CC BY
113
КЛЕТОЧНЫЕ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ В НОРМЕ И ПАТОЛОГИИ
УДК 616-006:577.156.152.344
ЦИСТЕИНОВЫЕ ПРОТЕАЗЫ ЛИЗОСОМ В ОНКОГЕНЕЗЕ
Светлана Яковлевна ЖАНАЕВА
НИИ физиологии СО РАМН
630117, г. Новосибирск, ул. Тимакова, 4
В статье рассматриваются современные литературные данные клинических и экспериментальных исследований механизмов участия цистеиновых протеаз лизосом в возникновении и развитии опухолей различной локализации у человека и животных. Приводятся сведения о значимой роли цистеиновых протеаз лизосом в прогрессии и в формировании злокачественного фенотипа опухолей, опосредованной участием протеаз в регуляции пролиферации и реализации некроза и апоптоза опухолевых клеток, а также в процессах ангиогенеза, инвазии и метастазирования опухолей. Показано, что источником повышенной активности цистеиновых протеаз в ткани опухоли являются не только опухолевые клетки, то и клетки стромы (эндотелиоциты и макрофаги опухоли), обсуждается их промотирующее влияние на процессы прогрессии и метастазирования новообразований. Представлены данные о диагностической и прогностической значимости цистеиновых протеаз для определения степени злокачественности опухоли, в прогнозировании развития заболевания, в определении чувствительности к терапевтическим воздействиям.
Ключевые слова: злокачественные опухоли, цистеиновые протеазы лизосом, катепсины В и Ь.
К основным критериям, отличающим злокачественные опухоли от доброкачественных, относят способность опухолевых клеток к проникновению в окружающие нормальные ткани и образованию колоний в других органах. При этом формирование метастазов является основной причиной смерти онкологических больных и рассматривается как наиболее опасное проявление прогрессии опухолей. В связи с этим изучение молекулярных механизмов метастазирования является чрезвычайно важной задачей, поскольку каждый из участников этого процесса может являться мишенью для противоопухолевой терапии.
Процессы инвазии и метастазирования, согласно общепринятой в настоящее время модели механического распространения опухолевых клеток, сопряжены с протеолитической деградацией или модификацией белков внеклеточного матрикса, осуществляемых протеазами четырех типов (ме-таллопротеазы, сериновые, аспартатные и цистеиновые протеазы) [1, 27].
Роль цистеиновых протеаз лизосом в диссеми-нации опухоли связывают с их способностью к внутри- и внеклеточной деградации белков межклеточного матрикса и некоторых белков, участвующих в межклеточных взаимодействиях (в частности, Е-кадхерина). Помимо этого, показано участие отдельных цистеиновых протеаз в активации неактивных проформ матриксных металлопро-теаз — основных участников метаболизма соединительнотканного матрикса, а также протеаз системы плазминогена [1, 11, 12, 27, 35]. С другой стороны, поскольку инвазия и метастазирование требуют от
опухолевых клеток больших энергетических и пластических затрат, то концентрация и активность цистеиновых и аспартатных протеаз в лизосомах опухолевых клеток, обеспечивающих быстрое переваривание поглощенного материала, может являться лимитирующим метастатическую активность фактором. Показано также участие цистеиновых протеаз лизосом в других процессах, имеющих отношение к прогрессии опухолей, таких как пролиферация, дифференцировка и апоптоз клеток, а также в процессах ангиогенеза опухолей [27].
К настоящему времени у млекопитающих обнаружено 11 цистеиновых протеаз лизосом — катепсины В, Н (I), Ь, ББР I (С), Б, О, Б, К, V (Ь2, и), X (У, Ъ, Р) и [5]. Катепсины В, ББР
I, Н, Ь, Б, О, X, представляющие собой филогенетически более древнюю группу, экспрессируются в большинстве клеток организма с разной интенсивностью в разных тканях и на различных этапах развития, экспрессия других является тканеспецифичной [5, 27]. Все цистеиновые протеа-зы лизосом характеризуются близкородственной последовательностью аминокислот и первичной структурой и возникли, как полагают, путем дупликации одного предкового гена. Большая часть этих ферментов — относительно небольшие белки с молекулярной массой 25—30 кДа [5, 27]. Лизо-сомальные катепсины синтезируются в виде неактивных препроферментов, активация которых осуществляется в поздних эндосомах или лизосо-мах при слабокислых значениях рН. В нормальных клетках катепсины локализуются главным образом перинуклеарно в лизосомах [5, 27].
Жанаева С.Я. — к.б.н., вед.н.с., e-mail: [email protected], [email protected] БЮЛЛЕТЕНЬ СО РАМН, ТОМ 30, № 4, 2010 г.
Целью работы явилось обобщение литературных данных, в основном клинических, а также, в меньшей степени, экспериментальных исследований, посвященных изучению роли цистеиновых протеаз лизосом в развитии опухолей различной локализации у человека и животных. Следует отметить, что наиболее изучено участие в онкогенезе многих видов новообразований двух цистеиновых протеаз — катепсинов В и L, поэтому обзор сконцентрирован в основном на этих двух ферментах.
Опухоли центральной нервной системы. Повышение экспрессии и активности цистеиновых протеаз катепсинов В, L, S и Н в тканях злокачественных и доброкачественных опухолей головного мозга, зависящее от степени злокачественности опухоли, показано в работах многих исследователей [12, 28, 36, 40, 42].
Показано, что даже доброкачественные медленно растущие менингиомы отличаются более высокими концентрациями катепсинов В и L и их ингибиторов (стефины А и В и цистатин С) по сравнению с нормальной тканью, а при приобретении опухолью инвазивного фенотипа в атипичных менингиомах эти показатели еще более увеличиваются [40, 41]. Авторы предполагают, что способность к инвазии менингиом определяется небольшой фракцией опухолевых клеток, экспрессирующих повышенные уровни катепсина В [27, 40, 41].
