Развитие, пролиферация и миграция раковых клеток имитируют критические пути эмбрионального развития, что дает основание для воздействия на эти пути при разработке новых терапевтических средств для лечения рака. За последние несколько лет в доклинических и клинических исследованиях рака были выявлены различные наборы жизненно важных для развития генов, которые остаются относительно спокойными в нормальных тканях. Это многообещающий шаг вперед для исследований в области терапии рака, поскольку эти идентифицированные гены несут в себе потенциал для получения информации о молекулярных путях и регуляторных факторах, которые могут быть направлены на подавление прогрессирования рака. Обычно эмбриональные стволовые клетки (ESCs), которые получают из внутренней клеточной массы предварительно имплантированного эмбриона на стадии бластоцисты, стимулируют пролиферацию клеток для содействия эмбриональному развитию благодаря своей способности к самообновлению и плюрипотентности [1,2]. Различные модели экспрессии генов, которые способствуют развитию этих свойств, также наблюдаются в раковых клетках, в частности, в раковых стволовых клетках (CSCs). CSCs представляют собой фракцию опухолевой массы, отличающуюся способностью к самообновлению и развитию опухоли. Также было показано, что такие клетки опосредуют миграцию и инвазию раковых клеток, способствуя последующему метастазированию опухоли [3]. Таким образом, предполагается, что дисрегуляция критических генов, регулирующих развитие, может способствовать возникновению, развитию и метастазированию некоторых видов рака (рис. 1).



Figure 1. Key genes with regulatory implications for both embryogenesis and tumorigenesis. Functions and physiological outcomes of genes that target (a) the pluripotency gene regulatory network, (b) the p53 pathway, (c) that promote epithelial-mesenchymal transitioning and (d) the production of non-coding RNA.

Хорошо известно, что плюрипотентное состояние эмбриональных клеток контролируется сетью генов, кодирующих критические факторы транскрипции плюрипотентности, которые способствуют запутанной сети регуляторных событий [3]. Гены, обычно ассоциированные с этой сетью плюрипотентности, следующие: OCT4 (также известный как POU51), SOX2, NANOG, REX1, STAT3 и KLF4 [3]. Хотя установлено, что эти гены являются генами-привратниками (gatekeeper) плюрипотентного состояния, недавние исследования выявили специфические процессы, посредством которых нарушения в этой сети в клетках предшественников могут способствовать раннему развитию опухолей. Нарушения в этих цепях приводят к нарушениям регуляции экспрессии таких транскрипционных факторов, вызывающих плюрипотентность, нарушающих нормальное созревание клеток и способствующих неконтролируемой дифференцировке в раковые стволовые клетки.

Наиболее часто встречающимся геном является OCT4, или октамер-связывающий транскрипционный фактор 4 [4]. Экспрессируясь в неоплодотворенных ооцитах, OCT4 стимулирует инициацию и сохранение плюрипотентности во внутренней клеточной массе бластоцист и эпибластов. Он предотвращает дифференцировку бластомеров в вне-эмбриональные клетки трофэктодермы, таким образом контролируя плюрипотентность. Через эпигенетические модификации, такие как метилирование ДНК и модификации гистонов, OCT4 замолкает, когда необходима дифференцировка. Эмбриональные стволовые клетки содержат гипометилированные локусы гена OCT3, которые богаты активными гистоновыми метками для обеспечения плюрипотентности. В соматических клетках OCT4 подавляется посредством метилирования ДНК в промоторной и энхансерной областях, поэтому он не экспрессируется в нормальных взрослых клетках. В раковых клетках OCT4 был установлен как фактор неопластического роста при различных видах рака, а также ассоциирован с худшим прогнозом и меньшей выживаемостью в клинических ситуациях [4]. Недавнее исследование показало, что активные метки метилирования и ацетилирования гистонов, такие как H3K4me3 и H3K9acS10p в промоторной области, ответственны за избыточную экспрессию OCT4 при раке молочной железы [4]. Это исследование не только подтвердило, что в неопластической ткани экспрессия OCT4 выше нормы, но и продемонстрировало функциональное значение OCT4 в опухолевой массе. Выключение OCT4 снизило скорость пролиферации и увеличило апоптотическую активность, это указывает на то, что OCT4 играет роль в анти-апоптотических характеристиках раковых клеток. Кроме того, это исследование позволило сделать вывод, что OCT4 играет роль в стимулировании клеточной миграции и усиливает подвижность, способствуя метастазированию [4]. Также было отмечено, что повышенная экспрессия OCT4 способствует устойчивости к химиотерапевтическим препаратам и рецидивированию опухоли [5,6].

