Ekzozomların Kanser Kemodirencindeki Rolü
Ali Aslan - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü, Biruni Üniversitesi
Kanserin nitelikleri arasında sayılan etmenlerden birisi hiç şüphesiz ilaç direncidir. Vücutta oluşan ve gelişen kanser hücreleri tedavi için geliştirilen küçük moleküllere, radyasyona ve hatta elektromanyetik alana(EMA) karşı direnç özellikleri geliştirebilmektedirler[1-3]. İlaç direncinde kanser hücresinin kökeni, köken aldığı doku, büyüme hızı gibi durumlar etkili olan faktörlerdir[4]. Ayrıca kanser hücreleri epigenetik mekanizmalar, ilaç geri sızıntısı(efflux), ilaç inaktivasyonu, DNA hasar tamir mekanizmaları, ilaç hedef değiştirimi, hücre ölümü baskılanması, epitelyal-mekenkimal geçiş(EMT) gibi temel etmenler üzerinden belirli stratejiler üreterek kullanılan terapötik ilaç etmen mekanizmasını ekarte edebilmektedir[5]. Bu temel etmenlerin yanında son yıllarda üzerinde çalışılan ve kanser ilaç direnç mekanizmalarında rol oynayan bir başka etmen de ekzozomların varlığıdır.
Şekil 1: Görselde tümör mikroçevresinde gelişen ilaç direnciyle ilgili bir çerçeve sunulmuştur. Tümör mikroçevresi vaskülatörler, immün hücreleri, bazal membran gibi yapılarla sarılmıştır. Bu yapılarda gerçekleşen değişimler ilaç direncine zemin hazırlamaktadır. Özellikle tümör mikroçevresinde görülen terapötik baskı, tümör büyümesi, tümör yükü, fiziksel bariyerler tümör hücresinin etken ilaca karşı elini güçlendirmesine katkıda bulunabilmektedir[6].
Ekzozomlar temelde bütün hücre tiplerinde üretilen, boyutları 30 ila 100 nanometre(nm) arasında değişen heterojen ekstrasellüler veziküler yapılardır[7]. Hücre içi ve hücre dışı iletişimin sağlanması yaralanma, iç denge ve diğer fonksiyonlar söz konusu oluğunda kritik önem taşımaktadır. Hücresel mekanizmalar hem hücre içinin hem de dışının bir arada koordineli olarak iletişim sağlaması üzerine özelleşmiştir. Hücre bunu gerek hücresel sıvılarla, sinyallemelerin yarattığı sirkülasyonla ve gerekse ekzozomlar yoluyla sağlamaktadır[8]. Ekzozomların genel işlevleri temel olarak kargo proteinleri, lipitleri, nükleik asitleri ve metabolitleri gerekli bölgelere taşımaktır[9,10]. Hücrelerden salınan ekzozomlar diğer hücreler tarafınan endositoz yoluyla hücre içine alınır ve geç endozomal veya endozomal multiveziküler cisim(EMC) membranlarının hücre plazma membranına kaynaştığında hücre dışı çevreye salınır[7].
Şekil 2: A) Ana hücreye gönderilen elementler endositoz yoluyla hücre içerisine alınır ve erken endozom halini alarak Taşıma İçin Gerekli Endozomal Sıralama Kompleksleri(TİGESK) bağımlı/bağımsız yolak yoluyla çoklu veziküler yapıya(ÇVY) dönüşür. Bu yapı geç endozom olarak da adlandırılır. ÇVY’ler ya lizozomla kaynaşarak yıkıma uğratılır ya da intalüminal vezikül olarak da bilinen ekzozomlara dönüştürülür ve hücre dışına salınır. ÇVY’lerin ekzozoma dönüşümünde Rab27 gibi belirli küçük GTPaz Rab alt ailesinden proteinler görev almaktadır. Hücresel aralığa salınan ekzozomlar hedef hücre tarafından reseptörler, kaynaşma veya endositoz tarafından teslim alınmaktadır. B) TİGESK bağımlı yolakta membran kargo proteinleri kümelenmeleye başlar. Özellikle kümelenen kargo proteinleri TİGESK-0, Clathrin gibi veziküllerin oluşumunda rol oynayan proteinler ile etkileşime girer. Devamında TİGESK-1 sitoplazmik sıralamada rol oynar. Son olarak TİGESK-3 kofaktör alan proteini olan ALIX ile birleşerek materyali hücre içerisine aktarır. TİGESK bağımsız yolakta syntenin proteini kargo proteinleri ile etkileşim kurarak TİGESK olmadan materyalin sitoplazmaya girişini sağlar[11].
