Zaburzenia szlaku sygnałowego TGF-β w wrodzonej naczyniakowatości

Szlak sygnałowy transformującego czynnika wzrostu beta (TGF-β) stanowi fundamentalny mechanizm regulujący homeostazę naczyniową i procesy angiogenezy. W przypadku wrodzonej naczyniakowatości krwotocznej, zaburzenia tego szlaku są główną przyczyną charakterystycznych zmian patologicznych obserwowanych u pacjentów z tym schorzeniem.

Struktura i funkcja normalnego szlaku TGF-β

W prawidłowych warunkach szlak sygnałowy TGF-β reguluje wiele kluczowych procesów komórkowych, w tym proliferację, różnicowanie, adhezję i migrację komórek¹². Rodzina TGF-β obejmuje dużą i stale rozszerzającą się grupę regulatorowych polipeptydów, wśród których BMP9 i BMP10 są głównymi ligandami zaangażowanymi w szlak patogenetyczny HHT³.

Ligandy te wywierają swoje działanie poprzez heteromeryczne receptory serynowo-treoninowe typu I (RI) i typu II (RII), a następnie poprzez kaskady białek Smad³. Endoglina pełni rolę receptora pomocniczego, wspomagającego dimeryzację i wzmocnioną aktywację receptorów ALK-1 i RII³. Kompleksy rodziny Smad przemieszczają się następnie do jądra komórkowego, gdzie przyczyniają się do transkrypcji genów zaangażowanych w rozwój macierzy pozakomórkowej i migrację śródbłonka.

Receptory endoglina i ALK1 w szlaku sygnałowym

Endoglina i ALK1 są receptorami typu III i typu I dla TGF-β, odpowiednio, i są wyłącznie wyrażane na komórkach śródbłonka naczyniowego⁴⁵. Wiązanie TGF-β do receptora typu II na komórkach śródbłonka, które jest przyspieszone w obecności endogliny, skutkuje fosforylacją receptorów typu I TGF-β – ALK-5 i ALK-1⁴.

Endoglina jest homodimerycznym glikoproteidem błonowym o masie molekularnej 180 kDa, zawierającym duże regiony pozakomórkowe, jedną domenę transbłonową oraz krótkie regiony wewnątrzkomórkowe⁵. ALK1 z kolei jest zdolny do wiązania TGF-β1 lub aktywiny w obecności odpowiednio receptora typu II TGF-β lub receptora typu II aktywiny.

Równowaga ALK1/ALK5 w angiogenezie

Delikatna równowaga między ALK1 i ALK5, które są cząsteczkami typu TRI, odgrywa kluczową rolę w procesach angiogenezy⁶. Chociaż sygnalizacja TGF-β przebiega przez ALK5 w wielu typach komórek, w komórkach śródbłonka wykorzystywane są zarówno ALK1, jak i ALK5. ALK1 jest pozytywnym regulatorem angiogenezy, podczas gdy ALK5 hamuje proliferację i migrację komórek śródbłonka⁶.

Endoglina reguluje równowagę ALK1/ALK5, faworyzując ALK1 w komórkach śródbłonka⁶. W środowisku o niskim stężeniu TGF-β, szlak ALK1/Smad1/5/8 będzie wspomagał proliferację i migrację komórek (faza aktywna), podczas gdy w środowisku o wysokim stężeniu TGF-β, szlak ALK5/Smad2/3 będzie promował odkładanie macierzy pozakomórkowej (faza spoczynkowa)⁷.

Konsekwencje molekularne mutacji receptorów

Mutacje w genach kodujących endoglinę i ALK1 prowadzą do powstawania zmienionych białek, które nie są prawidłowo wyrażane na powierzchni komórek śródbłonka lub są wyrażane w zmniejszonych ilościach⁵. Analiza genu endogliny u pacjentów z HHT typu 1 doprowadziła do wykrycia 29 różnych rodzajów mutacji, przy czym najbardziej prawdopodobne jest, że te zmutowane białka endogliny nie są wyrażane na powierzchni komórek śródbłonka lub są wyrażane w zmniejszonych ilościach.

