35 - Tumprgewebe

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35 Tumorgewebe Petro E. Petrides

35.1 Fehlregulation des Wachstums und der Differenzierung bei Tumoren – 1142

35.2 Tumorentstehung (Cancerogenese) – 1143

35.3 Onkogene – 114335.3.1 Mechanismus der Onkogenwirkung – 114335.3.2 Protoonkogenaktivierung durch Mutationen – 1144

35.4 Antionkogene – 114535.4.1 Identifizierung von Antionkogenen – 114535.4.2 Funktionen von Antionkogenen – 114735.4.3 Inaktivierung von Antionkogenen durch Mutationen – 1149

35.5 Kumulative Aktivierung von Onkogenen und Inaktivierung von Antionkogenen beim Mehrschrittprozess der Tumorigenese – 1150

35.5.1 Familiäre adenomatöse Polyposis (FAP) – 115035.5.2 Hereditäre nicht-polypöse colorektale Tumoren – 115235.5.3 Sporadische colorektale Tumoren – 1152

35.6 Entstehung von Fusionsgenen durch Translokationen – 1154

35.7 Mechanismen der Invasion und Metastasierung – 115535.7.1 Invasion und Metastasierung – 115535.7.2 Wechselwirkungen von Tumorzellen mit der extrazellulären Matrix – 115635.7.3 Bedeutung von Proteinasen für Invasion und Metastasierung – 1156

35.8 Tumorentstehung durch Cancerogene – 115735.8.1 Chemische Cancerogenese – 115735.8.2 Physikalische Cancerogenese – 1158

35.9 Stoffwechsel von Tumorgeweben – 1159

35.10 Früherkennung von Tumoren – 1159

35.11 Krebstherapie – 1160

35.12 Gentherapeutische Ansätze bei Krebserkrankungen – 1161

Literatur – 1162

1142 Kapitel 35 · Tumorgewebe

35

>> Einleitung

Biochemische Untersuchungsmethoden wurden von Otto Warburg in den 30er Jahren des vergangenen Jahrhunderts in die Krebsforschung eingeführt. Dieser machte vor allem Störungen der Atmungskette und des Glucosestoffwechsels für die Mali-gnität verantwortlich. Im Gefolge dieser Pionierforschungen suchte man seit Ende der 40er Jahre nach allen möglichen bioche-mischen Unterschieden zwischen Krebs- und normalen Zellen. Diese Bemühungen haben erst seit Beginn der 80er Jahre des vergangenen Jahrhunderts durch die Entdeckung von Krebsgenen zu ersten sichtbaren Erfolgen geführt.

Das Auffinden der molekularen Unterschiede zwischen Normal- und Krebszellen stellt nicht nur die Grundlage zum Ver-ständnis der malignen Transformation dar, sondern eröffnet auch neue Wege zur Entwicklung von Krebstherapeutika. Denn das Problem der dem Onkologen zur Verfügung stehenden Krebsmittel war bisher ihre mangelnde Spezifität, d.h. die Tatsache, dass sie auch auf gesunde Gewebe wirken. Der Ansatz der zielgerichteten Tumortherapie (»targeted therapy«) auf der Basis tumorbiochemischer Erkenntnisse hat zur Entwicklung neuer Krebsmittel wie monoklonaler Antikörper oder Tyrosinkinase-Inhibitoren geführt, die bereits Eingang in die Tumorbehandlung gefunden haben. Die molekulare Dimension des Krebspro-blems ist extrem vielschichtig, da es den Krebs par excellence nicht gibt: Tumoren der einzelnen Gewebe unterscheiden sich, wie auch die normalen Gewebe, voneinander; in einem Gewebe entstehen unterschiedliche Tumoren, und viele Tumoren wei-sen zudem Subpopulationen von Zellen auf (Tumorheterogenität). Darüber hinaus nehmen die Krankheiten bei einzelnen Patienten einen sehr unterschiedlichen, individuellen Verlauf.

35.1 Fehlregulation des Wachstums und der Differenzierung bei Tumoren

! Störungen des Fließgleichgewichts zwischen Zellauf- und -abbau führen zu Tumoren.

Der menschliche Organismus besteht aus etwa 1013 Zellen, die in Organen und Geweben jeweils Funktionseinheiten bilden. Diese bestehen aus verschiedenen Zelltypen in ge-nau festgesetzten Proportionen und mit definierter, räum-licher Anordnung. Die Entwicklung, die zu den einzelnen Arten spezialisierter Zellen führt, wird als Differenzierung bezeichnet. Darüber gibt es praktisch in allen Geweben wei-tere Spezialisierungen: So besteht die Population der Epi-dermiszellen der Haut zu einen aus Basalzellen zum an deren aus Zellen verschiedener Keratinisierungs-Stadien (7 Kap. 24.8.2). Die mitotische Aktivität ist auf die basalen Zellen beschränkt, bei deren Teilung jeweils wieder eine Basalzelle und eine Zelle entstehen, die sich weiter differenziert, d.h. die Fähigkeit zur Teilung verliert, dafür aber die Fähigkeit gewinnt, Keratin zu produzieren. Während Zellen der Epi-dermis ständig abgebaut und durch neue ersetzt werden, bleiben andere Zellen, wie z.B. der Großteil der Nervenzel-len, als individuelle Einheit bis zum Tode des Menschen bestehen. Der Austausch der Epidermiszellen ist wohl orga-nisiert: Die Stammzellen produzieren durch Replikation ständig Nachkommen, die nach mehreren Differenzie-rungsschritten den Platz der verlorenen Zellen einnehmen. Zwischen Wachstum und Differenzierung einerseits und dem programmierten Zelltod durch Apoptose (7 Kap. 7.1.5; 7 Kap. 25.8.2) andererseits besteht ein Fließgleichgewicht, d.h. die Anzahl der neu produzierten Zellen entspricht ge-nau der der abgebauten Zellen. Eindrucksvolles Beispiel ist das Darmepithel, das beim Menschen wie die Epidermis innerhalb von einigen Tagen regeneriert wird.

! Störungen des Gleichgewichts von Zellneubildung und programmiertem Zelltod können zu Tumoren führen.

Neben den Basalzellen der Haut und den Mukosazellen ha-ben auch die Zellen des Knochenmarks eine dauerhaft hohe Proliferationsrate. Daneben existieren Zellen mit nur zeit-weilig erhöhter Mitoserate wie Fibroblasten oder Endothel-zellen, die bei Verletzungen aktiv werden, und Zellen endo-kriner Gewebe wie das Endometrium, die in Zyklen proli-ferieren. Insgesamt sollen während eines Menschenlebens 1016 Zellen unbrauchbar und durch neue Zellen ersetzt werden. Wie der Ausgleich des Zellverlusts durch entspre-chende Zellproliferation reguliert wird, ist noch unbekannt. Die molekularen Grundlagen sind jedoch von großem praktischem Interesse, wenn bei Störungen des Fließgleich-gewichts die Zahl der neu gebildeten Zellen die der verloren gegangenen übersteigt. Die überzähligen Zellen können sich teilweise oder vollständig, zeitweilig oder auch immer der Regulation entziehen: die Folge sind harmlose Wuche-rungen (benigne Tumoren) oder bösartige Krebsge-schwulste (maligne Tumoren). Häufig ist mit der erhöhten Proliferation auch eine Unfähigkeit zur Differenzierung verbunden. Deshalb zielen Therapieansätze nicht nur auf eine Hemmung der Proliferation, sondern auch auf eine Induktion der Differenzierung.

Je nachdem, ob die Tumoren von Mesenchym- oder Epithelzellen ausgehen, wird zwischen Sarkomen und Kar-zinomen unterschieden. Tumoren der Blut bildenden Zel-len werden als Leukämien bezeichnet. Ein Tumor entsteht aus einer neoplastisch veränderten Zelle und stellt damit einen Klon dar.

35.3 · Onkogene351143

35.2 Tumorentstehung (Cancerogenese)

! Onkogene und Antionkogene sind die verantwortlichen Krebsgene.

Krebs stellt eine genetische Erkrankung in dem Sinne dar, dass das Genom der Krebszelle durch eine Akkumulation von genetischen Veränderungen gekennzeichnet ist und dass diese Veränderungen von einer Krebszellgeneration auf die nächste übertragen werden.

Wesentliches Ziel der Krebsforschung ist die Identifi-zierung der für die Entstehung und Progression der einzel-nen Tumorerkrankungen beim Menschen verantwortlichen Gene (nach den Sequenzdaten des menschlichen Genoms etwa 900), der »Krebsgene«. Zu den »Krebsgenen« gehören die Onkogene und die Antionkogene, die die Tumorent-stehung fördern bzw. supprimieren. Diese Gene sind im normalen, d.h. genetisch nicht veränderten Zustand häufig als Schlüsselgene für die Vorgänge der Signaltransduk-tion (7 Kap. 25) verantwortlich. Zwischen den Produkten beider Gengruppen, den Onkoproteinen und Antionko-proteinen, besteht ein fein reguliertes Gleichgewicht: Stö-run gen dieses Gleichgewichts durch die konstitutive Akti-vierung von Onkogenen und/oder die Inaktivierung von Anti onkogenen begünstigen die Tumorentstehung. Wahr-scheinlich sind verschiedene Mutationen in unterschied-lichen Genen für die Entstehung und Progression der einzelnen Tumorerkrankungen verantwortlich und unter-schiedliche Gene mit unterschiedlichen Mutationen beim einzelnen Patienten verändert, was den individuellen Ver-lauf der Erkrankung und das individuelle Ansprechen auf eine Behandlung erklärt.

35.3 Onkogene

35.3.1 Mechanismus der Onkogenwirkung

! Viele Onkogene leiten sich von den an der Wachstums-regulation beteiligten Genen ab.

Viele Onkogen-Proteine weisen Strukturähnlichkeiten mit an der Wachstumsregulation beteiligten Proteinen auf. On-kogene sind durch Mutationen aus diesen normalen, für den Fortbestand einer Zelle notwendigen Genen ent-standen. Die letzteren werden dementsprechend auch als Protoonkogene, d.h. Vorläufer von zellulären Onkogenen (c-Onkogene) bezeichnet. . Tabelle 35.1 gibt eine Zusam-menstellung der wichtigsten Protoonkogene und der da-raus abgeleiteten zellulären Onkogene. Die Analyse Tumor bildender Gene aus Retroviren zeigt darüber hinaus, dass auch diese als virale Onkogene (v-Onkogene) bezeich-neten Gene in vielen Fällen Sequenzhomologie zu den an der Wachstumsregulation beteiligten Genen zeigen. Man

nimmt deswegen an, dass diese viralen Onkogene durch Übernahme aus dem Genom der jeweiligen Wirtszelle des Virus – eventuell in veränderter Form (z.B. ohne Introns) – entstanden sein müssen.

! Protoonkogene sind an der Transduktion von Wachs-tumssignalen beteiligt.

