Транскриптомный анализ нейральных стволовых и прогениторных клеток в сравнении со стволовыми клетками глиобластомы

Введение. В настоящее  время отсутствует эффективная терапия глиобластомы. Отчасти это объясняется высокой степенью внутриопухолевой гетерогенности данной опухоли, источником которой, как полагают, являются стволовые клетки глиобластомы (СКГБ). Вопрос о происхождении СКГБ, имеющий большое значение для улучшения клинических результатов, пока остается открытым. Считается, что СКГБ могут образовываться в результате онкогенной трансформации нейральных стволовых и прогениторных клеток (НСПК), имеющих схожие с ними морфологические и функциональные свойства. Несмотря на заметный прогресс в выяснении природы СКГБ, пока мало известно о специфически экспрессируемых генах и транскриптах в этих клетках по сравнению с НСПК. В связи с этим актуально изучение молекулярных механизмов глиомагенеза с использованием модельных клеточных систем на основе различных клонов СКГБ (например, содержащих маркер CD133) в сравнении с НСПК.

Цель исследования – провести сравнительный транскриптомный анализ CD133⁺-НСПК и CD133⁺-СКГБ для определения молекулярно-генетических различий между фенотипами этих клеток и идентификации потенциальных мишеней для терапевтического воздействия на СКГБ.

Материалы и методы. Использовались  высокочувствительный  транскриптомный анализ на микрочипах высокой плотности, клеточные технологии и современный биоинформатический анализ.

Результаты. Транскриптомный анализ CD133⁺-СКГБ и CD133⁺-НСПК идентифицировал 1825 дифференциально экспрессированных генов. Установлены биологические процессы и сигнальные каскады, активированные в CD133⁺-СКГБ. показано, что значительные транскриптомные аберрации в CD133⁺-СКГБ по сравнению с CD133⁺-НСПК прежде всего обусловлены группой транскриптов, регулируемых сигнальными каскадами SHH (Sonic hedgehog), mTOR (mammalian target of rapamycin), ALK (anaplastic lymphoma kinase), факторами транскрипции E2F1, PRC2, HOXA9, MYC, а также онкогенами ERBB2 и KRAS. Идентифицированы и аннотированы 6 транскриптов (AQP9, TOX15, HOXB2, STEAP3, TREM1, RFC2), высокоэкспрессированных в CD133⁺-СКГБ и тесно связанных с выживаемостью больных глиобластомой, которые могут являться потенциальными мишенями для терапевтического воздействия на CD133⁺-СКГБ.

Заключение. Полученные данные указывают на ряд значительных молекулярно-генетических различий между двумя фенотипами клеток, что может использоваться  при разработке новых терапевтических подходов для лечения глиобластомы.

1. Huse J.T., Holland E.C. Targeting brain cancer: advances in the molecular pathology of malignant glioma and medulloblastoma. Nat Rev Cancer 2010;10(5):319–31. DOI: 10.1038/nrc2818

2. Chinnaiyan P., Won M., Wen P.Y. et al. A randomized phase II study of everolimus in combination with chemoradiation in newly diagnosed glioblastoma: results of NRG Oncology RTOG 0913. Neuro Oncol 2018;20(5):666–73. DOI: 10.1093/neuonc/nox209

3. Roos A., Ding Z., Loftus J.C. et al. Molecular and microenvironmental determinants of glioma stem-like cell survival and invasion. Front Oncol 2017;7:120. DOI: 10.3389/fonc.2017.00120

4. Chen J., McKay R.M., Parada L.F. Malignant glioma: lessons from genomics, mouse models and stem cells. Cell 2012;149(1):36–47. DOI: 10.1016/j.cell.2012.03.009

5. Corsaro A., Bajetto A., Thellung S. et al. Cellular prion protein controls stem cell-like properties of human glioblastoma tumor-initiating cells. Oncotarget 2016;7(25):38638–57. DOI: 10.18632/oncotarget.9575

6. Basak O., Taylor V. Stem cells of the adult mammalian brain and their niche. Cell Mol Life Sci 2009;66:1057–72. DOI: 10.1007/s00018-008-8544-x

7. Ryskalin L., Gaglione A., Limanaqi F. et al. The autophagy status of cancer stem cells in gliobastoma multiforme: from cancer promotion to therapeutic strategies. Int J Mol Sci 2019;20(15):3824. DOI: 10.3390/ijms20153824

8. Loras A., Gonzalez-Bonet L.G., Gutierrez-Arroyo J.L. et al. Neural stem cells as potential glioblastoma cells of origin. Life 2023;13(4):905. DOI: 10.3390/life13040905

9. Friedmann-Morvinski D. Glioblastoma heterogeneity and cancer cell plasticity. Crit Rev Oncog 2014;19(5):327–36. DOI: 10.1615/CritRevOncog.2014011777

