Molekulare Grundlagen der malignen Transformation

Tumorerkrankungen sind nach Herz- und Kreislauferkrankungen führend in der Mortalitätsstatistik (www.rki.de). Ihre Inzidenz ist in den letzten Jahren steigend, was vermutlich vor allem durch die gestiegene Lebenserwartung bedingt ist und weniger durch eine alterskorrigierte Inzidenzsteigerung. Maligne Erkrankungen basieren auf genetischen Veränderungen einzelner Zellen, die diesen Zellen einen Vorteil gegenüber ihren Nachbarn verschaffen (Übersicht in Weinberg 2014). Ob das oft angeführte Tumorstammzellkonzept auch außerhalb hämatologischer Neoplasien gilt, ist umstritten. Ob nun mit oder ohne Tumorstammzellen, maligne Tumoren sind genetische Erkrankungen, wobei die weitaus große Mehrzahl der Mutationen in Tumorzellen während des Lebens erworben wird und nur eine Minderheit bereits als Keimbahnmutationen angelegt sind. Man geht davon aus, dass mehr als 90 % aller Tumorerkrankungen auf sporadischen, somatischen Mutationen beruhen und weniger als 10 % aufgrund angeborener Keimbahnmutationen (wobei diese dann in der Regel noch ergänzt werden durch zusätzliche sporadische Sekundärmutationen, die die Transformation vervollständigen). Da mittlerweile sehr viele Therapeutika auf die in Tumorzellen vorhandenen Mutationen abzielen, lohnt es sich auch für Kliniker, sich mit den Grundlagen der malignen Transformation auseinander zu setzen. Dieses Kapitel soll einen einfachen Einstieg in die Materie darstellen. Als gute vertiefende Literatur empfiehlt der Autor Hanahan und Weinberg 2000, 2011 sowie Weinberg 2014 und verweist auch auf das Glossar am Schluss des Kapitels (Abschn. 7).

Das Konzept von Genen, die maligne Transformation steuern, wurde zuerst durch den Würzburger Genetiker Theodor Boveri bedacht (Boveri 1914). Viel später wurde klar, dass das Konzept dominanter tumorinduzierender Gene (Onkogene) und rezessiver tumorverhindernder Gene (Tumorsuppressorgene) korrekt war.

Onkogene sind dominant wirkende mutierte Protoonkogene (Bishop 1983, 1991). Protoonkogene regulieren in allen Zellen wichtige zelluläre Prozesse wie Proliferation, Mitose, Differenzierung, Apoptose oder Seneszenz. Mutationen der genomischen Struktur können zu einer intrinsischen Aktivierung und somit zur Transformation führen. Dies können Punktmutationen sein (wie z. B. im sehr häufig mutierten KRAS-Onkogen,¹ wo eine Punktmutation an Codon 12 oder 13 zu einem Austausch der Aminsosäure Glycin z. B. zu Aspartat oder Valin und damit zur Aktivierung der GTPase-Funktion des Kras-Proteins führt) (Übersicht in Bos 1989).

Weitere Genveränderungen, die Onkogene betreffen, sind Genamplifikationen oder Gentranslokationen. Bei einer Genamplifikation wird ein Protoonkogen genomisch vervielfältigt. Ein Beispiel ist das bei 20 % der Mammakarzinome amplifiziert gefundene Onkogen ERBB2² (HER2/neu), das für eine Rezeptortyrosinkinase kodiert (Slamon et al. 1989). Dabei führt die Genamplifikation zu einer verstärkten Expression und somit zu einer Aktivierung von Signalkaskaden, die letztlich in vermehrtem Zellwachstum und Chemotherapieresistenz resultiert.

Schließlich sei noch die Gentranslokation benannt, die sehr häufig bei Leukämien und Lymphomen, seltener aber auch Sarkomen und anderen soliden Tumoren, beobachtet wird. Bei einer Gentranslokation werden zwei Typen unterschieden:

Protoonkogene kodieren für ganz unterschiedliche Proteine; Ras-Proteine⁵ stellen kleine GTPasen dar, die eine zentrale Rolle in der Signalübermittlung extrazellulärer Signale in den Zellkern spielen (Abb. 1). Ras-Proteine empfangen ihre Eingabesignale dabei häufig von Rezeptortyrosinkinasen (wie z. B. ERBB2 oder EGFR⁶), die nach Ligandenbindung und Kreuzphosphorylierung aktivierende Signale an Ras weiterreichen. Ras wiederum moduliert an die unterschiedlichen Raf-Proteine,⁷ die zur Klasse der Serin/Threoninkinasen gehören. Je nach zellulärem Kontext lösen diese einkommenden Signale dann unterschiedliche zelluläre Reaktionen wie Proliferation, Differenzierung, Apoptose oder Seneszenz aus. Es wundert nicht, dass die eben erwähnten Proteine alle Onkogene darstellen, die bei jeweils verschiedenen Tumorentitäten mutiert/aktiviert gefunden werden. Und für den Kliniker interessant ist, dass für sehr viele dieser aktivierenden Mutationen bereits Medikamente verfügbar sind, die mehr oder weniger spezifisch diese Signale modulieren können (Tab. 1).

