Frontiers | CD44: En multifunktionell receptor för adhesion på cellytan är en regulator av cancercellernas progression och metastasering | Cell and Developmental Biology

CD44 Introduktion

CD44 är ett transmembran glykoprotein som även kallas P-glykoprotein 1. Det kodas av en enda gen på kromosom lokus 11p13 (Underhill, 1992; Iczkowski, 2010). CD44 uttrycks ubiquitärt i hela kroppen och har en molekylvikt på 85-200 kDa (Basakran, 2015). Standard-CD44 (sCD44) är den bevarade formen med en molekylvikt på cirka 85-90 kDa protein som består av transkription av exon 1-5 och 16-20 som är samsplicade (Rall och Rustgi, 1995; Rudzki och Jothy, 1997). De primära domänerna hos CD44 är den extracellulära domänen (eller ektodomänen), transmembrandomänen och den intracellulära domänen/cytoplasmatiska domänen (Iczkowski, 2010). Den extracellulära domänen interagerar med den yttre mikromiljön och känner av stimuli i den yttre mikromiljön (Underhill, 1992). Den transmembranära domänen ger en möjlighet att interagera med kofaktorer och adaptorproteiner samt att styra lymfocyternas homing (Underhill, 1992; Williams et al., 2013). CD44:s intracellulära domän (CD44-ICD) har en konfiguration med kort svans och lång svans med funktioner i nukleär lokalisering och transkriptionsförmedling (Okamoto et al., 2001; Williams et al., 2013). Vår nuvarande förståelse av CD44:s dubbla roll i cancerutveckling sammanfattas i figur 1 nedan.

FIGUR 1

Figur 1. CD44 transmembranreceptorns funktion. CD44, en multifunktionell receptor kan styra biologiska funktioner som är involverade i cancercellsspridning och metastasering. CD44 kan sekventiellt klyvas av membrantyp 1 matrismetalloproteas (MT1-MMP) och därefter presenilin-1/γ-sekretas som induceras av ligandbindning. Klyvningen ger upphov till (1) fragment av den extracellulära domänen (ECD). (2) CD44β-liknande peptid eller transmembran domän (TMD), och (3) CD44 intracellulär domän (ICD) fragment. CD44-ICD translokeras till kärnan för att aktivera transkription av gener som är viktiga för metastasering och cellöverlevnad. Anpassat från Thorne et al., 2004.

Isoformer av CD44

Flera isoformer av CD44 kan genereras på grund av insättning av alternativa exoner på specifika platser inom den extracellulära domänen (Cichy och Puré, 2003). De alternativa isoformerna av CD44 (CD44v) består av exon 6-15 som splicats på olika platser mellan exon 5 och 16 i standardisoformen (Goodison et al., 1999; Zeilstra et al., 2014). Uttrycket av olika CD44-isoformer verkar vara nödvändigt för utvecklingen av mänskliga tumörer (Günthert et al., 1995; Wang et al., 2009). En eller flera skarvvarianter och standard-CD44 kan uttryckas i cancerceller. Det finns en ökad chans att uttrycka större isoformer som CD44v8-10 i pankreascancer (Rall och Rustgi, 1995) och CD44v6 i kolorektalcancer (Yamane et al., 1999). Uttrycket av CD44v6 är välkänt som en användbar markör för tumörprogression och prognos vid kolorektalcancer (Yamane et al., 1999). I odlade supernatanter från prostatacancercellinjer som härrör från benmetastaser (PC3) identifierades löslig CD44 och variant 6 isoform (v6), men den identifierades inte i cellinjen för lymfkörtelmetastaserande prostatacancer (LNCaP, Stevens et al., 1996; Desai et al., 2009; Gupta et al., 2012). Byte från standard-CD44 till CD44v6 förbättrade överlevnad och adhesion i prostatacancerceller (PC3) (Gupta et al., 2013b). Uttrycket av CD44v6 i kolorektalcancer förstärks av cancerstamcellernas uttryck (Todaro et al., 2014).

