CC BY
87
ОБЗОРЫ ЛИТЕРАТУРЫ РОЛЬ ЭПИТЕЛИАЛЬНО-МЕЗЕНХИМАЛЬНОГО ПЕРЕХОДА... 3
ОБЗОРЫ ЛИТЕРАТУРЫ УДК 616-006-018:576.3.017.22 М.Д. Фармаковская, Н.В. Хромова, В А. Рыбко, П.Б. Копнин РОЛЬ ЭПИТЕЛИАЛЬНО-МЕЗЕНХИМАЛЬНОГО ПЕРЕХОДА В РЕГУЛЯЦИИ СВОЙСТВ РАКОВЫХ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК СОЛИДНЫХ ОПУХОЛЕЙ ФГБУ «РОНЦ им. Н.Н. Блохина»МЗ РФ, Москва Контактная информация Копнин Павел Борисович, к.б.н, заведующий лабораторией цитогенетики НИИ канцерогенеза адрес: 115478 Москва, Каширское ш., 24; тел.+7(499)324-17-39 e-mail: [email protected] Статья поступила 16.10.2015, принята к печати 27.11.2015. Резюме РСК - это субпопуляция трансформированных клеток, которая является возможной причиной устойчивости злокачественных новообразований к терапии, а также рецидивирования и метастазирования опухолей. По этой причине РСК представляются перспективной мишенью для разработки новых подходов к противоопухолевой терапии. Выявлен ряд механизмов, позволяющих трансформированным клеткам приобретать фенотип стволовых, что значительно осложняет лечение злокачественных новообразований. Такими механизмами является вариант эпителиально-мезенхимального перехода (ЭМП) и утрата е-кадгерина, приводящие к образованию в карциномах клеток, обладающих свойствами РСК. Целью данного обзора является рассмотрение возможных механизмов образования РСК в карциномах человека. Ключевые слова: раковые стволовые клетки, эпителиально-мезенхимальный переход, Е-кадгерин.
M.D. Farmakovskaya, N. V. Khromova, V.A. Rybko, P.B. Kopnin THE ROLE OF EPITHELIAL-MESENCHYMAL TRANSITION IN REGULATION OF SOLID TUMORS CANCER STEM CELLS CHARACTERISTICS FSBI «N.N. Blokhin Russian Cancer Research Center» MH, RF, Moscow Abstract CSCs are a tumor cell subpopulation that is a potential cause of cancer therapy resistance, recurrence and metastasis. This is the reason cscs seem a promising target for developing new approaches in anticancer treatment. Several mechanisms have been revealed that allow cancer cells to acquire CSC phenotype making malignant tumor treatment much more complicated. One of such mechanisms is a variant of epithelial-to-mesenchymal transition and e-cadherin loss, which results in cells with CSC characteristics occurring in carcinomas. The purpose of the present study is to review possible ways if cscs formation in human carcinomas. Key words: cancer stem cells, epithelial-mesenchymal transition, E-cadherin. Введение холи и сближающих их с нормальными стволовыми клетками: Одним из важных аспектов современной • Способностью к асимметричному делению, в ре-экспериментальной онкологии, активно изучаемым зультате которого образуется «самообновленная» в последнее время, являются так называемые «ра- рск и дочерняя клетка, фенотипически отличаю-ковые стволовые клетки» (РСК; англ - «cancer stem шаяся от родительской, потомки которой и форми-cells» (CSCs); «tumor initiating cells» (TICS), «tumor- руют основную часть опухолевых клеток (рис. 1, а); propagating cells» (TPCs)). • Способностью формировать опухоль при инъ- Концепция рск сформировалась еще в 1970-х екции экспериментальным животным [29; 36]; [14] гт. На сег°дняшний день под термином «рск» . Активностью систем, ответственных за детокси-чаше всего подразумевают субпопуляцию транс- кацию/выведение токсичных веществ (например, формированных ^ток обладающую рядом abc-транспортеров) и, соответственно, устойчи-мотсщ отличающих их от остальных клеток опу- вость к химиотерапевтическим агентам [9].
№ 4/том 14/2015 РОССИЙСКИЙ БИОТЕРАПЕВТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ
Рис. 1. Модели раковых стволовых клеток.
