VEGF
Signaling Pathways

Author: cristina olgasi
Date: 08/04/2008

Description

DEFINIZIONE VEGF

Ha un ruolo fondamentale nella regolazione dell’angiogenesi fisiologica e patologica.
La formazione di nuovi vasi a partire da quelli preesistenti si chiama comunemente angiogenesi ed è il risultato dell’azione di vari fattori che, tramite specifici recettori, regolano l’attività delle cellule endoteliali, coinvolgendole, insieme alla matrice extracellulare, nella formazione dei nuovi vasi sanguigni. Tale processo, caratterizzato da un equilibrio tra vasi formati e distrutti, è tipico di patologie infiammatorie, angioproliferative e neoplastiche. Le cellule endoteliali, centrali nel fenomeno angiogenico, sono coinvolte, seguendo un programma geneticamente determinato, mediato da specifici fattori e recettori, in una serie di eventi quale proliferazione, differenziazione, migrazione ed organizzazione morfologica in stretta connessione con il tessuto circostante.

Definizione da wikipedia di angiogenesi

Esistono diverse isoforme di VEGF, rispettivamente di 206, 189, 165 e 121 amminoacidi. La specie molecolare predominante è VEGF165 che si presenta come una glicoproteina omodimerica basica che si lega all’eparina. Sono stati anche identificati 4 geni strutturalmente correlati a VEGF i cui prodotti sono conosciuti come PIGF (placental growth factor), VEGF-A (o VEGF), VEGF-B, VEGF-C, VEGF-D e VEGF-E. VEGF è espresso in tessuti differenti quali cervello, fegato, rene e milza, è stato ritrovato anche nell’ovaio durante la formazione del corpo luteo, nell’utero durante la crescita dell’endometrio vascolare e nella fase proliferativa della cicatrizzazione di una ferita.
In vitro VEGF stimola la degradazione, la proliferazione e la migrazione delle cellule endoteliali (azione attribuita in parte all’attivazione mediata da NO e MAPK) e induce in queste cellule l’espressione di u-PA, PAI-1, u-PAR e MMP-1. In vivo regola la permeabilità vascolare, importante per l’inizio dell’angiogenesi.

Il fattore di crescita vascolare endoteliale (VEGF) svolge numerosi effetti biologici: una potente azione mitogenica sulle cellule endoteliali, effetti sulla matrice extracellulare, in quanto stimola l’espressione di metallo-proteasi e la formazione di fenestrazioni endoteliali; VEGF induce inoltre l’aumento della permeabilità vasale, provocando accumulo extravasale di fibrina, substrato per l’attività di cellule endoteliali e tumorali, per finire, interagisce con le cellule del sistema immunitario, tra cui le natural killer, inducendo l’espressione di molecole di adesione.

Definizione da wikipedia
Research definition

REGOLAZIONE DELL’ ESPRESSIONE GENICA DI VEGF

Diversi meccanismi sono coinvolti nella regolazione del gene per VEGF. Un ruolo rilevante è giocato dalla tensione tissutale di O2, come dimostrato dall’aumento reversibile dei livelli di mRNA per VEGF in condizioni di ipossia in vivo e in vitro. L’aumento dell’espressione di VEGF mRNA è mediato principalmente dal fattore di trascrizione HIF-1 (hipoxia-inducible factor 1), che si lega ad un sito di riconoscimento nella regione promotrice del gene del VEGF. L’induzione ipossica dell’espressione di VEGF è anche mediata dall’adenosina tramite i recettori a2 e l’aumento di cAMP intracellulare conseguente e dall’attivazione della via di traduzione correlata a c-src. L’aumento dei livelli di mRNA per VEGF in risposta all’ipossia è dovuto, oltre che all’incremento della trascrizione, ad una aumentata stabilità del messaggero tramite fissazione di una proteina indotta da ipossia all’estremità 3’ non codificante del messaggero. E’ stato riscontrato che il messaggero di VEGF è regolato a livello trascrizionale e post-trascrizionale anche da deficit di glucosio. Inoltre numerose citochine sono in grado di operare indirettamente un up-regulation dell’mRNA di VEGF, con conseguente sintesi proteica e secrezione del fattore di crescita endoteliale.
Inducono l’espressione di VEGF anche:

-il TGF-a, il TGF-b e EGF (epidermal growth factor): inducono l’espressione di VEGF da parte di vari tipi cellulari. I mediatori della risposta infiammatoria, quali l’interleuchina (IL)-1b e la prostaglandina E2 sono in grado di indurre in diversi modelli l’espressione di VEGF, suggerendo la partecipazione di quest’ultimo ai processi infiammatori.

