Эпителиально-мезенхимальный переход: молекулярная симфония для факторов транскрипции.
Автор: Александра Стеценко
Редакция: Максим Белов
Оформление: Cornu Ammonis

Когда я думаю об опухолевых клетках, то неизменно вспоминаю «Войну и мир»: мужественные командиры со своими солдатами, победные стратегии своих генералов и провальные походы противника (и наоборот), боевые подвиги и полное разорение, развороченное место недавнего боя и даже своеобразное метафоричное небо над Аустерлицем – не спешат больше бешено экспрессируемые белки на борьбу с диверсантами, защитные механизмы сдают оборону, а некоторые и вовсе переходят на сторону врага, и в звенящей от контузии тишине только мириады клеток разбредаются по организму, готовые создавать новые очаги, которые погубят его. Процесс перехода от мира к войне и наоборот это ведь тоже одна из форм пластичности, пластичности нашей жизни, переход от стабильного состояния к шаткому и неустойчивому, а затем закономерное возвращение к покою. Возможно, в этом и проявляются общие закономерности самой природы жизни, ведь к какому бы уровню организации живого мы ни обращались, всегда можно разглядеть общие фундаментальные идеи, указывающие на то, что все в этом мире взаимосвязано.

В части 1 мы с вами уже рассматривали основополагающие принципы, согласно которым протекает трансформация эпителиальных клеток в мезенхимальные. Обобщив, напомним себе, что как одна из форм эпителиальной пластичности, эпителиально-мезенхимальный переход (или трансформация, ЭМТ) включает в себя определенные изменения морфологии клеток эпителия, являющиеся отражением событий, происходящих на молекулярном уровне. Для эпителиальных клеток характерно наличие постоянных межклеточных контактов и адгезия с подлежащими клетками. Специализированные комплексы поверхностных белков эпителиоцитов формируют межклеточные контакты разных типов, благодаря чему поддерживается целостность эпителия. Все эти типы соединений клеток нам знакомы: субапикальные плотные контакты (tight junctions), адгезивные контакты (adherens junctions), десмосомы и хаотично разбросанные щелевые контакты (gap junctions) между латеральными поверхностями. Мезенхимальные же клетки, в отличие от эпителиальных, имеют непостоянную форму и не формируют подобных контактов друг с другом. Инициация ЭМТ влечет за собой разобщение вышеперечисленных соединений, поскольку задействованные в их формировании белки релокализуются либо подвергаются деградации. Разрывы плотных контактов в ходе ЭМТ сопровождаются снижением экспрессии клаудина и окклюдина, а также уменьшением количества белка zonula occludens 1 - ZO1 (белок плотных контактов, обозначается также как TJP1) в области межклеточных соединений. При дестабилизации адгезивных контактов Е-кадгерин подвергается разрушению в цитоплазматической мембране, что считается одним из решающих направляющих событий в развитии ЭМТ. Также экспрессия Е-кадгерина может быть снижена за счет метилирования промотора гена CDH1, мутаций или изменения обусловленной факторами транскрипции регуляции данного гена, ответственного за синтез Е-кадгерина, вследствие чего процесс транскрипции нарушается и синтезируемая мРНК обрывается. В итоге взаимодействие между Е-кадгерином и β-катенином, находящимся в цитоплазме и играющим роль проводника между трансмембранным кадгерином и актиновыми филаментами цитоскелета, более невозможно, и β-катенину грозит та же участь – разрушение. Однако он может избежать ее, например, если клетка реагирует на WNT-сигналинг, так как в этом случае β-катенин не фосфорилируется киназой гликогенсинтазы GSK-3β и локализуется в ядре, связываясь там с энхансерными факторами транскрипции TCF/LEF. Таким образом, вспоминая материал первой части, можно описать ЭМТ как процесс, в ходе которого полярные фиксированные эпителиальные клетки трансдифференцируются, приобретая характеристики подвижных мезенхимальных клеток.

