Эпителиально-мезенхимальный переход

Эпителиально-мезенхимальный переход (ЭМП) — это обратимая программа клеточной дифференцировки, в ходе которой эпителиальные клетки утрачивают характерные для них полярность и межклеточные контакты и приобретают мезенхимальный фенотип, включающий подвижность, инвазивность и устойчивость к апоптозу. ЭМП является фундаментальным процессом, необходимым для эмбрионального развития, заживления ран и регенерации тканей, а также играет ключевую роль в патологических состояниях, таких как фиброз и прогрессирование злокачественных опухолей, включая метастазирование.

История изучения

Термин «эпителиально-мезенхимальный переход» был введён в научный обиход в 1980-х годах, хотя наблюдения за изменениями клеточного фенотипа в ходе эмбриогенеза делались и ранее. В 1982 году американский биолог Элизабет Хей (Elizabeth Hay) впервые описала превращение эпителиальных клеток в мезенхимальные в процессе формирования первичной полоски у куриных эмбрионов. В 1990-х годах, с развитием молекулярной биологии, были идентифицированы ключевые сигнальные пути и транскрипционные факторы, регулирующие ЭМП, такие как TGF-β, Snail, Slug и Twist. В начале 2000-х годов была установлена связь ЭМП с прогрессией рака, что привело к взрывному росту интереса к этому процессу в онкологии. В 2010-х годах концепция ЭМП была дополнена представлением о его обратимости (мезенхимально-эпителиальный переход, МЭП) и роли в формировании раковых стволовых клеток.

Молекулярные механизмы

Ключевые сигнальные пути

ЭМП запускается и регулируется несколькими сигнальными путями, которые активируются в ответ на внеклеточные сигналы:

• TGF-β (трансформирующий фактор роста бета) — основной индуктор ЭМП. Связывание TGF-β с рецепторами приводит к фосфорилированию SMAD2/3, которые образуют комплекс с SMAD4 и транслоцируются в ядро, активируя транскрипцию генов-регуляторов ЭМП (Snail, Slug, ZEB1, ZEB2).
• Wnt/β-катенин — канонический путь Wnt. Стабилизация β-катенина и его перемещение в ядро активирует транскрипцию генов, связанных с пролиферацией и ЭМП.
• Notch — сигнальный путь, регулирующий клеточную судьбу. Активация Notch стимулирует экспрессию Snail и Slug.
• Hedgehog — сигнальный путь, участвующий в эмбриональном развитии и регенерации. В некоторых контекстах он может индуцировать ЭМП через активацию Gli-транскрипционных факторов.
• Факторы роста (EGF, FGF, HGF) — активируют рецепторные тирозинкиназы, что приводит к запуску MAPK/ERK и PI3K/Akt путей, способствующих ЭМП.

Транскрипционные факторы

Центральную роль в регуляции ЭМП играют несколько семейств транскрипционных факторов, которые подавляют экспрессию эпителиальных генов и активируют мезенхимальные:

• Snail (SNAI1) и Slug (SNAI2) — репрессоры E-кадгерина, ключевого белка межклеточных контактов. Они также подавляют экспрессию других эпителиальных маркеров (например, клаудина, окклюдина).
• ZEB1 и ZEB2 — репрессоры E-кадгерина и активаторы мезенхимальных генов (например, виментина, фибронектина).
• Twist1 и Twist2 — факторы, способствующие ЭМП, подавляя E-кадгерин и активируя гены, связанные с миграцией и инвазией.

Изменения клеточной адгезии и цитоскелета

Ключевым событием ЭМП является снижение экспрессии E-кадгерина — основного белка адгезивных контактов между эпителиальными клетками. Это приводит к разрушению плотных и адгезивных контактов, потере клеточной полярности. Одновременно увеличивается экспрессия мезенхимальных маркеров, таких как виментин (белок промежуточных филаментов), фибронектин и N-кадгерин. Цитоскелет перестраивается: актиновые филаменты образуют стресс-фибриллы, что способствует формированием ламеллоподий и филоподий — структур, необходимых для миграции.

