Panoramica
La timosina beta 4 (Tβ4) è una piccola molecola proteica composta da più residui aminoacidici ed è ampiamente distribuita in vari tessuti e cellule del corpo umano.[1][2] Essendo una delle principali molecole regolatrici dell'actina nel corpo umano, ha molteplici funzioni biologiche e svolge un ruolo cruciale nella rigenerazione dei tessuti, nel rimodellamento, nella guarigione delle ferite, nel mantenimento dell'equilibrio dell'actina, nello sviluppo dei tumori e delle metastasi, nell'apoptosi delle cellule, nell'infiammazione, nell'angiogenesi, nello sviluppo dei follicoli piliferi e in altri processi fisiologici e patologici.
Funzioni biologiche e meccanismi d'azione
La Tβ4 è una delle principali molecole regolatrici dell'actina nel corpo umano e ha molteplici funzioni biologiche, svolgendo un ruolo significativo nella rigenerazione dei tessuti, nel rimodellamento, nella guarigione delle ferite, nel mantenimento dell'equilibrio dell'actina, nello sviluppo dei tumori e delle metastasi, nell'apoptosi cellulare, nell'infiammazione, nell'angiogenesi, nello sviluppo dei follicoli piliferi e in altri processi fisiologici e patologici.
Fonte: Tandfonline
- Fattore di regolazione dell'actina: L'actina rappresenta circa 10% della proteina totale nelle cellule non muscolari ed è un componente essenziale necessario per la struttura cellulare, il movimento cellulare e la guarigione delle ferite. La presenza di Tβ4 nelle cellule è sufficiente per sequestrare tutti i monomeri di actina e partecipare alla regolazione della polimerizzazione e depolimerizzazione dell'actina. La Tβ4 può legarsi ai monomeri di actina in un rapporto 1:1, impedendo la formazione di polimeri di F-actina. Il legame della Tβ4 all'actina è accompagnato dalla dissociazione dell'acqua legata. Il C-terminale della Tβ4 si lega all'His-40 dell'actina, causando un cambiamento conformazionale nei monomeri di actina. La molecola di Tβ4 contiene un dominio di legame con l'actina (LKKTET), che è il principale sito di contatto elettrostatico. Il suo frammento N-terminale può inibire la polimerizzazione dell'actina attraverso un ostacolo sterico. Quando agisce da sola, la Tβ4 può inibire la polimerizzazione dell'actina e lo scambio di nucleotidi sull'actina. Ciò è in contrasto con il ruolo di un'altra proteina che lega l'actina, la profilina, che promuove lo scambio di ADP e ATP, accelerando l'assemblaggio dell'actina. [1][2]Tβ4 e Profilina possono regolare sinergicamente l'assemblaggio dell'actina. La Tβ4 può regolare la conversione tra G-actina e F-actina. È stato riportato che la concentrazione di Tβ4 raggiunge le 300 pmol nelle cellule ematiche altamente mobili, mentre la concentrazione necessaria affinché Tβ4 si leghi alla G-actina è inferiore a 20 pmol. Con l'aumento della concentrazione, la Tβ4 riduce la capacità di depolimerizzazione della F-actina. Questo potrebbe essere il motivo per cui la Tβ4 regola la funzione del sistema dei microfilamenti cellulari.
Promozione della migrazione delle cellule endoteliali e dell'angiogenesi: Gli studi condotti sul modello di angiogenesi della membrana corioallantoica di pollo (CAM) hanno dimostrato che quando le cellule endoteliali si differenziano in strutture tubulari, il contenuto di mRNA di Tβ4 aumenta di cinque volte e la trasfezione con Tβ4 accelera la formazione di strutture simili a tubi nei cloni di cellule endoteliali. Inoltre, la ricerca ha scoperto che la Tβ4 può interagire con la fibrina e il collagene mediata dalla transglutaminasi (Fattore XIIIa) e svolgere un ruolo importante nel processo di coagulazione del sangue. Inoltre, in un esperimento di lesioni cutanee a tutto spessore in topi diabetici invecchiati, il Tβ4 può accelerare la guarigione di ferite cutanee di ampia superficie e di ustioni profonde, promuovere la riparazione della pelle e della cornea e dimostrare la capacità di accelerare la guarigione delle ferite.