Tümör mikroçevresi temel olarak tümör ve stromal kısımlardan oluşmaktadır. Stromal kısım kendi içerisinde doğası gereği heterojen bir yapıya sahiptir. Bu heterojen yapı içerisinde ekstrasellüler matriks(ECM) ve çeşitli hücre tipleri yer almaktadır. Bu hücre tipleri arasında içeriye sızmış(infiltre) immün hücreleri, fibroblast hücreleri ve vasküler hücreler vardır. Bu hücre birimleri tümör gelişimini pozitif yönde etkilemektedir. Tümör mikroçevresinin iki ana kısmını oluşturan tümör ve stromal kısımlar kendi aralarında ekstrasellüler veziküller aracılığı ile iletişim kurmaktadır[12].
Tümör gelişiminde etkili olan etmenlerden olan tümör kökenli ekzozomlar immün hücrelerini çeşitli yönlerden etkilemektedir. Özellikle tümör ilişkili makrofajları(TİM) yönlendirmekle birlikte bu hücrelerin farklılaşmasını da etkilemektedir. Sirkülasyondan gelen tümör ilişkili ekzozomlar makrofajların farklılaşmasını yönlendirerek onları anti inflamatuvar versiyonları olan M2 fenotipine dönüştürür[13].
Ekzozomlar kanser hücrelerinin dahil olduğu sinyal yolaklarına katılarak onların büyümesine, dönüşümüne ve hayatta kalma sinyallerine katkı sağlar. Çeşitli kanser tiplerinde farklı etkilere sahip olmaktadır. Örneğin yapılan araştırmalar sonucunda glioblastomada ekzozomların işlevsel EGFRvIII proteininin transferinden sorumlu olduğu görülmüştür[14]. Bunlara benzer şekilde başka bir araştırmada, meme kanseri hücre hattında bir miRNA işleme mekanizması olduğu ve bu mekanizmanın miRNA’ları tümerojenik olmayan memeli hücrelerine ilettiği görülmüştür[15]. Mide kanseri üzerine yapılan çalışmada, mide kanser hücrelerinden elde edilen ekzozomların Akt/PI3K ve MAP kinaz sinyal yolaklarına etki ederek hücrelerde proliferasyonu sağladığı anlaşılmıştır[16]. Buna benzer bir durum pankreas kanseri ekzozomlarında rapor edilmiştir. Pankreas kanseri ekzozomları Notch-1 sinyallemesini kullanarak kanser hücrelerinin hayatta kalımını arttırmıştır[17].
Ekzozomların kanser hücreleri üzerindeki diğer bir etkisi ise kemodirençte rol oynamalarıdır. Normal hücrelerde ekzozomlar gereksiz biyomolekülleri ortamdan uzaklaştırılmasından sorumlu iken kanser hücrelerinde bu durum hücrenin lehine göre şekillenmektedir. Örneğin ilaç dirençli kanser hücreleri kematerapötik ajanları ekzozomlar aracılığıyla paketleyip ortamdan uzaklaştırabilir. Bununla birlikte, kanser hücresine iletilen ekzozom kargo paketlerinde genellikle tümör hücresinin ilaç direncini güçlendirecek miRNA, mRNA ve proteinler bulunmaktadır[18].
Şekil 3: HER2 hedefli terapide ekzozom aracılı ilaç direncinin oluşumu. HER2+ meme kanserinde kullanılan Trastuzumab ilacı HER2 reseptörlerini hedef alır. Kullanılan monoklonal antikor, HER2 reseptörüne bağlanarak kanser hücresini etkisiz hale getirir. Ancak ekzozom aracılı süreçte HER2, endositik veziküller tarafından hücre içerisine alınır. Burada erken sıralama endozom evresinde ubikitinasyon ile etiketlenerek intralüminar vezikül(ILV) oluşumuna dahil olur. Bu aşamada TİGESK’ler ile etkileşime giren HER2 ya lizozoma gidip yıkıma uğrar ya da Rab27b gibi küçük GTPaz proteinleri yardımıyla çoklu vezikül yapılarına(ÇVY) dönüşür ve Rab27a etkisiyle periferal yerleştirme sağlanır ve ekzozom salınımı gerçekleşir. Bunun sonucunda Trastuzumab etkisi baskılanmış olur[19].
