Frontiers | CD44: A Multifunctional Cell Surface Adhesion Receptor Is a Regulator of Progression and Metastasis of Cancer Cells | Cell and Developmental Biology

CD44 Johdanto

CD44 on monitoiminen solun pinnan adheesioreseptori, josta käytetään myös nimitystä P-glykoproteiini 1. Sitä koodaa yksi ainoa geeni kromosomilokuksessa 11p13 (Underhill, 1992; Iczkowski, 2010). CD44 ilmentyy kaikkialla elimistössä ubiikkisesti, ja sen molekyylipaino on 85-200 kDa (Basakran, 2015). Standardi CD44 (sCD44) on konservoitunut muoto, jonka molekyylipaino on noin 85-90 kDa:n proteiini, joka muodostuu transkriptiosta eksoneista 1-5 ja 16-20, jotka on splikoitu yhteen (Rall ja Rustgi, 1995; Rudzki ja Jothy, 1997). CD44:n ensisijaiset domeenit ovat solunulkoinen domeeni (tai ektodomeeni), transmembraanidomeeni ja solunsisäinen domeeni/sytoplasminen domeeni (Iczkowski, 2010). Solunulkoinen domeeni on vuorovaikutuksessa ulkoisen mikroympäristön kanssa ja aistii ärsykkeitä ulkoisessa mikroympäristössä (Underhill, 1992). Transmembraanidomeeni tarjoaa väylän vuorovaikutukseen kofaktorien ja adaptoriproteiinien kanssa sekä lymfosyyttien kotiutumisen ohjaamiseen (Underhill, 1992; Williams ym., 2013). CD44:n solunsisäisellä domeenilla (CD44-ICD) on lyhyt- ja pitkähäntäinen konfiguraatio, jolla on tehtäviä ydinlokalisaatiossa ja transkription välittämisessä (Okamoto ym., 2001; Williams ym., 2013). Nykyinen käsityksemme CD44:n kaksoisroolista syövän etenemisessä on tiivistetty alla olevaan kuvaan 1.

KUVA 1

Kuva 1. CD44:n transmembraanireseptorin toiminta. CD44, monitoiminen reseptori, voi kontrolloida biologisia toimintoja, jotka osallistuvat syöpäsolujen leviämiseen ja metastaasiin. CD44 voidaan peräkkäin pilkkoa kalvotyypin 1 matriisimetalloproteaasin (MT1-MMP) ja sitten ligandien sitoutumisen indusoiman presenilin-1/γ- sekretaasin avulla. Halkaisu tuottaa (1) solunulkoisen domeenin (ECD) fragmentin. (2) CD44β:n kaltainen peptidi tai transmembraanidomeeni (TMD) ja (3) CD44:n solunsisäinen domeeni (ICD). CD44-ICD translokoituu tumaan aktivoidakseen metastaasin ja solujen selviytymisen kannalta tärkeiden geenien transkriptiota. Mukailtu lähteestä Thorne et al., 2004.

CD44:n isomuodot

Cd44:n useita isomuotoja voi syntyä vaihtoehtoisten eksonien insertiosta tiettyihin paikkoihin solunulkoisen domeenin sisällä (Cichy ja Puré, 2003). CD44:n variantti-isomuodot (CD44v) koostuvat eksonista 6-15, joka on splikoitu eri kohdissa vakioisomuodon eksonien 5 ja 16 välissä (Goodison ym., 1999; Zeilstra ym., 2014). Erilaisten CD44-isoformien ilmentyminen näyttää olevan välttämätöntä ihmisen kasvainten etenemiselle (Günthert ym., 1995; Wang ym., 2009). Syöpäsoluissa voi ilmentyä yksi tai useampi spliisivariantti ja vakio CD44. Suurempien isomuotojen, kuten CD44v8-10:n, ilmentyminen on todennäköisempää haimasyövissä (Rall ja Rustgi, 1995) ja CD44v6:n ilmentyminen paksu- ja peräsuolen syövässä (Yamane ym., 1999). CD44v6:n ilmentyminen on tunnetusti hyödyllinen kasvaimen etenemisen ja ennusteen merkkiaine kolorektaalisyövässä (Yamane ym., 1999). Luustometastaasista peräisin olevien eturauhassyöpäsolulinjojen (PC3) viljellyistä supernatanteista tunnistettiin liukoinen CD44 ja variantti 6:n isomuoto (v6), mutta sitä ei tunnistettu imusolmukemetastaasista eturauhassyöpäsolulinjasta (LNCaP, Stevens ym., 1996; Desai ym., 2009; Gupta ym., 2012). Vaihto tavallisesta CD44:stä CD44v6:een paransi eloonjäämistä ja adheesiota eturauhassyöpäsoluissa (PC3) (Gupta et al., 2013b). CD44v6:n ilmentymistä kolorektaalisyövässä lisää syöpäkantasolujen ilmentyminen (Todaro ym., 2014).