Das Zellwachstum wird durch eine große Zahl von Wachs-tumsfaktoren reguliert. Diese sind Polypeptide, die von verschiedenen Zellen gebildet werden und u.a. den Über-gang von Zellen aus der G0- bzw. G1-Phase in den Zell-zyklus bewirken. Dieser Übergang erfolgt in zwei Schritten (. Abb. 35.1): Zuerst muss die Zelle durch sog. Kompe-

. Tabelle 35.1. Protoonkogene und verwandte Onkogene (Auswahl)

1. Wachstumsfaktoren PDGF (platelet derived growth factor) FGF (fibroblast growth factor)

sis-Onkogenint 2-Onkogen

2. Transmembranäre Wachstums- faktorrezeptoren EGF-Rezeptor M-CSF-Rezeptor

erbB-Onkogenfms-Onkogen

3. Membranassoziierte Tyrosinkinasen Abl-Tyrosinkinase abl-Onkogen

4. Membranassoziierte Guanin- nucleotid-bindende Proteine Ras-Protein ras-Onkogen

5. Cytosolische Serin-Threoninkinasen raf-mil-Onkogenmos-Onkogen

6. Cytosolische Hormonrezeptoren Schilddrüsenhormonrezeptor erbA-Onkogen

7. Transkriptionsfaktoren fos-, jun-, myc-, myb-, rel-Onkogene

8. Apoptosefaktoren bcl2-Onkogen

. Abb. 35.1. Beeinflussung des Zellzyklus durch Kompetenz- und Progressionsfaktoren. Kompetenzfaktoren wie EGF, PDGF oder FGF können durch bestimmte Onkogene substituiert werden; die Wirkung von Progressionsfaktoren ist z.B. durch TGF-β antagonisierbar


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tenzfaktoren von der G0- in die G1-Phase überführt wer-den und anschließend unter dem Einfluss von Progres-sionsfaktoren mit der DNA-Synthese beginnen. Zur Gruppe der Kompetenzfaktoren zählen der epidermale Wachstumsfaktor (EGF), der transformierende Wachs-tumsfaktor- (TGF- ), der Fibroblastenwachstumsfak-tor (FGF) und der Plättchenwachstumsfaktor (PDGF) (7 Kap. 7.1.4, 25.1.3). Der insulinähnliche Wachstums -faktor-1 (IGF-1) oder Insulin in hohen Konzentrationen sind wichtige Vertreter der Progressionsfaktoren (. Abb. 35.1). Der Durchtritt durch die G1-Phase erfordert die kon-ti nuierliche Wachstumsfaktor-Stimulation über mehrere Stunden, da die Zellen sonst wieder in den G0-Zustand zurückkehren. Während eines bestimmten Abschnitts der G1-Phase müssen sowohl Kompetenz- als auch Progres-sionsfaktoren anwesend sein, anschließend nur noch Pro-gressionsfaktoren. Einige Cytokine wie der transformieren-de Wachstumsfaktor- (TGF- ), Interferone oder Tumor-nekrosefaktor (TNF- ) antagonisieren die Wirkung von Wachstumsfaktoren.

Der erste Schritt in der Wechselwirkung von Wachs-tumsfaktoren mit der Zielzelle ist die Bindung an einen spezifischen Membranrezeptor, meist aus der Familie der Rezeptoren mit Tyrosinkinaseaktivität (7 Kap. 25.5.1). Eine wichtige Funktion bei dieser Signaltransduktion kommt dem G-Protein Ras zu, das, das nach Aktivierung durch Rezeptoren mit Tyrosinkinaseaktivität GTP bindet und damit die Signaltransduktionskaskade weiterleitet. Zur Signallöschung dient das GAP-Protein (GAP, GTPase activating protein). Dies fördert die GTPase-Aktivität von Ras und leitet damit dessen Inaktivierung ein (. Abb. 35.2). Es gibt Mutationen, die einen Aminosäureaustausch im Ras-Protein auslösen, der die Bindung des GAP-Protein und damit die Ras-Inaktivierung unmöglich macht. Dies führt zu einer Arretierung des durch den Wachstums-faktor aktivierten Zustands der Zelle und wirkt damit mitogen.

35.3.2 Protoonkogenaktivierung durch Mutationen

! Onkogenmutationen wirken dominant.

Onkogene werden bei menschlichen Tumoren durch Mu-tationen aktiviert. Die Wirkung aktivierter Onkogene ist dominant, d.h. sie wird bereits manifest, wenn das zweite Allel noch nicht aktiviert ist. Onkogen-Mutationen kön-nen ständig in somatischen Zellen auftreten. Da sie nicht in Keimbahnzellen beobachtet worden sind, wirken On-kogenmutationen während der Embryonalentwicklung offenbar letal. Punktmutationen verursachen den Aus-tausch einer Aminosäure, so z.B. in den Positionen 12, 13 oder 61 des Ras-Onkoproteins bei Patienten mit Colontu-moren. Chromosomale Translokationen wie bei der chronischen Leukämie (9/22) führen zum Bruch von On-kogenen und zur anschließenden Fusion der Bruchstücke mit Ausbildung von Fusionsgenen, die in ihrer Funktion verändert sind. Durch andere Translokationen (t8/14) ge-rät ein Onkogen unter den Einfluss eines neuen regulato-rischen Systems (wie z.B. das c-myc-Onkogen beim Bur-kitt-Lymphom unter den Einfluss des Immunglobulin-locus). Folge der Onkogenmutation ist die konstitutive Anschaltung eines Signaltransduktionswegs, auch wenn kein exogenes Wachstumssignal vorliegt. Sie macht die Zelle also vom Liganden unabhängig. Alternativ kann eine Daueraktivierung auch durch die konstitutive Pro-duktion eines Wachstumsfaktors hervorgerufen werden, für den die Zelle einen Rezeptor besitzt. Diese auto-krine Stimulation der Prolife ration (7 Kap. 25.1.1) ist demnach ligandenabhängig. Darüber hinaus können auch Gene, die am programmierten Zelltod (Apoptose) be teiligt sind, durch eine veränderte Expression zu einer Verlängerung der Überlebenszeit der Zelle (ohne Pro-liferationssteigerung) führen. Dies kann z.B. durch eine Erhöhung der bcl 2-Konzentration oder den Verlust von

. Abb. 35.2. Ras-Inaktivierung durch Bindung des GAP-Proteins. Das mutier-te Ras-Protein kann das GAP-Protein nicht mehr binden, sodass das Ras-Pro tein daueraktiviert bleibt

351145

Caspase-Inhibitoren hervorgerufen werden (7 Kap. 7.1.5, 7 Kap. 9.3.1, 9.3.5).

35.4 Antionkogene

35.4.1 Identifizierung von Antionkogenen

! Bei familiären Tumoren liegt bereits eine Keimbahnmu-tation vor.

Wesentliche Anstöße erhielt die Antionkogenforschung durch das Postulat von Alfred Knudson von der University of Texas in Houston zu Anfang der 70er Jahre des ver-gangenen Jahrhunderts, nach dem das Retinoblastom (RB), ein Augentumor bei Kindern, durch zwei konseku-tive Mutationen im Genom entsteht.4 Danach treten bei der sporadischen Form des Retino-

blastoms beide Mutationen in der Retinazelle als soma-tische Mutationen nach der Konzeption auf

4 wohingegen bei der familiären Form eine Mutation als Keimbahnmutation von einem Elternteil ererbt und die zweite als somatische Mutation erworben wird (. Abb. 35.3)

Diese Hypothese geriet in Zusammenhang mit den Anti-onkogenen, als die Natur dieser Keimbahn- und soma-tischen Mutationen erkannt wurde: Sie führen nämlich zur Inaktivierung eines Gens auf Chromosom 13, das als Rb-Gen (7 Kap. 7.1.3; 35.4.2) bezeichnet wird. Grundlage für diese Identifizierung waren cytogenetische Analysen, die ein gelegentliches Fehlen der Bande q14 des Chromo-soms 13 bei Retinoblastomtumorzellen ergeben hatten. An-schließende genetische Analysen erbrachten den Beweis,

dass es sich bei den beiden postulierten Mutationen um die Inaktivierung der beiden Allele dieses Gens handelte. Es wurde auch klar, dass das Rb-Gen rezessiv wirkte, da Kin-der mit nur einem defekten Allel eine normale Entwicklung erfahren. Nur die Zelle, die auch das normale Wildtyp-Allel zusätzlich verliert, ist wachstumsgestört.

! Eine somatische Mutation ist an dem Verlust der Hete-rozygotie erkennbar.

Zur Identifikation chromosomaler Regionen, die Anti-onkogene enthalten, dient die DNA-Sequenzverlust-Ana-lyse, die am Beispiel des Retinoblastoms veranschaulicht werden soll (. Abb. 35.4), das – wie besprochen – als here-ditäre und sporadische Form vorkommt. Geht man von der Annahme aus, dass der hereditären Form eine Keimbahn-mutation des Retinoblastomlocus zugrunde liegt, dann wird das mutierte Allel bei einem Nachfahren des Patienten in allen seinen Keimzellen und somatischen Zellen vor-kommen. Der Nachkomme ist also heterozygot für den Locus, da er auf einem Chromosom das normale und auf dem anderen das mutierte Allel aufweist. Tritt nun in einer Retinazelle eine somatische Mutation auf, die zum Verlust des normalen Allels führt, so verliert die entstehende Tu-morzelle ihren heterozygoten Zustand (loss of heterozygosi-ty, LOH). Die Mutation, die zum Verlust des zweiten Allels führt, kann mit einer Frequenz von 10–6 pro Zellgeneration auftreten, sodass zwei nicht-funktionierende Allele entste-hen, die jedoch Mutationen in unterschiedlichen Regionen aufweisen können (gemischte Heterozygotie). Wesentlich häufiger (mit 10–3 bis 10–4 pro Zellgeneration) erfolgt der Verlust des Wildtyp-Allels jedoch durch andere Mechanis-men wie chromosomale non-disjunction, meiotische Re-kombination oder Genkonversion, sodass die meisten Tu-moren, die beide Allele des Antionkogens verloren haben, identisch mutierte Allele aufweisen. Ist eine solche Mutati-on mit dem Verlust einer chromosomalen Bande (7 oben) oder gar des gesamten Chromosoms verbunden, so ist sie entsprechend einfach unter dem Mikroskop mit Hilfe der Cytogenetik zu erkennen (ohne dass dadurch der genaue Locus definiert wäre). Die meisten Mutationen liegen je-doch auf submikroskopischer Ebene. Da aufgrund des oben geschilderten Mechanismus der Entstehung der Heterozy-gotie die chromosomalen Regionen, die das mutierte Allel flankieren, oft ebenfalls betroffen sind, können polymor-phe Marker, die in der Nähe der mutierten Region liegen und ebenfalls vor der Tumorentstehung heterozygot waren, einen parallelen Verlust der Heterozygotie aufweisen.

Zur Identifizierung bisher noch nicht bekannter Anti-onkogene werden auch sog. anonyme Sonden (da zwar ihr Bindungsort an einen Chromosomenabschnitt, nicht aber ihre Struktur bekannt ist) als Marker für Polymorphismen verwendet: Mehrere Hundert solcher anonymen DNA-Sonden für alle Chromosomen mit einem mittleren Ab-stand von etwa 10 Millionen Basen stehen für diese Unter-suchungen zur Verfügung. Um den Verlust von Allelen zu

. Abb. 35.3. Vergleich der zeitlichen Mutationsabfolge bei fami-liären und sporadischen Tumoren. Gezeigt sind die beiden Allele, die nacheinander durch Mutationen geschädigt werden müssen

35.4 · Antionkogene


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entdecken, muss DNA von normalen und Tumorzellen desselben Patienten verglichen werden. Die wiederholte Beobachtung des Verlusts der Heterozygotie eines spezi-fischen chromosomalen Markers in Zellen eines be-stimmten Tumortyps spricht dann für die Existenz eines in der Nähe gelegenen Antionkogens, dessen Verlust an der Tumorentstehung beteiligt ist. So findet sich z.B. ein Mar-ker für Chromosom 18q, der hochpolymorph (und des-halb in den meisten Genomen heterozygot) ist, in 70% fortgeschrittener Colonkarzinome in einem homozygoten Zustand. Dies spricht für die Gegenwart eines Antionko-gens in der Nähe dieses Markers. Mit diesem Ansatz kann man das gesamte Tumorgenom systematisch auf die Ge-genwart von LOHs untersuchen. Erschwert werden Inter-pretation und Analyse von LOHs gelegentlich durch die Gegenwart stromaler und inflammatorischer Zellen in Tumorgewebeproben, d.h. von Zellpopulationen, die den normalen Genotyp aufweisen.

