DNA-Verpackung. Ein neuer Ansatzpunkt zur Krebstherapie

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1 Ein neuer Ansatzpunkt zur Krebstherapie Die Therapie von Krebserkrankungen ist eine der großen Herausforderungen für die moderne Wissenschaft. Es gilt, die Ursachen der Tumorbildung zu verstehen und Methoden zu entwickeln, die es erlauben, entartete Zellen wieder in ihre gesunden Vorläufer zurückzubilden oder sie selektiv abzutöten. In den letzten Jahren hat sich herausgestellt, dass die Verpackung der Erbsubstanz DNA im Chromatin eine zentrale Rolle im Krebsgeschehen spielt. Wissenschaftler am GSF-Institut für Toxikologie untersuchen eine Klasse von Enzymen die Histon-Deacetylasen, die die Verpackung der DNA maßgeblich beeinflussen und somit einen potenziellen Angriffspunkt für eine Krebstherapie darstellen. 48

2 Seit über 30 Jahren ist ein Medikament auf dem Markt, mit dem Patienten, die an Epilepsie erkrankt sind, erfolgreich behandelt werden können. Es ist die Valproinsäure, ein kleines organisches Molekül, das bei über 60 Prozent der Patienten zu einer dauerhaften Anfallsfreiheit führt. Valproinsäure ist gut verträglich und arm an Nebenwirkungen, allerdings mit einer markanten Ausnahme: Die Substanz ist teratogen, das heißt ihre Einnahme während der Schwangerschaft kann zu einer schweren Schädigung des Embryos führen. Der Rückenmarkskanal des Embryos wird nicht korrekt geschlossen und der Schädel entwickelt sich unproportional. Lange war unklar, weshalb Valproinsäure eine solch fatale Wirkung auf die Embryonalentwicklung hat, im erwachsenen Organismus aber keine gravierenden Schädigungen hervorruft. Gemeinsam mit seinen damaligen Kollegen am Forschungszentrum Karlsruhe und am Georg-Speyer-Haus in Frankfurt/Main hat der Toxikologe Prof. Dr. Martin Göttlicher die molekularbiologischen Vorgänge untersucht, die der teratogenen Wirkung von Valproinsäure zugrunde liegen. Die Ergebnisse dieser Arbeiten erregten viel Aufsehen. Die Wissenschaftler fanden nämlich nicht nur die Erklärung dafür, wie die Substanz in die Embryonalentwicklung eingreift, sie zeigten zugleich Möglichkeiten auf, wie mit diesem Wirkstoff bestimmte Formen von Krebs behandelt werden könnten. Die Verpackung macht s Unsere damaligen Untersuchungen ergaben, dass Valproinsäure die Verpackungsdichte der Erbsubstanz DNA verändert und dadurch eine verstärkte Aktivität einer Vielzahl von Genen möglich wird, erläutert Göttlicher, der seit 2003 das GSF-Institut für Toxikologie leitet und den Lehrstuhl für Toxikologie an der Technischen Universität München innehat. In der Embryonalentwicklung verursacht diese erhöhte Genexpression Fehlbildungen, bei bestimmten Krebserkrankungen scheint sich die Aktivierung von Genen jedoch vorteilhaft auszuwirken: Tumorzellen werden im Wachstum gehemmt oder sie sterben durch Induktion des programmierten Zelltodes ab. DNA-Moleküle liegen im Zellkern zusammen mit einer Reihe von Proteinen in einer hoch organisierten Struktur vor, dem Chromatin. In der ersten Verpackungsstufe wird die DNA-Doppelhelix in so genannte Nukleosomen gepackt: Jeweils etwa 200 Basenpaare der DNA sind um einen Kern aus acht Proteinen, den Histonen, gewunden. Aufgrund ihrer Aminosäurezusammensetzung sind die Histon-Proteine positiv geladen, allerdings können sie durch Enzyme so modifiziert werden, dass sich ihre Gesamtladung ändert. So bewirkt eine bestimmte Enzymklasse die der Histon-Acetyltransferasen, dass Acetyl-Gruppen angeheftet werden und dadurch die Eigenladung der Histone neutralisiert wird. Eine andere Klasse von Enzymen die Histon-Deacetylasen können diese