Эпителиально-мезенхимальный переход - Epithelial–mesenchymal transition
| Эпителиально-мезенхимальный переход | |
|---|---|
 Схема, показывающая эпителиально-мезенхимальный переход
| |
| Подробности | |
| Предшественник | энтодерма |
| Идентификаторы | |
| MeSH | D058750 |
| Анатомическая терминология | |
Эпителиально-мезенхимальных перехода ( EMT ) представляет собой процесс , посредством которого эпителиальные клетки теряют полярность клеток и межклеточной адгезии, а также получить мигрирующие и инвазивными свойствами , чтобы стать мезенхимальные стволовые клетки ; это мультипотентные стромальные клетки, которые могут дифференцироваться в различные типы клеток. EMT важен для множества процессов развития, включая образование мезодермы и нервной трубки . Также было показано, что EMT происходит при заживлении ран , при фиброзе органов и при инициации метастазирования при прогрессировании рака.
Вступление
Эпителиально-мезенхимальный переход был впервые признан Бетти Хэй особенностью эмбриогенеза в 1980-х. EMT и его обратный процесс, MET ( мезенхимально-эпителиальный переход ) имеют решающее значение для развития многих тканей и органов в развивающемся эмбрионе, а также для многочисленных эмбриональных событий, таких как гаструляция , формирование нервного гребня, формирование сердечного клапана , вторичное развитие неба и миогенез. . Эпителиальные и мезенхимальные клетки различаются как по фенотипу, так и по функциям, хотя оба обладают присущей им пластичностью. Эпителиальные клетки тесно связаны друг с другом плотными контактами , щелевыми контактами и адгезивными контактами , имеют апико-базальную полярность , поляризацию актинового цитоскелета и связаны базальной пластинкой на своей базальной поверхности. Мезенхимные клетки, с другой стороны, лишены этой поляризации, имеют веретеновидную морфологию и взаимодействуют друг с другом только через фокусные точки. Эпителиальные клетки экспрессируют высокие уровни E-кадгерина , тогда как мезенхимальные клетки экспрессируют уровни N-кадгерина , фибронектина и виментина . Таким образом, ЭМП влечет за собой глубокие морфологические и фенотипические изменения клетки.
Основываясь на биологическом контексте, EMT было разделено на 3 типа: онтогенетический (Тип I), фиброз и заживление ран (Тип II) и рак (Тип III).
Индукторы
Потеря E-кадгерина считается фундаментальным событием в EMT. Многие факторы транскрипции (TF), которые могут прямо или косвенно репрессировать E-кадгерин, могут рассматриваться как EMT-TF (ТФ, индуцирующие ЕМТ). SNAI1 / Snail 1, SNAI2 / Snail 2 (также известный как Slug), ZEB1 , ZEB2 , TCF3 и KLF8 (Kruppel-подобный фактор 8) могут связываться с промотором E-кадгерина и подавлять его транскрипцию, тогда как такие факторы, как Twist , Goosecoid , TCF4 (также известный как E2.2), гомеобоксный белок SIX1 и FOXC2 (белок C2 вилочного бокса) косвенно репрессируют E-кадгерин. Факторы SNAIL и ZEB связываются с консенсусными последовательностями E-бокса в промоторной области, тогда как KLF8 связывается с промотором через GT-боксы. Эти EMT-TF не только непосредственно репрессируют E-cadherin, но также репрессируют транскрипционно другие соединительные белки, включая claudins и desmosomes , тем самым облегчая EMT. С другой стороны, факторы транскрипции, такие как гомолог белка 2, подобного зернистой головке (GRHL2), и связанные с ETS факторы транскрипции ELF3 и ELF5 подавляются во время EMT и, как обнаружено, активно управляют MET при сверхэкспрессии в мезенхимальных клетках. Поскольку ЕМТ при прогрессировании рака повторяет ЕМП в программах развития, многие из ЕМТ-TF участвуют в продвижении метастатических событий.