! Unterschiede in den genetischen Fingerabdrücken von Tumor- und Normalgewebe weisen auf somatische Mutationen hin.

Ein ähnlicher Ansatz ist mit Hilfe der Sonden für Mikro-satelliten möglich. Dazu werden kurze Nucleotidabschnitte wie (CAC)5 oder (CTGT)4, die mehrfach an bekannten Stellen des Genoms vorkommen, als Sonden verwendet. Bei diesem Ansatz werden bei einem Patienten der trans-formierte und der noch verbliebene gesunde Anteil eines Organs parallel untersucht. Dies ist z.B. beim Nierenkrebs möglich, zu dessen Behandlung die erkrankte Niere durch Operation entfernt wird. Solche als genetischer Finger-abdruck bezeichneten Analysen zeigen, dass bei Verwen-dung der mit dem DNA-Abschnitt (CTGC)4 hybridisie-renden Sonde (GACA)4 nach Restriktionsenzymverdau bei einem Großteil der Patienten Bandenabschwächungen erkennbar sind (. Abb. 35.5). Da die repetitiven Elemente,

. Abb. 35.4. Verlust der Heterozygotie (LOH) am Beispiel des Retinoblastoms. Oben links: Vererbung eines Chromosom 13 mit einem rezessiven Defekt am RB 1-Locus (als rb bezeichnet) führt dazu, dass das Kind in allen Zellen rb/+ ist. Das Retinoblastom kann durch Verlust des dominanten Wildtyp-Allels durch im unteren Abbildungsteil beschriebene Mechanismen entstehen. Oben rechts: Eine rezessive Mutation, die in einer einzelnen Zelle auftritt, könnte ebenfalls durch einen der angegebenen Mechanismen erkannt werden. Unten: Der an der Tumorentstehung beteiligte chromosomale Mechanismus kann durch den Vergleich der Genotypen der Loci A und B auf Chromosom 13 in Normal (N)– und Tumorge-webe (T) analysiert werden: (α) Verlust des Wildtypchromosoms, sodass ein Verlust dieser Allele im Tumorgewebe auftritt, (β) Verlust des Wildtypchromosoms und Duplikation des mutierten Chromosoms, sodass die Intensität der verbliebenen Allele doppelt so stark im Tumor- wie im Normalgewebe ist, (γ) Rekombi-nation unter Beteiligung eines Bruchpunkts zwischen Locus A und rb1, sodass ein Locus im Tumor heterozygot bleibt, während der andere ein Allel verliert und das zweite verdoppelt, und (δ) ist die Mutation spezifisch für den rb1-Locus, dann zeigt die RFLP-Analyse keinen Allelverlust im Tumor. (Nach Hansen u. Cava-nee 1988)

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mit denen diese Sonde hybridisiert, auf den kurzen Armen der Chromosomen 13, 14, 15, 21 und 22 liegen, befinden sich dort wahrscheinlich für die renale Tumorgenese kri-tische Gene. Durch diese Techniken wird i.A. eine chro-mosomale Region festgelegt, auf der sich eine Vielzahl von Kandidaten-Antionkogenen befindet. Durch Verwen-

dung zusätzlicher Sonden kann die Zahl der Kandidaten-gene von mehreren auf eines eingeengt werden, welches dann sequenziert wird. Durch den Nachweis von Muta-tionen bei Patienten mit der untersuchten Tumorerkran-kung wird das Kandidatengen in den Stand eines Tumor-gens erhoben.

35.4.2 Funktionen von Antionkogenen

! Tumorsuppressor-Gene regulieren den Zellzyklus.

Antionkogene bzw. Antionkoproteine wirken als Hemm-stoffe des Zellwachstums (. Tab. 35.2): Die Antionkoprote-ine Rb105 und p53 (7 Kap. 7.1.3, 10.3.2, 35.4.2) werden als kernständige Proteine beim kritischen Übergang von der G1- in die S-Phase benötigt, also zu dem Zeitpunkt, zu dem auch TGF- die Progression durch den Zellzyklus hemmen kann. Die Hemmung durch TGF- korreliert mit einer Phosphorylierung des Rb-Genprodukts, welches dadurch inaktiviert wird (7 unten). Für andere Antionkoproteine werden eine Reihe von Funktionen (. Tabelle 35.3) disku-tiert, zu denen auch DNA-Reparaturfunktionen zählen (Mutator-Gene, 7 Kap. 35.5.2). Für ein weiteres Antionko-gen, das BCRA1-Gen, dessen Ausfall mit einem deutlichen Risiko verbunden ist, ein familiäres Mammakarzinom zu entwickeln, sind Funktionen bei der Regulation der Trans-kription, der DNA-Reparatur sowie der Ubiquitierung von Proteinen nachgewiesen worden.

! Das Rb-Genprodukt hemmt über die Inaktivierung der Transkriptionsfaktoren E2F und DP1 den Eintritt in die S-Phase.

Der zeitliche Ablauf des Zellzyklus wird durch Synthese und Abbau der Cycline bestimmt, deren Konzentration in einer Phase des Zellzyklus ansteigt und in einer anderen wieder abfällt (Einzelheiten 7 Kap. 7.1.2). Cycline regulieren

. Abb. 35.5. Nachweis des Verlusts chromosomaler Abschnitte bei 8 Patienten mit Nierenkrebs durch genetischen Fingerab-druck. Die Hybridisierung erfolgte mit der synthetischen Oligonu-cleotidsonde (GACA). N Normalgewebe; C Tumorgewebe; Hi Hinf I; H Hae III. Die Pfeile zeigen die im Tumoranteil fehlenden Banden. (Nach Bock et al. 1994)

. Tabelle 35.2. Antionkogene (Auswahl)

Gen Protein Krankheit Lokalisation Funktion

rb Rb Retinoblastom, Osteosarkom 13q14 Reguliert Transkriptionsfaktoren

wt-1 WT-1 Wilms-Tumor 11p13 Transkriptionsfaktor

apc APC Familiäre Polyposis 5q21 β-Cateninbindung

dcc DCC Colorektale Tumoren 18q21 Adhäsionsprotein

p53 p53 Osteosarkom, Mamma, Gehirn 17p12–13 Transkriptionsfaktor

nf1 Neurofibromin Neurofibromatose 17q11.2 GTPase-aktivierendes Protein

nf2 Merlin Akustikusneurinom 22q Cytoskelett-Integration

mts1 p16 Melanom 9q21 Blockiert cdk4

mts2 p15 ? 9q21 Blockiert cdk

msh2 MSH2 Colorektale Tumoren 2p DNA-Reparatur

mlh1 MLH1 Colorektale Tumoren 3p DNA-Reparatur

brca1 BRCA1 Mamma-, Ovarialcarcinom 17q21 Transkriptionsfaktor



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Proteinkinasen, die deshalb als Cyclin-abhängige Protein-kinasen (cyclin dependent kinases, CDK 1, 2, 3 etc.) bezeich-net werden. Die Aktivierung von CDK 2 durch Cyc lin E und von CDK 4 durch Cyclin D führt zur Phosphorylierung des Retinoblastom-Proteins (Rb105), wodurch die Zelle in die S-Phase eintreten kann. Rb105 bindet im dephosphory-lierten Zustand zwei Transkriptionsfaktoren, E2F und DP1, die dadurch inaktiviert werden. Die Phosphorylierung von Rb105 führt zu Freisetzung von E2F und DP1, die dann die Transkription von Genen in Gang setzen (. Abb. 35.6). Dazu gehören Proteine, die für die die DNA-Synthese verantwort-

lich sind (sog. S-Phase-Proteine). Damit besteht die normale Funktion von Rb105 – nicht nur in Retinazellen – darin, den Eintritt in die S-Phase zu ver hindern.

! p53 hemmt den Übergang in die S-Phase bei DNA-Schädigungen.

Wenn die DNA einer Zelle durch Carcinogene, UV-Licht oder γ-Strahlung beschädigt ist (7 Kap. 7.7.3), bedeutet dies bei einer Zellteilung das Risiko einer erhöhten Mutations-frequenz. Es existieren deshalb Mechanismen, mit denen der Übergang in die S-Phase bei Schädigung des Genoms verhindert wird. So steigt die p53-Konzentration als Ant-wort auf eine DNA-Schädigung an. Dadurch werden ver-schiedene Transkriptionsfaktoren wie z.B. das p21-Protein vermehrt synthetisiert. p21 bindet die CDK 2 und 4 und hemmt dadurch die Phosphorylierung ihrer Substrate, so z.B. des Rb105 (. Abb. 35.7). Dadurch bleibt der Rb105-E2F-DP1-Komplex intakt und die Zelle kann nicht von der G1- in die S-Phase übertreten. Dies verschafft der Zelle eine Gelegenheit, den DNA-Schaden zu reparieren. Anschlie-ßend fällt der p53-Spiegel wieder ab, sodass p21 nicht län-ger synthetisiert wird. Ist p53 mutiert (bei fast der Hälfte aller menschlichen Tumoren! siehe unten), so kann der

. Tabelle 35.3. Mögliche Funktionen von Antionkogenen

Induktion terminaler Differenzierung

Aufrechterhaltung genomischer Stabilität (Mutator-Gene)

Triggerung des Alterungsprozesses

Regulation des Zellwachstums

Hemmung von Proteinasen

Modulation von Histokompatibilitätsantigenen

Regulation der Angiogenese

Vermittlung der Zell-Zell-Kommunikation

Transkription vonS -Phase-Genen

Rb

Rb

E2F

P

P P

P

p 53

Cyclin E

G1

S

G2

M

G0

DP 1

ATP

ADP

CDK 2

Cyclin D

CDK 4

+ +

. Abb. 35.6. Wirkung von Cyclin E/CDK2 und Cyclin D/CDK4 auf den Rb-E2F-DP1-Komplex. Nach Phosphorylierung des Rb 105 dissoziiert der Komplex, sodass die Transkriptionsfaktoren freigesetzt werden und ihre Wirkung entfalten können

. Abb. 35.7. Über p21 vermittel-te Effekte von p53 auf die Cyclin E/CDK2- und Cyclin D/CDK4-Komplexe. (Einzelheiten 7 Text)

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Übergang in die S-Phase nicht verhindert werden. Darüber hinaus supprimiert das p53-Protein die Entstehung von Tumoren noch über die Initiation der Apoptose (7 Kap. 7.1.5). Somit überwacht p53 die Integrität des Genoms durch Verhinderung der Zellteilung durch G1-Arretierung oder Aktivierung eines Suizidprogramms, wenn die DNA eine Schädigung aufweist.

