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

CD44 Introduction

CD44 é uma glicoproteína transmembrana também referida como P-glycoprotein 1. Ela é codificada por um único gene no locus cromossômico 11p13 (Underhill, 1992; Iczkowski, 2010). A CD44 é ubíquamente expressa em todo o corpo e tem um peso molecular de 85-200 kDa (Basakran, 2015). O CD44 padrão (sCD44) é a forma conservada com um peso molecular de cerca de 85-90 kDa de proteína que é feita de transcrição de exons 1-5 e 16-20 que são unidos (Rall e Rustgi, 1995; Rudzki e Jothy, 1997). Os domínios primários do CD44 são o domínio extracelular (ou ectodomain), o domínio transmembrana, e o domínio intracelular / domínio citoplasmático (Iczkowski, 2010). O domínio extracelular interage com o microambiente externo e sente estímulos no microambiente externo (Underhill, 1992). O domínio transmembrana fornece uma via para interagir com co-fatores e proteínas adaptadoras, bem como para direcionar a localização de linfócitos (Underhill, 1992; Williams et al., 2013). O domínio intracelular CD44 (CD44-ICD) tem uma configuração de cauda curta e cauda longa com funções de localização nuclear e mediação de transcrição (Okamoto et al., 2001; Williams et al., 2013). Nosso entendimento atual do duplo papel do CD44 na progressão do câncer está resumido na Figura 1 abaixo.

FIGURA 1

Figura 1. Função do receptor transmembrana CD44. CD44, um receptor multifuncional pode controlar as funções biológicas envolvidas na disseminação e metástase de células cancerosas. O CD44 pode ser clivado sequencialmente por membrana tipo 1 metaloprotease de matriz (MT1-MMP) e depois pré-senilina-1/γ secretase induzida por ligandos de ligação. A clivagem produz (1) fragmento de domínio extracelular (ECD). (2) CD44β como peptídeo ou domínio transmembrana (TMD), e (3) CD44 fragmento de domínio intracelular (ICD). O CD44-ICD transloca para o núcleo para ativar a transcrição de genes importantes na metástase e sobrevivência celular. Adaptado de Thorne et al., 2004.

Isoformas de CD44

Isoformas múltiplas de CD44 podem ser geradas devido à inserção de exões alternativos em locais específicos dentro do domínio extracelular (Cichy e Puré, 2003). A variante isoformas do CD44 (CD44v) compreende de exon 6-15 emendadas em vários sites entre exons 5 e 16 da isoforma padrão (Goodison et al., 1999; Zeilstra et al., 2014). A expressão de isoformas CD44 distintas parece ser necessária para a progressão de tumores humanos (Günthert et al., 1995; Wang et al., 2009). Uma ou várias variantes de emendas e CD44 padrão podem ser expressas em células cancerígenas. Há uma chance maior de expressar isoformas maiores como a do CD44v8-10 em cânceres pancreáticos (Rall e Rustgi, 1995) e CD44v6 em câncer colorretal (Yamane et al., 1999). A expressão do CD44v6 é conhecida como um marcador útil da progressão e prognóstico do tumor no câncer colorretal (Yamane et al., 1999). Em sobrenadantes cultivados de linhas celulares de câncer de próstata derivados de metástase óssea (PC3), CD44 solúvel e variante 6 isoforma (v6) foi identificado, porém não foi identificado na linha celular metastática do câncer de próstata (LNCaP, Stevens et al., 1996; Desai et al., 2009; Gupta et al., 2012). A mudança do padrão CD44 para CD44v6 melhorou a sobrevivência e adesão nas células do câncer de próstata (PC3) (Gupta et al., 2013b). A expressão do CD44v6 no câncer colorretal é aumentada pela expressão das células-tronco cancerosas (Todaro et al., 2014).

