Поиск Кабинет

Роль миграционной оси SDF 1 CXCR4 в хоуминге клеток предшественников и метастазировании злокачественных опухолей

Гены & Клетки: Том I, №4, 2006 год, стр.: 32-38

 

Авторы

Григорян А.С.

ДЛЯ ТОГО ЧТОБЫ СКАЧАТЬ СТАТЬЮ В ФОРМАТЕ PDF ВАМ НЕОБХОДИМО АВТОРИЗОВАТЬСЯ, ЛИБО ЗАРЕГИСТРИРОВАТЬСЯ

В обзоре представлены современные данные о молекулярных механизмах миграции и колонизации тканей и органов стволовыми клетками, клетоками-предшественниками. В научной литературе большое внимание в данном направлении придается значению недавно описанных молекул - фактору стромальных клеток [SDF-1} и его рецептору [CXCR4).

Введение

Адекватный ответ нормальных стволовых клеток, как эмбриональных, так и дефинитивных тканей, на морфоге нетические факторы и хемоаттрактанты играет ключевую роль в развитии органов в онтогенезе, а также в процессах обновления тканей и их регенерации в случае повреждений. Помимо этого, хемоаттрактанты регулируют метастазиро вание опухолевых стволовых клеток, которые, как было не давно показано, образуются в результате блокирования дифференцировки стволовых клеток, а не дедифферен цировки дефинитивных соматических клеток, как пред полагалось ранее [1]. В последнее время появляется всё больше экспериментальных свидетельств того, что как нормальные, так и опухолевые стволовые клетки экспрес сируют на своей мембране ассоциированный с гетеротри мерными G белками трансмембранный рецептор CXCR4, связывающийся со специфическим лигандом - молекулой SDF 1 (stromal derived factor), которая вырабатывается стромальными клетками многих тканей. Экспрессия как SDF 1, так и его рецептора повышается при гипоксии и ме ханических травмах, что приводит к усиленной миграции клеток предшественников в зоны повреждения. По этой причине растёт интерес исследователей к разработкам но вых фармакологических подходов, направленных на моду ляцию миграционной оси SDF 1 CXCR4. В будущем это может позволить стимулировать хоуминг нормальных CXCR4^ стволовых клеток в повреждённые органы, а так же предотвратить метастазирование CXCR4^ опухолевых клеток.

Stromal derived factor (SDF 1/CXCL12J

В настоящее время наиболее хорошо изученным факто ром хоуминга стволовых и прогениторных клеток костного мозга является белок SDF 1/CXCL12, относящийся к хемо кинам (обширная группа консервативных, мультифункцио нальных низкомолекулярных медиаторов, которые могут опосредовать иммунный ответ, выживание стволовых клеток, а также запускать хемотаксис и ангиогенез [2 5]) семей ства СХС. Этот фактор существует в организме в виде двух различных белков со сходными функциями, образующихся в результате альтернативного сплайсинга: SDF 1 а и SDF 1 р, и в трёх формах: мембранной, связанной с экстрацеллюляр ным матриксом и растворимо группой S.l. Nishikawa et al. (6], а в 1996 году С.С. Bleul et al. обнаружили, что SDF 1 является хемоаттрактантом для лейкоцитов, под его влиянием происходит перестройка их цитоскелета (7).

К настоящему времени клонировано 50 различных хемо кинов и 20 хемокиновых рецепторов (8, 9]. Обычно один и тот же хемокин может связываться с несколькими разными ре цепторами, но SDF 1 - исключение из этого правила. Он способен взаимодействовать только с CXCR4 (по CD номен клатуре: CD184), что косвенно подчёркивает его уникальную биологическую роль (10). Совсем недавно был описан новый рецептор SDF1, названный RDC1, однако его возможная роль в регуляции миграции клеток ещё не подтверждена (1 ].

SDF 1 имеет ряд различных функций, в которые вхо дят ингибирование апоптоза, стимуляция пролиферации, усиление адгезии, подвижности клеток, хемотаксиса и мигра ции. Он работает как во взрослом организме, так и на ранних этапах онтогенеза, участвуя в перемещении гемопоэтических стволовых клеток (ГСК) из аорто гонадо мезонефрального компартмента зародыша в желточный мешок, а затем в эм бриональную печень и далее в костный мозг и селезёнку. При этом ГСК мигрируют по градиенту SDF 1 а, что усили вается в присутствии Steel factor (SLF) [11 ]. Таким образом, SDF 1 можно назвать одним из самых важных морфогене тических факторов и хемоаттрактантов для всех типов CXCR4* клеток в онтогенезе организма (рис. 1).

