Molekulare und zelluläre Onkologie

Projekte

Systematische Genomforschung

• Genomweite systematische Identifizierung von Tumormarkern
• Epigenetische Regulationsmechanismen der Tumorgenese und Metastasierung
• Auswirkungen von Nanopartikeln auf Zellen des Respirationstrakts

Molekularbiologische Analysen tumorrelevanter Proteine

• Biologische Bedeutung des Zytokeratins 24 für die zelluläre Homöostase und Tumorgenese
• Funktionelle Charakterisierung von OSF-2 (Periostin)
• Funktionelle Charakterisierung des Transkriptionsfaktors Twist1
• Untersuchung der biologischen Relevanz der Threonin-Aspartase1 (Taspase1) in soliden Tumoren

Translationale Krebsforschung und Molekulare Medizin

• Das Apoptose-Inhibitor Protein Survivin als prädiktiver und therapeutischer Faktor bei Kopf- und Halstumoren
• Survivin als Regulator der Tumorangiogenese - Funktionelle Analyse und therapeutische Intervention
• Histondeacetylase-Inhibitoren zur Verbesserung der Krebstherapie - molekulares Verständnis und therapeutisches Potential”
• Molekulares Verständnis und gerichtete Inhibition des Kern-Zytoplasma-Transports als neues therapeutisches Konzept

Genomweite systematische Identifizierung von Tumormarkern

Univ. Prof. Dr. Roland H. Stauber/Dr. rer. nat. Negusse Habtemichael/ Dr. phil. nat. Shirley Knauer

Die Identifizierung und funktionelle Charakterisierung neuer, an der Krebsentstehung und Metastasierung beteiligter Gene durch Anwendung moderner Hochdurchsatztechnologien stellt einen Arbeitsschwerpunkt unserer Gruppe dar.

Mittels Genchip-Analysen (siehe Abbildung) und der immunhistochemischen Analyse von Gewebechips untersuchen wir in interdisziplinärer Zusammenarbeit die maligne Transformation und das Metastasierungsverhalten von Kopf-und-Hals- sowie Brust- und Kolon-Tumoren. Differentiell exprimierte Gensignaturen könnten nicht nur zur molekularen Diagnostik eingesetzt werden, sondern ermöglichen außerdem die Identifikation neuer potentieller Angriffspunkte für experimentelle Therapien.

Die Rolle, welche bestimmte differentiell exprimierte Gene bei der Krebsentstehung spielen, wird derzeit mittels verschiedener experimenteller und bioinformatischer Ansätze untersucht.

Epigenetische Regulationsmechanismen der Tumorgenese und Metastasierung

Univ. Prof. Dr. Roland H. Stauber/Dr. phil. nat. Shirley Knauer/Dr. rer. nat. Negusse Habtemichael/Cand. biol. Nadine Courtial/Cand. biol. Maike Priester/Cand. biol. Ulrike Billmeier

Neben genetischen Abberationen wie Deletionen, Insertionen oder Duplikationen spielt die Epigenetik eine wichtige Rolle bei der Entstehung und Progression von Tumorerkrankungen. Neben Proteinmodifikationen betreffen epigenetische Alterationen vor allem die Methylierung regulatorischer DNA-Bereiche (siehe Abbildung), welche sich entscheidend auf die Transkription und letztendlich auf die Menge und die biologische Aktivität von Proteinen auswirken kann.

Im vorliegenden Projekt wird mit Hilfe genomweiter Expressions- (= Transkriptom) und Methylierungsanalysen (= Methylom) versucht, neue Gene zu identifizieren, deren Expression im Normalgewebe, im Primärtumor und in Metastasen durch Methylierung differentiell reguliert wird. Die funktionelle Auswirkung der epigenetischen Transkriptionsregulation auf die „kanzergonenen“ Funktionen der Kandidatenproteine, sowie deren Methylierungsstatus im Patientenmaterial, wird anschließend molekularbiologisch charakterisiert.

Auswirkungen von Nanopartikeln auf Zellen des Respirationstrakts

Univ. Prof. Dr. Roland H. Stauber/Dr. phil. nat. Shirley Knauer/ Dr. rer. nat. Negusse Habtemichael

Eine der zentralen Fragen bei der aktuellen Diskussion um die enormen Anwendungsmöglichkeiten der Nanotechnologie ist eine mögliche Gesundheitsgefährdung durch ultrafeine Partikel in der Umwelt. Dabei stehen Risiken für die Atemwege im Vordergrund. Feine und ultrafeine Stäube in der Umgebungsluft stammen meist aus verschiedensten Verbrennungs- und Verarbeitungsprozessen. Daneben werden Nanopartikel (NP) auch zunehmend industriell in einer Vielzahl von Produkten eingesetzt.

