Rollerna för tgfp i tumörens mikromiljö | naturen granskar cancer

Rollerna för tgfp i tumörens mikromiljö | naturen granskar cancer

Anonim

ämnen

  • Cancermikromiljö
  • Cell signalering
  • Tumörimmunologi

Abstrakt

Påverkan av mikromiljön på tumörprogression blir tydligare. I denna översyn behandlar vi rollen för en väsentlig signalväg, den för att transformera tillväxtfaktor-ß, i regleringen av komponenter i tumörens mikromiljö och hur detta bidrar till tumörprogression.

Nyckelord

  • Under de tidiga stadierna av tumörgenes fungerar transformerande tillväxtfaktor-ß (TGFp) som en tumörsuppressor. När tumörer fortskrider kan tumörceller emellertid förlora sitt tillväxtinhiberande svar på TGFp och kan istället svara genom att initiera epitel-till-mesenkymal övergång och genom att öka cellmigrationen.

  • Experimentella data stöder idén att både förlust av och förstärkning av TGFp-signalering är pro-tumörgen, eftersom musmodeller visar att överuttrycket av TGFp och upphävandet av signalering resulterar i ökad tumörcellmetastas. Det börjar inses att effekterna av TGFp-signalering i tumörepitel sträcker sig utöver tumörcell-autonoma mekanismer in i tumörens mikromiljö.

  • Nästan varje cell i tumörens mikromiljö svarar på TGFp på ett unikt sätt, och dessa olika biologiska svar har olika effekter på tumörprogression.

  • Med tanke på den pleotropiska karaktären av TGFp-signalering erbjuder de många nedströms signalhändelserna för TGFp nya och spännande mål för terapeutisk intervention.

  • Framgångsrik terapeutisk inriktning av TGFp i sig självt förblir ett mycket önskvärt mål och de stora framstegen när det gäller att förstå TGFp-signalering, inte bara i tumörepitel men också i tumörens mikromiljö, förverkligar förverkligandet av detta mål.

Huvudsaklig

Den transformerande tillväxtfaktor-B (TGFp) -vägen har fastställts som väsentlig för cancerframsteg på grund av dess framträdande roll i regleringen av celltillväxt, differentiering och migration. Genom de kanoniska och icke-kanoniska armarna i signalvägen inställer TGFp cellulära fenotypiska förändringar som förmedlar dess roll som både en tumörundertryckare och en tumörpromotor. I själva verket var den första beskrivna fenotypiska effekten av TGFp-signalering induktionen av ett cellulärt cytostatisk program 1 och detta gav det första beviset på att TGFp-vägen var tumörundertryckande 2 . Det fanns emellertid också bevis på motsatsen, såsom ökad tumörprogression i karcinom som överuttryckte TGFp1-liganden 3, 4 . Det initiella in vitro- beviset för de pro-tumörgena effekterna av TGFp bestod av induktion av en mesenkymal fenotyp i epitel-tumörceller (vanligtvis känd som en epitel-till-mesenkymal övergång (EMT)) efter långvarig exponering för TGFp 5, 6 .

Dessa tidiga studier av det funktionella resultatet av aktiv TGFp-signalering ligger till grund för svårigheterna med att implementera kliniskt effektiva behandlingsregimer som riktar sig till TGFp-vägen. De kontekstuella ledtrådarna som driver tumörsuppressorn och tumörpromotorrollerna för TGFp, liksom växeln mellan dessa två fenotyper, är inte helt förstås. När förståelsen för tumörprogression har ökat har vikten av tumörens mikromiljö tydligt visats. Det är intressant att notera att TGFp-signalering, både endogent vid mänsklig sjukdom och i genetiskt konstruerade musmodeller av cancer, är associerad med de karakteristiska epitelförändringarna som beskrivs ovan, liksom med väsentliga förändringar i tumörstroma 7, 8, 9 ; till exempel korrelerar TGFp1-uttryck i invasiv bröstcancer med markörer för tumörprogression, såsom metastas, extracellulär matris (ECM) deposition och infiltration av immunceller 7 . Sådana fynd har lagt grunden för nyligen genomförda studier som har etablerat TGFp-signalering som en viktig förmedlare, inte bara för förändringar av epitelfenotypen utan också för förändringar i strommiljön som är nödvändiga för tumörprogression. I denna översyn behandlar vi den funktionella rollen för TGFp-signalering vid modulering av tumörens mikromiljö och hur dessa förändringar påverkar tumörprogression.

Grunderna i TGFp-signalering

TGFp1-, TGFp2- och TGFp3-ligander fungerar som de primära mediatorerna för TGFp-signalering 1, 10, 11 och utsöndras som inaktiva homodimera polypeptider som kan binda till latenta TGFp-bindande proteiner, som främjar extracellulär sekvestrering 12 . Vid aktivering binder liganderna till typ 2 TGFP-receptorn (TGFBR2), vilket orsakar rekrytering och fosforylering av TGFBR1 (även känd som ALK5), vilket resulterar i nedströms signalaktivering 13 (fig 1). Styrkan hos denna signal beror på vilken ligand som är bunden, eftersom liganderna varierar i deras bindningsaffinitet för TGFBR1. Denna variation i ligandbindning främjar differentiell ligandpresentation till TGFBR2 (ref. 14). TGFBR3 kan förstärka initialiseringen av signaleringskaskaden genom att främja differentiell ligandbindning 15 . Den slutliga heterotetrameriska formen av de aktiva receptorerna initierar nedströms signalering genom antingen SMAD-medierad kanonisk signalering eller SMAD-oberoende icke-kanonisk signalering 13 . Den kanoniska signalvägen involverar fosforylering av karboxiterminal serinrest i den interna modulatorn SMAD-proteiner, SMAD2 eller SMAD3, av de aktiverade receptorerna 16, 17 . Denna fosforylering inducerar oligomerisering av SMAD2 eller SMAD3 med SMAD4, vilket är nödvändigt för kärntranslokation 18 . Genom interaktioner med olika transkriptionskofaktorer initierar det nukleära lokaliserade SMAD-komplexet transkriptionell aktivering eller transkriptionell förtryckning av flera gener. Den icke-kanoniska grenen av signalvägen 19 involverar aktivering av PI3K – AKT, RHOA och MAPK-vägar, bland andra, av de aktiverade heterotetrameriska receptorerna 20 .

