Cancer stem cells and their potential roles in tumor heterogeneity are currently subjects of intense investigation. Studies suggest that these cells may develop from any normal cell and have begun to elucidate their molecular profiles. The percentage of a tumor composed of cancer stem cells varies greatly, and researchers believe that multiple types of these cells may exist in a single neoplasm. Cancer stem cells may be formed by epithelial–mesenchymal transition and seem to be less prevalent in metastases than in corresponding primary tumors. These cells appear to have therapeutic sensitivities different from those of cancer cells with more differentiated features. Looking into the many questions that remain about the cancer stem cells model might lead to more effective cancer prevention, diagnosis, and treatment.
Reciprocal regulation of Akt and Oct4 promotes the self-renewal and survival of embryonal carcinoma cells. Y. Lin, Y. Yang, W. Li, Q. Chen, J. Li, X. Pan, L. Zhou, C. Liu, C. Chen, J. He, H. Cao, H. Yao, L. Zheng, X. Xu, Z. Xia, J. Ren, L. Xiao, L. Li, B. Shen, H. Zhou, Y.-J. Wang, Mol. Cell 48, 627–640 (2012)
Embryonal carcinoma cells (ECCs) являются стволовыми клетками, происходящими из тератокарцином и в качестве таковых являются злокачественными экземплярами эмбриональных стволовых клеток (ESCs). Oct4 это транскрипционный фактор, который играет роль в плюрипотентности и самообновлении как ESCs, так и ECCs. Авт. исследовали регуляцию Oct4 в ECCs. Биоинформационный анализ выявил сайт потенциального фосфорилирования в Oct4 для киназы Akt. Akt фосфорилирует Oct4 в in vitro киназной проверке. В ECCs человека, эндогенный Oct4 локализуется совместно с Akt в ядре и Akt совместно иммунопреципитируется с Oct4 из лизатов ECC человека и мыши. Western блоттинг лизатов человеческих ECCs, обработанных циклогексемидом и экспрессирующих дикий тип, воспроизводящих фосфорилирование мутантов или мутантов с нарушенным фосфорилированием показал, что фосфорилирование стабилизирует Oct4. Скорость деградации Oct4 снижалась после предварительной обработки клеток протеосомным ингибитором MG132 и повышалась после предварительной обработки с помощью Akt ингибитора. Дикого типа Oct4 совместно иммунопреципитировался с фактором плюрипотентности Sox2 в мышиных ECCs, но не в мышиных ECCs, предварительно обработанных Akt ингибитором. Electrophoretic mobility shift assays (EMSAs) и chromatin immunoprecipitation (ChiP) показали, что в присутствии Sox2, белок pOct4 преимущественно связывается с промоторными регионами своего собственного гена и генов, кодирующих факторы плюрипотентности Sox2 и Nanog. Однако не фосфорилированный Oct4 преимущественно связывался с промотором Akt. Нокдаун Oct4 в ECCs человека снижал концентрацию мРНК Nanog и Oct4, но увеличивал концентрацию мРНК Akt, подтверждая, что Oct4 функционирует в качестве специфического для промоторов транскрипционного энхансера или репрессора. ECCs человека, трансфицированные Oct4-T235D, симулирующего фосфорилирование, не подвергаются апоптозу, индуцируемому УФЛ, как это с готовностью происходит в ECCs человека, трансфицированных дикого типа Oct4, а предварительное воздействие Akt ингибитора увеличивает количества клеток дикого типа, которые подвержены индуцируемому УФЛ апоптозу. Ксенотрансплантаты мышей, инокулированные мышиной линией ECC клеток, которые обнаруживают высокую концентрацию pOct4, имеют более крупные опухоли, чем мыши, инокулированные ECCs, которые содержат низкую концентрацию pOct4. Итак, эти результаты подтверждают модель, в которой с помощью Akt фосфорилирование Oct4 предупреждает деградацию Oct4; способствует транскрипции факторов стволовых клеток, включая Oct4; и снижает Oct4-обусловленную репрессию экспрессии Akt.