Несколько сигнальных путей ( TGF-β , FGF , EGF , HGF , Wnt / бета-катенин и Notch ) и гипоксия могут вызывать EMT. В частности, было показано , что Ras- MAPK активирует Snail и Slug. Slug запускает этапы разрушения десмосом , распространения клеток и частичного разделения на межклеточных границах, которые составляют первую и необходимую фазу процесса EMT. С другой стороны, Slug не может запускать вторую фазу, которая включает в себя индукцию подвижности клеток, подавление экспрессии цитокератина и активацию экспрессии виментина . Известно, что Snail и Slug регулируют экспрессию изоформ p63 , другого фактора транскрипции, необходимого для правильного развития эпителиальных структур. Измененная экспрессия изоформ p63 снижает межклеточную адгезию и увеличивает миграционные свойства раковых клеток. Р63 фактор участвует в ингибировании EMT и снижение некоторых изоформ р63 может играть важную роль в развитии эпителиального рака. Известно, что некоторые из них регулируют экспрессию цитокератинов . Фосфатидилинозитол 3' киназы (PI3K) / Akt ось, Ежик сигнальный путь , ядерный фактор-kappaB и активация фактора транскрипции 2 также были вовлечены быть вовлечены в ЕМТ.
Сигнальный путь Wnt регулирует EMT при гаструляции, формировании сердечного клапана и раке. Активация пути Wnt в клетках рака молочной железы индуцирует регулятор EMT SNAIL и активирует мезенхимальный маркер, виментин . Кроме того, активный путь Wnt / бета-катенин коррелирует с плохим прогнозом у пациентов с раком груди в клинике. Точно так же TGF-β активирует экспрессию SNAIL и ZEB, чтобы регулировать ЕМТ в развитии сердца, небной почве и раке. Метастазы рака груди в кости активировали передачу сигналов TGF-β, которая способствует образованию этих поражений. Однако, с другой стороны, p53 , хорошо известный супрессор опухолей, подавляет EMT, активируя экспрессию различных микроРНК - miR-200 и miR-34, которые ингибируют продукцию белка ZEB и SNAIL и, таким образом, поддерживают эпителиальный фенотип.
В развитии и заживлении ран
После начальной стадии эмбриогенеза имплантация эмбриона и начало формирования плаценты связаны с ЭМП. Клетки трофоэктодермы подвергаются ЭМП, чтобы облегчить инвазию эндометрия и соответствующее размещение плаценты, тем самым обеспечивая обмен питательными веществами и газами для эмбриона. Позднее в эмбриогенезе, во время гаструляции, EMT позволяет клеткам проникать в определенную область эмбриона - примитивную полоску у амниот и вентральную борозду у Drosophila . Клетки в этой ткани экспрессируют Е-кадгерин и апикально-базальную полярность. Поскольку гаструляция - очень быстрый процесс, E-кадгерин транскрипционно репрессируется Twist и SNAI1 (обычно называемым Snail ), а на уровне белка - взаимодействующим белком P38. Примитивная полоска посредством инвагинации далее генерирует мезоэндодерму, которая разделяется с образованием мезодермы и энтодермы, опять же посредством EMT. Мезенхимные клетки из примитивной полоски участвуют также в формировании многих эпителиальных мезодермальных органов, таких как хорда, а также сомиты, посредством обратного EMT, т.е. мезенхимно-эпителиального перехода . Amphioxus образует эпителиальную нервную трубку и дорсальную хорду, но не обладает потенциалом EMT первичной полоски . У высших хордовых мезенхима происходит из примитивной полоски, мигрирует кпереди, чтобы сформировать сомиты, и вместе с мезенхимой нервного гребня участвует в формировании мезодермы сердца.
У позвоночных эпителий и мезенхима являются основными тканевыми фенотипами. Во время эмбрионального развития клетки мигрирующего нервного гребня генерируются с помощью ЭМП с участием эпителиальных клеток нейроэктодермы. В результате эти клетки отделяются от нервных складок, приобретают подвижность и распространяются в различные части эмбриона, где они дифференцируются со многими другими типами клеток. Кроме того, мезенхима черепно-лицевого гребня, которая образует соединительную ткань, образующую голову и лицо, формируется эпителием нервной трубки посредством ЭМП. EMT происходит во время построения позвоночного столба из внеклеточного матрикса , который должен синтезироваться фибробластами и остеобластами , окружающими нервную трубку. Основным источником этих клеток являются мезенхима склеротома и сомита, а также примитивная полоска . Морфология мезенхимы позволяет клеткам перемещаться к конкретным мишеням в эмбрионе, где они дифференцируются и / или индуцируют дифференцировку других клеток.
Во время заживления раны кератиноциты на границе раны подвергаются EMT и подвергаются реэпителизации или MET, когда рана закрывается. Экспрессия Snail2 на фронте миграции влияет на это состояние, поскольку ее избыточная экспрессия ускоряет заживление ран. Точно так же в каждом менструальном цикле поверхностный эпителий яичников подвергается ЭМП во время заживления постовуляторной раны.