Схема 1 | Типы ЭМТ в зависимости от фенотипа трансдифференцируемых клеток.
  1. Незрелые клетки эпителиального фенотипа, которые превращаются в мезенхимальные, из которых потом формируются клетки эпителия в участках, согласно программе гаструляции и миграции клеток нервного гребня.
  2. эпителиальные/эндотелиальные клетки заполняют интерстициальные пространства фибробластными клетками.
  3. ЭМТ как часть метастатического процесса при опухолевой прогрессии, когда эпителиальные клетки покидают первичный очаг, мигрируют и реконструируются во вторичную ткань.

Поддержание ЭМТ осуществляется за счет того, что экспрессия контактных белков транскрипционно снижается. Кроме того, в клетках позвоночных были обнаружены важные белковые комплексы – PAR (включает PAR6, PAR3 и атипичную протеинкиназу С – aPKC) и Crumbs-комплекс (представляет собой белок CRB, ассоциированный с Lin‑7 1 (PALS1) и связанным с ним белком плотных контактов – PATJ), расположенные в апикальной части и определяющие границы верхушечной области клетки за счет образования плотных контактов, а также Scribble-комплекс (включает в себя белки SCRIB, DLG и LGL), определяющий базолатеральный полюс клетки. Снижение экспрессии контактных белков препятствует взаимодействию данных белковых комплексов с мембранными структурами, как, например, подавление экспрессии Е-кадгерина становится причиной того, что SCRIB перестает связываться с базолатеральной мембраной, в результате чего клеточная подвижность только усиливается. Репрессия синтеза прочих белков полярности, как то CRB3 и LGL2, также вносит вклад в дестабилизацию эпителиального фенотипа. (см. Схему 3)

Схема 2.


Важно понимать, что в основе активации мезенхимального фенотипа лежит активность множества факторов транскрипции, которые изменяют генную экспрессию. В настоящем посте мы сконцентрируем внимание на основных регуляторах – транскрипционных факторах SNAIL, TWIST и ZEB – чья экспрессия активируется на самых ранних этапах ЭМТ. Вклад факторов транскрипции в развитие ЭМТ зависит от типа клеток и ткани, задействованных в реализации сигнальных каскадов, потенцирующих ЭМТ. Нередко регуляторы транскрипции оказывают взаимное влияние друг на друга и совершают кооперативную работу по воздействию на таргетные гены. Зачастую одни и те же факторы транскрипции отвечают как за репрессию генов эпителиальных клеток, так и за активацию генов, отвечающих за развитие мезенхимального фенотипа.

Среди транскрипционных факторов SNAIL в клетках позвоночных были идентифицированы SNAIL1 (SNAIL), SNAIL2 (SLUG) и SNAIL3 (Smuc), и все они являются непосредственными активаторами программы ЭМТ как во время физиологического развития организма, так и при фиброзе или опухолевых процессах. Экспрессия генов, обуславливающих основные морфо-функциональные свойства эпителиальных клеток, угнетается за счет связывания фактора транскрипции с мотивом цепи ДНК, называемым E‑box (5′-CANNTG-3′) и имеющимся в составе промоторов целевых генов, что возможно вследствие наличия в структуре транскрипционных факторов высококонсервативных доменов типа «цинкового пальца» на С-терминальном конце. Связываясь с участком E‑box в проксимальной области промотора гена Е-кадгерина, SNAIL1 рекрутирует белковый комплекс PRC2 и связывает его компоненты, благодаря наличию на N-терминальном конце эволюционно консервативного домена SNAG. В состав комплекса PRC2 входят метилтрансферазы гистонов (EZH2, G9a и SUV39H1), корепрессор SIN3A, гистоновые деацетилазы и лизин-специфическая деметилаза (LSD1). Как можно понять из названий, каждый из компонентов комплекса PRC2 направлен на координацию различных модификаций гистонов, в частности – метилирование и ацетилирование гистона H3 по 4-ому остатку лизина, 9-ому и 27-ому (H3K4, H3K9 и H3K27), причем метилирование одних участков препятствует транскрипции хроматина, тогда как ацетилирование этих же участков, напротив, является маркером доступности для осуществления транскрипции. Это крайне важный для понимания момент, поскольку промоторы генов, как и в случае гена Е-кадгерина, имеют обе метки сразу, – и метильную, и ацетильную – что позволяет своевременно активировать ген при поступлении активирующего сигнала и, в то же время, сохранять ген неактивным в отсутствие данного сигнала. Такой двойной контроль промотора гена Е-кадгерина, вероятно, является одой из причин обратимости ЭМТ. (см. Схему 2)

Схема 3.