! Papillomvirus-Genprodukte können p53 und das Rb105 inaktivieren.

Papillomviren (7 Kap. 10.3.2) benötigen für ihre Replika tion Nucleotidvorstufen. Aus diesem Grunde ist es für sie günstig, wenn die Wirtszelle in die S-Phase eintritt, in der die Bedin-gungen für die Virusreplikation optimal sind. Die Virus-proteine E6 und E7 binden und inaktivieren p53 und Rb105. Wenn E7 an Rb105 bindet, setzt das Rb105-Protein die E2F-DP1-Transkriptionsfaktoren frei, die den Eintritt in

die S-Phase ermöglichen. Die Bindung von E7 an Rb105 ent-spricht der Phosphorylierung von Rb105 durch die CDKs (. Abb. 35.6), sodass die Notwendigkeit für das normale Sig nal umgangen wird. Unter diesen Umständen erkennt das p53-Kontrollsystem möglicherweise, dass etwas nicht stimmt, sodass die Zelle der Apoptose anheim fallen würde. Da jedoch das E6-Protein mit p53 assoziiert, wird sein Abbau gefördert und seine Wirkung entsprechend geschwächt.

35.4.3 Inaktivierung von Antionkogenen durch Mutationen

! Antionkogenmutationen wirken rezessiv.

Antionkogene wirken – im Gegensatz zu den Onkogenen – rezessiv, d.h. sowohl die vom Vater als auch die von

. Abb. 35.8. Verteilung somatischer Mutationen im p53-Gen. In der Mitte: Die Gesamtverteilung bei 1312 Patienten. Oben: Die unter-schiedliche Verteilung bei Leberkrebspatienten in Hoch- und Niedrig-

risikoregionen. Unten Patienten mit Lungen- oder Darmkrebs. (Nach Harris u. Hollstein 1993)



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der Mutter ererbte Kopie des Gens muss inaktiviert sein, damit die wachstumssupprimierende Funktion des Gens aufgehoben wird. Prädispositionssyndrome resultieren aus der Keimbahninaktivierung einer Kopie eines Anti-onkogens, der eine somatische Mutation auf dem anderen Allel folgen muss, damit die Krankheit klinisch manifest wird. Auch Antionkogene können über die bekannten Mechanismen inaktiviert werden: Punktmutationen (mit Aminosäuresubstitutionen oder vorzeitigem Transla-tionsabbruch), Deletionen, Insertionen oder Spleißmuta-tionen.

! Somatische Mutationen des p53-Antionkogens sind häufig und bei den einzelnen Tumorerkrankungen unterschiedlich verteilt.

Etwa 80% der Mutationen im p53-Gen bedingen Ami-nosäuresubstitutionen (Missense-Mutationen), die die Wechselwirkung mit anderen Proteinen in der Zelle oder die Halbwertszeit verändern (. Abb. 35.8). Die Analyse von über 30 Tumorerkrankungen des Menschen hat gezeigt, dass die meisten p53-Mutationen aufweisen und dass sich die Verteilung verschiedener Mutationen im p53-Gen von Erkrankung zu Erkrankung unter-scheidet. Abbildung 35.8 zeigt die Verteilung von Muta-tionen bei verschiedenen Gruppen von Patienten. Hoch-risikogruppen chinesischer Patienten mit Leberkrebs, die aus Gegenden stammen, in denen chronische Hepa-titis B-Infektionen oder Belastung mit Aflatoxin B1 häu-fig sind, haben ein deutlich anderes Mutationsspek-trum als Patienten aus Gegenden mit geringem Erkran-kungsrisiko. Deutliche Unterschiede finden sich auch beim Vergleich von Lungen- und Darmkrebs. Im All-gemeinen sind p53-Genmutationen mit einem schlech-teren Ansprechen auf die Chemo- und Radiotherapie verbunden. Die Zellen weisen ein labileres Genom auf, sodass Mutationen akkumulieren können. Dagegen rea-gieren Tumoren mit normalen p53-Genen gut auf die therapeutisch induzierte DNA-Schädigung durch Cyto-statika.

35.5 Kumulative Aktivierung von Onkogenen und Inaktivierung von Antionkogenen beim Mehr-schrittprozess der Tumorigenese

Seit Ende der 80er Jahre des vergangenen Jahrhunderts sind die Kenntnisse über die genetischen Grundlagen von Krebserkrankungen, die den Dickdarm und das Rektum betreffen (colorektale Tumoren) wesentlich weiterentwi-ckelt worden. Dazu haben angeborene Erkrankungen (Prä-dispositionssyndrome), die zu diesem Tumor führen, wie die familiäre adenomatöse Polyposis (FAP) oder die nicht-polypösen colorektalen Tumorerkrankungen, beigetragen. Außerdem tritt bei sporadischen colorektalen Tumoren

eine immer wieder beobachtete zeitliche Abfolge morpho-logischer Veränderungen vom Adenom bis zum Karzi-nom auf, die auf molekulare Veränderungen untersucht werden kann.

35.5.1 Familiäre adenomatöse Polyposis (FAP)

! Werden Patienten mit der FAP nicht operiert, so entwi-ckelt sich ein Dickdarmtumor.

Die FAP manifestiert sich im 2.Lebensjahrzehnt und ist durch die Entstehung von Hunderten bis Tausenden von adenomatösen Polypen im Colon und Rektum gekenn-zeichnet (. Abb. 35.9). Wird der Patient nicht behandelt, so entsteht aus den Polypen im 4. und 5. Lebensjahrzehnt immer ein colorektales Karzinom (obligate Präcancerose). Die Therapie besteht in der vorbeugenden, fast vollstän-digen Entfernung des Dickdarms. Einzelne Patienten kön-nen auch andere Tumormanifestationen oder Verände-rungen am Retinaepithel entwickeln. Das bei der FAP veränderte Gen wird als APC-Gen (. Tab. 35.3) bezeich-net. Es liegt auf Chromosom 5q21, hat eine Länge von 6,6 kb mit 15 Exons und codiert für ein Tumorsuppressor-Protein mit 2843 Aminosäuren. Eine Fülle unterschied-licher Keimbahnmutationen ist bei FAP-Patienten be-schrieben worden, von denen die meisten Rasterschub-mutationen sind, die einen vorzeitigen Abbruch der

. Abb. 35.9. Zahlreiche gutartige Polypen, aus denen sich bei der familiären adenomatösen Polyposis obligat Karzinome ent-wickeln. (Aufnahme von S.R.Hamilton, John Hopkins University School of Medicine)

351151

Trans lation mit Bildung eines verkürzten Proteins zur Folge haben. Über den Nachweis solch unterschiedlich verkürzter Proteine können etwa 80% der Mutationen nachgewiesen werden. Dem APC-Protein wird eine Funk-tion als Zelladhäsionsmolekül durch Wechselwirkungen mit α- und ß-Catenin (7 Kap. 6.2.6) zugeschrieben. Zwi-schen Art der Mutationen (und damit der Länge des Pro-teinprodukts) und dem Auftreten klinischer Symptome besteht eine direkte Beziehung (. Abb. 35.10). Die Ade-nome bei FAP-Patienten erwerben mit zunehmender Zahl

und Größe eine weitere (in diesem Fall somatische) Mu-tation in dem noch normalen Allel (Knudson-Hypothese, 7 Kap. 35.4.1). Diese könnte durch Mutagene in der ver-dauten Nahrung verursacht werden oder dadurch, dass die Zellen eine Störung des DNA-Reparaturmechanismus aufweisen, sodass sie die Rasterschubmutationen nicht reparieren können. Die Folge ist ein Wachstumsvorteil durch die Mutation, sodass der betroffene Zellklon stark expandiert.

. Abb. 35.10. Die APC-mRNA: Darstellung der 15 Exons. In der unteren Hälfte sind die Keimbahnmutationen mit ihren klinischen Manifestationen, in der oberen Hälfte die somatischen Mutationen

dargestellt, die sowohl bei der FAP als auch bei sporadischen colorek-talen Tumoren vorkommen

35.5 · Kumulative Aktivierung von Onkogenen und Inaktivierung von Antionkogenen


35

35.5.2 Hereditäre nicht-polypöse colorektale Tumoren

! Mutationen in Genen für Reparaturenzyme können Tumorerkrankungen verursachen.

Diese vererbbaren Darmtumoren (Lynch-Syndrom) zeich-nen sich durch eine Disposition, einen colorektalen Tumor zu entwickeln, aus. Sie machen etwa 5 bis 15% der Dick-darmkrebserkrankungen aus. Die Tumoren treten im mitt-leren Lebensalter (mit etwa 45 Jahren) auf und liegen bevor-zugt proximal der linken Colonflexur. Durch die Analyse von Familien (. Abb. 35.11), in denen die Krankheit ver-mehrt auftritt, gelang mit verschiedenen Methoden die Identifizierung der zugrunde liegenden genetischen De-fekte: Interessanterweise fand sich nicht der übliche Verlust von Genen, sondern es wurden Allele mit unterschiedlicher Länge beobachtet. Dies ist auf veränderte (CA-) Dinucleo-tidrepeats zurückzuführen. Veränderungen dieser Mikro-satelliten (7 Kap. 5.4.3) wurden im gesamten Genom ge-funden, was dafür spricht, dass die an der angeborenen Disposition für colorektale Tumoren beteiligten Gene etwas mit der fehlerfreien DNA-Replikation zu tun hat-ten. So wurden mehrere Gene auf den Chromosomen 2, 3 und 7 (hmsh2, hmlh1, hpms1 und 2) identifiziert, die Homologe des bakteriellen muthls-Komplexes darstellen, der am genetischen Korrekturlesen, d.h. der Reparatur von Basenfehlpaarun gen, beteiligt ist (7 Kap. 7.3.1). Keim-bahnmutationen dieser Mutatorgene führen zu einem Funk tions verlust mit Ak kumulation von Fehlpaarungen mit DNA-Replikations fehlern, der bei einem hohen Pro-zentsatz von Patienten mit angeborenen, aber auch bei

etwa 15% der Patienten mit sporadischen colorektalen Tumoren gesehen wird. Diese Mikrosatelliten-Instabilität könnte für Mutationen anderer Gene verantwortlich sein, die an dem Mehrschrittprozess der Tumorentstehung be-teiligt sind.

35.5.3 Sporadische colorektale Tumoren

Colorektale Tumoren stellen ein ausgezeichnetes Modell für die molekulare Analyse des Mehrschrittprozesses der Tu-morentstehung dar, da die meisten bösartigen Tumoren (Karzinome) aus gutartigen (Adenomen) entstehen. Damit lassen sich die einzelnen Schritte der Tumorigenese, d.h. die Progression vom normalen Mukosaepithel über die Hyper-plasie, die unterschiedlichen Adenomformen bis zum Kar-zinom (mit und ohne Metastasierung) auf molekularer Ebe-ne verfolgen. Dazu werden Gewebeproben in den einzelnen Krankheitsstadien mit Hilfe cytogenetischer und moleku-larbiologischer Methoden mit gesundem Colongewebe ver-glichen und auf Änderungen (loss of heterozygosity (LOH) und Mutationsanalyse) untersucht. Nach den Ergebnissen dieser Analysen entstehen colorektale Tumoren als Folge der kumulativen Aktivierung von Onkogenen bzw. Inakti-vierung von Antionkogenen durch Mutatio nen.