CD44-uttryck i normala och tumörceller

Den allestädes närvarande transmembrancellsytemolekylen CD44 är allmänt spridd i normala vuxna och fetala vävnader. CD44 standard isoform isolerades ursprungligen från hematopoietiska celler men finns nu i en mängd olika vävnader t.ex. centrala nervsystemet, lungor och epidermis. I jämförelse är spridningen av CD44-varianternas isoformer begränsad och uttrycks på ett urval av epitelceller (Sneath och Mangham, 1998). Isoformerna med begränsad distribution och exonsekvens kan ha olika funktioner jämfört med standardisoformen av CD44. Keratinocyter, makrofager och utvalda epitelceller uttrycker varianten av CD44-isoformerna (CD44v) och finns på vävnader i olika utvecklingsstadier (Sneath och Mangham, 1998). I normala vävnader är CD44:s betydelse avgörande för regleringen av hyaluronmetabolismen, aktivering av lymfocyter och frisättning av cytokiner. Målinriktning av CD44 som resulterar i dess förlust leder dock till störningar i hyaluronmetabolismen, sårläkning och keratinocytproliferation (Yu och Stamenkovic, 1999). Bland många av CD44:s funktioner är en att få cellinjer som inte är metastatiska att bli mer metastatiska (Heider et al., 1993). De detaljer som ger CD44 metastatisk potential i mänskliga maligniteter är föremål för ytterligare belysning. Prostataceller som är godartade uttrycker högre CD44 variant 5 isoformer (CD44v5), medan neoplastiska prostataceller uttrycker högre nivåer av CD44s (Dhir et al., 1997; Desai et al., 2009; Gupta et al., 2013a). Olika bröstcancerceller uppvisar onormalt uttryck av CD44, inklusive heterogent uttryckande CD44-isoformer (Basakran, 2015).

CD44-receptor-ligandinteraktion

CD44 är känd för att interagera med olika ligander och denna interaktion är avgörande för dess många cellulära funktioner (Goodison et al., 1999). Det finns flera välkända ligander till CD44, bland annat hyaluronsyra (HA), osteopontin (OPN), kollagener och matrixmetalloproteinaser (MMP) (Goodison et al., 1999). CD44:s effekter på cellmigration och tillväxt är beroende av dess specificitet för ligander (Weber et al., 1996).

Hyaluronan (HA)

HA är en glykosaminoglykan som är en allestädes närvarande komponent i det extracellulära membranet. Den anses vara den viktigaste liganden för CD44 och kan binda CD44v-isoformer som uttrycks ubiquitärt. Genom att binda CD44 kan HA aktivera cytoskelettet och signalering av matrixmetalloproteinaser (MMP) som är involverade i tumörprogression (Bourguignon et al., 2014). Flera regioner i CD44:s cytoplasmatiska domän kan främja förstärkning av HA-bindningen, men den cytoplasmatiska domänens roll för att förmedla bindningen kräver inte en specifik aminosyrasekvens i T-lymfomceller (Perschl et al., 1995). HA kan existera i högmolekylär eller lågmolekylär form på grund av klyvning i olika storlekar. I bröstcancercellinjer är HA med hög molekylvikt involverad i tumörigenesen, antiangiogena och antiinflammatoriska reaktioner. HA med låg molekylvikt har dock visat sig främja cellmotilitet, CD44-klyvning och angiogenes. Därför är storleken på HA-liganden viktig för den biologiska funktionen (Louderbough och Schroeder, 2011).

Osteopontin (OPN)

Flera studier har visat på ett förhöjt uttryck av OPN i högt invasiva metastatiska cancerformer hos människor (Tuck et al., 2007). Integrin αvβ3 och CD44 är receptorer för OPN och kan interagera med αvβ3 genom dess funktionella arginin-glycin-asparaginsyra (RGD) cellbindningssekvens (Thalmann et al., 1999; Desai et al., 2007). Prostatacancers tillväxt och progression har visat sig medieras av parakrin och autokrin signalering av OPN (Thalmann et al., 1999). Samspelet mellan CD44 och OPN inducerar cellmigration från blodomloppet till inflammationsställen. Cellmigrationen och den efterföljande invasionen på avlägsna platser innefattar en komplex sekvens av händelser (Weber et al., 1996). Varianta CD44-isoformer binder till OPN oberoende av RGD-sekvenser som finns i CD44:s N-terminala domän (Katagiri et al., 1999). OPN-bindning till CD44-varianter/beta1-innehållande integrin främjar cellspridning, motilitet och kemotaktiskt beteende i pankreascarcinom hos råttor (Katagiri et al., 1999). OPN ökar ytuttrycket av standard-CD44 (sCD44) i osteoklaster och både sCD44 och variantisoformer i humana melanom- och PC3-celler (Chellaiah et al., 2003; Samanna et al., 2006; Desai et al., 2007). Osteopontinreglering av ytuttrycket av CD44v6 och sCD44 observerades i bröst- och hepatocellulära cancerceller (Gao et al., 2003; Khan et al., 2005).

