Advances in Molecular OncologyAdvances in Molecular OncologyУспехи молекулярной онкологии2313-805X2413-3787Publishing House ABV Press61510.17650/2313-805X-2023-10-4-137-148EXPERIMENTAL REPORTЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ СТАТЬЯTranscriptomic analysis of neural stem and progenitor cells in comparison with glioblastoma stem cellsТранскриптомный анализ нейральных стволовых и прогениторных клеток в сравнении со стволовыми клетками глиобластомыhttps://orcid.org/0000-0002-0401-9900ShevchenkoV. E.ШевченкоВ. Е.
Russian Federation

Valery E. Shevchenko.

24 Kashirskoe Shosse, Moscow 115522

Шевченко Валерий Евгеньевич.

115522 Москва, Каширское шоссе, 24

vshev2015@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0154-8604ArnotskayaN. E. АрноцкаяН. Е.
Russian Federation

24 Kashirskoe Shosse, Moscow 115522

115522 Москва, Каширское шоссе, 24

https://orcid.org/0000-0001-9626-6847KushnirT.  I.КушнирТ. И.
Russian Federation

24 Kashirskoe Shosse, Moscow 115522

115522 Москва, Каширское шоссе, 24

https://orcid.org/0009-0002-1583-1774BryukhovetskiyA. S.БрюховецкийА. С.
Russian Federation

Bld. 1, 7 Marshala Tymoshenko St., Moscow 121359

121359 Москва, ул. Маршала Тимошенко, 7, стр. 1

N.N. Blokhin National Medical Research Center of Oncology, Ministry of Health of RussiaФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр онкологии им. Н.Н. Блохина» Минздрава РоссииClinical Hospital “NeuroVita”Клинический госпиталь «НейроВита»151220231041371482709202315122023Copyright ©; 2023, Shevchenko V.E., Arnotskaya N.E., Kushnir T.I., Bryukhovetskiy A.S.Copyright ©; 2023, Шевченко В.Е., Арноцкая Н.Е., Кушнир Т.И., Брюховецкий А.С.2023Shevchenko V.E., Arnotskaya N.E., Kushnir T.I., Bryukhovetskiy A.S.Шевченко В.Е., Арноцкая Н.Е., Кушнир Т.И., Брюховецкий А.С.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://umo.abvpress.ru/jour/article/view/615

Introduction. There is currently no effective therapy for the treatment of glioblastoma. This is partly explained by the high degree of intra- and intertumor heterogeneity of GB, the source of which is believed to be glioblastoma stem cells (GSC). The question of the origin of GSC, which is important for improving clinical outcomes, still remains open. It is believed that GSCs can be formed as a result of oncogenic transformation of neural stem and progenitor cells (NSPcs), which have morphological and functional properties similar to them. Despite significant progress in elucidating the nature of GSCs, little is yet known about the specifically expressed genes and transcripts in these cells in comparison with NSPcs. In this regard, it becomes relevant to study the molecular mechanisms of gliomagenesis using model cell systems based on various clones of GSC.

Aim. To conduct a comparative transcriptomic analysis of CD133+-NSPCs and CD133+-GSCs to study the molecular genetic differences between the phenotypes of these cells and identify potential targets for therapeutic effects on GSCs.

Materials and methods. Used: highly sensitive transcriptomic analysis on high-density microarrays, cellular technologies, modern bioinformatics analysis.

Results. Transcriptomic analysis of CD133+-GSCs and CD133+-NSPCs identified 1825 differentially expressed genes. The biological processes and signaling cascades activated in CD133+-GSCs have been established. It was shown that significant transcriptomic aberrations in CD133+-GSC compared to CD133+-NSPC are primarily due to a group of transcripts regulated by the Shh (Sonic hedgehog), mTOR (mammalian target of rapamycin), ALK (anaplastic lymphoma kinase) signaling cascades, transcription factors E2F1, PRC2, HOXA9, MYC, as well as oncogenes ERBB2 and KRAS. Six transcripts (AQP9, TOX15, HOXB2, STEAP3, TREM1, RFC2) highly expressed in CD133+-GSC and closely associated with the survival of patients with glioblastoma, which may be potential targets for therapeutic effects on CD133+-GSC associated with gliomagenesis, which may be potential targets for therapeutic effects on CD133+-GSC, have been identified and annotated.