Рисунки к статье
|
Декады научных поисков и клинических наблюдений выявили многое о раке [1-3]. Это заболевание возникает, когда одиночная клетка накапливает множественные мутации, которые вместе управляют неконтролируемой пролиферацией, резистентностью к апоптозу и др. признаками злокачественности. Раковые клетки в опухолях подвергаются дополнительным генетическим и эпигенетическим изменениям и взаимодействуют со своими индивидуальными микроусловиями, приводя к постоянно изменяющемуся разнообразию типов опухолевых клеток внутри одиночного новообразования. Этот сдвиг внутриопухолевой гетерогенности, который, как предполагается, обусловлен также постоянным отбором доминантных клонов [4] и дифференцировкой злокачественных стволовых клеток [5], лежит в основе прогрессирования опухолей и резистентности к лечению и приводит к внутриопухолевой гетерогенности. На базе своей всеобщей природы опухоли могут быть расклассифицированы по органам происхождения, типу ткани, фенотипическому субтипу и стадии прогрессирования.
Недавно исследование 'cancer stem cells' стало популярной областью раковых исследований (Table 1). По определению раковые стволовые клетки являются субнабором раковых клеток со способностью, подобной стволовым клеткам, давать все типы раковых клеток, обнаруживаемые в опухоли, которые могут включать клетки с довольно дифференцированными признаками [6]. они не обязательно происходят из нормальных стволовых клеток и неясно обладают ли они вообще способностью дифференцироваться или др. характеристиками нормальных стволовых клеток. Т.о., название "cancer stem cell" является отражением скорее фенотипа, подобного стволовым клеткам, чем стволовости (stemness). Идея, что трансформированные стволовые клетки являются источником рака, предположена свыше ста лет тому назад [7], но раковые стволовые клетки впервые были идентифицированы только в 1994, когда исследователи установили, что популяция очищенных клеток острой миэлоидной лейкемии, экспрессирующих определенные маркеры клеточной поверхности, может эффективно формировать опухоли, будучи инъецированной мышам. тогда как др. клетки из популяции из выборки того же самого рака не могут этого[8]. Затем используя этот подход были идентифицированы раковые стволовые клетки в опухолях из многих органов, включая грудь, головной мозг, простату, поджелудочную железу, голову и шею, толстую кишку, легкие, кожу, печень и яичники[9-18].
Благодаря своей способности инициировать опухоли раковые стволовые клетки, как полагают, играют роль в онкогенезе, опухолевом росте, метастазировании и повтором появлении рака.
Cancer stem cells in oncogenesis
Раковые стволовые клетки скорее всего участвуют в онкогенезе, т.к. первые раковые клетки д. давать все остальные типы раковых клеток, но из каких клеток они происходят и каковы их точные молекулярные профили, неясно (Figure 1a).
Figure 1. A current view of the cancer stem cells model, part 1. (a) Adult stem cells, progenitor cells, or differentiated cells may acquire the multiple genetic and epigenetic alterations required to become the cancer stem cell (CSC) involved in oncogenesis. This cancer-initiating cell may share some characteristics with the adult stem cells residing in the organ in which they are created, either because they originate from these cells or because they gain the properties of them. (b) During tumor growth, any cancer cell may develop new genetic or epigenetic alterations or be affected by the microenvironment, resulting in its change to a new type of cancer stem cell. The different cancer stem cells in a tumor will develop clonal cell populations of different sizes containing cancer stem cells and differentiated cells to varying degrees. The total percentage of a tumor that is made up of cancer stem cells may determine its subtype and associated clinical outcome. Взрослые стволовые клетки, их производные клетки предшественники или более дифференцированные клетки могут стать раковыми стволовыми клетками, чтобы начался рак. Взрослые стволовые клетки присутствуют практически во всех тканях [19], и они являются долгоживущими и они скорее всего, чем др. клетки могут приобретаит множественные мутации, необходимые, чтобы стать раковыми. Большинство раковых стволовых клеток экспрессируют маркеры, ассоциированные со взрослыми стволовыми клетками, такие как CD133 [20] и ALDH1 [21]. Раковые стволовые клетки и нормальные стволовые клетки также, по-видимому, обладают общими эпигенетическими профилями [22], профилями генной экспрессии [23o] и активированными сигнальными путями, такими как Notch, Hedgehog и Wnt [24]. При острой миэлоидной лейкемии клетки предшественники могут приобретать мутации, необходимые, чтобы стать раковыми стволовыми клетками, т.к. эти клетки фенотипически сходны с клетками предшественниками [25]. Дифференцированные клетки, которые мутируют, также могут приобретать свойства клеток предшественников или стволовых клеток и могут быть клетками, из которых возникают раковые стволовые клетки. Возможно, что взрослые стволовые клетки могут приобретать первыми генетические и эпигенетические изменения и что дополнительные мутации могут накапливаться в предшественниках или более дифференцированных дочерних клетках [26]. Точный источник клеток, приобретаемые генетические и эпигенетические альтерации и микросредовые влияния, которые комбинируются, чтобы возникли раковые стволовые клетки, скорее всего и предопределяют, какие маркеры раковые стволовые клетки экспрессируют и какого типа опухоль возникнет из них.
