Ген NANOG
Автор: old.medach.pro

Mireia Mato Prado, Adam E Frampton, Justin Stebbing, Jonathan Krell

1.NANOG – транскрипционный фактор, играющий важную роль в поддержании плюрипотентности. 2.NANOG экспрессируется в опухолевых и эмбриональных стволовых клетках, отсутствует в здоровых взрослых клетках. NANOG нуждается в кооперации с другими транскрипционными факторами, такими как SOX2 и OCT4, для регуляции опухолевого роста и процесса метастазирования. 3.В большинстве солидных опухолей повышенная экспрессия NANOG связана с карциногенезом, повышением клеточной инвазии и резистентностью к противоопухолевым лекарственным средствам. 4.NANOG может выступать в роли биомаркера для обнаружения рака на ранних стадиях и/или определения выживаемости.

ВВЕДЕНИЕ

NANOG – человеческий ортолог мышиного гена Nanog, являющийся членом семейства гомеобокса ДНК-связывающих транскрипционных факторов. NANOG играет важную роль в поддержании плюропотентности и способности к самообновлению человеческих эмбриональных стволовых клеток . Чамберс и др. впервые обнаружили этот транскрипционный фактор и назвали его в честь мифического кельтского острова вечной юности – Тир на Ног. Их исследования были направлены на сравнение маркерных экспрессирующихся последовательностей (МЭП; ESC – expressed sequence tag) у мышей и в различных соматических тканях. Помимо этого, они также обнаружили этот ген в мышиных клетках эмбриональной карциномы. NANOG – транскрипционный фактор, являющийся частью сложной регуляторной сети, а его функция основана на контроле клеточной смерти и пролиферации клеток. Известно, что NANOG экспрессируется в опухолевых стволовых клетках (ОСК) и в эмбриональных стволовых клетках (ЭСК). ОСК способны регулировать самообновление,  дифференцировку опухолевой ткани и запускать канцерогенез. NANOG, в свою очередь, способствует поддержанию их способности к пролиферации. Помимо этого, ряд исследований показал, что белок NANOG очень активно экспрессируется в опухолевых тканях, в отличие от нормальных, где его экспрессия находится на очень низком уровне . Этот короткий обзор расскажет о структуре, экспрессии и о функциях гена NANOG. Также будут затронуты его роли в туморогенезе, прогнозировании рака и в противоопухолевой терапии.

СТРУКТУРА NANOG

Как у людей, так и у мышей ген Nanog расположен на коротком плече 12 хромосомы (12p13), «горячей точке», которая очень часто подвергается дупликации и амплификации в человеческих опухолях из зародышевой линии, особенно в опухолях из мужских зародышевых клеток. Человеческий и мышиный ген Nanog кодирует белок, состоящий из 305 аминокислот. Интересно, что при сравнении 60 аминокислот  в гомеодомене мышиного и человеческого белка NANOG, сходство обнаруживается в 87%. Кроме того, в соответствии с исследованиями Харта и др, последовательность гена, его структура и экспрессия эволюционно консервативны. Это указывает на возможную способность гена поддерживать плюрипотентность как человеческих, так и мышиных клеток. Человеческий белок NANOG можно разделить на три различных региона: N-концевой домен, богатый серином и треонином (аминокислоты 1-95); центральный, или гомеобокс-домен, связывающийся с ДНК (аминокислоты 95-155); и С-концевой домен (СД) содержащий аминокислоты 156-305. Этот последний домен демонстрирует сильную постактивационную деятельность и содержит повторяющиеся последовательности триптофана (WR), участвующие в димеризации белка. Зоны, расположенные выше и ниже WR-последовательностей, называются СД1 и СД2, соответственно. N-терминальный конец транскрипционно активен, его структура очень строго регулируется через фосфорилирование серина, треонина и пролина, а также и другими пострансляционными модификациями, которые тоже могут контролировать это фосфорилирование. Кроме того, и N, и СД содержат последовательности ядерной локализации. Кроме человеческого гена NANOG было также идентифицировано 11 псевдогенов NANOG (от NANOGP1 до NANOGP11), чьи последовательности более чем на 90% идентичны гену NANOG. Примечательно, что у этих псевдогенов отсутствуют интрон-экзоновые повторы и вместо этого они имеют непрерывную NANOG-последовательность с 3’-поли(A)-хвостами, кроме этого, они отличаются от NANOG структурой промоторов. Однако, только NANOGP8 обладает функционально открытой рамкой считывания для транскрипции и трансляции белка NANOG. Этот псевдоген локализован на 15-ой хромасоме. Единственное различие между NANOGP8 и NANOG – в одной аминокислоте, замене Q253H, в C-концевом трансактиваторном домене. Интересно, что NANOGP8 экспрессируется при некоторых видах рака и, видимо, способствует проявлению некоторых опухолевых особенностей.