CD44:n ilmentyminen normaaleissa ja kasvainsoluissa

Ubiikki transmembraaninen solunpintamolekyyli CD44 on laajalti levinnyt normaaleissa aikuis- ja sikiökudoksissa. CD44:n vakioisomuoto eristettiin alun perin hematopoieettisista soluista, mutta nykyään sitä esiintyy monissa kudoksissa, kuten keskushermostossa, keuhkoissa ja epidermiksessä. Sen sijaan CD44:n variantti-isoformien levinneisyys on rajoitettu, ja ne ilmentyvät vain tietyissä epiteelisoluissa (Sneath ja Mangham, 1998). Isomuodoilla, joilla on rajoitettu levinneisyys ja eksonijärjestys, voi olla erilaisia tehtäviä verrattuna CD44:n vakioisomuotoon. Keratinosyytit, makrofagit ja valikoidut epiteelisolut ilmentävät CD44:n variantti-isoformia (CD44v), ja niitä esiintyy kudoksissa eri kehitysvaiheissa (Sneath ja Mangham, 1998). Normaaleissa kudoksissa CD44:n merkitys on elintärkeä hyaluronisen aineenvaihdunnan säätelyssä, lymfosyyttien aktivoinnissa ja sytokiinien vapautumisessa. CD44:n kohdentaminen, joka johtaa sen häviämiseen, johtaa kuitenkin hyaluronimetabolian, haavan paranemisen ja keratinosyyttien proliferaation häiriintymiseen (Yu ja Stamenkovic, 1999). Monista CD44:n tehtävistä yksi on saada ei-metastaattiset solulinjat muuttumaan metastaattisemmiksi (Heider ym., 1993). Yksityiskohdat, jotka antavat CD44:lle metastaattisen potentiaalin ihmisen pahanlaatuisissa kasvaimissa, ovat edelleen selvittelyn kohteena. Hyvänlaatuiset eturauhassolut ilmentävät korkeampia CD44:n variantti 5 -isomuotoja (CD44v5), kun taas neoplastiset eturauhassolut ilmentävät korkeampia CD44:n määriä (Dhir ym., 1997; Desai ym., 2009; Gupta ym., 2013a). Erilaiset rintasyöpäsolut osoittavat epänormaalia CD44:n ilmentymistä, mukaan lukien heterogeenisesti ilmentyvät CD44-isoformit (Basakran, 2015).

CD44-reseptorin ja ligandin vuorovaikutus

CD44:n tiedetään olevan vuorovaikutuksessa erilaisten ligandien kanssa, ja tämä vuorovaikutus on ratkaisevaa sen monille solutoiminnoille (Goodison et al., 1999). CD44:llä on useita tunnettuja ligandeja, kuten hyaluronihappo (HA), osteopontin (OPN), kollageenit ja matriksin metalloproteinaasit (MMP) (Goodison ym., 1999). CD44:n vaikutukset solujen migraatioon ja kasvuun riippuvat sen spesifisyydestä ligandeille (Weber ym., 1996).