a | Normal transformerande tillväxtfaktor-p (TGFp) signalering i TGFp-responsiva celler (blå celler) matas genom typ 2 TGFp-receptorn (TGFBR2) för att aktivera nedströms signalmål. Kanonisk signalering aktiveras genom fosforylering av TGFBR1 för att inducera nukleär lokalisering och transkriptionell aktivitet hos SMAD. Icke-kanonisk signalering kan ske oberoende av SMAD-proteiner och inkluderar aktivering av RHOA-, AKT- och MAPK-vägar. Tidigt i tumörgenes fungerar TGFp som en tumörundertryckare, delvis genom SMAD-beroende induktion av cellcykelstopp. b | En hypotes är att selektivt tryck leder till en utvidgning av populationen av tumörceller som har inaktiverande mutationer i TGFp-vägen, vilket gör att de kan övervinna de tillväxtinhiberande effekterna av aktiv TGFp-signalering. Som beskrivs av Levy et al . 48, förlust av TGFp-lyhördhet (gröna celler) kan uppstå genom förlust av funktionsmutationer, förlust av uttryck eller promotormetylering av gener (visas av de grå cirklarna) som kodar TGFp-receptorer eller SMAD. JNK, JUN N-terminal kinase; mTOR, däggdjursmål för rapamycin; PAR6, uppdelning av defekta 6 homologer; ROCK1, RHO-associerat proteinkinas 1; RSMAD, receptor SMAD; SBE, SMAD-bindande element.

Bild i full storlek

  • Ladda ner PowerPoint-bilden

Resultatet av dessa signalvägar i epitelceller är antingen undertryckande av cellproliferation eller induktion av cellmigration och invasion. Studier som undersöker den cytostatiska fenotypen inducerad av TGFp har etablerat flera vägar genom vilka detta uppnås, inklusive repression av MYC och cyklinberoende kinas 4 ( CDK4 ), såväl som det inducerade uttrycket av CDK-hämmare p21 (även känd som CIP1; kodad av CDKN1A ) och INK4B (även känd som p15) 21, 22, 23 . Vidare är den SMAD-beroende aktiveringen av Krueppel-liknande faktor 10 (även känd som TIEG1), dödsassocierat proteinkinas 1 (DAPK1) och det pro-apoptotiska proteinet BCL-2-interagerande mediator av celldöd (BIM; även känd som BCL2L11) utlöser bland annat programmerad celldöd 24 . Studier som belyser tumörsuppressorrollen för TGFp bekräftade bevis på att förlusten av TGFp-signalkomponenter var förknippad med karcinomprogression 25, 26 . Signaleringsvägen nedströms EMT-induktion med TGFp har också delvis kartlagts. Hämmare av DNA-bindning 1 (ID1; en transkriptionell regulator) hämmas av TGFp. Detta resulterar i minskad expression av E-cadherin (även känd som cadherin 1) och zona occludens 1 (ZO1; även känd som TJP1), vilket är två faktorer som är kända för att hjälpa till att upprätthålla en epitelfenotyp. TGFp-signalering inducerar också uttryck av EMT-associerade transkriptionsfaktorer, såsom snigelfamilj zinkfinger 1 ( SNAI1 ), SNAI2 , zinkfinger E-box bindande homeobox 1 ( ZEB1 ), ZEB2 och lymfoidförstärkare-bindande faktor 1 ( LEF1 ), vilket hjälper till att främja förlusten av cellhäftningar och cytoskeletalt omarrangemang 27 . Icke-kanoniska signalvägar aktiverade av TGFp, särskilt RHO – ROCK1 (RHO-associerat proteinkinas 1) och AKT-vägar, visades också vara väsentliga för att främja de migrerande och invasiva cellulära fenotyperna som observerades efter behandling av epitelceller med TGFp 28 . RHO – ROCK1-signalering som induceras av TGFβ är särskilt viktigt vid enkelcellsmigrering. Intressant nog upphävde upphävandet av TGFp-signalering inte helt epitelcellmigrering utan snarare omkopplade cellerna mot en sammanhängande migrerande fenotyp 29 . Således är de dikotona effekterna av TGFp-signalering associerade med tumörundertryckning tidigt i tumörutveckling, genom initiering av tillväxtstopp och med tumörpromotering i tumörer i sent stadium, genom induktion av EMT och cellulär migration och invasion.

Effekterna av epitel TGFp-signalering på celler som utgör tumörens mikromiljö har dock nyligen bidragit till vår förståelse av de olika effekterna som TGFp har på tumörutveckling och progression. Dessa effekter har också börjat sätta i perspektiv varför många studier citerar ökad metastas och dålig patientprognos i cancer som saknar intakt TGFp-signalering.