! Mutationen in den mcc- und ras-Onkogenen bestim-men die frühe Phase des Adenom-Karzinom-Über-gangs.

Im Gegensatz zum normalen Epithelwachstum besteht in der frühen colorektalen Tumorigenese ein hyperprolifera-tiver Regenerationszustand von Colonepithelien. An die-

. Abb. 35.11. Familienstammbaum mit hereditärem, nicht-polypösem, colorektalem Karzinom (CRC). Die Zahl gibt das Mani-festationsalter an. Die meisten Betroffenen haben colorektale Karzino-

me (rote Symbole), einzelne aber auch andere Tumoren z.B. des Nieren-beckens oder Dünndarms (grüne Symbole). ○ Frau; □ Mann; ø □/ ver-storben; CRC colorektales Karzinom

351153

sem Zustand ist das mcc-Gen (mutated in colon carcinoma) auf Chromosom 5q21 beteiligt. Das Auftreten des Adenom-phänotyps wird von einer Hypomethylierung (verringerte DNA-Methylierung, 7 Kap. 8.5.1) mit genomischer Insta-bilität begleitet (. Abb. 35.12). Diese hemmt die Chromo-somenkondensation. Bei einem Drittel der untersuchten DNA-Abschnitte konnten bereits bei Grad I/II-Adenomen Hypomethylierungen festgestellt werden. Im weiteren Ver-lauf der Tumorigenese treten ras-Mutationen auf. Bis zu 10% der Colonadenome (Polypen) mit einer Größe von weniger als 1 cm, aber bereits etwa die Hälfte der Adenome mit einer Größe von mehr als 1 cm und die Hälfte aller Karzinome weisen ras-Mutationen auf (. Abb. 35.13). Da-neben können andere Onkogene wie z.B. das neu-, c-myc- oder c-myb-Onkogen aktiviert sein.

! Mutationen in den dcc- und p53-Antionkogenen be-stimmen die späte Phase des Adenom-Karzinom-Über-gangs.

Im weiteren Verlauf kommt es zum Verlust verschiedener Regionen (LOH, 7 Kap. 35.4.1) im Bereich des kurzen Arms von Chromosom 17: Sie sind zwar selten bei Pa-tienten mit Adenomen und nehmen mit zunehmender Größe, villösen Anteilen bzw. Dysplasie (Grad I bis III, also zunehmend undifferenzierter) auf etwa 25% zu, treten aber bei etwa 75% aller Patienten mit Karzinomen auf (. Abb. 35.13). Allen Verlusten gemeinsam ist die Region p12–13, die das p53-Antionkogen enthält. Außerdem wurden Punktmutationen in dem zweiten p53-Allel in Zusammen-hang mit dem Verlust des anderen Allels häufig bei colorek-talen Tumoren gefunden. Bereits die Mutation eines Allels bewirkt einen selektiven Wachstumsvorteil der betroffenen Zelle, da offenbar das mutierte Genprodukt mit der Funk-tion des noch gesunden durch Komplexbildung interferiert (dominanter Effekt). Geht in einem weiteren Schritt das normale Allel verloren, sodass nur das mutierte Genpro-

dukt übrig bleibt, so erwirbt die Tumorzelle einen weiteren Wachstumsvorteil.

Der zweite wichtige Allelverlust betrifft Chromosom 18q21–22, das bei etwa 70% der Tumoren und etwa 50% der späten Adenome verloren ist. Das dort gelegene dcc-Gen (deleted in colorectal carcinomas) codiert für ein Pro-tein, das eine signifikante Homologie zur Familie der Zell-adhäsionsproteine aufweist. Das dcc-Gen wird in normaler Colonschleimhaut exprimiert, jedoch nicht oder nur in reduzierter Menge in der Mehrzahl (etwa 75%) der colorek-talen Tumoren. Das Gen könnte durch Veränderungen von Zell-Zell-Wechselwirkungen oder Zell/extrazelluläre Ma-trix-Wechselwirkungen eine Rolle bei der Tumorigenese spielen. Im Gegensatz zu Allelverlusten auf Chromosom 17p bestehen 18q-Verluste bereits in etwa 15% sog. Grad

. Abb. 35.12. Genetische Veränderungen bei der Progression vom Colonadenom zum Colonkarzinom. (Einzelheiten 7 Text)

. Abb. 35.13. Prozentsatz von ras-Mutationen und -Allelverlus-ten auf Chromosom 17p in Abhängigkeit vom Tumorstadium. (Einzelheiten 7 Text)

35.5 · Kumulative Aktivierung von Onkogenen und Inaktivierung von Antionkogenen


35

I–II-Adenome und nehmen mit weiterer Dysplasie (Grad III) auf 47% zu. Bei diesen molekularen Veränderungen handelt es sich um häufige, in der Adenom-Karzinom-Se-quenz anzutreffende Veränderungen, deren dargelegter Zeitablauf bevorzugt auftritt, aber nicht auftreten muss. So sind 17p-Allelverluste in frühen Adenomen selten und ver-gleichende Untersuchungen zwischen Adenomen und Kar-zinomen zeigen, dass der Unterschied nicht durch die Qua-lität der Veränderungen, sondern ihre Quantität bedingt ist. Daraus kann man schließen, dass die Akkumulation gene-tischer Veränderungen und nicht ihr zeitlicher Ablauf für die Progression vom Adenom zum Karzinom verantwort-lich ist. Mit Sicherheit sind noch Allelverluste in anderen chromosomalen Regionen (so z.B. auf 1q, 4p, 6p, 8p, 9q, 22q) für die colorektale Tumorigenese von Bedeutung, so-dass man davon ausgehen kann, dass mindestens 6 bis 10 genetische Veränderungen die colorektale Tumorigenese bedingen.

35.6 Entstehung von Fusionsgenen durch Translokationen

Jede Änderung des Tumorzellgenoms kann (muss aber nicht) eine makroskopisch sichtbare Veränderung der Chromosomen bedingen und damit mit Hilfe der Cytoge-netik erkennbar werden. Daraus folgt, dass die molekulare Charakterisierung der chromosomalen Veränderung zur Identifikation der an der Erkrankung ursächlich beteiligten Krebsgene führen kann. In der Tat zeigte die Identifizierung von Genen, die an Rearrangements beteiligt sind, dass es sich in einzelnen Fällen um Onkogene handelt. Dadurch, dass Onkogene an der Translokation beteiligt waren, war belegt, dass sowohl Translokationen als auch Onkogene entscheidend an der Tumorentstehung beteiligt sein müs-sen. Die chromosomale Analyse, d.h. z.B. der Nachweis der 9/22 Translokation bei der chronischen myeloischen Leu-

kämie (CML), war die Voraussetzung für die Klonierung der beteiligten Gene.

! Patienten mit chronisch myeloischer Leukämie weisen eine reziproke Translokation zwischen den Chromo-somen 9 und 22 auf.

Die chronische myeloische Leukämie (CML) ist eine Leu-kämie, bei der Granulozyten und ihre unreifen Vorstufen unreguliert produziert und ins Blut freigesetzt werden. Bei Patienten mit CML waren im Jahre 1960 ein verkürzter lan-ger Arm des Chromosoms 22 (22q- oder Philadelphia-Chromosom) und als dessen Ursache im Jahre 1973 eine Translokation beschrieben worden, die durch eine Aus-tausch von Bruchstücken zwischen den Chromosomen 9 und 22 charakterisiert ist. Dabei ist jeweils eines der beiden Chromosomen der Zelle betroffen. An der reziproken Translokation sind das Abl-Onkogen auf Chromosom 9 und das Breakpoint Cluster Gen (BCR) auf Chromosom 22 beteiligt. Das Abl-Onkogen kodiert für eine Nichtrezeptor-Tyrosinkinase mit einem Molekulargewicht von 145 kd (p145ABL) (. Abb. 35.14).

Der Bruchpunkt im ABL-Gen tritt in Richtung 5 (zum Zentromer hin) des Exon 2 (von insgesamt 11 Exons) auf . Die Exons 2–11 des ABL-Onkogens werden in die sog. Major Breakpoint-Cluster Region (M-bcr) des BCR-Gens trans-poniert: die dabei entstehende Fusions-mRNA wird in ein chimäres Protein transkribiert, das als p210BCR-ABL bezeich-net wird. In seltenen Fällen liegt der Bruchpunkt auf Chromo-som 22 an anderen Stellen, den Minor- bzw. Mikron-Break-point Cluster Regionen. Dabei entstehen das p190BCR-ABL-(m-bcr) bzw. p230BCR-ABL-(μ-bcr) Fusions protein.

Die mit der Bildung der Fusionsproteine verbundenen strukturellen Änderungen rufen die Charakteristika der CML (Transformation, vermehrte Proliferation, gestörte Adhäsion) hervor: vermittelt wird diese durch konstitutive Aktivierungen der RAS- , JAK-STAT-, FAK und Pl-3-Kina-se-Signalwege (7 Kap. 25).

. Abb. 35.14. Entstehung verschie-dener Formen des BCR-ABL-Fusions-gens durch Chromosomen-Trans-lokation bei der chronisch mye-loischen Leukämie. (Einzelheiten 7 Text)

351155

Durch die auf diesen biochemischen Kenntnissen beru-hende Entwicklung eines spezifischen BCR-ABL-Tyrosin-kinase-Inhibitors (STI 571) können Patienten mit CML heute sehr gut behandelt werden (7 Kap. 35.11).

35.7 Mechanismen der Invasion

und Metastasierung

Solange ein Tumor auf seinen Ausgangspunkt beschränkt ist (Primärtumor), kann die Erkrankung durch einen ope-rativen Eingriff geheilt werden. Viele Tumoren weisen je-doch die Tendenz auf, lokal invasiv zu wachsen und nach Einbruch in die Gefäßbahn sekundäre Tumoren (Metasta-sen) zu bilden.

35.7.1 Invasion und Metastasierung

! Invasion und Metastasierung erfordern zusätzliche genetische Veränderungen in Tumorzellen.

Verschiedene koordiniert ablaufende Prozesse stellen die Voraussetzung für Invasion und Metastasierung dar. Dabei sind – wie im Falle der Onko- und Antionkoproteine – ne-gative und positive regulatorische Elemente von Bedeutung. Die bisher beschriebenen genetischen Veränderungen füh-ren zu einer Störung der Proliferation. Das fehlregulierte Wachstum ruft jedoch nicht per se Invasion und Metasta-sierung hervor, d.h. diese Prozesse bedürfen zusätzlicher genetischer Veränderungen. Mutationen können entweder nacheinander und völlig unabhängig voneinander auftre-ten oder – was wahrscheinlicher ist – durch zeitlich über-lappende Prozesse. Invasion und Metastasierung kommen durch Proteine zustande, die die Anhaftung von Tumorzel-len an zelluläre oder extrazelluläre Matrixbestandteile des umgebenden Gewebes fördern, die die Proteolyse von Wirtsbarrieren wie z.B. Basalmembranen durch Tumorzel-len stimulieren, die die Tumorzellfortbewegung unterstüt-

zen und die die Proliferation im Zielorgan der Metastasie-rung ermöglichen. Diese Proteine werden auch von nicht-transformierten Zellen gebildet, werden aber durch Pro teine antagonisiert, die ihre Produktion, Regulation oder Wir-kung blockieren können. Störungen dieses Gleichgewichts führen zur Aktivierung der Bewegung (Motilität) und Pro-teolyse als Voraussetzung für Invasion und Metastasie-rung.