Красные клетки - РСК, синие клетки - дочерние клетки, не обладающие способностью к самообновлению, серные клетки - основная масса опухолевых клеток.
А - классическая модель РСК;
Б - стохастическая модель РСК, учитывающая возможность перехода между «стволовым» и «нестволовым» состояниями.
РСК характеризуются экспрессией определенных для каждого типа опухолей поверхностных маркеров, позволяющих отделять их от остальных клеток [36].
Интерес к РСК объясняется тем фактом, что, согласно доминирующим в настоящее время представлениям, именно эти клетки являются причиной злокачественного роста, устойчивости к химиотерапии, рецидивирования и метастазирования опухолей [9; 40].
РСК и механизмы их возникновения
Не существует общепринятой модели, объясняющей механизмы возникновения РСК. Наиболее очевидной является гипотеза, согласно которой РСК образуются из нормальных тканевых стволовых клеток в результате мутаций, нарушающих механизмы саморегуляции пролиферации [36; 41; 38]. Однако в последние годы появилась и другая гипотеза происхождения РСК, состоящая в том, что иерархическая структура «дифференцировок» среди опухолевых клеток не является статичной и возможны взаимные переходы между субпопуляциями, приводящие к формированию РСК из различных типов трансформированных клеток [35]. Такие взаимные превращения могут происходить стохастически [4], под действием внешних [19] или эпигенетических [5] факторов. Формирование фенотипа РСК в целом можно рассматривать как частичную дедифференцировку опухолевых клеток (рис. 1, б).
Основной характеристикой РСК (см. выше), является способность формировать опухоли при инъекции лабораторным мышам с подавленным т-клеточным иммунитетом (Бс1^пМе), тогда как основная масса трансформированных клеток такой способностью не обладают [29; 30].
В связи с этим одним из бурно развивающихся направлений в разработке новых противоопухолевых препаратов является поиск веществ, избира-
тельно воздействующих именно на РСК. Так, например, показано, что ряд антибиотиков (салиноми-цин, азитромицин, доксициклин) значительно снижают долю РСК в популяциях различных типов трансформированных клеток [23; 28]. На экспериментальных моделях показано, что избирательное удаление РСК из популяции клеток ряда новообразований приводило к излечению [30] или к значительному увеличению продолжительности жизни животных [6; 39]. Однако даже после избирательного уничтожения РСК среди трансформированных клеток могут со временем вновь появляться клетки, обладающие характеристиками опухолевых стволовых. Так, в культуре клеток протоковой аденокар-циономы молочной железы среди нескольких фено-типически-различных субпопуляций трансформированных клеток можно выделить люминальные, ба-зальные и стволовые (эти состояния клеток можно интерпретировать как различные степени дедиффе-ренцировки эпителиальных клеток). Эти субпопуляции сосуществуют в определенных соотношениях как in vitro, так и in vivo, в зависимости от типа и стадии опухоли. Если разделить и изолировать клетки каждого типа, то через некоторое время в таких субпопуляциях вновь обнаруживаются клетки всех трех типов в соотношениях, близких к исходным. Таким образом, в популяции неопластических клеток, по-видимому, существуют некоторые механизмы, которые обеспечивают поддержание определённой и постоянной для каждой злокачественной опухоли доли РСК. Считается, что это происходит за счёт частичной трансдифференцировки других неопластических клеток (рис. 2) [12; 24]. Возможность приобретения нестволовыми трансформированными клетками свойств РСК значительно затрудняет терапию онкологических заболеваний. По этой причине перспективным представляется изучение механизмов, приводящих к приобретению свойств РСК, однако такие механизмы изучены недостаточно.
Рис. 2. Модель поддержания соотношения между различными субпопуляциями раковых клеток за счёт взаимопревращения. Стрелками показаны возможные переходы из одного фенотипического состояния в другое. Красная клетка обладает стволовым фенотипом, синяя - люминальным, зеленая - базальным.