-i mediatori della risposta infiammatoria quali IL e PGE2

-IGF-1 (insulin-like growth factor 1): fattore di crescita tumorale in vivo ed in vitro, può, oltre al suo effetto proliferativo, indurre l’espressione di VEGF da parte di cellule tumorali, stimolandone così non solo la proliferazione, ma anche la vascolarizzazione.

-l’attivazione delle proteine Kinasi C e A

-oncogene ras e overespressione di v-raf o v-src

-le proteine regolatrici del ciclo cellulare quali p53 ed il soppressore del gene di Von Hippel-Lindau (VHL).

L’aumentato livello di concentrazione del VEGF comporta una sovra espressione anche dei recettori Flt-1e KDR sulle cellule endoteliali.

RECETTORI DI VEGF

La proteina di VEGF umana si lega con alta affinità a due classi di recettori della famiglia delle tirosin chinasi: Flt-1 (fms-like tyrosine-kinase), il recettore con maggiore affinità, è espresso sulle cellule endoteliali vascolari; KDR (kinase domain region), il recettore con minore affinità, è stato identificato sulle cellule endoteliali, sui monociti e sulle cellule tumorali. Entrambi i recettori sono organizzati in 3 domini, una regione extracellulare formata da 7 domini, una regione transmembranale e una intracellulare responsabile dell’attività tirosin-kinasica. L’interazione con entrambi i recettori è essenziale per indurre lo spettro completo di risposte biologiche di VEGF. In seguito all’interazione con il ligando si ha autofosforilazione e dimerizzazione del recettore, segue una successione di fosforilazioni che porta all’attivazione di vie alternative di traduzione del segnale.Gli effetti biologici di VEGF sono diversi in funzione del tipo di recettore con il quale interagisce. Mentre l’interazione con Flk-1 è seguita da proliferazione delle cellule endoteliali, nessun effetto mitogeno segue il binding di VEGF con Flt-1.Questa seconda interazione attiva la via del fosfatidil inositolo e potrebbe essere coinvolto nel fenomeno della migrazione monocitaria.

Gli effetti biologici di VEGF sono diversi in funzione del tipo di recettore con il quale interagisce: i due recettori, benchè fortemente omologhi, attivando vie di trasduzione distinte, trasmettono infatti segnali diversi alle cellule endoteliali.

RUOLO DI VEGF NEL TUMORE:

La produzione di VEGF viene stimolata da cause diverse, tra cui l’attivazione di recettori di fattori di crescita tumorale, come EGFR, i fenomeni infiammatori e l’ipossia .

•Il VEGF avvia l’angiogenesi tumorale

Nello sviluppo del tumore si distinguono due fasi: una avascolare di quiescenza delle piccole lesioni (<2mm) e una seconda fase nella quale la crescita tumorale necessita della vascolarizzazione. La transazione alla seconda fase, lo switch angiogenico, è mediata dal VEGF.
Il VEGF rilasciato dal tumore agisce a livello dei recettori del VEGF presenti sulle cellule endoteliali, attivando l’angiogenesi. In tal modo il VEGF stimola la formazione di una vascolarizzazione nuova e immatura che presenta anomalie strutturali e funzionali. La produzione di VEGF da parte del tumore crea un feedback positivo attraverso il quale l’angiogenesi indotta dal VEGF rende possibile un’ulteriore crescita tumorale. Come risultato di questo rapido accrescimento il tumore supera i limiti della sua vascolarizzazione e l’apporto di ossigeno e delle sostanze nutritive diviene inadeguato, dando luogo ad aree di ipossia. L’ipossia stimola un’ulteriore produzione di VEGF, che a sua volta stimola la formazione di nuovi vasi. Una volta che il tumore è entrato nella fase vascolare, la formazione di nuovi vasi prosegue durante tutta la crescita tumorale.

