DNA-Verpackung - Helmholtz Zentrum München

Forschung aktuell –
Eingriff in die
DNA-Verpackung
DNA-Verpackung –
Ein neuer Ansatzpunkt zur Krebstherapie
Die Therapie von Krebserkrankungen ist eine der großen Herausforderungen für die moderne Wissenschaft. Es gilt, die Ursachen der Tumorbildung zu verstehen und Methoden zu entwickeln, die es erlauben, entartete Zellen wieder in ihre gesunden Vorläufer zurückzubilden oder sie
selektiv abzutöten. In den letzten Jahren hat sich herausgestellt, dass die
Verpackung der Erbsubstanz DNA im Chromatin eine zentrale Rolle im
Krebsgeschehen spielt. Wissenschaftler am GSF-Institut für Toxikologie
untersuchen eine Klasse von Enzymen – die Histon-Deacetylasen –, die
die Verpackung der DNA maßgeblich beeinflussen und somit einen
potenziellen Angriffspunkt für eine Krebstherapie darstellen.
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eit über 30 Jahren ist ein Medikament
auf dem Markt, mit dem Patienten, die
an Epilepsie erkrankt sind, erfolgreich
behandelt werden können. Es ist die Valproinsäure, ein kleines organisches Molekül,
das bei über 60 Prozent der Patienten zu einer
dauerhaften Anfallsfreiheit führt. Valproinsäure ist gut verträglich und arm an Nebenwirkungen, allerdings mit einer markanten
Ausnahme: Die Substanz ist teratogen, das
heißt ihre Einnahme während der Schwangerschaft kann zu einer schweren Schädigung des Embryos führen. Der Rückenmarkskanal des Embryos wird nicht korrekt geschlossen und der Schädel entwickelt sich
unproportional.
S
Lange war unklar, weshalb Valproinsäure eine solch fatale Wirkung auf die Embryonalentwicklung hat, im erwachsenen Organismus aber keine gravierenden Schädigungen hervorruft. Gemeinsam mit seinen
damaligen Kollegen am Forschungszentrum
Karlsruhe und am Georg-Speyer-Haus in
Frankfurt/Main hat der Toxikologe Prof. Dr.
Martin Göttlicher die molekularbiologischen
Vorgänge untersucht, die der teratogenen
Wirkung von Valproinsäure zugrunde liegen.
Die Ergebnisse dieser Arbeiten erregten viel
Aufsehen. Die Wissenschaftler fanden nämlich nicht nur die Erklärung dafür, wie die
Substanz in die Embryonalentwicklung eingreift, sie zeigten zugleich Möglichkeiten
auf, wie mit diesem Wirkstoff bestimmte Formen von Krebs behandelt werden könnten.
Die Verpackung macht‘s
„Unsere damaligen Untersuchungen ergaben, dass Valproinsäure die Verpackungsdichte der Erbsubstanz DNA verändert und
dadurch eine verstärkte Aktivität einer Vielzahl von Genen möglich wird“, erläutert Göttlicher, der seit 2003 das GSF-Institut für Toxikologie leitet und den Lehrstuhl für Toxikologie an der Technischen Universität München
innehat. „In der Embryonalentwicklung verursacht diese erhöhte Genexpression Fehlbildungen, bei bestimmten Krebserkrankungen
scheint sich die Aktivierung von Genen jedoch vorteilhaft auszuwirken: Tumorzellen
werden im Wachstum gehemmt oder sie
sterben durch Induktion des programmierten
Zelltodes ab.“
DNA-Moleküle liegen im Zellkern – zusammen mit einer Reihe von Proteinen – in einer
hoch organisierten Struktur vor, dem Chromatin. In der ersten Verpackungsstufe wird die
DNA-Doppelhelix in so genannte Nukleosomen gepackt: Jeweils etwa 200 Basenpaare
der DNA sind um einen Kern aus acht Proteinen, den Histonen, gewunden. Aufgrund ihrer Aminosäurezusammensetzung sind die
Histon-Proteine positiv geladen, allerdings
können sie durch Enzyme so modifiziert werden, dass sich ihre Gesamtladung ändert. So
bewirkt eine bestimmte Enzymklasse – die
der Histon-Acetyltransferasen –, dass Acetyl-Gruppen angeheftet werden und dadurch
die Eigenladung der Histone neutralisiert
wird. Eine andere Klasse von Enzymen – die
Histon-Deacetylasen – können diese AcetylGruppen wieder entfernen und damit die positive Eigenladung der Histone wieder freilegen. Da die Bausteine der DNA – die Nukleotide – negativ geladen sind, hat der
Ladungszustand der Histone einen erheblichen Einfluss auf die Packungsdichte der
DNA im Chromatin und somit auch auf die
Zugänglichkeit der darauf lokalisierten Gene
für die Transkriptionsmaschinerie. Mit anderen Worten: Gene in einer locker gepackten
DNA auf acetylierten Histonen sind aktiver
als Gene in einer dicht gepackten DNA auf
nicht-acetylierten Histonen.
