Tumorerkrankungen
Einleitung
Die Phosphorylierung von Proteinen an Tyrosin-Resten ist eine posttranslationale Proteinmodifikation (PTM) mit großer Bedeutung für die Regulation von Zellproliferation, -migration und -differenzierung. Defekte in der Regulation dieser Prozesse - häufig durch Mutationen oder Überexpressionen von Tyrosinkinasen hervorgerufene Hyperphosphorylierungen - sind an pathologischen Vorgängen, vor allem im Zusammenhang mit Tumorerkrankungen, beteiligt. Inhibitoren, die konstitutiv aktive Protein-Tyrosinkinasen (PTK) blockieren können, haben deshalb in den letzten Jahren als eine Gruppe neuer Pharmaka Eingang in die Tumortherapie gefunden.
Protein-Tyrosinphosphatasen (PTP) sind Gegenspieler der Tyrosinkinasen in allen von Tyrosinphosphorylierungen abhängigen Signalwegen. Potentiell kann die Dysregulation von PTP über verschiedene Mechanismen zur malignen Transformation beitragen. Dazu gehören aktivitätsverändernde Mutationen, Veränderungen in der Genexpression, sowie Veränderungen in der Regulation der PTP Aktivität. Unter den Regulationsmechanismen hat in den letzten Jahren die reversible Oxidation zunehmend Aufmerksamkeit gefunden (Östman et al., J. Biochem. 2011). Die Phosphotyrosin-Hydrolyse durch die meisten PTP erfolgt durch einen Mechanismus, der von einem aktivierten Cystein-Rest im katalytischen Zentrum der PTP abhängig ist. Dieses Cystein ist sehr empfindlich gegenüber der Oxidation durch reaktive Sauerstoff-Spezies (ROS) in der Zelle, welche zu einer im Prinzip reversiblen PTP-Inaktivierung führt, was wir für die Rezeptor-PTP Dep-1 (RPTP) gezeigt haben (Godfrey et al., JBC 2012; Jayavelu et al., Leukemia 2016).
Eine mit FLT3 bezeichnete Rezeptor-Tyrosinkinase (RTK) spielt bei der hämatopoetischen Zelldifferenzierung eine wichtige Rolle. Mutierte Formen dieses Rezeptors mit konstitutiver Aktivität (z.B. FLT3 ITD) werden häufig in Patienten mit Akuter Myeloischer Leukämie (AML) gefunden. Die Biogenese und Lokalisierung dieser mutierten FLT3-Moleküle ist in den AML Zellen fehlerhaft verändert, ein Vorgang der zur Zelltransformation beiträgt und dessen Beeinflussung potentiell eine neue Strategie zur Interferenz mit Proliferation und Überleben der Leukämiezellen darstellt (Schmidt-Arras et al., Mol. Cell Biol. 2005; Blood 113 2009; Godfrey et al., JBC, 2012; Jayavelu et al., Leukemia 2016). Die Arbeiten unseres Instituts zielen auf das bessere Verständnis der Rolle von Fehlfunktionen von PTP und PTK in der Entstehung von Tumorerkrankungen, sowie die potentielle Nutzung neu identifizierter Signalwege für therapeutische Ansätze (unlängst zusammengefasst in Schmidt-Arras & Böhmer, TIMM 2020; Müller & Schmidt-Arras, Cancers 2020).
Die Gegenspielerrolle von RPTP Dep-1 (PTPRJ) und CD45 (PTPRC) auf Wildtyp- und mutiertes FLT3 wurde in unserer Arbeitsgruppe durch in vitro- (Arora et al., JBC 2011) und in vivo-Systeme (Kresinsky et al., Haematologica 2018; Kresinsky et al., Oncogene 2019) untersucht. Die Inaktivierung von PTPRC in einem FLT3 ITD Hintergrund zeigte neben Veränderungen der Hämatopoese deutliche Abnormalitäten in der Knochenarchitektur, -Zellbiologie and der Knochen-Neubildung. Diese Ergebnisse deuten auf eine bisher nicht bekannte Rolle von FLT3 auf die Regulation der Knochen-Homöostase hin, die durch CD45 mit beeinflusst wird.