При прогрессировании рака и метастазировании
Инициирование метастазирования требует инвазии, которая осуществляется с помощью EMT. Клетки карциномы в первичной опухоли теряют межклеточную адгезию, опосредованную репрессией E-кадгерина, и прорываются через базальную мембрану с повышенными инвазивными свойствами и попадают в кровоток через интравазацию . Позже, когда эти циркулирующие опухолевые клетки (ЦКО) выходят из кровотока с образованием микрометастазов, они подвергаются МЕТ для клонального разрастания в этих метастатических участках. Таким образом, EMT и MET формируют начало и завершение каскада инвазии-метастазирования. В этом новом месте метастазирования опухоль может претерпевать другие процессы для оптимизации роста. Например, EMT был связан с экспрессией PD-L1 , особенно при раке легких. Повышенный уровень PD-L1 подавляет иммунную систему, что позволяет раку легче распространяться.
EMT придает устойчивость к преждевременному старению, вызванному онкогенами . Twist1 и Twist2, а также ZEB1 защищает клетки человека и эмбриональные фибробласты мыши от старения. Точно так же TGF-β может способствовать инвазии опухоли и уклонению от иммунного надзора на поздних стадиях. Когда TGF-β действует на активированные Ras-экспрессирующие эпителиальные клетки молочных желез, благоприятствует ЕМТ и подавляется апоптоз. Этот эффект может быть отменен индукторами дифференцировки эпителия, такими как GATA-3.
Было показано, что EMT вызывается андрогенной депривацией при метастатическом раке простаты . Активация программ EMT посредством ингибирования оси андрогенов обеспечивает механизм, с помощью которого опухолевые клетки могут адаптироваться, способствуя рецидиву и прогрессированию заболевания. Brachyury , Axl , MEK и киназа Aurora A являются молекулярными двигателями этих программ, и в настоящее время ингибиторы проходят клинические испытания для определения терапевтического применения. Онкогенный PKC-йота может способствовать инвазии клеток меланомы, активируя виментин во время EMT. Ингибирование или нокдаун PKC-йоты приводило к увеличению уровней E-кадгерина и RhoA при одновременном снижении общего виментина, фосфорилированного виментина (S39) и Par6 в метастатических клетках меланомы. Эти результаты предполагают, что PKC-ι участвует в сигнальных путях, которые активируют ЕМТ при меланоме.
Было показано, что ЕМТ участвует в приобретении лекарственной устойчивости. Было обнаружено, что усиление маркеров EMT связано с устойчивостью эпителиальных клеточных линий карциномы яичников к паклитакселу. Точно так же SNAIL также придает устойчивость к паклитакселу, адриамицину и лучевой терапии, ингибируя p53-опосредованный апоптоз. Кроме того, недавно было показано, что воспаление, связанное с прогрессированием рака и фиброза, связано с раком через вызванную воспалением ЭМП. Следовательно, EMT позволяет клеткам приобретать мигрирующий фенотип, а также вызывать множественную иммуносупрессию, лекарственную устойчивость, уклонение от механизмов апоптоза.
Некоторые данные свидетельствуют о том, что клетки, которые подвергаются EMT, приобретают свойства, подобные стволовым клеткам, тем самым давая начало раковым стволовым клеткам (CSC). После трансфекции активированным Ras субпопуляция клеток, демонстрирующих предполагаемые маркеры стволовых клеток CD44high / CD24low, увеличивается с сопутствующей индукцией EMT. Кроме того, ZEB1 способен придавать свойства, подобные стволовым клеткам, тем самым укрепляя взаимосвязь между EMT и стволовостью. Таким образом, EMT может представлять повышенную опасность для онкологических больных, поскольку EMT не только позволяет клеткам карциномы проникать в кровоток, но также наделяет их свойствами стволовости, что увеличивает онкогенный и пролиферативный потенциал.
Однако недавние исследования еще больше сместили основные эффекты ЭМП с инвазии и метастазирования в сторону устойчивости к химиотерапевтическим агентам. Исследования рака груди и рака поджелудочной железы показали отсутствие разницы в метастатическом потенциале клеток при приобретении EMT. Это согласуется с другим исследованием, показывающим, что фактор транскрипции EMT TWIST на самом деле требует неповрежденных спаек , чтобы опосредовать локальную инвазию при раке груди. Таким образом, эффекты EMT и его связь с инвазией и метастазированием могут быть в высокой степени контекстно-зависимыми.