Необходимо отметить, что РСК солидных опухолей, как и нормальные стволовые клетки взрослого организма, находятся в постоянном тесном взаимодействии со своим микроокружением -нишей, все компоненты которой (другие неопластические клетки, клетки опухолевой стромы, сосуды, внеклеточный матрикс) вносят вклад в поддержание фенотипа РСК посредством межклеточных взаимодействий или с помощью секретируе-мых молекул [15]. Известно, что аутокрин-ные/паракринные сигнальные каскады, такие как wnt, notch, hedgehog (HH), TGF-в и рецепторные тирозинкиназы (например, c-met, egf, pdgf), играют важную роль в поддержании популяции РСК и активации механизмов дедифференцировки в трансформированных клетках [7; 17; 18; 26; 32; 39].
Опухоль-ассоциированные фибробласты путём секреции цитокинов VEGF, HGF и др., а также путём активации сигнальных каскадов WNT и NOTCH, могут стимулировать переход трансформированных клеток в «стволовое» состояние [33; 42].
Ещё одним механизмом взаимодействия трансформированных клеток с опухолевой стромой является гипоксия: при недостатке кислорода активируются молекулы семейства HIF, которые в свою очередь активируют экспрессию ряда транскрипционных факторов - oct 4, sox, nanog - характерных для эмбриональных стволовых клеток, а также, согласно последним данным, играющим важную роль в формировании фенотипа РСК [16]. Кроме того, в формировании фенотипа РСК может играть роль воспаление: опухоль-ассоциированные макрофаги способствуют увеличению доли РСК, секретируя интерлейкин-6 и эпидермальный фактор роста egf8, что активирует stat3- и hh-сигнальные каскады [20].
Таким образом, микроокружение активно участвует в регуляции пула РСК и может «подталкивать» нестволовые трансформированные клетки к приобретению черт РСК.
ЭМП и Е-кадгерин
ЭМП - процесс, играющий важную роль в инвазии и метастазировании, в результате которого эпителиальные клетки теряют апико-базальную полярность и межклеточные контакты, происходит реорганизация цитоскелета. Клетки приобретают веретеновидную форму, способность к миграции, что сближает их с мезенхимальными. главным событием, индуцирующим ЭМП, является ослабление межклеточных адгезионных контактов за счет подавления синтеза мембранных молекул: кадгери-нов, окклудина и клаудина, десмоплакина [3]. Известен ряд факторов, которые могут индуцировать эмп, например, транскрипционные факторы slug, snail, twist, sip-1, zeb1 [1], а также цитокины tgf-^ и vegf [11; 21; 43].
Утрата клетками эпителиальных черт в ходе эмп может быть рассмотрена как вариант их дедиф-ференцировки, при этом приобретение опухолевой клеткой фенотипа РСК также является частичной дедифференцировкой. Таким образом, предполагают, что прохождение трансформированными эпителиальными клетками ЭМП может приводить к увеличению доли РСК в злокачественных опухолях.
Действительно, было показано, что доля РСК увеличивается в популяции трансформированных клеток с экспериментально-индуцированным ЭМП. Более того, добавление TGF-P или экзогенная экспрессия snail в эпителиальных клетках молочной железы, приводят к появлению маркеров РСК РМЖ.
Рис. 3. Схема строения адгезионного контакта.
Примечательно, что клетки с фенотипом РСК в солидных опухолях концентрируются в зоне инвазии [27]. Также показано, что клетки, прошедшие ЭМП, имеют повышенную устойчивость к хи-мио- и радиотерапии, а профиль экспрессии генов в таких клетках частично сходен с таковым в «стволовом» состоянии [1; 22].
Ключевым событием в процессе прохождения эмп является утрата центральной молекулы межклеточных адгезионных контактов - е-кадгерина. цито-плазматическая часть молекулы е-кадгерина взаимодействует с другими компонентами контакта: р120-катенином, у-катенином/плакоглобином и р-катенином (что препятствует перемещению последнего в ядро). Адгезионный комплекс присоединяется к кортикальному актиновому цитоскелету путем соединения а- и р-катенинов. Кроме того, е-кадгерин является негативным регулятором ЖЫТ-сиг-нального каскада, удерживая на мембране его центральный медиатор Р-катенин.
