Claudin 1 I Brysttumorigenese: Åpenbaring Av En Mulig Roman «Claudin High» Delmengde Av Brystkreft

Abstrakt

Claudiner er hovedkomponenten i de tette kryssene i epitelceller og som sådan spiller en nøkkelrolle i den polariserte plasseringen av ionkanaler, reseptorer og enzymer til de forskjellige membrandomenene. I den forbindelse er claudiner nødvendige for en harmonisk utvikling av et funksjonelt epitel. Videre har defekte tette veikryss vært assosiert med utviklingen av neoplastisk fenotype i epitelceller. Fordeling av celle-celle-interaksjoner og deregulering av ekspresjonen av junctional proteiner antas derfor å være viktige skritt i invasjon og metastase. Flere studier tyder på at claudins er store deltakere i brysttumorigenese. I dette papiret diskuterer vi nylige fremskritt i vår forståelse av claudin 1s potensielle rolle i brystkreft. Vi diskuterer også betydningen av en undergruppe av østrogen reseptor negative brystkreft som uttrykker «høye» nivåer av claudin 1 protein. Vi foreslår at claudin 1 fungerer både som en tumor suppressor samt en tumor enhancer / facilitator i brystkreft.

1. Brystkreft

Brystkreft er fortsatt en av de mest diagnostiserte kreftene blant kvinner i Nord-Amerika . Basert på molekylære, epidemiologiske og histologiske observasjoner har en morfologisk progresjonsmodell for brystkreft blitt samlet i løpet av det siste tiåret . Denne foreslåtte modellen (Figur 1) skisserer et kontinuum av lesjoner som beskriver en trinnvis progresjon av brystkreft, fra epitelhyperplasi, gjennom atypisk hyperplasi og duktalt karsinom in situ, til invasivt karsinom og til slutt metastatisk sykdom . Til tross for mange fremskritt i diagnose og behandling av brystkreft, forblir metastase en uoverstigelig utfordring. Om lag 40% av kvinnene feiler for tiden primære styringsstrategier for tidlig brystkreft og til slutt bukker seg for sykdommen.

Figur 1

Hypotetisk modell av brysttumorigenese og progresjon. Den trinnvise progresjonen av brystkreft er beskrevet som et kontinuum av lesjoner fra epithelial hyperplasi til invasivt karsinom og til slutt metastase.

den komplekse naturen av sykdomspresentasjonen og begrensningene i å identifisere klinisk relevante undergrupper av pasienter skaper store vanskeligheter for dagens brystkreftdiagnostiske og terapeutiske strategier. En økende forståelse av den heterogene naturen til denne sykdommen har stammet hovedsakelig fra cDNA microarray og immunhistokjemiske studier, som har ført til en omdefinering av brystkreftundergrupper . Hittil er det identifisert 5 forskjellige brystkreftkategorier (Tabell 1 ) basert PÅ ER / PR-status, her2, CK5/6 og EGFR-uttrykk. Terapeutisk har disse subtypene vist seg å vise et bredt spekter av responser på ulike behandlinger . Luminal a subtype (Tabell 1), som er mer følsom for hormoner, har det mest gunstige resultatet, Mens Her2 og basal subtyper, som ikke er følsomme for hormoner, er mer aggressive, viser den verste prognosen, og har færre terapeutiske alternativer . Åpenbart vil den videre identifiseringen av ulike undertyper av brystkreft gi flere terapeutiske muligheter til å matche egenskapene til individuelle brystkreftpasienter, og øke vår evne til å begynne å tilby individuell behandling til pasienter.

To hypotetiske modeller har blitt foreslått for å forklare utviklingen av brystkreft subtyper . I den første modellen, den lineære modellen, er opprinnelsescellen den samme for forskjellige tumorsubtyper (og dermed er tumorsubtype bestemt av ervervede genetiske og epigenetiske hendelser). I den andre modellen, den ikke-lineære modellen, er opprinnelsescellen forskjellig (antagelig en stamcelle eller en stamcelle) for de forskjellige subtyper. Nylig arbeid Av Jeselsohn et al. har gitt bevis for at det er to populasjoner av stamceller, en som gir opphav til luminal-lignende brystkreft og den andre til basal-lignende brystkreft.