В тканях злокачественных опухолей головного мозга выявлены дальнейшее усиление синтеза и повышение активности катепсинов В и L по сравнению с доброкачественными опухолями, а также высокие, не свойственные нормальной ткани, уровни экспрессии катепсинов S и H [27, 36,
40, 41]. Как и в доброкачественных опухолях, отмечено увеличение экспрессии катепсина В с возрастанием степени злокачественности: в глиомах и астроцитомах, опухолях со средней степенью злокачественности уровень экспрессии и концентрация катепсина В ниже, чем в наиболее злокачественной опухоли головного мозга — глиобла-стоме. Показано, что по мере прогрессирования опухоли увеличиваются как уровень экспрессии катепсина В в опухолевых клетках, так и количество клеток, положительно окрашиваемых на ка-тепсин В [27, 36, 40, 41].
Выявлено зависящее от выраженности гистологических признаков злокачественности новообразования (клеточная плотность, митотическая активность, эндотелиальная пролиферация, ати-пия ядер, некроз клеток) увеличение концентрации катепсина В не только в опухолевых клетках, но и в эндотелиальных клетках опухоли, и в макрофагах, инфильтрирующих ее ткань [36, 40, 41]. Интересно, что при перевивке клеток глиобла-стомы иммуносупрессивным мышам, у которых подавлен клеточный иммунитет, развивающаяся опухоль характеризуется меньшей способностью к инвазии и меньшим уровнем экспрессии катепси-
на В в клетках опухоли по сравнению с исходной. Очевидно, для осуществления процесса инвазии важен уровень экспрессии протеаз как в опухолевых клетках, так и в стромальных клетках опухоли, в частности в макрофагах, ассоциированных с опухолью [41]. В отношении катепсина Ь выявлена несколько другая картина, показано, что концентрация этого фермента увеличивается по мере прогрессирования опухоли только в опухолевых клетках, в эндотелиальных клетках опухоли экспрессия катепсина Ь не меняется, что говорит о том, что этот фермент, по-видимому, не связан с процессами неоваскуляризации новообразований головного мозга [41].
Следует отметить, что не все клетки даже в высоко агрессивных опухолях проявляют позитивное окрашивание на катепсин В, так, показано, что в различных областях глиобластомы повышенные концентрации катепсина В экспрессируют от 10 до 90 % клеток, при этом наибольший процент клеток с высоким внутриклеточным содержанием катепси-на В обнаружен в областях инвазии опухоли [36].
В опухолевых клетках различных типов опухолей головного мозга с высоким содержанием катепсина В обнаружены нарушения его внутриклеточной локализации. Показано, что фермент располагается как в лизосомах, так и диффузно в цитоплазме с тенденцией к концентрированию у плазматической мембраны [36]. Наиболее часто клетки с нарушениями локализации так же, как и клетки с наиболее высокими уровнями катепсина В, обнаруживались в областях инвазии опухоли. Предполагается, что подобная индукция синтеза протеаз и их концентрирование у клеточной поверхности отражает функциональную нагрузку клеток и является общим для всех клеток, участвующих в процессах деградации экстрацеллюлярного матрикса и инвазии, а также может служить маркером инвазивного фенотипа опухолевых клеток [27, 36].
Обнаружены прямые корреляционные зависимости между выраженностью клинических и ги-стопатологических параметров прогрессии опухолей головного мозга и содержанием катепсина В в опухолевых и эндотелиальных клетках опухоли [27, 36, 40, 41]. С гистологическим типом опухоли коррелировали также концентрация стефина А в ткани опухоли и отношение концентрации катеп-сина В к содержанию его внеклеточного ингибитора — цистатина С [27, 40, 41]. Большая величина последнего показателя, а также высокие концентрации катепсина Ь и стефина В в ткани опухоли были связаны с высокой вероятностью рецидивов опухоли [27, 40, 41]. Показано, что содержание катепсина В в опухолевых [27] и одновременно в опухолевых и эндотелиальных клетках, а также уровень катепсина Б в опухолевых клетках и макрофагах опухоли может служить предиктором общей и безрецидивной продолжительности больных с глиомами [27, 36, 40, 41].
Помимо катепсинов В и L, в тканях опухолей головного мозга описано повышение синтеза и активности других протеаз, связанных с онкогенезом — цистеиновой протеазы катепсина S, аспар-татной протеазы катепсина D, ферментов системы активатора плазминогена, отдельных металлопро-теаз [12, 40, 41]. Предполагается, что все перечисленные протеазы могут оказывать самостоятельное промотирующее влияние на прогрессию опухолей, однако при синергичной активации каждая из них может потенцировать канцерогенный эффект других протеаз [12].
Опухоли головы и шеи. Во всех исследованных случаях РГШ (рак головы и шеи) было выявлено значительное увеличение концентрации катепси-на В в опухолевых тканях по сравнению со здоровыми тканями того же гистогенеза, зависящее от стадии прогрессии опухоли [24, 39, 45]. Более высокие уровни катепсина В были обнаружены у пациентов с запущенной стадией процесса и в опухолях с низкой гистологической дифференци-ровкой [1, 24, 39, 45].
В экспериментах in vitro на клетках плоскоклеточной карциномы головы и шеи, выделенных из первичной опухоли и ее метастазов, показано, что наиболее вероятным индуктором усиления экспрессии катепсина В в клетках опухолей этого вида является фактор гипоксии. Показано, что через 48 часов культивирования в гипоксической среде в опухолевых клетках наблюдалось значительное усиление экспрессии катепсина В и аспартатной протеазы лизосом катепсина D, а также снижение экспрессии ингибитора цистеиновых протеаз ци-статина С [27].
