This site uses cookies.
Some of these cookies are essential to the operation of the site,
while others help to improve your experience by providing insights into how the site is being used.
For more information, please see the ProZ.com privacy policy.
This person has a SecurePRO™ card. Because this person is not a ProZ.com Plus subscriber, to view his or her SecurePRO™ card you must be a ProZ.com Business member or Plus subscriber.
Affiliations
This person is not affiliated with any business or Blue Board record at ProZ.com.
Services
Translation, Editing/proofreading
Expertise
Specializes in:
Cosmetics, Beauty
Medical: Pharmaceuticals
Medical (general)
Biology (-tech,-chem,micro-)
Science (general)
Chemistry; Chem Sci/Eng
Genetics
Rates
Portfolio
Sample translations submitted: 1
English to Russian: Survivin: a unique target for tumor therapy
Source text - English Survivin: a unique target for tumor therapy
Abstract
Survivin is the smallest member of the Inhibitor of apoptosis (IAP) family of proteins, involved in inhibition of apoptosis and regulation of cell cycle. These functional attributes make Survivin a unique protein exhibiting divergent functions i.e. regulating cell proliferation and cell death. Expression pattern of Survivin is also distinctive; it is prominently expressed during embryonal development, absent in most normal, terminally differentiated tissues but upregulated in a variety of human cancers. Expression of Survivin in tumours correlates with not only inhibition of apoptosis and a decreased rate of cell death, but also resistance to chemotherapy and aggressiveness of tumours. Therefore, Survivin is an important target for cancer vaccines and therapeutics. Survivin has also been found to be prominently expressed on both human and embryonic stem cells and many somatic stem cell types indicating its yet unexplored role in stem cell generation and maintenance. Overall, Survivin emerges as a molecule with much wider role in cellular homeostasis. This review will discuss various aspects of Survivin biology and its role in regulation of apoptosis, cell division, chemo-resistance and tumour progression. Various molecular and immunotherapeutic approaches targeting Survivin will also be discussed.
Background Cancer is a heterogeneous group of diseases where abnormal cell growth with potential to invade other body parts takes control of normal homeostasis and becomes fatal if not timely and rightly treated. While standard treatments like surgery, chemotherapy or radiotherapy have significantly improved the disease outcome, occurrence of drug resistance and metastatic spread of the disease still remains a tough challenge. Substantial data suggests that immunotherapy could serve as a powerful weapon to prevent metastatic spread of cancer. Immunotherapy specifically targets tumor cells thereby avoiding collateral damage to non-tumor cells. Induction of anti-tumor response also has the potential to eradicate tumor at distant sites in the body which may not be possible by surgical resection. Induction or enhancement of anti-tumor immune response is a formidable challenge in cancer because tumor cells use multiple evasion strategies and avoid being detected or eliminated by immune cells. Resistance to apoptosis is one important evasion mechanism by which tumour cells escape detection by immune cells and promote their proliferation at the same time. Therefore, molecules involved in regulation of apoptosis can be potential targets for tumor therapy including immunotherapy. Inhibitor of apoptosis protein family (IAPs) is an important group of proteins involved in regulation of apoptosis. IAPs also have an important role in regulation of T cell responses in anti-tumor immunity. One member of this protein family, Survivin occupies a key position because of overexpression in cancer cells. It is speculated that Survivin overexpression in tumor cells promotes tumor progression by multiple pathways such as dysregulation of apoptosis and cell division, altered sensitivity to antitumor drugs or promoting survival of cancer stem cells. Survivin can serve as a universal tumor antigen because it is expressed in most human malignancies and has the potential to trigger immune effector responses. Therefore, blocking Survivin function byvarious immunotherapeutic or molecular approaches is emerging as a promising therapeutic strategy in cancer. This review will discuss various aspects of Survivin biology and multiple approaches to block Survivin in tumor cells.
IAP family and Survivin Inhibitors of apoptosis (IAP) family of proteins are found in almost all species from lower to higher vertebrates. Initially identified in baculoviruses as apoptotic suppressors, eight IAP homologs namely neuronal apoptosis inhibitory protein (NAIP), baculoviral IAP repeat-containing protein 2/human inhibitor of apoptosis protein-2 (c-IAP1/HIAP-2), baculoviral IAP repeat-containing protein3/human inhibitor of apoptosis protein-1 (c-IAP2/ HIAP-1), X-linked inhibitor of apoptosis (XIAP), IAPlike protein 2 (ILP2), melanoma inhibitor of apoptosis protein (MLIAP), Survivin, and BIR repeat-containing ubiquitin enzyme system (BRUCE) have been identified in humans till date [1–10]. IAPs are functionally and structurally similar and function in regulation of programmed cell death [11–13]. Since IAPs are an important protein family which regulate cell fate in response to stress signals or genomic instability, therefore any dysregulation in IAP function has an obvious association with cancer development, induction of oncogenesis or drug resistance [14]. Investigating the mechanism of action of IAPs in cancer has provided important leads for anticancer drug development. Structurally, all members of IAPs contain approximately 70 amino acid long Baculovirus IAP Repeats (BIR) domains at the N-terminus, which are essential but not sufficient for their anti-apoptotic activity [15]. Although the number of BIR domains varies among IAP members, each BIR domain is made up of cysteine and histidine residues in a well-defined pattern (Cx2Cx6Wx3Dx5Hx6C), which represents a novel zinc-binding fold. In addition to BIR domain, several viral, mammalian and insect IAPs require a ring finger domain (RING) near the C-terminus for suppression of apoptosis [9, 16]. However, C-terminal RING is not indispensable for suppression of apoptosis by human c-IAP1, c-IAP2 and XIAP [17, 18]. Human cIAP-1 and cIAP-2 also contain a Caspase Recruitment Domain (CARD), significance of which is not clearly understood during apoptosis suppression. IAPs also possess additional domains; ubiquitin-associated (UBA) domain (in c-IAP1, c-IAP2, XIAP and hILP2) and ubiquitin-conjugating (UBC) domain (in BRUCE/APOLLON), these domains assist in inducing ubiquitination and proteasome degradation of specific caspases and suppression of apoptosis [6, 19, 20]. Of all the IAPs known so far, Survivin is the smallest IAP protein with a single N-terminus BIR domain and C-terminus Coiled Coil (CC) domain. As compared to other IAPs, Survivin exhibits most restricted expression in adult tissues and has crucial role in regulating both cell division and apoptosis. It is highly expressed in most human cancers but not in normal, terminally differentiated adult tissues, thus making Survivin an exciting new tumour marker [5].
Molecular organization and structure of Survivin Survivin is encoded by BIRC5 gene and consists of 4 exons and 3 introns covering 14,796 nucleotides on chromosome 17q25 forming transcripts with varied functional domains. The BIRC5 gene encodes wild type Survivin (WT, four exons; 142 amino acid) and five known additional splice variants i.e.; ΔEx3 (Survivin with deletion of exon 3; 137 amino acid), 2B (Survivin with an additional exon; 165 amino acids), 3B (five exons; 120 amino acid), 2α (2 exons;74 amino acids), 3α (two exons;78 amino acids) [21–23]. All Survivin isoforms share complete sequence identity in the N-terminus region, including some or the entire BIR domain, but they differ in the carboxyl end [24]. Figure 1 illustrates the various splice variants of Survivin and the amino acid alterations present in each splice variant. Survivin isoforms also have different expression patterns and cellular localization as compared to wild type form, Survivin- ΔEx3 is found predominantly in the nucleus where as Survivin- 2B is found in the cytoplasm. Alternative splicing of Survivin has been shown to have correlation with disease activity in various patient studies. Survivin WT, 2B and ΔEx3 variants have been extensively investigated for clinical and prognostic association in cancer. Presence of ΔEx3 variant has been associated with unfavourable clinical outcome and prognosis [25]. Conflicting data exists for clinical and pathological correlation of variant 2B in cancer; certain studies demonstrate association of 2B variant with aggravated disease and poor survival [26] while some studies indicate that presence of 2B variant is associated with less severe disease [27]. Overall, there is a consensus that ΔEx3 is anti-apoptotic and 2B is pro-apoptotic and that these variants may perform contrasting functions in tumor progression and response to therapy [28]. Presence of Survivin isoforms has also been shown to influence angiogenesis. In a study by Doucette T et al., presence of Survivin splice variant 2 was associated with poorer survival and promoted malignant progression, angiogenesis, and shorter tumor-free survival in mouse model of glioma [29]. It still remains unclear whether alternative splicing of Survivin is an adaptation used by cancer cells to support their proliferation and avoid detection by immune surveillance Association of splice variants with distinct pathological and survival outcomes indicate possible role of these variants in disease progression. However, relativecontribution of different splice variants of Survivin with tumorigenesis, immune evasion and response to therapy is not completely understood and warrants further investigation.