•Il VEGF aumenta la permeabilità vascolare

IL VEGF agisce anche come fattore di permeabilità vascolare, grazie alla sua capacità di indurre la fenestrazione dei vasi (formazione di falle nella parete vascolare) e di aumentare la permeabilità del microcircolo. L’aumento della permeabilità dei vasi sanguigni tumorali nei confronti delle macromolecole circolanti permette la fuoriuscita delle proteine plasmatiche (per esempio, il fibrinogeno e altre proteine della coagulazione), con la conseguente formazione di una stroma pro-angiogenico. Un’ulteriore conseguenza dell’aumentata permeabilità è l’innalzamento della pressione interstiziale, che inverte i gradienti di pressione normalmente presenti nel tessuto e in definitiva impedisce la penetrazione nei tessuti delle molecole, compresi gli agenti chemioterapici.

•Il VEGF stimola la metastatizzazione

L’angiogenesi, stimolata dal VEGF, favorisce il contatto delle cellule tumorali con i vasi sanguigni, offrendo alle cellule una via per invadere i vasi stessi, Un’eccessiva produzione di VEGF determina la formazione di vasi immaturi, molto permeabili, che faciliteranno l’invasione.
Il VEGF è coinvolto anche nella linfangiogenesi. Stimolando la formazione di vasi linfatici giganti, il VEGF fornisce un’altra possibile via di diffusione metastatica.

Bibliografia/References

1)Stein I., Neeman M., Shweiki D., Itin A., Keshet E.: Stabilization of vascular endothelial growth factor mRNA by hypoxia and hypoglycemia and coregulation with other ischemia-induced genes. Mol. Cel. Biol., 15, 5363-5368, 1995

2)Mukhopadhyay D., Tsiokas L., Sukhatme V. P.: Wild-type p53 ans v-Src exert opposing influences on human vascular endothelial growth factor gene expression. Cancer Res., 55, 6161-6165, 1995

3)Ferrara N., Davis Smyth T.: The biology of vascular endothial growth factor. Endocr. Rev., 18, 4-25, 1997

4)Risau W.: Mechanisms of angiogenesis. Nature, 386, 671-674, 1997

5)Ferrara N., Davis Smyth T.: The biology of vascular endothial growth factor. Endocr. Rev., 18, 4-25, 1997

Pathways

Neuropilin 1

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2008-11-13T21:31:50 - Gianpiero Pescarmona

VEGF non sempre pro-cancerogeno
Il VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor) viene di solito visto come una molecola che promuove la crescita tumorale incrementando l'angiogenesi, ma è stato dimostrato che in alcune circostanze esso potrebbe anche sopprimere la crescita tumorale stessa. La rivelazione del fatto che gli effetti del VEGF siano più complessi del previsto potrebbe avere importanti implicazioni per i trattamenti mirati proprio verso questa molecola. Gli approcci anti-angiogenesi dunque dovrebbero essere valutati con cura, e potenzialmente nel contesto dell'infiammazione tumorale, e la vascolarizzazione tumorale va oltre la semplice considerazione che più vasi stanno a significare un tumore più grande e meno vasi significano ridurne le dimensioni. Non si tratta della prima volta che sono stati studiati gli effetti dell'inibizione del VEGF, ma in precedenza la sua azione è stata inibita globalmente oppure solo nelle cellule maligne, mentre è la prima volta che la secrezione di VEGF è stata rimossa specificamente solo e soltanto dalle cellule infiammatorie. Effettuando questo tipo di blocco, il tumore tende a crescere e progredire più rapidamente, il che significa che l'espressione del VEGF ha sui tumori effetti molto più complessi di quanto finora noto. E' stato rilevato che il VEGF è un regolatore negativo delle cellule muscolari lisce vascolari e della maturazione dei vasi: ciò conferma che l'espressione del VEGF induca di fatto la proliferazione e la migrazione delle cellule endoteliali, ma comunque nel contesto dell'angiogenesi mediata dai fattori di crescita di origine piastrinica, il VEGF ostacola la copertura delle falle vascolari da parte delle cellule muscolari lisce, il che destabilizza il vaso. (Nature online 2008, pubblicato il 10/11)

