Progranulin (PGRN), известен также как granulin-epithelin precursor (GEP), proepithelin (PEPI), acrogranin, GP88 и PC-cell-derived growth factor (PCDGF), впервые был идентифицирован как в 593-aa секретируемый гликопротеин, участвующий в регуляции прогрессирования рака и в заживлении ран [[1-5]. Будучи широко экспрессируемым и функционально плейотропным белком, PGRN рассматривался как молекула, похожая на ростовой фактор, участвующая кроме того в биологических и патологических процессах, включая ранний эмбриогенез [6], воспаление [7], защиту хозяина [8], развитие и деградация хряща [9]. PGRN также действует как нейротрофный фактор [10,11], а гетерозиготные и гомозиготные мутации кодирующего гена Grn ассоциированы с frontotemporal dementia (FTD) и лизосомными болезнями накопления (LSDs) [12-18].

Сегодня существуют различные нацеленные на PGRN терапевтические подходы для широкого спектра болезней, включая рак [11], воспалительные болезни [[19-24]], нейрологические болезни [25], повреждения [26], регенерация тканей [[27-29]] и некоторые редкие болезни, такие как лизосомные болезни [30]. Разработаны многие стратегии целенаправленного воздействия на PGRN включают соединения из малых молекул, которые поддерживают экспрессию PGRN, вирусные векторы или мезенхимные стволовые клетки (MSCs), доставляющие Grn гены, преобразованные полной длины белки или домены, моноклональные нейтрализующие антитела и 3D-printed scaffold-incorporated рекомбинантные белки и предприняты более 30 преклинических и клинических испытаний в этой области (Table 1).

Table 1. Targeting PGRN Strategies in Various Diseases.

Diseases        Subjects        Targeting strategy        Outcome        References
Frontotemporal dementia (FTD)        Lymphoblasts from patients; PGRN deficient SH-SY5Y neuroblastoma cells        Compound enhancing PGRN expression, SAHA        Inhibit the cytosolic TDP-43 accumulation        [56]

Frontotemporal dementia        Patients in a phase 2 clinical trial, (NCT02149160)        Compound enhancing PGRN expression, FRM-0334        Unavailable        [57]

Frontotemporal dementia        Patients in a phase 1 clinical trial, (NCT01835665)        Compound enhancing PGRN expression, nimodipine        Unavailable        [57]

Frontotemporal dementia        Patients in a pilot study        Compound enhancing PGRN expression, amiodarone        No effect        [59]

Frontotemporal dementia        Organotypic cortical slice cultures from Grn deficient mice; Primary cells derived from human patients        Compound enhancing PGRN expression, clinically used alkalizing drugs reagents (chloroquine, bepridil, and amiodarone)        Rescue Grn deficiency        [58]

Frontotemporal dementia        Grn +/- mice        Adeno-associated virus vector delivering Grn gene        Correct restored social behavior deficits and normalized lysosomal abnormalities        [60]

Frontotemporal dementia; Neuronal ceroid lipofuscinosis (NCL)        Grn +/- mice        Adeno-associated virus vector delivering Grn gene        Reduced lipofuscinosis, microgliosis, and improved lysosomal function        [61]

Parkinson's disease        MPTP induced mice model        Lentiviral delivery of the Grn gene        Reduced inflammation and apoptosis status; Preserved both dopamine content and locomotor function        [62]

Alzheimer's disease        Alzheimer's disease mice        Lentiviral delivery of the Grn gene        Lowered plaque load and prevent spatial memory deficits and hippocampal neuronal loss        [64]

Huntington's disease        Caenorhabditis elegans model        Plasmid expressing human PGRN        Reduced polyglutamine toxicity by TDP-43        [65]

Subarachnoid hemorrhage (SAH)        Experimental SAH in rats        rPGRN        Alleviates early brain injury after SAH        [66]

Traumatic brain injury (TBI)        Mice model of controlled cortical impact (CCI)        rPGRN        Intracerebroventricular administration prevented brain damage and neurological deficits        [23]

Stroke        Mice following middle cerebral artery occlusion (MCAo)        Lentiviral mediated Grn gene delivery        Decreased infarcted tissue damage and improved post-ischemic neurological functions        [67]