SOX2 - еще один важный ген в регуляторной сети, контролирующей плюрипотентность. SOX2 входит в семейство генов, связанных с SRY, и экспрессия SOX2 начинается на стадии морулы эмбриона [7]. Он экспрессируется в эмбриональных и вне-эмбриональных клетках во время развития и наблюдается в различных тканях после рождения, в отличие от OCT4, который не активен во взрослых тканях. SOX2, по-видимому, необходим для регенерации во взрослых тканях, хотя дисрегуляция этого гена наблюдалась в неопластических клетках [7]. Исследования выявили важную роль SOX2 в пролиферации раковых клеток, анти-апоптотических свойствах и инвазии клеток при различных видах рака [7]. Недавно стало известно, что SOX2 связан с быстрым началом метастазирования и снижением выживаемости [8]. Интересно, что SOX2 также был замечен в связи с изменениями в метаболизме раковых клеток, такими как усиленное окислительное фосфорилирование, гликолиз и метаболизм жирных кислот, наряду с увеличением количества митохондрий, что, как считается, способствует возможности клеток к метастазированию [8].

NANOG, еще один ген, связанный с сетью плюрипотентности, проявляет сходные свойства и клинические исходы при раке, как и ранее описанные гены [9]. Во время эмбриогенеза он контролирует плюрипотентность в эпибласте и предотвращает дифференцировку в примитивную эндодерму. Повышенные уровни NANOG наблюдаются при различных видах рака и регулируются пост-трансляционными модификациями, в частности фосфорилированием [9]. Недавние исследования выявили различные механизмы, с помощью которых высокая экспрессия NANOG способствует опухолеобразованию, включая способность к иммунному уклонению [10].

REX1 (reduced expression 1) - еще один ген, вовлеченный в эмбриональные стволовые клетки, который способствует плюрипотентности [11]. Исследования показали, что гиперметилирование промоторной области этого гена способствует снижению экспрессии. Клинически это проявляется в усилении прогрессии рака и увеличении стадии опухоли [11].

Было показано, что сигнальный трансдуктор и активатор транскрипции 3 (STAT3) играет важную роль в поддержании плюрипотентности и перепрограммировании соматических клеток через ряд механизмов [12-15]. Например, в ESCs лейкемический ингибиторный фактор (LIF) помогает поддерживать недифференцированное состояние, поддерживаемое активированным путем STAT3 [12]. Однако Humphrey et al. сообщили, что в определенных экспериментальных условиях поддержание стволовости hES может происходить через независимые от STAT3 механизмы [16].

Транскрипционный фактор KLF4 (Krüppel-like factor 4) также был включен в программу регуляции экспрессии генов, участвующих в поддержании нативной плюрипотентности [17,18].