Matrixmetalloproteinaser (MMP)

Matrixmetalloproteinaser (MMP) är viktiga extracellulära matrisproteiner som är involverade i nedbrytningen av den extracellulära matrisen. De är också viktiga under utveckling, sårläkning, benresorption och angiogenes (Paiva och Granjeiro, 2014). Det finns bevis som tyder på att MMP-9 och CD44 associerar i tumörceller från mus och människa vilket resulterar i MMP9-aktivitetens lokalisering på cellytan (Yu och Stamenkovic, 1999; Gupta et al., 2013a). Interaktionen mellan CD44 och den proteolytiska formen av MMP-9 är särskilt involverad i invasionen av prostatacancerceller (PC3) som härrör från benmetastaser (Desai et al., 2007). Därför är CD44:s förmåga att lokalisera proteolytiskt aktiv MMP-9 till tumörcellens yta viktig för tumörinvasion (Yu och Stamenkovic, 1999).

CD44:s roll i migration/invasion, angiogenes och benmetastaser

Migration och invasion

CD44-receptorn har potentialen att integrera adhesiva och signalverksamheter för att modulera migrations-/invasionsprocesser under cancerprogression (Lokeshwar et al, 1995). De mekanismer genom vilka CD44-receptorer förmedlar migration, proliferation och överlevnad av tumörceller genom HA-medierad signalering har studerats i stor utsträckning (Bourguignon et al., 1998, 2001, 2004; Kuniyasu et al., 2001; Wang och Bourguignon, 2006a,b; Wang et al., 2009). Förändringar i cellform och bildandet av adhesiva strukturer regleras av den dynamiska regleringen av aktincytoskelettet. Den dynamiska regleringen av aktincytoskelettet och de specialiserade strukturer som är involverade i migration regleras av den tidsmässiga och rumsliga lokaliseringen av aktinbindande proteiner (Chellaiah et al., 2000; Linder och Aepfelbacher, 2003; Desai et al., 2008). Ytuttrycket av CD44 tillsammans med dess interaktion med matrixmetalloproteinas 9 (MMP9) på cellens yta resulterar i utsöndring av aktivt MMP9, migration och invasion av PC3-celler (Desai et al., 2007, 2008; Gupta et al., 2013a). Störning av CD44/MMP9-interaktionen på cellytan minskar migration och invasion av PC3-celler. Vid knockdown av MMP9 växlar CD44-uttrycket till variant 6 (v6) isoform. Detta resulterar i en mindre invasiv fenotyp på grund av bristande uttryck av sCD44 och oförmåga att bilda invadopodier (Gupta et al., 2013a). CD44v6-uttrycket korrelerar omvänt med patologiskt stadium och sjukdomsprogression och korrelerar positivt med PSA-fri överlevnad vid prostatacancer (Ekici et al., 2002). Emellertid har uttryck av CD44v6 i icke-metastatiska råttkarcinomceller visat sig omvandla dem till metastatiska celler och främja tumörprogression (Günthert et al., 1991; Seiter et al., 1993). Vidare har CD44v3 visats uppreglera cytoskelettets funktion genom ankyrin för att aktivera det kontraktila aktomyosinkomplexet i syfte att förmedla cellmigration i cellinjen för skivepitelkarcinom i huvud och hals. Transfektion av v3 cDNA till icke-uttryckande cellinjer resulterade också i en signifikant ökning av cellmigrationen men inte av proliferationen (Franzmann et al., 2001; Wang et al., 2007). CD44-varianter har också visat sig fungera som en co-receptor för aktivering av tillväxtfrämjande tumörreceptortyrosinkinaser (Orian-Rousseau et al., 2002, 2007).

