Epitehlial mesenchymal transition and lung cancer

 

Abstract

암 치료 개선에도 불구하고, 폐암은 여전히 세계적으로 치사율이 가장 높다. 전이와 재발은 치료의 실패와 연관이 있으며 최근 연구에서는 EMT가 태아발생과 많은 종양의에서 항암 약품의 저항성과 전이를 포함한 발암과정에서 중요한 역할을 한다고 인지하고 있다. EMT는 또한 종양세포의 stemness 표현형의 획득도 표함한다. 다양한 암과 많은 signal pathways, 전사인자와 microRNA에서 EMT의 역할에 대한 자료들이 서포터 해주지만 폐암에서의 EMT의 역할은 아직 찾기 힘들다. 이 review에서는 EMT의 분자적 메커니즘을 포함한 최근 연구와 발암과정, CSC와 drug resistance, 특히 폐암과 EMT 관련성에 대해 초점을 맞추었다.

Introduction

항암제 개발과 수술 절차등의 치료 개선에도 불구하고 폐암은 전반적으로 5년 생존률이 약15%정도로 세계적으로 치사율이 가장 높다. 수술은 여전히 NSCLC 치료에서 best option으로 여겨진다. 허나 폐암은 보통 말기 때에 진단되어지며 25% 미만의 NSCLC 환자들이 수술치료 후보자자로 고려된다. 화학적 항암제도 중요한 치료 전략이지만 drug resistance 로 인해 모든 종양세포를 제거하는 것은 실패하였다. Combination therapy 이후 초반에 항암제에 민감했지만 어떤 환자들은 항암제에 대한 고유한 저항성을 가지고 있는 반면 다른 환자들은 결과적으로 저항성을 획득하였다. 정말, 전이와 치료적 저항성은 암 치료에서 실패의 원인이 된다.

EMT는 진화적으로 epithelial cells이 mesenchymal cells로 변화는 겪는 과정으로 Embryonic development의 연구를 통해 기원적으로 정의되었다. EMT는 태아 발생, gastrulation, 조직 심장 기관 형성에 필수적인 것으로 보여진다. 최근 연구에서 EMT는 조직 수선, 기관 섬유형성, 암 발생과 연관되어있다고 하며 특히 다양한 암 발생과정에서 전이와 치료 저항성과 연관이 되어있다고 한다. 더 중요한게, 유방암에 관련된 연구에서 EMT는 암세포 극소수의 소집단을 이루는 다양한 종류의 암세포에서의 self-renewal, regeneration, differentiation 특성을 갖는 cancer stem-like cell의 특성을 획득하는 것을 포함한다는 것이다. 이러한 CSC의 존재는 암 시작과 유지, 전이를 중요하게 생각하게 해준다.

EMT와 암발생의 연관성은 유방암, prostate cancer, 췌장암 등 다양한 암에서 밝혀졌다. 그러나 폐암에 관련된 연구는 부족하다. 이 review에서 EMT와 암의 최근 연구 결과와 EMT의 분자적 메커니즘 및 역할, 항암제 저항성 및 cancer stem-like cell 특히 폐암에 포커스를 맞췄다.

Molecular mechanisms of EMT

EMT의 주요 특징은 epithelial cell로 부터 침투와 migratory  운동성을 띄는 mesenchymal cell로 변화는 것이다. 이 과정은 epithelial cell이 cell-cell adhesion과 세포 극성을 잃으며 epithelial cell marker인 E-cadherin 발현은 감소하고 mesenchymal cell marker인 N-cadherin, Vimentin, fibronectin, alpha-smooth muscle actin(a-SMA), 침투 표현형과 연관이 있는 matrix metalloproteinases(MMPs) -2, -3, -9 발현은 증가한다. 따라서, 암 세포는 주변 기질을 침투와 침윤 능력을 획득하여 결과적으로 혈관이나 림프관을 통해 먼 지역으로 퍼진다. EMT는 조직적으로 많은 세포신호 전달 및 전사인자 등에 의해 조절된다.(fig 1)

 

Fig 1. Schematic of the signal transduciton pathways associated with EMT.

EMT and signaling pathways

EMT는 TGF-b나 FGF, HGF같은 receptor tyrosine kinases인 growth factors와 Wnt, Notch, hedgehog proteins을 포함하여 다양한 세포신호 인자에 의해 유도된다. 이 신호요소 중 TGF-b는 가장 넓리 EMT의 유도자로 연구되었다. TGF-b는  receptor에 붙어 Smad2와 Smad3의 활성을 이끌고, phosphorylation된 Smad2와 Smad3은 Smad4와 trimers를 형성한다. 이 Smad complex는 nucleus로 translocate 된다. TGF-b 타겟 유전자의 발현을 조절하기 위해 DNA bingding 전사 요소와 협력하고 연관된다. 그러나 Smad transcription factors는 DNA와 친밀성이 적으며 높은 친밀성과 타겟 유전자를 위한 선택성을 달성하기 위해 Snail과 ZEB factor같은 transcriptional cofacotrs와의 상호작용이 필요하다. 우세한 negative forms에 의한 유전자의 발현을 억제로써 TGF-b receptors, Smad3 and Smad4는 TGF-b에 의해 유도된 EMT를 위해 필수적이다. 추가적으로 TGF-b는 EMT를 유도하는 Wnt, Hedgehog, Notch, Ras-MAPK 같은 다른 신호와 협력한다.