10. Natsume A., Ito M., Katsushima K. et al. Chromatin regulator PRC2 is a key regulator of epigenetic plasticity in glioblastoma. Cancer Res 2013;73(14):4559–70. DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-13-0109

11. Broekman M.L., Maas S.L.N., Abels E.R. et al. Multidimensional communication in the microenvirons of glioblastoma. Nat Rev Neurol 2018;14(8):482–95. DOI: 10.1038/s41582-018-0025-8

12. McLendon R., Friedman A., Bigner D. Comprehensive genomic characterization defines human glioblastoma genes and core pathways. Nature 2008;455(7216):1061–8. DOI: 10.1038/nature07385

13. Bryukhovetskiy A., Shevchenko V., Kovalev S. et al. To the novel paradigm of proteome-based cell therapy of tumors: through comparative proteome mapping of tumor stem cells and tissuespecific stem cells of humans. Cell Transplant 2014;23(1): 151–70. DOI: 10.3727/096368914X684907

14. Savchenko E.A., Andreeva N.A., Dmitrieva T.B. et al. Culturing of specialized glial cells (Olfactory Ensheathing Cells) of human olfactory epithelium. Bull Exp Biol Med 2005;139(4):510–3. DOI: 10.1007/s10517-005-0332-0

15. Subramanian A., Tamayo P., Mootha V.K. et al. Gene set enrichment analysis: а knowledge-based approach for interpreting genome-wide expression profiles. Proc Natl Acad Sci 2005;102(43):15545–50. DOI: 10.1073/pnas.0506580102

16. Subramanian A., Kuehn H., Gould J. et al. GSEA-P: a desktop application for Gene Set Enrichment Analysis. Bioinformatics 2007;23(23):3251–3. DOI: 10.1093/bioinformatics/btm369

17. Wang X.X., Prager B.C., Wu Q.L. et al. Reciprocal signaling between glioblastoma stem cells and differentiated tumor cells promotes malignant progression. Cell Stem Cell 2018;22(4): 514–28. DOI: 10.1016/j.stem.2018.03.011

18. Копылов А.М., Антипова О.А., Павлова Г.В. Молекулярные маркеры нейроонкогенеза при глиобластоме головного мозга. Вопросы нейрохирургии имени Н.Н. Бурденко 2022;86(6): 99–105. DOI: 10.17116/neiro20228606199

19. Suva M.L., Rheinbay E., Gillespie S.M. et al. Reconstructing and reprogramming the tumor-propagating potential of glioblastoma stem-like cells. Cell 2014;157(3):580–94. DOI: 10.1016/j.cell.2014.02.030

20. Sancho-Martinez I., Nivet E., Xia Y. et al. Establishment of human iPSC-based models for the study and targeting of glioma initiating cells. Nat Commun 2016;7(1):10743. DOI: 10.1038/ncomms10743

21. Gravendeel L.A.M., Kouwenhoven M.C.M., Gevaert O. et al. Intrinsic gene expression profiles of gliomas are a better predictor of survival than histology. Cancer Res 2009;69:9065–72. DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-09-2307

22. Wang H., Lai Q., Wang D. et al. Hedgehog signaling regulates the development and treatment of glioblastoma. Oncol Lett 2022;24(3):294. DOI: 10.3892/ol.2022.13414

23. Liu X., Zhao J., Wu Q. et al. ANKRD22 promotes glioma proliferation, migration, invasion, and epithelial-mesenchymal transition by upregulating E2F1-mediated MELK expression. J Neuropathol Exp Neurol 2023;82(7):631–40. DOI: 10.1093/jnen/nlad034

24. Chen H., Gao S., Li J. et al. Wedelolactone disrupts the interaction of EZH2-EED complex and inhibits PRC2-dependent cancer. Oncotarget 2015;6(15):13049–59. DOI: 10.18632/oncotarget.3790

25. Tang L., Peng L., Tan C. et al. Role of HOXA9 in solid tumors: mechanistic insights and therapeutic potential. Cancer Cell Int 2022;22(1):349. DOI: 10.1186/s12935-022-02767-9

26. Gonçalves C.S., Xavier-Magalhães A., Martins E.P. et al. A novel molecular link between HOXA9 and WNT6 in glioblastoma identifies a subgroup of patients with particular poor prognosis. Mol Oncol 2020;14(6):1224–41. DOI: 10.1002/1878-0261.12633

27. Hurtado R., Ramirez A., Nabipur L. et al. The key role of the RPS14 gene in neoplasms and solid tumors. J Assoc Genet Technol 2023;49(3):121–6.