Stroke        MCAO (middle cerebral artery occlusion)        rPGRN        Intra-cerebroventricular administered reduced the infarct volume, decreased brain swelling, and improved neurological scores and survival rare        [68]

Stroke        Rat autologous thrombo- embolic model        rPGRN        Intravenously administered recombinant progranulin reduced cerebral infarct and oedema, suppressed haemorrhagic transformation, and improved motor outcomes.        [69]

Inflammatory arthritis        Collagen antibody-induced, collaben-induced arthritis and TNF-? transgenic mouse models        rPGRN; Attstrin        Both agents effectively inhibited the progression of inflammatory arthritis        [7]

Osteoarthritis        Surgically induced OA models        rPGRN        Significantly attenuated OA-like phenotypes and protected against its progression        [73]

Osteoarthritis        Non-surgically induced rat; surgically induced murine OA models        Atsttrin        Exhibited a preventative effect        [74]

Osteoarthritis        Surgically induced OA mouse model        Atsttrin-transduced mesenchymal stem cells (MSCs) articular treatment        Preventive effect on the progression of degenerative changes        [75]

Inflammatory bowel disease (IBD)        DSS and TNBS colitis models        rPGRN        Reduced the histological score, colonic hyperplasia and leukocyte infiltration        [76]

Myocarditis        coxsackievirus-B3-induced myocarditis in mice        rPGRN        Attenuated phenotypes by downregulating Th1 and Th17 cells, but no effect on Treg cells.        [77]

Allergic asthma        Antigen-challenged mouse allergic asthma        rPGRN        Intranasal pretreatments inhibited bronchial smooth muscle hyperresponsiveness        [78]

Dermatitis        oxazolone-induced mice model        Atsttrin        Effectively attenuated inflammation        [79]

Hyperhomocysteinemia (hHcys)        Uninephrectomy and folate-free diet induced hHcys mice model        Recombinant PGRN        Protected against cardiorenal dysfunction        [80]

Immune thrombocytopenia (ITP)        Anti-CD41 platelet antibody-induced mice ITP model; Antibody- and CD8?+?T cell-mediated mice ITP model        Recombinant PGRN        Increased platelet count; Promoted Treg cells; Proliferation        [81]

Endo-toxic shock        Lipopolysaccharide induced model        rPGRN        Pretreatments ameliorated the survival and abnormalities        [82]

Lung injury        LPS-induced severe acute lung injury in mice.        rPGRN        Effectively reduced lung injury        [83]

Gaucher disease        OVA-challenged, PGRN-deficient animal models; D409V/- GD mice; Human fibroblasts from GD patients        rPGRN; Pcgin        Stabilized and increased the levels of GCase, reduced the pathological severity of GD models, and inhibited the accumulation of glycolipids, including ?-GlcCer.        [25]

Tay-Sachs disease (TSD)        Aged or ovalbumin-challenged adult PGRN-deficient mice models with typical TSD phenotypes        rPGRN; Pcgin        Reduced GM2 accumulation and lysosomal storage        [18]

Hepatocellular carcinoma (HCC)        A nude mice model transplanted with human HCC        PGRN monoclonal antibody        Inhibited the growth of established tumors in a dose-dependent manner but without inhibitory effect on normal liver cells        [100]

Hepatocellular carcinoma (HCC)        A nude mice model transplanted with human HCC        PGRN monoclonal antibody        Sensitize chemotherapeutic agents-induced apoptosis        [102]

Bone defect        Segmental femoral bone defect model; Femoral drill-hole model; Nonunion segmental radial defect model; BMP-2-induced ectopic bone formation model        rPGRN        Enhanced bone regeneration        [104]

Inflammatory periodontal bone defect        Periodontal bone defects in periodontitis rats        rPGRN        Had significantly superior quantity and quality of newly formed bone, inhibited osteoclastogenesis and inflammation        [105]

Osteolysis        Titanium particles stimulated the mouse air pouch model; Two mouse osteoysis models        rPGRN        Inhibited in?ammation and prevented the pathological progression        [106]

Bone defects        Mice calvarial bone defects model        3D-printed Atsttrin scaffold incorporated to alginate/hydroxyapatite        Enhanced the regeneration of bone defects        [24]   

В данном обзоре мы суммируем нацеленные на PGRN терапевтические подходы при всех описанных болезнях и состояниях, кроме того иллюстрируются его многогранные роли в родственных патологических процессах. Следует отметить, что роль PGRN и лежащие в основе механизмы при нейрологических болезнях, раке, воспалительных аутоиммунных заболеваниях и лизосомных болезнях накопления уже были рассмотрены в соотв. обзорах для определенных типов болезней [25,[31-36]]. Поэтому данный обзор специфически сконцентрирован на современных попытках разработки потенциальных нацеленных на PGRN методов и оценки кандидатов на роль лекарств на преклинических моделях и клинических испытаниях в отношении потенциала использования для лечения ряда широко распространенных и редких болезней.