2. Epitel Mesenkymal Overgang (EMT)

oppkjøpet av invasiv fenotype antas å markere den mest signifikante endringen i brystkreftbiologi, da den representerer det første skrittet mot utvikling av metastatisk sykdom. Når celler konverterer fra den ikke-invasive til den invasive fenotypen, blir de forankringsuavhengig og utviser forbedret motilitet samt økt aggressivitet, en prosess referert til som epitel-mesenkymal overgang (EMT).

under denne overgangen får epitelceller en mesenkymallignende fenotype via forstyrrelse av intercellulær adhesjon og forbedret motilitet(for gjennomgang se). Det antas at celler bytter fra et keratin (epitel) rikt nettverk til et vimentin (mesenkymalt) rikt nettverk for å lette deres motilitet . Som for mesenkymceller, i motsetning til epitelceller, kan de individuelt migrere, trenge inn i omgivende vev og spre seg til fjerne steder . Fordelingen av celle-celle-interaksjoner og det deregulerte uttrykket av de junctional proteinene antas derfor å være viktige skritt i invasjon og metastase .

3. Tette Veikryss

Tette veikryss er de mest apikale av intercellulære veikryss og vises som et nettverk av kontinuerlige og anastomoserende filamenter på plasmamembranens protoplasmatiske ansikt (Figur 2). De bidrar til transepithelialbarrieren som styrer transporten av ioner og små molekyler gjennom paracellulærveien, en egenskap referert til som» barriere » – funksjonen . Tette veikryss er også avgjørende for organisering av epitelcellepolaritet, separering av plasmamembranen i apikale og basolaterale domener . I tillegg er de også kritiske for den polariserte plasseringen av ionkanaler, reseptorer og enzymer til membrandomenene som er nødvendige for strukturelt og funksjonelt utviklet epitel, en funksjon referert til som «gjerdefunksjonen». Tette veikryss er derfor avgjørende for tett forsegling av cellulære ark og opprettholdelse av homeostase . Bortsett fra å opprettholde cellepolaritet og paracellulære funksjoner, er tight junction proteiner involvert i rekruttering av signalproteiner . Primært, tre typer integrert membran proteiner utgjør de tette veikryss (Figur 2); claudins, occludin og junctional adhesjon molekylet(s), med claudins og occludin være de to viktigste molekylære komponentene i forming stramt veikryss strand. Det kryssende adhesjonsmolekylet antas å fungere som den første romlige cue for tett kryssdannelse . I forbindelse med adheren-kryssproteinene, som er ansvarlige for den mekaniske adhesjonen mellom tilstøtende celler og stabiliseringen av hele multicellulær arkitektur, utgjør de det apikale veikrysskomplekset i epitelvev .

Figur 2

Tette Veikryss. Tette veikryss er de mest apikale intercellulære kryssene i epitelceller. De viktigste molekylære komponentene i de tette veikryssene er claudins, occludin og junctional adhesjonsmolekylet (JAM). Tight junction proteiner i forbindelse med adheren junction proteiner (cadherins, catenins) danner epitelcelle junctional komplekser . Gapet krysset ligger basal til adheren krysset.

4. Tight Junction Proteiner Og Tumorigenesis

en sterk sammenheng mellom tight junction proteiner og kreftutvikling er etablert. Endringer i struktur og funksjon av tette veikryss har faktisk blitt rapportert i adenokarsinomer i ulike organer . Et fravær av tette veikryss eller defekte tette veikryss har også vært assosiert med utviklingen av neoplastisk fenotype i epitelceller . Slike observasjoner er i samsvar med den aksepterte ideen om at forstyrrelsen av stramme veikryss fører til tap av kohesjon, invasivitet og mangel på differensiering, og derved fremmer tumorigenese. For tiden har mest kunnskap om rollen som junctional proteiner i kreft, og mer spesifikt brystkreft, stammet fra studier på det store adheren junction-proteinet, e cadherin(for gjennomgang se). Nedreguleringen Av e cadherin antas å være en viktig molekylær hendelse under epitel-mesenkymal overgang . I motsetning Til e cadherin er rollen til de tette kryssproteinene ikke godt forstått i brystkreft.