Störning av TGFp-signalering

Även utan introduktion av onkogena förändringar resulterar förändrad TGFp-signalering i normala epitelceller i fenotypiska förändringar i stroma; till exempel resulterar uttryck av konstitutivt aktiv TGFBR1 i bröstepitelet i bröstkörtlar med större kollagenavsättning runt duktalepitel 30 . Speciellt inducerar bröst- och bukspottkörtelcancer som har aktiverad TGFBR1 en signifikant ökning av angiogenes efter implantation i möss 31, 32 (fig. 2). Aktiv TGFp-signalering i mammala tumörceller främjar också tumörprogression genom SMAD-oberoende induktion av uttrycket av matrismetalloproteinaser (MMP), vilket resulterar i ökad angiogenes och tumörcellsinvasion 31 . En av de mer intressanta effekterna av störd TGFp-signalering i det maligna epitelet på tumörens mikromiljö är relaterat till förändring av mikroRNA (miRNA) -reglering. miRNA, som är potenta modulatorer av mRNA, uttrycks avvikande i många cancerformer och är kopplade till flera pro-tumörgena och antitumorigena funktioner 33 . TGFp-signalering kan hämma funktionen hos specifika miRNA; till exempel inducerar TGFp-expression i hepatocellulärt karcinomceller (HCC) celler expressionen av CC-kemokinligand 22 (CCL22) genom hämning av miR-34a-uttryck 34 . Detta främjar rekryteringen av regulatoriska T (T Reg ) -celler. TGFp kan också ha direkta effekter på celler som utgör en del av tumörstroma; till exempel i humana vaskulära glatta muskelceller (VSMC) kan TGFp främja klyvningen och mognaden av pri-mir-21-följder genom att inducera bildningen av ett komplex som involverar SMAD3 och ATP-beroende RNA-helikas DDX5, som är en komponent av DROSHA-mikroprocessorkomplexet 35 . Detta ökar uttrycket av miR-21, vilket förändrar de kontraktila egenskaperna hos VSMC: erna. TGFp-signalering ökar också uttrycket av miR-29a i humana och musens endotelceller, vilket därmed ökar induktionen av angiogenes i en icke-tumörmodell 36 . miR-29a riktar sig mot fosfatas och tensin homolog ( PTEN ) mRNA, och det ökar därmed aktiviteten för AKT-signalvägen. TGFp kan också öka uttrycket av miR-494 i myeloida härledda suppressorceller (MDSC). Detta ökar CXC-kemokinreceptorn (CXCR4) -medierad kemotaxi av MDSC till tumören och det minskar uttrycket av PTEN. Det reducerade uttrycket av PTEN resulterar i ökad AKT-aktivitet och i ökat uttryck av pro-tumorigen leverarginas 1 (ARG1), MMP2, MMP13 och MMP14, vilket bidrar till ökad tumörcellsinvasion och metastas 37 .

Transformering av tillväxtfaktor-p (TGFp) signalering i tumörceller inducerar uttrycket av flera mediatorer för extracellulär förändring. Tumörer i vilka celler uppvisar ökad TGFp-aktivitet kännetecknas av ökad deposition av extracellulär matris (ECM); de visar ökad utsöndring av matrisproteiner och mognad av dessa proteiner genom ECM-modifierande enzymer såsom lysyloxidashomolog 4 (LOXL4). Dessutom driver TGFp-signalering i tumörceller induktionen av rekrytering och proliferation av endotelceller, vilket främjar ökad angiogenes. Omvänt undertrycker TGFp expressionen av många cytokiner och kemokiner, såsom CXC-kemokinligand 1 (CXCL1) och CXCL5. Förlust av TGFp-lyhördhet lindrar detta undertryck och resulterar i ökad immuncellinfiltrering. Dessa mikro-miljömässiga förändringar främjar epitelcell- och stromacellfenotypiska svar, som väsentligen påverkar tumörprogression. Figuren visar de fenotypiska förändringarna som specifikt härrör från de listade epitelialderna. ADAMTS9, ett desintegrin- och metalloproteinas med trombospondinmotiv 9; CTGF, bindvävstillväxtfaktor; EMT, epitel-till-mesenkymal övergång; G-CSF, granulocytkolonistimulerande faktor; HGF, hepatocyttillväxtfaktor; IL-8, interleukin-8; MMP, matrismetalloproteinas; PDGFp, blodplätt-härledd tillväxtfaktor-p; THBS1, trombospondin 1; VEGFA, vaskulär endotel tillväxtfaktor A.

Bild i full storlek

  • Ladda ner PowerPoint-bilden

Induktion av TGFp-signalering genom genetiska förändringar eller genom behandling av karcinomceller med TGFp har identifierat många genmål, av vilka många bevaras i olika cancertyper 38, 39, 40, 41 . Dessa experiment har börjat ta itu med den funktionella betydelsen av genuttryck inducerat av TGFp genom att korrelera dessa förändringar med patientdata som förutsäger dåligt patientresultat 38, 42 . Det är viktigt att många av dessa genuttrycksmål har väl karakteriserade funktioner i modifieringen av tumörmikro-miljöer och de kopplar till fenotypiska förändringar som ses vid förändring av TGFp-signalering i musmodeller av cancer (Fig. 2). TGFp-signalering i epitelceller inducerar uttrycket av många ECM-gener, inklusive kollagen typ 1 al ( COL1A1 ) och COL4A1 , såväl som matrismodifierande enzymer MMP2 , MMP9 och lysyloxidas-homolog 4 ( LOXL4 ). Samma studier ger också underlag för de observerade pro-angiogena fenotyperna som induceras genom TGFp-aktivering i epitelceller. Genuttrycksanalys visade en signifikant ökning i expressionsnivåerna av vaskulär endotelväxtfaktor A (VEGFA) och trombospondin 1 (ref. 38, 39, 40, 41). Med tanke på EMT och migrerande fenotypiska förändringar inducerade efter aktivering av TGFp-signalering, såväl som epitelcells TGFp-gensignatur förknippad med tumöråterfall bekräftar identifiering av stromala förändringar epitelcells TGFp-signalering som en pro-tumorigen signalväg. Sådana undersökningar skiljer emellertid inte epiteliala och stromala effekterna av epitelcell TGFp-signalering på främjande av tumörcellmetastas, och de adresserar således inte det specifika bidraget för varje effekt till korrelationen av TGFp-signalering med dålig patientprognos.

