THE ROLE OF E-CADHERIN CELL ADHESION MOLECULE IN HUMAN ONTOGENESIS IN NORM AND PATHOLOGY

全文:

Молекулы клеточной адгезии (МКА) - сложные трансмембранные белки, обеспечивающие взаимодействие клеток с соседними клетками или элементами межклеточного вещества. В настоящее время выделяют 5 больших групп МКА: кадгерины, интегрины, селектины, члены суперсемейства иммуноглобулинов и рецепторы хоминга лимфоцитов, такие как CD44 [3, 22]. Эти молекулы имеют первостепенное значение в формировании структуры тканей, а также участвуют в ряде физиологических процессов, таких как морфо-, эмбрио-, органогенез, регенерация и воспаление [19, 25]. Основываясь на потребности в ионах кальция для выполнения своей функции, МКА также подразделяют на кальций-зависимые, к которым относятся большинство членов семейств кадгеринов и селектинов, и кальцийнезависимые, такие как СD44, некоторые из семейства интегринов и суперсемейства иммуноглобулинов [23]. МКА вовлечены во множество процессов, в числе которых регуляция межклеточных взаимодействий в норме и при развитии опухолевого процесса [19, 23]. Наиболее значимыми молекулами клеточной адгезии считаются кадгерины. Проведенные исследования показали, что инактивация остальных МКА оказывает слабое воздействие на биологию клетки при условии нормальной экспрессии кадгеринов [25]. Кадгерины - интегральные трансмембранные одноцепочечные гликопротеины, способствующие межклеточной адгезии [7, 39, 47]. Семейство кадгеринов включает в себя группы классических кадгеринов, десмосомальных кадгеринов, атипичных кадгеринов, протокадгеринов и ассоциированных с кадгеринами сигнальных белков [47]. Они действуют как трансмембранные рецепторы, способствующие кальций-зависимым гомофильным (т. е. между молекулами того же типа) и гетерофильным (между молекулами разных типов) взаимодействиям между клетками. Этим взаимодействиям придается особое значение не только в обеспечении межклеточных соединений, но также в способности участвовать в передаче сигналов [8]. Кадгерины имеют специфические структурные особенности, которые положены в основу их классификации, выделяющей типы I, II и III (атипичные кадгерины), различающиеся между собой по наличию аминокислотной последовательности гистидин-аланин-валин (характерной для кадгеринов I и II типов и не характерной для кадгеринов III типа) и триптофана (одного или двух последовательно расположенных, характерных для кадгеринов I и II типа, соответственно, но отсутствующих в кадгеринах III типа) на первом повторе кадгеринового домена [8]. На сегодняшний день описаны более чем 20 членов кадгеринового семейства. Наиболее подробно изученными считаются Е-кадгерины (эпителиальные), N-кадгерины (нейрональные), Р-кадгерины (плацентарные) и R-кадгерины (почечные), относящиеся к семейству классических кадгеринов I типа, и VE-кадгерины (сосудистые эндотелиальные), относящиеся к семейству кадгеринов II типа, которые получили свое название по месту, в котором они впервые были обнаружены [8, 17, 25, 47]. Роль Е-кадгерина в онтогенезе Е-кадгерин - одна из наиболее значимых молекул клеточной адгезии в эпителиальных тканях. Он кодируется геном CDH1, расположенным на хромосоме 16q22.1 [29, 40]. Е-кадгерин был впервые обнаружен у куриц и был назван L-CAM. Мышиная копия этого белка, увоморулин, на 80% схожа по нуклеотидной и аминокислотной последовательности с человеческой копией [30]. Е-кадгерин локализуется на поверхности плазмолеммы эпителиоцитов, участвуя в образовании адгезионных контактов, являющихся характерной особенностью эпителиальных тканей, но также встречающихся и в неэпителиальных тканях в виде мелких точечных или полосчатых соединений, а также адгезивных поясков, расположенных в апикальной части клеток (так называемая зона прилипания) (рис. 1) [1, 5, 12, 19, 26, 29, 30]. Е-кадгерин является полипептидом, состоящим из 728 аминокислотных остатков, включающим трансмембранный домен, цитоплазматический домен и эктодомен. Последний состоит из 5 повторяющихся доменов, 4 из которых имеют одинаковую структуру и называются внеклеточные кадгериновые повторы (EC1-EC4), в то время как 5-й (EC5) имеет особую структуру, характеризующуюся наличием четырех цистеинов, и называется мембранный проксимальный внеклеточный домен. Нарушение дисульфидных связей в этом домене влияет на формирование прочных межклеточных контактов [26, 32, 37]. Важным компонентом Е-кадгерина является его цитоплазматический домен, состоящий из двух субдоменов: мембранного проксимального цитоплазматического домена, или