Durch sorgfältiges Studium von Familienstammbäumen von tumorbelasteten Familien kam Knudson zu der Überzeugung, dass es rezessive Tumorsuppressorgene gebe, die in diesen Familien mutiert seien (Knudson 1971, 1993). Dabei ist wichtig zu wissen, dass nicht nur in diesen Familien Mutationen auftreten, sondern diese Tumorsuppressorproteine auch bei sehr vielen sporadischen Tumoren verändert sind. Die beiden ersten Tumorsuppressorgene, die als solche identifiziert wurden, waren TP53⁸ und das Retinoblastomprotein (Rb).⁹ Beide regeln unterschiedliche zelluläre Prozesse. Während Tp53 als Transkriptionsfaktor ein Inhibitor des Zellzyklus (über Induktion des Zellzyklusinhibitors p21), ein Induktor der Apoptose (u. a. über Induktion von Bax und Noxa) und somit nach DNA-Schädigung ein „Wächter des Genoms“ ist, interagiert Rb mit dem Transkriptionsfaktor E2F und hemmt diesen, insbesondere in Zellen mit geschädigter DNA. Anders als Onkogene, die ja im Tumor aktiviert werden, zeichnen sich Tumorsuppressorgene durch einen Funktionsverlust aus. Dafür wird im Tumor häufig ein Allel mutiert, und das andere Allel geht genomisch verloren oder wird durch epigenetische Veränderungen stillgelegt (z. B. durch DNA-Methylierung). Somit deutet z. B. eine Deletion des kurzen Arms des Chromosoms 17 (17p) fast immer auf einen Funktionsverlust des TP53-Gens hin.

Während die Tab. 1 zeigt, dass es mittlerweile eine Reihe wirksamer Inhibitoren gegen aktivierte und mutierte Onkoproteine gibt, ist es viel schwieriger, deletierte und mutierte Tumorsuppressoren wieder zu rekrutieren. Ein Beispiel sind die Nutlins, die Wildtyp-Tp53 in Zellen induzieren, indem sie den Abbau des tumorsuppressiven Tp53 (durch Mdm2) hemmen und somit tumorsuppressiv wirken. Bisher hat allerdings kein medikamentöser Aktivator von Tumorsuppressoren einen Einzug in die Klinik geschafft (Tab. 2).

Eine einzige Mutation kann keine Transformation auslösen, da die meisten Onkogenmutationen zu einem zellulären „Fail-safe“-Mechanismus führen, der dann z. B. Seneszenz oder Apoptose verursacht (Braig et al. 2005; Collado und Serrano 2006; Serrano et al. 1997). Erst die Anhäufung einer Reihe von Mutationen in kritischen Genen in einer Zelle (Tumorstammzelle?) führt zu maligner Transformation (Abb. 2). Dies wurde zuerst für das Kolonkarzinom von der Gruppe um Bert Vogelstein beschrieben (Fearon und Vogelstein 1990).

Das gilt aber nicht nur für solide Tumoren, die genetisch ja komplexer sind als akute oder chronische Leukämien. Selbst die bis vor kurzem als unigenetische Erkrankung angesehene chronische myeloische Leukämie wird nicht nur durch das Philadelphia-Chromosom mit der Translokation t(9;22) und dem dadurch begründeten BCR-ABL-Gen allein verursacht, sondern bedarf weiterer molekularer Veränderungen wie der Hemmung des Tumorsuppressors IRF8 (auch ICSBP genannt)¹⁰ (Burchert et al. 2004; Deng et al. 1999; Schmidt et al. 1998, 2001). Denn auch BCR-ABL induziert normalerweise ein Programm in Zellen, das diese betroffenen Zellen der Seneszenz oder Apoptose zuführt. Dieses Programm kann durch die Abschaltung des Tumorsuppressors IRF8 deletiert werden. Auch bei der akuten Promyelozytenleukämie, bei der unlängst dramatische therapeutische Erfolge durch die Kombinationstherapie aus hochdosierte All-trans-Retinsäure (ATRA) und Arsentrioxid erzielt werden konnten (Mathews et al. 2006; Tatham et al. 2008; Wang und Chen, 2008; Zhang et al. 2010), wird die Transformation nicht durch die Gentranslokation t(15;17) allein erklärt, sondern es müssen weitere genetische Ereignisse hinzutreten, wie z. B. die Tandemduplikation im Rezeptortyrosinkinasegen FLT3 (sog. FLT3-ITD), die dann zusammen die Transformation ergeben (Kelly et al. 2002). In letzter Zeit wurden durch die Einführung sensitiver und hochauflösender DNA-Sequenziertechniken großartige Erfolge bei der Klärung der klonalen Progression individueller Tumoren erzielt. Als Beispiel dient hier wieder die akute myeloische Leukämie, aber auch beim Mammakarzinom oder beim malignen Melanom wurde deutlich, dass es so genannte Treiber- und Beifahrerveränderungen gibt, die sich im Laufe der Erkrankung auch verändern können. Als Beispiel der genetischen Ereignisse der klonalen Evolution zeigt Abb. 3 die Aberrationen verschiedener Patienten mit akuter myeloischer Leukämie.