! Die Neubildung von Gefäßen ist ein kritischer Schritt bei der Tumorbildung.

Invasives Verhalten und Metastasierung beruhen auf einer Kaskade von miteinander verbundenen und nacheinander ablaufenden Schritten, die viele Wirt-Tumor-Wechselwir-kungen beinhalten. Für die erfolgreiche Metastasierung muss eine Zelle oder eine Gruppe von Zellen imstande sein, den Primärtumor durch Überwindung der Basalmembran zu verlassen, in das örtliche Stroma einzudringen, An-schluss an die Zirkulation zu gewinnen, im entfernten Ge-fäßbett stecken zu bleiben, in das Zielorgan zu auszuwan-dern (Interstitium und Parenchym) und als sekundäre Kolonie zu proliferieren (. Abb. 35.15). Dabei stellt die Neubildung von Gefäßen, die Angiogenese, die Vorausset-zung für die Größenzunahme des Primärtumors über einen Durchmesser von 2 mm dar; diese Größenzunahme ver-ursacht eine Hypoxie, die zur Bildung des Hypoxie-indu-zierbaren Transkriptionsfaktors I (HIF) führen (7 Kap. 28.1.10). Diese führt zur Expression des vaskulären endo-thelialen Wachstumsfaktors (VEGF). Auf parakrinem Weg stimuliert VEGF die Proliferation von Gefäßendothel-zellen. Diese Wirkung wird über spezifische VEGF-Rezep-toren (VEGF-R1 und VEGF-2 oder KDR) vermittelt, die Tyrosinkinaseaktivität aufweisen. An der Gefäßneubildung sind auch andere Cytokine wie TGF- , FGF und Angio-genin beteiligt. Über die neu gebildeten Blutgefäße, die den Tumor durchdringen, treten die Tumorzellen häufig in die Zirkulation ein. Eine Neubildung von Gefäßen ist ebenso für die Vergrößerung der metastatischen Kolonie erforder-lich. Nur ein sehr kleiner Prozentsatz, d.h. weniger als 0,01%

. Abb. 35.15. Mehrschrittprozess der Metastasierung. (Einzelheiten 7 Text)

35.7 · Mechanismen der Invasion und Metastasierung


35

der zirkulierenden Tumorzellen, ist schließlich imstande, metastatische Kolonien zu verursachen. Demzufolge wird die Metastasierung auch als ein hochselektiver Wettbewerb angesehen, der das Überleben einer Subpopulation von me-tastatischen Tumorzellen favorisiert, die im heterogenen Primärtumor präexistieren.

35.7.2 Wechselwirkungen von Tumorzellen mit der extrazellulären Matrix

! Tumorzellen haben die Tendenz, Kompartimentgrenzen zu überwinden.

Im Zuge der Entwicklung zu invasiven Tumoren missach-ten Tumorzellen die soziale Ordnung von Grenzen inner-halb von Geweben und dringen in fremde Organe ein. Der Säugetierorganismus ist durch die extrazelluläre Matrix, die aus der Basalmembran und dem darunter liegenden inter-stitiellen Stroma (7 Kap. 24.1) besteht, in eine Reihe von Gewebekompartimenten aufgeteilt. Die basale Epithelzell-schicht liegt auf dieser Basalmembran, auf der anderen Seite befindet sich das interstitielle Stroma mit stromalen Zellen wie z.B. Fibroblasten oder Myofibroblasten. Norma-lerweise mischen sich die Zellpopulationen auf den beiden Seiten diesseits und jenseits der Basalmembran nicht. Beim invasiven Tumor überwinden Tumorzellen jedoch die Basalmembran, dringen in das darunter liegende inter-stitielle Stroma ein und treten mit den stromalen Zellen in Wechselwirkung. Demzufolge ist das metastatische Ver-halten der Tumorzelle durch ihre Tendenz gekennzeichnet, Gewebekompartimentgrenzen zu überwinden und sich mit verschiedenen Zelltypen zu mischen. Die Basalmembran ist eine Matrix aus Kollagen, Glycoproteinen und Proteo-glykanen, die normalerweise keine zum passiven Zelltrans-port ausreichend großen Poren enthält. Aus diesem Grunde muss die Invasion der Basalmembran durch Tumorzellen ein aktiver Vorgang sein. Sobald die Tumorzellen das Stroma erreichen, können sie Anschluss an Lymph- und Blutgefäße zur weiteren Disseminierung gewinnen. Die Wechselwirkungen der Tumorzelle mit der Basalmembran können in mehrere Schritte unterteilt werden:4 die Herabsetzung der Wechselwirkungen zwischen den

einzelnen Tumorzellen4 ihr Kontakt mit der Basalmembran4 die Auflösung der Matrix und4 die Wanderung (Motilität)

Die Bindung der Tumorzelle an die Basalmembranoberflä-che wird durch Tumorzelloberflächenrezeptoren der Inte-grin- und Nichtintegrin-Familien vermittelt. Diese Rezep-toren erkennen Glycoproteine wie Laminin, Typ IV-Kolla-gen und Fibronektin in der Basalmembran (7 Kap. 24.5.3). Einige Stunden nach dem Kontakt der Tumor zelle mit der

Basalmembran findet sich an dieser Stelle eine umschrie-bene lokalisierte Zone der Auflösung. Dies kommt dadurch zustande, dass Tumorzellen proteolytische Enzyme sezernie-ren oder dass die Wirtszelle Proteinasen freisetzt, die die Matrix und ihre Adhäsionsmoleküle abbauen. Die Auflö-sung der Matrix findet in einer umschriebenen Region in der Nähe der Tumorzelloberfläche statt, in der die Mengen aktiven Enzyms die natürlich vorkommenden Proteinase-inhibitoren im Interstitium und in der Matrix, die von nor-malen Zellen in der Nachbarschaft sezerniert werden, über-schreitet.

! Tumorzellen müssen beweglich sein.

Die Motilität ist ein weiterer wichtiger Schritt der Invasion, der dazu führt, dass die Tumorzelle gerichtet die Basal-membran überwindet und sich durch das Stroma nach re-gionaler Proteolyse der Matrix bewegt. Die Bewegung be-ginnt mit der Ausstreckung von Pseudopodien an der Front der wandernden Zelle. Die Tumorzellmotilität wird durch Tumorzellcytokine (autokrine Motilitätsfaktoren) reguliert. Die ebenfalls erhöhte ungerichtete Motilität von Tumorzel-len führt zu einer Ausbreitung im Bereich des Primärtu-mors. Zusätzlich können Ort und Richtung der Tumorzell-bewegung durch von anderen Zellen gebildete Stoffe mit chemotaktischer Wirkung beeinflusst werden.

35.7.3 Bedeutung von Proteinasen für Invasion und Metastasierung

! Matrix-Metalloproteinasen besitzen eine Schlüsselfunk-tion beim Abbau der extrazellulären Matrix.

Verschiedene Familien proteolytischer Enzyme (Metallo-, Cystein- und Serinproteinasen) sind am Abbau der Basal-membran bzw. der extrazellulären Matrix beteiligt. Serin-proteinasen wie t-Plasminogenaktivator aktivieren das Proenzym Plasminogen zu Plasmin, welches Matrixkom-ponenten abbaut. Cysteinproteinasen wie Kathepsin B kön nen bei transformierten Zellen in aktivierter Form mit der Plasmamembran assoziiert sein, von wo aus sie bei Kon-takt mit einer Basalmembran darin enthaltenes Laminin degradieren. Die wichtigste Gruppe Matrix-abbauender Enzyme stellen die Matrix-Metalloproteinasen (MMP) dar (7 Kap. 9.3.3, 7 Kap. 24.6).

Die Aktivität vieler Metalloproteinasen wird nach ihrer Sekretion in den Extrazellulärraum auf verschiedenen Ebe-nen reguliert (7 Kap. 9.3.3), entweder durch Aktivierung mittels limitierter Proteolyse, durch Bindung an Zellmem-branen, durch Substratbindung und durch Wechselwir-kungen mit von Wirt- und/oder auch Tumorzellen gebil-deten Metalloproteinase-Inhibitoren (tissue inhibitors of metalloproteinases, TIMPs). TIMP1, ein Glycoprotein mit einer Molekülmasse von 28,5 kDa, wird von vielen vom Mesoderm abstammenden Zellen und von Fibroblasten

351157

produziert. Es hemmt interstitielle und Typ IV-Kollagenase und damit auch die Invasion von Tumorzellen durch Am-nionmembranen (ein experimentelles System zum Studi-um der Invasion und Metastasierung), ohne dass dabei die Wachstumstendenz oder Adhäsion der Zellen beeinflusst wird. TIMP2 besitzt ein Molekulargewicht von 21 kD und ist nicht glycosyliert. Es wird ebenfalls von mesodermalen Zellen produziert und bildet inaktivierende Komplexe mit aktiven MMPs und ihren Proenzymen. Bei der Invasion muss das fein regulierte Gleichgewicht zwischen Proteina-sen und ihren Inhibitoren als Voraussetzung für eine er-höhte Enzymaktivität gestört sein: Dies kann theoretisch durch vermehrte Expression des Proteinase-Gens, ver-mehrte Aktivierung des Proenzyms bzw. verringerte Ex-pression des Antiproteinase-Gens oder erhöhte enzyma-tische Inaktivierung des Proteinaseinhibitors eintreten. Auch Cytokine beeinflussen die Aktivität von Proteinasen und Antiproteinasen (. Abb. 35.16).

35.8 Tumorentstehung durch Cancerogene

35.8.1 Chemische Cancerogenese

! Mutagene hinterlassen Fingerabdrücke im Genom.

Obwohl inzwischen nachgewiesen ist, dass Änderungen in bestimmten DNA-Sequenzen Krebs verursachen, sind die Rolle der primären Faktoren, die diese Veränderungen her-beiführen, und die Mechanismen, über die sie wirken, im Detail noch unklar. Sequenzänderungen in Genen können nach Exposition mit Stoffen auftreten, die die DNA schädi-gen, wie z.B. elektrophile Mutagene oder auch spontan. Auch die Zellproliferation als Reaktion auf einen Entzün-dungsstimulus oder aufgrund der toxischen Wirkung von Carcinogenen erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass gene-tisch veränderte Zellen entstehen. Die Mutationen entste-hen dabei nicht statistisch verteilt in einem bestimmten Gen, sondern gehäuft in bestimmten Regionen. Jedes Mu-tagen oder jeder mutagene Prozess hinterlässt einen cha-rakteristischen Fingerabdruck von DNA-Veränderungen, der sich hinsichtlich der Natur der Änderungen (d.h. wel-che Nucleotide ein bestimmtes Basenpaar ersetzen), den Ort der Änderungen und der Häufigkeit der Änderungen in dem Gen unterscheiden. Durch Analyse des Spektrums von Mutationen, wie z.B. beim p53-Gen (. Abb. 35.8), kön-nen Arbeitshypothesen über die umweltinduzierten und körpereigenen molekularen Vorgänge aufgestellt werden, die zur Entwicklung der Krebserkrankung beitragen. So wurde z.B. die Hypothese aufgestellt, dass die G T-Mu-tationen in Codon 249 des p53-Gens bei Patienten mit Le-berkrebs, die in Hochrisikoregionen in China leben, auf ein Aflatoxin in der Nahrung zurückzuführen sind, da dieses Toxin eine starke mutagene Aktivität besitzt und nach Mu-tagenesestudien vor allem diese Transversion hervorruft.