При утрате е-кад-герина р-катенин трансло-цируется в ядро (рис. 3), где он может активировать некоторые звенья ЖЫТ сигнального каскада, который играет важную роль в поддержание фенотипа РСК ряда злокачественных опухолей: например, плоскоклеточного рака кожи [40]. Так, прямой эффектор данного сигнального каскада - р-катенин -может активировать транскрипционные факторы семейства 1сЭДе1', которые, в свою очередь, модулируют активность транскрипционных факторов, регулирующих плюрипотентное состояние стволовой клетки: nanog, с-тус и др. [37]. Кроме того, 'Ш-сигнальный каскад может непосредственно индуцировать ЭМП, что в свою очередь тоже может
приводить к увеличению доли РСК в популяции трансформированных клеток [40; 42] .
Для многих злокачественных новообразований человека описаны различные нарушения адгезионных контактов или экспрессии е-кадгерина. известно, что е-кадгерин действует как ингибитор инвазии для большого количества трансформированных клеточных линий эпителиального происхождения и моделей канцерогенеза in vivo [10; 25; 31]. Нарушение Экспрессии Е-Кадгерина В Трансформированных клетках приводит к локальной инвазии и метастазированию.
Для многих карцином человека была показана зависимость между уровнем экспрессии е-кадгерина и выживаемостью онкологических больных [2; 22]. Gupta et al. Показали, что при подавлении экспрессии е-кадгерина в клетках линии РМЖ количество РСК РМЖ увеличивалось [13].
Таким образом, можно заключить, что сохранение экспрессии Е-кадгерина препятствует прохождению трансформированными эпителиальными клетками ЭМП, следовательно, приобретению черт РСК. Предотвращение утраты эпителиальной дифференцировки и, в частности, Е-кадгерина, представляется перспективным подходом к разработке новых методов борьбы со злокачественными новообразованиями человека.
Выводы
Накапливаются данные, позволяющие создавать новые методы диагностики и лечения злокачественных опухолей человека. уже сейчас в клинической практике используют маркёры РСК (напри-
мер, cd133, nestin и др.), продукцию е-кадгерина и ряда других молекул для диагностики таких заболеваний как глиобластома, аденокарцинома поджелудочной железы, аденокарцинома желудка и др. [8; 34]. Однако, учитывая влияние микроокружения и возможность перехода между нестволовым и стволовым состояниями опухолевых клеток, наиболее перспективным направлением разрабатываемых терапевтических методов представляются подходы, направленные не на непосредственное уничтожение клеток с фенотипом РСК, а блоки-
рующие пути, приводящие к приобретению такового. Так, изучение механизмов возникновения и поддержания РСК позволит усовершенствовать и разработать новые более эффективные и, возможно, безопасные методы лечения злокачественных опухолей.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (соглашение № 14-15-00467).
Литература
1. Arumugam T, Ramachandran V., Fournier K.F. et al. Epithelial to mesenchymal transition contributes to drug resistance in pancreatic cancer // Cancer Researsch. - 2009. - 69(14). - P. 5820-8.
2. Birchmeier W, Behrens J. Cadherin expression in carcinomas: role in the formation of cell junctions and the prevention of invasiveness // Biochimica et Biophysica Acta. - 2006. - 1198. - P. 11-26.
3. Brabletz T, Hlubek F., Spaderna S. et al. Invasion and metastasis in colorectal cancer: epithelialmesenchymal transition, mesenchymal- epithelial transition, stem cells and beta-catenin // Cells Tissues Organs. - 2003. - 179. - P. 56-65.
4. Chaffer C.L., Brueckmann I, Scheel C. et al. Normal and neoplastic nonstem cells can spontaneously convert to a stem-like state // Proceedings of The National Academy of Sciences of The United States of America USA. - 2011. - 108(19). - P. 7950-5.
5. Chaffer C.L., Marjanovic N.D., Lee T. et al. Poised chromatin at the ZEB1 promoter enables breast cancer cell plasticity and enhances tumorigenicity // Cell. - 2013. - 154(1). - P. 61-74.
6. Chen J, Li Y, Yu T.S. et al. A restricted cell population propagates glioblastoma growth after chemotherapy // Nature. - 2012. - 488(7412). - P. 522-6.
7. Cole M.F., Johnson S.E., Newman J.J. et al. Tcf3 is an integral component of the core regulatory circuitry of embryonic stem cells // Genes & Development. - 2008. - 22(6). - P. 746-55.
