גורם ההתמיינות לגדילה 15- Growth differention factor 15

הדפס

מדריך בדיקות מעבדה
גורם ההתמיינות לגדילה 15
Growth differention factor 15
שמות אחרים	MIC-1 או macrophage inhibitory cytokine-1, PDF או prostate derived factor, NAG-1, PTGFβ, NRG-1.
מעבדה	כימיה-גנטיקה בדם
תחום	מחלות מיטוכונדריאליות, סרטניות וקרדיו-וסקולאריות
טווח ערכים תקין	בגיל של 3 חודשים ומעלה, רמת GDF-15 נמוכה מ-750 פיקוגרם/מ"ל
יוצר הערך	פרופ' בן-עמי סלע

מטרת הבדיקה

GDF-15 עשוי לשמש סמן ביולוגי למחלות מיופתיה מיטוכונדריאליות כמו גם למפגעים אחרים, כמפורט להלן: מחלת Alpers, מחלת Leigh, חמצת לקטית, ציטופתיה מיטוכונדריאלית, חסר פירובט קרבוקסילאז, תסמונת Pearson, מוטציות POLG, תסמונת Barth‏ (3-Methylglutaconic Aciduria, Type II), תסמונת אטקסיה נירופתית (ANS), אנצפלופתיה מיטוכונדריאלית, חסר פירובט דהידרוגנאז, פגמים בשרשרת הנשימה, חסר DNA מיטוכונדריאלי, תסמונת Kearns-Sayre, חסר Coenzyme Q10, חסר Cytochrome C Oxidase, חסרים של קומפלקסים I, II, III, IV ו-V, Chronic Progressive External Ophthalmoplegia או CPEO, Myoclonic Epilepsy with Ragged-Red Fibers או MERRF, Mitochondrial Recessive Ataxia Syndrome או MIRAS, Spinocerebellar Ataxia with Epilepsy או SCAE, Sensory Ataxia, Neuropathy Dysarthria, Ophthalmoplegia או SANDO, Neuropathy, Ataxia Retinitis Pigmentosa או NARP, Mitochondrial Neurogastrointestinal Encephalopathy או ,MNGIE Mitochondrial encephalomyopathy lactic acidosis, and stroke-like episodes או MELAS, Myoclonic Epilepsy ,Myopathy ,Sensory Ataxia או MEMSA ו- Leber's Hereditary Optic Neuropathy או LHON.

מבנה ותכונות של GDF-15

הגן האנושי של GDF-15 ממוקם על הזרוע הקצרה של כרומוזום 19p13.1–13.2 כפי שנקבע על ידי in situ hybridization. באדם ובמכרסמים הגן ל-GDF-15 מורכב מ-2 אקסונים ומ-intron יחיד. החלבון הבשל שמשקלו המולקולרי הוא 34,140 דלטון, מכיל 7 שיירי ציסטאין משומרים היוצרים "לולאת ציסטאין". בדומה לחברים אחרים במשפחת העל של TGF-β, האורך המלא של GDF-15 הוא קטע של pre-pro-domain, והחלבון הבשל נוצר לאחר ביקוע של האתר דמוי-furin. הרצף של חומצות האמינו בין מינים שונים נמוך יחסית עם 70% דמיון, שהוא הנמוך ביותר בתוך משפחת TGF-β.

