keratiner i hälsa och cancer: mer än bara epitelcellsmarkörer

diagnostiska markörer i epiteltumörer

Med tanke på de karakteristiska celltyp-, differentierings – och funktionella statusberoende keratinuttrycksmönstren i epitelceller, tillgängligheten av specifika keratinantikroppar och det faktum att epiteltumörer i stor utsträckning upprätthåller egenskaperna hos specifikt keratinuttryck associerat med respektive celltyp av ursprung har keratiner länge och i stor utsträckning använts som immunhistokemiska markörer i diagnostisk tumörpatologi (Figur 3; Tabell 1) (Moll et al., 2008).

Keratinuttryck i human cancer. Keratiner uttrycks normalt på ett celltyp -, differentierings-och funktionellt statusberoende sätt, och epitelcancer upprätthåller till stor del egenskaperna hos keratinuttryck associerade med deras respektive celltyp av ursprung, så keratiner har länge erkänts som diagnostiska markörer i tumörpatologi. Exempel på keratiner som vanligtvis används vid diagnos av humana epitelmaligniteter presenteras här.

adenokarcinom, det vill säga epitelcancer som uppstår i körtelvävnader, utgör den största gruppen av humana epitelmaligniteter och kan uppstå i olika organ. Förmågan att differentiera adenokarcinom enligt deras ursprungsvävnad är avgörande för valet av de mest lämpliga behandlingsregimerna, och enkla epitelkeratiner är markörerna som huvudsakligen används för detta ändamål. De flesta adenokarcinom uttrycker de enkla epitelkeratinerna K8, K18 och K19, medan K7-och K20-uttrycket är variabelt. Keratintypning är av särskild diagnostisk betydelse vid kolorektala adenokarcinom, som på samma sätt som det normala gastrointestinala epitelet nästan alltid är K20-positiva, men K7-negativa (eller har lägre K7-uttryck jämfört med K20) (Moll et al., 2008). K20 och K7 co-expression har rapporterats som ett kännetecken för mer avancerade kolorektal cancer (Hernandez et al., 2005), medan reducerade K20-nivåer har upptäckts i samband med hög mikrosatellitinstabilitet (McGregor et al., 2004). Pankreas, gallvägar, esofageal och gastrisk adenokarcinom uttrycker enhetligt K7 och mer varierande, men upp till 65%, K20 (Chu et al., 2000), medan en K7+/K20− fenotyp är karakteristisk för äggstocks -, endometrial-och lungadenokarcinom (Moll et al., 2008). Endometriala adenokarcinom kan uttrycka stratifierade epitelkeratiner, såsom K5, som en indikation på skivepitelmetaplasi (Chu och Weiss, 2002a). Icke-skvamösa, maligna salivkörtelkarcinom är också K7 + / K20−, med undantag för salivkanalkarcinom, vilket kan vara positivt för båda keratinerna (Nikitakis et al., 2004). Dessutom är nästan alla sköldkörteltumörer (follikulära, papillära och medullära subtyper) och två tredjedelar av maligna mesoteliomfall K7+/K20 -. De senare tumörerna, i motsats till de flesta adenokarcinom, uttrycker konsekvent keratinocyttyp keratiner, särskilt K5, och Vimentin (Yaziji et al., 2006). Appendiceal-och lungkarcinoider, binjurskortikala, prostatiska och hepatocellulära karcinom är negativa för både K7 och K20 (Chu och Weiss, 2002b).

de flesta bröst adenokarcinom, inklusive både duktala och lobulära subtyper, uttrycker konstitutivt K7, K8, K18 och K19. K8 uppvisar emellertid ett övervägande perifert färgningsmönster i duktalt karcinom jämfört med ett ringliknande, perinukleärt mönster i lobulärt karcinom (Lehr et al., 2000). I dåligt differentierade adenokarcinom som motsvarar den basaliknande subtypen enligt definitionen av mikroarraybaserad uttrycksprofilering av brösttumörer (Sorlie et al., 2001), keratiner som är karakteristiska för basalcellerna i stratifierat epitel, såsom K5/6, K14 och K17, uttrycks också. På senare tid identifierades fosfo(Ser73)-K8 som en möjlig biomarkör för lägre beclin1-uttryck, och därmed defekt autofagistatus, i brösttumörer (Kongara et al., 2010).