Литературные данные о содержании катепси-на L в тканях РГШ одного и того же вида противоречивы. Так, согласно сведениям Vigneswaran et al. (2000) и Kawasaki et al. [21], концентрация катепсина L в опухолях ротовой полости значимо не меняется, в то время как Macabeo-Ong et al. (2003), напротив, показали значительное повышение экспрессии и концентрации катепсина L в тканях опухолей языка и десен, коррелирующее со степенью дисплазии ткани и прогрессии опухоли [21, 27, 45]. По данным Strojan P. et al. [39], в тканях плоскоклеточной карциномы головы и шеи содержание катепсинов В и L в среднем соответственно в 5 и 2 раза выше, чем в нормальной ткани [39].
В тканях плоскоклеточных карцином головы и шеи наряду с повышением концентрации цистеи-новых протеаз выявлено увеличение содержания их внутриклеточных ингибиторов — стефинов А и В, при этом показано, что более высокие концентрации стефинов коррелируют с запущенной стадией заболевания и степенью поражения лимфатических узлов. У пациентов с низким уровнем стефинов А и В в опухолевой ткани были отмечены более низкие показатели выживаемости и высокая вероятность развития рецидивов опухо-
ли [39]. Таким образом, повышение концентрации ингибиторов протеаз в тканях карциномы головы и шеи носит, вероятно, адаптивный характер.
У пациентов с плоскоклеточными карциномами и другими типами злокачественных опухолей ротовой полости высокие концентрации катеп-синов В и Ь были выявлены не только в опухолевых тканях, но также в сыворотке крови [27]. Сывороточное содержание катепсина В при раке языка коррелировало с наличием признаков инвазии и со стадиями прогрессии опухоли [1, 27]. Кроме катепсинов В и Ь, в сыворотке крови больных с плоскоклеточной карциномой был обнаружен катепсин Н, который в норме у здоровых людей не выявляется [1, 27]. Лечение цитостатиками или хирургическое удаление опухоли приводило к уменьшению содержания катепсинов В, Ь и Н в сыворотке крови таких пациентов, при этом низкие уровни катепсина Ь были связаны с высоким риском рецидивирования болезни [27].
Прогностической значимости показателей концентрации катепсинов В и Ь в сыворотке крови и ткани опухоли у пациентов с РГШ ни в определении продолжительности жизни, ни в прогнозировании риска рецидивирования выявлено не было, имелась тенденция к лучшему прогнозу в анализе безрецидивного и общего выживания у больных с увеличенной концентрацией катепсина Н в крови [1, 27, 39].
Таким образом, имеющиеся данные показывают, что катепсин Н и ингибиторы цистеиновых протеаз стефины А и В могут претендовать на роль факторов прогноза общей и безрецидивной выживаемости больных с РГШ, а уровень экспрессии катепсина В в опухоли ассоциирован со стадиями прогрессии опухолей, локализующихся в области головы и шеи.
Опухоли пищевода. В тканях аденокарциномы пищевода в среднем у 12 % больных выявлено наличие амплификации участка ДНК, содержащего ген катепсина В, что сопровождается стойким повышением внутриклеточной концентрации его мРНК и белка [17, 30].
Опухоли желудка. Показано, что в тканях злокачественных опухолей желудка активность катепсинов В и Ь повышена в среднем в 1,5— 2,5 раза [7, 27, 37]. Выявлены значимые корреляции между концентрацией катепсина В и большинством клинико-биологических параметров прогрессии опухоли (стадией заболевания, наличием метастазов, гистологическим типом опухоли, цитометрическими параметрами ДНК, апоптотическим индексом опухоли, процентным содержанием в опухоли анеуплоидных клеток и клеток в Б-фазе) [7, 27, 37]. Наряду с увеличением концентрации и активности цистеиновых протеаз в тканях карциномы желудка отмечено значительное (более чем в 10 раз) снижение содержания их эндогенного ингибитора — стефи-
на А [37]. Показатель отношения концентраций катепсина В и стефина А было предложено использовать в качестве дополнительного маркера прогрессии опухоли [37]. Показано, что увеличение содержания катепсина В в эпителии желудка происходит не только при малигнизации, но и при диспластических изменениях, характеризующихся как предраковые изменения слизистой оболочки желудка [7].
Описаны изменения внутриклеточной локализации катепсинов В, Н и Ь. Показано, что если в норме ферменты располагаются в лизосомах клеток у их апикальной поверхности, то, по данным Раппай й а1. [7], в клетках 40 % аденом и почти во всех аденокарциномах наблюдается транслокация лизосом к базальной поверхности клеток, а также диффузное расположение протеаз в цитоплазме. Максимальное количество опухолевых клеток с высоким содержанием и диффузным распределением катепсинов в цитоплазме обнаружено в зоне инвазии опухоли [7, 37].
Показано, что в развитии рака желудка наряду с цистеиновыми протеазами важную роль играют также аспартатные, сериновые и металлопротеа-зы [37], при этом повышенный уровень плазми-ногена урокиназного типа иРА так же, как и концентрация катепсина В, в тканях злокачественных опухолей желудка коррелирует с этапами прогрессии опухоли [27, 37], а содержание некоторых ме-таллопротеаз (ММП-2) — с уровнем агрессивности опухоли [27]. Аспартатная протеаза лизосом катепсин Б может служить независимым маркером безрецидивной выживаемости больных раком желудка [27, 37].
