ЭПИТЕЛИАЛЬНО-МЕЗЕНХИМАЛЬНЫЙ ПЕРЕХОД I ТИПА КАК ВАЖНЫЙ БИОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС В ЭМБРИОГЕНЕЗЕ

Полный текст

Эпителиально-мезенхимальный переход (ЭМП) -сложный динамический процесс, в результате которого эпителиальные клетки постепенно приобретают обратимый мезенхимальный фенотип. Данный термин был предложен и утвержден в 2007 г. в Польше и в 2008 г. в Cold Spring Harbor Laboratories [42]. только два клеточных фенотипа: эпителиальный или мезенхимальный. 6000 1980 2000 2020 Years Рис. 1. Количество статей по запросу ЭМП на ресурсе PubMed История изучения ЭМП как биологического феномена начинается в 1968 г., при этом количество опубликованных научных работ, посвященных данной тематике, было относительно невелико. Но, начиная с 2000 г., наблюдается взрывной интерес к ЭМП и его роли в физиологических и патологических процессах. Так, число поисковых запросов «эпителиальный переход в мезенхиму» в базе данных PubMed увеличилось с 31 в 2001 до 244 в 2005 г., в 2010 г. их было уже 942, а в 2020 г. - 5188 (рис. 1). Впервые ЭМП был охарактеризован как трансформация эпителиальных клеток в мезенхимальные В настоящее время установлено, что клетки претерпевают только морфофункциональные изменения, не затрагивающие генетический аппарат клетки, вследствие чего ЭМП является обратимым процессом [2]. [30], при этом утверждалось, что переход является «билетом в один конец» и что детерминированы Кроме того, сам ЭМП включает в себя ряд промежуточных трансформационных стадий от эпителиального до мезенхимального фенотипов, между которыми могут переключаться клетки после внеклеточных стимулов прогрессивным и обратимым образом [64]. Несмотря на то, что ЭМП опосредуется множеством молекулярных механизмов, основные общие черты процесса включают в себя потерю клеткой эпителиальных свойств (межклеточные взаимодействия и апико-базальная полярность) с одновременным усилением мезенхимальных признаков (цитозольное расширение, задняя-передняя полярность и повышенная миграция/способность к инвазии) [46]. Эпителиально-мезенхимальный переход может инициироваться как при физиологических (эмбриональное развитие, заживление ран), так и патологических (фиброз, рак) процессах и обычно классифицируется в соответствии с внеклеточным контекстом, а не молекулярными механизмами. Также выделяют полный и частичный ЭМП. К частичному ЭМП относят, например, эпителизацую ран, когда миграции подвергается эпителиальный пласт, а при полном ЭМП происходит миграция отдельных клеток [3]. Каллури с соавторами [42] выделяют 3 разновидности ЭМП. ЭМП I типа наблюдается преимущественно при эмбриологическом развитии, механизмы ЭМП II типа включаются во время заживления ран и фиброза, а ЭМП III типа характерен для процессов онкогенеза. В данном обзоре будут представлены основные этапы в истории изучения ЭМП и рассмотрены молекулярные аспекты ЭМП I типа и его роль во время эмбрионального развития. Также более подробно остановимся на проблеме «признания» ЭМП как биологического явления. «Фенотипический» этап изучения эпителиально-мезенхимального перехода Элизабет Декстер «Бетти» Хэй (1927-2007, Гарвардская медицинская школа), вероятно, была первой, кто описал ЭМП, а позже использовал этот термин. Элизабет Хей впервые изучала регенерацию конечностей амфибий и подробно описала дедифференци-ровку хрящевых клеток конечностей эмбриона саламандры, которые участвовали в формировании новых конечностей путем повторной дифференцировки, что напоминало своего рода ЭМП [49]. В дальнейшем, изучая роль внеклеточного матрикса (ВКМ) в дифференцировке эпителиальных клеток, она показала, что состав ВКМ влияет на дифференци-ровку эпителиальных клеток роговицы и секрецию белков ВКМ, таких как коллаген и гликозаминогликаны [53]. Затем Элизабет Хэй, используя модели куриных эмбрионов, определила и перечислила различные клеточные фенотипы в процессе их развития. Во время своего выступления на 18-м симпозиуме Ганемана в Балтиморе в 1968 г. она описала, как мезенхимальные ткани выделяются из эпителиальных клеток во время миграции клеток нервного гребня при формировании нервной трубки [37]. Хэй и ее