Transcriptional regulation of EMT

epithelial marker 감소와 mesenchymal marker의 증가는 EMT의 전형적인 특징이다. E-cadherin은 adherens junctions의 주요 transmembrane 구성요소를 이루는  glycoprotein에 dependent 한 calcium으로 epithelial cell-cell adhesion과 cytoskeleton organization의 유지를 책임진다. E-cadherin 기능 감소는 증가된 증식, 침투와 전이에 의해 암 과정에 기여하는 것으로 생각되어 진다. Snail, ZEB, TWist, KLF9, FoxC2 같은 bHLH family facotrs 등의 많은 전사요소는 E-cadherin의 전사 억제자로 확인되었다. 이들은 core 5'-CACCTG-3' motif를 포함하는 E-box sequence에 부착하여 E-cadherin의 전사를 억제한다. Thiery JP et al. 은 두 그룹으로 이 전사 억제자를 분류하였다. Snail/ZEB1/E47/KLF8은 직접적으로 binding 하고 E-cadherin의 전사를 억제하고 Twist/Goosecoid/E2.2/FoxC2는 E-cadherin의 전사를 간접적으로 억제한다. 이 중 Snail1은 E-cadherin의 전사를 조절하는 첫번째 억제자로 확인되었다. TGF-b 같은 EMT 신호 반응으로 Snail factor는 smads와 HMGA2의 협력과 관련되어 유도된다. 추가적으로 TGF-b pathway는 Snail 발현을 유도하기 위한 Ras, Notch, Wnt signaling과 협동한다. 더 나아가 Snail은 Ras-MAPK 또는 PI3K-AKT pathway를 경유하여 EGF, HGF, FGF 같은 다른 growth factor에 의해 유도된다. Snail1과 Smads complex 같은 다른 전사인자는 E-cadherin promoter의 E-box consensus 시퀀스에 결합하고, 크로마틴 구조를 변경시키기 위해 transcriptional cofactor인 mSIN3A, HDAC1/2 recruit하며, 이는 E-cadherin의 전사적 억제를 이끈다. 추가적으로 Snail factors는 E-cadherin 발현 조절 뿐만아니라 epithelial과 mesenchymal의 표현형 변화하게 한다. 예로, Snail1은 tight junction의 주요 요소인 claudin3/4/7의 발현을 억제한다. Snail proteins은 fibronectin과 N-cadherin 같은 mesenchymal protins을 활성화 시킨다.
유사하게 ZEB factor는 TGF-b 나 다른 growth factor 반응에 upregulate되며 ZEB proteins은 smad3과 상호작용하여 epithelial marker genes들을 억제한다.
게다가 후생적 변화도 E-cadherin 조절을 포함하는데 예로 promoter region에서 hypermethylation은 E-cadherin expressiondml 감소를 가져올수 있으며 유방암에서 EMT 표현형과 관련이 있다.

miRNA and EMT
miRNA는 single strand로 18~24nt 의 non-coding RNA 분자로 특정 mRNA의 3'-UTR(3'-untranslated regions)과 결합하여 특정 유전자의 발현을 조절하며 일반적으로 유전자 silencing을 가져온다. 최근 연구에서 몇개의 miRNA가 발생과 암에서 EMT를 조절한다는 것을 확인하였다. miR-200 family members(miRNA-141,200a/b/c,429)는 EMT를 주로 EMT의 전사 활성자인 ZEB1/2를 타겟으로 하여 억제한다. 흥미롭게도 ZEB1/2는 miR-200 family members의 프로모터에서 E-box에 바인딩하여 miR-200 family members발현을 억제하는데 이는 서로 컨트롤하는 것으로 제안된다.

EMT and cancer progression
EMT는 몇 몇 암에 관련되어 있다. EMT를 포함한 유전자의 업레귤레이션은 유방암에서 저조하게 분화된 종양과 연관이 있다. E-cadherin에서 N-cadherin으로 변화는 전립선암에서 강하고 중요하게 연관이 있다. 그러나 EMT와 폐암에서의 발전 또는 전조와의 연관성에 대해서는 아직 논란이 있다. 몇 연구에서는 폐암에서 E-cadherin 발현 감소와 좋지 않은 예후를 발견하였다. HIF1a과 EMT 유도자인 twist와 snail의 co expression은 정반대 결과와 관련이 있다. 그러나 Pruklin은 비록 EMT와 관련된 마커들의의 높은 발현은 대부분 폐암 종에서 발견되었지만 적어도 E-cad의 감소나 N-cad 발현 중 하나는 NSCLS의 환자에서 좋지 못한 결과와 연관이 있다고 밝혔다. 흥미롭게도 NSCLS의 뇌 전이는 EMT의 표현형의 발현이 감소하였고 MET 특징을 보여주었다. 전이 장소는 primary tumor 보다는 보통 더 분화된 tumor에서 나타나다. 이 연구에서는 EMT와 관련된 생존 데이터가 없는 실정이고 분명하게 폐암의 발전과정에서의 EMT의 역할을 확인하기 위해 더 연구해야 한다.

EMT and drug resistance