Путь р53 является очень важным физиологическим путем, который играет жизненно важную роль в целостности генома и судьбе клеток в эмбриональных, соматических и неопластических клетках [19,20]. Этот путь активируется стрессовыми сигналами, что приводит к остановке клеточного цикла, позволяя восстановить поврежденную ДНК; в то же время, продолжение активации может привести к старению и/или апоптозу [19,20]. Ген-супрессор опухолей TP53, кодирующий белок p53, широко признан одним из наиболее важных генов в развитии опухолей и наблюдается в 50% случаев мутации или делеции [19,20]. Белок p53, будучи активированным, функционирует в основном как транскрипционный фактор, регулирующий большую сеть последующих процессов, которые контролируют судьбу клеток [19,20]. В гене TP53 выявлено множество однонуклеотидных полиморфизмов и не-синонимичных полиморфизмов (подавляющее большинство в области ДНК-связывающего сегмента), которые приводят к изменению функции p53 [21]. Эти мутации способны сделать белок неспособным регулировать экспрессию нижележащих генов, что приводит к нарушению регуляции процессов остановки клеточного цикла и апоптоза [21]. Мутации в этом гене также наделяют мутировавший белок способностями, связанными с раком (так называемые "gain-of-function" активности), что может способствовать развитию опухоли, метастазов и повышению устойчивости к противораковой терапии [21]. Исследования показали, что белок р53 способствует программированной смерти/апоптозу клеток, позволяя им вступать в апоптоз в ответ на определенные химиотерапевтические препараты [22]. В частности, определенные мутации в р53 подавляют активацию белка p53 upregulated modulator of apoptosis (PUMA), который обычно активируется химиотерапевтическими агентами и способствует апоптозу раковых клеток. Другие гены, инициирующие апоптоз, на которые влияют мутации в р53, включают BAX (Bcl-2-ассоциированный белок X) и NOXA (белок 1, индуцируемый форбол-12-миристат-13-ацетатом), которые необходимы для пути апоптотической активности р53 [22]. MDM2 и MDM4 - гены, кодирующие белки, регулирующие функцию р53. MDM2, который жизненно важен для эмбрионального развития, контролирует низкий уровень р53 в нормальных типах клеток, образуя с белком р53 петлю отрицательной обратной связи (при этом повышенный уровень р53 вызывает экспрессию MDM2, что приводит к деградации р53). Чрезмерная экспрессия MDM2-кодируемых белков наблюдается более чем в 17% опухолей [23]. В гене MDM2 были обнаружены однонуклеотидные полиморфизмы, которые коррелируют с развитием и прогрессией опухоли и более ранним началом возникновения рака [20,23]. Белок MDM4 функционирует наряду с MDM2 для регуляции p53, и его избыточной экспрессия также наблюдается в раковых опухолях [23]. MDM4 связывается с р53 и инактивирует его (в отличие от MDM2, который способствует его деградации) [23]. Кроме того, несколько однонуклеотидных полиморфизмов, выявленных в MDM4, были связаны с различными видами рака и их агрессивностью [20,23].

Эпителиально-мезенхимный переход (EMT) - это процесс, в результате которого поляризованные эпителиальные клетки базальной мембраны подвергаются различным биохимическим модификациям и становятся фенотипически мезенхимными [24-26]. Мезенхимные клетки способны к таким клеточным процессам, как миграция и инвазия, и становятся более устойчивыми к апоптозу, что делает этот процесс важным для связанных с ним физиологических процессов.

EMT участвует в трех основных процессах [24-26]. Первый - во время эмбриональной гаструляции и развития органов, известный как EMT 1-го типа, при котором примитивный эпителий (эпибласт) переходит в первичную мезенхиму, давая начало мезодерме, эндодерме и подвижным клеткам нервного гребня. Второй процесс, или EMT второго типа, - это заживление ран, регенерация тканей и/или фиброз органов. Тип 3 EMT связан с неопластическими клетками, в частности, с ракjвыми клетками с усиленной прогрессией и метастазированием. Несколько исследований показали, что клетки карциномы принимают мезенхимный фенотип, наблюдая экспрессию различных мезенхимных маркеров (таких как десмин, виментин, α-SMA и FSP1), и именно эти клетки участвуют в каскаде инвазии-метастазирования, создавая вторичные колонии в отдаленных участках организма [24-26].

Различные гены были идентифицированы как промоторы EMT. Twist1, регулятор транскрипции во время эмбрионального развития, является важным фактором EMT и ключевым регулятором метастазирования при раке. Знаковое исследование показало, что подавление Twist1 предотвращает распространение клеток рака молочной железы в легкие [27]. Впоследствии это привело к открытию Twist1 как ключевого компонента, способствующего метастазированию при ряде других видов рака [28].