Die Histon-Deacetylase SIRT7 wurde vor kurzem als Faktor beschrieben, der die Quieszenz und Alterung von hämatopoetischen Stammzellen (HSC) reguliert. Molekulare Änderungen des hämatopoetischen Systems beeinflussen die Lebensdauer und Differenzierung von HSC. So unterdrückt SIRT7 die mitochondriale Biogenese und Respiration in juvenilen HSC. In gealterten HSC ist die Synthese von SIRT7 unterdrückt, was zu einer erhöhten Vermehrung und Differenzierung von HSC führt. Durch die Beobachtung, dass die onkogene RTK FLT3 ITD die Expression von SIRT7 unterdrückte, haben wir SIRT7 als wichtigen Faktor identifiziert, der die Entwicklung von altersabhängigen myeloischen Erkrankungen beeinflusst. Damit ist das zelluläre SIRT7-Niveau ein relevanter Pathomechanismus in FLT3 ITD-positiven AML-Zellen (Kaiser et al., Leukemia 2020).
Schwann-Zellen abgeleitete Nervenscheidentumore (ScNST) sind gutartig. Dennoch leiden betroffene Patienten an einer Vielzahl von Tumoren, die die Funktion der betroffenen Nerven gefährden. Angesichts der derzeitigen unzureichenden Behandlungsoptionen, wollen wir das Konzept einer Proteinersatztherapie zur Kontrolle der Gesamttumorlast und des Tumorrezidivs nach einer Operation validieren. Unsere bisherigen Daten zeigen, dass eine Proteinersatztherapie mit löslichem NRGß1 (rekombinantes menschliches rhNRGß1) das Tumorwachstum durch Induktion der Re-Differenzierung von Schwann-Zellen reduzieren kann.
In der multizentrischen, prospektiven, kontrollierten präklinischen Studie möchten wir an drei Standorten unabhängig die Wirksamkeit einer systemischen rhNRGß1-Behandlung zur Reduzierung des ScNST-Wachstums validieren und eine Grundlage für weitere klinische Studien legen.
Forschungsprojekte:
Deutsche Krebshilfe - Frank-D. Böhmer
Blockade der Bildung reaktiver Sauerstoffspezies als therapeutischer Ansatz für die FLT3-ITD-positive Akute Myeloische Leukämie
Die FLT3-ITD-positive Akute Myeloische Leukämie hat eine ungünstige Prognose und neue Therapieoptionen sind dringend erforderlich. Die Behandlung mit FLT3-ITD Tyrosinkinase-Inhibitoren (TKI) hat sich kürzlich als wirkungsvoll erwiesen, jedoch erleiden Patienten auch nach TKI-Therapie oder allogener Stammzell-Transplantation in 30-40% der Fälle einen Rückfall. Durch Vorarbeiten der Antragsteller konnte die Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) als ein zur Zelltransformation durch FLT3-ITD beitragendes Ereignis identifiziert werden. Die erhöhte Bildung von ROS wird dabei zumindest teilweise durch die Aktivierung von Signal Transducer and Activator of Transcription (STAT5) und eine erhöhte Expression der NADPH-Oxidase 4 (NOX4), einem direkten transkriptionellen Target von STAT5, bewirkt. Eine Folge der ROS Bildung ist die Inaktivierung von Protein-Tyrosinphosphatasen (PTP), darunter von DEP-1/PTPRJ, einem Negativregulator der FLT3-ITD Signaltransduktion. In NOX4-defizienten Zellen oder durch Behandlung mit NOX4-inhibierenden Substanzen wird dieser Weg unterbrochen, die PTP Aktivität wieder hergestellt, und die Proliferation von FLT3ITD-positiven Zellen in vitro sowie die Entwicklung einer leukämieähnlichen Erkrankung im Mausmodell deutlich abgeschwächt (Jayavelu et al., NOX4-driven ROS formation mediates PTP inactivation and cell transformation in FLT3ITD-positive AML cells. Leukemia. 2016, 30(2):473-83. Jayavelu et al., NOX-driven ROS formation in cell transformation of FLT3-ITD-positive AML. Exp Hematol. 2016, 44(12):1113-1122.) Ziel des Projektes ist es, ein auf der Interferenz mit der ROS-Bildung aufbauendes therapeutisches Konzept für die FLT3ITD-positive AML zu prüfen. Dafür soll:
1) Die kritische Rolle der NOX-abhängigen ROS Bildung für die Entwicklung und Unterhaltung einer FLT3-ITD-positive AML weiterführend validiert werden.