Histone deacetylase inhibitors reduce VEGF production and induce growth suppression and apoptosis in human mantle cell lymphoma. 2006

VEGF, substance P and stress, new aspects: a revisited study. 2010 J Biol Regul Homeost Agents. 2010 Jul-Sep;24(3):229-37.
Castellani ML, Galzio RJ, Felaco P, Tripodi D, Toniato E, De Lutiis MA, Conti F, Fulcheri M, Conti C, Theoharides TC, Caraffa A, Antinolfi P, Felaco M, Tete S, Pandolfi F, Shaik-Dasthagirisaheb YB.

Abstract
Mast cells play an essential role in diverse physiological and pathological processes, such as atherosclerosis, malignancy, asthma, pulmonary fibrosis and arthritis, directly interact with bacteria, and appear to play a vital role in host defense against pathogens. Mast cells could be recruited in the inflammatory site, by MCP-1, RANTES and SCF, to selectively secrete proinflammatory molecules; these could include growth factors, histamine, which is mitogenic (H1) and an immunosuppressant (H2), neovascularization agents, such as heparin, IL-8, and VEGF, as well as proteases that could permit new blood vessel formation. Neurogenic inflammation involves vasodilation and plasma protein extravasation in response to neural stimulation. Upon stimulation, sensory neurons release Substance P and other neuropeptides and activate neurokinin-1 receptors leading to plasma protein extravasation from post-capillary venules. Substance P is a neuropeptide that is released from nerve endings in many tissues and plays an important role in immunological and inflammatory states, and it is also a mediator of tissue injury, asthma, arthritis, allergy and autoimmune diseases. SP-positive nerve fibers and mast cell contacts are increased by acute stress in mice leading to dermal mast cell degranulation. VEGF is produced by flammatory cells. IL-33 is the newest inflammatory member of the IL-1 cytokine family and we show here that SP can induce VEGF secretion from mast cells and IL-33 augments the effect of SP in VEGF transcription and translation protein.

2008-05-13T10:21:59 - antonina balsamo

VEGF

VASCULAR ENDOTHELIAL GROWH FACTOR

BIOLOGICAL EFFECTS OF VEGF

VEGF is a mitogen for vascular endothelial cells derived from arteries, vein, and lymphatics. VEGF also elicits a pronounced angiogenic response in a wide variety of in vivo models. VEGF induce a balanced system of proteolysis that can remodel ECM components necessary for angiogenesis. VEGF induce expression of serine proteases urokinase-type and tissue-type plasminogen activators (PA) and also PA inhibitor1 (PAI-1), moreover, VEGF increases expression of the metalloproteinase. The coinduction of PA and collagenase by VEGF is consistent with a prodegradative environment that facilitates migration and sprouting of endhotelial cells. Moreover, VEGF has been shown to exhibit its angiogenic effect by inducing expression of the α1β1, α2β1, αvβ3-integrins, which promote cell migration, proliferation and matrix reorganization.There is also strong evidence that VEGF is a survival factor for endothelial cells, both in vitro and in vivo. VEGF withdrawal has been shown to result in regression of vasculature in several physiological and pathological circumstances. It has been proposed that pericyte coverage is the critical event that determines whether endothelial cells require VEGF for survival in vivo. Consistent with a prosurvival activity, VEGF induces expression of the antiapoptotic proteins Bcl-2 and A1 in human endothelial cells. Also,VEGF, after binding to its high affinity receptor, promoters the formation of the second messenger via hydrolysis of inositol, thus induces the autophosphorylation of the receptors in the presence of heparin-like molecules, and open phosphatidylinositol metabolic signal transduction pathway, activates MAP kinases in EC and thereby VEGF exert its mitogenic effect by promoting EC proliferation .VEGF is known also as vascular permeability factor (VPF) on the basis of its ability to induce vascular leakage. It may increase endothelial cell (EC) permeability by enhancing the activity of vesicular organelles, clustered vesicles in ECs liming small vessels that facilitate transport of metabolites between luminal and albuminal plasma membranes. Alternatively, VEGF may enhance permeability through mitogen-activated protein (MAP) kinase signal transduction cascade by loosening adhering junctions between ECs in monolayer via rearrangement of cadherin/catenin complexes. In addition VEGF enhances ECs permeability by activating PKB/Akt, endothelial nitric.oxide syntase (eNOS), and MAP kinase depend pathway. Increased vascular permeability may allow the extravasation of plasma proteins and formation of ECM favorable to endothelia and stromal cell migration . VEGF also induces an increase in hydraulic conductivity of isolated microvesseles and that such an effect in mediated by increased calcium influx.
VEGF ISOFORM: the vascular endothelial growth factor (VEGF) family is composed of several isotypes, including VEGF (VEGF-A, vascular permeability factor), VEGF-B, VEGF-C and VEGF-D which exist as numerous splice variant isoforms. VEGF is a heparin-binding, disulfide-linked dimer glycoprotein that exists in various secreted isoforms, VEGF121, VEGF145 and VEGF165 and a membrane bound VEGF189. It shares significant homology with PDGF-A and PDGF-B. VEGF-B splice variants include a soluble VEGF-B167 form and a cell surface associated VEGF-B186 form. VEGF is able to heterodimerize with other forms of VEGF. It can form a heterodimer with VEGF-B, or non-VEGF factors such as placenta growth factor (PlGF). The existence of multiple VEGF isotypes and isoforms and their ability to heterodimerize provides for sophisticated tissue-specific regulation of cellular processes.