Acetyl- Gruppen wieder entfernen und damit die positive Eigenladung der Histone wieder freilegen. Da die Bausteine der DNA die Nukleotide negativ geladen sind, hat der Ladungszustand der Histone einen erheblichen Einfluss auf die Packungsdichte der DNA im Chromatin und somit auch auf die Zugänglichkeit der darauf lokalisierten Gene für die Transkriptionsmaschinerie. Mit anderen Worten: Gene in einer locker gepackten DNA auf acetylierten Histonen sind aktiver als Gene in einer dicht gepackten DNA auf nicht-acetylierten Histonen. Valproinsäure, ein erfolgreich eingesetztes Epilepsiemedikament, zeigt teratogene Wirkung: Die Einnahme während der Schwangerschaft kann zu schweren Schädigungen des Embryos führen, der Rückenmarkskanal wird nicht korrekt geschlossen. Die zwei Seiten des Wirkstoffs bildeten den Ausgangspunkt für die bahnbrechenden Arbeiten von Prof. Göttlicher und seinen Kollegen. Im Bild: Mäuseskelette (li: gesund, re: Fruchtschädigung nach Behandlung mit Valproinsäure). Fotos: Prof. Dr. H. Nau, Dr. K. Hoffmann, Tierärztliche Hochschule Hannover 49

3 Die Verpackung der DNA im Chromatin. Etwa 200 Nukleotide sind pro Nukleosom um einen Kern (grünblau) von acht Histonproteinen gewunden. Die Histone können enzymatisch durch Ubiquitin, Phosphat-, Methyl- und Acetyl-Reste modifiziert sein. Dadurch ändert sich die Verpackungsdichte der DNA im Chromatin. 50 Göttlicher und Kollegen konnten in ihren früheren Arbeiten zeigen, dass das Anti-Epileptikum Valproinsäure die Aktivität der Histon-Deacetylase-Enzyme hemmt. Die Acetyl-Gruppen können daher nicht mehr von den Histonen entfernt werden, die Histone liegen ungeladen vor, das Chromatin ist weniger dicht gepackt, und viele Gene, deren Kontrolle von der Histon-Acetylierung abhängt, sind folglich aktiver. In der Embryonalentwicklung, die durch ein empfindliches Gleichgewicht von aktiven und passiven Genen charakterisiert ist, führt diese ungeplante Genaktivierung zu Fehlbildungen von Neuralrohr und Schädel. Der erwachsene Organismus kann die Hemmung der Histon-Deacetylasen in gewissen Grenzen offensichtlich besser ausgleichen als der Embryo. Genaktivierung zur Kontrolle von Krebszellen Die durch Hemmung von Histon-Deacetylasen verursachte Genaktivierung könnte so spekulierten die Wissenschaftler aber auch ein vielversprechendes Konzept zur Therapie von bestimmten Tumorerkrankungen darstellen. Kleines Molekül mit großer Wirkung: Valproinsäure Zellkernproteine von menschlichen Kulturzellen nach gelelektrophoretischer Auftrennung. Linke Spur: Größenstandards; mittlere Spur: Leicht lösliche Zellkernproteine; rechte Spur: Schwerlösliche Zellkernproteine. Die vier prominenten Banden im unteren Bereich der schwerlöslichen Proteine sind die Histon-Proteine H2A, H2B, H3 und H4, die den inneren Kern der Nukleosomen bilden. In allen Körperzellen kontrolliert ein hochkomplexes Programm, welche Gene wann an- beziehungsweise abgeschaltet sein müssen. Dieses Programm ist jedoch störanfällig. Umwelteinflüsse oder Fehler im Erbgut können bewirken, dass Gene abgeschaltet werden, obwohl ihre Expression eigentlich wichtig ist zum Beispiel um die Zelle vor unkontrolliertem Wachstum zu schützen, sich entsprechend ihrer Bestimmung zu differenzieren oder den programmierten Zelltod auszulösen. Sind solche Gene fälschlicherweise ausgeschaltet, kann sich aus einer gesunden Körperzelle eine Krebszelle entwickeln, die sich unter Umständen ungehindert vermehrt. Aus der Tumorforschung war bekannt, dass in vielen Arten von Krebszellen die Modifikation des Chromatins gestört und daher die Expression zahlreicher Gene fehlreguliert ist.