CD44 Expressão em células normais e tumorais

A molécula transmembrana de superfície celular ubíqua CD44 é amplamente distribuída nos tecidos normais do adulto e do feto. A isoforma CD44 padrão foi originalmente isolada das células hematopoiéticas, mas agora é encontrada em uma variedade de tecidos, por exemplo, sistema nervoso central, pulmão e epiderme. Em comparação, a distribuição das isoformas da variante CD44 é restrita e expressa em uma seleção de células epiteliais (Sneath e Mangham, 1998). As isoformas com distribuição restrita e seqüência exon podem ter funções diferentes em comparação com a isoforma padrão do CD44. Queratinócitos, macrófagos e células epiteliais selecionadas expressam a variante das isoformas CD44 (CD44v) e estão presentes nos tecidos em vários estágios de desenvolvimento (Sneath e Mangham, 1998). Em tecidos normais, a importância do CD44 é vital na regulação do metabolismo hialurônico, ativação de linfócitos e liberação de citocinas. No entanto, o alvo do CD44 resultando na sua perda leva à interrupção do metabolismo hialurônico, cicatrização de feridas e proliferação de queratinócitos (Yu e Stamenkovic, 1999). Entre muitas das funções do CD44, uma é fazer com que as linhas celulares que não sãoetastáticas se tornem mais metastáticas (Heider et al., 1993). Os detalhes que conferem o potencial metastático do CD44 em malignidades humanas é o tema de uma maior elucidação. As células da próstata que são benignas expressam isoformas CD44 variante 5 (CD44v5), enquanto as células neoplásicas da próstata expressam níveis mais elevados de CD44 (Dhir et al., 1997; Desai et al., 2009; Gupta et al., 2013a). Várias células cancerígenas da mama mostram expressão anormal de CD44 incluindo a expressão heterogênea de isoformas CD44 (Basakran, 2015).

CD44 Interação receptor-ligante

CD44 é conhecida por interagir com vários ligandos e esta interação é crucial para suas muitas funções celulares (Goodison et al., 1999). Existem vários ligandos conhecidos de CD44 incluindo ácido hialurônico (HA), osteopontino (OPN), colágenos e metaloproteinases de matriz (MMPs) (Goodison et al., 1999). Os efeitos do CD44 na migração e crescimento celular dependem da sua especificidade aos ligandos (Weber et al., 1996).

Hyaluronan (HA)

HA é um glicosaminoglicano que é um componente ubíquo da membrana extracelular. É considerado o ligante principal para CD44 e pode ligar isoformas CD44v que são ubíquamente expressas. Através da ligação do CD44, o HA pode ativar citoesqueleto e metaloproteinases de matriz (MMPs) sinalizando a progressão tumoral (Bourguignon et al., 2014). Múltiplas regiões do domínio citoplasmático do CD44 podem promover o aumento da ligação de HA, entretanto, o papel do domínio citoplasmático na mediação da ligação não requer uma sequência específica de aminoácidos nas células do linfoma T (Perschl et al., 1995). HA pode existir em forma de alto peso molecular ou baixo peso molecular devido à clivagem em tamanhos variados. Nas linhas celulares do câncer de mama, o HA de alto peso molecular está envolvido em respostas tumorigênicas, antiangiogênicas e antiinflamatórias. No entanto, o HA de baixo peso molecular tem demonstrado promover a motilidade celular, clivagem CD44 e angiogênese. Portanto, o tamanho do ligante de HA é importante para a função biológica (Louderbough e Schroeder, 2011).

Osteopontin (OPN)

Estudos transversais têm demonstrado uma expressão elevada de OPN em cânceres humanos metastáticos altamente invasivos (Tuck et al., 2007). Integrin αvβ3 e CD44 são receptores para OPN e podem interagir com αvβ3 através de sua sequência funcional de ligação celular arginininina-glicina-ácido asártico (RGD) (Thalmann et al., 1999; Desai et al., 2007). O crescimento e progressão do câncer de próstata é mediado pela sinalização parácrina e autócrina de OPN (Thalmann et al., 1999). A interação CD44-OPN induz a migração das células para fora da corrente sanguínea para locais de inflamação. A migração de células e subsequente invasão em locais distantes envolve uma sequência complexa de eventos (Weber et al., 1996). A variante CD44 isoformas ligam-se à OPN independentemente das sequências de RGD presentes no domínio N-terminal do CD44 (Katagiri et al., 1999). A ligação de OPN às variantes CD44/beta1 contendo integrina promove propagação celular, motilidade e comportamento quimiotáxico no carcinoma pancreático de ratos (Katagiri et al., 1999). A OPN aumenta a expressão superficial do CD44 padrão (sCD44) nos osteoclastos e tanto o sCD44 como as isoformas variantes no melanoma humano e células PC3 (Chellaiah et al., 2003; Samanna et al., 2006; Desai et al., 2007). Foi observada regulação da expressão superficial de osteopontino de CD44v6 e sCD44 em células cancerosas de mama e hepatocelulares (Gao et al., 2003; Khan et al., 2005).