חלבון זה זוהה לראשונה כ- macrophage inhibitory cytokine-1 או MIC-1‏ (Bootcov וחב' ב- Proc Natl Acad Sci USA משנת 1997). מדובר בחלבון שהוא חבר בתת המשפחה של TGF-β. בתנאים נורמליים, GDF15 בא לביטוי בריכוזים נמוכים ברוב האיברים, והוא משתדרג בעקבות פציעה של הכבד, כליות, לב וריאות (Zimmers וחב' ב-Shock משנת 2005, Hsiao וחב' ב- Mol Cell Biolמשנת 2000 ו-Ago ו-Sadoshima ב-Circ Res משנת 2006). התפקיד של GDF15 אינו מובהר לחלוטין, אך נראה שהוא מווסת מסלולים דלקתיים ומעורב בוויסות של אפופטוזיס, תיקון תאים ושגשוגם, במפגעים קרדיו-וסקולרים וסרטניים (Wollert וחב' ב-Circulation משנת 2007, ו-Kempf וחב' ב-Res משנת 2006). נמצא ש-GDF15 הוא חלבון פרוגנוסטי חזק במטופלים עם מחלות לב ומחלות סרטניות (Wallentin וחב' ב-PLos One משנת 2013).

Growth/differentiation factor-15 (להלן GDF-15) מבוטא באופן נרחב ברקמות רבות ביונקים. הביטוי שלו מווסת ומושרה לרוב בתגובה למצבים הכרוכים עם עקה תאית. רמות GDF-15 בנסיוב כרוכות עם מחלות רבות, כולל מצבי דלקת, ממאירות, מחלות קרדיו-וסקולריות והשמנת יתר, ורמות אלו משמשות פוטנציאלית בתור מנבא אמין של התפתחות המחלה. תפקיד פונקציונאלי עבור GDF-15 הוצע במפגעים סרטניים, מחלות קרדיו-וסקולריות, מחלות כליה ומחלות מטבוליות. עם זאת, ידע של ממש על התפקוד הפתו-פיזיולוגי של GDF-15 ברמה המולקולרית עדיין מוגבל. הזיהוי לאחרונה של קולטן אנדוגני של GDF-15, עשוי לספק הבנה נוספת על המנגנונים המולקולריים של החלבון האמור, והקשר שלו למצבי מחלה.

הערכה של סמנים חדשים במקרה של MELAS

במחקר של Matsui וחב' ב-Neuromusc Disorders משנת 2017, נבחנה היעילות של FGF-21 ושל GDF-15 על מנת לאשר את היעילות של טיפולים ב-L-arginine ושל סודיום פירובט במטופלת בת 60 שנה עם אנצפלופתיה מיטוכונדריאלית, חמצת לקטית ואפיזודות דמויות שבץ (תסמונת MELAS). המטופלת הייתה עם מוטציה mtT3271C, שפתולוגית השרירים שלה וממצאי מעבדה תאמו את תסמונת MELAS. היא טופלה עם L-arginine וסודיום פירובט, אך מצבה החמיר והיא נפטרה לאחר שנתיים. שני הסמנים שהוזכרו, הראו ערכים גבוהים, שהלכו וגדלו עם החמרת מהלך המחלה. הטיפולים עם ארגינין וסודיום פירובט שהביאו למיתון זמני בדרגת תסמיני המחלה, היו כרוכים בערכים נמוכים יותר של FGF-21 ושל GDF-15.

GDF-15, הידוע גם כ-MIC-1, NAG-1, PLAB ו-PTGFβ, התגלה בשנות ה-90 (Bootcov וחב' ב-Proc Natl Acad Sci USA משנת 1997, Hromas וחב' ב-Biochim Biophys Acta משנת 1997 ו-Lawton וחב' ב-Gene מנת 1997). במהלך המאמץ לזהות גנים המבוטאים בהקשר של שפעול מקרופאגים, נעשה שימוש בשורת תאים מונוציטואידים הידועה כ-U937, נסקרה ספריית cDNA של תאים אלה שטופלו או שלא טופלו עם phorbol 12 myristate 13-acetate או PMA. בתהליך זה זוהה MIC-1 כגן חדש המקודד לחלבון המכיל מאפיינים מבניים הדומים ל-TGF-β. הביטוי של mRNA של MIC-1 במקרופאגים, הוגבר על ידי מגוון של גירויים כגון אלה של IL1β, TNF-α, IL2 ו- macrophage colony-stimulating factor או M-CSF. גישה דומה שימשה לזיהוי של גנים המווסתים על ידי מעכבים של cyclooxygenase. ספריית cDNA נבנתה משורת תאים של המעי הגס באדם הידועה כ-HCT-116, שטופלו עם NSAIDs. הגן NAG-1 המשופעל על ידי NSAID, זוהה מספריה זו ונמצא מכיל רצף זהה ל-MIC-1‏ (Baek וחב' ב-Mol Pharmacol משנת 2001). בשני ניסיונות נפרדים נוספים לזהות חברים חדשים של משפחת העל TGF-β, וחלבונים מורפוגנטיים של העצם (BMPs) הנמצאים בשליה באופן מועשר, שובט אותו גן ונקרא PLAB או placental bone morphogenetic protein, וכן PTGFβ או Placental Transforming Growth Factor β.‏ GDF15 זוהה על ידי סריקה של database של חומר שלייתי מאדם, מכיל motif של "לולאה ציסטינית" השכיחה בחברים אחרים של משפחת העל TGF-β ‏(Bottner וחב' ב-Gene משנת 1999).