В клеточных линиях уротелиальной карциномы сверхэкспрессия HDAC5 ингибирует долгосрочную пролиферацию, но может способствовать переходу эпителия в мезенхиму (EMT).
Тромбоциты при раке EMT
Тромбоциты в крови обладают способностью инициировать индукцию ЭМП в раковых клетках. Когда тромбоциты привлекаются к участку в кровеносном сосуде, они могут высвобождать различные факторы роста ( PDGF , VEGF , ангиопоэтин-1 ) и цитокины, включая индуктор EMT TGF-β. Высвобождение TGF-β тромбоцитами в кровеносных сосудах вблизи первичных опухолей увеличивает инвазивность и способствует метастазированию раковых клеток в опухоль. Исследования дефектных тромбоцитов и снижения количества тромбоцитов на моделях мышей показали, что нарушение функции тромбоцитов связано с уменьшением образования метастазов. У людей количество тромбоцитов и тромбоцитоз в пределах верхнего предела нормального диапазона были связаны с распространенным, часто метастатическим, стадийным раком при раке шейки матки, раком яичников, раком желудка и раком пищевода. Несмотря на то, что для изучения взаимодействия между опухолевыми клетками и тромбоцитами было проведено множество исследований, терапия рака, направленная на это взаимодействие, еще не разработана. Частично это может быть связано с избыточностью протромботических путей, что потребует использования нескольких терапевтических подходов для предотвращения прометастатических событий посредством индукции EMT в раковых клетках активированными тромбоцитами.
Чтобы повысить вероятность развития метастазов рака, раковые клетки должны избегать обнаружения и нацеливания со стороны иммунной системы после попадания в кровоток. Активированные тромбоциты обладают способностью связывать гликопротеины и гликолипиды ( лиганды P-селектина, такие как PSGL-1 ) на поверхности раковых клеток с образованием физического барьера, который защищает раковые клетки от лизиса в кровотоке, опосредованного естественными клетками-киллерами. Кроме того, активированные тромбоциты способствуют адгезии раковых клеток к активированным эндотелиальным клеткам, выстилающим кровеносные сосуды, с помощью молекул адгезии, присутствующих на тромбоцитах. Лиганды P-селектина на поверхности раковых клеток еще предстоит выяснить, и они могут служить потенциальными биомаркерами прогрессирования рака.
Терапия против рака EMT
Многие исследования предполагают, что индукция ЭМП является основным механизмом, с помощью которого эпителиальные раковые клетки приобретают злокачественные фенотипы, способствующие метастазированию. Таким образом, разработка лекарств, направленных на активацию ЕМТ в раковых клетках, стала целью фармацевтических компаний.
Ингибиторы малых молекул
Небольшие молекулы, которые способны ингибировать ЭМП, индуцированную TGF-β, находятся в стадии разработки. Силмитасертиб (CX-4945) представляет собой низкомолекулярный ингибитор протеинкиназы CK2, который, как утверждается, связан с ЭМП, индуцированной TGF-β, и в настоящее время проходит клинические испытания на холангиокарциному (рак желчных протоков), а также в стадии доклинической разработки. при гематологических и лимфоидных злокачественных новообразованиях. В январе 2017 года Силмитасертиб получил статус орфанного препарата от Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США для лечения холангиокарциномы и в настоящее время находится на стадии II исследования . Silmitasertib разрабатывается Senhwa Biosciences. Другой низкомолекулярный ингибитор, Галунисертиб (LY2157299), представляет собой мощный ингибитор киназы рецептора TGF-β типа I, который, как было продемонстрировано, снижает размер, скорость роста опухолей и потенциал образования опухолей в линиях клеток тройного отрицательного рака молочной железы с использованием ксенотрансплантатов мыши . Галунисертиб в настоящее время разрабатывается Lilly Oncology и проходит фазу I / II клинических испытаний гепатоцеллюлярной карциномы, неоперабельного рака поджелудочной железы и злокачественной глиомы. Предполагается, что низкомолекулярные ингибиторы ЕМТ не заменяют традиционные химиотерапевтические агенты, но, вероятно, будут проявлять наибольшую эффективность при лечении рака при использовании в сочетании с ними.
