ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 463, № 1, с. 106-111
БИОХИМИЯ, БИОФИЗИКА, ^^^^^^^^^^^^ МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ
УДК 577.218
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МАРКЁРЫ КЛЕТОК ОБЩЕГО ПРЕДШЕСТВЕННИКА ЛЁГКИХ И ПИЩЕВОДА В РАЗВИТИИ ЧЕЛОВЕКА
© 2015 г. М. В. Зиновьева, М. Б. Костина, Г. С. Монастырская, А. В. Сасс, О. Б. Филюкова, Т. В. Виноградова, Е. П. Копанцев, академик РАН Е. Д. Свердлов
Поступило 25.03.2015 г.
БО1: 10.7868/80869565215190251
Известно, что раковая опухоль часто проявляет признаки "эмбрионизации" — фенотипиче-ские характеристики тех стволовых или прогени-торных клеток, которые являются первичным очагом возникновения того или иного органа. Этот феномен, иногда именуемый "персистенци-ей эмбриональных черт", связывают с тем, что при изменении фенотипа клеток от нормального к опухолевому используются те же сигнальные и регуляторные системы, что и при нормальном эмбриональном развитии данной ткани. В связи с этим представляется возможным использовать эту особенность для получения информации о молекулярных процессах нормального развития, особенно на ранних стадиях, когда орган состоит из небольшого количества клеток и слишком кратковременен сам процесс его перехода в другую стадию развития.
Органы пищеварительной и дыхательной систем образуются путем компартментализации из общего эндодермального предшественника. Однако механизм дифференцировки передней части головной кишки при формировании пищевода из дорзальной части, а трахеи из вентральной области зачатка головной кишки остается слабо изученным процессом [1]. Разделение трахеи и пищевода у человека происходит на 3—4-й нед. эмбриогенеза, тогда же происходит и закладка лёгких. Из-за сложности получения и исследования эмбрионального материала и высокой скорости прохождения стадий дифференцировки мало что известно о молекулярных механизмах, регулирующих разделение трахеи и пищевода и образования зачатков лёгких. Этот процесс описывают скорее схематически. Косвенные данные удается получить при изучении дефектов
Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской Академии наук, Москва E-mail: mzinov@ibch.ru, mzinov@mail.ru
эмбрионального развития, связанных с неправильным разделением трахеи и пищевода, таких как атрезия пищевода и трахеоэзофагиальная фистула, при которых просвет пищевода и трахеи остается общим [2]. В последние годы были определены некоторые ключевые факторы роста нормального эмбрионального развития лёгких и пищевода у лабораторных животных [3, 4]. В литературе описана предполагаемая роль известных сигнальных путей, таких как Sonic Hedgehog, фактора роста фибробластов, ретиноевой кислоты, Wnt, Notch и Bone Morphogenetic Protein, в регуляции дорзовентральной дифференцировки головной кишки [3—6]. Однако эмбриональное развитие человека и строение взрослых органов в значительной степени иные, чем у животных, и поэтому полученные результаты нуждаются в проверке на человеческом материале. Развитие лёгких и пищевода находится под влиянием комплекса факторов эндодермального и мезенхи-мального происхождения. Факторы, образующиеся в одной ткани, влияют на экспрессию генов в другой. Уникальная комбинация работающих генов и порядок взаимодействия их продуктов определяют развитие структуры и функции тканей [4, 7]. Следует отметить, что все описанные результаты получены для стадий, на которых трахея и пищевод уже дифференцировались. В то же время особый интерес представляет стадия развития головной кишки перед расщеплением на трахею и пищевод. Процесс дифференцировки проходит через стадию общего предшественника (рис. 1), когда головная кишка в месте будущего расщепления представляет собой единую общность клеток. Возможно, в это время уже намечается поляризация клеток и намечаются области с различными факторами транскрипции, дифференциально экспрессирующиеся в клетках в поле будущего пищевода и в поле будущей трахеи (рис. 1Б). При разделении головной кишки происходят изменения формы клеток и адгезии между ними, сопровождаемые экстенсивной проли-
ферацией и дифференцировкой эпителиального и мезенхимального компартмента. Предполагается, что эти процессы регулируются комплексом сигнальных молекул и транскрипционных факторов.