команда впервые использовали термин «трансформация эпителия в мезенхиму» в 1982 г. в публикации, впервые описывающей зрелые клетки, подвергающиеся ЭМП. Они показали, что культура эпителиальных клеток хрусталика цыпленка (взрослых или эмбриональных), суспендированных в коллагеновых гелях, может приводить к цитозольному расширению у псевдопод. Эти клетки затем могут индивидуально перемещаться в коллагеновой матрице и обладают мезенхимальным фенотипом [32]. В 1981 г. R. Dulbecco с соавторами опубликовали статью в журнале «Cell Biology», в которой был описан «переход клеток от кубовидной формы к веретенообразной» [20]. Они заметили, что кубовидные эпителиальные клетки опухолей молочной железы крыс, индуцированные однократной внутривенной инъекцией N-нитрозометилмочевины, могут приводить к образованию веретенообразных клеток, морфологически схожих с фибробластами при культивировании. В другой работе [8] аналогичные изменения отмечали у изолированных клеток, выдел е нных от разных крыс. В 1982 году швейцарские и немецкие исследователи [24] показали, что первые мезенхимные клетки, появляющиеся во время эмбриогенеза мышей, происходят из эпителиальных клеток, которые теряют десмосомы, а цитокератиновые фила-менты замещаются виментиновыми. Они не использовали термин ЭМП, но охарактеризовали данный процесс как «быстрое изменение эпителиального характера на мезенхимальный». Ком а нда Э. Хэй продолжила работу над изучением ЭМП, начав с морфологического исследования цитоскелета во время ЭМП, используя только световую и электронную микроскопию. В 1986 г. с помощью метода вестерн-блоттинга им удалось показать, что в эпителиальных клетках хрусталика курицы происходило снижение коллагена IV типа, составляющего остов базальной пластинки, и Y-кристаллина, но при этом появлялся коллаген I типа, характерный для соединительных тканей [31]. При изучении ЭМП в щитовидной железе было продемонстрировано, что в тимо-цитах данный процесс сопровождался глобальным ремоделированием цитоскелета, включая активацию синтеза виментина, сопровождающееся снижением тиреоглобулина, что косвенным образом указывало на дедифференцировку клеток [31]. В течение следующих лет лаборатория под руководством Э. Хэй работала над изучением процессов эмбрионального развития и предложила «теорию фиксированной коры» для объяснения миграции клеток нервного гребня [9. 33]. В публикации [38] авторами особо подчеркивалась важность межклеточных взаимодействий для миграции мезенхимальных клеток. В дальнейшем научная группа Э. Хэй выяснила, что ЭМП задействован и в другом процессе во время развития эмбриона: небном слиянии, когда эпителиальные клетки из медиального края эмбрионального небного эпителия мигрируют с каждой стороны, обеспечивая слияние неба [23]. «Молекулярный» этап изучения эпителиально-мезенхимального перехода В начале 1990-х годов первыми изученными молекулярными структурами, индуцирующими ЭМП, были белки семейства TGF (trans growth factor, трансформирующий фактор роста): TGF-a, TGF-p1, TGF-p2, TGF-p3. Так, показано, что избыточная экспрессия TGF-a приводит к усилению мезенхимальных и инвазивных свойств в клетках рака простаты крыс [25]. В 1991 году Поттс с соавторами продемонстрировали важное значение TGF-p3 в ЭМП эндотелиальных клеток сердца эмбриона [68], а в 1994 году они показали, что эпителиальные клетки молочных желез, обработанные TGF-p, могут подвергаться ЭМП [54]. В последующие годы, благодаря усовершенствованию соответствующих методов исследования, более подробно были изучены молекулярные механизмы, регулирующие ЭМП. Команда Э. Хэй привела доказательства важности белков семейства TGF-p, в том числе TGF-p3, во время ЭМП при сращении небного эмбриона цыпленка [75]. В дальнейшем при более детальном изучении они установили, что в регуляцию TGF-p-индуцированного ЭМП вовлечены белки семейства SMAD (Similar to Mothers Against Decapentaplegic) [58, 59]. Данное наблюдение получило подтверждение в 1999 г. в лаборатории под руководством P. Dijke (Ludwig Institute for Cancer Research, Уппсала, Швеция), где установили и детализировали роль белков SMAD в индукции ЭМП после активации