Другим важным геном, связанным с EMT рака и метастазированием рака, является SOX9, который специфически активирует HIPPO-YaP путь [29]. Сигнальный путь Hippo играет центральную роль в регуляции клеточной пролиферации и в выборе судьбы клеток. Этот путь считается опухоль-подавляющим, он контролирует экспрессию двух белков: YAP и TAZ, которые жизненно важны для регенерации тканей и развития органов, но также наблюдаются при генезе опухолей [29]. Белки YAP/TAZ способствуют развитию фенотипа стволовых клеток рака, пролиферации клеток и метастазированию и часто избыточно экспрессируются в опухолях [29]. Недавние исследования показали, что активация этого пути также может способствовать развитию EMT в клетках карциномы [30]. Подавление SOX9 привело к снижению инвазии и пролиферации клеток карциномы [30]. Также наблюдалась повышенная экспрессия эпителиальных маркеров и пониженная экспрессия мезенхимных маркеров, что указывает на уменьшение проявлений EMT [30]. Подобные результаты также наблюдались при плоскоклеточной карциноме пищевода, где снижение уровня YAP и SOX9 привело к подавлению злокачественных фенотипов в опухолях [30]. REX1, ранее упоминавшийся как фактор плюрипотентности, также функционирует как промотор EMT в результате избыточной экспрессии. Кроме того, исследования показали, что клетки с экспрессией REX1 снижают уровень E-кадхерина и активируют сигнальный путь JAK2/STAT3, что может играть роль в инвазии и метастазировании неопластических клеток [31].

Другим очень важным геном, участвующим в развитии EMT, является SNAI1, который кодирует транскрипционный репрессор с цинковыми пальчиками Snail1, член сверхсемейства транскрипционных факторов Snail. Snail superfamily of transcription factors, которые кодируются такими генами, как SNAI1 (snail family transcriptional repressor 1) и SNAI2 (snail family transcriptional repressor 2), представляет собой группу белков, которые очень важны для EMT и необходимы для правильной гаструляции и формирования мезодермы в развивающемся эмбрионе, но в последние годы показано, что он также активно участвуют в опухолевом генезе [32]. SNAI1 индуцирует EMT путем связывания с эпителиально-опухоль-подавляющим геном CDH1, среди других эпителиальных генов, репрессируя E-кадхерин и клаудины. Его повышенные уровни были связаны с различными агрессивными видами рака и устойчивостью к химиотерапии. Например, при анализе клеточных моделей тройного негативного рака молочной железы репрессор SNAI1 был связан со 180 различными генами, включая гены, контролирующие клеточную дифференциацию и сигнализацию. Подавление экспрессии SNAI1 привело к изменению регуляции и экспрессии нескольких сотен дополнительных генов, что привело к значительному подавлению клеточной подвижности в клетках рака молочной железы [32]. Несмотря на то, что SNAI1 является основным транскрипционным фактором, участвующим в эпителиально-мезенхимном переходе, его подавления было недостаточно для полной реверсии клеток к более эпителиальному фенотипу, что указывает на существование промежуточного фенотипа между эпителиальным и мезенхимным клетками [32]. SNAI1 также был повышен в гепатоцеллюлярной карциноме [33] и карциноме яичников [34] среди нескольких других типов рака, это указывает на его жизненно важную роль в прогрессии рака и на его значение для прогностических и диагностических инструментов в исследовании рака.

SNAI2, иногда называемый SLUG, является еще одним членом транскрипционного супер-семейства Snail, который связан как с эмбриогенезом, так и с развитием опухолей [35]. Повышение уровня SNAI2 было связано с изменением выраженности EMT в клеточных моделях рака молочной железы и, как было показано, способствует увеличению частоты метастазирования и снижению выживаемости при агрессивных фенотипах рака [35]. Более высокая, чем нормальная, экспрессия SNAI2 ассоциируется с худшим прогнозом, что наблюдается при раке поджелудочной железы [36], колоректальном раке [37] и раке яичников [38], это указывает на его важную роль в развитии и миграции рака.

5. Non-Coding RNAs

Исторически сложилось так, что генетические исследования физиологии раковых клеток фокусировались в основном на генах, кодирующих белки. Однако недавние открытия не-кодирующих РНК (ncRNA) показали, что класс молекул РНК, которые не кодируют белки, также может играть важную роль в различных биологических процессах, включая эмбриогенез и опухолегенез. Появляющиеся исследования показывают, что ncRNA играют жизненно важную роль в регуляции, экспрессии и коммуникации генов. И наоборот, нарушения регуляции генов, кодирующих РНК, была связана с неконтролируемой пролиферацией и дифференцировкой клеток [39,40].

