Investigating the role of the HPV16 oncogenes in modulating stem cell biology

Abstract

Τα καρκινικά κύτταρα τα οποία χαρακτηρίζονται από τη βλαστική τους ικανότητα και τα οποία οφείλονται για την έναρξη της καρκινογένεσης, σχηματίζονται είτε απευθείας από τα βλαστικά κύτταρα των ιστών είτε από τον επαναπρογραμματισμό (αποδιαφοροποίηση) των διαφοροποιημένων κυττάρων. Οι μολυσματικοί παράγοντες που σχετίζονται με τον καρκίνο, όπως οι ιοί, θεωρείται ότι προάγουν την καρκινογένεση μέσω της στόχευσης των βλαστοκυττάρων ή των πρόγονων κυττάρων στους ιστούς τους οποίους μολύνουν. Τέτοια στόχευση έχει πιθανώς επιπτώσεις και στον κύκλο ζωής του ιού, για παράδειγμα στην ικανότητα του να παραμένει στους ιστούς για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Ο ιός του HPV16 μολύνει στρωματοποιημένα πλακώδη επιθήλια, όπως αυτά που βρίσκονται στο δέρμα και στη γεννητική οδό αποκτώντας πρόσβαση στη βασική στοιβάδα του επιθηλίου. Σε αυτή τη στοιβάδα τα κύτταρα υφίστανται πολλαπλασιασμό, τον οποίο χρησιμοποιεί ο ιός για την εξάπλωση του, και πιστεύεται ότι είναι η περιοχή στην οποία βρίσκονται τα βλαστοκύτταρα του ιστού. Στον τράχηλο, την πιο συχνή εστία μόλυνσης του HPV16, ο καρκίνος προκύπτει συχνά από τη μεταβατική ζώνη την προτεινόμενη περιοχή των βλαστοκυττάρων (Elson et al., 2000). Ενώ ο ιός θεωρείται ότι μολύνει βλαστικά κύτταρα καθώς επίσης και διαφοροποιημένα κύτταρα της βασικής στιβάδας δεν είναι γνωστό αν οι καρκίνοι του HPV προκύπτουν συγκεκριμένα από τον ένα ή και τους δύο αυτούς πληθυσμούς. Υποθέσαμε ότι ο HPV16 μπορεί να ρυθμίσει τη συμπεριφορά των υφιστάμενων βλαστοκυττάρων όπως επίσης και να συμβάλει στην ανάπτυξη νέων βλαστικών πληθυσμών μέσω της έκφρασης των ιικών ογκογονιδίων Ε6 και Ε7. Για την καλύτερη κατανόηση του ρόλου των Ε6 και Ε7 στη ρύθμιση των βλαστοκυττάρων των ιστών in vivo, χρησιμοποιήσαμε ως μοντέλα διαγονιδιακά Ε6 και Ε7 ποντίκια. Έχουμε δείξει ότι η έκφραση των ογκογονιδίων κινητοποιεί τα αδρανή βλαστοκύτταρα στο θύλακα της τρίχας. Επιπλέον, η έκφραση των ογκογονιδίων προκαλεί επέκταση των κυττάρων με βλαστική ικανότητα σε περιοχές που χαρακτηρίζονται συνήθως από απουσία βλαστοκυττάρων. Για την ταυτοποίηση ενός κυτταρικού εταίρου των Ε6 και Ε7, μέσω του οποίου ασκούν τις επιδράσεις τους, μελετήθηκε η in vivo αλληλεπίδραση τους με την τελομεράση. Η Ε6 επαγόμενη μείωση στα LRCs βρέθηκε να είναι ανεξάρτητη της τελομεράσης. Εν τω μεταξύ, η Ε7 επαγόμενη μείωση στα LRCs μπορεί να επηρεάζεται από την ομοιόσταση των τελομερών. Επιπρόσθετα, ερευνήθηκε εάν τα ογκογονίδια του HPV16 εμπλέκονται στην ανάπτυξη βλαστοκυττάρων από διαφοροποιημένους κυτταρικούς πληθυσμούς. Η έκφραση των ογκογονιδίων κατά τη διάρκεια του επαναπρογραμματισμού των διαφοροποιημένων κυττάρων σε πολυδύναμα βλαστοκύτταρα (iPS) ενισχύει τη διαδικασία με την αύξηση του αριθμού των αποικιών. Η άμεση συμβολή τους στη διαδικασία ήταν εμφανής από την αντικατάσταση ενός από τους μεταγραφικούς παράγοντες που απαιτείται για την αποτελεσματική διαμόρφωση iPS αποικιών. Η εργασία μας δείχνει ότι τα ογκογονίδια HPV16 μπορούν να τροποποιήσουν άμεσα τη συμπεριφορά των βλαστοκυττάρων των ιστών, με τρόπους που μπορούν να τα καταστήσουν πιο επιρρεπή σε περαιτέρω προσβολή από ογκογονικά ερεθίσματα. Επίσης, προωθούν την ανάπτυξη βλαστοκυττάρων από διαφοροποιημένα κύτταρα. Αυτές οι συνέπειες των ιικών ογκογονιδίων μπορεί να είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση της μακροζωίας των HPV λοιμώξεων σε ανθρώπους, καθώς και για την ενδεχόμενη ανάπτυξη της καρκινογένεσης.

Cancer initiating cells with stem-cell like character are speculated to form either directly from tissue stem cells or from the reprogramming (dedifferentiation) of differentiated cells. Infectious agents associated with cancer such as viruses, have been proposed to promote carcinogenesis in part via the targeting of stem cells or stem-cell like cells. Such targeting presumably has implications for the viral life cycle as well, for example on the ability of the virus to persist in tissues for longer time periods. HPV16 infects stratified squamous epithelia, such as those lining the skin and the anogenital tract as the virus gains access to the basal proliferative layer of such epithelia, where tissue stem cells are thought to reside. In the cervix, the most common site of HPV16 infection, cancer frequently arises from the transition zone, an area that is the proposed stem cell niche of the tissue (Elson et al., 2000). While the virus is thought to infect stem cells as well as committed cells of the basal layer it is not known whether HPV-positive cancers arise specifically from one or both of those populations. We hypothesized that HPV16 can regulate the behavior of existing stem cells as well as contribute to the development of stem-cell like populations through the expression of the main viral oncogenes E6 and E7. To better understand the role of E6 and E7 in regulating tissue stem cells in vivo we used transgenic animal models. In mice transgenic for the HPV16 oncogenes we have shown that quiescent hair follicle stem cells aberrantly mobilize in response to oncogene expression. Furthermore, oncogene expression induces expansion of stemness markers to areas where stem cells do not normally reside. To identify a cellular partner of E6 and E7, through which these effects are mediated, their in vivo interaction with telomerase was investigated. E6 induced reduction in label-retaining cells was found to be telomerase independent. Meanwhile E7 induced label-retaining cell reduction may be affected by telomere homeostasis. We also investigated whether the HPV16 oncogenes are involved in the development of cells with stem-cell like characteristics from differentiated cell populations. The expression of the oncogenes during the reprogramming of differentiated cells to induced pluripotent stem cells (iPS) enhanced the process by increasing colony numbers. Their direct contribution in the process was evident by the replacement of one of the transcription factors required for efficient iPS formation. Our work shows that the HPV16 oncogenes can directly modify the behavior of tissue stem cells in ways that may render them more susceptible to further oncogenic insult. They also promote the development of stem-cell like characteristics in differentiated cells. These consequences of the viral oncogenes may be crucial to understanding the longevity for HPV infections in humans as well as the eventual development of carcinogenesis.