4.1. Claudins

claudins er hovedkomponenten i det stramme krysset, og 24 medlemmer av denne familien av proteiner har blitt identifisert til dags dato . De er små proteiner som varierer i størrelse fra 22 til 27 kD og er kodet av minst 17 humane gener (Tabell 2), plassert på 12 forskjellige kromosomer . Fordelingen av loci for claudin gener blant så mange forskjellige kromosomer er interessant som generelt mange gen familier har mest, om ikke alle av sine medlemmer ligger på ett kromosom . Den brede distribusjonen kan gjenspeile de multifunksjonelle egenskapene til disse proteinene. Tre claudin genet klynger er lett synlig på kromosom 3 (3q28), 4 (4q35.1), og 7 (7q11 .23) og det er svært sannsynlig at medlemmer i disse klynger kan ha lignende funksjon og vev spesifisitet. Bortsett fra disse tre claudin – genklyngene, synes det ikke å være noe annet åpenbart mønster (Tabell 2). Det er mulig at utvidelsen av claudin-genfamilien hos mennesker kan ha tillatt for oppkjøp av nye funksjoner under evolusjonen, som postulert for denne genfamilien i teleostfisk . Claudinene deler en felles transmembran topologi; hvert familiemedlem antas å ha fire transmembrane domener med intracellulær amino og karboksyltermini i cytoplasma og to ekstracellulære sløyfer . Uttrykket mønster av claudin proteiner er vev spesifikke ; imidlertid uttrykker de fleste vev flere claudiner som kan interagere i enten en homotypisk eller heterotypisk mote for å danne den stramme kryssstrengen . Den nøyaktige kombinasjonen av claudinproteinene i et gitt vev bestemmer selektiviteten, styrken og tettheten til det stramme krysset .

Hittil har bare noen få studier tatt opp claudins rolle i brystkreft, og funn om deres funksjon forblir kontroversielle . I flere kreftformer, inkludert brystkreft, har endret proteinuttrykk av noen claudin-familiemedlemmer blitt demonstrert(for gjennomgang se). For eksempel har proteinuttrykk av claudin 3 og 4 vist seg å være oppregulert i invasiv brystkreft, mens også i invasiv brystkreft ble ekspresjonen av claudin 1 og 7 proteiner nedregulert .

4.2. Claudin 1

Knockout mus eksperimenter har fastslått at tight junction protein claudin 1, og ikke occludin, danner ryggraden i tight junction strand og er avgjørende for epidermal barrierefunksjon . Uttrykk for claudin 1 har blitt undersøkt i en rekke kreftformer(for gjennomgang se). Både en økning og en reduksjon i claudin 1-proteinuttrykk har vist seg å være assosiert med tumorigenese. I noen kreftformer, inkludert prostata , bryst og melanocytisk neoplasi , har tap av claudin 1 vært assosiert med kreftprogresjon og invasjon, og oppkjøpet av metastatisk fenotype. I esophageal squamous cell carcinoma redusert ekspresjon av claudin 1 korrelert med tilbakefall og kortere sykdomsfri overlevelse, mens i lungekreft ble claudin 1 vist å undertrykke ekspresjonen av invasjon/metastaseforsterkere og øke ekspresjonen av kreftinvasjon/metastasesuppressorer, og dermed gi støtte bevis for at det fungerer som en kreftinvasjon/metastasesuppressor . Omvendt, i andre kreftformer , som papillær thyroid oral plateepitelkarsinom , ovarie , kolon , melanom og mage , har overuttrykk av claudin 1 vært assosiert med aggressivitet og økt malign fenotype. Videre har funksjonelle studier vist at claudin 1 kunne rekruttere OG fremme aktiveringen av metalloproteinasen MMP-2 og føre til en mer aggressiv fenotype i oral og eggstokkreft.