Антагомиры и имитаторы микроРНК вызывают интерес как потенциальный источник терапевтических средств для нацеливания на метастазы, вызванные ЕМТ, при раке, а также для лечения многих других заболеваний. Антагомиры были впервые разработаны для нацеливания на miR-122 , микроРНК, которая была в изобилии и специфична для печени, и это открытие привело к разработке других антагомиров, которые могут сочетаться со специфическими микроРНК, присутствующими в микроокружении опухоли или в раковых клетках. Было обнаружено, что микроРНК, имитирующая miR-655, подавляет ЕМТ посредством нацеливания на фактор транскрипции, индуцирующий ЕМТ, ZEB1 и рецептор 2 TGF-β в линии клеток рака поджелудочной железы. Сверхэкспрессия миметика miR-655 в линии раковых клеток Panc1 усиливала экспрессию E-кадгерина и подавляла миграцию и инвазию мезенхимально-подобных раковых клеток. Использование имитаторов микроРНК для подавления EMT распространилось на другие линии раковых клеток и имеет потенциал для разработки клинических лекарств. Однако имитаторы и антагомиры микроРНК страдают от недостаточной стабильности in vivo и не имеют точной системы доставки для нацеливания этих молекул на опухолевые клетки или ткань для лечения. Повышение устойчивости миметиков антагомира и микроРНК посредством химических модификаций, таких как олигонуклеотиды с заблокированной нуклеиновой кислотой (LNA) или пептидные нуклеиновые кислоты (PNA), может предотвратить быстрое очищение этих малых молекул от РНКаз . Доставка антагомиров и миметиков микроРНК в клетки путем включения этих молекул в липосомы-наночастицы вызвала интерес, однако липосомные структуры страдают собственными недостатками, которые необходимо будет преодолеть для их эффективного использования в качестве механизма доставки лекарств. Эти недостатки липосом-наночастиц включают неспецифический захват клетками и индукцию иммунных ответов. Роль, которую микроРНК играют в развитии рака и метастазировании, является предметом многочисленных научных исследований, и еще предстоит продемонстрировать, могут ли имитаторы или антагомиры микроРНК служить стандартными клиническими методами лечения для подавления ЕМТ или онкогенных микроРНК при раке.
Генерация эндокринных клеток-предшественников из островков поджелудочной железы
Подобно образованию раковых стволовых клеток, было продемонстрировано, что ЕМТ генерирует эндокринные клетки-предшественники из островков поджелудочной железы человека . Первоначально предполагалось, что клетки-предшественники островковых клеток человека (hIPC) являются лучшими предшественниками, поскольку потомство β-клеток в этих hIPC наследует эпигенетические метки, которые определяют активную область промотора инсулина. Однако позже другая серия экспериментов показала, что меченые β-клетки де-дифференцируются до мезенхимально-подобного фенотипа in vitro , но не могут пролиферировать; таким образом инициировав дебаты в 2007 году.
Поскольку в этих исследованиях на островках человека не было анализа с отслеживанием клонов, эти результаты необратимо помеченных бета-клеток мышей были экстраполированы на островки человека. Таким образом, используя двойную лентивирусную и генетическую систему отслеживания клонов для мечения β-клеток, было убедительно продемонстрировано, что островковые β-клетки взрослого человека подвергаются EMT и пролиферируют in vitro . Кроме того, эти данные были подтверждены на фетальных инсулин-продуцирующих клетках поджелудочной железы человека, а мезенхимальные клетки, происходящие из островков поджелудочной железы, могут подвергаться обратной реакции EMT - MET - для образования островковидных клеточных агрегатов. Таким образом, концепция создания предшественников из инсулин-продуцирующих клеток посредством EMT или генерации раковых стволовых клеток во время EMT при раке может иметь потенциал для заместительной терапии при диабете и требует лекарств, направленных на ингибирование EMT при раке.
Частичная ЭМП или гибридный фенотип E / M
Не все клетки подвергаются полной ЭМП, то есть теряют клеточную адгезию и приобретают характеристики одиночной миграции. Вместо этого большинство клеток подвергаются частичной ЭМП, состоянию, в котором они сохраняют некоторые эпителиальные черты, такие как межклеточная адгезия или апико-базальная полярность, и приобретают миграционные черты, таким образом, клетки в этом гибридном эпителиально-мезенхимальном (E / M) фенотипе наделены со специальными свойствами, такими как коллективная миграция клеток. Были предложены две математические модели, пытающиеся объяснить появление этого гибридного E / M фенотипа и его высокую вероятность того, что разные клеточные линии принимают разные гибридные состояния, как показали эксперименты с клеточными линиями MCF10A, HMLE и H1975. Хотя гибридное состояние E / M называют «метастабильным» или временным, недавние эксперименты на клетках H1975 предполагают, что это состояние может стабильно поддерживаться клетками.