Hyaluronaani (HA)

HA on glykosaminoglykaani, joka on solunulkoisen kalvon ubiikki komponentti. Sitä pidetään CD44:n tärkeimpänä ligandina, ja se voi sitoa CD44v-isoformeja, jotka ilmentyvät ubikvitaarisesti. Sitoutumalla CD44:ään HA voi aktivoida sytoskelettiä ja matriksin metalloproteinaasien (MMP) signalointia, jotka osallistuvat kasvaimen etenemiseen (Bourguignon ym., 2014). CD44:n sytoplasmisen domeenin useat alueet voivat edistää HA:n sitoutumisen tehostumista, mutta sytoplasmisen domeenin rooli sitoutumisen välittäjänä ei kuitenkaan edellytä spesifistä aminohapposekvenssiä T-lymfosoluissa (Perschl ym., 1995). HA voi olla suurimolekyylipainoisessa tai pienimolekyylipainoisessa muodossa, koska se pilkkoutuu erikokoiseksi. Rintasyöpäsolulinjoissa korkean molekyylipainon HA osallistuu tuumorigeneesiin, antiangiogeenisiin ja anti-inflammatorisiin vasteisiin. Matalamolekyylipainoisen HA:n on kuitenkin osoitettu edistävän solujen liikkuvuutta, CD44:n pilkkoutumista ja angiogeneesiä. Siksi HA-ligandin koolla on merkitystä biologisen toiminnan kannalta (Louderbough ja Schroeder, 2011).

Osteopontin (OPN)

Monissa tutkimuksissa on osoitettu OPN:n kohonnut ilmentyminen erittäin invasiivisissa metastaattisissa ihmissyövissä (Tuck ym., 2007). Integriini αvβ3 ja CD44 ovat OPN:n reseptoreita, ja ne voivat olla vuorovaikutuksessa αvβ3:n kanssa sen funktionaalisen arginiini-glysiini-asparagiinihappoa (RGD) solua sitovan sekvenssin kautta (Thalmann ym., 1999; Desai ym., 2007). Eturauhassyövän kasvun ja etenemisen on osoitettu olevan OPN:n parakriinisen ja autokriinisen signaloinnin välittämää (Thalmann ym., 1999). CD44-OPN-vuorovaikutus indusoi solujen siirtymistä ulos verenkierrosta tulehduskohtiin. Solujen migraatioon ja sitä seuraavaan invaasioon kaukaisissa paikoissa liittyy monimutkainen tapahtumasarja (Weber ym., 1996). Erilaiset CD44-isoformit sitoutuvat OPN:ään CD44:n N-terminaalisessa domeenissa olevista RGD-sekvensseistä riippumatta (Katagiri ym., 1999). OPN:n sitoutuminen CD44-variantteihin/beta1-pitoiseen integriiniin edistää solujen leviämistä, liikkuvuutta ja kemotaktista käyttäytymistä rotan haimasyövässä (Katagiri ym., 1999). OPN lisää vakio-CD44:n (sCD44) pintaekspressiota osteoklasteissa ja sekä sCD44:n että varianttien isoformien pintaekspressiota ihmisen melanooma- ja PC3-soluissa (Chellaiah ym., 2003; Samanna ym., 2006; Desai ym., 2007). Ne ovat tärkeitä myös kehityksen, haavan paranemisen, luun resorption ja angiogeneesin aikana (Paiva ja Granjeiro, 2014). On näyttöä siitä, että MMP-9 ja CD44 assosioituvat hiiren ja ihmisen kasvainsoluissa, mikä johtaa MMP9-aktiivisuuden lokalisoitumiseen solun pinnalle (Yu ja Stamenkovic, 1999; Gupta ym., 2013a). CD44:n ja MMP-9:n proteolyyttisen muodon vuorovaikutus liittyy erityisesti luustometastaaseista peräisin olevien eturauhassyöpäsolujen (PC3) invaasioon (Desai ym., 2007). Siksi CD44:n kyky lokalisoida proteolyyttisesti aktiivinen MMP-9 kasvainsolujen pinnalle on tärkeä kasvaimen invaasion kannalta (Yu ja Stamenkovic, 1999).