Cellular localization of Survivin Survivin is predominantly present in the cytosol of tumour cells. However, a smaller nuclear fraction of Survivin localizing to kinetochores of metaphase chromosomes has also been reported in tumour and proliferating cells, indicating that these different subcellular pools of Survivin may have different functions [30, 31]. Cytosolic Survivin is believed to function as apoptotic suppressor while nuclear Survivin is postulated to regulate cell division. However, the pathological significance of nuclear Survivin as a favourable prognostic marker for tumour cells is still debatable. There is equivocal data from patient studies to indicate nuclear/cytosolic Survivin expression as an unfavourable or favourable prognostic marker in cancer [31]. Apart from cytosolic and nuclear pool, Survivin has also been detected in mitochondrion [32] and shown to be released into cytosol in response to cellular stress stimuli and suppress caspase activation [32]. Extracellular pool of Survivin has also been shown to exist as exosomes in form of 40–100 nm membrane vesicles secreted from tumour cells and taken up by surrounding cells [33]. In fact, many IAPs such as cIAP1, cIAP2 and XIAP including Survivin have been shown to exist as tumour exosomes in cancer cell lines [34]. Exosomes containing Survivin have been shown to re-enter cells and promote tumour growth. Khan et al. have demonstrated that extracellular pool of Survivin has the ability to cause neighbouring cancer cells to increase resistance to therapy, rapidly proliferate, and acquire an increased potential to become invasive in vitro [35, 36]. Increased levels of plasma derived exosomal Survivin from prostate cancer patients has been shown to correlate with disease severity [37]. Thus, both intracellular and extracellular release of Survivin in cancers may be responsible for aggravated disease.
Multiple roles of Survivin Survivin and cell proliferation Regulation of cell division is recognized as prominent function of Survivin. Normal cells show cell cycle dependent synthesis, expression and degradation of Survivin. Survivin forms an integral component of chromosomal passenger complex (CPC) which ensures proper segregation of chromosomes and cytokinesis during cell division [38]. Various checkpoints ensure nuclear division, attachment to mitotic spindle and cytokinesis. CPC is a hetero-tetrameric complex which localizes to different sites at different times during mitosis, this serves to regulate key events in cell division such as chromosome-microtubule attachment, proper spindle assembly and occurrence of cytokinesis. Aurora B kinase is the enzymatic component of CPC whereas as the other three components; inner centromere protein (INCENP), Survivin and Borealin (also known as Dasra) have regulatory and targeting functions. Alteration in any of the four components can lead to a defect in chromosomal segregation and/or cytokinesis and cause genomic instability [39–42]. Analysis of individual contributions of these proteins to formation of CPC suggests that the enzymatic component Aurora B kinase is directed to mitotic cell by the other three proteins of CPC i.e. INCENP, Survivin and Borealin/Dasra. INCENP acts as a scaffold protein and stabilizes the complex, Borealin acts to promote binding of Survivin to INCENP and Survivin acts as a determining factor in centromere localization of CPC [43, 44]. Although Survivin acts as a key protein in mediating CPC targeting, other protein components of CPC act to promote a stable structure. Furthermore, a distinct pool of subcellular Survivin is associated with polymerized tubulin and regulates microtubule formation during cell division.
Survivin as an inhibitor of apoptosis Overexpression of Survivin inhibits both intrinsic and extrinsic pathways of apoptosis [5, 45–48]. Depletion of Survivin in human cells induces defects in apoptosis and multiple defects in cell division [38, 49]. Although the mechanism of inhibition of apoptosis by Survivin is still unknown, both direct and indirect binding of Survivin to initiator or effector caspases is supposed to contribute to inhibition of apoptosis by Survivin [50]. Direct binding of Survivin to effector caspase-3 has been speculated, however, unlike other IAPs, Survivin does not possess the structural moiety responsible for docking of caspase-3 to the BIR domain [51]. Some studies suggest that Survivin binds directly to caspase-9 and inhibits its activity [52]. Another mechanism proposed for Survivin mediated inhibition of caspase- 9 is binding of hepatitis B X-interaction protein (HBXIP) to procaspase-9. It is also speculated that X-linked IAP (XIAP) which also contains BIR domain leads to an inhibition of caspase- 9 along with Survivin [53, 54]. In yet another mechanism, Survivin inhibits intrinsic (mitochondrial) pathway of apoptosis by binding to pro-apoptotic proteins called Secondary Mitochondria-derived Activator of Caspase (SMAC/ DIABLO). SMAC/DIABLO are released during intrinsic pathway from mitochondria and activate caspase-9 to induce apoptosis. Survivin binds to SMAC/DIABLO and prevents caspase activation [52]. Song et al. have demonstrated that Survivin physically associates with SMAC/ DIABLO and blocking this interaction induced apoptosis in taxol treated HeLa cells [55]. Taken together, there is substantial evidence to support the dual function of Survivin i.e. as a regulator of cell division and inhibitor of apoptosis (Fig. 2). Wheatley SP reported that the C-terminus of Survivin is required for cell division and the N- terminus is dispensable for apoptosis [56]. Though, thought as two separate functions, it may be possible that Survivin expression acts as a vital checkpoint for induction of programmed cell death in those cells undergoing aberrant cell division. More studies will be required to confirm whether Survivin exclusively acts as a regulator of cytokinesis or cell death in normal cells and whether either of these functions becomes predominant during tumor progression.
Role of Survivin in supporting angiogenesis, metastasis and chemo resistance of tumor cells One of the pathways responsible for Survivin mediated tumor progression is promotion of angiogenesis in cancer cells. Survivin upregulates VEGF expression and promotes endothelial cell (ECs) proliferation by mechanisms which are still not clear [57]. Existence of a positive feedback loop connecting Survivin expression in tumor cells to PI3K/Akt enhanced β-catenin-Tcf/Lef-dependent transcription inducing secretion of VEGF and angiogenesis has been suggested [57]. Knockdown of Survivin in glioma has been shown to inhibit angiogenesis [58]. Small interfering RNA (siRNA) mediated silencing of Survivin sensitized human breast cancer cells to apoptosis and inhibited tumour formation and angiogenesis in breast or cervical cancer xenograft model in vivo [59]. Survivin induced VEGF expression also contributes to chemo-resistance by stimulating organization of tubulin into distinct fibres [60]. Survivin is particularly upregulated on tumor vascular ECs as compared to normal tissues, thus conferring drug resistance on tumor vascular ECs [61]. Therefore, targeting Survivin in tumor will promote not only tumor cell death but also sensitize cells of tumor vascular network to chemotherapeutic drugs. Survivin may also cooperate with other IAP members to promote metastasis. Survivin overexpression enhanced migration of human melanocytes and melanoma cells on fibronectin whereas Survivin knockdown under sub-apoptotic conditions blocked their migration and invasion [62]. Inter-molecular interaction between XIAP and Survivin promoted tumor cell invasion in vitro and metastatic dissemination in vivo in murine model of breast cancer and rat insulinoma. This pathway operated independent of the role of IAPs in cell survival. Signal transduction through this pathway resulted in NF-κB activation, transcriptional upregulation of fibronectin, autocrine/paracrine signalling by β1 integrins, and constitutive phosphorylation, i.e. activation of cell motility kinases i.e.; FAK and Src. implicating direct involvement of IAPs in promoting metastasis. Most significantly, signal transduction via this pathway did not induce the traditional epithelial-mesenchymal transition (EMT) but rather induced an adhesion gene signature and many fold increase in expression of fibronectin gene in tumor cells [63]. Survivin has also been shown to enhance melanoma cell metastasis through integrin upregulation [64]. Survivin promoted breast cancer lymphatic metastasis through cooperation with vascular endothelial growth factor-C (VEGF-C) [65]. Many patient studies have also indicated that overexpression of Survivin correlates with increased tumour invasion and metastasis [66, 67], thereby implicating a wider role for Survivin beyond regulating apoptosis and cell division of cancer cells.