5. Claudin 1 Ved Normal Bryst-Og Brystkreft

i normal brystkjertel er det hovedsakelig undersøkt proteiner med tett forbindelse med laktogenese . Tidligere arbeid fra vårt laboratorium har identifisert claudin 1 som et svært oppregulert gen under tidlig brystkjertelinvolvering , og uttrykket ble funnet å være tett regulert under ulike stadier av normal utvikling av musekjertler . Nylig har det vært økt interesse for claudin 1s potensielle rolle i brystkreft. Selv om studier fortsatt er relativt begrensede, er det noen kritiske rapporter som viser en klar sammenheng mellom claudin 1-uttrykk og brystkreftprogresjon. De fleste studiene peker på en nedregulering eller fullstendig tap av claudin 1-uttrykk i maligne invasive humane brystkreft, og i noen humane brystkreftcellelinjer . En korrelasjon mellom claudin 1 down regulering og sykdom tilbakefall ble også nylig rapportert . I tillegg tyder funksjonelle studier også på at claudin 1 kan være en sentral aktør i brysttumorigenese. En nedregulering av claudin 1-genuttrykk ble vist å føre til neoplastisk transformasjon av brystepitelceller . I tillegg ble re-uttrykket av claudin 1 alene vist å være tilstrekkelig til å indusere apoptose i en human brystkreftcellelinje . Det har også blitt foreslått at claudin 1 alene kan være tilstrekkelig til å utøve en tight junction-mediert gate funksjon i metastatiske tumorceller selv i fravær av andre tight junction-assosierte proteiner . I tillegg har subcellulær lokalisering av claudin 1 blitt vist (av oss og andre ) å bli forstyrret i invasiv brystkreft som fører til deteksjon av dette proteinet i cytoplasma. Interessant er det nylig etablert en sammenheng mellom claudin 1 og epithelial mesenkymal overgang. Som Med e cadherin ble transkripsjonsfaktorene, slug og snegl, nøkkelmarkører for epitel mesenkymal overgang, vist å binde seg til claudin 1-promotoren, noe som resulterte i undertrykkelsen av aktiveringen .

Tilleggsarbeid fra vårt laboratorium har også gitt bevis for at claudin 1-uttrykk i brystkreft er enda mer komplisert enn opprinnelig antatt. Ved hjelp av vevsmikroarray-strategier viste vi at i en kohorte av humane invasive brystkreft som utviser blandede patologiske lesjoner (340 biopsier, den største undersøkte hittil), uttrykker bare en liten prosentandel av svulster claudin 1-protein. Frekvensen av claudin 1 positive svulster var signifikant lavere enn frekvensen av svulster observert som positiv for claudin 3 og 4, to familiemedlemmer som tidligere har vist seg å være overuttrykt ved invasiv human brystkreft .

SIDEN ER-status ofte regnes som en viktig klassifiserer av brystkreft (Tabell 1), ønsket vi å avgjøre om det var noen sammenheng mellom østrogen/østrogenreseptor og claudin 1. Vi viste at i erve brystkreft (189 biopsier) var et signifikant lite antall svulster (5%) positive for claudin 1-ekspresjon, mens i ERve-svulstene (151 biopsier) var frekvensen av positiv tumorfarging for claudin 1 signifikant høyere (39%) . EN positiv sammenheng ble også funnet MED EGFR, en markør for dårlig prognose. Overraskende ble det også funnet en signifikant korrelasjon med claudin 1 og markører av basallignende subtype av brystkreft , en aggressiv subtype av brystkreft assosiert med den verste prognosen og redusert pasientoverlevelse. Vi viste også for første gang at i østrogenreseptor positiv (erve) human cellelinje, MCF7, at claudin 1 ekspresjon ble nedregulert av østrogen in vitro (upubliserte data).