Опухоли кишечника. Особенности функционирования цистеиновых протеаз так же, как и некоторых других протеаз (аспартатные протеазы, металлопротеазы), изучены главным образом в наиболее часто встречаемых эпителиальных опухолях кишечника по сравнению с другими типами опухолей [8, 18, 27, 32].
По данным разных авторов, увеличение экспрессии катепсина В выявляется примерно у 50— 70 % пациентов с колоректальной карциномой и у 20 % пациентов с доброкачественной аденомой кишечника [8, 18, 27, 32]. Максимальные показатели концентрации и активности катепсина В были обнаружены в опухолях с признаками локальной инвазии, при которой опухоль приобретает статус злокачественной (стадия А), при этом показано, что с прогрессированием опухоли эти показатели снижаются — у пациентов со стадиями развития опухоли В и С до уровня нормальных, а на стадии Б — ниже нормы [8, 18, 27, 32]. В областях инвазивного фронта карциномы кишечника изменения активности катепсина В были более значимыми по сравнению с изменениями его концентрации [8, 18, 32]. В доброкачественных опухолях кишечника повышение экспрессии и активности фермента обнаружено начиная со средней стадии
развития опухоли, при достижении опухолью размеров более 1 см.
№па8Ыша й а1. [32] показали, что уровень экспрессии катепсина В коррелирует с такими параметрами, как глубина инвазии опухоли и степень дифференцировки опухолевых клеток, и не зависит от морфологического типа опухоли [32]. Таким образом, активность катепсина В связывают, главным образом, с процессами инвазии опухолей этой локализации [18, 32].
Показано, что источником повышенной общей активности катепсина В, а также катепсинов Ь и Н в ткани карциномы кишечника являются как опухолевые клетки, так и мононуклеары, располагающиеся вокруг опухолевых узлов и инфильтрирующие ткань новообразования, при этом наиболее многочисленным является пул макрофагов, располагающихся в зоне инвазии опухоли [4, 18, 27, 32].
Так же, как и для других типов опухолей, выявлены нарушения внутриклеточной локализации катепсина В. По данным ІасоЬшіо-ВопаИие еі а1. [18], в доброкачественных опухолях и хорошо дифференцированных карциномах кишечника так же, как и в нормальном эпителии, фермент обнаруживается главным образом в лизосомах, в то время как в ~ 50 % клеток умеренно дифференцированных карцином — одновременно в ли-зосомах и в цитоплазме, а в клетках низкодифференцированных карцином кишечника фермент располагается главным образом диффузно в цитоплазме клеток, концентрируясь у базальной и апикальной поверхностей, кроме того, гранулы, содержащие катепсин В, обнаруживаются также внеклеточно у их базальной поверхности [4, 18]. Изменения внутриклеточной локализации катеп-сина В связывают с изменениями гликозилирова-ния лизосомальных протеаз в опухолевых клетках. Показано, что в клетках карциномы кишечника в значительных количествах содержится фермент с более высокой степенью гликозилирования тяжелой цепи с молекулярной массой 28 кДа, в то время как в интактных эпителиальных клетках кишечника выявляется фермент с массой 27 кДа. Усиление гликозилирования катепсина В, по данным ІасоЬшіо-ВопаИие еі а1. [18], обнаруживается примерно у 80 % больных со злокачественной колоректальной карциномой и у 5 % больных с доброкачественной аденомой кишечника, при этом оно наблюдается также в образцах опухоли, в которых уровень экспрессии и концентрации фермента не изменен или даже снижен по сравнению с нормальными клетками [18]. В опухолевых клетках с очень высоким содержанием катепсина В (у ~ 20 % больных с аденокарциномой кишечника на стадиях рака А и В) увеличивается также концентрация одноцепочечной формы катепсина В с молекулярной массой 31 кДа и проформы катепсина В с молекулярной массой 47 кДа [18].
Показано, что синергичная активация протеаз различных классов в ткани опухоли оказывает по-
тенцирующее действие на ее рост и прогрессирование и способствует приобретению опухолью более агрессивного фенотипа. По сведениям Visscher et al. (1994), у пациентов с высоким уровнем экспрессии в ткани опухоли одновременно катепсина В и активатора плазминогена урокиназного типа частота рецидивов опухоли и процент низкодифференцированных карцином соответственно в 5 и 10 раз выше по сравнению с пациентами у которых экспрессия того или другого фермента не отличалась от нормы [27].
Выявлена высокая диагностическая значимость катепсина В для использования в качестве дополнительного маркера, отражающего процесс инвазии опухолей кишечника, а также маркера опухолевой прогрессии и перерождения доброкачественного новообразования в злокачественное [18, 27]. Показано увеличение более чем в 2 раза риска рецидивирования опухоли и значительное сокращение общей продолжительности жизни у пациентов с колоректальной карциномой с высоким уровнем экспрессии катепсина В в ткани опухоли и в сыворотке крови [24, 27] Обнаружены корреляции между показателями общей выживаемости больных и концентрацией эндогенных ингибиторов цистеиновых протеаз цистатина С и стефина А в сыворотке крови [24].
Опухоли поджелудочной железы. В тканях карциномы панкреатической железы очень высокий процент опухолевых клеток (около 90 %) экспрессирует повышенные уровни катепсинов В и L [27]. Исследования диагностической и прогностической значимости цистеиновых протеаз у человека при этом виде рака выявили наличие строгих зависимостей между уровнем экспрессии катепсинов В и L в опухолевой ткани и постоперационной продолжительностью жизни больных, а также между уровнем экспрессии катепсина В и глубиной инвазии опухоли [10, 35].