Survivin and cancer stem cells Existence of cancer stem cells has been proposed as a primary reason for genesis of cancer and disease relapse. It is hypothesized that tumours are maintained by a subset of tumour stem cells that possess the self-renewal capacity similar to stem cells. Role of Survivin has been shown in regulation of adult stem cell physiology such as in haematopoietic stem cells, neuronal stem cells or intestinal stem cells [68–70]. Survivin is also important for embryonic stem cell and totipotent stem cell function [71]. Since normal stem cells and cancer stem cells share common features, it is plausible to assume that like normal stem cells, Survivin expression on cancer stem cells may also be involved in regulating cancer stem cell behaviour. An investigation of co-expression of Survivin and stem cell specific proteins in oesophageal squamous cell carcinoma (ESCC) patients revealed that patients exhibiting high expression of both a stem cell specific protein Oct-4 and Survivin showed worst prognosis. Survivin expression correlated with Oct-4 expression in ESCC cells suggesting a regulation/interaction between Survivin and Oct-4 [72]. Molecular mechanisms underlying the interaction/regulation between Survivin and stem cell specific proteins are still not properly understood. Role of Survivin is also implicated in specifically regulating genes involved in leukemia cancer stem cell (LCSC) fate and not normal hematopoietic stem cell (HSC). This difference in Survivin signalling in LCSC vs HSC opens new avenues for specific therapeutic targeting and elimination of cancer stem cells [73].
Survivin as therapeutic target in cancer Survivin commands a central position among IAPs as being both a regulator of cell division and apoptosis. However, normal differentiated cells have very low or no expression of Survivin. Does low or no expression of Survivin on normal cells have any correlation with cellular functions or less cell division/apoptosis in normal cells? Survivin knock-out mice exhibit embryonic lethality [74], loss of self-renewing bone marrow progenitor cells and bone marrow ablation [75]. Conditional deletion of Survivin in thymus leads to a developmental block in thymocytes at double negative stage and presence of immature T cells in periphery [76]. Survivin also emerges as a key regulator of clonal expansion of Teff cells [77], proliferation of early B cell progenitors and activated mature B cells [78], erythroid [79] and megakaryocyte differentiation [80]. Survivin appears to be an intriguing protein regulating functions of various immune cells, hence therapeutic approaches aimed at targeting Survivin need to be carefully evaluated.
Therapeutic approaches targeting Survivin Due to important role of Survivin in tumor cell division, apoptosis, chemo resistance and cancer stem cell survival; therapeutic blockade of Survivin in tumor cells may possibly yield cumulative benefits. Various strategies have been envisaged to block the expression or function of Survivin in tumour cells (i) immunotherapeutic approaches to induce immune response against Survivin, (ii) small molecule inhibitors/antagonists to block function of Survivin, (iii) nucleic acid based approaches which interfere with Survivin gene expression or (iv) gene ablation of Survivin to regulate cell cycle and apoptosis.
Survivin based Immunotherapeutic approaches Manipulation of host immune system to produce an antitumour response is known as immunotherapy. This concept was first pioneered by William Coley (1891) who used extracts of S. pyogenes and heat-killed Bacillus prodigious (now reclassified as Serratia marcecsens) bacteria to treat sarcomas [81]. Coley’s experiments established that immune stimulatory components present in “Coley’s toxins” boosted anti-tumor immune response and induced disease remission in cancer. Coley’s experimental results were widely criticized and concept of immunotherapy was totally dismissed as an effective strategy to control cancer. Alternative treatment modalities in cancer like chemotherapy and radiotherapy which had been well developed by that time presented with drawbacks of inducing disease resurgence and toxicity. Simultaneously, with better understanding of principles of immunology, it was apparent that immune system had a crucial role in controlling certain types of cancer. As various principles of immunology were being unravelled, it became clear that immunotherapy is a better therapeutic option as compared to chemotherapy or radiotherapy because it is specific for tumor cells and is devoid of side effects. Immunotherapy eliminates tumor cells by initiating/ boosting anti-tumor immune response or reversing inhibitory immune signalling. Active immunotherapy involves development of a targeted anti-tumor immune response in the host using specific cancer antigens or ex vivo expansion of effector cells and infusion back into the patient. Passive immunotherapy covers transfer of preformed molecules such as therapeutic antibodies or antigen specific T cells which can eliminate or suppress tumor. A number of monoclonal antibodies against growth factor receptors or antigenic determinants on cancer cells have been successfully translated for therapeutic usage in various cancers. Recent success of antibodies targeting inhibitory immune checkpoints such as CTLA-4 and PD-1 has again shifted the focus on inhibitory molecules in immune cell signalling for a beneficial anti-tumor response [82]. Although, diverse approaches for therapeutic cancer vaccines have shown good immunogenicity in clinical trials yet clinical translation of antigen specific cancer vaccines has not been as successful as passive immunotherapy. The rationale for cancer vaccine is to target a specific tumor antigen as vaccine candidate, induce robust antigen presentation mostly through DCs and induction of cytotoxic T cell (CTL) response. Tumor antigens are processed into peptides, loaded onto MHC molecules and MHC-peptide complex is presented by antigen presenting cells (APCs) to T cells for activation. Induction of effector T cell response is sequential; antigen specific T cells are first primed in the secondary lymphoid organs through the interaction with APC. APCs particularly dendritic cells (DC) sample antigens from tumor cells and present antigens to CD4+ T cells via the MHC class-II pathway or to CD8+ T-cells via cross presentation or cross priming [83, 84]. This antigen recognition in association with MHC is insufficient to effectively activate T cells; APC provide additional co-signals that regulate the breadth of T cell activation. These multiple co-signals can be induced by stimulatory (CD80/ CD86:CD28) and inhibitory molecules also known as “Immune checkpoints” [85, 86]. Antigen specific T cells once primed by APCs will scan for cognate MHC-peptide on target tumor cells and execute lysis of target cells. Immunotherapy using specific cancer antigens serves to expand the population of antigen specific T cells so that immune escape of tumor is prevented (Fig. 3). The vaccine strategies employ either peptides or whole recombinant protein in adjuvant, recombinant viruses encoding the antigen of interest or other recombinant microorganisms, DNA vaccines, cytokine or co-stimulation enhanced vaccines, killed tumor cells, or DCs pulsed with protein-or peptide. Incorporating a strong adjuvant enhances tumor antigen presentation and activation ofimmune effector mechanisms leading to induction of a robust CTL response against tumor cells. An ideal cancer vaccine should use an antigen which is specific and overexpressed on tumor cells. Survivin has emerged as an ideal antigen for cancer immunotherapy because of tumour specific expression and critical role in regulating cell division and apoptosis of tumour cells. [87–89]. Human transcriptome analysis reveals that Survivin is the fourth most highly expressed transcript in human cancer cells when compared to normal cells [90]. Overexpression of Survivin has been associated with an unfavourable prognosis in colorectal and bladder cancers and neuroblastoma [91, 92], melanoma and nonmelanoma skin cancers [93, 94]. Survivin overexpression also induces an increased chemotherapeutic drug resistance as discussed earlier in the review. Survivin expression confers a survival advantage on tumour cells and can be a universal therapeutic and diagnostic target for all tumours. Survivin protein has been shown to induce CTL response in vitro when processed and presented by dendritic cells [95] and Survivin derived peptides prime CTLs in vivo in murine model of melanoma [96]. Generation of Survivin specific CTLs that can lyse HLA matched tumour target cells has been demonstrated in cancer patients [97]. Presence of spontaneous CTL response against MHC-I restricted peptide antigens derived from Survivin in patients suffering from melanoma, breast cancer and leukemia strongly indicates that CD8 T cell restricted epitopes from Survivin are of substantial immunotherapeutic value [98–100]. Induction of effective CTL response was also coupled with homing of Survivin specific CTLs to the site of tumour in situ in melanoma and breast cancer [101] representing a complete synchronization of both local and systemic immune response when using Survivin as a vaccine candidate. Vaccine approaches such as dendritic cell based (DC) vaccines, DNA vaccines [102], peptide vaccines or VLP based vaccine for Survivin have also been evaluated in preclinical or clinical studies. A DC vaccine trial conducted on non-small cell lung carcinoma (NSCLC) patients who received autologous DCs pulsed with apoptotic bodies