thumb|Ruimtelijk model van TGF-β. Alle eiwitten van de TGF-β-superfamilie zijn dimeren. Transforming growth factor β, vaak afgekort als TGF-β, is een multifunctioneel cytokine dat door diverse immuuncellen wordt geproduceerd. TGF-β heeft een krachtig onderdrukkend effect op de proliferatie en differentiatie van T-cellen. Ook kan het een remmend effect hebben op andere celtypen, zoals macrofagen en dendritische cellen. TGF-β blokkeert de doorgang van de G1-fase van de celcyclus. De cytokine werd voor het eerst aangetoond in weefselkweek van tumorcellen, waaraan het zijn naam ontleent.
De signaalroute die door TGF-β in gang wordt gezet verloopt onder meer via Smad-eiwitten. Smad-eiwitten zijn intracellulaire signaaleiwitten en transcriptiefactoren die een centrale rol spelen in de ontwikkeling, groei en homeostase van weefsels. Vanwege de veelzijdige rol in de regulatie van immuuncellen en stamcellen, is het een veel onderzocht cytokine op het gebied van kanker, auto-immuunziekten en infectieziekten. Verhoogde expressie van TGF-β uit tumoren lijkt de tumorcellen in staat te stellen de cellulaire afweerreactie te ontwijken.
Structuur Bij mensen en andere zoogdieren komen drie isovormen van TGF-β voor: TGF-β1, TGF-β2 en TGF-β3. De aminozuursequentie van de TGF-β-isovormen zijn zeer vergelijkbaar (homologieën in de orde van 70-80%). Ze worden allemaal gecodeerd als grote proteïne-precursor; TGF-β1 bevat 390 aminozuren en TGF-β2 en TGF-β3 bevatten elk 412 aminozuren. Ze hebben elk een N-terminaal signaalpeptide van 20-30 aminozuren die nodig is voor secretie uit een cel, een pro-regio genaamd latency-associated peptide (LAP), en een C-terminaal-gebied van 112-114 aminozuren. Dit laatste deel splitst zich tijdens de maturatie af van de rest van de eiwitketen, en vormt het het mature TGF-β-molecuul.
Het mature TGF-β-eiwit dimeriseert en produceert een actief eiwit van 25 KDa met veel geconserveerde structurele motieven. TGF-β heeft negen cysteïneresiduen die sterk geconserveerd zijn. Acht ervan vormen disulfidebindingen binnen het eiwit, ze creëren een structuur die kenmerkend is voor de TGF-β-superfamilie. Het negende cysteïne vormt een disulfidebinding met de negende cysteïne van een ander TGF-β-eiwit om een dimeer te produceren. Er wordt aangenomen dat veel andere geconserveerde residuen in TGF-β een secundaire structuur door hydrofobe interacties vormen. Het gebied tussen de vijfde en zesde geconserveerde cysteïne herbergt het meest variabele gebied van TGF-β-eiwitten en zit aan het oppervlak van het eiwit waar het betrokken is bij receptorbinding en specificiteit van TGF-β.
Onderzoeken met knock-out muizen hebben aangetoond dat: TGF-β1 het immuunsysteem dempt.Marcia M. Shull, Ilona Ormsby, Ann B. Kier, Sharon Pawlowski, Ronald J. Diebold: Targeted disruption of the mouse transforming growth factor-β1 gene results in multifocal inflammatory disease. In: Nature. Band 359, Nr. 6397, Oktober 1992, , S. 693–699, , , . TGF-β2 betrokken is bij de ontwikkeling van de longen, het hart, de botten en het urogenitale kanaal,L. P. Sanford, I. Ormsby, A. C. Gittenberger-de Groot, H. Sariola, R. Friedman: TGFbeta2 knockout mice have multiple developmental defects that are non-overlapping with other TGFbeta knockout phenotypes. In: Development (Cambridge, England). Band 124, Nr. 13, Juli 1997, , S. 2659–2670, , (geraadpleegd op 1 mei 2020]). TGF-β3 ook bijdraagt aan de longontwikkeling. TGF-β3-signalering is ook belangrijk bij het voorkomen van de ontwikkeling van een gespleten gehemelte.G. Proetzel, S. A. Pawlowski, M. V. Wiles, M. Yin, G. P. Boivin: Transforming growth factor-beta 3 is required for secondary palate fusion. In: Nature Genetics. Band 11, Nr. 4, Dezember 1995, , S. 409–414, , , .Vesa Kaartinen, Jan Willem Voncken, Charles Shuler, David Warburton, Ding Bu: Abnormal lung development and cleft palate in mice lacking TGF–β3 indicates defects of epithelial–mesenchymal interaction. In: Nature Genetics. Band 11, Nr. 4, December 1995, , S. 415–421, .