2) Die Unterbrechung der NOX-getriebenen ROS Bildung in Kombination mit der Anwendung von Zytostatika bzw. FLT3-ITD-selektiven TKI auf ihre mögliche therapeutische Wirksamkeit geprüft werden.
Beteiligte Mitarbeiter: Anne Kresinsky; Frank-D. Böhmer (Projektleiter) in Kooperation mit Muhammed Burak Demircan, Florian Heidel (Abteilung Hämatologie und Internistische Onkologie des UKJ)
Förderung: Deutsche Krebshilfe, 2017 - 2020
DFG-Projekt - Jörg Müller
In vivo Rolle des FLT3-CD45-Signalweges beim Knochenumbau
Durch krankheitsspezifische Mausmodelle wurde in einem vorangegangenen Projekt die in vivo Rolle der (PTP) PTPRJ/DEP-1 und PTPRC/CD45 bei der Regulation der Aktivität von Onkogenen untersucht, welche häufig in den kanzerogenen Zellen von AML-Patienten auftreten.
Wir konnten zeigen, dass diese PTP die myeloproliferative Erkrankung der FLT3-ITD-Tiere verschlimmerte, was ihre tumorunterdrückende Rolle in vivo demonstrierte. Diese Studien wurden unlängst in den Fachjournalen Hematologica und Oncogene veröffentlicht. FLT3-ITD Mäuse, bei denen Ptprc inaktiviert war, zeigten neben Aberranzen in der Hämatopoese einen deutlichen und unerwarteten Knochenphänotyp. Verkürzte Knochen, ein erhöhtes Knochenvolumen und eine reduzierte Knochendichte wurden von einer ektopischen Knochenbildung in peripheren Organen dieser Tiere begleitet. Überraschend war die völlig neue Beobachtung, dass selbst in FLT3-ITD-Mäusen signifikante Knochenveränderungen auftraten. Diese Ergebnisse deuten auf eine bisher nicht bekannte Rolle von FLT3-ITD (und wahrscheinlich FLT3) bei der Regulation des Knochenmetabolismus hin, die durch Ptprc beeinflusst wird. Knochenanomalien in AML-Patienten und häufig auftretende pathologische Knochenbildung nach Stammzelltransplantationen demonstrieren die klinische Relevanz unserer Ergebnisse.
Das Ziel des beantragten Projektes ist die Aufklärung der Mechanismen, wie FLT3/ FLT3-ITD-Ptprc-Signalwege die Knochenbildung und ihren Umbau kontrollieren. Durch die molekulare Charakterisierung der dabei beteiligten Knochenzelltypen, ihre Stammzellbiologie und Repopulationskapazität sowie die zu Grunde liegenden Signalmechanismen soll die Rolle von FLT3 und Ptprc im Knochenmetabolismus beschrieben werden. Unser im letzten Projekt etabliertes FLT3-ITD/Ptprc-/- Mausmodell und die korrespondierenden Wildtyp-, FLT3-ITD- und Ptprc-/--Kontrolllinien bilden die solide Grundlage des Projektes.
Folgende Ziele werden in dem Projekt adressiert:
- Die detaillierte Charakterisierung des Knochenphänotypes von FLT3-ITD-exprimierenden Mäusen,
- Bestimmung der Rolle von FLT3-ITD und CD45 bei der Knochenzelldifferenzierung und -aktivität,
- Analyse der zugrunde liegenden Signalwege der veränderten Knochenzellfunktion in FLT3-ITD und FLT3-ITD Ptprc-/- Mäusen und
- Aufklärung der Quelle der ektopischen Knochenbildung und des Stammzell-Homing.
Dieses Projekt wird neue Einblicke liefern, wie FLT3 und Ptprc den Knochenumbau, die Stammzellnische und die Wechselwirkung beider kontrollieren. Die Aufklärung dieses Mechanismus ist kritisch, um die normale und pathologische Hämatopoese und Knochenphysiologie zu verstehen und liefert das Potential der gezielten Beeinflussung von hämatologischen und osteologischenErkrankungen um verbesserte Therapieansätze zu etablieren.