Valproinsäure, ein erfolgreich eingesetztes Epilepsiemedikament, zeigt teratogene
Wirkung: Die Einnahme während der Schwangerschaft
kann zu schweren Schädigungen des Embryos führen,
der Rückenmarkskanal wird
nicht korrekt geschlossen.
Die zwei Seiten des Wirkstoffs bildeten den Ausgangspunkt für die bahnbrechenden Arbeiten von Prof. Göttlicher und seinen Kollegen.
Im Bild: Mäuseskelette (li:
gesund, re: Fruchtschädigung
nach Behandlung mit Valproinsäure).
Fotos: Prof. Dr. H. Nau,
Dr. K. Hoffmann, Tierärztliche
Hochschule Hannover
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Die Verpackung der DNA im
Chromatin. Etwa 200 Nukleotide sind pro Nukleosom um
einen Kern (grünblau) von acht
Histonproteinen gewunden. Die
Histone können enzymatisch
durch Ubiquitin, Phosphat-,
Methyl- und Acetyl-Reste modifiziert sein. Dadurch ändert
sich die Verpackungsdichte der
DNA im Chromatin.
Göttlicher und Kollegen konnten in
ihren früheren Arbeiten zeigen,
dass das Anti-Epileptikum Valproinsäure die Aktivität der
Histon-Deacetylase-Enzyme
hemmt. Die Acetyl-Gruppen können daher nicht
mehr von den Histonen
entfernt werden, die
Histone liegen ungeladen vor, das Chromatin ist weniger dicht
gepackt, und viele
Gene, deren Kontrolle von der Histon-Acetylierung abhängt,
sind folglich aktiver. In der
Embryonalentwicklung, die durch ein empfindliches Gleichgewicht von aktiven und passiven Genen charakterisiert ist, führt diese
‚ungeplante‘ Genaktivierung zu Fehlbildungen von Neuralrohr und Schädel. Der erwachsene Organismus kann die Hemmung
der Histon-Deacetylasen in gewissen Grenzen offensichtlich besser ausgleichen als der
Embryo.
Genaktivierung zur Kontrolle
von Krebszellen
Die durch Hemmung von Histon-Deacetylasen verursachte Genaktivierung könnte – so
spekulierten die Wissenschaftler – aber auch
ein vielversprechendes Konzept zur Therapie
von bestimmten Tumorerkrankungen darstellen.
Kleines Molekül mit großer Wirkung: Valproinsäure
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Zellkernproteine von menschlichen Kulturzellen
nach gelelektrophoretischer Auftrennung.
Linke Spur: Größenstandards; mittlere Spur: Leicht
lösliche Zellkernproteine; rechte Spur: Schwerlösliche Zellkernproteine. Die vier prominenten Banden im unteren Bereich der schwerlöslichen Proteine sind die Histon-Proteine H2A, H2B, H3 und
H4, die den inneren Kern der Nukleosomen bilden.
In allen Körperzellen kontrolliert ein hochkomplexes Programm, welche Gene wann
an- beziehungsweise abgeschaltet sein müssen. Dieses Programm ist jedoch störanfällig.
Umwelteinflüsse oder Fehler im Erbgut können bewirken, dass Gene abgeschaltet werden, obwohl ihre Expression eigentlich wichtig ist – zum Beispiel um die Zelle vor unkontrolliertem Wachstum zu schützen, sich
entsprechend ihrer Bestimmung zu differenzieren oder den programmierten Zelltod auszulösen. Sind solche Gene fälschlicherweise
ausgeschaltet, kann sich aus einer gesunden
Körperzelle eine Krebszelle entwickeln, die
sich unter Umständen ungehindert vermehrt.
Aus der Tumorforschung war bekannt, dass
in vielen Arten von Krebszellen die Modifikation des Chromatins gestört und daher die Expression zahlreicher Gene fehlreguliert ist.