рецептора TGF-p [68]. Уже в 2008 г. команда Э. Хэй, работая с клеточными линиями, полученных из опухолей, показала, что семейство белков SNAIL в синергии с EMT-ATF (активированный фактор транскрипции эпителиально-мезенхимального перехода) может индуцировать экспрессию TGF-p3 [52]. Одновременно с этим и другие исследователи описали ЭМП при работе с линиями опухолевых клеток, но с использованием других моделей. Анализируя и суммируя полученную информацию, Э. Хэй с соавторами опубликовали обзор [36], в котором они изложили известные на тот момент молекулярные механизмы индукции ЭМП, гены, регули-руемые или регулирующие ЭМП, а также участие ЭМП в патологических процессах, особенно при метастази-ровании. В другой обзорной статье, опубликованной в том же году, они впервые использовали термин «переход от эпителия к мезенхиме», и описали отдельные гены, участвующие в ЭМП или обратном феномене, переходе от мезенхимы к эпителию (мезенхимально-эпителиальный переход, МЭП) [40]. Современное представление о молекулярных механизмах эпителиально-мезенхимального перехода Многочисленные исследования, посвященные изучению Э М П, в значительной мере поспособствовали пониманию молекулярных механизмов, управляющих данным процессом. Однако за последнее десятилетие многие механизмы были полностью пересмотрены и актуализированы [63, 27]. Здесь будет представлено краткое изложение современных знаний о путях молекулярной индукции факторов транскрипции в ЭМП. Как было уже показано, первый описанный механизм индукции ЭМП был опосредован белками семейства TGF-p, который и в настоящее время не потерял своей актуальности [35]. Так, рецептор TGF-p может активировать несколько внутриклеточных путей ЭМП, таких как канонический путь с участием SMAD, что приводит к экспрессии EMT-ATF [86]. Другие неканонические пути, такие как Rho-GTPase [80, 16], PI3K/AKT [43] и MAPK [85, 6], также активируются рецептором TGF-p и могут индуцировать ЭМП. Все эти пути являются избыточными и могут действовать вместе или по отдельности, что объясняет множество фенотипов ЭМП. Установлены и другие пути, приводящие к индукции ЭМП независимо от TGF-p. Так, TNF-a-опосредо-ванный путь транскрипционного фактора NFkB или путь EGF (эпидермальный фактор роста) может действовать в синергии с TGF-p [48, 22]. Кроме того, другие факторы роста, такие как FGF (фактор роста фибро-бластов) [76], HGF (фактор роста гепатоцитов) [34], IGF1 (инсулиноподобный фактор роста 1) [28], PDGF (фактор роста тромбоцитов) [91] и VEGF (фактор роста эндотелия сосудов) [87], также могут потенцировать PI3K/AKT и сигнализацию MAPK. К еще одним индукторам ЭМП, выявленным на разных клеточных линиях, относятся сигнальные пути Wnt [60], Hedgehog [12] и Notch [83, 61]. Кроме того, в условиях гипоксии и в присутствии интерлейкинов 6 и 8 (IL-6 и IL-8) в опухолевых клетках также активизируется процесс ЭМП. Многие сигнальные пути ЭМП приводят к активации экспрессии транскрипционного фактора EMT-ATF. Первыми описанными регуляторами EMT-ATF были Snail и Slug (позже названные Snail 1 и Snail 2) [72, 62], которые могут репрессировать или активировать транскрипцию гена EMT-ATF в ответ на индукцию ЭМП. Впервые механизм ингибирования ЭМП in vivo, реализованный через блокаду Snail или Slug, был показан Nieto с соавторами в 1994 [64], а также в других исследованиях [15, 84]. EMT-ATF представлено двумя основными семейства. Семейство ZEB (Zinc finger E-box-binding homeobox) было описано в 2001 г. [17] и включает двух представителей: ZEB1 и ZEB2, которые одновременно являются активаторами или репрессорами транскрипции. В 2004 г. было установлено второе семейство факторов транскрипции EMT-ATF: Twist (Twist 1 и Twist 2) [90]. Данные транскрипционные факторы могут непосредственно репрессировать экспрессию гена E-cadherin во время ЭМП [17, 88, 14, 21]. Снижение белка E-cadherin в клетке является центральным явлением в этом феномене, и этот одно из первых молекулярных событий, которое позволило связать ЭМП с онкогенезом [7, 10, 66]. На рис. 2 наглядно представлены основные молекулярные механизмы, задействованные в ЭМП. Анализируя даже эту краткую схему, можно