Вспоминая содержание предыдущего поста, напомним себе, что запуск и поддержание ЭМТ становится возможным именно благодаря сигналам, исходящим из клеточного микроокружения, включая внеклеточный матрикс (коллаген, гиалуроновая кислота). Важную роль в регуляции ЭМТ играют разнообразные растворимые факторы, как, например, эпидермальный фактор роста (EGF), фактор роста фибробластов (FGF), фактор роста гепатоцитов (HGF), костные морфогенетические белки (BMPs), трансформирующий фактор роста бета (TGF-β), Notch, Wnt, фактор некроза опухоли альфа (TNF-α) и цитокины. Многие из перечисленных сигнальных молекул индуцируют и экспрессию транскрипционных факторов SNAIL, совершая тем самым еще больший вклад в эпителиально-мезенхимальную трансформацию. Например, рецепторные тирозинкиназы, активированные HGF, FGF или EGF, направляют сигналы по путям RAS-MAPK или PI3K-Akt, что в кооперации с деятельностью TGF-β ведет к активности SNAIL. При этом интересны взаимоотношения между TGF-β и SNAIL: изначально TGF-β индуцирует высокую экспрессию SNAIL, при этом SNAIL позволяет трансформирующимся злокачественным клеткам избегать супрессивного воздействия TGF-β (в частности, обеспечивает уклонение от TGF-β-опосредованного апоптоза), а на поздних стадиях и сам TGF-β становится перебежчиком на темную сторону и уже не подавляет развитие опухоли, а стимулирует ее прогрессию, побуждая активность SNAIL через Smad-зависимые пути.

Схема 4.
Белки, отвечающие за развитие эпителиального и мезенхимального фенотипа и их регуляция факторами транскрипции SNAIL, TWIST и ZEB в ходе ЭМТ.

В самом начале поста мы упоминали о взаимосвязи между сигнальным путем Wnt, репрессией гена Е-кадгерина и развитием ЭМТ. В этой взаимосвязи есть место и транскрипционным факторам SNAIL. Например, в клетках рака молочной железы каноничный путь Wnt запускает ЭМТ вследствие инициируемой экспрессии внутриклеточного белка Axin2, что стабилизирует уровень SNAIL, а потому, если исключить активность GSK-3β, то сигнальная передача от Wnt может становиться причиной индукции ЭМТ и последующего опухолевого метастазирования, поскольку активность β-катенина и SNAIL сохранится. Синергия в работе между SNAIL и β-катенином позволяет злокачественным клеткам выживать и распространяться также за счет того, что сигнал от Wnt, передаваемый через белки пути β-катенин/TCF4/Snail, приводит к ингибированию митохондриального дыхания, поскольку угнетается активность цитохромоксидазы COX, а также к гликолитическому переходу, так как клетка начинает усиленно потреблять глюкозу и продуцировать лактат.

Активации SNAIL зачастую вторит активность таких факторов транскрипции как ZEB, что нередко происходит под влиянием совместной деятельности SNAIL1 и TWIST1. Экспрессия ZEB точно так же повышается в ответ на сигналы TGF-β и Wnt, а также факторы роста, запускающие путь RAS-MAPK, что характерно и для регуляции SNAIL. В регуляции активности ZEB участвует и уже знакомый нам комплекс PRC2, который сумоилирует ZEB по окончании трансляции, что обуславливет локализацию данного фактора транскрипции в цитоплазме, в результате чего репрессия генов, вызванная ZEB, ослабевает.


Источники:

  1. Christofori G. Snail1 links transcriptional control with epigenetic regulation, 2010
  2. Wang, Shi, Chai, Ying, Zhou The Role of Snail in EMT and Tumorigenesis, 2014
  3. Zeisberg, Neilson Biomarkers for epithelial-mesenchymal transitions, 2009
  4. Lamouille, Xu, Derynck Molecular mechanisms of epithelial-mesenchymal transition, 2014