Mechanisms utilized by growth factors and cytokines in angiogenesis: role of thrombin in the cross-talk between the FGF1 and Notch signaling pathways

Abstract

Angiogenesis, the development of new blood vessels from the existing vasculature, is controlled by different signaling pathways, where diverse cytokines, chemokines and growth factors play important roles. Angiogenesis and blood coagulation are key events of vascular biology. Serine protease, thrombin, which plays a central role in blood coagulation cascade through its ability to cleave fibrinogen and produce fibrin, is also known to be involved in inflammation, wound healing and tissue remodeling, growth factor activation, embryogenesis, and both normal and aberrant cell growth control. The effects of thrombin are associated with the induction of expression of several growth factors including fibroblast growth factor (FGF) 2, platelet derived growth factor, insulin-like growth factor 1, and vascular endothelial growth factor. In this work, the regulation of expression and release of FGF1, a potent pro-angiogenic factor was investigated in the context of thrombin activity. We found that thrombin has the ability to induce FGF1 transcription and redistribution of FGF1 to the inner leaflet of the plasma membrane, resulting in the non-classical (ER/Golgi independent) export of this growth factor with fast kinetics. FGF1 signaling underlies thrombin mitogenic activity since thrombin does not promote cell proliferation in cells expressing a dominant negative form of FGF receptor 1. In an effort to further define the mechanisms underlying the observed effects of thrombin, we found that both release and expression of FGF1 stimulated by thrombin are dependent on protease activated receptor 1 (PAR1). Additionally thrombin is capable to cleave full-length transmembrane Notch ligand Jagged1 in its extracellular domain and to produce a soluble form of Jagged1 which decreases Notch signaling and induces FGF1 expression and export. Interestingly, we also demonstrated that the long term thrombin treatment can induce FGF1 release from PAR1 knockout cells, most probably as a result of accumulation of soluble Jagged1. In conclusion, these studies have identified a novel cross-talk bridging thrombin, FGF1 and Notch signaling pathways, which all play important roles in vascular developing and remodeling.

O processo de angiogénese consiste no desenvolvimento de novos vasos sanguíneos a partir de vasos pré-existentes, sendo controlado por diferentes sistemas de sinalização, onde diversas citoquinas, e factores de crescimento têm um papel crucial. Angiogénese e coagulação sanguínea desempenham importantes papéis em biologia vascular. A serina protease trombina, a qual tem um papel principal na cascata de coagulação pela quebra enzimática do fibrinogênio e produção de fibrina, encontra-se também envolvida na inflamação, cicatrização, activação de factores de crescimento, embriogénese e crescimento celular, quer em condições normais quer em condições de crescimento aberrante. A actividade celular da trombina é devida, em grande parte, à indução de expressão de vários factores de crescimento, tais como o “fibroblast growth factor” (FGF) 2, o “platelet derived growth factor”, “insulin-like growth factor”, e o “vascular endothelial growht factor”. Neste trabalho, a regulação da expressão e libertação do FGF1, um conhecido e potente factor pró-angiogénico, foi investigada no contexto da actividade da trombina. Os resultados obtidos demonstraram que a trombina tem a capacidade de induzir a transcrição e redistribuição do FGF1 na porção celular interna da membrana plasmática, resultando na exportação não clássica (por via independente do retículo endoplásmico\Golgi) deste factor pró-angiogénico com rápida cinética. A libertação do FGF1 evidencia a actividade mitótica da trombina em fibroblastos de ratinho, uma vez que a trombina não é capaz de induzir proliferação celular em células que expressam um mutante do receptor do FGF1 com efeito negativo dominante. Na tentativa de tentar esclarecer este mecanismo, demonstramos que a activação da transcrição e o aparecimento do FGF1 no compartimento extra celular era dependente do receptor da trombina, denominado por “protease activated receptor 1” (PAR1). Adicionalmente, a serina protease trombina foi capaz de clivar o Jagged1 na sua porção extra celular levando à produção uma forma solúvel deste ligando, a qual é capaz de inibir a activação do mecanismo de sinalização do Notch1 e ao mesmo tempo levar à activação da transcrição e exportação do FGF1. Curiosamente, demonstramos também que a incubação com trombina, por longos períodos de tempo, em células que não expressam PAR1 conduz a libertação do FGF1, mais provavelmente devido à acumulação da forma solúvel do Jagged1. Em conclusão, estes estudos permitiram no contexto de remodelação vascular identificar uma nova via que interliga as vias de sinalização da trombina, FGF1 e Notch.