понять, насколько сложным и динамическим процессом является эпителиально-мезенхимальный переход. Рис. 2. Основные сигнальные пути регуляции ЭМП. Адаптировано из Lachat (2021) Эпителиально-мезенхимальный переход во время эмбрионального развития Впервые ЭМП наблюдали в процессе эмбрионального развития. Здесь представлены основные этапы эмбриогенеза и органогенеза, в которых значительная роль принадлежит ЭМП. Гаструляция В начале третьей недели развития эмбрион состоит из эмбрионального диска, включающего два слоя: гипобласт (примитивная энтодерма) и эпибласт (примитивная эктодерма). Некоторые клетки эпибласта подвергаются ЭМП и перемещаются между двумя слоями, образуя третий слой: мезодерму [79, 57]. Формирование нервной трубки В конце третьей недели эмбрионального развития эмбрион состоит из трех эмбриональных слоев: э ктодерм ы, м езоде рмы и энтодермы. Нервная пластинка соответствует толстому участку эктодермы, где клетки быстро делятся. Края этой пластинки растут, образуя нервную бороздку, по обе стороны от которой расположены нервные гребни. В дальнейшем клетки нервного гребня перемещаются к медиальному краю, что и обеспечивает слияние нервных гребней. В процессе слияния клетки нервного гребня подвергаются ЭМП, и они рассеиваются в мезодерме [70, 13], а нервная трубка отделяется от эктодермы. Слияние нёба эмбриона В течение девятой недели эмбриогенеза эмбриональные нёбные полки (по одной с каждой стороны) перемещаются, чтобы встретиться медиальными краями и слиться. Эпителий медиальных краев парного нёба сначала слипается, а затем исчезает, когда его эпителиальные клетки подвергаются ЭМП и рассеиваются в соседней мезенхиме [26]. Вначале было выдвинуто предположение, что апоптоз может быть причиной исчезновения медиального краевого эпителия нёба [28, 55]; однако другие авторы показали, что апоптотические клетки были частью поверхностного слоя этого эпителия. Этот поверхностный слой под влиянием апоптотических стимулов позволяет клеткам базальных слоев сливаться и подвергаться ЭМП [23, 58]. Недавно было продемонстрировано, что эти клетки не рассеиваются, а вместе мигрируют в направлении ротовой полости. Они могут подвергаться лишь частичному ЭМП, что приводит к поддержанию некоторых межклеточных соединений. Клетки с выраженным мезенхимальным фенотипом могут способствовать миграции группы клеток [49]. Это явление наблюдается и при образовании метастазов раковыми клетками. Гаструляция, формирование нервной трубки и эмбриональное слияние нёба являются основными этапами эмбрионального развития с вовлечением ЭМП. Однако ЭМП также участвует и в комплиментарных процессах: ЭМП совместно с МЭП контролируют образование сомитов [19, 56, 77] и образование сердечных клапанов из эмбрионального эндокарда [69, 67, 71]. ЭМП при фиброзе Одно из первых описаний ЭМП при фиброзе было сделано группой Эрика Нилсона в 2002 г. (Нэшвилл, Теннесси, США) [41]. На модели фиброза почек они показали, что фибробласт-подобные клетки могут появляться локально в результате ЭМП во время фиброгенеза. Позже команда Рагху Каллури (Гарвардская медицинская школа, Бостон, Массачусетс, США) предоставила доказательства того, что ЭнМП (или переход от эндотелия к мезенхиме) также способствует появлению фибробласт-подобных клеток в печени и при фиброзе сердца [90, 91]. При этом в вопросе происхождения миофибробластов исследователи не пришли к общему знаменателю. Так, авторы в недавно опубликованной работе [47] опровергли происхождение миофибробластов из эпите-лиоцитов почки в процессе фиброза, однако в других работах представлены новые доказательства в необходимости частичного ЭМП эпителиальных клеток почки для аттракции мезенхимальных клеток из костного мозга и миофибробластов, участвующих в фиброзе [85, 86, 87]. Также значительный вклад ЭМП в процессы фиброгенеза обсуждался и в других работах [28, 88, 89]. Таким образом, основные стратегии лечения фиброза различных органов и тканей нацелены на прерывание каскада реакций ЭМП [28]. Признаки эпителиально-мезенхимального перехода При ЭМП в клетках изменяется активность генов, что проявляется синтезом определенных белков, которые