6. Er Claudin 1 Mye Mer Enn En Tumor Suppressor I Brysttumorigenese?

både en over-og underuttrykk av claudin 1 har blitt observert i forskjellige typer kreftformer , og beskriver kompleksiteten av dens potensielle rolle i karsinogenese. I brystkreft viser de fleste studier publisert til dags dato, men begrenset i antall, at delvis eller totalt tap av claudin 1-uttrykk korrelerer med økt malignt potensial og invasivitet og med tilbakefall av sykdom . I tillegg ble re-ekspresjonen av claudin 1 i brystkreftceller vist å indusere apoptose . I tillegg viste våre vevsmikroarray-studier at en signifikant lav frekvens av humane invasive brystkreft var positiv for claudin 1-uttrykk . Til sammen gir disse studiene støttende bevis for at claudin 1 fungerer som en tumor suppressor i brysttumorigenese.

Paradoksalt nok har vårt laboratorium også gitt bevis for at claudin 1s rolle i brystkreft kan være mye mer enn en tumor suppressor. Vi viste i VÅRE tma-studier at frekvensen av claudin 1 positive svulster var signifikant høyere i ERve brystkreft enn I ERve brystkreft . Så vidt vi vet disse studiene er den første rapporten for å ta claudin 1 uttrykk i brystkreft i sammenheng MED ER status. Vi viste videre at claudin 1 positivitet (så vel som claudin 4) var signifikant forbundet med den basallignende subtypen av brystkreft, en av de mest aggressive subtypene . Av notatet, i en fersk studie Av Kulka et al. I 2008 ble det påvist at claudin 4-uttrykket var signifikant høyere i den basallignende subtypen av brystkreft . Siden claudin 1 generelt anses å være en» tumor suppressor » i brystkreft, var våre observasjoner uventede. Hvordan kan slike observasjoner rasjonaliseres? Det er noen mulige scenarier som kan forklare disse funnene. For det første er det plausibelt at ikke alle tumorceller mister claudin 1-uttrykk under tumorigenese. I tråd med den foreslåtte ikke-lineære modellen av brystkreftundertyper, er det mulig at cellene som beholder claudin 1-uttrykk, er cellene som allerede er forhåndsbestemt for å bli ERve basal-lignende brystkreft. Så, i disse cellene, kan claudin 1s rolle være en tumorpromotor i stedet for en tumor suppressor. På den annen side , hvis man vurderer den lineære modellen av brystkreftundertyper, antas tumorceller å utvikle seg fra ERve til ERve som kreften utvikler seg. Deretter tilskrives den økte frekvensen av claudin 1 positive svulster i ERve-kohorten et re-uttrykk for claudin 1 i disse svulstene? Et slikt konsept støttes av det signifikant høyere uttrykket av claudin 1-farging (en indikator for proteinuttrykk) som ble observert i ERve-svulstene. Her elimineres tumorsuppressorfunksjonen til den re-uttrykte claudin 1 og erstattes nå av en tumorforbedrende funksjon, og derved letter brysttumorigenese. Denne re-ekspresjonen av claudin 1 kan tilskrives en rekke formildende faktorer, inkludert genetisk mutasjon i claudin 1-genet eller epigenetisk modifikasjon av proteinet. Sekvensanalysestudier av den kodende regionen av claudin 1 hos både sporadiske og arvelige brystpasienter klarte imidlertid ikke å identifisere noen signifikant mutasjon som kan være ansvarlig for å endre claudin 1-genuttrykket i brysttumorer. En interessant mulighet er at det høyere nivået av claudin 1-proteinet kan skyldes en defekt interaksjonspartner som resulterer i manglende evne til claudin 1 til å bli transportert tilbake til membranen der den kan unnslippe ytterligere nedregulering av andre faktorer, og derfor fører til akkumulering av claudin 1 i cytoplasma. Sistnevnte har nylig blitt demonstrert For e cadherin . Videre antas den nøyaktige kombinasjonen av claudinproteiner i et gitt vev å bestemme styrken av det stramme krysset . Dermed kan en av konsekvensene av denne avvikende akkumuleringen av claudin 1 i De invasive Brystkreftene være en omdefinering av sammensetningen av det stramme krysset, noe som ytterligere undergraver integriteten til krysset og derved ytterligere letter tumorprogresjonen. Til sammen ser det ut til at claudin 1s rolle strekker seg utover det for en tumor suppressor. Vi ønsker å foreslå at claudin 1 fungerer både som en tumor suppressor samt en tumor enhancer / tilrettelegger i brystkreft. Vi foreslår videre at dens tumor tilretteleggende rolle er spesielt knyttet til ERve brystkreft subtyper (Figur 3).