Latent TGF-β-complex Alle drie de TGF-β's worden gesynthetiseerd als precursormoleculen die naast het TGF-β-homodimeer een propeptidegebied bevatten. Nadat het TGF-β-homodimeer is gesynthetiseerd, interageert het met een Latency-Associated Peptide (LAP), een eiwit dat is afgeleid van het N-terminale gebied van het TGF-β-genproduct, en vormt een complex genaamd Small Latent Complex (SLC). Dit complex blijft in de cel totdat het wordt gebonden door een ander eiwit genaamd Latent TGF-β-Binding Protein (LTBP), waardoor een groter complex wordt gevormd dat Large Latent Complex (LLC) wordt genoemd. Het is deze LLC die wordt uitgescheiden naar de extracellulaire matrix (ECM).
In de meeste gevallen, voordat de LLC wordt uitgescheiden, wordt de TGF-β-voorloper van het propeptide gesplitst, maar blijft daaraan gebonden door niet-covalente bindingen. Na uitscheiding blijft het in de extracellulaire matrix achter als een geïnactiveerd complex dat zowel het LTBP als het LAP bevat en dat verder moet worden verwerkt om actieve TGF-β vrij te geven. De hechting van TGF-β aan het LTBP vindt plaats door middel van een disulfidebinding, waardoor de factor inactief blijft zodat hij zich niet aan zijn receptoren kan binden. Omdat verschillende cellulaire mechanismen verschillende niveaus van TGF-β-signalering vereisen, biedt het inactieve complex van dit cytokine de mogelijkheid voor een goede bemiddeling van TGF-β-signalering.
Er zijn vier verschillende LTBP-isovormen bekend, LTBP-1, LTBP-2, LTBP-3 en LTBP-4. Mutatie of wijziging van LAP of LTBP kan resulteren in onjuiste TGF-β-signalering. Muizen zonder LTBP-3 of LTBP-4 vertonen fenotypes die consistent zijn met fenotypes die worden gezien bij muizen met veranderde TGF-β-signalering. Bovendien hebben specifieke LTBP-isovormen de neiging om te associëren met specifieke LAP•TGF-β-isovormen. Er wordt bijvoorbeeld gerapporteerd dat LTBP-4 alleen aan TGF-β1 bindt, mutatie in LTBP-4 kan dus leiden tot met TGF-β geassocieerde complicaties die specifiek zijn voor weefsels waarbij voornamelijk TGF-β1 betrokken is. Bovendien verschaffen de structurele verschillen binnen de LAP's verschillende latente TGF-β-complexen die selectief zijn, maar voor specifieke stimuli die worden gegenereerd door specifieke activatoren.
Activering Aan het begin van de ontdekking van TGF-β was het onduidelijk dat het alleen inactief door cellen werd uitgescheiden. De biochemische protocollen voor de zuivering en concentratie van TGF-β omvatten zuren die in staat zijn TGF-β uit het complex op te lossen met LAP.Harold L. Moses, Anita B. Roberts, Rik Derynck. The Discovery and Early Days of TGF-β: A Historical Perspective, Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 8, 7, 2016-07, , page a021865, , , Het belang van het activeren van TGF-β werd daarom in het begin niet onderkend, omdat men alleen met TGF-β werkte, dat onbewust al geactiveerd was.
Door de jaren heen zijn er steeds meer processen bekend geworden die in principe TGF-β kunnen activeren. Op basis van verschillende onderzoeken met knock-outmuizen lijkt het er momenteel op dat bepaalde integrinen het belangrijkst zijn voor de activering van TGF-β1 en TGF-β3.Ian B. Robertson, Daniel B. Rifkin, Regulation of the Bioavailability of TGF-β and TGF-β-Related Proteins, Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 8, 6, 2016-06, , page a021907, , , Er werd echter geen integrine gevonden dat aan TGF-β2 bindt. Dit betekent ofwel dat TGF-β2 uitsluitend op een integrine-onafhankelijke manier wordt geactiveerd, ofwel dat de binding van TGF-β2-integrine nog niet is ontdekt. Voor TGF-β1 en TGF-β3 bestaat nog steeds de mogelijkheid dat integrine-onafhankelijke activeringsmechanismen domineren, althans in bepaalde situaties.