Beteiligte Mitarbeiter: Carolin Lossius (Doktorandin), Jörg Müller (Projektleiter)
Kooperationen: Das Projekt wird in enger Zusammenarbeit mit Prof. Lorenz C. Hofbauer, Universitätsklinikum Dresden der Technischen Universität Dresden, Bereich Endokrinologie, Diabetes & Osteologie and Prof. Martina Rauner, Group Leader and Scientific Direktor des „Bone Labors“, Universitätsklinikum Carl Gustav Carus, TU Dresden. Lokal erfolgt eine enge Zusammenarbeit und Materialaustausch mit der Abteilung Hämatologie und Internistische Onkologie des UKJ.
Förderung: DFG Mu955/14-1, 2020-2023
DFG-Projekt - Jörg Müller
Rolle von SIRT7 bei der FLT3 ITD-vermittelten Zelldifferenzierung von –transformation
In ca. 25 % aller Patienten, die an Akuter Myeloischer Leukämie (AML) erkranken, werden Mutationen in dem Onkoprotein FLT3 ITD gefunden. Trotz der Einführung von Midostaurin als FLT3-ITD-Kinaseinhibitor stellen sie eine schwer zu therapierende Gruppe von AML-treibenden Mutationen dar. FLT3 spielt eine wichtige Rolle bei der Zellreifung und Proliferation von hämatopoetischen Vorläuferzellen. Das detaillierte Verständnis der Zelldifferenzierungs-Signalwege ist die Voraussetzung, um die Pathogenese der hämatologischen Aberranzen bei der Entwicklung von AML zu verstehen. Unsere Vorarbeiten haben gezeigt, dass es eine Korrelation zwischen der Entwicklung von myeloischen Neoplasmen und der Expression von SIRT7 als Faktor, der die Quieszenz der hämatologischen Stammzellen kontrolliert, gibt.
Die Basis des Forschungsprojektes bilden unsere in Leukemia veröffentlichten Ergebnisse, welche die Regulation von SIRT7 in myeloischen Erkrankungen beschreiben (Kaiser et al., 2020). Unsere Ergebnisse haben gezeigt, dass SIRT7 ein Schlüsselprotein ist, das die Aberranz der myeloischen Differenzierung reguliert. Somit ist die Änderung der SIRT7 Expression ein relevanter Pathomechanismus in FLT3 ITD-positiven AML-Zellen. Die Beobachtung, dass AML-Patienten mit geringer SIRT7-Expression eine signifikant schlechtere Prognose haben, zeigt die klinische Relevanz dieses Proteins. SIRT7 wurde vor kurzem als Faktor identifiziert, der die Quieszenz und die Alterung von hämatopoetischen Stammzellen (HSC) reguliert. Die Erniedrigung des zellulären SIRT7-Niveaus resultierte in der Initiation der Differenzierung von HSC.
Das Ziel dieses Vorhabens ist die Entschlüsselung des Mechanismus, wie FLT3-ITD über SIRT7 die Zelldifferenzierung und -transformation in leukämischen Zellen, ausgehend von hämatologischen Stammzellen, in vivo kontrolliert. Durch die Verwendung von AML-Patienten-Material, etablierten in vitro FLT3 ITD-Zellsystemen und spezifischen Mausmodellen wollen wir die Rolle von SIRT7 bei der FLT3 ITD-vermittelten Entwicklung von myeloischen Aberranzen und der klonalen Expansion von HSC untersuchen. Nach Etablierung der molekularen Korrelation des FLT3 ITD-SIRT7-Signaltransduktionsweges bei der HSC-Differenzierung und –Transformation, werden wir untersuchen, ob über die Aktivierung von SIRT7 die Quieszenz von HSC beeinflusst werden kann. Damit eröffnen sich neue Wege, um die Entwicklung hämatologischer Veränderungen zu beeinflussen und somit die myeloische Expansion von FLT3-ITD-exprimierenden Zellen in AML-Patienten zu unterdrücken.
Der Projektantrag basiert auf folgenden Arbeitshypothesen:
- SIRT7 ist in FLT3-ITD-positiven AML-Zellen (Zelllinien, primären Patientenmaterial, murinen Knochenmarkzellen) supprimiert.