of NSCLC showed immunological responses in 4/7 stage III unresectable, and 6/7 stage I/II surgically resected patients [103]. Another vaccine for HLA-A24 positive patients was developed by immunizing HLAA24 restricted Survivin peptide 2B80–88 which induced peptide specific CTL response in urothelial [104], oral [105], colorectal [106] and breast cancer [107] patients with no adverse effects. In another study, same peptide was combined with IFN alpha and immunised in urothelial cancer patients but had no better results as compared to peptide alone [108]. The peptide alone had low immunogenicity and the investigators concluded that combining the peptide with adjuvants such as heat shock proteins, cytokines etc. may boost immune response to the peptide [107]. A combination of HLA restricted Survivin peptides has also been tested in a phase II trial on metastatic melanoma patients who showed prolonged survival post treatment [109]. A multi-epitope vaccine approach using cocktail of five Survivin peptides: EMD640744 and Montanide(®) ISA 51 VG as an adjuvant resulted in anti-Survivin specific T cell responses in patients with solid cancers [110]. A liposome based Fig. 3 Immunotherapy in cancer. The self-defence of tumors overweighs the anti-tumor immunity leading to clinical manifestations of cancer. The various immunotherapeutic approaches are adopted to reverse this imbalance Garg et al. Cancer Cell Int (2016) 16:49 Page 8 of 14 formulation of Survivin known as DPX-Survivac has also shown to induce Survivin specific immune response in patients with ovarian cancer [111]. Although CTL responses are critical for elimination of tumour cells, role of CD4 T cells and antibodies is also important in modulating anti-tumour immune responses [112]. A number of studies have also shown the important role of CD4 T cells acting as crucial helper cells to boost CTL function and enhance anti-Survivin immune response [113, 114]. Presence of HLA-class II epitopes to stimulate T helper cell response has been demonstrated in Survivin peptides [115, 116]. Sharma et al. have demonstrated an indispensable role of CD4 T cells in sustaining primary and memory anti-tumour immune response in a vaccine formulation containing Survivin evaluated in a transplantable murine model [117]. Importantly, CD4 T cells were crucial in the priming phase of CTLs but not during the effector phase of CTL response. In another important study by Hoffmann et al. recombinant fowl pox virus encoding Survivin derived class I (H1vax1) and class II (H1vax2) derived peptides were designed and evaluated for preclinical efficacy in co-culture experiments using dendritic cells and T cells isolated from healthy donors. These vaccine constructs showed activation of both antigen specific CD4 and CD8 T cells and cytotoxic activity against Survivin-overexpressing mesothelioma cancer cells [118]. Table 1 summarizes the key conclusions obtained from various Survivin vaccines evaluated in preclinical studies or clinical trials. Preclinical studies with Survivin as vaccine candidate indicate induction of an effective anti-tumor response in animal models of solid or haematological malignancies and support the notion that Survivin is immunogenic in humans. However, the immunogenicity may be low enough to provide protection against tumor cells, therefore antigen delivery and role of adjuvants is important to enhance immunogenicity of this protein Furthermore, both CD4 and CD8 restricted epitopes from Survivin protein are important for induction of effective anti-tumour immune response. We have also evaluated full length recombinant Survivin protein as a vaccine candidate with Mycobacterium indicus pranii (MIP) as an adjuvant in 4T-1 mouse model of breast cancer. MIP has been shown to act as an excellent immune-modulator in animal models for psoriasis, lung cancer and exercises anti-tumor action against Sp2/0 (myeloma) and EL4 (thymoma) in mice models [119]. Subcutaneous administration of MIP-Survivin generated a tumour protective response and tumour regression in 4T-1 model of breast cancer in a dose dependent manner. MIP as an adjuvant was able to induce a good anti-Survivin antibody titre after immunization with recombinant murine Survivin protein. MIP also has been shown to induce DC activation and enhance antigen presentation [120]. Therefore, we propose that combining full length recombinant Survivin with MIP may generate epitopes which can activate both Survivin specific CD8 and CD4 T cells and induce an effective cell mediated immune response. In addition to mediating a direct cell mediated attack of tumour cells, immunization with recombinant Survivin in mice also elicited production of anti-Survivin antibodies. Pre-existing titre of anti Survivin antibodies in Balb/c mice immunized with recombinant Survivin may also have a role in mediating tumour regression in these mice when transplanted with syngeneic 4T-1 cells. Our data suggests that a combination of Survivin and MIP may potentiate anti-tumour immune response (Garg et al. Manuscript under preparation). There is limited data on therapeutic efficacy of antibodies against intracellular antigens; however a study from Guo et al. indicates that intracellular antigens can also be targeted by antibodies, thereby widening the scope of targeting both extracellular and intracellular tumour antigens by antibody immunotherapy [121–123]. While direct evidence for role of anti-Survivin antibodies in inducing therapeutic response is lacking, it is possible that induction of anti-Survivin antibodies after antigen immunization may block the overexpression of Survivin on cancer cells or inhibit Survivin expressed on exosomes. Antibodies against Survivin may also promote NK cell lysis of tumor cells. Spontaneous humoral response against Survivin has also been observed in sera of patients of lung, gastrointestinal and colorectal cancer [124]. Importantly, immune response against Survivin (T cell specific or antibodies) was absent in healthy individuals [97, 124] implying that immune response elicited after Survivin vaccination is tumour specific and devoid of autoimmune manifestations. Detailed studies will be required to investigate the effect of Survivin immunization on function of immune effector cells as Survivin has important regulatory role in T cell and B cell effector responses. Small molecule inhibitors of Survivin Several small molecule inhibitors targeting Survivin have also been evaluated in various in vitro and in vivo studies. Despite the challenges associated with small molecule drug development, these inhibitors are important for understanding Survivin biology and anti-cancer drug development [134, 135]. YM-155 is a novel small molecule which suppresses transactivation of Survivin through direct binding to its promoter [136]. It selectively suppresses expression of Survivin and induces apoptosis in p53-deficient cancer cells in vitro [136]. YM155 has also shown to be effective in in vivo models of prostate, pancreatic, and lung cancer [136–138]. Terameprocol (EM-1421), a plant derived small molecule isa novel transcription inhibitor which suppresses Survivin gene expression and induces apoptosis of cancer cells [139]. It is in Phase II safety studies as a vaginal ointment in HPV-linked cervical intraepithelial neoplasia [140]. GDP366 is a novel small molecule compound which potently and selectively inhibited the expression of both Survivin and Op18; an onco-protein [141]. Another small molecule Survivin inhibitor FL118 exhibited superior antitumor efficacy in human tumor xenograft models in comparison to standard anti-cancer drugs [142]. Antisense approaches to block Survivin have also been tested. LY2181308, a novel 2′-O-methoxymethyl modified antisense oligonucleotide (2-MOE-ASO), is a specific inhibitor of Survivin mRNA and being investigated for efficacy in clinical trials in various groups of cancer patients [143]. Ribozyme mediated approaches have also been evaluated for inhibition of Survivin expression.
Translation - Russian Сурвивин: уникальная мишень противоопухолевой терапии.
Краткий обзор. Сурвивин – представитель семейства белков-ингибиторов апоптоза (IAP), участвующий в ингибировании апоптоза и регуляции жизненного цикла клетки. Эти функции Сурвивина делают его уникальным белком, проявляющим полярные качества, а именно регуляция пролиферации и смерти клеток. Своеобразным является и характер экспрессии Сурвивина: во время эмбрионального развития он экспрессируется в значительном количестве; в здоровых дифференцированных тканях Сурвивин не обнаруживается; при раковых заболеваниях наблюдается его сверхэкспрессия. Экспрессия Сурвивина в раковых клетках ассоциирована не только с ингибированием апоптоза и уменьшением скорости гибели клеток, но и с развитием резистентности к химиотерапии и увеличением выживаемости раковых клеток. Таким образом, Сурвивин представляет собой важную терапевтическую мишень в борьбе с раком. Также было обнаружено, что Сурвивин экспрессируется в значительном количестве и в человеческих, и в эмбриональных стволовых клетках, а также в различных соматических стволовых клетках. Данный факт указывает на то, что роль Сурвивина в метаболизме стволовых клеток до конца не изучена. Но очевидно, что молекула Сурвивина имеет большой функциональный потенциал в регуляции клеточного гомеостаза. В данном обзоре обсуждаются различные биологические аспекты Сурвивина, а также его роль в регуляции апоптоза, делении клеток, резистентности к химиопрепаратам и развитии опухоли. Также рассматриваются разнообразные молекулярные и иммунотерапевтические методы борьбы с раком, таргетные к Сурвивину.