Angiogenes

Bildningen av nya blodkärl (angiogenes) krävs för att tumörcellen ska kunna sprida sig och migrera till avlägsna organ. Tidigare studier har identifierat CD44-uttryck på endotelceller (Liesveld et al., 1994; Xu et al., 1994) och detta styr bildandet av blodkärl (Trochon et al., 1996; Savani et al., 2001). Hämning av CD44 resulterar därför i försämrad bildning av kärlliknande nätverk (Savani et al., 2001; Cao et al., 2006). Endotelceller hittades i ökat antal i prostatacancervävnader i förhållande till normala vävnader (Wang et al., 2013). När CD44-nullmöss användes för att studera angiogena reaktioner in vivo försämrades både sårläkning och vaskularisering i matrigelimplantat. Därför är metastasebildning också kopplad till vaskulärt CD44-uttryck (Cao et al., 2006). Cancercellers vidhäftning till kärlsystemet och ökat uttryck av CD44 (CD44s och/eller CD44v) genom angiogena faktorer (t.ex. VEGF) som produceras av tumörceller kan leda till en underlättad extravasering via angiogenes. Dessutom förstärks CD44:s roll i tumörangiogenesen genom dess bindning till immobiliserad HA (Griffioen et al., 1997). CD44-varianter har visat sig ha bindningsdomäner för olika tillväxtfaktorer, däribland vaskulär endotelial tillväxtfaktor (VEGF), heparinbindande basisk fibroblasttillväxtfaktor och heparinbindande epidermal tillväxtfaktor (Bourguignon et al., 1998, 1999; Kalish et al., 1999). Analys av vävnadsmikroarray och lysat av prostatatumörceller visade att OPN- och VEGF-uttrycket var mer uttalat i prostatacancer jämfört med godartad eller normal prostatavävnad. Det föreslogs att en ökning av antalet mikrokärl och uttryck av CD44 skulle kunna vara användbara diagnostiska markörer för metastasering av bröstcancer (Ozer et al., 1997).

Benskörtelmetastasering

Bröst- och prostatacancercellernas förmåga att metastasera till benet bygger på deras förmåga att arrestera sig på, adherera till och extravasera över benmärgens endotel till den underliggande benmatrisen (Draffin et al., 2003). I prostatacancerceller bygger dessa cellers selektiva vidhäftning till benmärgsepitelet på rollen av adhesiva egenskaper hos integrinreceptorer. Prostatacancerceller har varit involverade i ett starkt samspel med benmärgens endotelceller (Draffin et al., 2004). Det finns för närvarande en oenighet mellan kliniska och experimentella data i litteraturen när det gäller betydelsen av sCD44 i sjukdomsutvecklingen av bröstcancer. En nyligen genomförd studie tyder på att bröstcancermodeller uppvisar uttryck av CD44-standard- och variantisoformer som ökar det sjukdomsframkallande och metastatiska beteendet (McFarlane et al., 2015). HA och CD44 samlokaliseras i benmärgens sinusoidala epitel, som är en plats för metastasering av bröstcancer. Detta tyder på att HA-CD44 bidrar till effektiviteten av fjärrmetastasering till ben hos bröstcancerceller (McFarlane et al., 2015). Celler som producerar låga nivåer av CD44 har lägre förmåga att bilda tumörsfärer in vitro. Dessutom är CD44 en markör för cancerstamceller (Jaggupilli och Elkord, 2012; Cho et al., 2015; Stivarou och Patsavoudi, 2015) och CD44-uttryckande cancerstamceller ökar sannolikheten för benmetastaser genom sin interaktion med HA. Därför kan CD44-HA-interaktionen vara ett potentiellt mål för att minska benmetastaser. CD44-signalering i prostatacancerceller har också visat sig reglera nyckelproteiner (dvs. RANKL och MMP9) som är involverade i osteoklastdifferentiering och tumörmetastasering (Gupta et al., 2012). Runx2 är en huvudtranskriptionsfaktor med viktiga roller i osteoblastdifferentiering. Transkriptionen av många osteoblast- och benbildningsrelaterade faktorer som OPN, osteokalcin och kollagen typ I regleras av Runx2 (Akech et al., 2010).