Неясно, сохраняют ли раковые стволовые клетки все свои характеристики по мере развития опухоли; поэтому раковые стволовые клетки, очищенные из опухолей человека, могут быть не идентичными тем, которые присутствовали при более раннем развитии опухоли. Т.о., точные молекулярные профили и др. характеристики раковых стволовых клеток, участвующие в онкогенезе, неясны. Поскольку маркерные белки появляются на клеточной поверхности, то таковые д. наблюдаться на раковых стволовых клетках из многих типов тканей, такие как CD133 и CD44, скорее всего они являются настоящими маркерами раковых стволовых клеток, участвующих в онкогенезе, что объясняет их воспроизводимость их присутствия на раковых стволовых клетках. Однако эти маркеры могут вместо этого отражать способность определенных клеток переживать процедуру очистки или инициировать опухолевый рост у мышей. Большинство исследователей отмечает ограничения подхода инъекций мышам, используемого для идентификации раковых стволовых клеток: раковые клетки человека трансплантируются в определенное место специфического типа нормальным мышам без потенциально важных акцессорных клеток и при нарушенной или несовместимой иммунной системе[27-29].
Cancer stem cells in tumor growth
Раковые стволовые клетки, как полагают, участвуют в опухолевом росте, но участие ряда определенных типов раковых стволовых клеток в этом процессе и значение разных процентов раковых стволовых клеток, обнаруживаемых в опухолях, неясно (Figure 1b).
Более одной популяции раковых стволовых клеток, скорее всего, участвует в жизни опухоли. Т.к. раковые клетки постоянно эволюционируют посредством возникновения новых генетических и эпигенетических изменений и благодаря влиянию их микроусловий, то любая из них может потенциально стать раковой стволовой клеткой [30o]. Также раковые стволовые клетки сами по себе могут приобретать новые изменения, как это показано для лейкемичных раковых стволовых клеток, которые испытывают перестройки своих иммуноглобулиновых H генов[31oo]. Новые раковые стволовые клетки могут в конце становиться больше, меньше или одинаково распространенными в качестве оригинальных раковых стволовых клеток в опухоли, в которой они находятся. Паттерны мутаций, обнаруживаемых в различных регионах одиночной опухоли, показывают, что имеются множественные популяции клональных раковых клеток, некоторые из которых могут быть раковыми стволовыми клетками. Использование множества различных маркеров для изоляции раковых стволовых клеток может отражать разнообразие этих клеток. Многие популяции туморогенных клеток скорее всего пропускаются из-за способа, с помощью которого идентифицируются раковые стволовые клетки, включая тот факт, что выборки опухолевой ткани могут быть в целом не репрезентативными [32].
Опухоли, по-видимому, варьируют в отношении процента раковых стволовых клеток, которые они содержат, описанные значения варьируют от 0.03% [25] до почти 100% [53]. Этот процент скорее всего детерминируется определенными характеристиками раковых стволовых клеток, которые инициируют рак, а также микроусловиями, частично за счет того, как часто создаются дополнительные раковые стволовые клетки. Важно, что способ осуществления, с помощью которого метод инъекции мышам, используемый для идентификации раковых стволовых клеток, может существенно влиять на подсчеты количества раковых стволовых клеток в опухоли ([53]; JE Dick, unpublished). Степень, с которой профили экспрессии раковых стволовых клеток обнаруживаются в данных по экспрессии генов во всей опухоли, по-видимому, коррелируют с прогнозами у пациентов [[23o] и [33]], указывая тем самым, что процент раковых стволовых клеток в опухоли может представлять их опухолевый субтип или стадию прогрессирования с большим количеством раковых стволовых клеток, соответствующих плохому клиническому исходу. Присутствие высокго количества раковых стволовых клеток может указывать на высокую скорость пролиферации этих клеток, на более генетически нестабильную опухоль, отсутствие в ней дифференцировки возможно благодаря неспособности давать более дифференцированное потомство или на их селективные преимущества при определенных микросредовых условиях, таких как присутствие противораковой терапии.