Inibizione dell'apoptosi cellulare: La Tβ4 ha un significativo effetto protettivo sulle cellule epiteliali corneali danneggiate da sostanze corrosive come il cloruro di benzalconio o l'etanolo. L'aumento dell'espressione del gene Tβ4 è utile per aumentare la resistenza all'ipossia delle cellule.[2][3]
Riduzione delle principali molecole infiammatorie: La guarigione delle ferite è un processo biologico complesso che può essere suddiviso in tre fasi distinte: infiammazione, proliferazione cellulare e rimodellamento tissutale, con l'espressione genica di proteine rilevanti che viene upregolata e poi downregolata in ciascuna fase. Nelle ferite croniche, questo processo di regolazione può essere interrotto da fattori quali l'età, le malattie sottostanti e i farmaci immunosoppressivi, con conseguente produzione eccessiva di molecole infiammatorie, infiammazione eccessiva, proliferazione cellulare e rimodellamento tissutale ostacolati. La ricerca ha scoperto che la Tβ4 può ridurre i livelli di radicali liberi, rallentare la perossidazione lipidica, inibire la produzione di citochine infiammatorie come l'IL-1, la proteina infiammatoria dei macrofagi 1α (MIP1α), la MIP1β, la proteina chemiotattica dei monociti-1 (MCP-1), diminuire i livelli di trombossano e prostaglandina 2α, alleviando così l'infiammazione. Pertanto, può essere utilizzato per il trattamento di disturbi infiammatori come l'enterite segmentaria e l'atrofia muscolare.
Stimolazione della differenziazione delle cellule staminali epicardiche adulte: La Tβ4 svolge un ruolo cruciale in vari aspetti dello sviluppo dei vasi coronarici ed è in grado di stimolare significativamente la crescita di innesti epicardici adulti di topo quiescenti, ripristinando la multipotenza di fibroblasti, cellule muscolari lisce e cellule endoteliali e inducendone la differenziazione.[1][2] L'eliminazione del gene Tβ4 nel cuore porta a una significativa diminuzione dei livelli del prodotto di scissione angiogenica di Tβ4 (AcSDKP). Sebbene l'iniezione di AcSDKP non sia in grado di ripristinare il cuore, può aumentare significativamente la differenziazione delle cellule progenitrici epicardiche di topo adulto in cellule endoteliali. Ciò suggerisce che la Tβ4 e l'AcSDKP sono potenti stimolatori della neovascolarizzazione coronarica e che le cellule epicardiche adulte di topo indotte dalla Tβ4 possono servire come fonte di rigenerazione vascolare, portando a una rigenerazione sostenuta della vascolarizzazione compromessa a un livello basso dopo la lesione cardiaca.
Stimolazione dello sviluppo del follicolo pilifero: La Tβ4 promuove la migrazione, la differenziazione e la ricostruzione della matrice extracellulare delle cellule staminali del follicolo pilifero, regolando così la crescita dei capelli. Studi su ratti e topi hanno rilevato che durante il ciclo di crescita dei capelli, un sottogruppo specifico di cheratinociti del follicolo pilifero originati dalla regione del rigonfiamento coesprime altamente Tβ4, mentre le cellule staminali della pelle sono presenti anche nel rigonfiamento del follicolo pilifero. Quando la concentrazione di Tβ4 è a livello nanomolare, la migrazione e la differenziazione delle cellule staminali sono potenziate e la presenza di Tβ4 aumenta anche l'espressione e la secrezione della metalloproteinasi-2 della matrice (MMP-2), un enzima che degrada la matrice extracellulare.