Matrix Metalloproteases (MMPs)

Matrix metalloproteinases (MMPs) são importantes proteínas de matriz extracelular que estão envolvidas na degradação da matriz extracelular. Elas também são importantes durante o desenvolvimento, cicatrização de feridas, reabsorção óssea e angiogênese (Paiva e Granjeiro, 2014). Há evidências sugerindo que o MMP-9 e o CD44 se associam em células tumorais de camundongos e humanos resultando na localização da atividade do MMP9 na superfície celular (Yu e Stamenkovic, 1999; Gupta et al., 2013a). A interação do CD44 e a forma proteolítica do MMP-9 está particularmente envolvida na invasão de células cancerosas da próstata (PC3) derivadas de metástases ósseas (Desai et al., 2007). Portanto, a capacidade do CD44 de localizar MMP-9 proteolítico ativo na superfície celular tumoral é importante para a invasão tumoral (Yu e Stamenkovic, 1999).

CD44 Papel na Migração/Invasão, Angiogênese e Metástase Óssea

Migração e Invasão

Receptor CD44 tem o potencial de integrar atividades adesivas e de sinalização para modular os processos de migração/invasão durante a progressão do câncer (Lokeshwar et al, 1995). Os mecanismos pelos quais os receptores CD44 medeiam a migração, proliferação, sobrevivência das células tumorais através da sinalização mediada por HA têm sido amplamente estudados (Bourguignon et al., 1998, 2001, 2004; Kuniyasu et al., 2001; Wang e Bourguignon, 2006a,b; Wang et al., 2009). Alterações na forma celular e formação de estruturas adesivas são reguladas pela regulação dinâmica do citoesqueleto actínico. A regulação dinâmica do citoesqueleto de actina e as estruturas especializadas envolvidas na migração são reguladas pela localização temporal e espacial das proteínas de ligação à actina (Chellaiah et al., 2000; Linder e Aepfelbacher, 2003; Desai et al., 2008). A expressão superficial da CD44 juntamente com sua interação com a metaloproteinase matriz 9 (MMP9) na superfície da célula resulta na secreção da MMP9 ativa, migração e invasão das células PC3 (Desai et al., 2007, 2008; Gupta et al., 2013a). A interrupção da interação CD44/MMP9 na superfície da célula reduz a migração e invasão das células PC3. Quando o MMP9 é derrubado, a expressão CD44 muda para a variante 6 (v6) isoforma. Isto resulta em um fenótipo menos invasivo devido à falta de expressão do sCD44 e incapacidade de formar invadopódios (Gupta et al., 2013a). A expressão CD44v6 está inversamente correlacionada com o estágio patológico e a progressão da doença e positivamente correlacionada com a sobrevida livre de PSA no câncer de próstata (Ekici et al., 2002). Entretanto, a expressão do CD44v6 em células não-metastáticas do carcinoma de rato demonstrou convertê-las em células metastáticas e promover a progressão tumoral (Günthert et al., 1991; Seiter et al., 1993). Além disso, foi demonstrado que o CD44v3 upregula a função do citoesqueleto através da anquilina para ativar o complexo actomiostático contrátil, a fim de mediar a migração celular na linha celular do carcinoma escamoso da cabeça e pescoço. A transferência do cDNA v3 para linhas celulares não-expressoras também resultou em um aumento significativo na migração celular, mas não na proliferação (Franzmann et al., 2001; Wang et al., 2007). As variantes CD44 também demonstraram funcionar como um co-receptor para a ativação de tirosinases receptoras tumorais promotoras de crescimento (Orian-Rousseau et al., 2002, 2007).