Fig. 1. Summary of the domains of PGRN known to be involved in the interactions of PGRN with its binding partners. PGRN possesses a high plasticity to bind to a wide spectrum of ECM proteins, membranous receptors and cytoplasmic chaperone and lysosomal hydrolases due to its unique beads-on-a-string structure and multiple binding domains. The domains known to be involved in PGRN and binding partner interactions are indicated. The cysteine rich domain (CRD) of TNFR and DR3 has been experimentally demonstrated to be required for interactions of these receptors with PGRN. Interestingly, a CRD is also present in the extracellular domains of Sortlin, EphA2, Notch receptors and TLR9. In addition, the extracellular domains of both Dlk1 and Notch receptors contain EGF-like domains, which is also known to bind to PGRN. It is expected that CRD and EGF-like domains are probably involved in the interactions of these aforementioned receptors with PGRN, although these associations need to be experimentally validated. "unknown" indicates that the binding domain(s) in PGRN remains to be determined. ...

Терапевтические эффекты целенаправленного воздействия на PGRN при разных болезнях зависят от посредничества PGRN's в разных сигнальных путях, благодаря ассоциациям с индивидуальными рецепторами или связывающими белками (Fig. 2). PGRN соединяется с TNFR1 и активирует ERK и PI3K/AKT пути, чтобы конкурентно подавлять TNF-α активируемый NF-κB воспалительный путь [7,47,49,116,120]. Напротив, соединение PGRN с TNFR2 запускает JNK-Stat3/Foxo4 защитный сигнальный каскад и способствует дифференцировке и функции регуляторных Т клеток (Tregs) при воспалении [82,121]. Помимо клеточных трансмембранных рецепторов, PGRN соединяется также с TLR9 в эндосомах, чтобы помогать привлекать CpG-ODNs в макрофаги, приводя к усилению врожденного иммунитета против бактериальной инфекции [52].

Fig. 2. Systematic illustration of PGRN-mediated signaling pathways.

The functional pluripotency of PGRN and its associated targeting strategies lie on its motif-dependent activation of various signaling pathways. Associations with different membrane receptors from different families may account for PGRN's multiple functions under different pathophysiological conditions. For instance, in the course of inflammation, PGRN binds to TNFR1 and activates ERK and PI3K/AKT pathways, leading to the inhibition of TNF-a induced NF-κB inflammatory pathway, whereas PGRN also directly binds to TNFR2 with high affinity and promotes Treg cell differentiation by activating JNK-Stat3/Foxo4 signal cascade. PGRN binding to TLR9 in the endosome plays key roles in innate immunity against bacterial infection. Interactions with sortilin and Notch receptors play important roles in PGRN's protective role in neurons, particularly in preventing neuronal degeneration. EphA2 may be also involved in PGRN-mediated cell proliferation during carcinogenesis. In addition to functioning as a growth factor-like molecule extracellularly, PGRN also acts as a cytoplasmic co-chaperone intracellularly to assist lysosomal enzyme trafficking, and absence of this function leads to various lysosome storage diseases. The CRD and EGF-like domains in various receptors, which are probably involved in their interactions with PGRN, are indicated.

Др. PGRN-связывающие рецепторы, включают sortilin, Notch рецепторы и EphA2 [[53-55],122,123]. Взаимодействие между PGRN и sortilin считается критическим для его внесения в лизосомы, особенно в нейронах [122,124]. Altmann et al. подтвердили, что PGRN может также соединяться с внеклеточным доменом Notch рецепторов и усиливать регенерацию периферических нервов и повторную иннервацию [54]. Взаимодействие между PGRN и EphA2 может участвовать в обеспечении онкогенной роли PGRN [55]. Анти-пролиферативный эффект на опухолевые клетки anti-PGNP моноклональных антител зависит от их модуляции p44/42 MAPK и Akt путей, тогда как химиотерапевтический эффект может быть результатом супрессии раковых стволовых клеток и передачи сигналов Akt/Bcl-2 [115].