Ekzozomlar kanserde kemodirencin gelişmesinde diğer birçok mekanizmayı da etkilemektedir. Epitelyal-Mezenkimal Geçiş(EMG) olarak bilinen ve kanserin niteliklerinden sayılan bu süreç ekzozomlar tarafından sabote edilebilmektedir. Kanserde EMT genellikle anti apoptotik yolaklarla ve ilacın dışa tahliyesini sağlayan membran pompalarıyla ilişkilidir. Bunlar da ilaç direncinde rol oynamaktadır. Örneğin, MCF-7 ve MDA-MD-231 meme kanseri hücre hattı üzerinde yapılan bir çalışmada ekzozom aracılı miR-155’in EMT biyobelirteçlerini arttırarak kemodirence yol açtığı görülmüştür[20]. Yine EMT ile ilişkili başka bir çalışmada, ovaryan kanser hücrelerinde ekzozomların EMT biyobelirteçlerinin yukarı regülasyonunu sağlayarak platin direncine katkıda bulunduğu görülmüştür[21].
Ekzozomların etkilediği bir başka kanser niteliği anti-apoptotik yolaklardır. Hem intrensek hem ekstrensek apoptotik yolaklarda gerçekleşen kemodirenç, kanser hücrelerinin apoptoza dirençli olmasını ve hayatta kalımını arttırmaktadır. Her2+ meme kanserinde yapılan bir araştırmada LncRNA-SNHG14’ün ekzozom aracılı trastuzumab direncini indüklediği bunu da apoptotik regülatör Bcl-2/BAX sinyal yolağını hedefleyerek gerçekleştirdiği görülmüştür[22]. Diğer bir örnek ise Küçük hücreli olmayan akciğer kanserinde (KHOAK) rastlanmıştır. Bu kanser hücrelerinde artmış p-Akt seviyesinin sonucunda oluşan ekzozom aracılı miR-21’in KHOAK hücrelerine iletiminin hücrelerde gefinitib direncine neden olduğu görülmüştür[23].
Şekil 4: Şekilde immünositlerden, ilaç dirençli kanser hücresinden ve kanserle ilişkili fibroblastlardan(KİF) salınan ekzozomal miRNA’ların bir kanser hücresinde yarattığı etkiler görülmektedir. A) Kanser hücresi içerisindeki endozomlar belirli miRNA’ların etkisiyle hücreye iletilen ilacı ATP bağlayıcı kaset (ABC) taşıyıcı kanalları aracılığıyla dışarıya tahliye edebilmektedir. Bu süreç ilaç direncini oluşturan klasik süreçlerden birisidir. B) Yine benzer bir şekilde ilaç metabolizması ekzozom aracılı miR-365 tarafından bozulmaktadır. İlaç metabolit edilemediğinden aynı şekilde ilaç direnci gelişmektedir. C) Kanser hücresine GLUT kanalı aracılıyla giren glukoz hücre içerisinde laktoz yolağı tarafından laktata dönüştürülür. Bunun sonucunda oluşan laktat, hücre dışarısına asidifikasyona neden olarak mikroortamın pH’ını düşürür. Bu da tümör mikroçevresinin daha asidik hale gelmesini sağlar. D) Ekzozom aracılı miR-151a, DNA hasar tamir mekanizmasını manipüle ederek ilaç direncine neden olmaktadır. E) Ekzozom aracılı miR-21, miR-214 ve miR-196a apoptotik biyobelirteçler olan sitokrom-c(Cyt-c), Kaspaz-3’ün aşağı regülasyonunu sağlarken anti-apoptotik biyobelirteç olan Bcl’nin ekpresyonunu yukarı yönde arttırır. Dolayısıyla apoptotik etkiye sahip kemoterapötik bir ilacın kullanımı etkisiz kalacaktır[24].