Введение. Рак представляет собой группу гетерогенных заболеваний, при которых аномальный рост клеток и их способность проникать в другие части организма перестают контролироваться гомеостазом и, при несвоевременном начале терапии или неподходящем способе лечения, способны привести к летальному исходу. Хотя стандартные способы лечения, такие как хирургическое вмешательство, химио- и лучевая терапия, значительно улучшают исход заболевания, появление устойчивости к препаратам и метастазирование все еще остаются серьезной проблемой. Достоверные данные говорят о том, что иммунотерапия может стать мощным оружием в борьбе с образованием метастазов. Иммунотерапия действует целенаправленно на опухолевые клетки, не подвергая негативному воздействию здоровые ткани. На опухоли, которые трудно удалить хирургическим путем, можно воздействовать посредством активации противоопухолевой иммунной системы. Индуцирование или усиление иммунного ответа на опухоль представляет сложную задачу в борьбе с раком, так как раковые клетки обладают способностью к эвазии и становятся недосягаемы для иммунных клеток. Резистентность к апоптозу – один из основных механизмов эвазии, благодаря которому опухолевая клетка не распознается иммунной системой, что позволяет ей неограниченно делиться. Таким образом, молекулы, участвующие в апоптозе, могут стать мишенью в противораковой терапии. Ингибиторы белков апоптоза (англ. inhibitors of apoptosis proteins, IAPs) – группа белков, регулирующих процесс апоптоза. Кроме того, IAPs играет важную роль в регуляции Т-клеточного иммунного ответа на опухоли. Один из этих белков – Сурвивин, имеет ключевое значение, так как в опухолевых клетках экспрессия именно этого белка значительно превышает нормальный уровень. Существует предположение, что сверхэкспрессия Сурвивина в раковых клетках стимулирует развитие опухоли несколькими путями, например, нарушением процессов апоптоза и пролиферации, изменением чувствительности к противораковым препаратам или увеличением выживаемости стволовых раковых клеток. Сурвивин может стать универсальным антигеном, так как он экспрессируется в большинстве злокачественных новообразований в организме человека и может вызывать иммунный ответ. Таким образом, блокировка функции Сурвивина иммунотерапевтическими или молекулярными методами является многообещающей стратегией лечения онкологии. В данном обзоре раскрываются различные биологические аспекты Сурвивина и разнообразные способы блокировки Сурвивина в раковых клетках.
Ингибиторы белков апоптоза и Сурвивин. IAP обнаружены почти у всех видов позвоночных от низших до высших. Впервые были обнаружены у бакусовирусов и идентифицированы как супрессоры апоптоза. В настоящее время известно восемь гомологов IAP, нейрональные ингибиторы белков апоптоза (NAIP), бакуловирусный ингибитор мотива апоптозных повторов 2/человеческий ингибитор апоптоза-2 (c-IAP1/HIAP-2), бакуловирусный ингибитор мотива апоптозных повторов 3/человеческий ингибитор апоптоза-1 (c-IAP2/HIAP-1), X-ассоциированный ингибитор апоптоза (XIAP), IAPподобный белок 2 (ILP2), меланомный ингибитор апоптоза (MLIAP), Сурвивин и коньюгированный с убиквитином белок, содержащий BIR-домен (BRUCE). Ингибиторы белков апоптоза (IAP) сходны по структуре и функциональности. Они участвуют в регуляции запрограммированной смерти клетки. Так как IAP представляют важный фактор функционирования клетки в ответ на стрессовую ситуацию или нестабильность генома, очевидно, что любое нарушение функции IAP связано с развитием онкологии, индукцией онкогенеза или развитием резистентности к противораковым препаратам. Исследование механизма действия IAP при раке – это еще один шаг в разработке новых методов лечения рака. Общая черта всех ингибиторов апоптоза — наличие бакуловирусного IAP повтора (англ. BIR) — состоящего примерно из 70-аминокислотных остатков на N-концевом участке. Этот фрагмент присутствует во всех IAP, но не обусловливает наличие антиапоптозной активности. Хотя количество BIR-доменов варьирует среди представителей IAP, все домены BIR состоят из остатков цистеина и гистидина с точно установленной последовательностью (Cx2Cx6Wx3Dx5Hx6C), представляющие собой складчатую область, с которой связывается цинк. Помимо BIR-домена, в структуре IAP некоторых вирусов, млекопитающих и насекомых есть кольцевой домен (RING), расположенный рядом с С-концевым участком, который обусловливает наличие антиапоптозной активности. Однако, для человеческих cIAP-1 и cIAP-2 присутствие этого фрагмента не обязательно для подавления апоптоза. Они также содержат домен активации каспазы (CARD), но его роль в регуляции апоптоза пока не ясна. Помимо этого IAPs содержат дополнительные домены, такие как убиквитин-связывающий домен (UBA) и убиквитин-конъюгирующий домен (UBC), которые индуцируют убиквитинирование и разрушение протеосом специфических каспаз, подавляя апоптоз. Из всех известных белков-ингибиторов апоптоза Сурвивин самый маленький, он содержит один BIR-домен на N-конце и суперспиральный домен (CC) на С-конце. По сравнению с остальными IAPs Сурвивин экспрессируется в очень ограниченном количестве в зрелых тканях и играет ключевую роль в регуляции и клеточного деления, и апоптоза. Избыточная экспрессия Сурвивина наблюдается только в раковых клетках, что делает его перспективным онкомаркером.
Молекулярная и структурная организация Сурвивина. Сурвивин закодирован геном BIRC5 и состоит из 4 экзонов и 3 интронов, которые содержат в общей сложности 14796 нуклеотидов на хромосоме 17q25, образуя транскрипты с различно функционализированными доменами. Ген BIRC5 кодирует немутантный тип Сурвивина(WT, 4 экзона; 142 аминокислот) и пять дополнительных вариантов сплайсинга: ΔEx3 (Сурвивин с удалённым экзоном 3; 137 аминокислот), 2B (Сурвивин со вставкой экзона; 165 аминокислот), 3B (5 экзонов; 120 аминокислот), 2α (2 экзона; 74 аминокислот), 3α (2 экзона; 78 аминокислот). У всех изоформ Сурвивина одинаковая последовательность аминокислот в N-концевой области, включая некоторые или все BIR-домены, но карбоксильный конец у всех разный. На графике 1изображены различные варианты сплайсинга Сурвивина и изменения последовательности аминокислот на каждый вариант. В сравнении с диким типом изоформы Сурвивина характеризуются различным профилем экспрессии гена и локализацией в клетке. Сурвивин- ΔEx3 обнаруживается преимущественно в ядре, в то время как Сурвивин-2B находится в цитоплазме. В различных исследованиях с участием пациентов было доказано, что альтернативный сплайсинг Сурвивина ассоциирован с показателем активности заболевания. Была изучена взаимосвязь между вариантами сплайсинга Сурвивина (WT, 2B и ΔEx3) и клиническими проявлениями рака и прогностическими данными. Неблагоприятный исход болезни и ее прогноз ассоциированы с вариантом ΔEx3. При изучении влияния варианта 2B на характер развития и проявления рака были получены противоречивые данные: одни исследования продемонстрировали корреляцию между вариантом 2B и тяжелым течением болезни и небольшой выживаемостью, в то время как в других исследованиях у пациентов с 2B вариантом наблюдается более легкое течение болезни. В итоге пришли к выводу, что вариант ΔEx3 обусловливает антиапоптозной активностью, а 2B – проапоптозной, и то, что эти варианты сплайсинга могут проявлять противоположные функции в развитии опухоли и ответе организма на лечение[28]. Изоформы Сурвивина также влияют на ангиогенез. В исследовании Дусетта и др. было обнаружено, что при варианте сплайсинга 2 наблюдается уменьшение выживаемости, прогрессирование развития злокачественных новообразований, ангиогенез и уменьшение безопухолевой выживаемости у мышей, используемых в качестве модельных организмов при изучении глиомы[29]. До сих пор остается неясным является ли альтернативный сплайсинг Сурвивина адаптацией опухолевых клеток, благодаря которой они поддерживают пролиферативную способность и остаются невидимыми для клеток иммунной системы. Взаимосвязь между вариантами сплайсинга и определенными характеристиками заболевания, такими как ее течение и исход, указывает на возможное участие этих вариантов в развитии рака. Однако, относительный вклад различных вариантов сплайсинга Сурвивина в онкогенез, иммунную эвазию и ответ организма на лечение не до конца изучен и требует дальнейшего исследования.
Локализация Сурвивина в клетке. Преимущественно Сурвивин локализуется в цитозоле раковых клеток. Однако была обнаружена небольшая ядерная фракция Сурвивина в кинетохорах метафазных хромосом у раковых и делящихся клеток, что указывает на то, что эти внутриклеточные депо Сурвивина могут выполнять разные функции[30, 31]. Считается, что цитозольный Сурвивин действует как супрессор апоптоза, а ядерный регулирует процесс деления клетки. Однако вопрос использования ядерного Сурвивина в качестве прогностического маркера рака все еще остается спорным. В исследовании с участием пациентов, в котором изучалось возможность использования цитозольного и ядерного Сурвивина в качестве прогностического маркера рака, были получены неоднозначные данные[31]. Помимо цитользольного и ядерного пула, Сурвивин обнаружен в митохондриях [32], и, судя по всему, он высвобождается в цитозоль в ответ на стрессовую ситуацию и подавляет активацию каспаз [32]. Также было установлено, что существует внеклеточный пул Сурвивина в виде экзосом в форме мембранных везикул размером 40–100 нм. Они выделяются раковыми клетками и поглощаются окружающими клетками [33]. К тому же выяснилось, что многие IAPs, такие как cIAP1, cIAP2, XIAP и Сурвивин, могут существовать в виде экзосом в некоторых линиях раковых клеток [34]. Сурвивинсодержащие экзосомы могут повторно входить в клетку и усиливать рост опухоли. Хан и группа исследователей проденстрировали, что внеклеточный пул Сурвивина может вызвать увеличение резистентности к лечению у соседних раковых клеток, а также ускорить пролиферацию и увеличить инвазивную способность этих клеток in vitro [35, 36]. В исследовании с участием пациентов с раком простаты было установлено, что существует связь между тяжестью заболевания и увеличением концентрации экзосомального Сурвивина в плазме [37]. Таким образом, и внутри- и внеклеточное высвобождение Сурвивина может обусловливать тяжелое течение болезни.