In vitro показана способность клеток карциномы поджелудочной железы человека секретиро-вать комплекс, состоящий из проформы и зрелой формы катепсина L, характеризующийся большей термостабильностью и устойчивостью к более щелочным значениям рН 6,8—7,4 по сравнению с оптимумом рН для зрелого фермента (4,0—5,5). Полагают, что секретируемые формы цистеино-вых протеаз, активные при нейтральных значениях рН, участвуют в деструкции межклеточного матрикса и таким образом способствуют инвазии и метастазированию опухоли [48].
В экспериментальных исследованиях на модели эндокринной опухоли поджелудочной железы (линия RIP1-Tag2, или RT2, трансгенных мышей) методом гибридизации с мышами, нокаутированными по одному или нескольким генам цистеи-новых протеаз, показано важное участие катеп-синов В, L и S, экспрессия которых значительно повышена у мышей с генотипом RIP1-Tag2, во всех этапах прогрессии опухоли [35]. Выявлено
значительное снижение плотности микрососудов в опухоли у мышей С18В-/- ЯТ2 и ЯТ2,
что свидетельствует о важной роли катепсинов В и Б в процессах ангиогенеза опухоли [35]. Показано, что у мышей с дефицитом по генам катеп-синов В, Ь или Б усилена самоиндукция апопто-за опухолевых клеток ^осИеуа й а1., 2006], а у мышей, нокаутированных по генам катепсинов В и Ь, снижена скорость пролиферации опухолевых клеток [11]. В целом дефицит по одному из генов катепсинов В, Ь или Б приводил к значительной редукции процесса инвазии опухоли, а у мышей, нокаутированных одновременно по всем трем генам, развивались исключительно доброкачественные опухоли панкреатической железы, без признаков инвазии [11, 35].
Опухоли печени. Несмотря на то, что уровень экспрессии цистеиновых протеаз в норме в печени достаточно высокий, значительных изменений экспрессии, концентрации или активности цисте-иновых протеаз в тканях гепатоцеллюлярной карциномы - наиболее часто встречаемой опухоли печени — выявлено не было [33, 42]. Были обнаружены характерные изменения внутриклеточной локализации катепсина В в клетках гепатоцеллю-лярной карциномы, описанные для многих других видов рака [42].
Опухоли молочных желез. В тканях карциномы груди выявлено значительное увеличение активности (более чем в 60 и 200 раз соответственно), концентрации (~ в 30 и 6 раз) и экспрессии (~ в 2 раза) катепсинов В и Ь по сравнению с нормальной тканью молочной железы [26, 27, 49]. Содержание обеих протеаз в ткани опухоли было выше в хорошо дифференцированных опухолях, положительно коррелировало с ее размером, наличием метастазов в регионарных лимфоузлах и отрицательно — с уровнем рецепторов к стероидным гормонам [13, 26].
Роль катепсинов В и Ь в прогрессии новообразований груди связывают с участием протеаз в процессах опухолевой инвазии и ангиогенеза. Показано, что экспрессия катепсина В повышена в миелоэпителиальных и эндотелиальных клетках образующихся сосудов опухоли, и в опухолевых клетках инвазивного фронта, тогда как экспрессия катепсина Ь увеличена главным образом в клетках паренхимы опухоли [20, 27, 45].
Исследования диагностической и прогностической значимости цистеиновых катепсинов показали, что активность и концентрация катепсинов В и Ь в ткани опухоли и сыворотке крови могут использоваться в качестве независимых маркеров безрецидивной и общей продолжительности жизни больных после лечения [13, 26, 27]. Более значимым фактором для прогноза продолжительности жизни является показатель общей концентрации катепсина В в ткани опухоли, особенно у пациентов без отдаленных и регионарных метастазов [26, 27].
На экспериментальной модели рака молочной железы у трансгенных мышей, несущих ген Т антигена вируса полиомы, нокаутированных по гену катепсина В, показана важная роль в прогрессии и метастазировании опухоли катепсина В не только опухолевых клеток, но и клеток стромы опухоли (макрофагов и др.) [44]. Обнаружено, что удаление одного или двух аллелей гена катепсина В замедляет темпы прогрессии опухоли, снижает скорость ее роста и уменьшает объемы метастазов в легких мышей на 30 % [35, 44]. Введение в латеральную хвостовую вену мышам дикого фенотипа клеток животных с генотипом CtsB/- PyMT или CtsB+/- PyMT также приводило к значительной редукции числа и размеров колоний опухолевых клеток в легких у мышей. Авторы показали, что причиной замедления темпов роста и прогрессии опухоли у мышей с генотипом CtsB/- или CtsB+/- было снижение скорости пролиферации клеток опухоли и уменьшение их инвазивного потенциала, дефицит катепсина В на скорость апоптоза опухолевых клеток не влиял [35, 44].
Опухоли легких. В тканях первичных опухолей легких разных гистологических типов (мелкоклеточного и крупноклеточного), а также в тканях метастазов в легкие опухолей другой локализации обнаружено значительное усиление экспрессии и активности большинства исследованных цистеи-новых протеаз лизосом — катепсинов В, L, S, K и, в меньшей степени, катепсина Н [6, 22, 23,
24, 29, 34, 38, 46, 47, 50]. Так, по данным Ledakis et al. [29], активность и концентрация катепсинов В и L в тканях немелкоклеточного рака легких соответственно в 9 и 4 и в 6 и 2 раза выше, чем в нормальном эпителии бронхов [29]. Кроме этого, повышение активности катепсина В (в 1,8 раз) выявлено в лимфоузлах, инфильтрированных опухолевыми клетками, по сравнению с интакт-ными лимфоузлами [46, 47]. Иммуногистохими-ческими методами показано, что высоким содержанием катепсина В характеризуются не только опухолевые клетки легких, но и гистиоциты, инфильтрирующие ткань опухоли и лимфоузлы с метастазами опухоли, в отличие от лимфоцитов интактной лимфоидной ткани [46]. Выявлены положительные корреляции между активностью катепсинов в опухолевых тканях легких и содержанием в опухоли «клеток воспаления» — лимфоцитов и макрофагов [29]. Уровень экспрессии катепсина В, по данным Higashiyama et al. [16], в ткани аденокарциномы легких коррелирует с уровнем деструкции ламинина базальных мембран, ассоциированных с опухолью [16], что говорит о его участии в инвазии и распространении клеток легочной аденокарциномы.