4 Beispielsweise ist in bestimmten Leukämiezellen die Maschinerie für die Acetylierung beziehungsweise Deacetylierung von Histonen defekt es wird offensichtlich zu viel Histon-Deacetylase-Aktivität an bestimmte Gene gebunden. Dadurch wird die Chromatinstruktur derart verändert, dass wichtige regulatorische Gene stumm bleiben. Für die Therapie von solchen Tumorerkrankungen wäre es ideal, wenn Veränderungen des Chromatins, die bedingt durch Histon- Deacetylasen zu einer irregulären Stummschaltung von Genen führen, rückgängig gemacht werden könnten. Es existieren eine ganze Reihe von natürlichen und synthetischen Substanzen, die diese Enzyme hemmen können, darunter eben auch die Valproinsäure. Ihr besonderer Vorteil als Therapeutikum wäre, dass sie schon lange als Medikament zugelassen ist und wenn auch für eine andere Anwendung umfangreiche Erfahrungen über Wirkungen und Nebenwirkungen vorliegen. Die Wissenschaftler prüften die Antitumor- Wirksamkeit von Valproinsäure zunächst an Tiermodellen für Brust- und Darmkrebs, an Karzinom-Zellkulturen und an menschlichen Leukämiezellen. Die Ergebnisse waren äußerst vielversprechend: Viele Tumorzellen - bildeten sich zurück, redifferenzierten sich zu normalen Zellen oder wurden durch den programmierten Zelltod eliminiert. Allerdings gab es auch Krebszellen, die nicht auf die Hemmung von Histon-Deacetylasen reagierten. Viel versprechender Baustein für die Therapie Mittlerweile haben auch Partner in der Klinik Studien mit Valproinsäure als Antitumor-Medikament auf den Weg gebracht. Am Krankenhaus Nordwest in Frankfurt/Main läuft eine Phase I/II-Studie zur Dosisfindung und Verträglichkeit und an der Universität Ulm untersucht die AML-Studiengruppe (AMLSG) in einer Phase II- und Phase III-Studie an Patienten mit akuter myeloischer Leukämie, welche Wirksamkeit Valproinsäure in Kombination mit konventionellen und anderen innovativen Antitumor- Medikamenten hat. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sehen die Studienergebnisse ermutigend aus, und es ist zu hoffen, dass sich Valproinsäure als ein Baustein in der Kombinationstherapie bestimmter Leukämien etablieren wird. Solide Tumoren In einer Kooperation mit dem Forschungszentrum Karlsruhe fanden Göttlicher und seine Mitarbeiter vom GSF-Institut für Toxikologie kürzlich auch einen Zusammenhang zwischen einer Fehlfunktion von Histon-Deacetylasen und der Entstehung von soliden Dickdarm-Tumoren. Solche Tumoren entwickeln sich häufig auf der Basis eines Defektes im so genannten APC- (adenomatosis polyposis coli) Tumorsuppressor-Gen. Der Ausfall dieses Gens führt unter anderem dazu, dass verstärkt eine bestimmte Histon-Deacetylase, die HDAC-2, gebildet wird. Offensichtlich haben erhöhte HDAC-2-Mengen eine große Bedeutung für das weitere Schicksal der Krebszellen. An isolierten Dickdarm-Tumorzellen wurde nämlich beobachtet, dass sie nur dann überleben können, wenn erhöhte Mengen an HDAC-2 vorhanden sind. Aktuelle Forschungsarbeiten gehen der Frage nach, warum eine Hemmung von Histon-Deacetylasen zum Tod dieser Tumorzellen führt. Die genomweite Suche nach Genen, die durch Hemmung von Histon-Deacetylasen in Dickdarm- Tumorzellen aktiviert werden, zeigt, dass offensichtlich die Balance zwischen Induktoren und Inhibitoren des programmierten Zelltodes maßgeblich durch die Histon-Deacetylase-Aktivität gesteuert wird. Ferner hängen auch Komponenten, die an der Erkennung der Tumorzellen durch das Immunsystem beteiligt sind, von der Aktivität der Histon-Deacetylasen ab. Das verstärkte Auftreten der Histon-Deacetylase HDAC-2 in Dickdarm-Tumoren wirft die Bereits seit über 30 Jahren wird Valproinsäure erfolgreich bei der Behandlung von Epilepsie eingesetzt. Prof. Dr. Martin Göttlicher, heute Leiter des GSF-Instituts für Toxikologie, hat zusammen mit Kollegen entdeckt, dass Valproinsäure auch Wirkung gegen Tumorzellen zeigt. Mittlerweile laufen dazu ermutigende Phase I-, IIund III-Studien an Patienten mit akuter myeloischer Leukämie. 51