8. Dahlrot R.H., Hermansen S.K., Hansen S, Kristensen B. W. What is the clinical value of cancer stem cell markers in gliomas? // International Journal of Clinical and Experimental Pathology. - 2013. - 6(3). - P. 334-48.
9. Dando I, Cordani M:, Dalla Pozza E. et al. Antioxidant Mechanisms and ROS-Related MicroRNAs in Cancer Stem Cells // Oxidative Medicine and Cell Longevity. - 2015. - 2015. - P. 425708.
10. Graff J.R, Gabrielson E, Fujii H. et al. Methylation patterns of the E-cadherin 5' CpG island are unstable and reflect the dynamic, heterogeneous loss of E-cadherin expression during metastatic progression // Journal of Biological Chemistry. - 2000. - 275. - P. 2727-32.
11. Gonzalez-Moreno O, Lecanda J, Green J.E. et al. VEGF elicits epithelial-mesenchymal transition (EMT) in prostate intraepithelial neoplasia (PIN)-like cells via anautocrine loop // Experimental Cell Research. -2010. - 316(4). - P. 554-67.
12. Gupta P.B, Fillmore C.M., Guozhi J. et al. Stochastic State Transitions Give Rise to Phenotypic Equilibrium in Populations of Cancer Cells // Cell. - 2011. - 19. - P. 633-44.
13. Gupta P.B, Onder T.T., Jiang G. et al. Identification of selective inhibitors of cancer stem cells by high-throughput screening // Cell. - 2009. - 138. - P. 645-59.
14. Hamburger A. W, Salmon S.E. Primary bioassay of human tumor stem cells // Science. - 1977. - 197(4302). - P. 461-3.
15. Hanahan D, Coussens L.M. Accessories to crime: functions of cells recruited to tumor microenvironment // Cancer Cell. - 2012. - 21(3). - P. 309-22.
16. Heddleston J.M., Li Z, McLendon R.E. et al. The hypoxic microenvironment maintains glioblastoma stem cells and promotes reprogramming towards a cancer stem cell phenotype // Cell Cycle. - 2009. - 8(20). - P. 3274-84.
17. Hu Q, Zhang L, Wen J. et al. The EGF receptor-sox2-EGF receptor feedback loop positively regulates the self-renewal of neural precursorcells // Stem Cells. - 2010. - 28(2). - P. 279-86.
18. Ikushima H, Todo T, Ino Y. et al. Autocrine TGF-beta signaling maintains tumorigenicity of glioma-initiating cells through Sry-related HMG-boxfactors // Cell. Stem Cells. - 2009. - 5(5). - P. 504-14.
19. Iliopoulos D, Hirsch H.A., Wang G. et al. Inducible formation of breast cancer stem cells and their dynamic equilibrium with non-stem cancer cells via IL6 secretion // Proceedings of The National Academy of Sciences of The United States of America USA. - 2011. - 108(4). - P. 1397-402.
20. Jinushi M, Chiba S, Yoshiyama H. et al. Tumor-associated macrophages regulate tumorigenicity and anticancer drug responses of cancer stem/initiating cells // Proceedings of The National Academy of Sciences of The United States of America. - 2011. - 108(30). - P. 12425-30.
21. Khromova N, Kopnin P., Rybko V., Kopnin B.P. Downregulation of VEGF-C expression in lung and colon cancer cells decelerates tumor growth and inhibitsmetastasis via multiple mechanisms // Oncogene. - 2012.
- 31(11). - P. 1389-97.
22. Kurrey N.K., Jalgaonkar S.P., Joglekar A.V. et al. Snail and slug mediate radioresistance and chemoresis-tance by antagonizing p53-mediated apoptosis and acquiring a stem-like phenotype in ovarian cancer cells // Stem Cells. - 2009. - 27(9). - P. 2059-68.
23. Lamb R., Ozsvari B., Lisanti C.L. et al. Antibiotics that target mitochondria effectively eradicate cancer stem cells, across multiple tumor types: treatingcancer like an infectious disease // Oncotarget. - 2015. - 6(7). -P. 4569-84.
