Mausmodell

-

Screening findet 90 versteckte Treibergene für Brustkrebs

Ein Team um Professor Dr. Khalid Al-Zahrani vom Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute am Mount Sinai Hospital in Toronto, Kanada, beschreibt in einer aktuellen Publikation im Fachblatt »Nature« eine funktionelle Kartierung von Genen auf amplifizierten oder deletierten Chromosomenarmen in aneuploiden Tumorzellen, die das Tumorwachstum beschleunigen können. Die Forschenden identifizierten 90 sogenannte Treibergene, von denen 81 bislang gar nicht als Krebsgene geführt wurden.

Dieses Ergebnis erzielte das Team mit einer neuen Screening-Plattform, die das Akronym »CRISPR-KOALA« trägt. KOALA steht für KnockOut- and Activation-Linked Assay. Vereinfachend zusammengefasst, gelang es den Forschenden mit dieser Methode, Gen-Inaktivierungen (Gene Knockouts) und Gen-Aktivierungen in einem einzigen lentiviralen Konstrukt zu vereinigen, um so in immunkompetenten, isogenen Mausmodellen, die die Cas9-Komponente des CRISPR-Cas9-Systems stabil exprimieren, Tumorsuppressoren und Onkogene parallel und in ihrem physiologischen Gewebekontext statt in der Zellkultur zu identifizieren.

Dies zeigten die Forschenden am Beispiel des basalähnlichen Mammakarzinoms (BLBC), des aggressivsten Brustkrebssubtyps. Dieser ist durch den Verlust des Tumorsuppressorgens p53 (TP53) und eine ausgeprägte Last an Kopienzahlveränderungen der Chromosomen (CNA-Last) charakterisiert und betrifft überproportional jüngere, prämenopausale Frauen.

Die Forschenden definierten die zehn häufigsten armweiten CNA des BLBC und durchmusterten die analogen Mausorthologe von 3752 darauf liegenden Genen in einer Kohorte von 471 Tieren, die etwa ein Fünftel des Genoms funktionell abdecken.

Sie zeigten, dass die von ihnen entdeckten 90 Treibergene unterschiedliche Signalwege bedienen, darunter den MAP-Kinase-Signalweg, den HIPPO-Signalweg, der eine Schlüsselrolle in der Regeneration und Differenzierung spielt und häufig bei Krebs dereguliert ist, und den WNT-Signalweg.

Bemerkenswert ist die Architektur der Selektion der Treibergene. Jede CNA folgt einer Hierarchie aus meist einem oder zwei dominanten Treibern plus mehreren schwach penetranten Genen. Das präzisiert die sogenannte Gen-Insel-Hypothese, wonach Chromosomenarme geballt mehrere Krebsgene tragen: In der Praxis stammt der Großteil des Selektionsvorteils allerdings von wenigen Kandidaten.

Zwei Befunde verdienen besondere Aufmerksamkeit:

• Erstens unterstreicht die Arbeit die Notwendigkeit des In-vivo-Kontexts: Bestimmte Gene gelten in Zellkultur als essenziell, wirken in der Brustdrüse jedoch als potente Tumorsuppressoren. Diese Gene wären in der Zellkultur unentdeckt geblieben.
• Zweitens adressiert die Studie das sogenannte »Aneuploidie-Paradox« direkt. Denn wird ein identifizierter Treiber gezielt manipuliert, entfällt in Trp53-mutierten BLBC-Modellen der Selektionsdruck zur CNA-Akkumulation. Ist der Fitnessvorteil einmal durch ein einzelnes Treiberereignis gegeben, bringt die Aneuploidie keinen zusätzlichen Nutzen mehr.

Dieses Resultat erweitert das Ein-Treiber-Modell explizit auch auf Onkogene.

Als mechanistisches Fallbeispiel arbeiten die Autoren PLGRKT auf Chromosom 9p heraus, ein potentes Onkogen. PLGRKT kodiert für den Plasminogenrezeptor mit einem C-terminalen Lysin – ein membranassoziiertes Protein, das die Plasminogenaktivierung fördert. Das Genprodukt ist an der positiven Regulation der Plasminogenaktivierung beteiligt und steht zudem im Zusammenhang mit der Chemotaxis und der Entzündungsreaktion.

Überraschend ist der Wirkmechanismus von PLGRKT: Das Onkogen wirkt unabhängig von der kanonischen Funktion des Proteins als Plasminogenrezeptor. So beschleunigen auch eine Plasmin-Inhibition und katalytisch inaktive Mutanten die Tumorentstehung.

Allerdings verstärkt lokalisiert überexprimiertes PLGRKT die Mitochondrienfunktion, verleiht diesen Stressresistenz und verschiebt den Stoffwechsel zur aeroben Glykolyse. Dies steigert die Kapazität der Mitochondrien zur Entgiftung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) und ist somit als ein nicht kanonischer, metabolisch getriebener Onkogenmechanismus zu werten.

Dementsprechend zeigten PLGRKT-überexprimierende Zellen eine erhöhte Resistenz gegenüber den ROS-induzierenden Chemotherapeutika Arsentrioxid und Auranofin, während die Empfindlichkeit gegenüber dem DNA-schädigenden Wirkstoff Cisplatin unverändert blieb. Bemerkenswert ist, dass sich dies auch in menschlichen BLBC widerspiegelt. Dort weisen Tumore, in denen PLGRKT überexprimiert wird, eine signifikante Anreicherung an Gensätzen auf, die mit oxidativen Schäden und Stressreaktionen assoziiert sind.

Über Speziesgrenzen hinweg zeigen die CNA-Muster der Mausmodelle eine hohe Konservierung mit dem humanen Karzinom, was die Übertragbarkeit der Ergebnisse dieser Arbeit auf die humane Situation stützt.

Als methodische Blaupause positioniert sich CRISPR-KOALA damit für die nächste Frage, ob identische armweite CNA in anderen Tumorentitäten von denselben oder gewebespezifisch anderen Genen getrieben werden.