ФУНКЦИИ NANOG

Пока NANOG находится в ЭСК, он не играет роли классического онкогена, но его кооперация с другими факторами или молекулами может привести к опухолегенной активности и модуляции процессов малигнизации и метастазирования. Действительно, Лю и др. показали, что ген NANOG не способен привести к опухолевому росту в одиночку, но при его ненормальной коэкспрессии с онкогеном WNT1 в эпителиальных клетках молочной железы наблюдается запуск онкогенеза и увеличивается миграция и инвазия опухолевых клеток. Белковый комплекс, состоящий из SOX2 и OCT4 (двух транскрипционных факторов, играющих важнейшую роль в поддержании плюрипотентности и способности к самообновлению ЭСК), запускает экспрессию NANOG (рисунок 1) и экспрессию других генов плюрипотентности. Например, если OCT4 и SOX2 ингибированы, экспрессия NANOG уменьшается, что указывает на связь этих двух факторов с промотором гена NANOG. Было показано, что NANOG требуется на более позднем этапе эмбрионального развития, чем OCT4. Интересно, что p53 может блокировать экспрессию NANOG посредством прямого связывания с его промотором после повреждения ДНК (рисунок 1). Параньяп и др. показали взаимосвязь между Bm1, другим регуляторным фактором стволовых клеток, и уровнем экспрессии NANOG при некоторых видах рака молочной железы. Их исследования продемонстрировали потенцирующее влияние Bm1 на экспрессию NANOG, что частично может быть объяснено активацией сигнального пути ядерного фактора κB в эпителиальных клетках молочной железы. Mw8N13b6L8k NANOG является следующим после OCT4 фактором транскрипции и регулирует важнейшие молекулярные эффекторы, которые определяют дальнейшую судьбу стволовой эмбриональной клетки, играют роль в поддержании ее плюрипотентности и способности к самообновлению. SOX2 и OCT4 активируют экспрессию NANOG, в то время как p53 ингибирует этот процесс. Более того, NANOG может индуцировать эпителиально-мезенхимальный переход (ЭМП), путем регулирования Slug и Snail, а последний, в свою очередь, также оказывает влияние на NANOG, что связано с трансформирующим ростовым фактором β1. Клеточная пролиферация и инвазия могут меняться под прямым воздействием NANOG на промотор циклина D1, а также через активацию NODAL/SMAD3 пути. NF-κB - ядерный фактор κB Эпителиально-мезенхимальный переход (ЭМП) – это cложный клеточный процесс, возникающий в результате разрушения контактов между клетками и изменения клеточной морфологии, приводящий к миграции клеток и их внедрению в другие ткани. NANOG играет важнейшую роль в ЭМП, что было показано на клетках колоректального рака. Данные клетки имели повышенный уровень трансформирующего ростового фактора  β1, выработка которого была индуцирована экспрессией NANOG. Последний, в том числе, вызывает транскрипцию Snail и экспрессию Slug, которые являются важными регуляторами ЭМП. Интересно, что Snail может так же влиять на уровень экспрессии NANOG. NANOG способен модулировать клеточную пролиферацию и инвазию опухолевых клеток (рисунок 1). NANOG может связываться с промоторами сотен различных генов и регулировать уровень их экспрессии по пока неизученным механизмам. Их уточнение требует проведения дополнительных исследований. Кроме того, ведется спор о клеточной локализации NANOG-белка. В одном из исследований была показана экспрессия NANOG в ядре, в то время как другие наблюдали только его небольшое внутриядерное накопление. Еще одно исследование обнаружило содержание NANOG главным образом в цитоплазме, а также в других отделах клетки. Функция NANOG в этих клеточных компартментах нуждается в дальнейшем исследовании. >