- Die Unterdrückung von SIRT7 ist abhängig von der FLT3 ITD-Kinaseaktivität.
- Die C/EBP-kontrollierte SIRT7-Expression wird durch FLT3 ITD negativ reguliert.
- Die Restaurierung von SIRT7 induziert die Zelldifferenzierung und unterdrückt die zelluläre Transformation.
Zur Projektrealisierung werden folgende experimentellen Zugänge gewählt:
- i) Untersuchung der Rolle von FLT3-ITD auf die SIRT7-Aktivität
- ii) Analyse des Mechanismus, wie SIRT7 die FLT3 ITD-vermittelte Transformation und –differenzierung in leukämischen Zellen kontrolliert
iii) Analyse der Funktion von SIRT7 bei der FLT3 ITD-vermittelten Transformation und hämatologischen Differenzierung in vivo
- iv) Beeinflussung der FLT3-ITD-vermittelten Transformation durch die Aktivierung der zellulären Proteinacetylierung
Kooperationen: Kooperation mit der Abteilung Hämatologie und Internistische Onkologie des UKJ
Förderung: DFG Mu955/15-1, 2020-2023
BMBF - Reinhard Bauer
BMBF- Projekt – Reinhard Bauer
Schwann-Zell-Tumore sind gutartige Zellwucherungen des peripheren Nervensystems, die sporadisch oder in Zusammenhang mit dem Tumor-Prädisposition-Syndrom Neurofibromatose Typ 2 (NF2) auftreten können. Die Inzidenz dieser sporadisch und genetisch bedingten Tumore, liegt bei 2,1 / 100.000 /Jahr. Autopsien von älteren Personen weisen eine Häufigkeit für sporadisch auftretende Schwann-Zell-Tumore von 4,5% auf. Fast alle Schwann-Zell-Tumore weisen Mutationen im NF2 Gen auf, das für das Tumorsuppressor-Protein Merlin kodiert. Entscheidend für das Tumorwachstum ist die reduzierte Expression von Merlin, wodurch eine unzureichende neuronale Produktion von NRGβ1 den komplexen Regenerationsprozess eines peripheren Nervs nach traumatischer Verletzung stört, wodurch die aktivierte Schwannzell-Proliferation nicht mehr adäquat gebremst wird.
Bislang gibt es für den klinischen Einsatz noch keine spezifische Therapie. Die Ergebnisse einer explorativen monozentrischen präklinischen Studie unseres Kooperationspartners, der Arbeitsgruppe Morrison (FLI Jena), läßt vermuten, dass eine spezifische Hemmung des Wachstums von Schwann-Zell-Tumoren erreicht werden kann, wenn NRGβ1 während des Heilungsprozesses nach traumatischer Verletzung eines peripheren Nervs substituiert wird.
Das Versuchsvorhaben ist inhärenter Bestandteil der präklinischen, konfirmatorischen, multizentrischen Studie (pKMS) „rhNRGß1 Proteinersatz-Therapie von Schwann-Zell-Tumoren“. Diese pKMS hat die Aufgabe, die vorliegenden Ergebnisse der explorativen monozentrischen Studie zu überprüfen, indem die Reproduzierbarkeit des Hauptergebnisses: rhNRGβ1- Behandlung führt im Tiermodell zu einer deutlichen Reduzierung der Tumorgröße von induzierten Schwann-Zell-Tumoren, statistisch sicher nachgewiesen werden kann.
Diese pKMS ist erforderlich, um sicher zu stellen, dass die angestrebte Überführung (Translation) dieser neuartigen Therapie, d.h. die Proteinersatz-Therapie mit rhNRGβ1 zur Behandlung von Schwann-Zell-Tumoren beim Menschen auf gesicherter wissenschaftlicher Basis erfolgt.
Förderung:
BMBF-Förderung, Förderkennzeichen: 01KC2003C: "NRG1-PRT - rhNRGBß1 Proteinersatztherapie für die Behandlung von Schwann-Zellen abgeleiteten Nervenscheidentumoren, Studienteil Universitätsklinikum Jena; Datenmanagement"; Förderzeitraum: 2020 – 2023