När tumörer fortskrider övervinns de tillväxtinhiberande effekterna av TGFp genom förlust av TGFp-vägelement eller av nedströms signalmål 10, 43 (fig 1). Förlust av TGFp-respons i tumörceller har betydande effekter på tumörprogression, inte bara genom förändrade epitelcellsegenskaper utan också genom genuttrycksförändringar som påverkar tumörens mikromiljö. Aktiverad TGFp-signalering har primärt varit associerad med en ökning av metastas och med dålig patientprognos, eftersom EMT induceras 29, 44 . Emellertid kan upphävande av TGFp-signalering i karcinomceller också resultera i ökad metastas 45 . Förlust av TGFp-signalkomponenter i både musmodeller av cancer och hos mänsklig cancer har förknippats med dålig prognos som ett resultat av ökad progression och metastas 25, 46, 47, 48, 49 . På liknande sätt som receptoraktivering i det normala bröstepitelet, resulterar pankreasepitelet som uttrycker en dominerande negativ TGFBR2 i ökad desmoplasi och angiogenes hos vuxna möss 25 . Upphävandet eller dämpningen av TGFp-signalering, antingen vid receptorn eller på SMAD-nivån i musmodeller av cancer, har olika förväntade epiteliska effekter, såsom förlust av tillväxtinhibering, men det inducerar också flera stromala förändringar, inklusive aktivering av stromfibroblaster, avsättning av kollagenös ECM, infiltration av en mängd olika immunceller och ökad angiogenes 50 . Nyligen visat arbete har visat att infiltrationen av MDSC ökas i tumörer där epitelial TGFp-signalering upphävs 51 (fig. 2). Den ökade rekryteringen av MDSC är primärt associerad med det ökade uttrycket av CXC-kemokinligand 1 (CXCL1) och CXCL5, vars uttryck normalt hämmas av TGFp. Även om detta förändrade kemokinuttrycksmönster är förknippat med ökad myeloidcellinfiltrering i tumörens mikromiljö, kan dessa kemokiner också driva aktiveringen av stromfibroblaster genom induktion av CTGF-expression 52 av bindvävsfaktor. Den kanske mest intressanta inducerade förändringen i genuttryck till följd av upphävande av TGFp-signalering i epitelceller är förändringen i uttrycket av själva TGFp-liganden 53, 54 . Med tanke på att epitelet som uttrycker TGFp inte längre kan reagera på det skulle några effekter härrörande från dess expression antingen vara på en separat population av epitelceller som behåller sin förmåga att svara på TGFp eller på celler som finns i stromal mikromiljö.

Epitelförlusten av TGFBR2 resulterar i ökad expression av CXCL1, CXCL5 och benmärgsstromalt antigen 2 (BST2) och i en minskning av uttrycket av gener såsom CXCL12 , blodplätt-härledd tillväxtfaktor-p ( PDGFB ) och CTGF 55 ( Fig. 2). Detta genuttryck förändras signifikant med ett sämre resultat hos patienter med lymfkörtelpositiv, östrogenreceptor (ER) -positiv luminal bröstcancer av A-typ. Dessa fynd introducerar ett intressant koncept som förklarar många av de motintuitiva fynden beträffande försämring av epitelcelle TGFp-signalering som i slutändan främjar metastas. Om, som många studier har visat, stromal mikromiljö är en prognostisk faktor för metastaser, kan den åsidosätta de tidigare etablerade cell-autonoma signalhändelserna som är associerade med tumörcellmigration, invasion och metastas 56 . Även om tumörceller som saknar TGFp-responsivitet inte längre får några epitelcentriska metastatiska fördelar från TGFp-produktion, kan stromala förändringar som ett resultat av förändrat TGFp-uttryck fortsätta att främja metastas. Tumörer är heterogena och innehåller därför troligen celler med och utan förmågan att svara på TGFp - ett koncept som ännu inte uppskattas i termer av dess effekter på tumörprogression.

Effekterna av TGFp på stromalceller

Även om effekterna av ökat TGFp1-uttryck på epitel-tumörprogression har varit väl etablerade, har hänsyn till tumörstroma nyligen fått en betydande mängd fart. Även om de inte ger någon indikation på om de är kausala eller bara en effekt av progression, noteras specifika genuttrycksförändringar i stroma vid definierade stadier av bröstcancerprogression 57 . Således, precis som Vogelgram identifierade de specifika genetiska förändringarna som är förknippade med stadierna i koloncancerprogression 58, börjar vi uppskatta att förändringar av genuttryck som motsvarar tumörprogression också förekommer i tumörstroma. En nyligen granskad undersökte de olika effekterna av stromalkomponenter på varje kännetecken för cancer och framhöll vikten av stromceller för att påverka tumörprogression 59 . Emellertid har mekanismerna bakom dessa förändringar och vägarna som driver specifika genuttrycksförändringar ännu inte klargjorts helt. Med tanke på den pleiotropiska naturen hos TGFβ och dess etablerade roll för att reglera utvecklingen och funktionen av många stromalceller som har en effekt på tumörprogression diskuterar vi i detta avsnitt komponenter i tumörens mikromiljö och undersöker rollen för TGFβ-signalering i varje.

MSCs. TGFp har många roller i underhåll och funktion av mesenkymala stamceller (MSC). MSC: er har sitt ursprung i både benmärgen och i en mängd andra vävnader och har tilldelats många funktioner i normal fysiologi, inklusive att upprätthålla en homeostatisk benmärgsmiljö och differentiera sig till olika celler som krävs för den fysiologiska funktionen av benmärgen 60 . När det gäller normal fysiologisk funktion befrämjar TGFp MSC-proliferation genom induktion av kärnansamlingen av p-katenin, vilket förmedlas genom fosforylering av SMAD3 (ref. 61). Dessutom är en väsentlig funktion av MSC: er i benmärgen bevarandet av hematopoetiska stamceller i ett odifferentierat och inaktivt tillstånd 60 . Detta uppnås genom utsöndring av flera faktorer, inklusive TGFp. En annan känd funktion av MSC: er är att de under olika förhållanden har kapacitet att differentiera till osteoblaster, adipocyter, kondrocyter och fibroblaster 62 . Denna differentiering upprätthåller benmärgsmikromiljön, medierar benomsättning och broskstabilitet och underlättar anpassningsförmåga till vävnadshomeostas genom modulering av cellpopulationens dynamik. Under både normala och maligna tillstånd förmedlar TGFp differentieringsprocessen, främst induktion av kondrocyt- och fibroblastdifferentiering och hämning av adipocytdifferentiering 63, 64, 65 . Även om många funktioner i MSC drivs av TGFp förblir de kontextuella signalerna som medierar dessa differentiella svar okända. Såsom ses i MSC-proliferation är det troligt att induktionen av olika svar beror på samarbete mellan TGFp-vägarna med andra signalvägar. TGFp modulerar också MSC-funktion genom att främja kemotaxi till vävnadsskador och till neoplastiska lesioner 63, 66 .