Cancer stem cells in metastasis
Раковые стволовые клетки, по-видимому, участвуют в метастазировании, т.к. это связано с образованием новых опухолей, но качественные особенности определенных участвующих клеток и механизмы, с помощью которых они заселяют метастазы, неясны. (Figure 2a).
Figure 2. A current view of the cancer stem cells model, part 2. (a) Metastasis might be carried out by the original cancer stem cells in a tumor or by a new cancer stem cell population, with or without additional cancer cells. The new cancer stem cells might be formed by EMT. In metastases, microenvironmental influences shift the cell population toward a more differentiated phenotype. (b) Cancer stem cells in particular are resistant to some types of therapy, such as radiation, resulting in cancer recurrence. However, these cells are sensitive to other types of therapy, such as the drug lapatinib. Such treatments may kill cancer stem cells directly or through indirect effects on other cells that support their survival.
Имеется несколько предположений относительно того, как раковые стволовые клетки могут участвовать в метастазировании. Во-первых, исходные раковые стволовые клетки, которые инициируют первичную опухоль могут делать это, приводя к тому, что первичная и метастатические опухоли эволюционируют параллельно скорее, чем как последовательный процесс. Во-вторых, новый тип раковых стволовых клеток, происходящих из первых или из др. клеток в опухоли, который приобретает метастатические признаки, может быть задействован. Благодаря дополнительным генетическим или эпигенетическим альтерациям эти клетки могут приобретать селективные преимущества над исходными раковыми стволовыми клетками или могут становиться более инвазивными, чем исходные и поэтому метастазируют с легкостью. Формирование таких 'metastatic cancer stem cell' может наблюдаться как epithelial-mesenchymal transition (EMT). EMT часто наблюдается на инвазивном крае опухолей и, как полагают, играет роль в некоторых формах метастазов [31oo]. Более того, недавно было установлено, что EMT наделяет клетки свойствами раковых стволовых клеток и что предполагаемые стволовые клетки рака груди экспрессируют маркеры EMT, подкрепляя связь между EMT и раковыми стволовыми клетками [34]. Кроме того, определенный субнабор раковых стволовых клеток обнаружен на инвазивном крае панкреатических карцином как важный для метастазирования [35oo]. Наконец. раковые стволовые клетки могут метастазировать вместе с др. типами раковых клеток.
Будучи метастазированными раковые стволовые клетки д. вносить вклад в неопластический рост в новом местоположении. Очевидно, что определенные метастазы содержат небольшой процент раковых стволовых клеток и более высокий процент более дифференцированных раковых клеток, чем в соотв. первичной опухоли [[22] и [23o]]. Следовательно, клетка или клетки, которые метастазируют и растут на месте метастазов, скорее всего испытывают влияние новых микроусловий, которые могут включать и противораковые воздействия, и или приобретают или сохраняют более дифференцированный клеточный фенотип или дифференцируются.
Cancer stem cells in cancer recurrence
Раковые стволовые клетки, как полагают, участвуют в повторном появлении рака благодаря своим туморогенным свойствам и поддерживают резистентность ко многим обычным терапевтическим воздействиям и как показывают недавние данные раковые стволовые клетки, в частности, резистентны к некоторым терапевтическим воздействиям, оставаясь чувствительными к др. (Figure 2b).
Многочисленные исследования показали, что раковые стволовые клетки резистентны к некоторым воздействиям, это пдкрепляет идею, что они могут не реагировать на традиционную терапию и вызывать посторное появление рака. Стволовые клетки рака груди, растущие в культуре, оказались резистентными к химотерапевтическим агентам [36], а раковые стволовые клетки из лейкемии оказались резистентными к химотерапевтическим лекарствам, daunorubicin и Ara-C [37]. Раковые стволовые клетки из поджелудочной железы и толстого кишечника также резистентны к химотерапии [[35oo] и [38]], а некоторые раковые стволовые клетки резистентны к радиации [[39] и [40]]. Кроме того, пациенты с раком груди обнаруживали более высокий процент клеток со свойствами стволовых клеток рака груди после химеотерапии [41], указывая тем самым, что терапия может оказаться менее эффективной в отношении убийства раковых стволовых клеток, хотя она элиминирует остальные раковые клетки. Однако это исследование базируется на измерениях поверхностных белков в биопсиях пациентов, так что неясно представляют ли измеряемые белки клеточной поверхности действительно клонально родственные популяции раковых клеток, или паттерн их экспрессии оказался измененным в результате лечения и являются ли клетки дифференциально чувствительными к воздействию у пациентов, которые демонстрируют эффективную реакцию на терапию. Механизмы резистентности к лекарствам у раковых стволовых клеток изучены недостаточно, но возможные объяснения включают избыточную экспрессию белков, которые откачивают лекарство из клеток, энзимы, которые метаболизируют лекарства, или анти-апоптические белки [42].