NANOG И РАКОВЫЕ СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ

Экспрессия NANOG наблюдается на ранней стадии развития эмбриона и в линии стволовых зародышевых клеток. Тем не менее, некоторые исследования показали повышенный уровень экспрессии в различных типах рака, в сравнении с низким или нулевым уровнем в здоровых тканях. NANOG - хорошо известный маркёр стволовых клеток, входящий в состав сложной регулирующей системы, которая координирует дифференцировку и самообновление стволовых эмбриональных клеток, поддерживая их плюрипотентность на ранних стадиях развития эмбриона. Недостаток NANOG в течение эмбриогенеза летален и ведет к изменению дифференцировки (эндодерма-подобные клетки) в ЭСК. Таким образом, данный ген играет важную роль в биологии стволовых клеток млекопитающих. Поскольку NANOG экспрессируется во время развития эмбриона, но редко наблюдается во взрослых тканях, можно предположить, что высокий уровень пролиферации в раковых клетках связан с реактивацией этих молекулярных механизмов. Таким образом, NANOG имеет важнейшее значение в регуляции онкогенеза путем повышения способности к самообновлению.

Е-КАДГЕРИН ПРИ РАКЕ

NANOG ПРИ РАКЕ МОЛОЧНОЙ ЖЕЛЕЗЫ

На сегодняшний день медицина достигла больших успехов в ранней диагностике и лечении рака молочной железы, и главной проблемой теперь является контроль над распространением опухоли. Ряд исследований показал, что NANOG обладает высоким уровнем экспрессии в большинстве опухолей молочной железы, и эта экспрессия связана с ОСК-подобными свойствами, опухолевой агрессивностью  и резистентностью к гормональным и химиотерапевтическим агентам. Кроме того, пациенты с высокой экспрессией NANOG имели низкие показатели полного выздоровления и общей выживаемости. Действительно, Ванг и др. показали, что высокий уровень NANOG  и OCT4 связан с агрессивностью опухоли и обуславливает плохой прогноз у пациентов с раком молочной железы. Данная коэкспрессия ассоциирована с метастазированием в лимфатические узлы, экспрессией мезенхимальных маркеров и увеличением инвазивности ОСК. Поэтому, их можно использовать в качестве биомаркеров ранних стадий рака молочной железы и в качестве таргетных мишеней для противоопухолевых агентов, ингибирующих опухолевый рост и помогающих преодолеть резистентность к химиотерапии.

NANOG ПРИ КОЛОРЕКТАЛЬНОМ РАКЕ

У многих пациентов диагностика колоректального рака осуществляется только на поздних стадиях, когда уже присутствуют отдаленные метастазы. Показано, что гиперэкспрессия NANOG в клетках колоректального рака приводит к появлению более выраженного мезенхимального фенотипа и к свойствам, обеспечивающим миграцию клеток в другие ткани. Клинически это связано с более низкой безрецидивной выживаемостью. Экспрессия NANOG коррелирует с наличием метастазов в лимфатических узлах и увеличением стадии в классификации Дьюка. Кроме того, экспрессия NANOG имеет линейную зависимость с развитием печеночных метастазов, и, следовательно, может использоваться как прогностический маркер. Неудивительно, что при применении сайленсеров (“глушителей”) NANOG наблюдалось снижение сферообразования, опухолевого роста и замедление клеточного цикла в клетках колоректального рака.