I tumörer har MSC visat sig främja tumörprogression både på egen hand och genom deras förmåga att differentiera till andra celltyper 67, 68 . MSC: er utsöndrar många cytokiner som ökar proliferationen av tumörceller, som driver angiogenes och som påverkar tumörcellresistens mot kemoterapeutiska läkemedel. MSC: er kan i synnerhet öka tumörmetastas genom interaktioner med karcinomceller för att inducera CCL5-uttryck 62, 69 . Intressant nog tycks detta inte vara beroende av förmågan hos CCL5 att fungera som en kemoattraktant för immunceller utan snarare av dess förmåga att främja cellkolonisering i lungorna. Som vi diskuterar nedan kan MSC hämma T-cellproliferation och aktivering, vilket väsentligt ökar deras tumörfrämjande effekter. En annan normal fysiologisk funktion hos MSC: er är deras förmåga att differentiera till andra celler med mesenkymalt ursprung 70 . Rapporter indikerar att ungefär 20% av cancerassocierade fibroblaster (CAF: er) har sitt ursprung i benmärgen, beroende på differentiering av MSC: s 70 . När de är differentierade främjar dessa fibroblaster tumörprogression på ett TGFp-beroende sätt; faktiskt har inhibering av TGFp-medierad MSC-differentiering till CAFs genom expression av BAMBI (BMP och aktivinmembranbunden inhibitorhomolog) visat sig avskaffa MSC: s förmåga att främja tumörprogression 71 .

Fibroblaster. En av de vanligaste egenskaperna hos karcinom som överuttrycker TGFp är en desmoplastisk stromal miljö 7, 72, 73, 74, 75 . Ökad ECM-deposition motsvarar väl de kända funktionerna av TGFp vid fibroblastaktivering och cancer 11, 50 . TGFp har tidigare visats inducera myofibroblastdifferentiering i fibroblaster, vilket leder till ökad kollagenavsättning och ECM-ombyggnad 76, 77 . Expression av en konstitutivt aktiv TGFBR1 i dermala fibroblaster hos möss resulterade i ökad fibros och ökat uttryck av kända fibroblastspecifika TGFp-målgener i kemiskt inducerade tumörer 78 . Således skulle ett överflöd av TGFp i en tumör förmodligen framkalla ett liknande svar. Detta har visat sig vara sant eftersom tumörer som kännetecknas av att ha ökade nivåer av TGFp är förknippade med ökad fibroblastaktivering och kollagenavlagring. Dessutom visar fibroblaster härrörande från småcelliga lungkarcinom berikning i TGFp-signalering jämfört med normala lungfibroblaster, och den TGFp-anrikade gensignaturen för de karcinom-härledda fibroblasterna förutspår dåligt patientresultat 79 . I själva verket har det visats att den ökade TGFp-aktiveringen orsakas av interaktioner mellan stromfibroblaster och koloncancerceller som inducerar uttrycket av många MMP och kända TGFp-målgener 80 . Såsom diskuterats ovan visar många studier att TGFp-medierade signalmekanismer är involverade i de ömsesidiga interaktionerna mellan tumörceller och stroma. Först nyligen har effekterna av dessa interaktioner på tumörens metastatiska potential uppskattats. Överuttryck av TGFp i en TGFp-icke-svarande koloncancercellinjedrivning ökade metastas för dessa tumörceller 81 . I detta fall förändrade TGFp-expression uttrycket av TGFp-målgener i fibroblaster, inklusive interleukin-11 ( IL11 ), angiopoietin-liknande 4 ( ANGPTL4 ) och CTGF (tabell 1). Det är viktigt att den TGFp-drevna gensignaturen från dessa fibroblaster användes för att förutsäga återfall hos humana patienter med tjocktarmscancer 81 . Som Calon et al . 81 kommentar har sådana TGFp-inducerade förändringar av genuttryck också tillskrivits epitelkarcinomceller; sålunda, oavsett tumörcells förmåga att svara på TGFp, ses de pro-tumörgena effekterna av den TGFp-inducerade genuttrycksprofilen i tumörer som uttrycker höga nivåer av TGFp.

Full storlek bord

  • Ladda ner PowerPoint-bilden

Ungefär som epitelcell TGFp-signalering, har arbete som undersöker rollen av fibroblast TGFp på tumörprogression visat en motsägelsefull roll för vägen med avseende på tumörprogression. Även om det finns en övervägande bevis som stöder en tumörfrämjande roll för TGFp i stromala fibroblaster, finns det också en betydande mängd arbete som visar en tumörundertryckande roll. Grunden för detta arbete ligger i uppsatsen från Bhowmick et al . 82, vilket visar att specifik deletion av Tgfbr2 i musfibroblaster resulterar i spontan karcinominitiering. Ytterligare arbete har visat att fibroblaster som saknar TGFp-signalering ökar utvecklingen av cancer i bröst, prostata och skivepitel, samt melanom 83, 84, 85 . De viktigaste genuttrycksförändringarna som är förknippade med förlusten av denna signalaxel i fibroblaster är i gener som kodar cytokiner och kemokiner. I synnerhet observeras ökad expression av CXCL1 , CXCL5 , CXCL12 och TGFB1 i fibroblaster som har upphävt TGFp-signalering 86 (tabell 1). Detta indikerar att modulering av tumörens mikromiljö genom ökad infiltration av immunceller är en primär drivkraft för den förbättrade tumörprogressionen som ses när fibroblaster tappar TGFp- respons 9, 87 . I överensstämmelse med denna idé visar det senaste arbetet att en signifikant ökning av inflammation observeras i spontana skogsmaskarcinom som utvecklas till följd av upphävande av TGFp-signalering i fibroblaster 88 . Intressant nog tycks detta inflammatoriska svar driva tumörbildning genom tystnad av CDKN1A via epigenetisk promotormetylering (ruta 1). Administration av antiinflammatoriska läkemedel försenade signifikant tumörens början och ökade den totala överlevnaden - ett resultat som stöder immuncellinfiltrering som underlättar tumörutvecklingen. Detta arbete överensstämmer med att TGFBR2- uttryck har en viktig roll under utvecklingen av bröstcancer från normalt till duktalt karcinom in situ (DCIS) och sedan till invasivt duktalt karcinom (IDC). Stromalt TGFBR2- uttryck minskar när dessa tumörer utvecklas mot invasivitet 57 . Intressant nog har immunohistokemiska studier på patienter med tjocktarmscancer visat en liknande trend, men har gått ett steg längre för att visa att lågt uttryck av TGFBR2 i stroma är en oberoende prediktor för dålig patientprognos 87 .