REGULATION OF VEGF GENE EXPRESSION

Hypoxia

Several mechanisms have been show to participate in regulation of VEGF gene expression. Among these, oxygen tension plays a major role, both in vitro and in vivo. VEGF mRNA expression is rapidly and reversibly induced by exposure to low pO2 in a variety of normal and transformed cells types by signalling through hypoxia-inducible transcription factors (HIFs).

Cytokines

Several cytokines or growth factors up-regulate VEGF mRNA expression and/or induce release of VEGF protein. Exposure of quiescent human keratinocytes to serum, epidermal growth factor (EGF), TGF-β, or keratinocyte growth factor results in a marked induction of VEGF mRNA expression. In addition, treatment of quiescent culture of several epithelial and fibroblastic cells line with TGF-β resulted in induction of VEGF mRNA and release of VEGF proteins in the medium. IL-1β induces VEGF expression in aortic smooth muscle cells. Both IL-1α and PGE2 have been shown to induce expression of VEGF in cultured synovial fibroblast. Also IL-6 has been shown to significantly induce VEGF expression in several cell lines.

Differentiation and transformation

Cell differentiation has been shown to play an important role in the regulation of VEGF gene expression. The VEGF mRNA is up-regulated during the conversion of 3T3 preadipocytes into adipocytes or during the myogenic differentiation of C2C12 cells Claffey KP,Wilkison WO,Spiegelman BM.J Biol Chem. Aug. 15;267(23):16317-22 . Specific transforming event also result in induction of VEGF gene expression. A mutated form of the murine p53 tumor suppressor gene has been shown to induce VEGF mRNA expression in NIH 3T3 cells in transient transfection assay.

THE VEGF RECEPTORS

The VEGFs mediated angiogenic signals to the vascular endothelium via high-affinity RTKs. To date, three receptors for the VEGFs have been identified. These receptors are currently designated VEGFR-1, VEGFR-2, and VEGFR-3 and were originally named flt (fms-like tyrosine kinase), KDR (kinase insert domain-containing receptor)/flt-1 (fetal liver kinase-1), and FLT4, respectively. All have seven immunoglobulin homology domains in their extracellular part and an intracellular tyrosine kinase signalling domain split by a kinase insert.

In adult, VEGFR-1 and VEGFR-2 are expressed mainly in the blood vascular endothelium, whereas VEGFR-3 is restricted largely to the lymphatic endothelium.