Keratinuttryck är en särskilt användbar guide vid korrekt klassificering av njurcellskarcinom (RCC) (Liu et al., 2007), eftersom RCC: er med tydliga celler huvudsakligen uttrycker K8 och K18 med mindre K19-uttryck, uttrycker papillära tumörer starkt K19 och K7 utöver det grundläggande K8/K18-paret och kromophobe RCC: er uttrycker vanligtvis K7 och K8/K18, men lite K19. Godartade onkocytom kan histologiskt likna kromophobe RCC, men är K7-negativa (Liu et al., 2007). Övergångscellkarcinom bevarar i allmänhet det uroteliala keratinmönstret som visar kombinerat uttryck av K8 / K18, K7 och K19 tillsammans med K13 och K20 (Moll et al., 1992).

skivepitelcancer, oberoende av deras ursprungsställe, kännetecknas av uttrycket av de stratifierade epitelkeratinerna K5, K14 och K17 och de hyperproliferativa keratinocyttypkeratinerna K6 och K16 (Moll et al., 2008). K1 / K10 kan också uttryckas fokalt och K4 och K13 i mindre utsträckning. I dåligt differentierade skivepitelcancer observeras ofta samuttryck av de enkla epitelkeratinerna K8, K18 och K19.

användning av keratiner som diagnostiska markörer i tumörpatologi är överlägset deras vanligaste tillämpning inom cancerområdet. I fall som fortfarande är oklara på grundval av klinisk presentation och konventionell histopatologi, inklusive karcinom som är dåligt differentierade eller sprider sig över flera organ och metastaser av okänt primärt tumörställe, är keratintypning särskilt värdefullt för korrekt tumöridentifiering och efterföljande val av den mest lämpliga behandlingsplanen.

prognostiska markörer i epiteltumörer

utöver deras väletablerade roll som diagnostiska markörer i cancer har keratiner också erkänts som prognostiska Indikatorer i en mängd epitelmaligniteter (Tabell 2). Till exempel i kolorektal cancer har minskat uttryck av K8 och K20 associerats med epitel-till-mesenkymalcancercellövergång, vilket i allmänhet indikerar högre tumör aggressivitet och minskad patientöverlevnad (Knosel et al., 2006). Dessutom är ihållande eller högre uttryck av ett kaspas-klyvt K18-fragment vid Asp396 (producerat av apoptotiska epitelceller och detekterat av en epitopspecifik antikropp M30) i serum hos koloncancerpatienter efter primär tumörresektion en indikation på systemisk kvarvarande tumörbelastning och korrelerar signifikant med återfallsrisk inom 3 år (Ausch et al., 2009). Högre serumklyvda K18 / M30-nivåer före behandling är också prediktiva för kortare överlevnad hos lungcancerpatienter (Ulukaya et al., 2007). På senare tid, förhållandet mellan caspas klyvs (M30) till totalt K18 (M65), bekvämt bestämd i serum eller plasma med användning av kommersiellt tillgängliga enzymbundna immunosorbentanalyssatser, undersöks som en biomarkör för övervakning av terapieffektivitet hos karcinompatienter (Linder et al., 2010). På liknande sätt, hos patienter med intrahepatisk kolangiokarcinom, är en hög serum K19-fragment (CYFRA21-1) koncentration associerad med minskad återfallsfri och total överlevnad (Uenishi et al., 2008). Intratumoral K20-uttryck och K20-positivitet i benmärgen och/eller blodet korrelerar med sämre prognos vid adenokarcinom i bukspottkörteln (Soeth et al., 2005; Matros et al., 2006; Schmitz-Winnenthal et al., 2006). Vidare förutsäger kvantitativ omvänd transkription-polymeraskedjereaktion i realtid i magcancer för K20 i peritoneal sköljvätska peritoneal återfall hos patienter som genomgår resektion med botande avsikt (Katsuragi et al., 2007); K10 och K19 positivitet i hepatocellulära karcinom är signifikanta prediktorer för kortare total och sjukdomsfri överlevnad efter kirurgisk resektion (Yang et al., 2008); och frånvaro av skivepitelskillnad, vilket framgår av förlust av K5/6-uttryck, är förknippat med mer aggressiva endometriekarcinom och minskad överlevnad (Stefansson et al., 2006). I clear-cell RCC är tumörsamuttryck av K7 och K19 associerat med bristen på cytogenetiska förändringar, låg kärnkvalitet och bättre kliniskt resultat (Mertz et al., 2008), medan detektion av K8/18-positiva cirkulerande tumörceller korrelerar med positiv lymfkörtelstatus, närvaro av synkrona metastaser vid tidpunkten för primär tumörresektion och dålig total överlevnad i njurcellscancer (Bluemke et al., 2009). Detektion av disseminerade keratinpositiva tumörceller i benmärgen hos prostatacancerpatienter före operation är en oberoende riskfaktor för metastasering inom 48 månader (Weckermann et al., 2009). Vid hudcancer är keratinuttryck i malignt melanom av särskilt intresse, eftersom K18 mRNA överraskande identifieras i en tredjedel av melanomvävnadsprover och är en negativ prognostisk faktor (Chen et al., 2009).