Epigenetisk modulering av genuttryck sker primärt genom modifiering av histoner för att främja tillgång till specifika DNA-sträckor och genom DNA-metylering av CpG-öar i genpromotorregioner för att modulera transkriptionsfaktorbindning och promotoraktivitet 130 . Förekomsten av förändrad kromatinstruktur och av hypermetylering av promotor är viktigt i många typer av cancer. I detta avseende är tumörprogression associerad med en ökning av histondeacetylas (HDAC) och DNA-metyltransferas (DNMT) -aktivitet, som driver dessa förändringar 131, 132 . Mest transformerande tillväxtfaktor-ß (TGFp) tystnad i tumörer är ett direkt resultat av promotormetylering av TGFp-signalkomponenterna 133, 134, 135 .

TGFp och TGFp-signalvägen har kopplats till histon- och promotormodifikationer 136 . Hypermetyleringen av promotorregionerna i en gen resulterar huvudsakligen i tystnad av den genen. Detta verkar vara väsentligt för att övervinna tumörsuppressorverkningarna av TGFp-signalering i epitelceller. Många cancertyper visar hypermetylering av runt-relaterad transkriptionsfaktor 3 ( RUNX3 ), vilket resulterar i dämpning av dess tillväxtundertryckande funktioner 137 . Aktiv TGFp-signalering krävs för att upprätthålla denna metylering, eftersom tumörer som överuttrycker SMAD7 (som hämmar TGFp-signalering), förlorar metylering av promotorer och vänder effekterna av gendämpning 138 . Omvänt har det nyligen visats att TGFp nedreglerar DNMT-uttryck i fibroblaster 139 . Fibroblaster har ett omvänt krav på promotormetylering med avseende på induktion av TGFp-målgenuttryck. DNMT-hämmare förbättrar uttrycket av a-glatt muskelaktin, såväl som kollagen typ 1, efter TGFp-behandling 139, 140 . I samband med TGFp-signalering kan användningen av DNMT-hämmare således ge effektiva resultat med avseende på epitelceller men kan i slutändan leda till ökad mikro-miljö-desmoplasi i dessa tumörer.

Den transkriptionella aktiveringen av SMAD2 målgener kräver histonacetylering med p300 innan montering av transkriptionsmaskineri för att driva genuttryck 141 . Omvänt kräver induktion av en myofibroblastfenotyp med TGFp histondeacetylering med HDAC4 (ref. 142). Intressant nog, även om histondeacetylering krävs för TGFp-medierad fibroblastaktivering, är histonmetylering nödvändig för att driva uttrycket av TGFp-målgenens bindvävsfaktor ( CTGF ), kollagen typ 1 a1 ( COL1A1 ) och plasminogenaktivatorinhibitor typ 1 ( PAI1) ) 143 . Sådana data stöder hypotesen att tumörfrämjande eller -undertryckande funktioner för TGFp inte är beroende inte bara av mikromiljösammanhanget för tumören utan också av de epigenetiska histonmodifikationerna som finns i dessa celler. Även om det finns ett stort tryck för användningen av HDAC- och DNMT-hämmare i tumörterapi, är det intressant att notera att behandling med en HDAC-hämmare kan hämma TGFp-aktivering i epitelceller; emellertid kan detta öka svaret från stromalceller på TGFp och främja stromal aktivering.

Det medfödda immunsystemet. Det medfödda immunsystemet är den första försvarslinjen under ett immunsvar. It comprises various phagocytic and antigen-presenting cellular components, including macrophages, neutrophils, natural killer (NK) cells and dendritic cells. TGFβ has a substantial role in regulating the recruitment, activation and function of these cells 89 . TGFβ functions as an antagonist of major immune functions, decreasing tumour cell recognition and clearing 90 . One of the most notable functions of TGFβ in this regard is the induction of M2 macrophage polarization 91 . The expression of inducible nitric oxide synthase (iNOS), which is a driver of the nitric oxide production that suppresses monocyte-mediated cell death, is associated with this polarization 92 . TGFβ has a similar effect on neutrophils as it has on macrophages 93 . A recent publication shows that exposure of neutrophils to TGFβ results in a pro-tumorigenic N2 neutrophil expression profile and that inhibition of TGFβ signalling switches this cellular phenotype to an antitumorigenic N1 phenotype 94 . N2 neutrophils are associated with the expression of pro-tumorigenic factors, such as MMP9, CXCL1 and ARG1.

Rather than inducing a different activation state in NK cells, TGFβ has been identified as a factor that inhibits the functional maturation of this cell population 95 . Immature NK cells do not respond to foreign antigens, thus exposure of NK cells to TGFβ will impair the recognition and the clearance of tumour cells. The inhibition of maturation also prevents the systemic effects of NK cells, for example, activation of antigen-presenting dendritic cells and inhibition of interferon-γ (IFNγ) secretion, which drives T helper 1 cell (T H 1 cell) maturation 96, 97 . However, TGFβ also has antagonistic effects on dendritic cells that inhibit their antitumorigenic properties 98 . Recent work has shown that impaired TGFβ signalling in dendritic cells significantly increases the ability of these cells to present foreign antigens and to activate the adaptive immune system 99 . Such actions would promote the killing of tumour cells but, in TGFβ-rich environments where dendritic cells respond to TGFβ, their maturation would be impaired, thus promoting tumour growth and progression. Infiltrating dendritic cells in human lung cancer samples are characterized as immature compared with peritumoural dendritic cells, and this immature state has been shown to promote the differentiation of T Reg cells, which increases tumour progression 100, 101 .