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Beispielsweise ist in bestimmten Leukämiezellen die Maschinerie für die Acetylierung
beziehungsweise Deacetylierung von Histonen defekt – es wird offensichtlich zu viel
Histon-Deacetylase-Aktivität an bestimmte
Gene gebunden. Dadurch wird die Chromatinstruktur derart verändert, dass wichtige
regulatorische Gene ‚stumm‘ bleiben.
Für die Therapie von solchen Tumorerkrankungen wäre es ideal, wenn Veränderungen
des Chromatins, die bedingt durch HistonDeacetylasen zu einer irregulären Stummschaltung von Genen führen, rückgängig gemacht werden könnten. Es existieren eine
ganze Reihe von natürlichen und synthetischen Substanzen, die diese Enzyme hemmen können, darunter eben auch die Valproinsäure. Ihr besonderer Vorteil als Therapeutikum wäre, dass sie schon lange als
Medikament zugelassen ist und – wenn auch
für eine andere Anwendung – umfangreiche
Erfahrungen über Wirkungen und Nebenwirkungen vorliegen.
Die Wissenschaftler prüften die AntitumorWirksamkeit von Valproinsäure zunächst an
Tiermodellen für Brust- und Darmkrebs, an
Karzinom-Zellkulturen und an menschlichen
Leukämiezellen. Die Ergebnisse waren äußerst vielversprechend: Viele Tumorzellen bildeten sich zurück, redifferenzierten sich zu
normalen Zellen oder wurden durch den programmierten Zelltod eliminiert. Allerdings
gab es auch Krebszellen, die nicht auf die
Hemmung von Histon-Deacetylasen reagierten.
Viel versprechender Baustein
für die Therapie
Mittlerweile haben auch Partner in der Klinik
Studien mit Valproinsäure als Antitumor-Medikament auf den Weg gebracht. Am Krankenhaus Nordwest in Frankfurt/Main läuft eine Phase I/II-Studie zur Dosisfindung und
Verträglichkeit und an der Universität Ulm
untersucht die AML-Studiengruppe (AMLSG)
in einer Phase II- und Phase III-Studie an Patienten mit akuter myeloischer Leukämie,
welche Wirksamkeit Valproinsäure in Kombination mit konventionellen und anderen inno-
vativen AntitumorMedikamenten hat.
Zum gegenwärtigen
Zeitpunkt sehen die
Studienergebnisse
ermutigend aus, und
es ist zu hoffen, dass
sich Valproinsäure
als ein Baustein in
der Kombinationstherapie bestimmter
Leukämien etablieren
wird.
Solide Tumoren
In einer Kooperation mit dem Forschungszentrum Karlsruhe fanden Göttlicher und seine
Mitarbeiter vom GSF-Institut für Toxikologie
kürzlich auch einen Zusammenhang zwischen einer Fehlfunktion von Histon-Deacetylasen und der Entstehung von soliden Dickdarm-Tumoren. Solche Tumoren entwickeln
sich häufig auf der Basis eines Defektes im
so genannten APC- (adenomatosis polyposis
coli) Tumorsuppressor-Gen. Der Ausfall dieses Gens führt unter anderem dazu, dass verstärkt eine bestimmte Histon-Deacetylase,
die HDAC-2, gebildet wird. Offensichtlich haben erhöhte HDAC-2-Mengen eine große Bedeutung für das weitere Schicksal der Krebszellen. An isolierten Dickdarm-Tumorzellen
wurde nämlich beobachtet, dass sie nur dann
überleben können, wenn erhöhte Mengen an
HDAC-2 vorhanden sind. Aktuelle Forschungsarbeiten gehen der Frage nach, warum eine Hemmung von Histon-Deacetylasen
zum Tod dieser Tumorzellen führt. Die genomweite Suche nach Genen, die durch Hemmung von Histon-Deacetylasen in DickdarmTumorzellen aktiviert werden, zeigt, dass offensichtlich die Balance zwischen Induktoren
und Inhibitoren des programmierten Zelltodes maßgeblich durch die Histon-Deacetylase-Aktivität gesteuert wird. Ferner hängen
auch Komponenten, die an der Erkennung der
Tumorzellen durch das Immunsystem beteiligt sind, von der Aktivität der Histon-Deacetylasen ab.
Bereits seit über 30 Jahren wird Valproinsäure
erfolgreich bei der
Behandlung von Epilepsie eingesetzt. Prof. Dr.