В экспериментах in vitro показано, что клетки опухолей легких разных гистологических типов значительно отличаются друг от друга по показателям активности и концентрации катепсина В: НМКРЛ (немелкоклеточный рак лег-
ких) > ПКРЛ (плоскоклеточный рак легких) > АК (аденокарцинома легких) > МКРЛ (мелкоклеточный рак легких) [46, 49, 50]. Максимальная активность катепсина L была обнаружена в тканях аденокарциномы легких по сравнению с другими типами рака легких [29, 46, 47].
Для отдельных типов рака легких выявлены положительные корреляции между процентным содержанием опухолевых клеток с высоким уровнем катепсина В и стадией прогрессии опухоли, наличием метастазов, степенью дифференцировки опухолевых клеток [22, 23].
Описаны изменения физико-химических свойств катепсина В в опухолевых клетках легких — усиление стабильности катепсина В клеток плоскоклеточной карциномы и аденокарциномы легких при нейтральных значениях рН, изменение чувствительности к эндогенным (стефин А) и экзогенным ингибиторам, нарушения количественного соотношения неактивных и активных форм фермента, выявлены нарушения внутриклеточной локализации — появление катепсина В в цитоплазме, ядерной и цитоплазматической мембранах, усиление секреции неактивных проформ катепсинов В и L [11, 38].
Для немелкоклеточного рака легких обнаружены строгие зависимости между концентрацией и активностью катепсина В в ткани опухоли и общей продолжительностью жизни больных [46]. У пациентов с плоскоклеточным раком высокий уровень экспрессии катепсина В в опухолевых клетках и низкий в гистиоцитах коррелировал со значительно худшей выживаемостью, а при аденокарциноме легких, напротив, уменьшение общей выживаемости было выявлено у пациентов с увеличенной экспрессией катепсина В как в опухолевых клетках, так и в гистиоцитах [46, 47]. В отличие от катепси-на В, низкий уровень катепсина S как в опухолевых клетках, так и в клетках паренхимы опухоли был ассоциирован с низкой продолжительностью жизни больных разными видами рака легких [24]. Это связано, вероятно, с тем, что катепсин S экспрессируется главным образом в иммунных клетках, и уменьшение его содержания так же, как и катеп-сина В в макрофагах опухоли, может свидетельствовать о снижении функциональной активности клеток, участвующих в формировании противоопухолевого иммунитета [24].
Заключение
Таким образом, приведенные литературные данные указывают на важную роль цистеиновых протеаз лизосом в процессах, связанных с прогрессией и метастазированием опухолей человека и животных. Многочисленные данные клинико-биохимических и экспериментальных исследований показывают, что развитие многих типов злокачественных опухолей сопровождает повышение экспрессии и активности цистеиновых протеаз катепсинов В, L, S, H в опухолевых клетках и клетках стромы опухоли по
сравнению с нормальной тканью. Выявлены корреляционные зависимости между уровнем экспрессии или активности катепсинов В и L в опухолевых и стромальных клетках опухоли и степенью злокачественности и стадией прогрессии опухолей головного мозга, кишечника, желудка, груди и легких, что указывает на важную диагностическую значимость этих протеаз для использования в качестве маркеров малигнизации и степени злокачественности перечисленных видов новообразований.
Данные клинических и экспериментальных исследований указывают на важную роль катепси-нов В и S в процессах инвазии, метастазирования и неоваскуляризации опухолей, а катепсинов В и L — в регуляции пролиферации и апоптоза опухолевых клеток. Показана перспективность использования показателей активности катепсинов В и L и, в отдельных случаях, их ингибиторов для прогноза общей и безрецидивной выживаемости больных с опухолями головного мозга, кишечника, молочных желез, груди, а также для определения риска рецидивирования ряда опухолей после лечения. Обсуждается возможность использования этих протеаз в качестве маркеров отвечаемости на терапевтические воздействия.
Список литературы
1. Клишо Е.В., Кондакова И.В., Чойнзонов Е.Л. и др. Прогностическая значимость протеаз у больных плоскоклеточными карциномами головы и шеи // Бюл. СО РАМН. 2005. (2). 82-91.
Klisho E.V., Kondakova I.V., Choinzonov E.L. et al. Prognostic significance of proteases in the patients with the squamous head and neck carcinoma // Byul. SO RAMN. 2005. (2). 82-91.
2. Budihna M., Strojan P., Smid L. et al. Prognostic value of cathepsin B, L, H, D and their endogenous inhibitors stefin A and B in head and neck carcinoma // Biol. Chem. Hoppe-Seyler. 1996. 377. 385-390.
3. Buhling F., Gerber A., Hackel C. et al. Expression of cathepsin K in lung epithelial cells // Am. J. Cell. Mol. Biol. 1999. 20. 612-619.
4. Campo E., Munoz J., Miquel R. et al. Cathepsin B expression in colorectal carcinomas correlates with tumor progression and shortened patient survival // Am. J. Pathol. 1994. 145. 300-309.
5. Dickinson D.P. Cysteine peptidase of mammals: their biological roles and potential effects in the oral cavity and other tissues in health and disease // Crit. Rev. Oral. Boil. Med. 2002. 13. (3). 238-275.