The adaptive immune system. Early work investigating the function of TGFβ established that it is essential in the regulation of the adaptive immune system; indeed, systemic loss of TGFβ1 expression results in the development of autoimmune-mediated inflammation in numerous organs 102, 103 . In addition, abrogation of TGFβ signalling specifically in T cells results in a similar autoimmune response 104, 105 . The mechanisms proposed for regulation of adaptive immunity by TGFβ are the SMAD-mediated inhibition of T cell proliferation and the suppression of a T H 1 cell phenotype 106 . Recent work has also shown that TGFβ mediates the immunosuppressive differentiation of T cells 89 . Treatment of naive T cells with TGFβ induces the expression of the transcription factor forkhead box protein P3 (FOXP3), which drives the phenotypical conversion of a naive T cell to a T Reg cell 107, 108 . Interestingly, T Reg cell-induced suppression of the adaptive immune response is also mediated through the expression of TGFβ 109, 110, 111 . Addition of IL-6 to the TGFβ treatment of naive T cells induces a completely different cellular phenotype to that of T Reg cells 112 . IL-6 and TGFβ induce T H 17 cell differentiation through the suppression of FOXP3 and the activation of the transcription factor retinoic acid receptor-related orphan receptor γt ( RORgt ) 113 . Various pro-tumorigenic and antitumorigenic functions of T H 17 cells are primarily mediated through the expression of IL-17 in these cells. Interestingly, the function of IL-17 is also context dependent: IL-17 functions as a tumour promoter by inducing angiogenesis and tumour cell proliferation in immune-deficient hosts, but functions as a tumour suppressor in hosts with intact immune systems by enhancing antitumour immune functions. In addition to the secretion of IL-17, the presence of T H 17 cells has been associated with increased tumorigenesis that is mediated by neutrophil recruitment and differentiation to an N2 phenotype, and by the induction of IL-6 secretion 114 .

Despite the numerous pro-tumorigenic functions that are induced by TGFβ stimulation of adaptive immune cells, work using TGFβ signalling-deficient T cells supports an antitumorigenic function for TGFβ signalling in T cells. Thus, as in epithelial cells and fibroblasts, TGFβ signalling in T cells seems to have a contextual dependence that drives its dichotomous functions in tumour progression. Attenuation of TGFβ signalling in CD8 + T cells, through the expression of a dominant-negative TGFBR2, results in uncontrolled cellular proliferation 152 . Seminal work from the Letterio laboratory 115 has shown that genetic deletion of Smad4 in T cells results in the spontaneous development of gastrointestinal tumours. The abundant expression of T H 2 cell cytokines has been shown to mediate this phenotype. Just as TGFBR2-deficient fibroblasts are capable of inducing epithelial hyperplasia, so are T cells that are deficient in TGFβ signalling. Counter-intuitively, analysis of SMAD4-deficient T cells shows a significant enrichment of T H 17 cells 116 . Tumours that arise in mice with Smad4 -null T cells are characterized by an increased expression of IL-6 and IL-11. This increased expression seems to be sufficient to induce T H 17 cell conversion in T cells despite the previously established requirement for TGFβ in this process. However, these studies only examined the canonical TGFβ pathway. The requirement for the non-canonical pathway in the induction of T H 17 cells has yet to be addressed.

Although the individual components of both the innate and the adaptive immune system undoubtedly have an important role in tumour progression, it is important to think systemically when considering therapeutic intervention; all cells involved in an immune response interact with and respond to the other components; granulocytes secrete chemokines to promote recruitment of phagocytes and antigen-presenting cells; dendritic cells clear abnormal cells and activate T cells; och så vidare. Taking a macroscopic view in the context of TGFβ signalling, it can be concluded that TGFβ signalling in the immune system primarily functions as an antagonist that suppresses the recognition and the clearance of tumour cells. It is this feature that has driven current efforts to use anti-TGFβ therapeutic regimens to activate T cell activity and thus to improve current chemotherapeutics.

Conclusions and therapeutic perspectives

Epithelia that lack the ability to respond to TGFβ have various developmental defects, but the loss of TGFβ signalling in selected organs is not, in itself, tumorigenic. However, introduction of oncogenic manipulations causes these cells to be more aggressive and metastatic than their TGFβ-responsive counterparts 45, 46, 49, 53 . Although many of the pro-tumorigenic effects of TGFβ have been ascribed to the ability of the protein to promote an EMT in epithelial cells, the recently identified effects of this cytokine on the stroma have proved to be an equally important pro-metastatic mechanism. Given the important effects seen in tumour progression following manipulation of TGFβ responsiveness, efficacious intervention in the TGFβ pathway remains a highly sought-after goal for many researchers. As a result of evidence that supports the idea that loss of TGFBR in epithelial cells has a profound effect on the stroma, as well as showing that increased ligand expression by the tumour is associated with poor patient prognosis, the tumour microenvironmental effects of this pathway are increasingly relevant. Rakesh Jain has long been a proponent of the stromal normalization hypothesis, which states that inhibition and reversal of the stromal changes that occur during tumour formation would slow tumour progression and would aid therapeutic intervention 117 . The use of VEGF inhibitors and relaxin, which is a pregnancy-related hormone shown to induce collagen remodelling, has given credence to this hypothesis; TGFβ inhibitors have recently been added to this list 118, 119 . The use of conventional chemotherapeutics with the specific TGFβ-targeted antibody 1D11 as well as nonspecific inhibitors such as losartan (which is an angiotensin II receptor inhibitor that has been shown to reduce active TGFβ levels in tumours), significantly increases the delivery and the efficacy of chemotherapeutic regimens. The use of these inhibitors in mouse models promoted vessel stability, decreased collagen deposition and significantly improved the efficacy of doxorubicin and doxil treatments 120 .