! Viele Cancerogene sind elektrophil.

Bei der Mehrzahl der chemischen Cancerogene handelt es sich um organische Moleküle mit einem Molekulargewicht von weniger als 500 kDa: Neben polycyclischen aroma-tischen Kohlenwasserstoffen, die in Autoabgasen, Zigaret-tenrauch oder Kaffee (. Abb. 35.17) vorkommen, sind dies aromatische Amine und Amide, alicyclische Nitrosamine und Nitrosamide, halogenierte aliphatische und alicyclische Kohlenwasserstoffe sowie komplexe Pyrrolizidinalkaloide. Aber auch Metalle wie Cadmium, Beryllium, Kobalt, Blei oder Nickel können cancerogen sein. Auffallende Gemein-samkeit vieler organischer Cancerogene ist ihre Elektrophi-lie, d.h. ihr Streben nach elektronenreichen Zentren ande-rer Moleküle, die meist erst nach enzymatischer Aktivie-rung der Cancerogene im Wirtsorganismus entsteht. Elektronenreiche Zentren finden sich vor allem an Stick-stoff-, Sauerstoff- und Schwefelatomen wie dem N7, dem C8 und dem Sauerstoffatom am C8 von Guanin, den Stickstoff-

2

. Abb. 35.16. Regulation der Aktivität von Matrix-Metallopro-teinasen durch TIMPs und Cytokine. PA = Plasminogen-Aktivator; PAI = Plasminogen-Aktivator-Inhibitor. (Einzelheiten 7 Text). (Nach Ries u. Petrides 1995)

35.8 · Tumorentstehung durch Cancerogene


35

atomen1 und 3 von Adenin sowie dem Stickstoffatom 3 von Cytosin in Nucleinsäuren.

! Die meisten Cancerogene sind Procancerogene, die durch Zellenzyme aktiviert werden müssen.

In allen Fällen wird dann eine stark elektrophile Verbin-dung gebildet. Enzyme, die Cancerogene aktivieren, sind in vielen Zellen mit unterschiedlicher Spezifität und Aktivität vorhanden. Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe werden zu Epoxiden (cyclische Äther) oder Radikalen um-gewandelt: 3,4-Benzpyren wird unter Beteiligung von Cyto-chrom P450 (Genfamilie I, 7 Kap. 15.2.2) im endoplasma-tischen Retikulum zum Arenoxid oxidiert, das durch eine Epoxidhydratase in ein Transdihydrodiol überführt wird. Durch erneute Epoxidierung dieses als vorläufig bezeich-neten Cancerogens entsteht das endgültige Cancerogen, das covalent unter Öffnung des Epoxidrings mit nuc leo-philen Basen wie der Aminogruppe von Guanin reagiert (Bildung von Benzpyrendiolepoxid-DNA-DNA-Adduk-ten). Entgiftungsreaktionen überführen vorläufiges und endgültiges Cancerogen in die entsprechenden Phenole und Glutathionverbindungen. Ist durch eine Mutation die

entsprechende Glutathion-S-Transferase reduziert, so ist dies mit einem erhöhten Krebsrisiko verbunden (7 Kap. 15.3). Der oxidative Stoffwechsel chemischer Fremdsub-stanzen durch die Leber, der einen lebenswichtigen Ent-giftungsmechanismus darstellt (7 Kap. 33.2.1), macht somit die chemisch inerten Cancerogene erst zu Krebs auslö-senden Stoffen. Die Organspezifität bestimmter Cancero-gene ist möglicherweise auf die unterschiedliche Ausstat-tung einzelner Gewebe mit diesen Enzymen zurückzu-führen.

35.8.2 Physikalische Cancerogenese

Ultraviolettes Licht ist hoch mutagen, was zumindest teil-weise auf die charakteristischen Pyrimidin-Dimerschäden in der DNA zurückzuführen ist. Nicht reparierte Cytosin-Dimere rufen Tandemmutationen hervor, bei denen zwei benachbarte Cytosinreste (Cytosin-Cytosin) durch zwei Thyminbasen (Thymin-Thymin) ersetzt werden. Diese Änderung tritt praktisch nur nach Exposition mit UV-Strahlung auf (7 Kap. 7.3).

. Abb. 35.17. Chemische Cancerogene

351159

35.9 Stoffwechsel von Tumorgeweben

! Tumorzellen weisen oft einen erhöhten Glucosedurch-satz auf.

Etwa vor 60 Jahren bemerkte Otto Warburg (1883–1970), einer der Begründer der heutigen Biochemie, dass verschie-dene Tumoren auch in Anwesenheit von Sauerstoff große Mengen von Lactat bilden. Er postulierte, dass die hohe Glucoseabbaurate zu Lactat auch in Gegenwart von Sauer-stoff die Folge eines Defekts der Atmungskette sei, und dass Krebs entstehe, wenn die Zelle auf eine irreversible Schädi-gung ihrer Atmung mit der Adaptation an die Glycolyse zu Lactat antwortet. Nach Warburg können diese Zellen ihren differenzierten Zustand nicht aufrechterhalten und wach-sen als entdifferenzierte Zellen unkontrolliert. Seine Beo-bachtungen führten ihn zu der apodiktischen Aussage (1956), dass »die Ära vorbei sei, in der die Glycolyse zu Lactat in Tumorzellen und ihre Bedeutung für die Tumo-rentstehung diskutiert werden, und niemand heutzutage bezweifelt, dass wir den Ursprung der Tumorzellen erken-nen werden, wenn wir wissen, wie die hohe Glycolyserate zu Lactat zustande kommt, oder um es vollständiger zu fassen, wenn wir wissen, wie die gestörte Atmung und die exzessive Lactatbildung zustande kommen«. Durch Unter-suchungen seit Mitte der fünfziger Jahre sind die Ergeb-nisse von Warburg relativiert worden, da auch Tumoren existieren, die Glucose in normalen Mengen oxidieren. Dennoch weisen viele Tumoren eine erhöhte Glucoseauf-nahme auf, was auch die Grundlage der sog. Fluordesoxy-glucose-(FDG)-Methode zur PET-Analyse von Tumoren darstellt.

! Mammakarzinome sind in ihrem Wachstum auf Östro-gene angewiesen.

Bereits normales Brustdrüsengewebe ist von weiblichen Sexualhormonen abhängig, sodass die Hormonabhängig-

keit davon abgeleiteten Tumorgewebes nicht überrascht. Die Hormone wirken dabei über die Induktion der Bildung von Polypeptidwachstumsfaktoren wie IGF, EGF oder TGF- . Die Antagonisierung von Östrogenen ist deshalb ein wesentlicher Bestandteil der Therapie des Mamma-karzinoms: diese kann entweder durch Antiöstrogene wie Tamoxifen erfolgen, die Östrogen kompetitiv vom Östro-genrezeptor verdrängen, durch Hemmstoffe der endogenen Östrogensynthese, sog. Aromatasehemmstoffe oder durch Medikamente, die zu einem Abbau des Östradiolrezeptors führen (7 Kap. 27.6.2).

35.10 Früherkennung von Tumoren

Zu den dringlichsten Problemen in der klinischen Onkolo-gie gehört die Früherkennung von Krebserkrankungen. Die ideale Substanz zur Früherkennung einer Tumorerkennung wäre ein stabiles Molekül, das ausschließlich von Tumorzel-len (eines Gewebes) synthetisiert und sezerniert wird und im Plasma und/oder Urin nachweisbar ist. Alle bisher be-kannten von Tumorzellen abgegebenen und als Tumor-marker bezeichneten Moleküle werden jedoch auch von gesunden Geweben produziert. Da von Tumoren abgege-bene Moleküle in den Körperflüssigkeiten verdünnt wer-den, muss eine bestimmte Anzahl von Tumorzellen vor-handen sein, um nachweisbare Quantitäten zu bilden: Die chemische Grenze liegt etwa bei 104 bis 105 Zellen, das sind vier bis fünf Zehnerpotenzen weniger als das Minimum von 109 Zellen, welches 1 cm3 Tumormasse entspricht, das zum radiologischen Nachweis (z.B. durch Computertomo-graphie) erforderlich ist. Aus diesem Grunde sind die Er-krankungen bei dem erstmaligen Nachweis eines Tumor-markers i.a. bereits in einem fortgeschrittenen Stadium. Tumormarker eignen sich deshalb weniger zur Früher-kennung als zur Verlaufsbeurteilung der Therapie einer Krebserkrankung: klinisch wichtige Tumormarker sind

. Tabelle 35.4. Tumormarker (Auswahl)

Freigesetzte Substanz Vorkommen bei Tumoren Vorkommen bei nicht-malignen Erkrankungen

Onkofetale AntigeneCarcinoembryonales Antigen (CEA) Carcinom (Colon, Rektum, Pankreas,

Gallenblase u. a.)Gewebenekrose, starkes Rauchen, Darmerkrankungen

α1-FetoproteinCA 19-9CA 12-5

Hepatom, malignes TeratomPankreascarcinomOvarialcarcinom

Lebercirrhose, Hepatitis

EnzymeProstata-spezifisches Antigen (PSA)Alkalische Phosphatase(Knochenisoenzym)

ProstatacarcinomOsteosarkom, Knochenmetastasen (besonders Brust, Prostata, Schilddrüse)

ProstatitisOsteomalazie

HormoneChoriongonadotropin (HCG)Calcitonin(Pro-)ACTH

Choriocarcinom, TestiscarcinomMedulläres SchilddrüsencarcinomLungentumoren

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das -Fetoprotein, das carcinoembryonale Antigen (CEA), das Prostata spezifische Antigen (PSA) und Hormone, die von bestimmten Tumoren ektopisch produziert werden (. Tabelle 35.4).

Eine wichtige Früherkennungsmethode ist die Unter-suchung des Stuhls auf okkultes Blut (das aus Darmtumo-ren stammen kann). Der auch als Haemokkult bezeichnete Test nutzt die Pseudo-Peroxidaseaktivität von Hämoglobin aus. Empfindlichere – in Entwicklung befindliche – Tests versuchen, Mutationen in Tumor-DNA, die aus Stuhl extra-hiert wird, nachzuweisen.

In der Diagnostik von Leukämien und Tumorerkran-kungen finden zunehmend Mikroarray- und Proteom-analysen Anwendung (Beispiel, 7 Kap. 7.4.4), bei denen die Probe auf die unterschiedliche Expression von Tausenden von Genen bzw. Proteinen untersucht wird.

35.11 Krebstherapie

! Cytostatika hemmen die Zellteilung über eine Hem-mung des DNA-Stoffwechsels.

4 Cytostatika greifen an definierten Stellen des Zellzyklus ein; sie können aber nur auf Zellen wirken, die sich in Teilung befinden (was bei Tumorgewebe nicht für alle Zellen zutrifft):

4 Alkylanzien (wie z.B. Cyclophosphamid) führen über eine covalente Brückenbildung zwischen den DNA-Strängen zu einer Hemmung der Replikation

4 Anthracycline interkalieren zwischen den DNA-Strän-gen und verwehren der DNA-Polymerase damit den Zugang

4 Verschiedene Cytostatika hemmen für die DNA-Syn-these essentielle enzymatische Systeme wie die Topoi-somerase (so z.B. Etoposid)

4 Vincaalkaloide wirken über eine Hemmung des Spin-delapparats in der M-Phase

4 Antimetaboliten (wie Fluorouracil) hemmen spezifisch in der S-Phase die Thymidylat-Synthase und damit die DNA-Synthese (7 Kap. 19.1.5)

4 Im Gegensatz dazu aktivieren die ebenfalls in der Krebstherapie eingesetzten Cytokine Interferon-α oder Interleukin-2 Immunvorgänge (7 Kap. 25.5; 34.6.2)

! Neue Therapieansätze entwickeln sich aus dem zuneh-mend besseren Verständnis der Biochemie von Tumoren.