Типы и классификация

ЭМП классифицируют по контексту, в котором он происходит:

• Тип 1 (Эмбриональный ЭМП) — происходит в процессе эмбриогенеза. Участвует в формировании первичной полоски, нейрального гребня, сомитов, сердца и других органов. Является строго регулируемым и обратимым процессом.
• Тип 2 (Репаративный ЭМП) — происходит при заживлении ран и регенерации тканей. Эпителиальные клетки на краю раны временно переходят в мезенхимальное состояние для миграции и закрытия дефекта. После завершения репарации клетки возвращаются к эпителиальному фенотипу (МЭП).
• Тип 3 (Патологический ЭМП) — происходит при патологических состояниях, таких как фиброз (например, в почках, печени, легких) и рак. В отличие от типов 1 и 2, этот процесс часто является неконтролируемым и может быть необратимым. В онкологии ЭМП связывают с приобретением клетками инвазивных свойств, устойчивостью к терапии и формированием метастазов.

Роль в развитии и физиологии

Эмбриогенез

ЭМП является критическим процессом на ранних стадиях развития многоклеточных организмов. У позвоночных он необходим для:

• Формирования первичной полоски — у млекопитающих эпителиальные клетки эпибласта переходят в мезенхимальное состояние и мигрируют внутрь зародыша, формируя мезодерму и энтодерму.
• Миграции клеток нейрального гребня — нейроэпителиальные клетки на границе нервной пластинки и эпидермиса переходят в мезенхимальное состояние, мигрируют по всему телу и дифференцируются в различные типы клеток (нейроны, глию, меланоциты, хрящевые клетки).
• Развития сердца — эпителиальные клетки эндокарда переходят в мезенхимальное состояние и формируют подушечки эндокарда, которые дают начало клапанам и перегородкам сердца.

Заживление ран

При повреждении эпителия (например, кожи или слизистой оболочки) клетки на краю раны подвергаются ЭМП, чтобы мигрировать и закрыть дефект. Этот процесс регулируется сигналами от поврежденной ткани, включая TGF-β, EGF и факторы роста. После закрытия раны клетки возвращаются к эпителиальному фенотипу через МЭП.

Роль в патологии

Фиброз

При хроническом воспалении или повреждении тканей (например, в почках, печени, легких) эпителиальные клетки могут подвергаться ЭМП, превращаясь в миофибробласты — клетки, продуцирующие избыточное количество внеклеточного матрикса (коллагена, фибронектина). Это приводит к фиброзу — замещению нормальной ткани рубцовой, что нарушает функцию органа. Например, при фиброзе почек (нефросклерозе) эпителиальные клетки канальцев могут переходить в мезенхимальное состояние и способствовать прогрессированию заболевания.

Рак и метастазирование

ЭМП играет центральную роль в прогрессии злокачественных опухолей, особенно в процессе метастазирования. Клетки эпителиальных раков (карцином) могут подвергаться ЭМП, что придает им способность:

• Инвазировать — проникать через базальную мембрану и окружающую соединительную ткань.
• Мигрировать — перемещаться в кровеносные или лимфатические сосуды.
• Выживать в кровотоке — мезенхимальные клетки более устойчивы к апоптозу (анокису) при отрыве от внеклеточного матрикса.
• Формировать метастазы — после выхода из сосудов в отдаленном органе клетки могут подвергаться обратному МЭП, восстанавливая эпителиальный фенотип и формируя вторичную опухоль.

ЭМП также связывают с приобретением раковыми клетками свойств стволовых клеток (Cancer Stem Cells, CSC), что способствует рецидивам и устойчивости к химиотерапии и лучевой терапии. Например, клетки с мезенхимальным фенотипом часто экспрессируют маркеры стволовости (CD44, CD133) и обладают повышенной устойчивостью к апоптозу.

Диагностика и маркеры

ЭМП диагностируется на основе анализа экспрессии специфических маркеров:

• Эпителиальные маркеры (снижаются при ЭМП): E-кадгерин, клаудин, окклюдин, цитокератины (например, CK19, CK18).
• Мезенхимальные маркеры (повышаются при ЭМП): виментин, N-кадгерин, фибронектин, α-гладкомышечный актин (α-SMA), S100A4.
• Транскрипционные факторы: Snail, Slug, ZEB1, ZEB2, Twist1, Twist2.

Для выявления ЭМП в тканях используются методы иммуногистохимии (ИГХ), иммунофлуоресценции, вестерн-блоттинга и ПЦР в реальном времени (RT-qPCR). В клинической практике оценка ЭМП-маркеров может использоваться для прогноза течения рака: например, потеря E-кадгерина и повышение виментина часто ассоциированы с плохим прогнозом при раке молочной железы, легких, толстой кишки и других локализаций.