Conclusion. The data obtained indicate a number of significant molecular genetic differences between the two cell phenotypes, which can be used in the development of new therapeutic approaches for the treatment of glioblastoma.

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.

glioblastomaglioblastoma stem cellsneural stem cellsprogenitor cellstranscriptomicsглиобластомастволовые клетки глиобластомынейральные стволовые клеткипрогениторные клеткитранскриптомикаIt is funded under the state budget theme (No. 2021-76).Финансируется в рамках госбюджетной темы (№ 2021-76).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/nrc2818Chinnaiyan 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/nox209Roos 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.2017.00120Chen 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.2012.03.009Corsaro 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.9575Basak 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-xRyskalin 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/ijms20153824Loras 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/life13040905Friedmann-Morvinski D. Glioblastoma heterogeneity and cancer cell plasticity. Crit Rev Oncog 2014;19(5):327–36. DOI: 10.1615/CritRevOncog.2014011777Natsume 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-13-0109Broekman 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/s41582-018-0025-8McLendon R., Friedman A., Bigner D. Comprehensive genomic characterization defines human glioblastoma genes and core path- ways. Nature 2008;455(7216):1061–8. DOI: 10.1038/nature07385McLendon R., Friedman A., Bigner D. Comprehensive genomic characterization defines human glioblastoma genes and core pathways. Nature 2008;455(7216):1061–8. DOI: 10.1038/nature07385Bryukhovetskiy 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: 10.3727/096368914X684907Savchenko 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/s10517-005-0332-0Subramanian 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.0506580102Subramanian 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/btm369Wang 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.2018.03.011Kopylov A.M., Antipova O.A., Pavlova G.V. Molecular markers of neuro-oncogenesis in patients with glioblastoma. Voprosy neirokhirurgii imeni N.N. Burdenko = Burdenko’s Journal of Neurosurgery 2022;86(6):99–105. (In Russ.). DOI: 10.17116/neiro20228606199Копылов 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/neiro20228606199Suva 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.2014.02.030Sancho-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/ncomms10743Gravendeel 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-09-2307Wang 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.2022.13414Liu 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/nlad034Chen 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.3790Tang 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/s12935-022-02767-9Gonçalves 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: 10.1002/1878-0261.12633Hurtado 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.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.2022.113451Han 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/7.6.1039Annibali 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/ncomms5632Fukasawa 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/s41388-021-01745-1Ryskalin L., Lazzeri G., Flaiban M. et al. mTOR-dependent cell proliferation in the brain. Biomed Res Int 2017;2017:7082696. DOI: 10.1155/2017/7082696Mei 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.2021.107499Qin 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.2023.5536Koyama-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.2013.168Fossdal G., Vik-Mo E.O., Sandberg C. et al. Aqp 9 and brain tumor stem cells. Sci World J 2012;2012:1–9. DOI: 10.1100/2012/915176Wang S., Solenov E.I., Yang B. Aquaporin Inhibitors. Adv Exp Med Biol 2023;1398:317–30. DOI: 10.1007/978-981-19-7415-1_22Yan 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-yLi 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: 10.1590/1806-9282.66.6.794Liu 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=1684474189Deng 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.15136Han 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.2018.04.002Filippova 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/vdac149Ma 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.S407892Siskind S., Brenner M., Wang P. TREM-1 modulation strategies for sepsis. Front Immunol 2022;13:907387. DOI: 10.3389/fimmu.2022.907387Zhao 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/s41598-022-06197-5Ho 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