SDF 1 секретируется, главным образом, стромальными фибробластами костного мозга [12], но также обнаруживает ся в клетках различных тканей, таких как поперечнополосатая и сердечная мышечные, нервные клетки, спленоциты и ге патоциты [13].

Количество мРНК SDF 1 резко возрастает в повреждён ной сердечной мышечной ткани, почках и печени (в экспе риментах были проверены воздействия на органы гипоксии и у излучения], в результате чего CXCR4+ клетки перифе рической крови рекрутируются в область повреждения [14]. А.Т. Askari et al. [2003] показали, что после инфаркта миокар да уровень экспрессии SDF 1 клетками сердечной мышцы стремительно возрастает и снижается только к седьмым сут ками. Проверив влияние трансплантации клеток, трансфеци рованных геном SDF 1, на хоуминг CD34* с kit* стволовых клеток костного мозга в зону повреждения, исследователи выяснили, что этого достаточно для мобилизации стволовых клеток (СК), однако их последующей дифференцировки в кар диомиоциты практически не происходило. Предполагается, что главную роль в дальнейшей дифференцировке клеток иг рают факторы семейства TGFp. Тем не менее, сосредоточе ние клеток в зоне повреждения приводит к развитию новых сосудов и улучшению сердечной деятельности [15].

Хемотаксис по градиенту концентрации SDF 1 демонст рируют около 18% мононуклеарных клеток костного мозга и примерно 22% мононуклеаров селезёнки, которая также яв ляется «резервуаром» CXCR4* клеток предшественников [14].

Рецептор SDF 1 - трансмембранный белок CXCR4

В 1996 году С.С. Bleul et al. [3] и Е. Oberlin et al. [16] неза висимо друг от друга обнаружили, что рецептором для SDF 1 является белок LESTR/fusin, или CXCR4 (по номенклатуре хемокиновых рецепторов), участвующий в слиянии Т тропно го вируса иммунодефицита человека с CD4* лимфоцитами хозяина. Несколькими годами позже, в 1999 году, A. Peled et al. [17] показали, что SDF 1 и его рецептор задействова ны в репопуляции костного мозга SCID мышей, в то время как антитела к CXCR4 блокируют хоуминг трансплантиро ванных клеток.

Молекула CXCR4 имеет семь трансмембранных доме нов, каждый из которых играет свою роль в запуске каскада сигналов, и ассоциирована с Gai белком, что позволяет ей передавать сигнал в ядро клетки [18].

CXCR4 - маркер многих стволовых/прогениторных кле ток [12]. Экспрессия функционального CXCR4 обнаружена на миосателлитах поперечнополосатой мускулатуры [19,20], примордиальных клетках гонад зародыша [21, 22], нейраль ных стволовых клетках [23], а также на предшественниках пигментных клеток сетчатки и на гепатоцитах [24, 25]. Известно, что ось SDF 1 CXCR4 регулирует миграцию и хо уминг пре В лимфоцитов (кроме того, CXCR4 является фактором роста пре В клеток) и Т лимфоцитов, а также эмбриональных стволовых клеток мыши [26]. CXCR4 экспрес сируется на глиальных клетках и нейронах, а SDF 1 выступает важным фактором роста астроцитов, стимулируя их проли ферацию [27].

Совсем недавно была обнаружена экспрессия CXCR4 на мультипотентных мезенхимных стромальных клетках (ММСК) костного мозга. На мембранах клеток он присут ствовал в очень незначительном количестве (им обладало от 1 % до 3% клеток), тем не менее, он играл определенную роль в их миграции: при блокировании CXCR4 моноклональ ными антителами, процент мигрировавших клеток снизился примерно на 50%. Интересно, что при этом от 83% до 98% ММСК содержали рецептор в цитоплазме, причём в двух формах: в «обычной» (весом 66 КДа) и в N гликозилиро ванной (весом 130 КДа). Функционально активна N гли козилированная форма, и при инактивации/расщеплении N терминального пептида рецептор, оказавшийся на мембране, теряет свою активность [28].