Основной механизм, лежащий в основе PGRN-опосредованных терапевтических эффектов при лизосомных болезнях накопления, заключается во взаимодействии между granualin E domain в PGRN с шапероном HSP70, чтобы облегчить укладку и доставку мутантных лизосомных энзимов и восстановит, по крайней мере, частично их активность, ослабляя в свою очередь фенотипические проявления LSDs [18,30,56,72].

PGRN давно считается ростовым фактором, соединяющимся с рецепторами клеточной поверхности. Однако, в отличие от обычных ростовых факторов, которые обычно функционируют на nanogram уровне, PGRN необходим в относительно высоких количествах, чтобы активировать рецепторы, обычно на microgram уровне. Кроме того, ростовые факторы обычно соединяются с рецепторами клеточной мембраны как специфические общего происхождения лиганды. Растут доказательства, указывающие, что PGRN соединяется со многими рецепторами из разных функционально отличающихся семейств рецепторов и эти ассоциации, по-видимому, являются специфичными для клеток и тканей и зависят от состояния и болезни. Напр., взаимодействие PGRN и sortilin является наиболее специфическим в нейрологических клетках, необходимым для доставки PGRN в лизосомы. PGRN соединение с TNFR выполняет важную противовоспалительную роль в иммунных клетках, особенно в Tregs и макрофагах. PGRN/EphA2 взаимодействие возможно участвует в обеспечении влияния PGRN на пролиферацию во время канцерогенеза. Итак, имеющиеся доказательства подтверждают заключение, что PGRN необходимо считать как обильный, non-conventional, индуцируемый стрессами, связанный с матриксом секретируемый похожий на ростовой фактор агент и цитоплазматический шаперон, который функционирует в виде клеточно-специфического и болезнь-специфического паттерна.

Принимая во внимание уникальную структуру PGRN и его способность соединяться со многими мембранными рецепторами, можно предположить, что PGRN может формировать третичный комплекс путем ассоциации со многими рецепторами (Fig. 3). В этом отношении PGRN может действовать как "биологический клей", подобно проводнику, обеспечивая передачу сигналов и активности разных рецепторов одновременно и/или под одним контролем. Один или два рецептора могут играть основную или доминантную роль, а др. рецепторы выполнять роли аккомпаниаторов или даже не участвовать в определенных контекстах и vice versa в разных условиях. Эта концепция предоставляет новую информацию для понимания запутанного феномена, а также противоречий и несогласованностей в области исследований PGRN и его участия в разных болезненных состояниях. Возможно, что будут идентифицированы дополнительные PGRN-ассоциированные рецепторы в разных клетках и у разных животных моделей. Вполне возможно, что rPGRN производные смогут целенаправленно воздействовать на два или более связанные с болезнями рецепторы одновременно, усиливая терапевтический потенциал по сравнению со стратегией, нацеленной на один рецептор.

Fig. 3 Download high-res image (363KB)Download full-size image

Fig. 3. A proposed model to explain how PGRN acts as a conductor of a receptors orchestra and how PGRN regulates growth factors/cytokines indirectly through associating with extracellualr matrix "reservoirs". PGRN may bind to multiple receptors and mediate the signaling and activities of various receptors simultaneously and/or synergistically. Except for direct binding to membrane receptors, PGRN regulates various signaling pathways through its associated ECM molecules, which leads to the indirect modulation of various growth factors and/or cytokines implicated in diverse conditions.

Молекулы ECM рассматриваются, как действующие в качестве "резервуара" для определенных ростовых факторов и цитокинов и регулируют их передачу сигналов и активности в ходе секвестрации или презентируют их соотв. рецепторы. Напр., PGRN-взаимодействующий COMP, как известно, ассоциирует с многочисленными факторами роста, включая и BMP2 [125] и TGFβ1 [126]. Поэтому предполагается, что регуляция с помощью PGRN's различных сигнальных путей может быть также приписана их ассоциации с молекулами ECMs, особенно с COMP, приводя к косвенной активации или подавлению различных фактоов роста и цитокинов в разных условиях (Fig. 3).