24. Li Y, Laterra J. Cancer stem cells: distinct entities or dynamically regulated phenotypes? // Cancer Research. - 2012. - 73(3). - P. 576-80.
25. Lynch H.T., Grady W., Lynch J.F. et al. E-cadherin mutation-based genetic counseling and hereditary diffuse gastric carcinoma // Cancer Genet Cytogenet. - 2000. - 122. - P. 1-6.
26. Marson A., Foreman R., Chevalier B. et al. Wnt signaling promotes reprogramming of somatic cells to pluripotency // Cell. Stem Cell. - 2008. - 3(2). - P. 132-5.
27. Mirantes C., Espinosa I., Ferrer I. Epithelial-to-mesenchymal transition and stem cells in endometrial cancer // Human Pathology. - 2013. - 44(10). - P. 1973-81.
28. Naujokat C, Steinhart R. Salinomycin as a drug for targeting human cancer stem cells // Journal of Bio-medicine and Biotechnology. - 2012. - 2012. - P. 950658.
29. O'Brien C, Kreso A., Jamieson H.M. Cancer stem cells and self-renewal // Clinical Cancer Research. -2010. - 47. - P. 1478-93.
30. P6rez-Caro M., Cobaleda C, Gonzalez-Herrero I. et al. Cancer induction by restriction of oncogene expression to the stem cell compartment // The EMBO Journal. - 2009. - 28(1). - P. 8-20.
31. Perl A.K., Wilgenbus P., Dahl U. et al. A causal role for E-cadherin in the transition from adenoma to carcinoma // Nature. - 2009. - 392. - P. 190-3.
32. Po A., Ferretti E., Miele E. et al. Hedgehog controls neural stem cells through p53-independent regulation oh Nanog // The EMBO Journal. - 2010. - 29(15). - P. 2646-58.
33. Plaks V., KongN., Werb Z. The cancer stem cell niche: how essential is the niche in regulating sternness of tumor cells? // Cell Stem Cell. - 2015. - 16(3). - P. 225-38.
34. Rasheed Z.A., Yang J, Wang Q. et al. Prognostic significance of tumorigenic cells with mesenchymal features in pancreatic adenocarcinoma // Jornal of National Cancer Institution. - 2010. - 102(5). - P. 340-51.
35. Scheel C, Eaton E.N., Li S. et al. Paracrine and autocrine signals induce and maintain mesenchymal and stem cell states in the breast // Cell. - 2011. - 145(6). - P. 926-40.
36. Shackleton M. Normal stem cells and cancer stem cells: similar and different // Seminars in Cancer Biology.
- 2010. - 20. - P. 85-92.
37. Sineva G.S., Pospelov V.A. p-Catenin in pluripotency: adhering to self-renewal or Wnting to differentiate? // International Review of Cell and Molecular Biology. - 2014. - 312. - P. 53-78.
38. Smalley M., Ashworth A. Stem cells and breast cancer: a field in transit // Nature Reviews: Cancer. - 2003. -3(11). - P. 832-44.
39. Song I.S., Jeong Y.J., Han J. Mitochondrial metabolism in cancer stem cells: a therapeutic target for colon cancer // BMB Reports. - 2015. - P. 3333.
40. Takebe N., Miele L., Harris P.J. et al. Targeting Notch, Hedgehog, and Wnt pathways in cancer stem cells: clinical update // Nature Reviews. Clinical Oncology. - 2015. - 12(8). - P. 445-64.
41. Todaro M., Alea M.P., Di Stefano A.B. et al. Colon cancer stem cells dictate tumor growth and resist cell death by production of interleukin-4 // Cell Stem Cell. - 2007. - 1(4). - P. 389-402.
42. Vermeulen L., De Sousa E., Melo F. et al. Wnt activity defines colon cancer stem cells and is regulated by the microenvironment // Nature Cell Biology. - 2010. - 12(5). - P. 468-76.
43. Yi Z.Y., Feng L.J., Xiang Z., Yao H. Vascular endothelial growth factor receptor-1 activation mediates epithelial to mesenchymal transition inhepatocellular carcinoma cells // Journal of Investigative Surgery: the official journal of the Academy of Surgical Research. - 2011. - 24(2). - P. 67-76.