Имеется множественные сообщения о лекарствах, которые, по-видимому, специфически находят раковые стволовые клетки, указывая тем самым, что эти клетки могут быть элиминированы у пациентов. Напр., parthenolide и rapamycin, по-видимому, убивают раковые стволовые клетки при острой миэлоидной лейкемии, но не нормальные гематопоэтические стволовые клетки [[43] и [44]]. Также, temozolomide преимущественно элиминирует раковые стволовые клетки в glioblastoma [45] а стволовые клетки рака мозга под воздействием bevacizumab снижают свою туморогенность [46]. В некоторых случаях определенные канцер-специфические генетические альтерации оказывались ингибированными или вносились в успешно убиваемые раковые стволовые клетки, демонстрируя тем самым, что обнаружение мутаций, присутствующих во всех опухолевых клетках, может оказаться эффективным терапевтическим подходом и что как раковые стволовые клетки, так и более дифференцированные клетки могут участвовать в повторном появлении рака. У мышей фармакологическое ингибирование белка promyelocytic leukemia, который возникает в результате транслокации, затрагивает раковые стволовые клетки в лейкемии [47]. Также у мышей удаление beta-catenin из опухолей кожи приводит к потере раковых стволовых клеток [48]. В этом исследовании потеря раковых стволовых клеток способна приводить к элиминации повторных раков у мышей, указывая на полное излечение. Но вообще-то большинство разительных примеров вызывания определенных канцер-специфических генных альтераций, чтобы элиминировать раковые стволовые клетки использует HER1/HER2 ингибитор lapatinib при HER2-позитивном раке груди, при котором происходит амплификация гена HER2. У пациентов клетки с фенотипом раковых стволовых клеток груди после химиотерапевтических воздействий увеличивались в числе, но снижались после воздействия lapatinib, а у некоторых пациентов не оставалось признаков каких-либо остатков опухоли после последующей химиотерапии [49oo]. Хотя наблюдаемое снижение не было статистически достоверным и пока неясно, может ли lapatinib действительно избирательно убивать раковые стволовые клетки из-за упомянутых выше предостережений, связанных с исследованиями маркерных белков клеточной поверхности в биоптатах пациентов, результаты подобных исследований всё же обнадеживающие.
Conclusions
As with all cancer research, the purpose of studying cancer stem cells is to learn something that will allow for the development of more effective cancer prevention, diagnosis, and treatment. The currently proposed roles of cancer stem cells in oncogenesis, tumor growth, metastasis, and cancer recurrence suggest some strategies that should be kept in mind when treating cancer. First of all, signaling pathways and cell surface markers uniquely utilized by cancer stem cells could be targeted to block cancer progression at each stage by killing these cells or by changing their phenotype. Second, cancer stem cells appear similar to normal stem cells, so great care must be taken when targeting the cancer cells not to kill the normal ones. Finally, since any cell can become a cancer stem cell and since metastases result in patient death, all cancer cells must be ablated by treatment, and this result will likely require a cocktail of drugs [[50] and [51]].
The known roles of cancer stem cells also bring to mind many unanswered questions about the model (Table 2). These may be answered in the future using a variety of new and improved experimental approaches. In particular, the continued purification and study of individual cell populations at molecular and functional levels as well as in vivo imaging will be extremely important in sorting out the exact relationships of the various cell types within a tumor to one another. This should be accompanied by careful analyses of cancer patients and clinical trials designed to test hypotheses formulated based on data obtained in experimental systems.
Table 2. Summary of questions remaining about cancer stem cells For each question, several suggestions for how to approach future research are listed. The cancer stem cells model clearly has a place in cancer research, especially in explaining tumor heterogeneity. However, it needs to continue to be refined with every new relevant discovery. This will hopefully allow researchers to efficiently tackle the most important remaining questions in the field, leading to additional insights into cancer and hopefully someday to curative cancer treatments.
|