Терапевтические подходы

Учитывая роль ЭМП в фиброзе и раке, разрабатываются стратегии его ингибирования:

• Ингибиторы TGF-β — например, галунисертиб (Galunisertib) и фрезолимумаб (Fresolimumab), которые блокируют рецепторы TGF-β или лиганд. Однако их применение ограничено из-за важной роли TGF-β в нормальной физиологии (иммунный ответ, гомеостаз).
• Ингибиторы транскрипционных факторов — прямые ингибиторы Snail, ZEB или Twist пока не одобрены для клинического применения, но ведутся доклинические исследования.
• МикроРНК — miR-200 и miR-205 подавляют экспрессию ZEB1/2, а miR-34a — Snail. Восстановление экспрессии этих микроРНК может обратить ЭМП.
• Ингибиторы сигнальных путей — например, ингибиторы Wnt (LGK-974) и Notch (γ-секретазные ингибиторы, такие как DAPT) также исследуются в контексте ЭМП.
• Эпигенетические модуляторы — ингибиторы гистондеацетилаз (HDAC) и ДНК-метилтрансфераз (DNMT) могут восстанавливать экспрессию E-кадгерина и других эпителиальных генов.

В клинической практике ингибиторы ЭМП пока не одобрены, но некоторые препараты, используемые для лечения рака (например, ингибиторы тирозинкиназ, такие как сорафениб), частично влияют на сигнальные пути, участвующие в ЭМП.

Интересные факты

• Концепция ЭМП была впервые предложена для эмбриогенеза, но позже была распространена на патологию. Однако до сих пор ведутся дискуссии о том, насколько полно ЭМП реализуется в раковых клетках in vivo, особенно в первичных опухолях, где клетки часто сохраняют некоторые эпителиальные черты.
• ЭМП является обратимым процессом: после миграции и достижения цели клетки могут вернуться к эпителиальному фенотипу через МЭП. Это используется, например, при формировании метастазов: клетки, прошедшие ЭМП, после выхода из сосудов в отдаленном органе могут подвергнуться МЭП, чтобы сформировать эпителиальную вторичную опухоль.
• У некоторых животных, например у морских ежей, ЭМП играет ключевую роль в формировании первичной мезенхимы, которая дает начало скелету.
• Исследования ЭМП активно ведутся в России, в частности в Институте цитологии РАН (Санкт-Петербург) и Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова, где изучаются молекулярные механизмы ЭМП при раке молочной железы и фиброзе почек.

Источники

• Hay E.D. (1995). An overview of epithelio-mesenchymal transformation. Acta Anatomica, 154(1):8-20.
• Thiery J.P., Acloque H., Huang R.Y., Nieto M.A. (2009). Epithelial-mesenchymal transitions in development and disease. Cell, 139(5):871-890.
• Kalluri R., Weinberg R.A. (2009). The basics of epithelial-mesenchymal transition. Journal of Clinical Investigation, 119(6):1420-1428.
• Nieto M.A., Huang R.Y., Jackson R.A., Thiery J.P. (2016). EMT: 2016. Cell, 166(1):21-45.
• Lamouille S., Xu J., Derynck R. (2014). Molecular mechanisms of epithelial-mesenchymal transition. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 15(3):178-196.
• Ye X., Weinberg R.A. (2015). Epithelial-mesenchymal plasticity: a central regulator of cancer progression. Trends in Cell Biology, 25(11):675-686.
• Dongre A., Weinberg R.A. (2019). New insights into the mechanisms of epithelial-mesenchymal transition and implications for cancer. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 20(2):69-84.
• Moustakas A., Heldin C.H. (2007). Signaling networks guiding epithelial-mesenchymal transitions during embryogenesis and cancer progression. Cancer Science, 98(10):1512-1520.
• Peinado H., Olmeda D., Cano A. (2007). Snail, Zeb and bHLH factors in tumour progression: an alliance against the epithelial phenotype? Nature Reviews Cancer, 7(6):415-428.
• Mani S.A., Guo W., Liao M.J., et al. (2008). The epithelial-mesenchymal transition generates cells with properties of stem cells. Cell, 133(4):704-715.