineb erinevate kasvufaktorite nii üle- kui alatootmine, kusjuures alati ei ole teada, kas kasvufaktorite anomaalne hulk on haiguse põhjus või tagajärg. Nii on näidatud, et kopsuvigastusega kaasnev hüpoksia stimuleerib kasvufaktorite FGF2, FGF7 ja VEGF tootmist, mis võivad aidata kaasa koe paremale ellujäämisele. Samas TNF alfa ja TGF beeta kõrgenenud taset bronhide loputusvedelikus seostatakse kopsude fibroosiga, mida need kasvufaktorid võivad käivitada. Mõnikord võivad patoloogilist muutust küll tingida ka aktiveerivad või inativeerivad mutatsioonid kasvufaktori signaalirajaga seotud geenides. Nii on näidatud, et mutatsioonid TGF beeta, NGF, Hedgehog ja BMP (luu morfogeneetiline valk, ingl k bone morphogenic protein) signaaliradades on seotud mitme haigustega, mis mõjutavad luid ja liigeseid.

Kroonilise põletikuga seotud haiguste ravis kasutatakse samuti nii kasvufaktoritele endile mõeldud antikehi kui kasvufaktorite retseptoritele mõeldud inhibiitoreid. Näiteks TNF alfa-vastane antikeha adalimumab on kasutusel ägeda reumatoidartriidi ravis ning interleukiinide 12 ja 23 vastane antikeha ustekinumab Crohni tõve ja haavandilise koliidi ravis. Antireumaatilise kasutusega väikese molekulmassiga inhibiitorid on aga sageli suunatud proteiinkinaasi JAK vastu, mis vahendab mitmete tsütokiinide käivitatud radu. Paljud nendest ravimitest on aga üsna kallid ning seetõttu kasutusel vaid juhtumite korral, kus muud ravivõtted ei toimi.

 Viited