VEGFR SIGNALING

VEGFR-1 and VEGFR-2. Activation of the MAPK pathway in response to VEGF has been observed in many types of endothelial cells. The PLC-γ-PKT pathway has also been implicated in the mitogen action of VEGF. VEGFR-1 interacts with the PLC-γ SH2 domain, VEGF induces the phosphorylation and activation of PLC-γ leading to the hydrolysis of phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate to diacylglycerols and inositol 1,4,5-trisphosphate. Inositol 1,4,5-trisphosphate is likely to be responsible for the increase in intracellular Ca2+ after VEGF stimulation, whereas diacyl-glycerol, in turn, activates certain PKC isoform expressed in the target cells.
VEGF also activate PI3-K that activates Akt, a serine kinase involved in antiapoptotic signaling. Akt has also been reported to directly activate endothelian nitric oxide synthase, suggesting that Akt may regulate the increased production of nitric oxide in response to VEGF stimulation. STATs are latent cytoplasmic transcription factors. STAT activation by the VEGFRs has been studied in transient transfection assay. All three receptors were shown to be strong activators of STAT3 and STAT5, whereas STAT1 was not activated by the VEGFRs. However, the role of this pathway in endothelian cell biology is unknown.

VEGFR-3. Although very little is known about the specific signal transduction of VEGFR-3 in the lymphatic endothelium, mutations in VEGFR-3 have been linked with hereditary lumphedema, an autosomal dominant disorder of the lymphatic system.

VEGFRs associate with cell adhesion receptors. Endothelial cell proliferation and survival in response to VEGF may require the association of VEGFR-2 with cell surface adhesive proteins. Activated VEGFR-2 was found in a complex with integrin αvβ3, an adhesion molecule specifically expressed on angiogenic endothelium. αvβ3 has been shown to be involved in the regulation of the cell cycle and the survival of endothelial cells. VE-cadherin, an endothelium-specific cell-adhesion protein, has also been implicated in molecular interactions with the VEGF.

VEGF and VEGFR in tumors

Expression of VEGF and its receptors correlates with the degree of vascularisation of many
experimental and clinical tumors as detected by in situ hybridization and immunohistochemistry,

and both have been used as prognostic indicators of an increased metastatic risk. Although the

detailed molecular mechanism of the “angiogenic switch” by which quiescent endothelium becomes

activated is unknown, VEGF seems to be main inducer of tumor angiogenesis. Tumor hypoxia and oncogenes up-regulate VEGF levels in the neoplastic cells, and hypoxia, in combination with the locally increased VEGF concentrations, up-regulates VEGFR-1 and VEGFR-2 on tumor endothelial cells. VEFGR-3 is up-regulated in tumor angiogenesis in general, for example, in breast carcinomas. In addition, VEGFR-3 has been shown to be increased in the endothelium of lymphatic vessels in metastatic lymph nodes and in lymphangiomas, vascular skin tumors, and KS spindle cells.Among the known angiogenic growth factors and cytokines implicated in the modulation of normal and pathological angiogenesis, the VEGF family (VEGF-A, VEGF-B, VEGF-C, VEGF-D) and their corresponding receptor tyrosine kinases [VEGFR-1 (Flt-1), VEGFR-2 (Flk-1, KDR), and VEGFR-3 (Flt-4)] play a paramount and indispensable role in regulating the multiple facets of the angiogenic and lymphangiogenic processes, as well as the induction of vascular permeability and inflammation. The receptor VEGFR-2 / KDR is the principal one through which VEGFs exert their mitogenic, chemotactic, and vascular permeabilizing effects on the host vasculature. Increased expression of VEGFs by tumor cells and VEGFR-2 / KDR and VEGFR-1 / Flt-1 by the tumor-associated vasculature are a hallmark of a variety of human and rodent tumors in vivo and correlates with tumor growth rate, micro-vessel density / proliferation, tumor metastatic potential, and poorer patient prognosis in a variety of malignancies. Approaches to disrupting the VEGF / VEGFR signaling cascade range from biological agents (soluble receptors, anti-VEGF and anti-VEGFR-2 antibodies, and VEGF transcription inhibitors) to small molecule ATP competitive VEGFR inhibitors. Examples from this latter class that are currently in clinical development include compounds from distinct chemical classes such as: indolin-2-ones, anilinoquinazolines, anilinophthalazines, isothiazoles, indolo- and indenocarbazoles.