как его часто называют юкстамембранного домена, иβ-катенинсвязанного домена, каждый из которых имеет участок с аминокислотной последовательностью около 30-35 остатков, называющийся CH2 и CH3 соответственно (CH - кадгериновый гомологичный участок). Е-кадгерин через β-катенинсвязанный домен соединен с цитоскелетом посредством α-, β-, γ-и p120-катенинов, формируя комплекс Е-кадгерин - β-катенин - α-катенин - актин, участвующий в запуске каскада сигнальных путей в клетке [32, 37, 45, 47] (см. рис. 1). Формирование данного комплекса не только стабилизирует клеточную адгезию, но также активно стимулирует запуск ряда сигнальных путей, включающих сигнальный путь Wnt - название произошло от комбинации Wg (от англ. - wingless - бескрылый) и Int (ген позвоночных, гомологичный гену wingless дрозофилы) [35]), - сигнальные пути PI3K (фосфатидилинозитол-3-киназа), RhoГТФазы, а также другие пути, которые будут рассмотрены ниже [15, 25, 30]. Вместе с другими классическими кадгеринами (главным образом, N-кадгерином) Е-кадгерин играет важную роль в формировании зачатков и тканей во время гаструляции, нейруляции, гисто-и органогенеза [19, 21, 30]. Е-кадгерин начинает экспрессироваться в раннем эмбриогенезе уже на стадии двух бластомеров. Эпителиальная дифференциация появляется на стадии морулы, когда каждый бластомер поляризуется, что сопровождается формированием эпителиоподобного фенотипа. Е-кадгерин играет важную роль в адгезии бластомеров и ранней способности эмбриона к сохранению своей компактности. В то же время, показано, что Е-кадгерин начинает экспрессироваться на мембране бластомеров еще на стадии морулы, не выполняя при этом адгезивной функции. Механизм адгезивных свойств Е-кадгерина до конца не ясен, но обнаружено, что он связан с процессом фосфорилирования белка [30]. Наиболее важный процесс, в котором принимает участие Е-кадгерин во время эмбрионального развития, - контролируемый эпителиально-мезенхимальный переход (ЭМП), который был впервые описан E. Hay в 1980 г. [20] как центральный механизм раннего эмбрионального морфогенеза [31, 34]. Потеря эпителиальной адгезии и полярности проявляется во время формирования мезодермы и обеспечивает клеткам строение и свойства мезенхимальных [16, 19, 24, 30, 35, 52]. Первым этапом ЭМП является снижение экспрессии эпителиальных маркеров, таких как Е-кадгерин, за счет подавления их транскрипции и увеличения экспрессии мезенхимальных маркеров, таких как виментин [6, 33, 38, 50]. В тканях в постэмбриональном периоде Е-кадгерин участвует в формировании эпителиального пласта. Две молекулы Е-кадгерина прилегающих друг к другу клеток соединяются посредством внеклеточного домена, функционирующего только в присутствии ионов Ca2+, и участвуют в образовании адгезионных контактов между двумя эпителиоцитами [1, 4, 9, 14, 25, 29]. Роль Е-кадгерина в реализации сигнальных путей Проведенные исследования на мышах показали, что роль Е-кадгерина и катенинов заключается не только в обеспечении межклеточной адгезии, но и клеточной пролиферации и дифференцировки. Несмотря на то, что Е-кадгерин, главным образом, вовлечен в процесс поддержания целостности эпителиального пласта и защиты его клеток от апоптоза, связанные с ним катенины, с одной стороны, участвуют в формировании межклеточных контактов, с другой - выступают как регуляторы внутриклеточных сигнальных путей [43]. Адгезия, опосредованная Е-кадгерином, является динамическим процессом, который регулируется при участии нескольких сигнальных путей [31, 42]. Подавление экспрессии Е-кадгерина, характерное для эмбриогенеза и развития эпителиальных опухолей, приводит не только к снижению прочности межклеточной гомофильной адгезии, способствующей увеличению клеточной подвижности, но и к дезинтеграции Е-кадгерин-катенинового комплекса, результатом которой является высвобождение сигнальных молекул, таких как β-, р120-катенины из комплекса и активация ряда сигнальных путей [9, 18, 23, 39, 42, 52]. Одним из основных сигнальных механизмов с участием Е-кадгерина и β-катенина является канонический сигнальный путь Wnt. При его активации белок Wnt связывается с рецептором Frizzled, что приводит к транскрипции генов, которые отвечают за регуляцию клеточного роста и дифференцировки [41]. В основе данного сигнального пути лежит стабилизация цитозольной формы β-катенина. В норме Е-кадгерин связан с β-катенином и образует прочный Е-кадгерин - β-катениновый комплекс. При отсутствии экспрессии Е-кадгерина свободная цитозольная форма β-катенина связывается