מחקרים אחדים מצאו רמות מוגברות של GDF-15 בנסיוב של סוגי סרטן רבים (Welsh וחב' ב-Proc Natl Acad Sci USA משנת 2003, וכן Welsh וחב' ב-Oncogene משנת 2002).

GDF-15 כרוך עם מחלות רבות ובטבלה מסוכמים התפקודים הפנוטיפיים שלו:

רשימה של רקמות-יעד לפעילות של GDF-15: איברים, פונקציות ומטבוליזם.

GDF-15 כסמן

כיוון שריכוז החלבון GDF-15 יכול להיקבע בקלות בצירקולציה, מחקרים רבים זיהו את GDF-15 כסמן חשוב בפלזמה הכרוך במספר מחלות. GDF-15 נכרך עם מחלות קרדיו-וסקולריות, מחלת עורקים כליליים, ופרפור פרוזדורי. רמות מוגברות של GDF-15 בצירקולציה נמצאות בסוכרת, סרטן, פגיעה קוגניטיבית ובמצב של cachexia ‏(Adela ו-Banerjee ב-J Diabetes Res משנת 2015, Tsai וחב' ב- Int J Obes משנת 2016 ו-Wollert וחב' ב-Chem Clin משנת 2017). במחקר של נשים בריאות בבסיסו, רמות הבסיס של GDF-15 נקבעו ב-257 משתתפות שפיתחו במהלך המעקב של 4 שנים אוטם שריר לב, שבץ מוחי, או שנפטרו מאירוע קרדיו-וסקולרי, וכן בקבוצת ביקורת של 257 נשים שלא דיווחו על כל אירוע בריאותי משמעותי. בנשים שפיתחו אירוע קרדיו-וסקולרי נמצאו רמות GDF-15 מוגברות פי 2.7 מאשר בקבוצת הביקורת.

ההשפעה הייתה בלתי תלויה בגורמי סיכון קרדיו-וסקולריים מסורתיים כגון C-reactive protein (על פי Brown וחב' ב-Lancet משנת 2002). מחקר נוסף בחן את רמות GDF-15 ב-14,577 מטופלים עם מחלת לב כלילית יציבה ומצא שרמות GDF-15 היו כרוכות במוות מסיבה קרדיו-וסקולרית, במוות פתאומי, במוות מאי-ספיקת לב, ובאשפוז מסיבה של כשל לבבי (Hagstrom וחב' ב-Clin Chem משנת 2017). הקשר בין GDF-15 לתוצאים קרדיו-וסקולריים נלמד גם כחלק ממחקר הלב של Framingham (בו נכללו 3,248 משתתפים, בגיל ממוצע של 59 שנים, עם 53% נשים). GDF-15 נכרך בתמותה מכל-סיבה, באי-ספיקת לב, ובאירועים קרדיו-וסקולריים משמעותיים (Wang וחב' ב-Circulation משנת 2012). הקשר בין GDF-15 לבין מוות מכל-סיבה, נחקר גם ב-1,391 משתתפי מחקר Rancho Bernardo (גיל ממוצע של 70 שנה, ללא היסטוריה של מחלה קרדיו-וסקולרית), שהיו במעקב במשך 11 שנה. נמצא במחקר האחרון ש-GDF-15 היה מנבא חזק של תמותה מסיבה כלשהי, או מתמותה שאינה מסיבה קרדיו-וסקולרית (Daniels וחב' ב-Circulation משנת 2011).