CD44:n rooli migraatiossa/invaasiossa, angiogeneesissä ja luumetastaasissa

Migraatio ja invaasio

CD44-reseptorilla on potentiaalia yhdistää adheesiota edistäviä ja signaloivia aktiviteetteja, jotta se voi muokata migraatio/invaasio -prosesseja syövän etenemisvaiheessa (Lokeshwar et al., 1995). Mekanismeja, joilla CD44-reseptorit välittävät kasvainsolujen migraatiota, proliferaatiota ja selviytymistä HA-välitteisen signaloinnin kautta, on tutkittu laajasti (Bourguignon ym., 1998, 2001, 2004; Kuniyasu ym., 2001; Wang ja Bourguignon, 2006a,b; Wang ym., 2009). Solun muodon muutoksia ja adheesiorakenteiden muodostumista säädellään aktiinisytoskeletin dynaamisella säätelyllä. Aktiinisytoskeletin dynaamista säätelyä ja migraatioon osallistuvia erikoistuneita rakenteita säädellään aktiinia sitovien proteiinien ajallisella ja spatiaalisella lokalisaatiolla (Chellaiah ym., 2000; Linder ja Aepfelbacher, 2003; Desai ym., 2008). CD44:n pintaekspressio yhdessä sen vuorovaikutuksen kanssa matriksin metalloproteinaasi 9:n (MMP9) kanssa solun pinnalla johtaa aktiivisen MMP9:n eritykseen, PC3-solujen migraatioon ja invaasioon (Desai ym., 2007, 2008; Gupta ym., 2013a). CD44/MMP9-vuorovaikutuksen katkaiseminen solun pinnalla vähentää PC3-solujen migraatiota ja invaasiota. Kun MMP9:ää tyrmätään, CD44:n ilmentyminen siirtyy variantti 6:n (v6) isoformiin. Tämä johtaa vähemmän invasiiviseen fenotyyppiin, koska sCD44:n ilmentyminen puuttuu ja kyvyttömyys muodostaa invadopodioita (Gupta et al., 2013a). CD44v6-ekspressio korreloi käänteisesti patologisen vaiheen ja taudin etenemisen kanssa ja korreloi positiivisesti PSA-vapaan eloonjäämisen kanssa eturauhassyövässä (Ekici ym., 2002). CD44v6:n ilmentymisen ei-metastaattisissa rotan syöpäsoluissa on kuitenkin osoitettu muuttavan ne metastaattisiksi soluiksi ja edistävän kasvaimen etenemistä (Günthert ym., 1991; Seiter ym., 1993). Lisäksi CD44v3:n on osoitettu säätelevän sytoskeletin toimintaa ankyriinin kautta aktomyosiinin supistumiskompleksin aktivoimiseksi, jotta solujen migraatiota voidaan välittää pään ja kaulan levyepiteelisyöpäsolulinjassa. Myös v3-cDNA:n transfektio ei-ekspressoiviin solulinjoihin johti solujen migraation mutta ei proliferaation merkittävään lisääntymiseen (Franzmann ym., 2001; Wang ym., 2007). CD44-varianttien on myös osoitettu toimivan yhteisreseptorina kasvua edistävien kasvainten reseptorityrosiinikinaasien aktivoinnissa (Orian-Rousseau ym., 2002, 2007).

Angiogeneesi

Uusien verisuonten muodostuminen (angiogeneesi) on edellytys sille, että kasvainsolut voivat levitä ja vaeltaa etäisempiin elimiin. Aiemmissa tutkimuksissa on tunnistettu CD44:n ilmentyminen endoteelisoluissa (Liesveld ym., 1994; Xu ym., 1994), ja tämä ohjaa verisuonten muodostumista (Trochon ym., 1996; Savani ym., 2001). CD44:n estäminen johtaa näin ollen heikentyneeseen verisuonten kaltaisten verkostojen muodostumiseen (Savani et al., 2001; Cao et al., 2006). Endoteelisoluja havaittiin eturauhassyöpäkudoksissa lisääntynyt määrä suhteessa normaaleihin kudoksiin (Wang ym., 2013). Kun CD44-null-hiiriä käytettiin in vivo angiogeenisten vasteiden tutkimiseen, haavan paraneminen ja vaskularisaatio olivat molemmat heikentyneet matrigeeli-implanteissa. Näin ollen myös etäpesäkkeiden muodostuminen on yhteydessä verisuonten CD44-ekspressioon (Cao ym., 2006). Syöpäsolujen kiinnittyminen verisuonistoon ja CD44:n (CD44s ja/tai CD44v) lisääntynyt ilmentyminen kasvainsolujen tuottamien angiogeenisten tekijöiden (esim. VEGF) vaikutuksesta saattaa johtaa helpottuneeseen ekstravasaatioon angiogeneesin kautta. Lisäksi CD44:n roolia kasvaimen angiogeneesissä vahvistaa sen sitoutuminen immobilisoituun HA:han (Griffioen ym., 1997). CD44-varianttien on osoitettu sitovan eri kasvutekijöitä, kuten verisuonten endoteelin kasvutekijää (VEGF), hepariinia sitovaa perusfibroblastikasvutekijää ja hepariinia sitovaa epidermaalista kasvutekijää, sitovia domeeneja (Bourguignon ym., 1998, 1999; Kalish ym., 1999). Kudosmikrosirujen ja eturauhaskasvainsolujen lyseaattien analyysi osoitti, että OPN:n ja VEGF:n ilmentyminen oli voimakkaampaa eturauhassyövässä kuin hyvänlaatuisissa tai normaaleissa eturauhaskudoksissa. Ehdotettiin, että mikroverisuonten määrän lisääntyminen ja CD44:n ilmentyminen voisivat olla käyttökelpoisia rintasyövän etäpesäkkeiden diagnostisia merkkiaineita (Ozer ym., 1997).