Ранее нами высказывалось мнение, что сравнительный анализ наборов генов, дифференциально экспрессирующихся как в процессе эмбрионального развития лёгкого и пищевода, так и при возникновении и прогрессии опухолей этих органов, может представлять значительный интерес [8, 9]. В настоящее время проведены масштабные работы по сравнению уровней экспрессии сотен генов в опухолевых и нормальных тканях лёгкого и пищевода человека и определен широкий набор генов, уровень транскрипции которых меняется при возникновении и развитии злокачественных новообразований в этих органах [10, 11]. При многих формах рака изменяются уровни экспрессии ряда генов, играющих существенную роль и при эмбриональном развитии пораженного органа [12, 13]. Это согласуется с гипотезой, согласно которой в процесс канцерогенеза вовлечены те же генетические системы, которые определяют судьбу и последующую диффе-ренцировку стволовых клеток в постнатальном периоде [14]. С другой стороны, сравнительный анализ экспрессии генов в нормальных и опухолевых клетках может служить средством генетической характеристики определенных этапов эмбрионального развития, что особенно важно, когда эти стадии кратковременны и включают незначительное число клеток. Такая ситуация возникает, в частности, при дифференцировке головной кишки перед ее расщеплением на трахею и пищевод. Среди генов, демонстрирующих дифференциальную экспрессию и при раке, и в процессе онтогенеза, возможно, находятся наиболее значимые для этих процессов так называемые мастер-гены (гены, определяющие детерминацию клеток) [15]. Выявление генов, имеющих сходный профиль экспрессии в лёгких и пищеводе при канцерогенезе и на разных стадиях развития организма, возможно поможет прояснить молекулярные механизмы, действующие на этапе общего предшественника этих органов.
С этой целью в настоящей работе было определено содержание транскриптов 18 генов в препаратах кДНК нормальных и опухолевых клеток, полученных от больных плоскоклеточным раком пищевода и лёгкого, а также в препаратах кДНК легкого и пищевода на разных стадиях эмбрионального развития человека. Всего использовали 28 пар образцов легкого (опухоль и прилегающая нормальная ткань) и 23 пары образцов пищевода. По 10 образцов соответствующих тканей было получено после внезапной смерти взрослых людей без видимых патологий лёгких и пищевода. Также было определено содержание транскрип-
(А)
3-4 недели
7 недель
(Б)
О
Рис. 1. Схема эмбрионального развития лёгких и пищевода человека. А — стадии разделения головной кишки (ГКШ, окрашено тёмно-серым цветом) на трахею (Т, не окрашено) и пищевод (П — светло-серый цвет), Л — лёгкие. Б — сечение полости головной кишки на разных стадиях компартментализации трахеи и пищевода, цифры соответствуют плоскостям сечения, отмеченным на схеме А.
тов в 23 образцах лёгкого и 18 образцах пищевода, полученных от эмбрионов на 10-24-й нед. развития.
Восемь генов - ADH1, AQP1, CAV1, FOLR1, ICAM1, INMT, SCL32A2 и TXNIP были отобраны ранее в качестве генов, имеющих повышенный уровень экспрессии в лёгких на 22-24-й нед. развития эмбриона по сравнению с уровнем на 10— 12-й нед. развития [8]. Было показано, что уровень экспрессии всех этих генов снижается при раке лёгкого. Другие 10 генов — CEACAM1, CRNN, CSTA, ECRG2, EMP1, MAL, SPRR3, PLAUR, SFRP4, SPARC — были выбраны ранее, как дифференциально транскрибирующиеся в нормальных и опухолевых клетках пищевода. Экспрессия первых 7 генов была понижена в опухолях, и они слабо экспрессировались в эмбриональном пищеводе. Другие 3 гена — PLAUR, SFRP4, SPARC — имели повышенную экспрессию в опухолях и демонстрировали высокий уровень транскрипции в эмбриональном пищеводе [9].