i bröstcancer, den molekylärt definierade basaliknande subtypen som kännetecknas av östrogenreceptor (ER), progesteronreceptor och human epidermal tillväxtfaktorreceptor-2 negativitet, men epidermal tillväxtfaktorreceptor k5 / 6 positivitet, är associerad med yngre patientålder, hög tumörkvalitet och dålig prognos, inklusive kortare sjukdomsfri och total överlevnad (Cheang et al., 2008; Yamamoto et al., 2009). Uttryck av K17 i brösttumörer är också prognostiskt för dåligt kliniskt resultat och detta är oberoende av tumörstorlek och grad i nodnegativ sjukdom (van de Rijn et al., 2002). Detektion av K19 mRNA-positiva cirkulerande tumörceller före adjuvant kemoterapi förutsäger minskad sjukdomsfri och total överlevnad hos patienter med ER-negativ, trippelnegativ och human epidermal tillväxtfaktorreceptor2-positiva tidiga brösttumörer (Ignatiadis et al., 2007), medan närvaron av K19 mRNA-positiva cirkulerande tumörceller i blodet efter avslutad adjuvant kemoterapi hos kvinnor med tidig bröstcancer av någon subtyp indikerar närvaron av kemoterapiresistent kvarvarande sjukdom och är återigen associerad med högre risk för återfall av sjukdom och minskad patientöverlevnad (Xenidis et al., 2009). Genuttrycksprofilering har indikerat att K18 ofta nedregleras vid metastatisk bröstcancer (Hedenfalk et al., 2001; Zajchowski et al., 2001), ett resultat associerat med avancerat tumörstadium och grad, benmärgsmikrometastas och kortare cancerspecifik överlevnad och total överlevnad (Woelfle et al., 2003, 2004). Ubiquitin-immunoreaktiva nedbrytningsprodukter av K8 och K18 detekteras också i bröstkarcinom och kan bestämma tumör aggressivitet (Iwaya et al., 2003).

funktionell roll i tumörgenes

Med tanke på deras framväxande reglerande roll i normal cellfysiologi och deras ofta förändrade uttryck i cancer uppstår frågan om keratiner spelar någon funktionell roll i epitelial tumörgenes. Även om de flesta keratin KO och transgena möss inte har någon uppenbar tumörfenotyp, resulterar K8-brist (i FVB-bakgrunden) i kolorektal hyperplasi och inflammation (Baribault et al., 1994; Habtezion et al., 2005), och påverkar också (förkortar) latensen, men inte förekomsten eller de morfologiska egenskaperna hos polyom mitt t-inducerade Bröst adenokarcinom (Baribault et al., 1997); humant K8-överuttryck resulterar i tidiga neoplastiska förändringar i bukspottkörteln, inklusive förlust av acinar arkitektur, dysplasi och ökad cellproliferation (Casanova et al., 1999), och korrelerar med omfattningen av spontan bukspottskörtelskada (Toivola et al., 2008); och slutligen orsakar ektopiskt uttryck av K8 i huden epidermal hyperplasi hos unga möss, epidermal atypi och preneoplastiska förändringar i åldrande Möss och malign progression av godartade hudtumörer inducerade av kemiska hudkarcinogenesanalyser (Casanova et al., 2004).