Несмотря на то, что клетки повреждённых тканей сек ретируют в большом количестве SDF 1, привлекая проге ниторные клетки, среда в зоне повреждения, богатая протеолитическими ферментами, такими, как сериновые протеазы, катепсин G, эластазы и матриксные металлопро теиназы, может нарушать нормальный хоуминг клеток, рас щепляя N терминальный пептид CXCR4. Предполагается, что нахождение способа стимуляции выхода внутриклеточ ного CXCR4 на мембрану клетки может стать ответом на вопрос, каким образом усилить хоуминг и миграцию МСК в костном мозге [28].

CXCR4 экспрессируют клетки ряда опухолей, таких как рабдомиосаркома, нейробластома, глиобластома, нефроб ластома, гепатобластома и ретинобластома. Хорошо разви тая система кровоснабжения костного мозга и экспрессия клетками стромы SDF 1 и ряда других хемоаттрактантов делает костный мозг «мишенью» для метастазов опухолей, экспрессирующих на своей поверхности CXCR4 [29 34]. Все эти опухоли развиваются из малодифференцирован ных мышечных, нейральных, клеток почечного эпителия, пигментных клеток сетчатки и гепатоцитов - это позволяет предположить, что их метастазы мигрируют именно по гра диенту SDF 1.

Гиперэкспрессия гена CXCR4 была обнаружена в более чем 75% опухолей различного происхождения, неполный список которых включает рак молочной железы, яичников, лёгких, кишечника, простаты, пищевода, почек, поджелудоч ной железы, меланому, некоторые формы лейкоза.

Клетки ряда опухолей секретируют молекулы, повыша ющие экспрессию CXCR4 и SDF 1. Например, клетки гли областомы, экспрессируя в больших количествах VEGF (vascular endothelial growth factor), стимулируют не только ангиогенез, но и экспрессию CXCR4, что позволяет опухоли активно метастазировать. Медиана выживаемости пациен тов с такой CXCR4+h'9h опухолью составляет менее одного года [35]. Экспериментальные животные, нокаутные по генам SDF 1 и CXCR4, погибают in utero, демонстрируя сильно сниженное количество гемопоэтических стволовых клеток в костном мозге. Эти животные имеют множественные по роки развития сердечно сосудистой системы и головного мозга [36, 37]. Такие последствия дефектов генов SDF 1 и CXCR4 предполагают ключевую роль миграционной оси SDF 1 CXCR4 в органогенезе и миграционных процессах самых различных клеток в норме и при патологии.

Регуляция миграционной оси SDF 1-CXCR4

Для лучшего понимания запуска SDF 1 CXCR4 сигна линга нужно отметить, что хемотаксис и хоуминг (по край ней мере, ГСК) зависит от содержания в мембранах клеток холестерина и включения в подвижные участки мембраны, обогащённые гликосфинголипидами, сфингомиелином и холестерином (рафты) CXCR4 и малой ГТФазы Rac 1 [38]. Такая близкая локализация рецептора и ГТФазы облегчает активацию Rac 1 и запуск дальнейшей последователь ности событий [39]. По этой причине CXCR4 может быть сенситизирован факторами лейкафереза/мобилизации, которые, повышая его ассоциацию с рафтами, позволяют ему более тонко реагировать на градиент SDF 1. Возмож но, именно этим объясняется то, что ГСК при мобилизации из костного мозга демонстрируют более высокую степень энграфтмента, чем ГСК пуповинной крови [38]. Препараты, нарушающие формирование липидных рафтов мембраны (например, полиеновые антибиотики) могут препятствовать метастазированию CXCR4^ опухолей, также как и агенты, нарушающие внутриклеточный синтез холестерина (напр., статины) (рис. 2).