NANOG ПРИ РАКЕ ЛЕГКОГО

На сегодняшний день еще очень мало информации о том, как NANOG функционирует в клетках, подобных опухолевым стволовым клеткам, при раке легкого. Тем не менее, установлено, что гены NANOG и OCT4 играют важнейшую роль в развитии опухолей из легочной ткани и в их метастазировании. Для уточнения механизмов этих процессов необходимо проведение дополнительных исследований.

NANOG ПРИ РАКЕ ПОДЖЕЛУДОЧНОЙ ЖЕЛЕЗЫ

Панкреатическая протоковая аденокарцинома (ППАК) очень агрессивна и очень рано дает метастазы, что значительно ограничивает возможности терапии. На сегодняшний день имеется ряд исследований, связывающих панкреатические ОСК с транскрипционными факторами эмбриональных стволовых клеток (SOX2,OCT4 и NANOG) и показывающие их роль в развитии ППАК. Было предположено, что высокий уровень NANOG, в ассоциации с OCT4, связан с ранними стадиями развития рака поджелудочной железы. Совсем недавно другое исследование подтвердило, что транскрипционные факторы ЭСК играют ключевую роль в панкреатическом туморогенезе, включая развитие опухоли, ее инвазию и резистентность к лекарственным средствам. Это говорит о том, что NANOG и OCT4 могут использоваться как биомаркеры при ППАК. Тем не менее, их роль и конкретные механизмы воздействия до конца не выяснены. Последующие исследования позволят решить эти вопросы и, возможно, откроют новый путь в персонализированной терапии.

NANOG ПРИ РАКЕ ПРОСТАТЫ

Несколько типов раковых клеток имеют пониженную способность к трансформации в опухолевые клетки при потере гена NANOG. Недавно было показано что гиперэкспрессия NANOG способствует экспрессии и других молекул, включая BCL-2, IGFBP-5 и CXCR4, что делает клетки нечувствительными к андрогеновой депривации.  Таким образом, NANOG может быть мишенью для таргетной противоопухолевой терапии для лечения андроген-резистентных опухолей простаты. Однако молекулярные механизмы, лежащие в основе выживания клеток, туморогенеза и химиотерапевтической резистентности, до конца не ясны.

Оригинал статьи

Перевод: Яценко Антон, e-mail:[email protected]

ССЫЛКИ:

  1. Booth HA, Holland PW. Eleven daughters of NANOG. Genomics 2004;84:229–38.
  2. Hart AH, Hartley L, Ibrahim M, et al. Identification, cloning and expression analysis of the pluripotency promoting nanog genes in mouse and human. Dev Dyn 2004;230:187–98.
  3. Chambers I, Colby D, Robertson M, et al. Functional expression cloning of Nanog, a pluripotency sustaining factor in embryonic stem cells. Cell 2003;113:643–55.
  4. Mitsui K, Tokuzawa Y, Itoh H, et al. The homeoprotein nanog is required for maintenance of pluripotency in mouse epiblast and ES cells. Cell 2003;113:631–42.
  5. Sun AX, Liu CJ, Sun ZQ, et al. NANOG: a promising target for digestive malignant tumors. World J Gastroenterol 2014;20:13071–8.
  6. Palla AR, Piazzolla D, Abad M, et al. Reprogramming activity of NANOGP8, a NANOG family member widely expressed in cancer. Oncogene 2014;33:2513–19.
  7. Hart AH, Hartley L, Parker K, et al. The pluripotency homeobox gene NANOG is expressed in human germ cell tumors. Cancer 2005;104:2092–8.
  8. Jauch R, Ng CK, Saikatendu KS, et al. Crystal structure and DNA binding of the homeodomain of the stem cell transcription factor Nanog. J Mol Biol 2008;376:758–70.
  9. Jeter CR, Yang T, Wang J, et al. NANOG in cancer stem cells and tumor development: an update and outstanding questions. Stem Cells 2015.
  10. Lu X, Mazur SJ, Lin T, et al. The pluripotency factor nanog promotes breast cancer tumorigenesis and metastasis. Oncogene 2014;33:2655–64.
  11. Herreros-Villanueva M, Bujanda L, Billadeau DD, et al. Embryonic stem cell factors and pancreatic cancer. World J Gastroenterol 2014;20:2247–54.
  12. Wen J, Park JY, Park KH, et al. Oct4 and Nanog expression is associated with early stages of pancreatic carcinogenesis. Pancreas 2010;39:622–6.
  13. Loh YH, Wu Q, Chew JL, et al. The Oct4 and Nanog transcription network regulates pluripotency in mouse embryonic stem cells. Nat Genet 2006;38:431–40.
  14. Lin T, Chao C, Saito S, et al. p53 induces differentiation of mouse embryonic stem cells by suppressing Nanog expression. Nat Cell Biol 2005;7:165–71.
  15. Paranjape AN, Balaji SA, Mandal T, et al. Bmi1 regulates self-renewal and epithelial to mesenchymal transition in breast cancer cells through Nanog. BMC Cancer 2014;14:785.
  16. Meng HM, Zheng P, Wang XY, et al. Overexpression of nanog predicts tumor progression and poor prognosis in colorectal cancer. Cancer Biol Ther 2010;9:295–302.
  17. Han J, Zhang F, Yu M, et al. RNA interference-mediated silencing of NANOG reduces cell proliferation and induces G0/G1 cell cycle arrest in breast cancer cells. Cancer Lett 2012;321:80–8.
  18. Sun C, Sun L, Jiang K, et al. NANOG promotes liver cancer cell invasion by inducing epithelial-mesenchymal transition through NODAL/SMAD3 signaling pathway. Int J Biochem Cell Biol 2013;45:1099–108.
  19. Ishiguro T, Sato A, Ohata H, et al. Differential expression of nanog1 and nanogp8 in colon cancer cells. Biochem Biophys Res Commun 2012;418:199–204.
  20. Nagata T, Shimada Y, Sekine S, et al. Prognostic significance of NANOG and KLF4 for breast cancer. Breast Cancer 2014;21:96–101.
  21. Jeter CR, Badeaux M, Choy G, et al. Functional evidence that the self-renewal gene NANOG regulates human tumor development. Stem Cells 2009;27:993–1005.
  22. Jeter CR, Liu B, Liu X, et al. NANOG promotes cancer stem cell characteristics and prostate cancer resistance to androgen deprivation. Oncogene 2011;30:3833–45.
  23. Huang Z, You J, Luo W, et al. Reduced tumorigenicity and drug resistance through the downregulation of octamer-binding protein 4 and Nanog transcriptional factor expression in human breast stem cells. Mol Med Rep 2015;11:1647–54.
  24. Wang D, Lu P, Zhang H, et al. Oct-4 and Nanog promote the epithelial-mesenchymal transition of breast cancer stem cells and are associated with poor prognosis in breast cancer patients. Oncotarget 2014;5:10803–15.
  25. Xu F, Dai C, Zhang R, et al. Nanog: A potential biomarker for liver metastasis of colorectal cancer. Dig Dis Sci 2012;57:2340–6.
  26. Zhang J, Espinoza LA, Kinders RJ, et al. NANOG modulates stemness in human colorectal cancer. Oncogene 2012;32:4397–405.
  27. Chiou SH, Wang ML, Chou YT, et al. Coexpression of Oct4 and Nanog enhances malignancy in lung adenocarcinoma by inducing cancer stem cell-like properties and epithelial-mesenchymal transdifferentiation. Cancer Res 2010;70:10433–44.
  28. Lu Y, Zhu H, Shan H, et al. Knockdown of Oct4 and Nanog expression inhibits the stemness of pancreatic cancer cells. Cancer Lett 2013;340:113–23