Das zunehmend bessere Verständnis der biochemischen Grundlagen von Tumorerkrankungen erlaubt die Entwick-lung einer zielgerichteten Tumortherapie: Schwerpunkt der bisherigen Entwicklung sind monoklonale Antikörper und Tyrosinkinaseinhibitoren: beim Darmkrebs wird der EGF-Rezeptor von einem Teil der Patienten überexprimiert, beim Brustkrebs das HER2-Neu-Onkogen, ein Verwandter des EGF-Rezeptors. Monoklonale Antikörper gegen diese

Proteine (Cetuximab bzw. Trastuzumab) sind therapeutisch wirksam und werden für die Behandlung dieser Krebsarten eingesetzt. Ebenso ist ein Antikörper gegen vEGF (Bevazu-zimab), der die Angiogenese hemmt, für die Therapie von Darmtumoren zugelassen.

Tyrosinkinasen sind wichtige Vermittler der Signal-transduktion einer Vielzahl von Membranrezeptoren (7 Kap. 25.5.1). Bei der chronisch myeloischen Leukämie wird die BCR/ABL-Fusions-Tyrosinkinase (siehe oben) effektiv durch den Tyrosinkinase-Inhibitor STI 571 ge-hemmt. Deshalb hat auch dieses Molekül Eingang in die Leukämietherapie gefunden. Die Tyrosinkinaseinhibitoren Erlotinib und Gefitinib hemmen über eine selektive Hem-mung der ATP-Bindungsstelle die EGF-Rezeptor-Tyrosin-kinase und werden zur Behandlung des Bronchialkarzi-noms angewandt.

! Tumorzellen entwickeln Resistenzmechanismen gegen Cytostatika.

Werden Tumorzellen in vitro mit pflanzlichen Cytostatika wie Vincaalkaloiden, Actinomycin D oder Anthracyclinen inkubiert, entstehen resistente Varianten. Im Allgemeinen sind diese Zellvarianten nicht nur gegen das Medikament resistent, das sich in dem Inkubationsmedium befindet, sondern auch gegenüber anderen aus natürlichen Pro-dukten. Deshalb wird dieser Zustand als Multidrug-Resis-tenz (MDR) bezeichnet. Diese Resistenz erklärt, warum viele Tumorerkrankungen des Menschen nur schlecht auf die Behandlung mit Cytostatika ansprechen. Vermittelt wird sie u.a. durch eine Familie membranständiger Trans-portproteine, die die Cytostatika aus dem Cytosol wieder in den Extrazellulärraum zurücktransportieren. Zu dieser Fa-milie gehört auch das bei der cystischen Fibrose gestörte Transportsystem. Beim Menschen gibt es zwei Mitglieder der MDR-Familie (MRD-1 und -2). Beide Proteine weisen einen hohen Homologiegrad auf. Beim Menschen wird das MDR-1-Protein (. Abb. 35.18) in Nieren, Colon, Placenta, Nebennieren und spezialisierten Strukturen wie Endothel-zellen, die an der Bildung der Blut-Gehirn- und Blut-Ho-den-Schranke beteiligt sind, gefunden. Es wird ihnen des-halb eine physiologische Funktion beim ATP-abhängigen Transport von Steroidhormonen und der Ausscheidung natürlicher Toxine zugeschrieben. Das MDR-1 codiert für ein Glycoprotein mit einem Molekulargewicht von 170 kD (P-Glycoprotein, P-170), das MDR-2 ist offenbar am stär-ksten in der Leber exprimiert. Interessanterweise sind Tu-moren, die aus Geweben mit hoher MDR-1-Expression entstehen, chemotherapieresistent, wohingegen die initiale Therapieempfindlichkeit von Leukämien und Lymphomen mit einer niedrigen MDR-1-Expression normaler hämato-poietischer Zellen einhergeht. Tumorzellen können offen-bar nicht nur dadurch, dass sie sich in der G0-Phase befin-den, sondern auch durch eine vermehrte MDR-1-Expres-sion gegenüber der Chemotherapie resistent sein. Die Isolierung des MDR-1-Gens hat somit einen molekularen

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Marker zur Verfügung gestellt, der zur Beurteilung der Chemotherapieresistenz dienen kann. Daneben spielen auch Änderungen der Expression anderer Enzyme wie der Topoisomerase II (7 Kap. 7.2.3) oder der Glutathion-S-Transferase (7 Kap. 15.3) eine Rolle für die Chemothera-peutikare sistenz.

35.12 Gentherapeutische Ansätze bei Krebserkrankungen

! Die Gentherapie von Krebserkrankungen steht am Beginn ihrer Entwicklung.

Die kausale Behandlung des durch Mutationen hervorgeru-fenen Gendefekts bei Tumorzellen ist die Einführung des normalen Gens in die Tumorzelle. Bei Genverlusten oder -störungen (wie z.B. solcher der Antionkogene) ist das Ziel, durch Transfektion ein neues Gen in das zelluläre Genom einzubringen (Additionstherapie) oder das defekte Gen durch homologe Rekombination (7 Kap. 7.4.4) durch ein neues zu ersetzen (Substitutionstherapie). Das ersetzte fremde Genmaterial tritt dabei an die Stelle des defekten endogenen Gens und wird wie dieses reguliert. Die homo-loge Rekombination gelang jedoch bisher nur an kulti-vierten Zellen der Maus (7 Kap. 7.4.5). Die Transfektion, d.h. die Einbringung eines zusätzlichen funktionellen Gens in eine Zelle, kann durch die in Kapitel 7 (7 Kap. 7.4.1, 7.4.2) besprochenen Methoden erreicht werden; dies funktioniert in vitro zwar leicht, ist aber in vivo bei einem soliden Tumor bisher sehr viel schwieriger zu erreichen. Die Effizienz der Transfektion ist immer noch sehr niedrig und auch von Zelle zu Zelle stark unterschiedlich. Die meisten mensch-lichen Zellen können zudem nur kleine Mengen fremder DNA integrieren (etwa 6 kb). Weiterhin wird das trans-fizierte Gen aus noch unbekannten Gründen nur für einige Monate exprimiert. Daher versucht man, durch selektive Promotoren die Transkription der transfizierten Gene zu beeinflussen.

! Mit der Anti-Gentherapie sollen Gene der Tumorzelle gehemmt werden.

Andere Ansätze bedienen sich der Antisense-Oligonuc-leotide, d.h. kurzen synthetischen Nucleotidsequenzen, die zu DNA- und RNA-Sequenzen komplementär sind und diese durch Hybridisierung inaktivieren (7 Kap. 7.4.4). Durch Bindung dieser Nucleotide an ihr jeweiliges Ziel-molekül können Transkription oder Translation des dazu-gehörigen Gens selektiv gehemmt werden. Wenn dieses Gen ursächlich an der Entstehung der Tumorkrankheit be-teiligt ist, könnte seine Inaktivierung zu einer Regression des malignen Phänotyps führen. Die mRNA im Cytosol stellt ein geeigneteres Ziel als die DNA im Zellkern für diesen Ansatz dar, da die Antisense-Oligonucleotide – neben der Zellmembran – nicht auch die Kernmembran permeieren müssen.

! Der Einbau von Cytokingenen soll natürliche Abwehr-mechanismen stimulieren.

Cytokine können eine Wirkung auf das Tumorwachstum haben, besitzen jedoch bei systemischer Gabe Nebenwir-kungen und eine sehr kurze Halbwertszeit. Deshalb ver-sucht ein neuer Ansatz, Gene für Cytokine (Interleukin-2, Interleukin-4, Interferone, Tumornekrosefaktor) in Zellen einzubringen, die spezifisch mit Tumorzellen in Wechsel-wirkung treten, wie z.B. tumorinfiltrierende Lympho-zyten (TIL). So wurden solche Zellen mit dem Gen für Tumornekrosefaktor transfiziert. Durch Markierung mit einem Markergen wie Neomycinphosphotransferase konn-te nachgewiesen werden, dass sich diese Zellen im Tumor anreichern und dort bis zu 10 Monaten fremde Gene expri-mieren.

! Gentherapeutische Manipulation erlaubt die lokale Produktion eines Cytostatikums.

Ein weiterer Therapieansatz ist die virusdirigierte Enzym-Medikamentenvorstufen-Therapie, die darauf beruht, dass ein Vektor spezifisch in Tumorzellen, aber nicht in

. Abb. 35.18. Strukturmodell des MDR1-Proteins (P170-Glycoprotein), das als transmembranäres Protein in der Zellmembran ver-ankert ist

35.12 · Gentherapeutische Ansätze bei Krebserkrankungen


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normalen Zellen exprimiert wird. So wird ein Virusgen in der normalen Leberzelle nur dann exprimiert, wenn es an den Albuminpromotor gekoppelt ist, aber nicht bei Kopplung an den -Fetoprotein-Promotor. In der Leber-tumorzelle ist dies genau umgekehrt: Koppelt man z.B.

das Gen für Cytosin-Desaminase an einen derartigen selektiven Promotor, so führt die Expression dieses Gens in der Zielzelle dazu, dass angebotenes 5-Fluorocytosin intrazellulär in das Cytostatikum 5-Fluorouracil umge-wandelt wird.

In Kürze

Der programmierte Zelltod, die Apoptose, ist ein Vorgang, der im Zuge der Tumorentstehung fehlreguliert sein kann. Onkogene und Antionkogene sind die Krebsgene, deren Mutationen die Tumorentstehung verursachen. Mehrere Hundert dieser Gene sind inzwischen bekannt. Onkogene und Antionkogene sind im nicht-mutierten Zustand an der Regulation des Zellwachstums beteiligt. Onkogene werden durch Mutationen aktiviert. Die mutierten Gene werden auf die nächste Tumorzellgeneration weiter-gegeben. Die Inaktivierung von Antionkogenen trägt ebenfalls zur Tumorentstehung bei. Mutationen in Genen für Reparaturenzyme verursachen Tumoren. Bei vielen Leukämien sind Translokationen bekannt, die zur Bildung

von Fusions genen und damit -proteinen mit veränderter Funktion führen. Invasion und Metastasierung erfordern zusätzliche genetische Veränderungen. Expression von Pro-teinasen und Neubildung von Gefäßen (Angiogenese) sind Schlüsselvorgänge in dem Mehrschrittprozess der Tumori-genese. MMPs und vEGF sind dabei von entscheidender Be-deutung, sodass an der Entwicklung von Inhibitoren gear-beitet wird. Mutagene Stoffe sind in unserer Umwelt und Nahrung vorhanden.

Die Krebstherapie entwickelt sich von einem empiri-schen zu einem auf den Erkenntnissen der Biochemie ba-sierenden Ansatz. Beispiele dafür sind monoklonale Anti-körper und Tyrosinkinase-Inhibitoren.

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