Важным геном, контролирующим ncRNA-опосредованную клеточную пролиферацию как при развитии эмбриона, так и опухоли, является PIWI-подобный РНК-опосредованный ген сайленсинга 1 (PIWIL1). PIWIL1 высоко экспрессируется в эмбрионах на седьмой неделе развития, но в последующие недели его уровень снижается [41]. Экспрессия этого гена приводит к продукции piwi-интерактивной РНК (piRNA), класса малых ncRNA, которые связываются с белками PIWI, образуя комплекс piRNA/PIWI, способствующий подавлению экспрессии генов, геномным перестройкам и поддержанию плюрипотентности стволовых клеток [41]. В последних исследованиях PIWIL1 был связан с усилением пролиферации и миграции клеток [42,43]. Клинические исследования, сравнивающие уровни PIWIL1 в злокачественной легочной ткани с уровнями в нормальной легочной ткани, показали, что PIWIL1 обнаруживается в опухолевых клетках, тогда как в нормальной ткани он отсутствует. Избыточная экспрессия PIWIL1 способствует увеличению скорости пролиферации, образованию колоний, миграции клеток и инвазии [42,43]. Клинически эти эффекты проявляются в сокращении времени до рецидива и снижении общей выживаемости. Избыточная экспрессия PIWIL1 была также обнаружена при раке молочной железы, и, что интересно, было установлено, что уровни экспрессии этого гена могут быть использованы для классификации различных подтипов рака молочной железы [44]. Раки молочной железы с отрицательной экспрессией PIWIL1 чаще относили к подтипам Люминальный А, тогда как раки молочной железы с высокой экспрессией PIWIL1 чаще относили к подтипам Люминальный В или Тройной негативный [44]. Аналогичные результаты были получены и при ряде других видов рака, включая опухоли желудка, толстой кишки, яичников, уротелия, носоглотки и почек [45-49].

Другой важный набор генов, определяющих развитие эмбриональных и раковых клеток под влиянием ncRNA, включает LIN28A и LIN28B [49,50]. Экспрессия этих генов способствует подавлению важного опухолевого супрессора, микроРНК (миРНК), известной как let-7 [49,50]. В эмбриональных стволовых клетках LIN28A пост-транскрипционно регулирует OCT4, вышеупомянутый драйвер плюрипотентности, связываясь с кодирующей областью его мРНК. Установлено, что LIN28A и LIN28B жизненно важны для выживания эмбрионов [49,50]. Let-7 репрессирует различные онкогены, а потеря функции let-7 способствует опухоль-образованию [51]. Повышенные уровни LIN28A/B и низкие уровни let-7 обнаруживаются при различных видах рака человека, таких как рак печени, легких, яичников, молочной железы, колоректальный рак и рак мозга [50,52-54].

Экспрессия SNAI1, гена, входящего в супер-семейство транскрипционных факторов Snail, также в значительной степени связана с ncRNA и находится под их влиянием [55]. Несколько различных миРНК были замечены связывающимися с 3'UTR областью snail family transcriptional repressor 1 (SNAI1), что является результатом комплементарных сайтов связывания между миРНК и этими областями snail. Одним из известных семейств миРНК, которые служат ключевыми регуляторами SNAI1, является семейство miR-30. Эти миРНК нацелены на мРНК SNAI1 при различных видах рака, что приводит к ее ингибированию. miR-22 нацелена на SNAI1 и ингибирует EMT в опухолевых клетках и их миграцию/инвазию в различных видах рака [55]. miR-153 - еще одна миРНК, которая тесно связана с SNAI1. Исследования показали, что снижение уровня SNAI1 с помощью miR-153 приводит к подавлению раковых фенотипов, что позволяет miR-153 служить потенциальным прогностическим маркером [56]. Следовательно, снижение уровня miR-153 было обычно связано с усилением EMT и, таким образом, с усилением метастазирования [56]. Кроме того, исследования показали, что miR-153 способна усиливать действие химиотерапевтических препаратов. Снижение уровня miR-153 снижало чувствительность клеток рака поджелудочной железы к химиотерапевтическим препаратам, а трансфекция miR-153 значительно подавляла метастазирование опухолевых клеток и увеличивала апоптоз в устойчивых к химиотерапии раковых клетках [56]. Это указывает на то, что miR-153 и его влияние на путь Snail может служить новой терапевтической мишенью для борьбы с устойчивостью к химиотерапии и профилактическим механизмом снижения метастазирования рака [56] в различных видах рака, включая сквамозную карциному гортани [57], злокачественную меланому [58], рак легких [59] и рак молочной железы [60].