6. Ebert W., Knoch H., Werle B. et al. Prognostic value of increased lung tumor tissue cathepsin B // Anticancer Res. 1994. 14. 895-900.
7. Farinati F., Herszenyi L., Carraro P. et al. Increased levels of cathepsin B and L, urokinase-type plasminogen activator and its inhibitor type-1 as an early event in gastric carcinogenesis // Carcinogenesis.
1996. 17. (12). 2581-2587.
8. Furuhashi M., Nakahara A., Fukutomi H. et al. Immunocytochemical localization of cathepsin B, H and L in the rat gastroduodenal mucosa // Histochem. 1991. 95. 231-239.
9. Gabrijelcic D., Svetic B., Spaic D. et al. Cathepsin B, H and L in human breast carcinoma // Eur. J. Clin. Chem. Biochem. 1992. 30. 69-74.
10. Garcea G., Neal C.P., Pattendel C.J. Molecular prognostic markers in pancreatic cancer. A systemic review // Eur. J. Cancer. 2005. 41. 2213-2236.
11. Gocheva V., Joyce J.A. Cysteine cathepsins and the cutting edge of cancer invasion // Cell Cycle. 2007.
6. (1). 60-64.
12. Gondi C.S., Lakka S.S., Dinh D.H. et al. RNA-mediated inhibition of cathepsin B and uPAR leads to decreased cell invasion, angiogenesis and tumor growth in gliomas // Oncogene. 2004. 4. 8486-8496.
13. Harbek N., Alt U., Berger U. et al. Prognostic impact of proteolytic factors (urokinase-type plasminogen activator, plasminogen activator inhibitor 1 and cathepsin B, L and D) in primary breast cancer reflects of adjuvant systemic therapy // Clin. Cancer Res. 2001. 7. 2757-2764.
14. Heidtmann H.-H., Salge U., Havemann K. et al. Secretion of a latent, acid activatable cathepsin L precursors by human Non-small cell lung cancer cell lines // Oncology Res. 1993. 5. (10/11). 441-451.
15. Heidtmann H.-H., Salge U., Abrahamson M. et al. Cathepsin B and cysteine proteinase inhibitors in human lung cancer cell lines // Clin. Exp. Metastasis.
1997. 15. 368-381.
16. Higashiyama M., Doi O., Kodama K. et al. Cathepsin B expression in tumor cells and laminin distribution in pulmonary adenocarcinoma // J. Clin. Pathol. 1993. 46. 18-22.
17. Hughes S.J., Glover T.W., Zhu X.-X. et al. A novel amplicon at 8p22-23 results in overexpression of cathepsin B in esophageal adenocarcinoma // Proc. Natl. Acad. Sci. 1998. 95. 12410-12415.
18. Iacobuzio-Donahue C.A., Shuja S., Cai J. et al. Elevation in cathepsin B protein content and enzyme activity occur independently of glycosilation during colorectal tumor progression // J. Biol. Chem. 1997. 14. 29190-29199.
19. Kargiotis O., Rao J.S., Kyritsis A.P. Mechanism of angiogenesis in gliomas // J. Neurooncol. 2006. 78. 281-293.
20. Karkola J.E., DeVries S., Fridlyan J. et al. Differentiation of lobular versus ductal breast carcinoma by expression microarray analysis // Cancer Res. 2003. 63. 7167-7175.
21. Kawasaki G., Kato Y., Mizuno Y.A. et al. Cathepsins expression in oral squamous cell carcinoma: relaishionship with clinicopathologic factors // Oral Surg. 2002. 93. 446-454.
22. Kayser K., Richter N., Hufnagl P. et al. Expression, proliferation activity and clinical significance of cathepsin B and cathepsin L in operated lung cancer // Anticancer Res. 2003. 23. 2767-2772.
23. Keppler D., Fondaneche M.C., Dalrt-Fumeron V. et al. Immunohistochemical and biochemical study of a cathepsin B-like proteinase in human colonic cancers // Cancer Res. 1988. 48. 6855—6862.
24. Kos J., Lah T.T. Cysteine proteases and their endogenous inhibitors: target proteins for prognosis, diagnosis and therapy in cancer (review) // Oncol. Rep. 2004. 5. 1349-1361.
25. Krepela E., Kasafirek E., Novak K. et al. Increased cathepsin B activity in human lung tumors. Neoplasma. 1990. 37. (1). 61-70.
26. Lah T.T., Cёrcёk M., Blejek A. et al. Cathepsin B a prognostic indicator in lymph node-negative breast carcinoma patients: comparison with cathepsin D, cathepsin L and other clinical indicators // Clin. Cancer Res. 2000. 6. 578-584.
27. Lah T.T., Obermajer N., Alonso M.B.D., Kos J. Cysteine cathepsins and cystatins as cancer biomarkers // The Cancer Degradome. Eds. D. Edwards et al. Springer Science and Business media, 2008. 587-625.
28. Lakka S., Rao J.S. Brain tumor angiogenesis // Handbook of Neurochemistry and Molecular Neurobiology. Springer science and Bisiness media, 2009. 12 p.
29. Ledakis P., Tester W.T., Rosenberg N. et al. Cathepsin D, B, and L in malignant human lung tissue // Clin. Cancer Res. 1996. 2. 561-568.
30. Li W., Ding F., Zhang L. et al. Overexpression of stefin A in human esophageal squamous cell carcinoma cells inhibits tumor cell growth, angiogenesis, invasion and metastasis // Cancer Ther. 2005. 11. (24). 8753-8762.