Sommige van de bekende activeringsreactiepaden zijn cel- of weefselspecifiek, terwijl sommige in meerdere celtypen en weefsels voorkomen. Proteasen, integrinen, pH en reactieve zuurstofcomponenten zijn slechts enkele van de momenteel bekende factoren die TGF-β kunnen activeren. Het is bekend dat verstoringen van deze activerende factoren kunnen leiden tot niet gereguleerde TGF-β-signaleringsniveaus die verschillende complicaties kunnen veroorzaken, waaronder ontstekingen, auto-immuunziekten, fibrose, kanker en cataract. In de meeste gevallen zal een geactiveerd TGF-β-ligand de TGF-β-signaleringscascade initiëren zolang TGF-β-receptoren I en II beschikbaar zijn voor binding. Dit komt door een hoge affiniteit tussen TGF-β en zijn receptoren, wat suggereert waarom de TGF-β-signalering een latentiesysteem recruteert om de signalering ervan te bemiddelen.
Signaalroute thumb|upright=1.2|Schematisch diagram van de TGF-β-signalering Het TGF-β-signaleringsreactiepad bestaat uit de binding van de groeifactor aan het receptorcomplex op het celoppervlak. Dit activeert intracellulaire signaalmoleculen van de Smad-familie, die op hun beurt de genregulatie beïnvloeden.
Over het algemeen is de affiniteit tussen TGF-β en het TGF-β-receptor type-I/TGF-β-receptor type-II-complex hoger dan tussen receptortyrosinekinasen en de groeifactoren die daaraan binden, zoals de epidermalegroeifactorreceptor (EGF). Tegelijkertijd is het aantal TGF-β1 en TGF-β2 op het celoppervlak 5.000 of minder, zeer laag vergeleken met receptortyrosinekinasen.Rik Derynck, Erine H. Budi. Specificity, versatility, and control of TGF-β family signaling, Science Signaling, 12, 570 , 2019-02-26, , pages eaav5183, , , Hierdoor kunnen cellen hun TGFβ-signaleringscapaciteiten zeer dynamisch aanpassen, omdat het toevoegen of verwijderen van relatief weinig receptoren op het celoppervlak procentueel gezien al een groot verschil maakt.
Canonieke signalering: het SMAD-reactiepad Smads zijn een klasse van intracellulaire signaaleiwitten en transcriptiefactoren voor de TGF-β-familie van signaalmoleculen. Dit reactiepad lijkt conceptueel op het Jak-STAT-signaaltransductiereactiepad dat wordt gekenmerkt door de activering van cytokinereceptoren die bijvoorbeeld betrokken zijn bij het B-cel-isotype-omschakelingsreactiepad. Zoals eerder vermeld, de binding van het TGF-β-ligand aan de TGF-β-receptor, het type 2-receptorkinase fosforyleert en avctiveert het type 1-receptorkinase dat een signaalcascade activeert. In het geval van Smad worden receptor-geactiveerde Smads gefosforyleerd door het type 1 TGF-β-receptorkinase, en deze gaan een complex aan met andere Smads, die zich kunnen verplaatsen naar de celkern om transcriptie van verschillende effectoren te induceren.
Meer specifiek binden geactiveerde TGF-β-complexen aan het type 2-domein van de TGF-β-receptor, dat vervolgens een type 1-receptor recruteert en fosforyleert. De type 1-receptor rekruteert en fosforyleert vervolgens een receptor-gereguleerde SMAD (R-SMAD). De R-SMAD bindt vervolgens aan de gemeenschappelijke SMAD (coSMAD) SMAD4 en vormt een heterodimeer complex. Dit complex komt vervolgens de celkern binnen waar het fungeert als transcriptiefactor voor verschillende genen, waaronder genen die de door mitogeen geactiveerde proteïnekinase 8-reactepad activeren, die apoptose teweegbrengt. De SMAD-route wordt gereguleerd door terugkoppelingsremming. SMAD6 en SMAD7 kunnen type I-receptoren blokkeren. Er is ook substantieel bewijs dat TGF-β-afhankelijke signalering via het SMAD-3-reactiepad verantwoordelijk is voor veel van de remmende functies van TGF-β en dus betrokken is bij de carcinogenese.