Мы проанализировали изменения в уровне транскрипции генов с помощью перекрестного анализа: для определения уровней экспрессии генов в тканях пищевода использовали гены, отобранные, как дифференциально транскрибирующиеся на разных стадиях эмбрионального разви-
1
5
4
Таблица 1. Уровень экспрессии генов в тканях лёгкого и пищевода
Ген/ткань НТВ НТПО ТО ЭТ
Q (MN*) Q (MN*) Q (MN*) Q (MN*)
ADH1B
Пищевод 25.4 ± 4.5 32.7 + 16.4 19.4 + 16.7 1.2 + 0.2
Лёгкие* 30.0 ± 0.9 28.6 + 0.5 33.1 + 0.6 29.3 + 0.5/27.0 + 0.4
AQP1
Пищевод 6.0 ± 1.9 5.8 + 2.6 4.7 + 3.4 1.8 + 0.3
Лёгкие 28.7 ± 2.9 30.9 + 5.1 6.3 + 2.4 НД/1.4 + 0.4
CAV1
Пищевод 17.8 ± 1.5 22.9 + 8.8 14.1 + 6.8 6.5 + 1.6
Лёгкие 92.5 ± 18.4 97.3 + 19.4 4.5 + 1.1 0.7 + 0.2/4.8 + 0.9
CEACAM1
Пищевод 33.6 ± 9.9 12.3 + 3.0 12.3 + 3.0 1.3 + 0.3
Лёгкие 1.3 ± 0.2 1.8 + 0.8 0.8 + 0.1 0.03 + 0.01/0.1 + 0.04
CRNN
Пищевод 385.7 ± 93.0 127.4 + 26.3 21.1 + 10.1 НД
Лёгкие НД НД НД НД
CSTA
Пищевод 134.1 ± 34.0 30.5 + 8.6 3.3 + 1.0 1.4 + 0.3
Лёгкие 0.3 ± 0.04 0.4 + 0.3 0.3 + 0.1 НД
ECRG2
Пищевод 65.7 ± 26.3 101.3 + 22.0 6.7 + 1.5 1.1 + 0.4
Лёгкие 0.12 ± 0.06 0.22 + 0.14 0.15 + 0.04 НД
EMP1
Пищевод 4409.2+100.0 1521.9 + 470.0 363.9 + 181.0 70.1 + 16.1
Лёгкие 12.9 + 2.1 24.2 + 8.7 5.4 + 1.4 0.3 + 0.05/3.6 + 1.2
FOLR1
Пищевод 2.15 + 0.4 0.9 + 0.2 0.2 + 0.1 0.1 + 0.05
Лёгкие 31.5 + 5.3 22.1 + 4.4 2.8 + 1.2 0.16 + 0.07/1.98 + 0.3
ICAM1
Пищевод 6.6 + 2.4 10.2 + 2.3 16.2 + 8.5 1.5 + 0.3
Лёгкие 190.6 + 30.7 150.9 + 21.5 19.7 + 5.4 0.60 + 0.3/9.5 + 2.0
INMT
Пищевод 4.1 + 0.6 5.5 + 1.1 2.3 + 0.6 0.6 + 0.1
Лёгкие 144.1 + 24.4 154.1 + 52.1 3.9 + 1.6 0.4 + 0.1/4.4 + 0.7
MAL
Пищевод* 27.0 + 1.0 24.8 + 0.4 30.5 + 0.7 28.4 + 0.5
Лёгкие* 31.7 + 0.5 31.5 + 0.5 34.5 + 0.6 34.5 + 0.5/34.6 + 0.4
PLAUR
Пищевод 6.1 + 1.8 10.5 + 0.4 138.1 + 18.7 129.2 + 24.6
Лёгкие 3.9 + 0.4 3.2 + 0.6 1.0 + 0.1 0.64 + 0.1/3.1 + 0.7
SCL42A2
Пищевод 0.3 + 0.1 0.6 + 0.3 0.4 + 0.1 0.1 + 0.03
Лёгкие 282.3 + 38.2 312.9 + 71.9 38.1 + 13.7 1.9 + 0.5/12.7 + 3.6
SFRP4
Пищевод* НД 38.1 + 0.7 33.9 + 1.0 33.4 + 0.4
Лёгкие* 36.0 + 1.2 35.2 + 0.3 33
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.