Транскрипционный репрессор семейства Snail 2 (SNAI2), еще один член суперсемейства транскрипционных факторов Snail, также находится под сильным влиянием не-кодирующих РНК [55]. В последних исследованиях было отмечено, что эпигенетическое замалчивание микроРНК miR-203 приводит к повышению экспрессии SNAI2. Эта избыточная экспрессия SNAI2 связана с повышенной инвазивностью злокачественного рака молочной железы, что позволяет предположить, что в случаях агрессивного и инвазивного рака miR-203 может быть эпигенетически снижена или заглушена [61]. Напротив, экспрессия miRNA-181a ингибирует миграцию, инвазию и метастазирование клеток путем прямого воздействия на SNAI2-путь в случае аденоидно-кистозной карциномы слюнной железы [62], что позволяет предположить, что эта miRNA может быть потенциальной терапевтической мишенью для предотвращения метастазирования в случаях агрессивного рака. В целом, не-кодирующие РНК играют очень важную роль в регуляции генов, участвующих как в эмбриогенезе, так и в опухолевом генезе, и появление исследований, связанных с не-кодирующими РНК, открывает множество новых возможностей для открытия новых биомаркеров рака и терапевтических мишеней. 6. Clinical Relevance Выявление генов, регулирующих развитие опухоли и метастазирование, играет многообещающую роль в клинической диагностике и прогнозировании раковых заболеваний. Понимание уникального генетического состава опухоли позволяет применять более точный и индивидуализированный подход к диагностике, а также более целенаправленный подход к терапии. В последнее время исследования, связанные со специфическим генетическим происхождением раковых опухолей, позволили разработать новые диагностические инструменты на основе искусственного интеллекта, которые помогают медицинским работникам в наблюдении за случаями рака и постановке диагнозов. Эти инструменты эффективно дополняют обычные гистопатологические исследования [63], обеспечивая более молекулярно ориентированный подход к наблюдению за опухолью и устраняя неопределенность в процессе диагностики, что позволяет разрабатывать более эффективные планы лечения [63]. Кроме того, расширение знаний о генах, регулирующих развитие опухоли, открыло путь к множеству потенциальных химиотерапевтических мишеней для фармацевтических исследований. In vivo введение миРНК let-7, которая, как было описано ранее, снижает уровень активности в опухолях через контроль генов, регулирующих развитие, оказалось эффективным против животных моделей рака легких и молочной железы, что позволяет предположить, что она может стать основой потенциальной новой терапии [64]. Кроме того, дальнейшие исследования последствий EMT при раке выявили значительные метаболические пути, которые участвуют в поддержании и продвижении EMT [64]. Таким образом, терапевтическое воздействие на метаболические процессы между эпителиальным и мезенхимальным клеточными типами посредством использования ингибиторов метаболизма нового поколения открывает перспективы для снижения частоты метастазирования и улучшения результатов лечения пациентов [64]. Т.о., целенаправленное терапевтическое воздействие привело к повышению устойчивости клеток к химиотерапевтическим агентам. Недавние исследования показали, что ингибирование определенных молекулярных мишеней, участвующих в сети генов плюрипотентности, привело к снижению химиорезистентности при некоторых видах рака. Например, ингибирование HDAC6, фермента деацетилазы гистонов, участвующего в эпигенетической регуляции генов плюрипотентности, было предложено для повышения терапевтической чувствительности при плоскоклеточной карциноме полости рта [65]. Нокаут CHD1L, гена, связанного с опухолевой прогрессией, также снижает регуляцию факторов плюрипотентности, что приводит к снижению лекарственной устойчивости, а также к усилению апоптоза раковых клеток и снижению клеточной пролиферации, что делает его перспективной мишенью для новых терапевтических средств [66]. Продолжающиеся исследования будут продолжать доказывать важную роль генов, регулирующих развитие, в опухолевом генезе, с перспективой открытия и тестирования новых химиотерапевтических мишеней, которые позволят минимизировать бремя и улучшить результаты для людей, живущих с раком.