Brown וחב' ב-Clin Cancer Res משנת 2003, מדדו רמות GDF-15 בדגימות נסיוב של 260 תורמי דם בריאים, ו-193 מטופלים עם פוליפים אדנומטיים או עם קרצינומה של המעי הגס והחלחולת. נמצאה עליה פרוגרסיבית ברמות GDF-15 באלה עם פוליפים אדנומטיים או באלה עם קרצינומה של המעי הגס. רמות GDF-15 היו גם במתאם עם שלב המחלה הגרורתית לבלוטות הלימפה. במחקר רטרוספקטיבי, רמות GDF-15 בנסיוב נקבעו ב-70 דגימות של חולים עם סרטן הערמונית, ובאלה עם תוצאות ביופסיה שליליות. רמות GDF-15 נמצאו מוגברות בחולים עם סרטן הערמונית, ותאמו את שלב המחלה (Li וחב' ב-PLos One משנת 2015).

GDF-15 בתגובה למצבי עקה

mRNA של GDF-15 הוא בעל תפוצה רחבה ברקמות רבות. הוא מבוטא מאוד בשלייה ובערמונית, אך ניתן גם למצוא אותו בלב, בבלוטת הלבלב, בכבד, בכליות, במעיים (בעיקר במעי הגס), ובריאות (Yokoyama-Kobayashi וחב' ב-J Biochem משנת 1997, Bottner וחב' ב-J Cachexia Sarcopenia Muscle משנת 2016, Tan וחב' ב-Proc Natl Acad Sci USA משנת 2000, ו-Koopmann וחב' ב-Clin Cancer Res משנת 2004). החלבון GDF-15 נוצר כחלבון באורך מלא של 35,000 דלטון. לאחר שהקצה ה-N טרמינלי מבוקע, החלבון הבשל מופרש כדימר בגודל של 25,000 דלטון בו שני המונומרים מחוברים בקשר דיסולפידי.

מחקרים הראו ש-GDF-15 הוא כעין ציטוקין המושרה על ידי עקה, בתגובה לפציעה רקמתית. לדוגמה Hsiao וחב' ב-Mol Cell Buol משנת 2000, הראו שהביטוי של GDF-15 בכבד, גדל משמעותית ובמהירות על ידי הזקת כימיקלים הידועים כגורמי נזק להפאטוציטים כגון כלורופורם. מעבר לפציעה כימית, חוקרים אלה הראו שהביטוי הכבדי של GDF-15 mRNA הושרה לאחר קטיעה חלקית של אונת כבד. הביטוי של GDF-15 יכול לגדול גם כתוצאה מנזק לתאי האפיתל של כיס המרה. כמו כן, פגיעה כימית בצינור המרה המושרית על ידי DAPM או methylenedianiline הביאה לעלייה בביטוי של GDF-15 mRNA.

היברידיזציה in situ אישרה ש-GDF-15 mRNA מושרה בהפאטוציטים, אך לא באזורי צינור המרה, שהוא אזור הנזק העיקרי הנגרם על ידי DAPM. עם זאת, למרות ההשריה הדרמטית לאחר נזק כבדי, לא נראה ש-GDF-15 משחק תפקיד משמעותי בפציעה כבדית, או ברגנרציה של פציעה זו. אכן, עכברים משוללי GDF-15 מתקנים את הנזק הכבדי שלהם באותו קצב של עכברי wild type, לאחר ניתוח הרחקה של חלק מהכבד.