Figur 3

en hypotetisk modell av claudin 1-uttrykk i forskjellige brystkreftundertyper. Denne modellen foreslår at claudin 1 er en tumorsuppressor i ER + ve subtyper av brystkreft (luminal A og B) og en tumorforsterker / fasilitator i er∠‘ S subtyper (basal-lignende, her2 over uttrykke, normal-lignende). Mens en signifikant sammenheng mellom claudin 1 og basal-lignende subtype er vist, dette er ennå ikke bestemt For Her2 over uttrykke og normal-lignende subtyper.

Nylig har en «claudin low» subtype av brystkreft blitt identifisert som primært Var ERve og viste lavt uttrykk for claudin 3, 4 og 7 . Vi vil videre foreslå en» claudin high » subtype som er ER–ve og som viser et høyt uttrykk for claudin 1 protein (og claudin 4). Denne subtypen vil inkludere basal-lignende brystkreft og utelukke ERve luminal subtyper. Den kliniske signifikansen av et høyt ekspresjon av claudin 1-proteinet i ERve brystkreft og dets tilknytning til den basallignende subtypen kan identifisere potensiell bruk som en diagnostisk og prognostisk indikator for en bestemt brystkreftgruppe.

7. Fremtidige Perspektiver

Økende bevis tyder på at claudin 1 har en unik rolle i brystkreft og brystkreftprogresjon. Siden claudin 1 er et transmembranprotein med to store ekstracellulære løkker, er det en potensielt attraktiv kandidat til bruk i terapeutiske strategier. Når vi begynner å ta rollen som claudin 1 i brystkreftprogresjon, sitter vi igjen med mange ubesvarte spørsmål. Hva er uttrykksnivået for claudin 1-proteinet i forskjellige histologiske subtyper av brystkreft? Hva utløser sin regulering og forårsaker claudin 1 å bytte sin rolle på ulike stadier av brystkreftprogresjon? Hvorfor akkumuleres claudin 1 i cytoplasma? Er det en mutasjon i claudin genet eller protein i basal-lignende subtype av brystkreft? Fungerer claudin 1 sammen med andre claudiner eller junctional proteiner som e cadherin? Er det kryss-snakk med østrogenreseptorveien? Det er klart at mer detaljerte studier av funksjonsanalyse er berettiget både in vitro og in vivo.

Man kan bare forutsi at flere brystkreftundertyper vil bli identifisert i nær fremtid, og en klarere forståelse av de cellulære og molekylære endringene som oppstår under brysttumorigenese vil være avgjørende for å legge til rette for mer effektiv pasientbehandling og direkte innvirkning på å redusere dødelighetsraten. Bare gjennom en slik forståelse vil nye biomarkører bli identifisert som vil rapportere om metastatiske endringer, brystkreftprogresjon og tjene som terapeutiske mål som til slutt fører til spesifikk og individuell pasientbehandling.

Anerkjennelse

forfatterne takker takknemlig for finansiering for dette arbeidet som ble gitt Av Manitoba Medical Services Foundation, Paul Thorlakson Foundation og Canadian Breast Cancer Foundation.