31. McCormick D. Secretion of cat B by human gliomas in vitro // Neuropathol. Appl. Neurobiol. 1993. 19. 146-151.
32. Nanashima A., Tagawa Y., Nakagoe T. et al. Relationship between morphological diversity and Ag-NORs or cathepsin B expression in colorectal cancer // J. Gastrogen. 1996. 31. 646-653.
33. Niewczas M., Paczek L., Krawczyk M. et al. Enzymatic activities of cathepsin B and L, plasmin, trypsin and collagenase in hepatocellular carcinoma // Pol. Arch. Med. 2002. 108. 653-662.
34. Petty R.D., Kerr K.M., Murray G.I. et al. Tumor transcriptome reveals the predictive and prognostic impact of lysosomal protease inhibitors in non-small-cell lung cancer // J. Clin. Oncol. 2006. 24. (11). 1729-1744.
35. Reinheckel T., Gocheva V., Peters C., Joyce J.A. Role of cysteine proteases in tumor progression: analysis of cysteine cathepsin knockout mice in cancer models // The Cancer Degradome. Eds. D. Edwards et al. Springer Science and Business media, 2008. 281-301.
36. Rempel S.A., Rosenblum M.L., Mikkelsen T. et al. Cat B expression and localization in glioma progression and invasion // Cancer Res. 1994. 54. 6027-6031.
37. Russo A., Bazan V., Migliavacca M., Zanna I. et al. Prognostic significance of DNA ploidy, S-phase
fraction and tissue levels of aspartic, cysteine and serine proteases in operable gastric carcinoma // Clin. Cancer Res. 2000. 6. 178-184.
38. Spiess E., Bruning A., Gack S. et al. Cathepsin B activity in human lung tumor cell lines: ultrastructural localization, pH sensitivity and inhibitor status at the cellular level // J. Histochem. Cytochem. 1994. 42. (7). 917-929.
39. Strojan P., Budihna M., Smid L. et al. Prognostic significance of cysteine proteinases cathepsins B and L and their endogenous inhibitors stefin A and B in patients with squamous cell carcinoma of head and neck // Clin. Cancer Res. 2000. 6. 1052-1062.
40. Strojnik T., Zidanik B., Kos J. et al. Cathepsin B and L are markers for clinically invasive types of meningomas // Clinicopathol. Studies. 2001. 42. (3). 598-605.
41. Strojnik T., Kavalar R., Trinkaus M. et al. Cathepsin L in glioma progression: comparison with cathepsin B // Cancer Detect. Prev. 2005. 29. (5). 448 - 455.
42. Treda T., Ohta T., Minato H. et al. Expression of pancreatic trypsinogen/trypsin and cathepsin B in human cholangiocarcinomas and hepatocellular carcinomas // Hum. Pathol. 1995. 26. 746-752.
43. Watanabe M., Higashi T., Watanabe A. et al. Cathepsin B and L activities in gastric cancer tissue: correlation with histological findings // Biochem. Med. Metab. Biol. 1989. 42. 21-29.
44. Vasiljeva O., Korovin M., Gajada M. et al. Reduced tumor cell proliferation and delayed development of high-grade mammary carcinomas in cathepsin B-deficient mice // Oncogene. 2008. 27. 4191-4199.
45. Vigneswaran N., Wu J., Muller S. et al. Expression analysis of cystatin C and M in laser-capture mic-rodissectioned human breast cancer cells // Pathol. Res. Pract. 2005. 200. 753-762.
46. Werle B., Lotterle H., Schanzenbacher U. et al. Immunochemical analysis of cathepsin B in lung tumors: an independent prognostic factor for squamous cell carcinima patients // Br. J. Cancer. 1999. 81. (3). 510-519.
47. Werle B., Kotzsch M., Lah T.T. et al. Cathepsin B, plasminogen activator - inhibitor (PAI-1) and plasminogen activator-receptor (uPAR) are prognostic factors for patients with non small cell lung cancer // Anticancer Res. 2004. 24. 4147-4162.
48. Yamaguchi N., Chung S., Shiroeda O. et al. Characterization of a cathepsin L-like enzyme secreted from human pancreatic cancer cell line HPC-YP // Cancer Res. 1990. 50. 658-663.
49. Yano M., Hirai K., Naito Z. et al. Expression of cathepsin B and cystatin C in human breast cancer // Surg. Today. 2001. 31. 385-389.
50. Zore I., Krasovec M., Cimerman N. et al. Cathe-psin B/cystatin C complex levels in sera from patients with lung and colorectal cancer // Biol. Biochem. 2001. 382. 805-810.
LYSOSOMAL CYSTEINE PROTEASES IN ONCOGENESIS
Svetlana Yakovlevna ZHANAEVA
Institute of Physiology SB RAMS
630117, Novosibirsk, Timakov st., 4
The literature data on the role of cysteine proteases of lysosomes in growth and progression of tumors of different localization in human and animals are presented in the article. The results of clinical and experimental studies, confirming the participation of lysosomal proteases in the malignant phenotype of tumors formation, mediated by the proteases participation in the regulation of proliferation and tumor cells necrosis and apoptosis, and also in the processes of angiogenesis, invasion and metastastic spreading of tumors have been introduced. It has been showed that the source of increased activity of cysteic proteases in tumors tissue is not only cancer cells but stroma cells (endotheliocytes and macrophages of tumor). The analysis of these data indicate that both cancer cell-derived and stroma cell-derived cathepsins plays an important role in tumor progression and metastasis. The data on diagnostic and prognostic significance of cysteine proteases for determining the risk of tumor progression and metastasis and in the determination of sensitivity to the antitumor therapy have been considered.
Key words: malignant tumors, cysteine proteases, cathepsins B and L.
Zhanaeva S.Ya. — candidate of biological sciences, leading researcher, e-mail: [email protected], [email protected]