Zimmers וחב' ב-Shock משנת 2005, חקרו את הרגולציה של GDF-15 במודלים של עכברים עם פציעה כלייתית או ריאתית. לאחר הזרקת כלורופורם, התגלתה בשיטת Western blotting עלייה בביטוי של GDF-15 בכליות ובריאות. בחמש מתוך שש הסרות ניתוחיות של הכליה, או במודלים של איסכמיה וזילוח מחדש, התגלתה עליה בביטוי של GDF-15 mRNA, בשיטת אנליזה של northern blotting. חוקרים אלה פיתחו גם 2 מודלים של פציעה ריאתית, על ידי החדרה של bleomycin לעכברים מבוגרים, או חשיפה היפראוקסית ממושכת בעכברים שזה עתה נולדו. בשני מודלים אלה נמצאה השרייה בולטת של GDF-15 mRNA.

הביטוי של GDF-15 עלה במהירות בתגובה לפציעה קרדיו-וסקולרית. לדוגמה, במודל עכברים בו ביטוי מוגבר של MEF2C או myocyte enhance factor 2C הגורם לקרדיומיופתיה נרחבת ולהחלשת שריר הלב, נמצא ש-GDF-15 mRNA הושרה משמעותית בלב הקרדיומיופתי בעכברים מבוגרים. במודל של איסכמיה, על ידי ליגציה קבועה של עורק כלילי בעכברים, נמצאה עליה מהירה של GDF-15 mRNA באזור האיסכמי.

GDF-15 וסרטן

רמות מוגברות של GDF-15 בנסיוב נכרכו עם סוגי סרטן רבים. מספר מחקרים הראו שביטוי מוגבר של GDF15 mRNA ושל החלבון עצמו, בדגימות ביופסיה מגידולים סרטניים (Welsh וחב' ב-Proc Natl Acad Sci USA משנת 2003, ו-Welsh וחב' ב-Cancer Res משנת 2001 מחקר שהתייחס ספציפית לסרטן הערמונית). עם זאת, מחקרים תפקודיים של תפקיד GDF-15 בסרטן מוגבלים במספרם. יש נתונים אחדים ש-GDF-15 הוא בעל פעילות מדכאת סרטן, אך מחקרים אחרים שוללים זאת.

פעילות מדכאת סרטן של GDF-15

כדי לאשש את השפעת GDF-15 על שגשוג תאים סרטניים, הוזרקו תאי MCF-7 המבטאים GDF-15 ביתר לתוך בלוטות החלב של עכברי nude במודל אורתוטופי של סרטן. ביטוי-יתר של NAG-1 נמצא מפחית את גודלו של גידול אורתוטופי בערך ב-50% (Martinez וחב' ב- J Pharmacol Exp Ther משנת 2006). במחקר אחר, תאי PC-3 שעברו טרנספקציה עם וקטור ריק, או כאלה שעברו טרנספקציה על ידי קונסטרקטים המבטאים ביתר GDF-15, הוזרקו מתחת לעורם אל הבטן של חולדות חסרות טימוס. גידולים שנוצרו על ידי הזרקת תאי PC-3 שעברו טרנספקציה עם וקטור ריק גדלו במהירות, ואילו גידולים שנוצרו על ידי הזרקת תאי PC-3 שעברו טרנספקציה עם GDF-15, גדלו בקצב איטי בהרבה (Lambert וחב' ב- J Cell Physiol משנת 2006). זאת ועוד, שורת התאים LN-Z308 המבטאים בעודף את GDF-15, הוזרקו תת-עורית לתוך הכֶּסֶל של חמישה עכברי Swiss nude, ונמצא שהפעילות הטומורוגנית בוטלה לחלוטין (Albertoni וחב' ב-Oncogene משנת 2002).