flera studier har gett bevis som stöder en aktiv keratinroll i cancercellinvasion och metastasering. Transfektion av K8 och K18 i mus L-celler, som är fibroblaster och uttrycker vimentin, resulterar i keratinfilamentbildning och är associerad med deformerbarhet och högre migrerande och invasiva förmågor, vilket indikerar att keratiner kan påverka cellform och migration genom interaktioner med den extracellulära miljön (Chu et al., 1993). På liknande sätt ökar experimentellt samuttryck av vimentin och K8/K18 invasion och migration av humant melanom (Chu et al., 1996) och bröstcancer (Hendrix et al., 1997) celler in vitro.

inkubation av humana pankreascancerceller med sfingosylfosforylkolin, en bioaktiv lipid som finns i högdensitetslipoproteinpartiklar och finns vid ökade nivåer i blodet och maligna ascites från äggstockscancerpatienter, inducerar keratinreorganisation till en perinukleär, ringliknande struktur, som åtföljs av K8 och K18 fosforylering vid Ser431 respektive Ser52 (Beil et al., 2003). Denna förändring i keratinnätverksarkitekturen resulterar i ökad cellelasticitet och förbättrad cellmigration, vilket indikerar att sfingosylfosforylkolininducerad keratinremodellering direkt kan bidra till den metastatiska potentialen hos epitelcancerceller (Suresh et al., 2005). Celldeformerbarhet ökas också i samband med keratinnätverksförändringar på grund av sfingosylfosforylkolin, vilket sannolikt resulterar i större cancercellsförmåga att invadera den omgivande vävnaden och genomtränga genom stroma och därmed underlätta dess flykt från den primära tumören (Rolli et al., 2010). Vidare har det senaste arbetet medfört förändringar i keratinfosforylering som en bidragande faktor till kolorektal cancerprogression, eftersom K8 är ett fysiologiskt substrat av fosfatas av regenererande lever-3, vilket är känt för att främja invasivitet och den metastatiska potentialen hos kolorektala cancerceller, och högt fosfatas av regenererande lever-3-nivåer är associerade med reduktion eller förlust av fosforylerad K8 vid den invasiva fronten av humana kolorektala cancerprover och i levermetastaser (Mizuuchi et al., 2009).

flera studier har undersökt keratins roll i cancercellinvasion genom att undersöka K8-medierad plasminogenaktivering till serinproteasplasmin, som är involverad i extracellulär matrisremodellering och som sådan i tumörprogression och metastas. Plasminogen aktiveras på cellytan av urokinas-typ plasminogenaktivatorn bunden till urokinas-typ plasminogenaktivatorreceptorn och den C-terminala domänen för K8 som penetrerar det cellulära membranet (K8 ektoplasmatisk domän), som visas i hepatocellulära och bröstkarcinomceller (Hembrough et al., 1995). Även om det är osannolikt att keratin gör det till cellytan genom den vanliga sekretoriska vägen (Riopel et al., 1993) förhindrar en monoklonal antikropp mot K8-ektoplasmisk domän urokinas-typ plasminogenaktivatorbindning och hämmar plasmingenerering, vilket i sin tur resulterar i förändrad cellmorfologi, större celladhesion till fibronektin och minskad bröstcancercellinvasionspotential (Obermajer et al., 2009), vilket indikerar att K8 tillsammans med urokinas-typ plasminogenaktivator, plasminogen och fibronektin bildar en signalplattform som kan modulera celladhesion och invasivitet hos bröstcancerceller.