Функции Сурвивина
Сурвивин и пролиферация клеток. Важнейшей функцией Сурвивина считается регуляция процесса деления клеток. В нормальных клетках процессы синтеза, экспрессии и разрушения Сурвивина зависят от клеточного цикла. Сурвивин является неотъемлемой частью комплекса хромосомных пассажиров (CPC), регулирующих процессы сегрегации хромосом и цитотомии [38]. Различные контрольные точки обеспечивают нормальное протекание процесса деления ядра, прикрепления веретена деления и цитотомии. CPC – это гетеротетрамерный комплекс, локализация которого зависит от фазы митоза. Он регулирует ключевые моменты клеточного деления, такие как закрепление микротрубочек, сборка веретена деления и цитотомия. Киназа Aurora B – фермент комплекса цитохромных пассажиров, при этом, как и другие три компонента – внутренний центромерный белок INCENP, Сурвивин и бореалин (Dasra), выполняет регуляторную функцию, а также обеспечивает специфический таргетинг. Изменение функционирования любого из четырех компонентов может привести к нарушению сегрегации хромосом и/или цитотомии, что может вылиться в нестабильность генома[39–42]. Изучение роли этих белков в образовании CPC дает основание предположить, что киназа Aurora B влияет на митотическую клетку посредством остальных трех белков CPC. INCENP работает как каркасный белок, стабилизируя комплекс. Бореалин инициирует связывание Сурвивина с INCENP, а Сурвивин является определяющим фактором в перемещении CPC к центромерам [43, 44]. Хотя именно Сурвивин выступает как посредник в связывании CPC с мишенью, остальные компоненты CPC обеспечивают стабильность структуры. Более того отдельный пул Сурвивина внутри клетки обеспечивает полимеризацию тубулина и регулирует образование микротрубочек во время клеточного деления.
Сурвивин – ингибитор апоптоза. Сверхэкспрессия Сурвивина блокирует оба пути апоптоза – и внутренний, и внешний[5, 45–48]. Устощение запаса Сурвивина в клетках человека вызывает нарушения в процессе апоптоза, а также различные нарушения в клеточном делении[38, 49]. Хотя механизм антиапоптозного действия Сурвивина все еще неизвестен, считается, что он опосредован прямым и непрямым связыванием Сурвивина с активатором или эффектором каспаз[50]. Предполагается, что Сурвивин связывается с эффектором каспазы-3 напрямую, однако, в отличие от других IAPs в структуре Сурвивина нет фрагмента, который бы обеспечил связывание каспазы-3 через BIR-домен[51]. Некоторые исследования дают основание предположить, что Сурвивин связывается напрямую с капазой-9 и ингибирует ее активность[52]. Другой механизм сурвивин-опосредованного ингибирования каспазы-9 заключается в связывании x-взаимодействующего белка вируса гепатита В (HBXIP) с прокаспазой-9. Также выяснилось, что белок-ингибитор апоптоза, ассоциированный с Х-хромосомой, который также содержит BIR-домен, наряду с Сурвивином ингибирует каспазу-9[53, 54]. Существует еще один механизм, в котором Сурвивин ингибирует внутренний (митохондриальный) путь апоптоза путем связывания с проапоптозным белком - вторичным митохондриальным активатором каспазы (SMAC/ DIABLO). SMAC/DIABLO высвобождается из митохондрий в процессе реализации внутреннего пути, и, активируя каспазу-9, вызывает апоптоз. Сурвивин связывается с SMAC/DIABLO и препятствует активации каспазы [52]. Сонг и группа исследователей продемонстрировали, что Сурвивин непосредственно связывается с SMAC/DIABLO и блокирует апоптоз у линии клеток HeLa, обработанных таксолом[55]. В целом, становится очевидным тот факт, что Сурвивин бифункционален, то есть он регулирует деление клетки и ингибирует апоптоз (график 2). Исследование Уитли показало, что C-концевая область Сурвивина отвечает за регуляцию клеточного деления, а N-конец не задействован в апоптозе[56]. Хотя, если принять во внимание обе функции Сурвивина, может оказаться, что его экспрессия является контрольной точкой для инициирования запрограммированной смерти в клетках с аномальным характером пролиферации. Для того чтобы установить является ли Сурвивин единственным регулятором цитокинеза и апоптоза в здоровых клетках либо эти функции начинают доминировать при развитии опухоли необходимы дальнейшие исследования.
Роль Сурвивина в стимуляции ангиогенеза, метастазирования и развития резистентности к химиотерапии. Одним из механизмов развития опухоли, в котором задействован Сурвивин, является стимуляция ангиогенеза. Сурвивин усиливает экспрессию фактора роста эндотелия сосудов (VEGF) и стимулирует пролиферацию эндотелиальных клеток, однако механизмы этих процессов пока неизвестны[57]. Предполагается, что экспрессия Сурвивина в раковых клетках и секреция VEGF регулируется по механизму положительной обратной связи[57]. Оказалось, что Сурвивин, воздействуя на глиому, подавляет ангиогенез[58]. Подавление экспрессии гена Сурвивина, опосредованное короткими интерферирующими РНК (киРНК), привело к сенсибилизации человеческих клеток рака груди к апоптозу и подавлению образования опухоли и ангиогенеза у моделей животных с привитыми раком груди и раком шейки матки in vivo [59]. Вызванная Сурвивином экспрессия VEGF также участвует в развитии резистентности к химиотерапии путем формирования отдельных волокон из тубулина[60]. В частности Сурвивин ускоряет пролиферацию эндотелиальных клеток сосудов в опухолевой ткани, обеспечивая устойчивость этих клеток к химиотерапии[61]. Поэтому, воздействие на Сурвивин может не только убить раковые клетки, но и сенсибилизировать эндотелиальные летки сосудов опухоли к химиотерапевтическим препаратам. Кроме того, Сурвивин может вместе с другими IAP индуцировать метастазирование. Сверхэкспрессия Сурвивина облегчает миграцию меланоцитов и клеток меланомы к фибронектину, после чего Сурвивин блокирует их миграцию и инвазию[62]. Внутримолекулярное взаимодействие между XIAP и Сурвивином стимулирует инвазию раковых клеток in vitro и усиливает метастазирование у мышей, используемых для моделирования рака груди, и у крыс с инсулиномой. Этот механизм основан на зависимости выживаемости клетки от IAP. Трансдукция сигнала в этом метаболическом пути вызывает активацию транскрипционного фактора NF-κB, транскрипционную активацию фибронектина, передачу аутокринного/паракринного сигнала посредством β1-интегринов, а также частичное фосфорилирование, т.е. активацию киназ клеточной подвижности, а именно FAK(киназа фокальных контактов) и src киназ (представитель семейства тирозин-киназ), которые участвуют в IAP-опосредованном метастазировании. Особенно важно, что трансдукция сигнала через этот путь не вызывает эпителиально-мезенхимальный переход (EMT), но усиливает экспрессию гена адгезии и многократно увеличивает экспрессию гена фибронектина в опухолевых клетках[63]. Также обнаружилось, что Сурвивин способствует развитию метастазов посредством активации интегринов[64]. Сурвивин при участии фактора роста эндотелиальных клеток сосудов-С вызывает метастазирование рака груди через лимфатическую систему[65]. Большое количество исследований с участием пациентов указывает на то, что сверэкспрессия Сурвивина ассоциирована с увеличением инвазивности раковых клеток и распространением метастазов[66, 67], следовательно, можно сделать заключение, что помимо регуляции апоптоза и клеточного деления, у Сурвивина есть и другие функции.