Martin Göttlicher, heute
Leiter des GSF-Instituts
für Toxikologie, hat
zusammen mit Kollegen
entdeckt, dass Valproinsäure auch Wirkung
gegen Tumorzellen zeigt.
Mittlerweile laufen dazu
ermutigende Phase I-, IIund III-Studien an
Patienten mit akuter
myeloischer Leukämie.
Das verstärkte Auftreten der Histon-Deacetylase HDAC-2 in Dickdarm-Tumoren wirft die
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Dickdarm
normal
Karzinom
Immunfluoreszenz HDAC2
Die Expression von Histon-Deacetylase 2 (HDAC2) in Normalund Tumorgewebe bei einem
Patienten mit Dickdarmkarzinom. Das Enzym wurde durch
Immunfluoreszenz mit HDAC2spezifischen Antikörpern sichtbar gemacht. In Tumorgeweben
wird HDAC2 deutlich stärker
exprimiert als in gesundem
Gewebe.
Kontakt
Prof. Dr. Martin Göttlicher
GSF-Institut für Toxikologie
Tel.: 0 89/31 87-24 46
[email protected]
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Frage auf, ob dieses Enzym einen entscheidenden Beitrag zur Tumorentstehung leistet
und ob sich ohne HDAC-2 überhaupt Tumoren
bilden können. Die Verfügbarkeit von genetisch veränderten Mäusen erlaubt es nun,
dieser Frage mit Hilfe von Maus-Tumormodellen nachzugehen.
Im Hinblick auf eine in der Zukunft eventuell
mögliche Hemmung von HDAC-2 zu therapeutischen Zwecken ist es wichtig, dass der
Gesamtorganismus diese Hemmung des Enzyms in gewissem Umfang tolerieren kann.
Hier geben die genetisch veränderten Mäuse
schon jetzt wichtige Hinweise: Sie sind nämlich trotz Fehlens von HDAC-2 lebensfähig.
Zwar sind sie von Geburt an kleiner als ihre
nicht veränderten Geschwister und durchlaufen auch die Embryonalentwicklung nicht
ganz ohne Fehler, dennoch geben diese Analysen Anlass zur Hoffnung, dass eine Hemmung von HDAC-2 im erwachsenen Organismus, der einen Tumor entwickelt hat, keine gravierenden Schädigungen nach sich
zieht. Die Bildung von Darmtumoren ist in
Mäusen ohne HDAC-2 vermindert, auch
wenn sie – bis zum Stadium von gutartigen
Polypen – nicht ganz ausbleibt. Offen ist die
Frage, inwieweit die Weiterentwicklung solcher Adenome hin zum bösartigen Karzinom
durch das Fehlen von HDAC-2 beeinflusst
wird, und ob es eine lohnende Perspektive
ist, selektiv wirkende Hemmstoffe für die
HDAC-2 zu entwickeln.
In Zusammenarbeit mit der Technischen Universität München und dem Klinikum rechts
der Isar werden die in der Grundlagenforschung entwickelten Konzepte durch Studien
an Tumorpatienten überprüft. Die Wissenschaftler untersuchen an Proben von
menschlichen Dickdarm-Tumoren, ob sich die
Vorhersagen aus Zellkultur- und Mausexperimenten bestätigen lassen und tatsächlich ein
Zusammenhang zwischen erhöhten HistonDeacetylase-Mengen und der Reduktion bestimmter Wachstumsbremsen und Auslösern
von Zelltod besteht. Sie erwarten, dass diese
Untersuchungen Indikatoren für diejenigen
Tumoren liefern, die auf eine Behandlung mit
Hemmstoffen für Histon-Deacetylasen ansprechen. Die Arbeiten werden durch die
Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 456
„Zielstrukturen für selektive Tumorinterventionen“ gefördert.
Mit Krebspreis geehrt
Im März 2006 wurden Prof. Martin Göttlicher und Prof. Thorsten Heinzel, früherer
Mitarbeiter am Georg-Speyer-Haus in
Frankfurt am Main, jetzt Universität Jena,
mit dem experimentellen Krebspreis 2006
der Deutschen Krebsgesellschaft ausgezeichnet. In der Begründung heißt es unter
anderem: ‚Die Arbeiten der Preisträger
haben dazu geführt, dass ein grundlegender Mechanismus der Krebsentstehung
besser verstanden wurde und – basierend
auf diesen Erkenntnissen – (...) in absehbarer Zeit ein neues Krebsmedikament
zugelassen werden wird.‘