могут использоваться в качестве маркеров ЭМП. К числу маркеров ЭМП можно отнести как изменение количества эпителиальных/мезенхимальных маркеров, так и регуляторных белков, участвующих в запуске и осуществлении программ ЭМП [1]: Морфологические маркеры: - изменение формы клеток на более вытянутую; - потеря связи с соседними клетками; - потеря связи с базальной мембраной и ее разрушение. Молекулярные и иммуногистохимические маркеры: - снижение экспрессии генов цитокератина, Е-кад-герина, ZO-1; - экспрессия генов виментина, N-кадгерина, фибронектина; - ядерная транслокация р-катенина; - нарушение межклеточных контактов; - перестройка цитоскелета; - изменение уровней экспрессии транскрипционных факторов, белков плотных контактов, матриксных металлопротеиназ. Функциональные маркеры: - способность отделяться от окружающих клеток; - повышенная подвижность; - повышенная инвазивность, способность разрушать базальную мембрану; - устойчивость к апоптозу; - устойчивость к химиотерапии; - приобретение признаков раковых стволовых клеток; - способность синтезировать компоненты экстра-целлюлярного матрикса. Проблема эпителиально-мезенхимального перехода Несмотря на большое количество работ, посвященных исследованию ЭМП, а также организованной Международной Ассоциации ЭМП, существует ряд исследований, ставящих под сомнение существование этого явление в норме [45]. Так, Круз с соавторами отметили неточности в постановке и интерпретации результатов эксперимента в работе Ивано с соавторами [51], а также поставили под сомнение досто верность полученных результатов. В своей статье группа ученых из Массачусетса под руководством Хамфриса приводят опровержения как способности эпителиоцитов в нормальных условиях превращаться в миофибробласты, так и существование самого явления ЭМП [5]. Климковский с соавторами выдвинули предположение, что процесс ЭМП представляет собой совокупность нескольких сходных процессов и предлагает различать ЭМП с полным переходом эпителиальных клеток в мезенхимальные (в эмбриогенезе), и ЭМП-подобные процессы без всех характерных признаков в канцерогенезе [44]. Так как большое количество существующей научной литературы по ЭМП опубликована на английском языке, это вызывает дополнительные трудности в корректной интерпретации используемой терминологии [4]. Также ряд вопросов вызывает сам русскоязычный термин «эпителиально-мезенхимальный переход» из-за неоднозначности перевода общепринятого термина «Epithelial-mesenchymal transition». Так, в русскоязычном переводе международной номенклатуры за 2009 г. [82] определения «эпителиально-мезенхимальный переход» нет. В издании международных терминов по эмбриологии с официальным списком русских эквивалентов есть термин «эпителиально -мезенхимальная трансформация», однако объяснения этого термина также отсутствуют [81]. Вследствие чего некоторые российские ученые высказывают сомнения в необходимости данной терминологии [3]. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, интерес исследователей к ЭМП не ослабевает, а данное направление в медико-биологических науках не теряет своей актуальности и значимости. Вопросы о механизмах, роли, доказательствах и терминологии ЭМП до сих пор остаются дискутабельными, несмотря на более чем 50-летнюю историю изучения данного вопроса во многих странах мира. Дальнейшее изучение механизмов ЭМП и его роли в физиологических и патологических процессах поможет установить взаимосвязи между ними и послужить основой для разработки новых терапевтических стратегий коррекции заболеваний, опосредованных индукцией процесса «переход от эпителия к мезенхиме».

Об авторах

Ирина Александровна Дворяшина

ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: germionna@yandex.ru
старший преподаватель кафедры гистологии, эмбриологии, цитологии

Ю. И Великородная

ГБУ «Волгоградский медицинский научный центр»

А. В Терентьев

ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации

кафедра гистологии, эмбриологии, цитологии

В. Л Загребин

ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации

кафедра гистологии, эмбриологии, цитологии

Список литературы

Дополнительные файлы