Luun etäpesäkkeet

Rinta- ja eturauhassyöpäsolujen kyky metastasoida luuhun perustuu niiden kykyyn pysähtyä luuytimen endoteeliin, tarttua siihen ja ekstravasoitua luuytimen endoteelin poikki sen alla olevaan luumatriisiin (Draffin ym., 2003). Eturauhassyöpäsoluissa näiden solujen valikoiva kiinnittyminen luuytimen epiteeliin perustuu integriinireseptorien adheesiominaisuuksien rooliin. Eturauhassyöpäsoluilla on ollut voimakas vuorovaikutus luuytimen endoteelisolujen kanssa (Draffin ym., 2004). Kirjallisuudessa on tällä hetkellä erimielisyyttä kliinisten ja kokeellisten tietojen välillä sCD44:n merkityksestä rintasyövän taudin etenemisessä. Tuoreen tutkimuksen mukaan rintasyöpämalleissa esiintyy CD44:n vakio- ja variantti-isomuotojen ilmentymistä, jotka lisäävät taudin etenemistä ja metastaattista käyttäytymistä (McFarlane ym., 2015). HA ja CD44 lokalisoituvat yhdessä luuytimen sinusoidaalisessa epiteelissä, joka on rintasyövän metastasointipaikka. Tämä viittaa HA-CD44:n osuuteen rintasyöpäsolujen luuhun etämetastaasin tehokkuudessa (McFarlane et al., 2015). Alhaisia CD44-pitoisuuksia tuottavilla soluilla on heikompi kyky muodostaa kasvainpalloja in vitro. Lisäksi CD44 on syöpäkantasolujen merkkiaine (Jaggupilli ja Elkord, 2012; Cho ym., 2015; Stivarou ja Patsavoudi, 2015) ja CD44:ää ilmentävät syöpäkantasolut lisäävät luustometastaasien todennäköisyyttä vuorovaikutuksensa kautta HA:n kanssa. Näin ollen CD44-HA-vuorovaikutus voisi olla mahdollinen kohde luustometastaasien vähentämiseksi. CD44-signaloinnin eturauhassyöpäsoluissa on myös osoitettu säätelevän keskeisiä proteiineja (eli RANKL:ää ja MMP9:ää), jotka osallistuvat osteoklastien erilaistumiseen ja kasvainmetastaasiin (Gupta ym., 2012). Runx2 on master-transkriptiotekijä, jolla on tärkeä rooli osteoblastien erilaistumisessa. Runx2 säätelee monien osteoblastiin ja luunmuodostukseen liittyvien tekijöiden, kuten OPN:n, osteokalsiinin ja kollageeni tyyppi I:n, transkriptiota (Akech ym., 2010).