28. Hu S., Cai J., Fang H. et al. RPS14 promotes the development and progression of glioma via p53 signaling pathway. Exp Cell Res 2023;423(1):113451. DOI: 10.1016/j.yexcr.2022.113451

29. Han H.J., Tokino T., Nakamura Y. CSR, a scavenger receptor-like protein with a protective role against cellular damage caused by UV irradiation and oxidative stress. Hum Mol Genet 1998;7(6):1039–46. DOI: 10.1093/hmg/7.6.1039

30. Annibali D., Whitfield J.R., Favuzzi E. et al. Myc inhibition is effective against glioma and reveals a role for Myc in proficient mitosis. Nat Commun 2014;5(1):4632. DOI: 10.1038/ncomms5632

31. Fukasawa K., Kadota T., Horie T. et al. CDK8 maintains stemness and tumorigenicity of glioma stem cells by regulating the c-MYC pathway. Oncogene 2021;40(15):2803–15. DOI: 10.1038/s41388-021-01745-1

32. Ryskalin L., Lazzeri G., Flaiban M. et al. mTOR-dependent cell proliferation in the brain. Biomed Res Int 2017;2017:7082696. DOI: 10.1155/2017/7082696

33. Mei J., Wang T., Xu R. et al. Clinical and molecular immune characterization of ERBB2 in glioma. Int Immunopharmacol 2021;94:107499. DOI: 10.1016/j.intimp.2021.107499

34. Qin Z., Liang W., Zhang Z. et al. Activated KRAS reprograms neural progenitor cells to glioma stem cell-like phenotype. Int J Oncol 2023;63(1):88. DOI: 10.3892/ijo.2023.5536

35. Koyama-Nasu R., Haruta R., Nasu-Nishimura Y. et al. The pleiotrophin-ALK axis is required for tumorigenicity of glioblastoma stem cells. Oncogene 2014;33(17):2236–44. DOI: 10.1038/onc.2013.168

36. Fossdal G., Vik-Mo E.O., Sandberg C. et al. Aqp 9 and brain tumor stem cells. Sci World J 2012;2012:1–9. DOI: 10.1100/2012/915176

37. Wang S., Solenov E.I., Yang B. Aquaporin Inhibitors. Adv Exp Med Biol 2023;1398:317–30. DOI: 10.1007/978-981-19-7415-1_22

38. Yan D., Yu Y., Ni Q. et al. The overexpression and clinical significance of TBX15 in human gliomas. Sci Rep 2023;13(1): 9771–83. DOI: 10.1038/s41598-023-36410-y

39. Li M., Wang J-F., Liu B. et al. Homeobox B2 is a potential prognostic biomarker of glioblastoma. Rev Ass Med Bras 2020;66:794–9. DOI: 10.1590/1806-9282.66.6.794

40. Liu Z., Wen P., Wang S. et al. HOXB2 Is a prognostic biomarker and correlated with immune infiltration in colorectal cancer and glioma. 2023. Available at: https://assets.researchsquare.com/files/rs-2898626/v1_covered_17aba4e5-9b9f-43d0-bc4a-2ccf1552aef5.pdf?c=1684474189

41. Deng L., Zeng S., Yi Q. et al. High expression of six-transmembrane epithelial antigen of prostate 3 promotes the migration and invasion and predicts unfavorable prognosis in glioma. Peer J 2023;11:e15136. DOI: 10.7717/peerj.15136

42. Han M., Hu R., Wang S. et al. Six-transmembrane epithelial antigen of prostate 3 predicts poor prognosis and promotes glioblastoma growth and invasion. Neoplasia 2018;20 (6):543–54. DOI: 10.1016/j.neo.2018.04.002

43. Filippova N., Grimes J.M., Leavenworth J.W. et al. Targeting the TREM1-positive myeloid microenvironment in glioblastoma. Neurooncol Adv 2022;4(1):vdac149. DOI: 10.1093/noajnl/vdac149

44. Ma K., Guo Q., Zhang X. et al. High expression of triggering receptor expressed on myeloid cells 1 predicts poor prognosis in glioblastoma. Onco Targets Ther 2023;16:331–45. DOI: 10.2147/OTT.S407892

45. Siskind S., Brenner M., Wang P. TREM-1 modulation strategies for sepsis. Front Immunol 2022;13:907387. DOI: 10.3389/fimmu.2022.907387

46. Zhao X., Wang Y., Li J. et al. RFC2: a prognosis biomarker correlated with the immune signature in diffuse lower-grade gliomas. Sci Rep 2022;12 (1):3122–41. DOI: 10.1038/s41598-022-06197-5

47. Ho K.H., Kuo T.C., Lee Y.T. et al. Xanthohumol regulates miR-4749-5p-inhibited RFC2 signaling in enhancing temozolomide cytotoxicity to glioblastoma. Life Sci 2020:254:117807. DOI: 10.1016/j.lfs.2020.117807