In einer interdisziplinären Kooperation mit den Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Kirkpatrick (Inst. f. Pathologie; Univ. Mainz), Dr. Maskos (Institut f. Physikalische Chemie; Universität Mainz) und Prof. Dr. Galla (Institut f. Biochemie; Universität Münster) untersuchen wir in vitro die Wechselwirkung von NP mit Epithel- und Endothelzellen der alveolo-kapillären Barriere. Neben der bio-physikalischen Charakterisierung von NP, stehen vor allem die Analysen intra- und interzelluläre Transportwege von NP, sowie die Auswirkungen mikroskaliger Partikel auf die Homöostase der Zelle im Vordergrund diese Projekts. Hierbei kommen neben zellbiologischen Methoden („live cell imaging“, computergesteuerte Mikroinjektion, etc.) auch genomweite Transkriptomanalysen zum Einsatz um zelluläre Mechanismen und Signaltransduktionswege zu identifizieren, welche möglicherweise durch NP beeinflusst werden.

Die Ergebnisse dieser Arbeiten sollen nicht nur dazu beitragen eventuelle unerwünschte Nebenwirkungen von NP besser vorhersagen zu können, sondern könnten auch neue, potentiell therapeutische Einsatzmöglichkeiten von NP (z.B. in der Tumortherapie) aufzeigen.

Biologische Bedeutung des Zytokeratins 24 für die zelluläre Homöostase und Tumorgenese

Dr. rer. nat. Negusse Habtemichael/Cand. med. Daniel Schreiber

Zytokeratine spielen nicht nur als zelluläre Strukturelemente eine wichtige Rolle für das Überleben gesunder und maligner Zellen (in der nebenstehenden Abbildung ist das Zytokeratin-Skelett einer Zelle schematisch dargestellt), sondern scheinen auch an einer Vielzahl von Signaltransduktionsvorgängen kausal beteiligt zu sein.

Mittels genomweiter Expressionsstudien konnte unsere Arbeitsgruppe ein neues Zytokeratin, Zytokeratin 24  (KRT24), identifizieren und dessen Expression erstmals in vivo nachweisen. KRT24 wird in der Mehrzahl von Kopf-und-Hals-Tumoren und Tumorzelllinien vermindert exprimiert.

Ziel der weiteren Arbeiten ist es, die molekularen Selektionsmechanismen, welche für die Herabregulation der KRT24-Expression verantwortlich sind, sowie deren biologische Bedeutung für die Entwicklung, zelluläre Differenzierung und Pathogenese umfassend zu analysieren.

Funktionelle Charakterisierung von OSF-2 (Periostin)

Univ. Prof. Dr. Roland H. Stauber/Dipl.-Biol. Andrea Schweitzer

Mit Hilfe von Microarrays, die zunehmend Anwendung in der Genomanalyse und Diagnostik finden, konnten wir zeigen, dass OSF-2 in Primärtumoren und Metastasen verschiedener Tumorentitäten differentiell exprimiert wird.

Die biologische Bedeutung dieses Sekretionsproteins für die Tumorprogression und Metastasierung bei Kopf- und Halstumoren, bzw. dessen prognostische Relevanz wird derzeit in umfassenden in vitro und in vivo Studien analysiert.
Abbildung: menschliche Zelle mit sekretorischen Vesikeln (rot). Der Zellkern wurde mittels eines Farbstoffs blau gefärbt.

Funktionelle Charakterisierung des Transkriptionsfaktors Twist1

Univ. Prof. Dr. Roland H. Stauber/Dipl.-Biol. Alexander Rekik/Cand. med. Florian Kötz

Der Transkriptionsfaktor Twist1 spielt eine essentielle Rolle in der embryonalen Entwicklung.

In den letzten Jahren mehrten sich zudem Hinweise darauf, dass Twist1 bei verschiedenen Krebsarten, darunter auch Kopf-/Hals-Tumoren, überexprimiert ist. So fördert dieser Faktor über einen biologischen Prozess, welcher als "Epitheliale-zu-Mesenchymale-Transition" (EMT) bekannt ist, die Zellmotilität und somit auch die Ausbildung von Metastasen (Abbildung: metastasierender Tumor).

Durch Homodimerisierung kann Twist1 bestimmte Regulationselemente seiner Zielgene, so genannte E-Boxen, binden und somit deren Transkription regulieren. Da auch die spezifische zelluläre Lokalisation von Twist1 einen Einfluss auf seine biologische Funktion auszuüben scheint, ermöglicht die Identifikation und Charakterisierung von Translokationssignalen im Twist1-Protein ein detaillierteres Verständnis seines molekularen Wirkungsmechanismus. Neben in vitro und ex vivo Versuchen soll der Effekt von Twist1 in vivo im Mausmodell auf die Induktion der EMT und somit auf die Metastasenbildung untersucht werden.