Cd44:n rooli transkriptiotekijänä

Proteolyyttinen pilkkoutuminen, joka tapahtuu solunulkoisella domeenilla vapauttaen liukoisen CD44:n, on tunnustettu jo pitkään. Viimeaikaiset tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että CD44 voi käydä läpi peräkkäisen proteolyyttisen prosessoinnin, jonka suorittavat membraanityypin 1 matriisimetalloproteaasit (MT1-MMP) ja preseniliini-1/y-sekretaasi tuottaen solunulkoisen domeenin ja solunsisäisen domeenin (ICD) fragmentteja. Presenilin-1/y-sekretaasin pilkkoutuminen tapahtuu membraanin sisäisessä kohdassa, jolloin vapautuu kaksi pilkkoutumistuotetta, joiden koko on ~25 ja ~16 kDa. 12 kDa:n ICD translokoituu tumaan aktivoidakseen useiden proteiinien transkriptiota, mukaan lukien itse CD44 (Okamoto ym., 2001; Nagano ja Saya, 2004; Thorne ym., 2004). Näin ollen, jos tämä pilkkoutuminen voidaan estää metalloproteaasin estäjillä, se voi toimia terapeuttisena keinona estää kasvaimen eteneminen ja etäpesäkkeiden muodostuminen (Nagano ja Saya, 2004). CD44-ICD:n translokaatio tumaan käynnistää transkriptionaalisen säätelyprosessin sen kautta, että se sitoutuu uuteen promoottorin vaste-elementtiin ja säätelee siten useiden sellaisten geenien transkriptiota, jotka osallistuvat solujen selviytymiseen stressin, tulehduksen, oksidatiivisen glykolyysin ja kasvaininvaasion aikana (Okamoto ym., 2001; Miletti-González ym., 2012). Tämä viittaa mekanismiin, joka selittää CD44:n monitoiminnallisen roolin syöpäsolujen metastaasissa ja aineenvaihdunnassa (Miletti-González et al., 2012). Solunsisäisen domeenin ydintranslokaation on myös osoitettu olevan vuorovaikutuksessa kantatekijöiden kanssa (Cho ym., 2015). CD44-ICD liittyy MMP-9-geenin säätelyyn eturauhas- ja rintasyöpäsoluissa vuorovaikutuksen kautta transkriptiotekijä RUNX2:n kanssa (Miletti-González ym., 2012).

Tulokset

Monitoiminen glykoproteiini CD44 voi käydä läpi vaihtoehtoisia splikointitapahtumia tuottaakseen CD44:n varianttisia isomuotoisia muotoja, jotka ovat levinneisyydeltään rajoitetumpia kuin CD44:n vakiomuotoinen isomuotoiset muodot (Rall ja Rustgi, 1995). Ubiikvitaarisesti ilmentyvä solupintaproteiini osallistuu ensisijaisesti solujen aggregaatioon, migraatioon ja aktivoitumiseen, ja nämä toiminnot välittyvät CD44:n adheesiominaisuuksien kautta (Heider ym., 1993). Se kuvattiin alun perin hematopoieettisille kantasoluille, mutta sittemmin se on vahvistettu syöpäkantasolujen merkkiaineeksi (Bourguignon ym., 1998). CD44 on vuorovaikutuksessa erilaisten ligandien kanssa ja voi käydä läpi peräkkäisen proteolyyttisen prosessoinnin, jonka tuloksena syntyy CD44-ICD. CD44-ICD:n tiedetään siirtyvän tumaan aktivoimaan geenien transkriptiota (Okamoto ym., 1999). Vaikka tässä esitetyt tiedot tarjoavat kattavan katsauksen tähänastisesta kirjallisuudesta, ICD:n vaikutuksesta syövän metastaattisten tapahtumien pääasiallisena modulaattorina käydään jonkin verran keskustelua. Jotta CD44:n vaikutus metastaasiin voitaisiin edelleen perustella, on tämän käsittelemiseksi saatava päätökseen spesifisiä tutkimuksia.

Tekijöiden panokset

LS ja MC laativat käsikirjoituksen ja osallistuivat yhtä lailla lopullisen sisällön muokkaamiseen ja uudelleenkirjoittamiseen.

Rahoitus

Tätä työtä on tuettu tutkimusapurahalla MC:lle National Institute of Health – National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases (5R01AR066044).

Conflict of Interest Statement

Tekijät ilmoittavat, että tutkimus tehtiin ilman kaupallisia tai taloudellisia suhteita, jotka voitaisiin tulkita mahdolliseksi eturistiriidaksi.

Akech, J., Wixted, J. J., Bedard, K., van der Deen, M., Hussain, S., Guise, T. A., et al. (2010). Runx2:n yhteys eturauhassyövän etenemiseen potilailla: luun osteolyysiä ja osteoblastisia metastaattisia leesioita välittävät mekanismit. Oncogene 29, 811-821. doi: 10.1038/onc.2009.389