В некоторых клетках CXCR4 сигналинг зависит от кон 100 нг/мл) SDF 1 усиливает миграцию Т лимфоцитов, в высоких же не только снижает, но и служит для клеток ре пеллентом [40]. Такая же закономерность выявляется и для CD34^ гемопоэтических клеток, способность которых к хоу мингу в костный мозг NOD/SCID реципиентов в присутствии высоких концентраций SDF 1 (50 мкг/106 клеток) заметно снижается [41, 42]. Предварительная инкубация клеток с SDF 1 или антителами к CXCR4 (в исследованиях исполь зовался клон 12G5) перед их трансплантацией реципиенту усиливает последующий ответ клеток на SDF 1 примерно вдвое, не влияя на пролиферацию и апоптоз. Это происходит благодаря тому, что предварительная инкубация с SDF 1 по вышает уровень фосфорилирования сигнальных молекул, стимулирует реорганизацию актинового цитоскелета и уве личивает адгезию клеток через молекулы VLA 4 и VCAM [43 45]. Обработка гемопоэтических клеток SDF 1 в тече ние двух трёх дней приводит к усилению активности метал лопротеиназ, а также повышает выживаемость. При этом SDF 1 никак не влияет на прохождение клетками клеточного цикла [46]. Возможно, такая зависимость от концентрации лиганда проявляется в результате работы различных сиг нальных механизмов, зависящих от разных концентраций SDF 1.

Функции SDF 1/CXCR4 осуществляются посредством

Считается, что SDF 1, связавшись с CXCR4, вызывает его димеризацию, как это происходит, например, в случае рецеп торов факторов роста [47]. После этого активированный комплекс CXCR4 SDF 1 быстро интернализуется (уходит в цитоплазму в составе мембранного пузырька) [48]. Интер нализованный CXCR4 может затем вновь выйти на поверх ность клетки и выполнять там свои функции. Установлено, что интернализацию комплекса SDF 1 CXCR4 можно ингиби ровать гепарином, ограничивающим количество доступного SDF 1, и липополисахаридом бактерий, который напрямую ингибирует контакт SDF 1 с рецептором [49]. Также интер нализация ингибируется при связи L селектина на поверх ности клетки с фукоиданом и сульфатидом, являющимися селектин связывающими лигандами [50]. Эндоцитоз CXCR4 может быть необходим не только для регуляции сиг налинга, но и для хемотаксиса и запуска МЕК МАРК р42/44 киназного каскада [33, 34].

При взаимодействии SDF 1 с его рецептором в клетке на короткое время возрастает опосредованная работой малой ГТФазы Rho концентрация Саа^, необходимая для перестройки цитоскелета (увеличения количества F актина в цитоплазме), формирования фокальных контактов и миграции.

Повышение концентрации Саа^ в клетке активирует про лин богатую киназу 2 (Рук 2), киназу фокальной адгезии (FAK), и ряд других значимых молекул, запуская сигнальные пути через МАРК p42/44-ELK 1 и PI ЗК AKT-NF кВ [52 55]. После связывания CXCR4 немедленно обнаруживается резкое повышение степени фосфорилирования компонен тов фокальной адгезии, МАРК р42/44 и серин треониновой киназы АКТ [56, 57].

CXCR4 сигналинг включает также активацию Ras (один из наиболее распространённых протоонкогенов) и несколь ких киназ семейства Src, в том числе ZAP 70 - молекулу, активирующую Т клетки. Некоторые могут активироваться, возможно, посредством трансфосфорилирования, незави могут вовлекаться транскрипционные факторы семейства STAT, которые далее тоже фосфорилируются киназами [58]. STAT белки, привлекаемые в процессе сигналинга, строго тканеспецифичны [47].

Существуют весомые аргументы в пользу того, что в мо дуляцию CXCR4 индуцированного сигналинга включены также протеин тирозиновые фосфатазы SHIP1 и SHIP2, а также гемопоэтическая мембран ассоциированная фосфа таза CD45 (рис. 3).

Нельзя забывать о том, что большинство механизмов про ведения сигнала в клетке многократно дублируется, и путь за пуска хоуминга и миграции клеток через связывание SDF 1 с CXCR4 - не исключение. Показано, что при ингибировании CXCR4 хоуминг ГСК не нарушается благодаря компенсациирина с VCAM 1 (при проведении схожих экспериментов с лей козными клетками было выяснено, что их хоуминг при блокаде CXCR4 нарушается). При блокировании же обоих этих ме ханизмов хоуминг клеток значительно снижался или практически отсутствовал. По видимому, других значимых «обходных путей» SDF 1/CXCR4 клетка не имеет [59].

На взаимодействие SDF 1 с его рецептором влияет мно жество факторов, в том числе и цитокиновое микроокружение клетки. Установлено, что воздействие SCF (Stem Cell Factor) повышает экспрессию CXCR4 клетками стромы костного моз га и усиливает миграцию по крайней мере с ИГ клеток.