W przypadku ALK1 zidentyfikowano dotychczas 17 różnych mutacji genu u pacjentów z HHT typu 2⁵. Najbardziej intrygującą kwestią jest sposób, w jaki nieprawidłowości genów endogliny i ALK1 skutkują identycznym fenotypem poprzez dominujący wzorzec dziedziczenia.

Zaburzenia kaskad sygnałowych Smad

Sygnalizacja TGF-β i białka Smad odgrywają krytyczną rolę w przekazywaniu sygnałów nadrodziny TGF-β z powierzchni komórki do jądra⁵. Pod aktywacją BMP9/10, kompleks receptorowy fosforyluje czynniki transkrypcyjne Smad1, Smad5 lub Smad9. Dimery fosfo-Smad1, fosfo-Smad5 lub fosfo-Smad9 łączą się w kompleks trimeryczny ze Smad4 i przemieszczają do jądra komórki śródbłonka⁸.

W jądrze komórkowym kompleksy te wiążą się z elementami odpowiadającymi na BMP na promotorach genów docelowych i albo wzmacniają, albo tłumią ich ekspresję⁸. Głównym biologicznym efektem sygnalizacji BMP9/10 jest indukcja spokoju naczyniowego poprzez wyłączanie proangiogennych szlaków sygnałowych VEGF i ANGPT2⁹.

Wpływ na homeostazę naczyniową

W prawidłowych warunkach BMP9 i BMP10 utrzymują spokój naczyniowy poprzez tłumienie proangiogennego szlaku VEGF⁹. Komórki śródbłonka naczyniowego znajdują się pod stałym wpływem czynników pro- i antyangiogennych, a dysregulacja tej równowagi wyzwala albo aktywną angiogenezę, albo spokój naczyniowy¹⁰.

U dorosłych BMP9 i BMP10 są głównie produkowane odpowiednio przez wątrobę i prawe przedsionki serca¹⁰. Występują one w krążeniu krwi zarówno w formach homodimerycznych, jak i heterodimerycznych. Wszystkie formy indukują albo stymulację, albo represję ekspresji genów docelowych w sposób zależny od fosfo-Smad, ale mogą również indukować sygnalizację niezależną od Smad poprzez kinazę p38 MAP, ERK lub JNK.

Mechanizmy kompensacyjne i adaptacyjne

Modele zwierzęce wykazują, że zaangażowanie szlaków endogliny i ALK1 prowadzi również do zmniejszenia aktywności szlaku ALK5 jako możliwej odpowiedzi adaptacyjnej mającej na celu skompensowanie zmniejszonej ekspresji endogliny i ALK1¹¹¹². To tłumaczyłoby, dlaczego występuje zaburzenie zarówno migracji komórek śródbłonka, jak i późniejszego tworzenia macierzy komórkowej w tej patologii.

Szlak ALK5 staje się dominujący u pacjentów z HHT typu 2, co prowadziłoby do wzrostu liczby komórek śródbłonka podczas fazy aktywacji i skutkowałoby połączeniami tętniczo-żylnymi między rozszerzonymi żyłkami a tętniczkami⁵.

Alternatywne mechanizmy sygnalizacyjne

Oprócz głównego szlaku sygnałowego, endoglina może pełnić rolę cząsteczki adhezyjnej dla infiltracji leukocytów¹¹. Zaproponowano, że podczas stanu zapalnego endoglina jest wycinana i jej rozpuszczalna frakcja (sol-eng) może promować adhezję i chemotaksję komórek jednojądrowych (MNC). Zmiana sygnalizacji poprzez endoglinę i ALK1 w MNC została zaproponowana jako uzasadnienie dla zmiany odpowiedzi immunologicznej obecnej u tych pacjentów, takiej jak wyższa częstość infekcji lub leukopenia¹¹.

Obecnie rozwijane jest również inne podejście, które ma na celu identyfikację zmian w kaskadach koagulacji i fibrynolizy w HHT¹¹. Zidentyfikowano, że pacjenci z HHT mają podwyższone poziomy czynnika VIII i czynnika von Willebranda, co wskazuje, że ci pacjenci mogą mieć wyższe ryzyko zakrzepicy żylnej niż populacja ogólna.