Die bisher beschriebenen genetischen Veränderungen betrafen das Gen selbst. Epigenetik beschreibt, was – ohne die Gensequenz zu verändern – „auf“ (Griech.: ɛπι: auf, darauf) diese Gensequenz „hinauf kommt“. Die DNA ist ein extrem kompaktes großes Molekül. Diese Kompaktheit gelingt durch Verpackung im Zellkern in Nukleosomen. Ein Nukleosom beschreibt die zweifache Umwindung der DNA um ein Oktamer von Histonproteinen. Die enge Nachbarschaft ermöglicht nicht nur die extreme Verpackung, sondern auch eine strenge Regulation der DNA-Transkription durch Modifikation der sie verpackenden Histone. In den letzten Jahren ist erkannt worden, dass Veränderungen dieser epigenetischen Codes bei der malignen Transformation eine zentrale Rolle spielen.

Es werden epigenetische Kodierungen der DNA-Methylierung an CpG – Stellen des Genoms, die man häufig in regulatorischen DNA-Sequenzen trifft – von Histonmodifikationen unterschieden. Die DNA-Methylierung sog. CpG-Inseln führt im Allgemeinen zum Abschalten eines Gens. Somit ist in der Tat eine DNA-Methylierung in Tumorzellen überproportional häufig in Promotoren bestimmter Tumorsuppressorgene, z. B. p16Ink4a, oder PTEN (Tab. 2) zu finden. Inhibitoren der DNA-Methyltransferasen wie z. B. Azacytidin oder Decitabin sind zugelassen für bestimmte hämatologische Neoplasien, so zur Behandlung bestimmter MDS-Formen, werden aber auch bei der Therapie des älteren Patienten mit akuter myeloischer Leukämie (AML) häufiger eingesetzt (bisher keine Zulassung).

Zu diesen epigenetischen DNA-Modifikationen kommen Änderungen der die DNA verpackenden Histone. Diese Histonmodifikationen können an verschiedenen Aminosäuren auftreten, häufig an Lysinresten, wo Methylierungen, Acetylierungen oder auch Phosphorylierungen unterschiedliche Konsequenzen nach sich ziehen können (Übersicht z. B. Dawson und Kouzarides, 2012; Dawson et al. 2012). Relevant ist wiederum, dass diese Codes prinzipiell revertierbar und somit beeinflussbar sind. So sind bestimmte Medikamente wie Histondeacetylasehemmer bei verschiedenen Erkrankungen wie rezidivierten T-Zell-Lymphomen recht wirksam.

Die oben dargestellten Fakten betreffen ausschließlich die Tumorzellen selbst. In den letzten Jahren ist klar geworden, dass Tumoren massiv von anderen, an sich „benignen“ Zellen des Organismus beeinflusst werden können, sowohl positiv wie auch negativ. Ursprünglich hatte man angenommen, dass z. B. Immunzellen (T-, B-Zellen oder auch Makrophagen) vor allem Tumorzellen eingrenzen, wenn nicht töten sollten und würden. Es hat sich herausgestellt, dass z. B. insbesondere Makrophagen, aber auch bestimmte Fraktionen von T-Zellen klare tumorwachstumsfördernde Signale abgeben, die für Initiation, Progression und auch Metastasierung verantwortlich sein können. Aber auch inerte Zellen wie Fibroblasten oder mesenchymale Stammzellen greifen in die Tumorbiologie ein, z. B. indem sie bestimmte Tumorstammzellnischen formen. Es würde den Rahmen sprengen, wenn man hier auf die grundsätzlichen biologischen Gegebenheiten eingehen würde. Verwiesen sei auf Übersichtsarbeiten (z. B. Fridman et al. 2012).

Für den Kliniker ist relevant, dass das System im Prinzip revertierbar ist. Ein möglicherweise bisher unterschätzter Anteil der Wirksamkeit monoklonaler Antikörper in der Therapie maligner Erkrankungen dürfte die Rekrutierung einer Immunantwort sein (z. B. Taylor et al. 2007). Ein hervorragendes Beispiel in dieser Richtung stellt die Einführung des monoklonalen Antikörpers Blinatumomab dar. Blinatumomab wurde von Kufer et al entwickelt und begründet die Klasse kleiner, einzelkettiger monoklonaler bispezifischer Antikörper (Abb. 4). Im Falle von Blinatumomab werden CD3-positive zytotoxische T-Zellen an CD19-positive Blasten von akuten lymphatischen Leukämien bzw. Lymphomen herangeführt und lysieren diese mit teilweise spektakulären klinischen Ergebnissen (Bargou et al. 2008; Klinger et al. 2012; Topp et al. 2012, 2011).