K18 kan spela en reglerande roll i hormonellt responsiv bröstcancer, eftersom den effektivt kan associera med och sekvestrera ERa-målgenen och ERa-koaktivator LRP16 i cytoplasman, vilket dämpar ERa-medierad signalering och östrogenstimulerad cellcykelprogression i brösttumörceller (Meng et al., 2009). Dessutom autofagidefekter, som främjar brösttumörgenes (Karantza-Wadsworth et al., 2007), resulterar i K8, K17 och K19 uppreglering i musmorstumörceller under metabolisk stress in vitro och i allograftmusmorstumörer in vivo (Kongara et al., 2010), potentiellt implicerande avreglering av keratinhomeostas i defekt autofagiassocierad bröstcancer, en hypotes som är värd ytterligare utredning. Defekt autofagi har också varit inblandad i onormal keratinackumulering i levern, eftersom Mallory–denk kroppsliknande inkluderingsbildning, som är ett vanligt fynd i hepatocellulära karcinom, påverkas direkt av farmakologisk autofagimodulering (Harada et al., 2008).

Keratin 17, som snabbt induceras i sårad stratifierad epitel, reglerar cellstorlek och tillväxt genom att binda till adapterproteinet 14-3-3 msk och stimulera mTOR-vägen, vilket reglerar proteinsyntesen (Kim et al., 2006). Ytterligare bevis för att keratiner kan fungera uppströms mTOR tillhandahålls av studier på möss med ablation av alla keratingener, där embryonal dödlighet från svår tillväxtnedgång är associerad med avvikande lokalisering av glukostransportörerna GLUT1 och GLUT3m vilket resulterar i adenosinmonofosfatkinasaktivering och undertryckande av mTORC1 nedströms mål S6-Kinas och 4E-BP1 (Vijayaraj et al., 2009). I ett uppenbart ömsesidigt förhållande reglerar AKT-isoformer mellanliggande filamentuttryck i epitelcancercellinjer, eftersom överuttryck av AKT1 ökar K8/K18-nivåerna och AKT2 uppreglerar K18 och Vimentin (Fortier et al., 2010). Således interagerar keratiner, som ofta uttrycks avvikande i epitelcancer, på flera sätt med AKT/mTOR-vägen, som i sig ofta är onormalt aktiverad i aggressiva tumörer, vilket ökar möjligheten att AKT: s roll i epiteltumörgenes är åtminstone delvis keratinmedierad och/eller beroende.

keratiner är också viktiga för chaperonmedierad intracellulär signalering, som i sin tur kan spela en roll i epitelial tumörgenes. Atypisk PKC är en evolutionärt bevarad nyckelregulator för cellulär asymmetri, som också har identifierats som en onkogen orsakande av icke-småcellig lungcancer och en predisponeringsfaktor för koloncancer, när överuttryckt (Fields and Regala, 2007). Det senaste arbetet visade att både filamentösa keratiner och värmechockprotein 70 krävs för räddningsrefosforylering av mogen atypisk PKC, vilket reglerar dess subcellulära fördelning och bibehåller dess steady-state-nivåer och aktivitet (Mashukova et al., 2009). Vidare, med tanke på ett överskott av lösligt värmechockprotein 70, förväntades keratinnätverket vara ett hastighetsbegränsande steg i den atypiska PKC-räddningsmekanismen, en hypotes bekräftad i två olika K8-överuttrycksdjurmodeller (Mashukova et al., 2009). I båda fallen uppvisade cellulära regioner med onormal och överdriven mellanliggande filamentackumulering också grovt fellokaliserad aktiv atypisk PKC-signal, vilket indikerar att chaperonassisterad onkogen kinasaktivitet, inklusive Akt1, kan också bero på keratiner och expandera på redan tillgänglig kunskap om keratins roll som chaperonställningar (van Den et al., 1999; Toivola et al., 2010).