Numerous studies have shown that systemically intervening in the TGFβ pathway during cancer progression elicits antitumorigenic effects on epithelial cell phenotypes and through microenvironmental changes (Table 2). Several Phase I and Phase II clinical trials of TGFβ-neutralizing antibodies and of small-molecule inhibitors to both ligand and receptor have so far been shown to be safe and efficacious; many trials are still accruing patients 121, 122, 123, 124 . For a complete and comprehensive examination of therapeutic treatments targeting the TGFβ pathway in malignant and non-malignant disease progression, see Ref. 125.

Full storlek bord

  • Ladda ner PowerPoint-bilden

Interestingly, studies show that the effects of TGFβ inhibition are efficacious even in the treatment of tumours that lack the central mediator of canonical TGFβ signalling, SMAD4 (Ref. 126). Such data highlight the importance not only of the microenvironment but also of microenvironmental TGFβ signalling on tumour progression. TGFβ-inhibitory treatment regimens tested in numerous mouse models of different cancer types, as well as in early-stage clinical trials, have shown benefits; increased activity of antitumoural adaptive immune cells is thought to be responsible 127, 128 . However, inhibition of the TGFβ signalling pathway in specific components of the microenvironment has once again introduced controversial findings into the field of TGFβ research: suppression of TGFβ signalling in fibroblasts, in an effort to reduce the desmoplastic response in these cells, promoted tumour progression through the augmentation of inflammatory cell infiltration 81, 88 . Despite this, clinical trials involving TGFβ inhibition, either through genetic abrogation of TGFβ sensitivity (such as by the adoptive transfer of T cells expressing dominant-negative forms of the TGFBR) or through the use of inhibitory antibodies, have progressed (ClinicalTrials.gov identifiers: NCT00368082, NCT01582269 and NCT00844064). Although modest and mixed results are consistently obtained from these trails, this is probably due to varying stromal compositions and to the pleiotropic effects of TGFβ.

Studier som belyser funktionen av TGFp-signalering i specifika cellkomponenter i stroma och som upprättar ett effektivt sätt att specifikt rikta in sig på banorna i dessa celler är avgörande för upplösningen av det kontekstuella beroendet av TGFp på tumörens mikromiljö. Det är verkligen troligt att det, liksom med epitelcells TGFp-signalering, finns ett kontextuellt beroende som kontrollerar de tumörfrämjande eller tumörundertryckande verkningarna av TGFp i tumörens mikromiljö. Eftersom cellulära komponenter och deras interaktioner driver detta mikromiljöskontekst, kommer framtida studier att behöva adressera inte bara signalering utan också strömmiljön i det observerade svaret. Utan en grundlig förståelse av det kontextuella beroendet av TGFp-signalering i stroma är det troligt att implementeringen av systemisk terapeutik som riktar sig till TGFp-vägen kommer att ge oöverträffade resultat på grund av tumörterogenitet. Således undersöks nya leveransmetoder som underlättar specifik inriktning mot en celltyp eller undvikande av vägaktivering, inklusive adoptiv överföring av T-celler som har ett upphävt TGFp-svar, och därigenom kringgår det antitumorigena svaret till TGFp 129 . Denna högspecifika manipulation bör ge gynnsamma effekter på tumörprogression utan att införa kontroversiella resultat genom att påverka TGFp-signalering i andra stromala och epitelceller.

Ordlista

Epitel-till-mesenkymal övergång

Processen genom vilken epitelceller tappar sina epitelegenskaper, såsom cellulär polaritet och cell-cellkorsningar, till förmån för mesenkymala egenskaper, som inkluderar hög cellulär rörlighet.

Kohesiv migrerande fenotyp

I motsats till invasion av en cell är detta en form av invasion genom vilken celler behåller sina cell-cell-kontakter och genom vilka celler migrerar som en enhet.

MicroRNA

(MiRNA). 20–30 nukleotidlångt icke-kodande RNA som modulerar genuttryck genom att binda till komplementära sekvenser i den 3 ′ otranslaterade regionen av målgener, vilket inducerar repression av genöversättning eller mRNA-nedbrytning.

Myeloid-härledda suppressorceller

(MDSCs). En heterogen population av celler som definieras av deras myeloida ursprung, omogna tillstånd och förmåga att på ett effektivt sätt undertrycka T-cellersvar.

kemotaxi

Funktionen hos en cell som svarar på en kemokingradient för att främja riktad migration mot platser för vävnadsskada eller till tumörmikro-miljöer.

Dominant-negativ

En defekt proteinprodukt som effektivt hämmar funktionen för dess vildtyps motsvarighet genom att bibehålla väsentliga interaktionsegenskaper utan att ha en önskad effektorfunktion.

Desmoplasia

Akkumulering av extracellulära matrisproteiner, vanligtvis genom förbättrad aktivering av stromfibrroblaster.

Vogelgram

En modell för kolorektal cancerutveckling där specifika genetiska förändringar förvärvas, som markerar utvecklingen av sjukdomen från godartad till malign.

Myofibroblast

En generaliserad term för en aktiverad fibroblast. I tumörbiologi fungerar dessa celler för avsättning och ombyggnad av den extracellulära matrisen samt för att förändra tumörprogression genom signalering av paracrinprotein.

T-hjälper 1 cell

( THi- cell). En primär effektorcell i det adaptiva immunsystemet, som klassiskt definieras som antitumorigen.

1D11

En antikropp som är specifikt riktad mot de tre transformerande tillväxtfaktor-p-ligandema och används för att sekwestera dessa ligander, vilket hämmar TGFp-signalering.

losartan

En angiotensin II-receptorantagonist som har visats ha effekterna utanför målet av nedreglerande uttryck av typ I-transformerande tillväxtfaktor-p-receptor ( Tgfbr1 ) och Tgfbr2 .

Relaterade länkar

DATABASER

  • ClinicalTrials.gov
  • NCT00368082
  • NCT01582269
  • NCT00844064