с аксином, фосфорилируется гликогенсинтазакиназой 3β (GSK-3β) сигнального комплекса APC-аксин-казеинкиназа I и впоследствии утилизируется при помощи убиквитин-протеосом. Активированный сигнальный путь Wnt блокирует активность GSK-3β, что Е-кадгерин также принимает участие в реализации сигнального пути с участием Rhо ГТФаз, которые представляют собой семейство клеточных сигнальных белков, относящихся к семейству RAS. К ним относятся белки RhoA, Rac1 и Cdc42 [49]. Дестабилизация Е-кадгерин - β-катенинового комплекса приводит к накоплению в цитоплазме p120катенина, который в норме плотно связан с юкстамембранным доменом. Гиперэкспрессия р120-катенина приводит к дезактивации белка RhoA, регулирующего стабильность актинового цитоскелета, а также к активации белков Rac1 и Cdc42, отвечающих за образование ламеллоподий и филоподий соответственно. Их актиновые филаменты обеспечивают подвижность клеток [23, 27, 31, 34, 42]. β-катенин комплекса Е-кадгерин - β-катенин связан с α-катенином, который, в свою очередь, взаимодействует с актиновым цитоскелетом, обеспечивая стабильность клеточной адгезии. Некоторые исследования показывают роль α-катенина в эмбриональном развитии и при развитии опухоли в его взаимодействии с сигнальным путем RAS-MAPK (митоген-активируемая протеинкиназа) [39, 46], приводящего к транслокации молекулы Erk (внеклеточная сигнал регулируемая киназа, относится к группе MAPK) в ядро, действующей как транскрипционный фактор, и активации пролиферации клеток [33]. Активированная молекула RAS также приводит к запуску сигнального пути PI3K/AKT, который обеспечивает антиапоптозную активность, рост и пролиферацию клеток [10]. Основные сигнальные механизмы с участием Е-кадгерина представлены на рис. 2. Значение Е-кадгерина в развитии опухоли Считается, что все 5 групп кадгеринов могут играть существенную роль и в патологии, в том числе при развитии метастазирования опухолевых клеток [8, 12, 17, 21, 25, 35, 47]. При этом, используются многие механизмы, задействованные в эмбриональном периоде развития. Метастазирование - многоступенчатый процесс, особенностью которого является деформация адгезивных способностей неопластических клеток, опосредованная нарушением экспрессии кадгеринов [25, 38]. Другой важной особенностью этого процесса является реализация ЭМП. Этот процесс схож с таковым, осуществляемым во время эмбрионального развития, но отличием является его неконтролируемость [11, 30, 35-38, 52]. ЭМП реализуется в эпителиальных опухолях, обеспечивая инвазию и метастазирование клеток [48-51]. Ген Е-кадгерина (CDH1) считается геном-супрессором опухолей [30, 44]. Его утрата или аномальная экспрессия способствуют инвазии опухолевых клеток. Некоторые авторы отмечают, что аберрантная экспрессия Е-кадгерина связана с более поздней стадией опухолевого процесса и развитием метастазов [5, 6, 22, 25, 27]. Указанные выше сигнальные механизмы играют роль и при развитии злокачественной опухоли, и при формировании отдаленных метастазов. Помимо них, при осуществлении процесса инвазии опухоли был продемонстрирован β-катенин-зависимый (но не зависимый от транскрипционной активности TCF) путь, предполагающий вовлечение в регуляцию инвазии неопластических клеток неизученного сигнального механизма, включающего β-катенин. Кроме этого, отсутствие Е-кадгерина приводит к индукции множественных транскрипционных факторов, один из которых Twist также имеет существенное значение при запуске ЭМП, играющего важную роль при метастазировании [9, 23, 25, 28, 29]. В литературе имеются данные о том, что опухолевые клетки могут реэкспрессировать Е-кадгерин [22, 30]. Механизм и биологическая роль этого процесса в метастазах до конца не изучены, но его связывают с механизмом, называемым мезенхимально-эпителиальный переход, при котором происходит обратная смена фенотипа клеток метастазирующей опухоли с мезенхимального на эпителиальный в дистантном очаге с соответствующей экспрессией эпителиальных маркеров, таких как Е-кадгерин [2, 13, 22]. Считается, что для таких карцином характерны мутации Е-кадгерина, проявляющиеся потерей локуса гена даже на самом раннем этапе канцерогенеза на стадии опухоли in situ [13, 30, 50].

作者简介

Yu. Zasadkevich

Institute of Medical Cell Technologies Centre of Rendering the Specialized Medical Aid to the Population

Email: zasadkevich@selltechnologies.ru

S. Sazonov

Institute of Medical Cell Technologies Centre of Rendering the Specialized Medical Aid to the Population

Email: prof-ssazonov@yandex.ru

参考

补充文件