Сурвивин и раковые стволовые клетки. Существует предположение, что причиной возникновения рака и его рецидива являются раковые стволовые клетки. Предполагают, что существует ограниченный пул особых раковых стволовых клеток, которые являются предшественниками других клеток, и именно они ответственны за образование и рост опухоли. На данный момент установлена роль Сурвивина в регуляции жизненного цикла взрослых стволовых клеток, таких как гемопоэтических и нервных стволовых клеток, а также стволовых клеток эпителия кишечника[68–70]. Сурвивин также участвует в функционировании эмбриональных и тотипотентных стволовых клеток[71]. Так как нормальные и раковые стволовые клетки имеют общие черты, можно предположить, что экспрессия Сурвивина в раковых клетках, как и в здоровых, будет влиять на регуляцию их метаболизма. Изучение совместной экспрессии Сурвивина и Oct-4 - специфического белка стволовых клеток у пациентов, страдающих плоскоклеточным раком пищевода (ESCC), показало, что у пациентов с высокой экспрессией обоих белков наблюдается наихудший прогноз заболевания. Связь между экспрессией Сурвивина и Oct-4 указывает на их возможное взаимодействие либо взаиморегуляцию[72]. Молекулярный механизм, лежащий в основе их взаимодействия до конца не ясен. Также Сурвивин играет определенную роль в регуляции генов, участвующих в дифференцировке лейкемических стволовых клеток (LCSC), но при этом не вовлечен в регуляцию гемопоэтических стволовых клеток (HSC). Это различие открывает новые возможности для направленного терапевтического воздействия на раковые стволовые клетки и их элиминации[73].
Сурвивин – терапевтическая мишень в лечении рака. Сурвивин занимает центральную позицию среди других IAPs, так как он регулирует и клеточное деление, и апоптоз. Однако здоровые дифференцированные клетки либо совсем не экспрессируют Сурвивин, либо экспрессируют, но очень мало. Есть ли связь между низкой экспрессией Сурвивина или его отсутствием в здоровых клетках и жизнедеятельностью клетки или уменьшением пролиферации/апоптоза в нормальных клетках? Сурвивин инактивирует у мышей ген, обусловливающий раннюю эмбриональную летальность [74], и вызывает снижение количества самообновляющихся клеток-предшественниц костного мозга и его абляцию[75]. Недостаток Сурвивина в тимусе приводит к нарушению созревания тимоцитов и к появлению незрелых Т-клеток в крови[76]. Также Сурвивин является ключевым фактором в регуляции клонального размножения Т-эффекторов[77], пролиферации ранних предшественников B-лимфоцитов, созревания B-клеток[78], дифференциации эритроидных клеток [79] и мегакариоцитов[80]. По всей видимости, Сурвивин регулирует функции различных иммунных клеток, поэтому тактика лечения, мишенью которой является Сурвивин, должна быть детально изучена.
Терапевтические методы, воздействующие на Сурвивин. Учитывая тот факт, что Сурвивин задействован во множестве важных функций клетки, таких как пролиферация раковых клеток, апоптоз, развитие резистентности к химиотерапевтическим препаратам, выживаемость раковых стволовых клеток, блокада функций Сурвивина в опухолевых клетках может привести к благоприятным результатам. Существует несколько вариантов блокирования экспрессии Сурвивина или его функций в раковых клетках: иммунотерапевтический подход, основанный на стимуляции иммунного ответа на Сурвивин; использование небольших молекул-ингибиторов или антагонистов, блокирующих функции Сурвивина; применение нуклеиновых кислот, которые воздействуют на экспрессию Сурвивина либо вызывают абляцию его гена, регулируя таким образом жизненный цикл клетки и апоптоз.
Иммунотерапевтические подходы. Иммунотерапия – это изменение функционирования иммунной системы организма, направленное на усиление иммунного ответа на опухоль. Данное понятие было предложено Вильямом Коли (1891), который создал вакцину для лечения саркомы на основе бактерий Streptococcus pyogenes группы А и Serratia marcescens[81]. Эксперименты Коли показали, что компоненты этой вакцины, известной как «токсины Коли», усиливают иммунный ответ организма на опухоль и приводят к ремиссии болезни. Результаты экспериментов Коли подверглись огромной критике и его подход к лечению рака единогласно был признан неэффективным. Хорошо закрепившиеся к тому времени альтернативные способы лечения, такие как химиотерапия и лучевая терапия, обнаружили свои недостатки в виде токсичности и рецидивов болезни. Однако с приходом более глубокого понимания принципов иммунологии, становится очевидным, что иммунная система играет ключевую роль в борьбе с некоторыми видами рака. По мере открытия различных принципов иммунологии становится ясно насколько иммунотерапия превосходит альтернативные методы лечения, так как она специфична по отношению к раковым клеткам и не вызывает побочных эффектов. При этом разрушение опухолевых клеток происходит за счет инициирования или усиления иммунного ответа на опухоль или за счет реверсии ингибирующего сигнала иммунной системы. Активная иммунотерапия основана на развитии направленного иммунного ответа на опухоль с помощью специфическких опухолевых антигенов или размножения эффекторных клеток в условиях ex vivo, с последующим введением в организм. Пассивная иммунотерапия предполагает перенос готовых молекул, например терапевтических антител или антиген-специфичных Т-клеток, которые разрушают опухоль или подавляют ее рост. В лечении различных типов рака стали успешно применяться различные типы моноклональных антител к рецепторам фактора роста или антигенным детерминантам опухолевых клеток. Недавний успех в применении антител, направленных на ингибиторы иммунных контрольных точек, таких как CTLA-4 и PD-1, снова привлекло внимание к ингибиторам сигнальной системы иммунных клеток, обеспечивающих более выраженный иммунный ответ[82]. Хотя клинические исследования различных методов лечения рака, основанных на использовании противораковых вакцин уже показали свою эффективность, переход к клиническому применению антигенспецифичных противораковых вакцин оказался не таким эффективным, так пассивная иммунотерапия. Обоснование использования противораковых вакцин заключается в том, что они действуют на специфический опухолевый антиген как вакциногенный кандидат и обеспечивают устойчивую презентацию антигена, преимущественно через дендритные клетки (DCs) и индукцию ответа цитотоксических Т-клеток (CTL). Опухолевые антигены расщепляются на пептиды, которые экспонируются на поверхности клеток в комплексе с молекулами MHC. Данный комплекс презентируется антигенпрезентирующей клеткой (APCs) Т-клеткам с их последующей активацией. Индукция ответа эффекторных Т-клеток является многостадийным процессом. Антигенспецифичные Т-клетки активируются в лимфоидной ткани при взаимодействии с АРС. АРС, в частности дендритные клетки, представляют антигенные пептиды CD4+ Т-клеткам с помощью комплекса MHC класса II или CD8+ Т-клеткам посредством перекрестной презентации[83, 84]. Но для активации Т-клеток распознавания антигена недостаточно. Помимо этого требуется одновременное поступление ко-стимулирующего сигнала от специализированных АРС. Эти ко-сигналы могут поступать от стимулирующих (CD80/ CD86:CD28) и ингибирующих молекул, известных как иммунные контрольные точки[85, 86]. Праймированные APCs антигенспецифические Т-клетки распознают опухолевые клетки по комплексу MHC-пептид и лизируют их. Иммунотерапия, основанная на использовании специфических раковых антигенов, способствует увеличению популяции антигенспецифических Т-клеток, предотвращая ускользание опухолевых клеток от иммунного ответа (график 3). В подобных вакцинах используются либо отдельные пептиды либо целый рекомбинантный белок в адъюванте, рекомбинантные вирусы, кодирующие целевой антиген, другие рекомбинантные микроорганизмы, ДНК вакцины, цитокины или усиливающие ко-стимуляцию вакцины, инактивированные раковые клетки, дендритные клетки, активированные антигенным белком или пептидом. Использование сильного адъюванта позволяет индуцировать антиген-презентацию и активировать иммунную систему, обеспечивая устойчивый ответ цитотоксических Т-клеток. В идеале противораковая вакцина должна содержать антигены, специфичные к опухолевым клеткам и экспрессирующиеся ими в избыточном количестве. Сурвивин представляет собой идеальный иммунотерапевтический антиген, благодаря тому, что его экспрессия в опухолевых клетках аномально высокая, и потому что он участвует в регуляции клеточного деления и апоптоза [87–89]. Анализ транскриптомного профиля человека показал, что среди белков, экспрессия которых в раковых клетках многократно