Relazione con la formazione del tumore: L'aumento del gene Tβ4 è stato osservato in diverse cellule tumorali, tra cui il carcinoma midollare della tiroide, il cancro del colon-retto, il melanoma altamente maligno, il cancro al seno e il carcinoma orale a cellule squamose. La Tβ4 può indurre efficacemente l'espressione del fattore di crescita endoteliale vascolare, promuovendo l'angiogenesi e attivando le proprietà migratorie delle cellule, portando alla malignità del tumore. L'aumento dell'espressione di Tβ4 determina la downregulation dell'espressione di E-caderina, indebolendo l'adesione cellulare, e l'aumento dell'espressione di metalloproteinasi della matrice, fornendo un vantaggio di crescita e caratteristiche invasive alle cellule tumorali, contribuendo così alla malignità. La Tβ4 possiede capacità antiapoptotiche e la sua maggiore espressione può ridurre l'entità dell'apoptosi cellulare, probabilmente a causa dell'inibizione del rilascio del citocromo c e dell'interruzione dell'avvio del processo di apoptosi, un'altra importante caratteristica dei tumori maligni.
Promozione della riparazione corneale: La timosina β4 ha dimostrato la sua capacità di promuovere la guarigione delle ferite in vari modelli di lesioni corneali e di regolare la produzione di alcune citochine chiave. La ricerca ha scoperto che la timosina β4 può ridurre l'espressione delle metalloproteinasi della matrice, promuovere il rimodellamento della matrice extracellulare e attivare le citochine. In particolare, inibisce l'attività delle metalloproteinasi della matrice, contrariamente alle conclusioni tratte da modelli di lesioni cutanee trattati con timosina β4. [1][2][3]Ciò suggerisce che le vie di regolazione di specifici enzimi nel processo di riparazione tissutale possono essere sia upregolate che downregolate.
Metodo di preparazione
Attualmente, esistono due fonti principali di timosina beta 4 (Tβ4) utilizzate in ambito clinico e di ricerca: l'estrazione dal timo bovino e la sintesi chimica. L'estrazione della Tβ4 dal timo bovino non solo è costosa, ma è anche limitata dalla disponibilità del materiale e dalle tecniche di estrazione, con conseguente bassa purezza e basso contenuto. La presenza di impurità comporta anche molti problemi, soprattutto se si considera il numero crescente di virus nei bovini, che complicano il processo di estrazione. Con lo sviluppo dell'ingegneria genetica, l'utilizzo di metodi di ingegneria genetica per produrre Tβ4 diventerà una nuova direzione. Nel nostro laboratorio, abbiamo in programma di eseguire l'espressione in tandem della Tβ4 sintetizzata artificialmente nelle piante per ottenere piante transgeniche con un'espressione efficiente della Tβ4. Rispetto alla Tβ4 estratta naturalmente, la Tβ4 prodotta con piante transgeniche presenta i vantaggi di una maggiore bioattività, di una maggiore purezza e di minori effetti collaterali. Inoltre, rappresenta l'approccio ottimale per ridurre i costi di produzione, minimizzare la contaminazione e consentire una produzione su larga scala.[3]
Sfondo
La timosina beta 4 è un peptide composto da 43 residui aminoacidici con un punto isoelettrico di 5,1 ed è altamente conservato nei mammiferi. È una proteina citoplasmatica piuttosto che nucleare, a differenza della timosina alfa o di altre timosine simili. [2][3]La timosina beta 4 è coinvolta in diverse funzioni fisiologiche, tra cui la funzione immunitaria, lo sviluppo del sistema nervoso, la guarigione delle ferite e le funzioni della proteina actina.
A differenza della timosina alfa o di altre timosine simili, la timosina beta 4 è una proteina citoplasmatica piuttosto che nucleare. Contiene meno aminoacidi idrofobici e non contiene la regione strutturale Lys-Lys-Xaa-Lys. Studi di conformazione chimica hanno dimostrato che la timosina beta 4 esiste e funziona come una singola catena. Ha una regione interna di ripetizione tra i residui 31-43 e 18-30, con sei aminoacidi identici. Sebbene siano presenti due regioni altamente elicoidali tra i residui 4-12 e 32-40, la timosina beta 4 non forma un giro di prolina. In termini di distribuzione biologica ed espressione, la timosina beta 4 è stata inizialmente purificata dal timo. Pertanto, inizialmente si riteneva che fosse un ormone timico che agisce sulla maturazione delle cellule T nelle fasi iniziali. Tuttavia, la timosina beta 4 è ampiamente presente in altri tessuti, organi e cellule, con i livelli più elevati riscontrati nella milza, nel timo, nei polmoni e nei macrofagi peritoneali, seguiti da cervello, fegato, reni, testicoli e cuore. Anche le cellule del sistema non reticoloendoteliale, come i fibroblasti, possono sintetizzare la timosina beta 4. I timociti hanno livelli di mRNA di timosina beta 4 sette volte superiori a quelli delle cellule stromali timiche e l'espressione della timosina beta 4 si osserva in vari tipi di cellule del sangue. Studi sul cDNA della timosina beta 4 hanno dimostrato che manca un peptide segnale.[1] Sebbene nell'organismo siano presenti anche proteine secrete prive di peptidi di segnale, come l'interleuchina-1 (IL-1) e i fattori di crescita endoteliale, gli esperti ritengono comunque improbabile che la timosina beta 4 sia una proteina secreta e che sia più probabile che sia essenziale per alcune funzioni cellulari di base.