Angiogênese

A formação de novos vasos sanguíneos (angiogênese) é necessária para que a célula tumoral se dissemine e migre para órgãos distantes. Estudos anteriores identificaram a expressão CD44 em células endoteliais (Liesveld et al., 1994; Xu et al., 1994) e isto controla a formação de vasos sanguíneos (Trochon et al., 1996; Savani et al., 2001). A inibição do CD44 resulta, portanto, na formação deficiente de redes semelhantes a vasos (Savani et al., 2001; Cao et al., 2006). Células endoteliais foram encontradas em maior número nos tecidos com câncer de próstata em relação aos tecidos normais (Wang et al., 2013). Quando foram usados ratos CD44-null para estudar respostas angiogénicas in vivo, a cicatrização e vascularização da ferida foram ambas prejudicadas nos implantes matrigel. Portanto, a formação de metástases também está ligada à expressão vascular CD44 (Cao et al., 2006). A adesão das células cancerígenas à vasculatura e a expressão aumentada do CD44 (CD44s e/ou CD44v) por fatores angiogênicos (por exemplo, VEGF) produzidos por células tumorais pode levar a extravasamento facilitado via angiogênese. Além disso, o papel do CD44 na angiogênese tumoral é reforçado pela sua ligação com HA imobilizada (Griffioen et al., 1997). As variantes CD44 têm domínios de ligação para vários fatores de crescimento, incluindo fator de crescimento endotelial vascular (VEGF), fator de crescimento fibroblasto básico de ligação à heparina e fator de crescimento epidérmico de ligação à heparina (Bourguignon et al., 1998, 1999; Kalish et al., 1999). A análise do microarray tecidual e lisados de células tumorais da próstata mostrou que a expressão OPN e VEGF foi mais pronunciada no câncer de próstata do que nos tecidos benignos ou normais da próstata. Foi sugerido que um aumento no número de microvasos e expressão de CD44 poderia ser útil como marcadores diagnósticos de metástase do câncer de mama (Ozer et al., 1997).

Metástase óssea

A capacidade das células cancerosas da próstata e da mama de metástase óssea baseia-se na sua capacidade de parar, aderir e extravasar através do endotélio da medula óssea na matriz óssea subjacente (Draffin et al., 2003). Nas células cancerosas da próstata, a adesão seletiva dessas células ao epitélio da medula óssea baseia-se no papel das propriedades adesivas dos receptores de integrina. As células do câncer de próstata têm estado envolvidas em forte interação com as células endoteliais da medula óssea (Draffin et al., 2004). Existe atualmente uma dissensão entre dados clínicos e experimentais na literatura sobre a importância do sCD44 na progressão da doença do câncer de mama. Um estudo recente sugere que modelos de câncer de mama mostram a expressão de isoformas padrão e variantes do CD44 que aumentam a progressão da doença e o comportamento metastático (McFarlane et al., 2015). HA e CD44 co-localizam no epitélio sinusoidal da medula óssea, que é um local de metástase do câncer de mama. Isto sugere a contribuição do HA-CD44 para a eficiência da metástase distante no osso das células cancerosas da mama (McFarlane et al., 2015). As células que produzem baixos níveis de CD44 têm menor capacidade de formar esfera tumoral in vitro. Além disso, o CD44 é um marcador para células-tronco cancerígenas (Jaggupilli e Elkord, 2012; Cho et al., 2015; Stivarou e Patsavoudi, 2015) e o CD44 expressando células-tronco cancerígenas aumenta a probabilidade de metástases ósseas através de sua interação com HA. Portanto, a interação CD44-HA poderia ser um alvo potencial para a redução das metástases ósseas. A sinalização de CD44 nas células cancerosas da próstata também tem demonstrado regular as proteínas-chave (ou seja, RANKL e MMP9) envolvidas na diferenciação dos osteoclastos e metástases tumorais (Gupta et al., 2012). Runx2 é um fator mestre de transcrição com papéis importantes na diferenciação dos osteoblastos. A transcrição de muitos fatores relacionados à osteoblasto e formação óssea como OPN, osteocalcina e colágeno tipo I são regulados por Runx2 (Akech et al., 2010).