Untersuchung der biologischen Relevanz der Threonin-Aspartase1 (Taspase1) in soliden Tumoren

Univ. Prof. Dr. Roland H. Stauber/Dipl.-Biochem. Carolin Bier

Neueren Erkenntnissen zufolge ist die Prozessierung des Mixed Lineage Leukemia Proteins (MLL) durch Taspase1 (Abbildung: Modell der 3D-Struktur) nicht nur essentiell für die Embryonalentwicklung (Aktivierung verschiedener Hox-Gene), sondern scheint auch relevant für die maligne Transformation von Lymphozyten im Kleinkindalter zu sein.

Diese Form der akuten lymphatischen Leukämie (ALL, siehe Abbildung) wird durch verschiedenste chromosomale Translokationen zwischen dem MLL-Gen und anderen Genloci verursacht. Die somit entstehenden Fusionsproteine werden durch Taspase1 gespalten, was mit der Aktivierung der Fusionsproteine einhergeht.

Unsere Affymetrix Gen-Chip Analysen belegen, dass Taspase1 auch in soliden Tumoren, u.a. in Tumoren des Kopf-Hals-Bereichs, gegenüber Normalgewebe überexprimiert vorliegt. Die molekularen Mechanismen und Zielsubstrate von Taspase1, welche zur malignen Transformation beitragen, sind jedoch noch nicht im Detail verstanden und werden in diesem Projekt durch umfassende zellbiologische und biochemische Ansätze untersucht.
Darüber hinaus arbeitet unserer Arbeitsgruppe an der Etablierung zellulärer Testsysteme (Protease-Biosensoren), welche die Identifizierung pharmakogenetischer Taspase1-Inhibitoren im Hochdurchsatzverfahren ermöglichen. Taspase1-Inhibitoren stellen nicht nur wichtige Werkzeuge zur Aufschlüsselung der molekularen Wirkmechanismen von Taspase1 dar, sondern könnten auch für die Behandlung von ALL und anderer Tumorentitäten von Bedeutung sein.

Das Apoptose-Inhibitor Protein Survivin als prädiktiver und therapeutischer Faktor bei Kopf- und Halstumoren

Dr. phil. nat. Shirley Knauer/Dipl.-Biochem. Carolin Bier

Für Unterschiede im Therapieansprechen von Plattenepithelkarzinomen der Kopf-Hals-Region bei völlig homogener Behandlung werden u.a. zelluläre Resistenzmechanismen bei individuell unterschiedlicher Genexpression verantwortlich gemacht.

Einen für diese Problematik wichtiger Faktor stellt das sog. „inhibitor of apoptosis“ (IAP)-Protein Survivin dar. Survivin wird in einer Vielzahl von Tumorentitäten im Vergleich zum Normalgewebe überexprimiert und als ein prognostischen Faktor für Tumorprogression, Therapieresistenz und Überleben postuliert. Eigene Untersuchungen zeigen, dass Survivin auch in Plattenepithelkarzinomen des Kopf- Halsbereichs (HNSCC = „head and neck squamous cell carcinoma“) signifikant überexprimiert ist. In vitro-Untersuchungen an HNSCC-Zelllinien belegen eine Korrelation zwischen dem Ausmaß der Survivin-Expression und der Resistenz gegenüber durch Chemotherapeutika- und Bestrahlung-induzierter Apoptose. Zudem bewirkte eine durch RNA-Interferenz vermittelte Inhibition von Survivin eine Steigerung der Apoptoserate.

So soll einerseits die Bedeutung der Survivin-Expression für Progression, Therapieansprechen und Metastasierung von Plattenepithelkarzinomen des Kopf- Halsbereichs retrospektiv evaluiert werden. Zusätzlich soll der potentielle Einsatz der durch RNA-Interferenz (siehe Abbildung) vermittelten Expressionshemmung von Survivin als innovatives Therapieverfahren in Kombination mit Chemotherapeutika, ionisierender Strahlung und Aurora B-Kinaseinhibitoren in HNSCC-Zellkulturmodellen untersucht werden.

Survivin als Regulator der Tumorangiogenese - Funktionelle Analyse und therapeutische Intervention

Dr. phil. nat. Shirley Knauer/ Dipl.-Biochem. Carolin Bier

Survivin wird in einer Vielzahl von Tumorentitäten im Vergleich zum korrespondierenden Normalgewebe überexprimiert und als ein prognostischen Faktor für Tumorprogression, Therapieresistenz und Überleben postuliert. Eigene Untersuchungen zeigen, dass Survivin neben anderen Tumorarten (z.B. Kolonkarzinom, gynäkologische Tumoren, Melanom) auch in Plattenepithelkarzinomen des Kopf- Halsbereichs (HNSCC = „head and neck squamous cell carcinoma“) signifikant überexprimiert ist.