Referanslar:
Li, S., Yi, M., Dong, B., Jiao, Y., Luo, S., & Wu, K. (2020). The roles of exosomes in cancer drug resistance and its therapeutic application. Clinical and translational medicine, 10(8), e257. https://doi.org/10.1002/ctm2.257
Ni, J., Bucci, J., Malouf, D., Knox, M., Graham, P., & Li, Y. (2019). Exosomes in Cancer Radioresistance. Frontiers in oncology, 9, 869. https://doi.org/10.3389/fonc.2019.00869
Heath, C. W. (1996). Electromagnetic field exposure and cancer: a review of epidemiologic evidence. CA: A Cancer Journal for Clinicians, 46(1), 29–44. doi:10.3322/canjclin.46.1.29
Phi, L. T. H., Sari, I. N., Yang, Y.-G., Lee, S.-H., Jun, N., Kim, K. S., … Kwon, H. Y. (2018). Cancer Stem Cells (CSCs) in Drug Resistance and their Therapeutic Implications in Cancer Treatment. Stem Cells International, 2018, 1–16. doi:10.1155/2018/5416923
Housman, G.; Byler, S.; Heerboth, S.; Lapinska, K.; Longacre, M.; Snyder, N.; Sarkar, S. Drug Resistance in Cancer: An Overview. Cancers 2014, 6, 1769-1792. https://doi.org/10.3390/cancers6031769
Vasan, N., Baselga, J. & Hyman, D.M. A view on drug resistance in cancer. Nature 575, 299–309 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1730-1
Milman, N., Ginini, L., & Gil, Z. (2019). Exosomes and their role in tumorigenesis and anticancer drug resistance. Drug Resistance Updates. doi:10.1016/j.drup.2019.07.003
Mashouri, L., Yousefi, H., Aref, A. R., Ahadi, A. mohammad, Molaei, F., & Alahari, S. K. (2019). Exosomes: composition, biogenesis, and mechanisms in cancer metastasis and drug resistance. Molecular Cancer, 18(1). doi:10.1186/s12943-019-0991-5
Berson, J.F., Harper, D.C., Tenza, D., Raposo, G., Marks, M.S., 2001. Pmel17 initiates premelanosome morphogenesis within multivesicular bodies. Mol. Biol. Cell 12 (11), 3451–3464. https://doi.org/10.1091/mbc.12.11.3451.
Kalluri, R., & LeBleu, V. S. (2020). The biology, function, and biomedical applications of exosomes. Science, 367(6478), eaau6977. doi:10.1126/science.aau6977
Cheng, J., Meng, J., Zhu, L., & Peng, Y. (2020). Exosomal noncoding RNAs in Glioma: biological functions and potential clinical applications. Molecular Cancer, 19(1). doi:10.1186/s12943-020-01189-3
Schiavoni, G., Gabriele, L., Mattei, F., 2013. The tumor microenvironment: a pitch for multiple players. Front. Oncol. 3, 90. https://doi.org/10.3389/fonc.2013.00090.
Chen, X., Ying, X., Wang, X., Wu, X., Zhu, Q., Wang, X., 2017. Exosomes derived from hypoxic epithelial ovarian cancer deliver microRNA-940 to induce macrophage M2 polarization. Oncol. Rep. 38 (1), 522–528. https://doi.org/10.3892/or.2017.5697.
Al-Nedawi K, Meehan B, Micallef J, Lhotak V, May L, Guha A, et al. Intercellular transfer of the oncogenic receptor EGFRvIII by microvesicles derived from tumour cells. Nat Cell Biol. 2008;10(5):619–24.
Melo SA, Sugimoto H, O’Connell JT, Kato N, Villanueva A, Vidal A, et al. Cancer exosomes perform cell-independent MicroRNA biogenesis and promote tumorigenesis. Cancer Cell. 2014;26(5):707–21.
Qu JL, Qu XJ, Zhao MF, Teng YE, Zhang Y, Hou KZ, et al. Gastric cancer exosomes promote tumour cell proliferation through PI3K/Akt and MAPK/ ERK activation. Dig Liver Dis. 2009;41(12):875–80.
Ristorcelli E, Beraud E, Mathieu S, Lombardo D, Verine A. Essential role of notch signaling in apoptosis of human pancreatic tumoral cells mediated by exosomal nanoparticles. Int J Cancer. 2009;125(5):1016–26.
Mathivanan S, Ji H, Simpson RJ. Exosomes: extracellular organelles important in intercellular communication. J Proteome. 2010;73(10):1907–20.
Dong, X., Bai, X., Ni, J. et al. Exosomes and breast cancer drug resistance. Cell Death Dis 11, 987 (2020). https://doi.org/10.1038/s41419-020-03189-z
Santos JC, et al. Exosome-mediated breast cancer chemoresistance via miR- 155 transfer. Sci Rep. 2018;8(1):829.
Crow J, et al. Exosomes as mediators of platinum resistance in ovarian cancer. Oncotarget. 2017;8(7):11917.
Dong H, et al. Exosome-mediated transfer of lncRNA-SNHG14 promotes trastuzumab chemoresistance in breast cancer. Int J Oncol. 2018;53(3):1013–26.
Jing C, et al. Exosome-mediated gefitinib resistance in lung cancer HCC827 cells via delivery of miR-21. Oncol Lett. 2018;15(6):9811–7.
Guo, Q., Wang, H., Yan, Y., Liu, Y., Su, C., Chen, H., … Zhang, J. (2020). The Role of Exosomal microRNA in Cancer Drug Resistance. Frontiers in Oncology, 10. doi:10.3389/fonc.2020.00472