увеличивается, Сурвивин занимает четвертое место[90]. Существует корреляция между сверхэкспрессией Сурвивина и неблагоприятным прогнозом у больных колоректальным раком, раком мочевого пузыря и нейробластомой[91, 92], а также при меланомном и немеланомном раке кожи[93, 94]. Кроме того, как было упомянуто выше, сверхэкспрессия Сурвивина вызывает резистентность к химиотерапевтическим препаратам. Экспрессия Сурвивина обеспечивает опухолевым клеткам высокую выживаемость и может использоваться как терапевтическая и диагностическая мишень для всех видов рака. Обнаружилось, что после процессинга и презентации дендритными клетками, в условиях in vitro Сурвивин вызывает иммунный ответ, опосредованный CTL [95], а в организме мышей, используемых в качестве моделей для изучения меланомы, фрагменты Сурвивина праймировали CTLs[96]. В экспериментах с участием пациентов было проденстрировано образование специфичных к Сурвивину CTLs, которые способны лизировать сингенные по HLA-антигенам опухолевые клетки[97]. Развитие спонтанного CTL ответа на рестриктированный комплексом MHC-I фрагмент Сурвивина у пациентов, страдающих меланомой, раком груди и лейкемией явственно указывает на то, что рестриктированные CD8 T-клетками эпитопы Сурвивина имеют важное иммунотерапевтическое значение[98–100]. Индукция CTL иммунного ответа сопровождалась миграцией сурвивин-специфичных CTL к месту опухоли при меланоме или раке груди в условиях in situ[101], и при использовании Сурвивина в качестве вакциногенного кандидата наблюдается полная синхронизация местного и системного иммунитета. В доклинических и клинических исследованиях была изучена эффективность вакцин на основе дендритных клеток, ДНК, пептидов или VLP. Действие вакцины на основе дендритных клеток оценивалось в клинических исследованиях с участием больных немелкоклеточным раком легких (NSCLC), которым были введены аутологичные дендритные клетки, активированные апоптозными тельцами NSCLC. При этом у 4 из 7 пациентов на III стадии и 6 из 7 пациентов на I/II стадии наблюдалась активация иммунной системы[103]. Для пациентов с HLA-A24-положительным статусом с помощью иммунизации HLAA24 рестриктированным пептидным фрагментом Сурвивина 2B80–88 была разработана другая вакцина, которая вызывает специфичный иммунный ответ, опосредованный CTL, при уротелиальном раке [104], раке ротовой полости [105], колоректальном раке [106] и раке груди [107] без развития побочных эффектов. В другом исследовании тестировалась вакцина с этим же пептидом, комбинированным с интерфероном альфа, которой иммунизировали пациентов с уротелиальным раком, однако это не помогло увеличить эффективность вакцины[108]. Так как сам по себе пептид имеет низкую иммуногенность, исследователи пришли к выводу, что усилить иммунный ответ может комбинирование пептида с сильными адъювантами, такими как термически инактивированные белки, цитокины и т.д. [107]. Также во 2 фазе клинических исследований с участием пациентов с метастатической меланомой были протестированы скомбинированые рестриктированные HLA пептидные фрагменты Сурвивина. Исследование показало, что выживаемость этих пациентов в послелечебном периоде повысилась[109]. Мультиэпитопная вакцина, в которой сочетаются пять пептидных фрагментов сурвивина EMD640744 и адъювант Montanide(®)ISA 51 VG, вызывает сурвивин-специфичный Т-клеточный иммунный ответ у пациентов с солидным типом рака[110]. Липосомная форма Сурвивина, известная как DPX-Survivac, также может вызывать сурвивин-специфичный иммунный ответ у пациенток с раком яичника[111]. Хотя CTL иммунный ответ играет важную роль в элиминации опухолевых клеток, CD4 T-клетки и антитела тоже вносят существенный вклад в развитие противоопухолевого иммунного ответа[112]. В нескольких исследованиях была продемонстрирована роль CD4 T-клеток (Т-хелперов) в усилении функции CTL и стимуляции иммунного ответа на Сурвивин[113, 114]. Оказалось, что наличие эпитопов HLA II класса позволяет усилить клеточный иммунный ответ на пептидные фрагменты сурвивина[115, 116]. Шарма и соавт. продемонстрировали на мышах незаменимую роль CD4 T-клеток в поддержании первичного и вторичного видов противоопухолевого иммунного ответа на вакцину Сурвивина[117]. Важно отметить, что CD4 T-клетки имеют важное значение именно в фазе праймирования, но не в эффекторной фазе развития иммунного цитотоксического ответа. Хофманом и сотрудниками была изучена доклиническая эффективность рекомбинантных пептидных фрагментов Сурвивина класса I (H1vax1) и класса II (H1vax2) с помощью совместного культивирования дендритных и Т-клеток, полученных от здоровых доноров. Составы этих вакцин способствуют активации обоих типов антигенспецифичных Т-клеток (CD4 и CD8) и усилению цитотоксичности в отношении мезотелиомных раковых клеток, продуцирующих большие количества Сурвивина[118]. В табл. 1 представлены основные выводы, полученные при тестировании вакцин в доклинических и клинических исследованиях. Доклинические исследования Сурвивина в качестве вакциногенного кандидата на моделях солидного и гематологического типов рака показали, что он способен вызвать эффективный противоопухолевый иммунный ответ, и подтверждают тот факт, что Сурвивин в организме человека проявляет иммуногенность. Однако для борьбы с раковыми клетками она может оказаться слишком низкой и поэтому введение антигена и использование адъювантов необходимы для усиления иммуногенности этого белка. Кроме того, рестриктированные клетками CD4 и CD8 эпитопы Сурвивина также вносят вклад в формирование усиленного противоопухолевого иммунного ответа. Также была исследована активность непроцессированного рекомбинантного белка Сурвивина в качестве вакциногенного кандидата на 4T-1 мышиной модели рака груди, адъювантом выступила Mycobacterium indicus pranii (MIP). На животных моделях псориаза и рака легких было показано, что MIP действует как сильный иммуномодулятор, при этом на мышах она проявляет противоопухолевую активность в отношении Sp2/0 (миелома) и EL4 (тимома) [119]. Подкожное введение MIP-Сурвивина вызывает противоопухолевый ответ и регрессию опухоли у мышей, на которых моделируется рак груди 4T-1, с дозозависимым характером. В качестве адъюванта MIP может обеспечить высокий титр антител к Сурвивину после иммунизации рекомбинантным Сурвивином мышиного происхождения. Также обнаружилось, что MIP может активировать дендритные клетки и индуцировать антиген-презентацию[120]. Поэтому мы предположили, что скомбинировав непроцессированный рекомбинантный Сурвивин с MIP, можно получить эпитопы, способные активировать и CD8, и CD4 T-клетки, и вызвать эффективный Т-клеточный иммунный ответ. Помимо участия в непосредственном воздействии Т-клеток на опухоль, иммунизация мышей рекомбинантным сурвивином вызывает продукцию антител к Сурвивину. Титр предсуществующих антител к Сурвивину у мышей линии Balb/c, иммунизированных рекомбинантным Сурвивином, также может влиять на развитие ремиссии рака у этих мышей при пересадки им сингенных 4T-1 клеток. Полученные нами данные позволяют предположить, что сочетание Сурвивина с MIP может усиливать противоопухолевый иммунный ответ. Данных касательно эффективности антител против внутриклеточных антигенов недостаточно, однако, согласно исследованию Гуо и сотрудников, воздействие антител на внутриклеточные антигены осуществимо, тем самым расширяется круг возможных мишеней для иммунотерапии антителами внутри и вне клетки[121–123]. Хотя непосредственная роль антител к Сурвивину в развитии иммунного ответа до конца не ясна, возможно, что образование антител вследствие антигенной иммунизации может блокировать сверхэкспрессию Сурвивина в опухолевых клетках или ингибировать экспрессию Сурвивина в экзосомах. Также эти антитела могут вызвать лизис опухолевых клеток посредством NK-клеток. В плазме пациентов, страдающих раком легких, жкт или прямой кишки, наблюдалась активация спонтанного гуморального иммунного ответа на Сурвивин[124]. Важно, что у здоровых людей[97, 124] на Сурвивин не наблюдалось никакого ответа иммунной системы. Это может указывать на то, что иммунный ответ, вызываемый вакциной Сурвивина, специфичен по отношению к раковым клеткам и лишен аутоиммунных проявлений. Для изучения влияния иммунизации Сурвивином на функцию иммунных эффекторных клеток необходимы дальнейшие исследования.
Низкомолекулярные ингибиторы Сурвивина. В различных исследованиях in vivo и in vitro изучались несколько низкомолекулярных ингибиторов Сурвивина. Несмотря на трудности, связанные с разработкой низкомолек
More
Less
Experience
Years of experience: 7. Registered at ProZ.com: Feb 2017.
Portfolio