Такие факторы, как анафилотоксин СЗа (фрагмент ток сина, расщепляющий СЗ компонент комплемента), desArgC3a (продукт расщепления СЗа карбоксипептидазой), фибронек тин, фибриноген, тромбин, VCAM 1, гиалуроновая кислота и сфингозин 1 фосфат усиливают хемотаксис CXCR4^ клеток по градиенту SDF 1 [49, 60, 61 ]. Из этого, опять же, следует, что ось SDF 1 CXCR4 в значительной степени регулирует ся соединениями, высвобождающимися при повреждении тканей (desArgC3a, СЗа анафилотоксин, фибронектин, гиалу роновая кислота), коагуляции крови (фибриноген, тромбин) и активации клеток (s VCAM 1, s ICAM 1). Воспаление тес но связано с прогрессией опухолей, что можно объяснить влиянием воспалительных молекул (СЗа, фибриногена, фибронектина, гиалуроновой кислоты) на усиление мета стазирования CXCR4* опухолей.

Подводя итог, заметим, что в настоящее время о сигналь ных путях в клетке можно с известной долей уверенности сказать, что «всё связано со всем»: функции белков разнооб разны, и часто один и тот же белок в зависимости от своего местонахождения в клетке может играть совершенно про тивоположные роли. Однако тонкая регуляция клеточных процессов обеспечивает дифференциальный запуск раз личных сигнальных путей, и в разных клеточных линиях за действуются разные молекулы.

Терапевтические подходы к воздействию на миграционную ось SDF 1 CXCR4

В связи с развитием методов клеточной терапии и необ ходимостью управления миграцией трансплантированных клеток, развиваются и представления исследователей о роли факторов хоуминга как в здоровом организме, так и при па тологии, в особенности при развитии опухолей. Помимо этого CXCR4 является корецептором для Т тройного вируса им мунодефицита человека (ВИЧ), взаимодействуя с белком ви русного капсида др120 и облегчая проникновение вириона в клетку хозяина, что также не может не привлекать повы шенного внимания к этой молекуле.

Сегодня CXCR4 - потенциальная мишень борьбы с опу холями. Доказано, что рецептор играет важную роль на всех стадиях прогрессии опухоли: пролиферации клеток первич ной опухоли, их метастазировании. Недавно компания Northwest Biotherapeutics (NWBT) на трёх моделях различ ных злокачественных опухолей провела клинические ис пытания нового моноклонального антитела к CXCR4. Эти исследования были призваны проверить, как повлияет бло када рецептора на течение заболевания. Результаты под твердили сильное влияние антител к CXCR4 на все стадии развития опухоли:

Медиана выживаемости удвоилась; 95% животных, уча ствовавших в эксперименте, прожили более чем 110 дней, при этом средняя выживаемость в контрольной группе не превышала 45 дней.

«Редко бывает так, что один белок играет важную роль на всех трёх функциональных стадиях развития раковых клеток, не говоря уже о его участии в течении нескольких различ ных видов рака», утверждает профессор Алтон Бойнтон (Alton Boynton) из Northwest Biotherapeutics, «CXCR4 пред лагает исключительную терапевтическую возможность как для предотвращения роста первичной опухоли, так и её метастазирования. И, что самое важное, эффект антител к CXCR4 коррелирует с заметным увеличением продолжитель ности жизни. Зачастую препараты, замедляющие опухоле вый рост, не увеличивают медиану выживаемости больных раком. Результаты доклинических испытаний моноклональ ных антител к CXCR4 позволяют нам начать первую фазу клинических испытаний» (62).

Гиперэкспрессия CXCR4 обнаруживается более чем в 75% опухолей различного типа. Более того, экспрессия CXCR4 коррелирует с низким уровнем выживаемости.

Компанией AnorMED Inc. был также разработан препарат AMD3100 - антагонист CXCR4. Этот агент предполагается использовать для мобилизации ГКС. При использовании AMD3100 совместно с ГКСФ наблюдается синергетический эффект. В настоящее время препарат завершает вторую фазу клинических испытаний (63).

Таким образом, миграционная ось SDF 1-CXCR4 за действуется при множестве типов опухолей и агенты, вли яющие как на лиганд, так и на рецептор, могут сыграть в будущем значительную роль в терапии злокачественных заболеваний.

Подняться вверх сайта