Applicazione
Ricerca di base e applicata sull'ottimizzazione della funzione delle cellule progenitrici endoteliali con la timosina beta 4 (Tβ4)
L'incidenza e la mortalità delle malattie cardiovascolari ischemiche sono aumentate di anno in anno, rappresentando una grave minaccia per la salute umana. La patogenesi di queste malattie è molto complessa e la disfunzione delle cellule endoteliali svolge un ruolo cruciale nello sviluppo delle malattie cardiovascolari ischemiche. Sebbene le cellule endoteliali mature possano riparare i danni endoteliali, la loro capacità rigenerativa è limitata. Le cellule progenitrici endoteliali (EPC) sono un tipo di cellula precursore delle cellule endoteliali vascolari e hanno il potenziale per differenziarsi in cellule endoteliali. Numerosi studi hanno dimostrato che le EPC svolgono diversi ruoli nella riparazione vascolare e nella neovascolarizzazione. Tuttavia, l'applicazione clinica del trapianto di EPC deve ancora affrontare molte sfide. Diverse malattie cardiovascolari o fattori di rischio come l'invecchiamento, l'ipertensione, l'ipercolesterolemia e il diabete possono diminuire il numero di EPC circolanti e compromettere la loro funzione, limitando notevolmente la loro applicazione nelle malattie cardiovascolari ischemiche. Pertanto, migliorare la funzione delle EPC sarà una strategia importante per la futura terapia di trapianto di EPC.[1][2]
La timosina beta 4 (Tβ4), una proteina a basso peso molecolare composta da 43 residui aminoacidici, è coinvolta nella mediazione di varie risposte biologiche come l'angiogenesi, la guarigione delle ferite e il controllo dell'infiammazione. Una nostra precedente ricerca ha scoperto che la Tβ4 può aumentare la proliferazione e la migrazione delle EPC del sangue periferico umano, inibendo al contempo la loro apoptosi e senescenza. La Tβ4 aumenta significativamente la capacità angiogenica delle EPC, mostrando una relazione dose-dipendente con un effetto massimo a 1000 ng/mL (rispetto al gruppo di controllo, 33,33±1,86 vs 18,34±2,02, P<0,05). L'analisi Western blot mostra che la Tβ4 promuove la fosforilazione di Akt Ser473 e di eNOS Ser1177, mostrando anche una relazione dose-dipendente. Sia l'Akt siRNA che l'eNOS siRNA inibiscono significativamente gli effetti pro-angiogenici della Tβ4 sulle EPC.
- Trattamento delle ferite cutanee
- Trattamento delle lesioni cardiovascolari e cerebrovascolari
- Trattamento delle lesioni oftalmiche
- Altre applicazioni
Grazie alle sue funzioni biologiche, tra cui la promozione della migrazione delle cellule endoteliali, la prevenzione dell'apoptosi cellulare, gli effetti antinfiammatori e la promozione dello sviluppo del follicolo pilifero, il Tβ4 dimostra un potenziale significativo nella cura della pelle, nella lotta all'invecchiamento cutaneo e nella promozione della ricrescita dei capelli, tra gli altri aspetti della sanità.
Citazioni di riferimento
[2] Timosina beta 4: un nuovo agente antinfiammatorio e di guarigione delle ferite corneali
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