Angiogenese-induzierende Faktoren (VEGF, bFGF, IL-8, PDGF, etc.) sowie oxidaktiver Stress (NO, Hypoxie) scheinen die Expression von Survivin in Tumor- und Tumorendothelzellen zu induziert und somit deren Proliferation und Apoptoseresistenz zu begünstigen (Abbildung: Blutgefäßversorgung eines Tumors).

Ziel des Projektes ist es die molekulare Regulation der Survivinexpression sowie die funktionelle Bedeutung und das therapeutische Potential von Survivin für die Tumorangiogenese zu untersuchen. So soll die molekulare Bedeutung von Survivin für Endothelzellen mittels Blockierung der Tumorangiogenese durch RNA-Interferenz-vermittelte Expressionshemmung von Survivin sowie durch trans-dominante Survivin Mutanten in Kombination mit klinisch relevanten Antagonisten des VEGF-Signaltransduktionsweges im Detail untersucht werden.

Histondeacetylase-Inhibitoren zur Verbesserung der Krebstherapie - molekulares Verständnis und therapeutisches Potential”

Univ. Prof. Dr. Roland H. Stauber/Dipl.-Biol. Alexander Rekik/Cand. Med. Sascha Moreitz

Die sog. Epigenetik, welche eine von der DNA-Sequenz unabhängige Regulation der Genexpression darstellt, spielt eine wichtige Rolle bei der Entstehung und Progression von Krebserkrankungen. Epigenetische Alterationen betreffen neben der Methylierung der DNA vor allem die Modifikation von Histonen. Dieser sogenannte „Histon-Code“ (Abbildung: um Histone gewickelte DNA) wird dabei durch das regulierte Zusammenspiel verschiedener Enzym-Gruppen, den Histonacetyltransferasen (HATs) und den Histondeacetylasen (HDAC) generiert.

So befinden sich HDAC-Inhibitoren (HDACi) zur Behandlung verschiedener Tumorentitäten in der klinischen Erprobungsphase obwohl die molekularen Wirk- und Resistenzmechanismen im Detail noch nicht verstanden sind.

Ziele des Projektes sind daher:

• die Bedeutung der HDAC-Expression für Progression, Therapieansprechen und Metastasierung von Plattenepithelkarzinomen des Kopf- Halsbereichs zu untersuchen.
• die Auswirkung verschiedener HDACi getrennt und in Kombination mit Chemo-/Radiotherpie zu evaluieren.
• die molekularen Signalwege und Faktoren, welche für das Ansprechen und die Resistenz gegenüber HDACi verantwortlich sind, aufzuklären.

Molekulares Verständnis und gerichtete Inhibition des Kern-Zytoplasma-Transports als neues therapeutisches Konzept

Univ. Prof. Dr. Roland H. Stauber/Dipl.-Biol. Verena Fetz/Dr. phil. nat. Shirley K. Knauer

Einen weiteren Schwerpunkt unsere Arbeitsgruppe stellt das Verständnis der Regulation des Kern-Zytoplasma-Transportes von Proteinen und dessen möglicher Bedeutung für die normale Homöostase und die Pathogenese dar.
Der aktive Kern-Zytoplasmatransport erfolgt über den Kernporenkomplex (Abbildung: elektronenmikroskopische Aufnahme von Kernporenkomplexen in der Zellmembran) und wird durch Transportsignale vermittelt. Unsere bisherigen Arbeiten belegen, dass dem gerichteten Kern-Zytoplasmatransport eine zentrale Bedeutung für die biologische Funktion von Proteinen zukommt, welche eine wichtige Rolle bei der Pathogenese spielen.

Der Ansatz, die gerichtete Modulation nukleozytoplasmatischer Transportprozesse als therapeutische Strategie zu verfolgen, rückte daher in den letzten Jahren vermehrt in das Interesse der akademischen wie industriellen Forschung. In diesem Zusammenhang entwickelten wir zell-basierte Testsysteme ( = Translokations-Biosensoren), welche eine systematische Identifizierung und effiziente Validierung niedermolekularer Antagonisten intrazellulärer Transportprozesse ermöglichen.

In weiteren Arbeiten ist geplant, diese Translokations-Biosensoren im zell-basierten „high-content-screening“ einzusetzen, um chemische Translokationsinhibitoren aus der zentralen Substanzsammlung der Deutschen Initiative für Chemische Biologie (ChemBioNet; www.chembionet.de) zu selektionieren. Das Potential der Substanzen zur selektiven Transport- und Funktionsinhibition sowie deren potentielle therapeutische Einsetzbarkeit soll anschließend durch umfassende in vitro und in vivo Modelle evaluiert werden.