5 Die Expression von Histon-Deacetylase 2 (HDAC2) in Normalund Tumorgewebe bei einem Patienten mit Dickdarmkarzinom. Das Enzym wurde durch Immunfluoreszenz mit HDAC2- spezifischen Antikörpern sichtbar gemacht. In Tumorgeweben wird HDAC2 deutlich stärker exprimiert als in gesundem Gewebe. Kontakt Prof. Dr. Martin Göttlicher GSF-Institut für Toxikologie Tel.: 089/ goettlicher@gsf.de 52 normal Dickdarm Karzinom Immunfluoreszenz HDAC2 Frage auf, ob dieses Enzym einen entscheidenden Beitrag zur Tumorentstehung leistet und ob sich ohne HDAC-2 überhaupt Tumoren bilden können. Die Verfügbarkeit von genetisch veränderten Mäusen erlaubt es nun, dieser Frage mit Hilfe von Maus-Tumormodellen nachzugehen. Im Hinblick auf eine in der Zukunft eventuell mögliche Hemmung von HDAC-2 zu therapeutischen Zwecken ist es wichtig, dass der Gesamtorganismus diese Hemmung des Enzyms in gewissem Umfang tolerieren kann. Hier geben die genetisch veränderten Mäuse schon jetzt wichtige Hinweise: Sie sind nämlich trotz Fehlens von HDAC-2 lebensfähig. Zwar sind sie von Geburt an kleiner als ihre nicht veränderten Geschwister und durchlaufen auch die Embryonalentwicklung nicht ganz ohne Fehler, dennoch geben diese Analysen Anlass zur Hoffnung, dass eine Hemmung von HDAC-2 im erwachsenen Organismus, der einen Tumor entwickelt hat, keine gravierenden Schädigungen nach sich zieht. Die Bildung von Darmtumoren ist in Mäusen ohne HDAC-2 vermindert, auch wenn sie bis zum Stadium von gutartigen Polypen nicht ganz ausbleibt. Offen ist die Frage, inwieweit die Weiterentwicklung solcher Adenome hin zum bösartigen Karzinom durch das Fehlen von HDAC-2 beeinflusst wird, und ob es eine lohnende Perspektive ist, selektiv wirkende Hemmstoffe für die HDAC-2 zu entwickeln. In Zusammenarbeit mit der Technischen Universität München und dem Klinikum rechts der Isar werden die in der Grundlagenforschung entwickelten Konzepte durch Studien an Tumorpatienten überprüft. Die Wissenschaftler untersuchen an Proben von menschlichen Dickdarm-Tumoren, ob sich die Vorhersagen aus Zellkultur- und Mausexperimenten bestätigen lassen und tatsächlich ein Zusammenhang zwischen erhöhten Histon- Deacetylase-Mengen und der Reduktion bestimmter Wachstumsbremsen und Auslösern von Zelltod besteht. Sie erwarten, dass diese Untersuchungen Indikatoren für diejenigen Tumoren liefern, die auf eine Behandlung mit Hemmstoffen für Histon-Deacetylasen ansprechen. Die Arbeiten werden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 456 Zielstrukturen für selektive Tumorinterventionen gefördert. Mit Krebspreis geehrt Im März 2006 wurden Prof. Martin Göttlicher und Prof. Thorsten Heinzel, früherer Mitarbeiter am Georg-Speyer-Haus in Frankfurt am Main, jetzt Universität Jena, mit dem experimentellen Krebspreis 2006 der Deutschen Krebsgesellschaft ausgezeichnet. In der Begründung heißt es unter anderem: Die Arbeiten der Preisträger haben dazu geführt, dass ein grundlegender Mechanismus der Krebsentstehung besser verstanden wurde und basierend auf diesen Erkenntnissen (...) in absehbarer Zeit ein neues Krebsmedikament zugelassen werden wird.