Även om K8-mutationer har varit inblandade i utvecklingen av akut och kronisk (Ku et al., 2001) leversjukdom, de har inte varit direkt kopplade till hepatocellulär, bukspottkörtel (Treiber et al., 2006) eller något annat karcinom. Hittills är den enda keratin-och tumörtypen för vilken en specifik variant eller enkelnukleotidpolymorfism har associerats med cancer predisposition K5 i basalcellkarcinom (Stacey et al., 2009), som en genomomfattande enknukleotidpolymorfismföreningsskanning för vanliga basalcellkarcinomriskvarianter identifierade g138e-substitutionen i K5 som ger mottaglighet för basalcellkarcinom, men inte för skivepitelcancer, kutant melanom eller rättvisa pigmentegenskaper. Med tanke på det ökande antalet genomomfattande associeringsstudier för olika cancerformer är det möjligt att ytterligare keratinvarianter som påverkar specifik cancerrisk kan upptäckas inom en snar framtid.

roll i läkemedelsrespons

keratiner skyddar epitelceller från mekanisk stress, men ger också resistens mot andra cellulära stressorer som kan leda till celldöd, inklusive dödsreceptoraktivering och kemoterapeutiska läkemedel. Till exempel, K8-och K18-nollmöss, som saknar keratin mellanliggande filament i sina hepatocyter på grund av keratin instabilitet när partner keratin saknas, och hepatocyter odlade ex vivo från K8-nollmöss är mer känsliga för Fas-medierad apoptos än deras motsvarigheter av vildtyp (Gilbert et al., 2001). På liknande sätt predisponerar en K18 – mutation (Arg89Cys) som stör keratinfilamentnätverket hepatocyter till Fas-men inte tumörnekrosfaktormedierad apoptotisk skada (Ku et al., 2003b). Dessa fynd visar tydligt att K8 och K18 förmedlar resistens mot Fas-inducerad apoptos i levern; de kan emellertid också vara relevanta för cancerterapi, eftersom keratinnivåer påverkas av cancer mot cancer, såsom mitoxantron (MX) (Cress et al., 1988) och doxorubicin (Hammer et al., 2010) och proapoptotiska receptoragonister kan ha selektiv antitumöraktivitet, eftersom aktivering av den yttre apoptotiska celldödsvägen genom bindning av apoptosligand 2/tumörnekrosfaktorrelaterad apoptosinducerande ligand för att kognera dödsreceptorer resulterar i apoptos av olika cancercelltyper utan signifikant toxicitet mot normala celler (Ashkenazi, 2008; Gonzalvez och Ashkenazi, 2010).

Aberrant keratin expression has already been shown to confer a multidrug resistance phenotype, as mouse L fibroblasts are rendered resistant to MX, doxorubicin, methotrexate, melphalan and vincristine, but not to ionizing radiation, upon K8 and K18 transfection (Bauman et al., 1994). Similarly, NIH 3T3 fibroblasts with ectopic K8/K18 expression exhibit resistance to MX, doxorubicin, bleomycin, mitomycin C and melphalan, but not to cisplatin (Anderson et al., 1996). Dessutom uppvisar monocyt kemoattraktant protein-7 / MX, en MX-utvald human bröstcancercellinje med en fenotyp med multidrugresistens på grund av överuttryck av det bröstcancerresistenta proteinet, också förhöjda K8-nivåer, som synergiserar med bröstcancerresistent protein i ökande läkemedelsresistens, som sannolikt verkar via olika mekanismer, eftersom anti-K8 kort hårnål RNA reverserar MX-resistens utan att främja intracellulär läkemedelsackumulering som bröstcancerresistent proteinknockdown gör (Liu et al., 2008b). Multidrugsresistensen hos monocytkemoattraktantprotein-7 / MX-celler är åtminstone delvis på grund av deras ökade vidhäftning till den extracellulära matrisen, som i sin tur förmedlas av K8-uttryck på cellytan, vilket indikerar att förändringar i uttrycksnivån och cellulär lokalisering av K8 aktivt kan minska svaret på cancerbehandling (Liu et al., 2008a). Huruvida farmakologisk keratinmodulering kan användas som ett tillägg till kemoterapi för att förbättra terapeutiska resultat återstår att undersöka.