Roll för CD44 som transkriptionsfaktor

Proteolytisk klyvning som sker vid den extracellulära domänen som frigör löslig CD44 har länge varit känd. Nya studier har dock visat att CD44 kan genomgå ytterligare sekventiell proteolytisk bearbetning av membrantyp 1-matrismetalloproteaser (MT1-MMP) och presenilin-1/y-sekretas för att producera fragment av den extracellulära domänen och den intracellulära domänen (ICD). Presenilin-1/y-sekretas klyvning sker vid den intramembranära platsen och frigör två klyvningsprodukter med en storlek på ~25 och ~16 kDa. ICD-delen på 12 kDa translokeras till kärnan för att aktivera transkription av flera proteiner, inklusive CD44 själv (Okamoto et al., 2001; Nagano och Saya, 2004; Thorne et al., 2004). Om denna klyvning kan hämmas med hjälp av metalloproteashämmare kan den följaktligen fungera som ett terapeutiskt sätt att förhindra tumörprogression och metastasering (Nagano och Saya, 2004). Translokationen av CD44-ICD till kärnan inleder processen för transkriptionsreglering genom att den binder till nya promotorresponselement och därigenom reglerar transkriptionen av flera gener som är involverade i cellöverlevnad under stress, inflammation, oxidativ glykolys och tumörinvasion (Okamoto et al., 2001; Miletti-González et al., 2012). Detta tyder på en mekanism för CD44:s multifunktionella roll i cancercellers metastasering och metabolism (Miletti-González et al., 2012). Nukleär translokation av den intracellulära domänen har också visat sig interagera med stamningsfaktorer (Cho et al., 2015). CD44-ICD är kopplad till regleringen av MMP-9-genen i prostatacancer- och bröstcancerceller genom sin interaktion med transkriptionsfaktorn RUNX2 (Miletti-González et al., 2012).

Slutsatser

Den multifunktionella glykoproteinet CD44 kan genomgå alternativa splicing-händelser för att producera CD44-variant-isoformer som har en mer begränsad utbredning jämfört med standard-CD44-isoformerna (Rall och Rustgi, 1995). Det ubiquitärt uttryckta cellytproteinet är främst involverat i aggregering, migration och aktivering av celler, dessa funktioner förmedlas genom CD44:s adhesiva egenskaper (Heider et al., 1993). Det beskrevs ursprungligen för hematopoetiska stamceller, men har sedan dess bekräftats som en markör för cancerstamceller (Bourguignon et al., 1998). CD44 interagerar med en mängd olika ligander och kan genomgå sekventiell proteolytisk bearbetning som resulterar i bildandet av CD44-ICD. CD44-ICD är känd för att translokeras till kärnan för att aktivera gentranskription (Okamoto et al., 1999). Även om den information som lämnats här ger en omfattande genomgång av den hittillsvarande litteraturen finns det en viss diskurs om effekten av ICD som den viktigaste modulatorn av metastatiska händelser i cancer. För att ytterligare underbygga CD44:s effekt vid metastasering måste forskning om detaljerna slutföras för att ta itu med detta.

Författarbidrag

LS och MC utarbetade manuskriptet och bidrog i lika hög grad till redigering och omskrivning av det slutliga innehållet.

Finansiering

Detta arbete stöddes av ett forskningsbidrag till MC från National Institute of Health – National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases (5R01AR066044).

Intressekonfliktförklaring

Författarna förklarar att forskningen utfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som skulle kunna tolkas som en potentiell intressekonflikt.

Akech, J., Wixted, J. J., Bedard, K., van der Deen, M., Hussain, S., Guise, T. A., et al. (2010). Runx2 association med progression av prostatacancer hos patienter: mekanismer som medierar benosteolys och osteoblastiska metastatiska lesioner. Oncogene 29, 811-821. doi: 10.1038/onc.2009.389