Role of CD44 as a Transcriptional Factor

Clivagem proteolítica que ocorre no domínio extracelular liberando o CD44 solúvel há muito tempo tem sido reconhecida. Entretanto, estudos recentes têm mostrado que o CD44 pode sofrer um processamento proteolítico seqüencial adicional por metaloproteases de matriz de membrana tipo 1 (MT1-MMP) e presenilina-1/y-secretase para produzir os fragmentos de domínio extracelular e de domínio intracelular (CDI). A clivagem pré-senilina-1/y-secretase ocorre no sítio intramembrana liberando dois produtos de clivagem de ~25 e ~16 kDa. O CDI de 12 kDa transloca para o núcleo para ativar a transcrição de várias proteínas incluindo o próprio CD44 (Okamoto et al., 2001; Nagano e Saya, 2004; Thorne et al., 2004). Consequentemente, se esta clivagem pode ser inibida através de inibidores de metaloprotease, ela pode servir como uma forma terapêutica de prevenir a progressão tumoral e metástase (Nagano e Saya, 2004). A translocação do CD44-ICD para o núcleo inicia o processo de regulação transcripcional através da sua ligação a um novo elemento promotor de resposta, regulando a transcrição de vários genes que estão envolvidos na sobrevivência celular durante o estresse, inflamação, glicólise oxidativa, invasão tumoral (Okamoto et al., 2001; Miletti-González et al., 2012). Isto sugere um mecanismo para o papel multifuncional do CD44 na metástase e metabolismo das células cancerosas (Miletti-González et al., 2012). A translocação nuclear do domínio intracelular também mostrou interagir com fatores de estenose (Cho et al., 2015). O CD44-ICD está ligado à regulação do gene MMP-9 nas células cancerosas da próstata e mama através de sua interação com o fator transcripcional RUNX2 (Miletti-González et al., 2012).

Conclusões

A glicoproteína multifuncional CD44 pode sofrer eventos alternativos de emenda para produzir isoformas da variante CD44 que são mais restritas em sua distribuição em comparação com as isoformas CD44 padrão (Rall e Rustgi, 1995). A proteína de superfície celular expressa ubíquamente está envolvida principalmente na agregação, migração e ativação das células, estas funções são mediadas através das propriedades adesivas do CD44 (Heider et al., 1993). Inicialmente descrita para células estaminais hematopoiéticas, desde então tem sido confirmada como um marcador de células estaminais cancerosas (Bourguignon et al., 1998). O CD44 interage com uma variedade de ligandos e pode sofrer um processamento proteolítico sequencial resultando na geração de CD44-ICD. Sabe-se que o CD44-ICD é translocado para o núcleo para ativar a transcrição do gene (Okamoto et al., 1999). Embora as informações aqui fornecidas forneçam uma revisão abrangente da literatura até o momento, existe algum discurso sobre o efeito do CDI como o principal modulador de eventos metastáticos em cânceres. Para substanciar ainda mais o efeito do CD44 na metástase, será necessário completar a pesquisa sobre as especificidades para abordar este assunto.

Contribuições dos autores

LS e MC redigiram o manuscrito e contribuíram igualmente na edição e reescrita do conteúdo final.

Fundação

Este trabalho foi apoiado por uma bolsa de pesquisa para MC do Instituto Nacional de Saúde – Instituto Nacional de Artrite e Doenças Musculoesqueléticas e Cutâneas (5R01AR066044).

Conflict of Interest Statement

Os autores declaram que a pesquisa foi realizada na ausência de quaisquer relações comerciais ou financeiras que pudessem ser interpretadas como um potencial conflito de interesses.

Akech, J., Wixted, J. J., Bedard, K., van der Deen, M., Hussain, S., Guise, T. A., et al. (2010). Runx2 association with progression of prostate cancer in patients: mechanisms mediating bone osteolysis and osteoblastic lesions metastatic lesions. Oncogene 29, 811-821. doi: 10.1038/onc.2009.389